Spawalnictwo metali.
Spawalnictwo metali jest działem technologii mechanicznej obejmującym procesy spajania, to jest trwałego łączenia przez uzyskiwanie ciągłości materiałowej w miejscu łączenia. Wśród procesów spajania rozróżniamy procesy:
spawania
zgrzewania
lutowania.
Do spawalnictwa zalicza się także procesy, w których stosuje się urządzenia spawalnicze do innych celów niż spawanie. Są to procesy pokrewne spawaniu jak: nakładanie metali, metalizowanie natryskowe, hartowanie powierzchniowe, cięcie i żłobienie termiczne.
Rys historyczny.
Początki łączenia metali przez spajanie odnajdujemy już w zamierzchłej starożytności w postaci lutowanych ozdób ze złota. Zgrzewanie jest równie stare jak rzemiosło kowala, a spawanie rur było już stosowane w Pompei.
Palniki wodorowo - powietrzne (1840 r.), a następnie wodorowo - tlenowe (1850 r.) rozpoczynają rozwój nowoczesnego spawalnictwa. E. Thompson (USA) otrzymuje w roku 1877 patent na zgrzewarki elektryczne oporowe doczołowe, a N. Benardos (Rosja) w roku 1882 na spawanie i cięcie łukowe elektrodą węglową oraz na zgrzewanie oporowe punktowe i liniowe. W 1890 roku N.Stawianow wprowadza spawanie łukowe elektrodą metalową, które i obecnie stanowi 90% wszystkich zastosowań spawania. Dopiero 10 lat później Ch. Picard zapala po raz pierwszy palnik acetylenowo - tlenowy (1901 r., Francja). Spawanie acetylenowo - tlenowe przewodzi aż do czasu rozpowszechnienia się elektrod otulonych (w latach 1925 - 1930), wynalezionych już znacznie wcześniej (O. Kjellberg, Szwecja, 1908 r.).
Spawanie maszynowe łukiem krytym (1936 r.) pozwala zastąpić ostatecznie nitowanie, kosztowne i połączone ze stratami materiału, a spawanie w osłonie z argonu (1940 r.) - stosować łuk do metali lekkich, będących domeną spawania acetylenowego. Zastosowanie około 1955 roku CO2 jako osłony łuku umożliwiło rozszerzenie spawania łukowego w osłonie gazowej na zwykłe stale.
!!!!! spawanie elektryczne bezłukowe: elektronowe (w próżni) do spawania cienkich elementów z metali bardzo trudno spawalnych, oraz spawanie żużlowe - do bardzo grubych (100 mm i więcej) części. !!!!! można się spodziewać, że nowe źródła ciepła, o nieznanej dotąd energii (plazma, laser, energia jądrowa) zrewolucjonizują te gałąź technologii.
Spawanie znajduje zastosowanie we wszystkich wyrobach i konstrukcjach metalowych, gdzie występują złącza. Metody spawalnicze dają rozwiązania najlepsze technicznie i ekonomiczne. Nitowanie zastępowane jest przez spawanie łukowe lub gazowe (np. w budowie zbiorników i kotłów) lub przez zgrzewanie punktowe i liniowe (w robotach blacharskich, przy budowie karoserii, wagonów itp.). spawanie pozwala stosować tak grube przekroje, jakich nie można nitować, co w budowie kotłów, mostów, dźwignic konstrukcji bardzo silnie obciążonych pozwala na stosowanie rozwiązań o kształtach bardziej racjonalnych. Na przykład dzięki spawaniu można dziś budować zbiorniki kuliste. W konstrukcjach stalowych oszczędność na ciężarze w stosunku do konstrukcji nitowanych wynosi 20 - 50%, co ma szczególne znaczenie w budowie środków transporrtowych (samochodów, wagonów, okrętów, samolotów).
Spawanie.
Spawanie jest procesem łączenia materiałów topliwych, głównie metali, przez stapianie brzegów w miejscu łączenia. Rozróżnia się spawanie elektryczne, gazowe i termitowe.
Spawanie różni się od zgrzewania tym, że przy spawaniu łączy się ze sobą metal w stanie ciekłym, a przy zgrzewaniu - w ciastowatym oraz, że przy spawaniu nie stosuje się docisku, a przy zgrzewaniu docisk jest niezbędny.
Materiał dodawany do miejsca łączenia nazywamy spoiwem. Gdy źródło ciepła ma dostateczną moc, aby spowodować stopienie brzegów łączonych na całej grubości, spoiwo nie jest potrzebne; wówczas źródło ciepła przesuwa się wzdłuż linii styku, metal stopiony zaś na obu brzegach zlewa się ze sobą i po ostygnięciu wiąże obie części w jedną całość. Przy spawaniu części o większej grubości ułatwia się dostęp ciepła do dolnych warstw materiału spawanego ścinając brzegi ukośnie, a powstały w ten sposób rowek wypełnia się spoiwem otrzymanym przez topienie elektrody jednocześnie z brzegiem rowka.
