Beata Kozak

Metalurgia III rok

Technologie łączenia i spajania materiałów

Zgrzewanie – podział metod zgrzewania, obszary zastosowania, zalety, wady

Podczas zgrzewania połączenie uzyskuje się w wyniku działania w miejscu łączenia docisku. Niekiedy wystarcza sam docisk, przeważnie jednak oprócz docisku występuje ciepło lub inne zjawisko fizyczne.
Najszerzej rozbudowane jest zgrzewanie oporowe, w którym nagrzewanie łączonych elementów odbywa się przy użyciu przepływającego prądu.
Na oporność strefy zgrzewania składa się:
1) oporność styku pomiędzy zgrzewanymi elementami(największy opór – dlatego tam powstaje zgrzeina).
2) oporność metalu pomiędzy elektrodami,
3) oporność styku pomiędzy elektrodami a powierzchnią materiału.
Podobnie jak przy zgrzewaniu punktowym tak i tu największa oporność jest w miejscu styku.

Według rodzaju wykonywanych złączy zgrzewanie dzieli się na:
- doczołowe (zwarciowe, iskrowe),
- punktowe,
- liniowe,
- garbowe.

Zgrzewanie doczołowe iskrowe

Elementy o chropowatych powierzchniach czołowych, zamocowane w szczękach zgrzewarki, ustawione są bez wywierania docisku osiowego. Przy włączeniu prądu następuje przesuw jednego elementu i zbliżenie powierzchni czołowych, które stykają się w jednym lub kilku punktach. Przez powstałe styki płynie prąd o dużej gęstości, co powoduje nagrzewanie metalu do temp. parowania, przez co lokalne styki zrywają się i tworzą się w innych miejscach. Towarzyszy temu również silne działanie silne działanie pola elektromagnetycznego. 
W wyniku parowania metalu i działania pola magnetycznego procesowi zrywania się styku (mostków) towarzyszy silne iskrzenie. 
Podczas iskrzenia temp. lokalnych styków silnie wzrasta (do temp. 20 000°C).

Po zakończeniu procesu wyiskrzenia zaczyna się proces spęczania (częściowo pod prądem) w wyniku działania docisku, co powoduje odkształcenie materiału i powstanie złącza.
Zgrzewanie podgrzewaniem – przed rozpoczęciem etapu wyiskrzania elementy podgrzewa się przez wyiskrzanie przerywane (3-20 zwarć trwających 0,3-1,5s).
Parametry zgrzewania iskrowego są podobne jak przy zgrzewaniu zwarciowym z tym, że dochodzą dodatkowe – prędkość wyiskrzania i spęczenie oraz naddatek na wyiskrzenie.

Zastosowanie zgrzewania iskrowego łączy: elementy o przekrojach zwartych, elementy kształtowe i rurowe,taśmy i blachy.
Iskrowo zgrzewa się: stale węglowe i stopowe, miedź, aluminium i ich stopy, nikiel, tytan, i żeliwo. Można też zgrzewać metale różnorodne np. Cu + Al.
Przy zgrzewaniu iskrowym z podgrzewaniem można uzyskać szerszą strefę materiału nagrzanego do temp. plastyczności.

Zalety zgrzewania iskrowego:
- łatwe przygotowanie powierzchni czołowych, zgrzewanych elementów,
-mniejsze zużycie energii i większa wydajność procesu niż zgrzewanie zwarciowe ,bardziej wytrzymałe złącza,
- większe możliwości zgrzewania różnorodnych materiałów ze sobą.

Zgrzewanie doczołowe zwarciowe

Dociśnięte do siebie części nagrzewane są przepływającym prądem do wysokiej plastyczności, a następnie spęczane siłą docisku. Najkorzystniej jest wtedy, gdy łączone powierzchnie dokładnie przylegają do siebie. Wymaga to szczególnie dokładnego przygotowania powierzchni czołowych łączonych elementów.
Zgrzewanie zwarciowe stali jest możliwe w zakresie temperatur 1100°C - 1500°C. Przy zgrzewaniu aluminium, miedzi i ich stopów zazwyczaj metal roztapia się w styku.
Zgrzewanie elementów o małych średnicach – odbywa się przy zastosowaniu małych docisków i dużych gęstościach prądu. Powoduje to, że w krótkim czasie osiąga się temperatury wyższe od temperatur topnienia, a zgrzewanie kończy się wyciśnięciem roztopionego metalu. Nie trzeba wtedy zbyt dokładnie przygotowywać powierzchni czołowych.
Zgrzewanie elementów o większych średnicach – odbywa się przy zastosowaniu większych docisków i mniejszych gęstościach prądu.