Spoiwo stosuje się z tego samego materiału co przedmiot spawany. Metal stopiony w złączu spawanym stanowi spoinę. Zarys spoiny widoczny jest gołym okiem na przekroju oszlifowanym. Pas metalu po obu stronach spoiny, gdzie struktura metalu uległa zmianom wskutek ogrzewania w procesie spawania, nosi nazwę strefy wpływu ciepła. Granice tej strefy można wykryć tylko pod mikroskopem. Miejsce połączenia dwóch części za pomocą spoiny nazywamy złączem spawanym.
Spoiny dzielą się zasadniczo na:
czołowe - do których spoiwo doprowadza się między powierzchnię styku
pachwinowe - gdzie spoiwo doprowadza się kąta obok styku.
Zależnie od kształtu rowka utworzonego przez brzegi łączone rozróżniamy spoiny czołowe I, dwustronne I, V, X, U, podwójne U itd.
W spawaniu dąży się do uzyskania złącza możliwie jednorodnego pod względem składu chemicznego i własności fizycznych, z których najważniejsze są: wytrzymałość i plastyczność. Niejednorodność struktury metalu oraz naprężenia spawalnicze wynikające z nierównomiernego skurczu metalu podczas stygnięcia po spawaniu utrudniają osiągnięcie tego celu. W przypadku konstrukcji bardzo odpowiedzialnych (np. kotły) przewiduje się wyżarzanie odprężające, mające na celu usunięcie naprężeń spawalniczych, albo wyżarzanie normalizujące, polepszające również strukturę metalu złącz spawanych.
Spawanie elektryczne.
Ręczne spawanie łukowe stanowi najbardziej rozpowszechnioną metodę spawania elektrycznego. Od spawarki idą dwa przewody doprowadzające prąd; jeden przewód zakończony jest uchwytem, który spawacz trzyma w ręku, drugi przewód połączony jest zaciskiem ze stołem metalowym, na którym leży przedmiot spawany. W ten sposób przedmiot spawany i uchwyt włączone są w jeden obwód prądu elektrycznego.
Spawacz ma na sobie ubranie ochronne, a na rękach grube rękawice; twarz i oczy osłania przed oślepiającym blaskiem łuku tarczą, trzymaną w jednej ręce. Spawacz patrzy na łuk przez okienka tarczy, zaopatrzone w ciemne szkło; w drugiej ręce trzyma uchwyt o dokładnie izolowanej rękojeści, aby uniknąć porażenia prądem. w uchwycie zamocowana jest elektroda. Aby zajarzyć łuk, dotyka się przedmiot elektrodą i odrywa się ją do góry. Wtedy obwód prądu zamyka się, a wskutek oporu styku na styku elektrody z przedmiotem koniec jej rozgrzewa się i przy lekkim jej podniesieniu powstaje łuk. W wysokiej temperaturze łuku topi się koniec elektrody, jak również metal rodzimy w tym miejscu, na które jest skierowany łuk.
Do spawania łukowego ręcznego konstrukcji i wyrobów ze stali stosuje się jako elektrody druty ze stali miękkiej pokrytej topnikiem, zwane elektrodami otulonymi. Podczas spawania otulina zamienia się częściowo w gazy, formując wokół łuku osłonę gazową, oraz ciekły żużel, który reagując z metalem oczyszcza go z tlenków i wprowadza doń składniki wpływające dodatnio na własności mechaniczne złącza. Żużel jako lżejszy od metalu- wypływa na powierzchnię jeziorka (stopiona elektroda) i tu zastygając tworzy skorupę chroniącą ciekły metal przed utlenieniem przez powietrze oraz opóźniającą stygnięcie metalu, co polepsza jego własności mechaniczne. Najlepsze warunki spawania elektrycznego zapewnia próżnia, ale wówczas nie występuje zjawisko łuku, gdyż strumień elektronów wysyłany przez elektrodę jest niewidzialny - metodę tę nazywamy spawaniem elektronowym; stosujemy w tym przypadku elektrodę wolframową.
Zgrzewanie elektryczne oporowe.
Przy zgrzewaniu oporowo - elektrycznym źródłem energii jest prąd elektryczny o bardzo małym napięciu (1 ÷ 10V), lecz bardzo dużym natężeniu. Obie części zgrzewane są włączone w obwód prądu. Wskutek oporu w miejscu ich styku energia elektryczna zamienia się na ciepło, temperatura szybko wzrasta, a gdy metal w miejscu styku przechodzi w stan ciastowaty, następuje docisk.
Przy zgrzewaniu punktowym prąd doprowadzony jest za pośrednictwem elektrod miedzianych, które równocześnie dociskają łączone blachy. W miejscu styku blach na drodze przepływu prądu powstaje zgrzeina punktowa, która w przekroju ma kształt soczewki. Szereg zgrzein punktowych (punktów zgrzewania) tworzy szew punktowy. Zgrzewanie punktowe służy do łączenia cienkich blach i kształtowników, zastępując nitowanie.
Przy zgrzewaniu liniowym elektrody mają kształt krążków obracających się z równomierną szybkością. Prąd przepuszcza się przez krążki okresowo, dostatecznie często, aby powstające punkty zachodziły na siebie, tworząc zgrzeinę w postaci ciągłego paska, zwaną zgrzeiną liniową. Sposób ten stosuje się do wyrobu naczyń i zbiorników cienkościennych.
Zgrzewanie do czołowe polega na łączeniu części przez dociśnięcie ich w szczękach do których doprowadza się prąd. Jedna szczęka jest ruchoma i po nagrzaniu metalu na styku dociska obie części łączone. Zazwyczaj powierzchnia styku ulega nadtopieniu, a płynny metal, wyciśnięty na zewnątrz, tworzy rąbek, który usuwa się. Zastosowanie: wały wykorbione, korbowody, mosty tylniej osi samochodów, szyny kolejowe, narzędzia itd.
Do metod specjalnych zgrzewania, mających tylko bardzo ograniczone zastosowania, zaliczamy zgrzewanie:
Zgniotowe - połączenie uzyskuje się przez sam docisk, bez podgrzewania. Uzyskuje się to dzięki płynięciu metalu pod silnym dociskiem, a więc tylko takie metale można łączyć przez zgniatanie, które już w temperaturze otoczenia mają granicę płynności dostatecznie niską (aluminium, srebro).
Tarciowe - źródłem ciepła jest tarcie na powierzchni styku części łączonych, obracających się szybko w przeciwne strony pod dość dużym dociskiem poosiowym. Przy nagłym unieruchomieniu trących się części, przy zwiększonym końcowym docisku uzyskuje się połączenie.
Wybuchowe - połączenie metali uzyskuje się również przez zgniot, tylko zamiast powolnego zgniotu wykonywanego na prasie występuje zgniot błyskawiczny, pod działaniem eksplozji materiałów wybuchowych. Dzięki temu można łączyć nawet metale odmienne, np. stal z aluminium, których nie udaje się łączyć za pomocą spawania lub innych metod zgrzewania. Zastosowania: pokrywanie stali zwykłej cienką powłoką stali kwasoodpornej itp.
Ultradźwiękowe - ultradźwięki jako źródła energii stosuje się do bardzo cienkich elementów. Poddane w ciągu kilku sekund działaniu wibratora części łączone dociskane są do siebie pneumatycznie. Ogrzanie części łączonych prądami wysokiej częstotliwości na styku gdzie ma powstać złącze i silny docisk charakteryzują zgrzewanie indukcyjne. Gdy proces ten odbywa się w próżni, która sprzyja dyfuzji materiałów łączonych na styku, ułatwia ujście rozpuszczonych w metalu gazów i odparowanie tlenków, wówczas mówimy o zgrzewaniu dyfuzyjnym. Metodą tą można łączyć odmienne metale i stopy trudno spawalne.
Lutowanie.
Lutowaniem nazywamy łączenie metali przy użyciu jako spoiwa (lutu) metalu łatwiej topliwego niż metal rodzimy. Metal rodzimy pozostaje podczas nagrzewania w stanie stałym, a stopiony lut doprowadza się do szczeliny między powierzchnie łączone. Połączenie uzyskuje się dzięki przyczepności lutu do metalu rodzimego. Zależnie od temperatury topnienia lutu rozróżniamy:
lutowanie miękkie (do 4500C) - wykonuje się przeważnie za pomocą stopów cyny z ołowiem, z domieszką (lub bez) kadmu, cynku i antymonu. Do lutowania stosuje się głównie kolby elektryczne (lub wyposażone w palnik gazowy). Do oczyszczenia powierzchni łączonych niezbędne są topniki (boraks, kalafonia).
lutowanie twarde (powyżej 4500C) - typowe luty twarde dla stali są mosiądze, rzadziej stosuje się miedź z domieszką srebra lub bez.
lutospawanie - jest to lutowanie twarde palnikiem acetylenowo - tlenowym połączone z przygotowaniem brzegów łączonych, podobnie jak przy spawaniu (połączenie ma kształt spoiny i jest mocniejsze). Stosuje się je do naprawy pękniętych części maszyn z żeliwa oraz do natapiania twardymi metalami, gdy stapianie się spoiwa z metalem rodzimym nie jest pożądane.
Zgrzewanie elektryczne oporowe jest to proces łączenia metali, w którym brzegi łączonych części są miejscowo jednocześnie rozgrzewane do temperatury ciastowatości, a następnie łączone za pomocą nacisku wywołanego siłą zewnętrzną.
Rodzaje zgrzewania:
doczołowe
punktowe - proces zgrzewania można podzielić na trzy okresy:
ściśnięcie zgrzewanych blach przez dwie elektrody
przepuszczenie między elektrodami prądu o dużym natężeniu, który nagrzewa łączone elementy w miejscu docisku oraz jego bezpośredniego sąsiedztwa do stanu ciastowatości
sprasowanie (po włączeniu prądu) w miejscu nagrzania łączonych elementów.
Wykonanie tego programu tworzy zgrzeinę punktową, która w przekroju ma kształt soczewki.
liniowe - jest odmianą zgrzewania punktowego, w którym elektrody mają kształt krążków obracających się z równomierną prędkością i przesuwających materiał.
krążków