Parametry zgrzewania zwarciowego:
-  moc jednostkowa (na 1mm2 przekroju),
-  natężenie prądu zgrzewania,
-  czas przepływu prądu,
-  długość mocowania (długość wysunięcia materiału ze szczęk),
-  docisk jednostkowy.

Zastosowanie zgrzewania zwarciowego:
-  łączenie przekrojów zwartych (okrągłych, kwadratowych, i zbliżonych do nich) o powierzchni 0,05-2000mm2(najczęściej do 200mm2),
-  łączenie rur (do średnicy 40mm),
-  łączenie elementów i ogniw łańcuchów.

Zgrzewane materiały: stale węglowe i stopowe, miedź, aluminium i ich stopy.
Wytrzymałość wykonanych złączy osiąga 70-100% wytrzymałości zgrzewanych materiałów.

Zgrzewanie liniowe

Tutaj łączenie elementów odbywa się na zgrzewarkach wyposażonych w elektrody krążkowe a połączenie uzyskuje się wzdłuż linii składającej się z nachodzących na siebie zgrzein punktowych. Najczęściej stosuje się tzw. Zgrzewanie liniowe przerywane, przy którym przepływ prądu odbywa się z regularnymi przerwami, a elektrody krążkowe obracają się ze stałą prędkością. Grubość zgrzewanych elementów nie przekracza na ogół 3mm, bo przy większych grubościach bardziej ekonomiczne okazuje się spawanie.

Podział:
1) zgrzewanie liniowe na zakładkę (najczęściej stosowane),
2) zgrzewanie liniowe z rozwalcowaniem szwu,
3) zgrzewanie liniowo-doczołowe przy użyciu folii
4) zgrzewanie liniowo-garbowe.

Parametry:
- siła docisku elektrod,
- natężenie prądu zgrzewania,
- czas przepływu prądu zgrzewania,
- czas przerw w przepływie prądu,
- prędkość zgrzewania.

Szczelną zgrzeinę liniową uzyskuje się, gdy poszczególne zgrzeiny zachodzą na siebie na 1/3 – 1 ich długości. 
Prędkość zgrzewania liniowego wynosi 0,5 – 3 m/min. Tą metodą można zgrzewać stale węglowe i stopowe oraz metale niezależne.

Zgrzewanie punktowe

Jest to metoda, w której łączenie elementów występuje w oddzielonych miejscach zwanych punktami, przy czym może tworzyć się jednocześnie jedna (przeważnie), dwie lub kilka zgrzein.

Podział zgrzewania punktowego ze względu na sposób doprowadzania prądu do zgrzewanych elementów:
1) dwustronne jednopunktowe (najczęściej stosowane),
2) dwustronne dwupunktowe,
3) jednostronne jedno- i dwupunktowe.

Przebieg zgrzewania punktowego:
- dociśnięcie do siebie łączonych elementów elektrodami zgrzewarek,
- nagrzewanie elementów miejscu łączenia (nagrzewanie jedno impulsowe lub wieloimpulsowe) i utworzenia ciekłego jądra zgrzeiny,
- stygnięcie jądra zgrzeiny i powstanie jednolitego połączenia (po wyłączeniu zgrzewania),

Parametry zgrzewania punktowego:
- natężenie prądu zgrzewania,
- czas przepływu prądu,
- siła docisku elektrod.

Parametry te dobiera się zależnie od: rodzaju metalu, grubości, kształtu i wymiarów zgrzewanych elementów i wymagań stawianych konstrukcji.

Istnieją parametry:
- sztywne – duże natężenie prądu, duża siła docisku i krótki czas przepływu prądu.Zapewniają dużą wydajność zgrzewania, małe zużycie energii elektrycznej. Stosowane w produkcji wielkoseryjnej,a złącza posiadają małą strefę nagrzania.
- miękkie – mniejsze natężenia prądu, mniejsze siły docisku i dłuższe czasy przepływu prądu.Powodują, że proces zgrzewania przebiega w sposób wolniejszy, co powoduje wzrost szerokości strefy ciepła i odkształceń złączy. Przy ich stosowaniu występuje mniejsza możliwość podhartowania i mniejsza skłonność do występowania pęknięć w złączach. Parametry miękkie mają zastosowanie wtedy, gdy nie ma zgrzewarek dużej mocy oraz przy zgrzewaniu materiałów skłonnych do podhartowania.

Zalecenia technologiczne:
1) złącza punktowe powinny być tak zaprojektowane, żeby zgorzeliny pracowały na ścinanie(należy unikać zgrzein pracujących na rozciąganie i skręcanie),
2) powierzchnie części zgrzewanych powinny być płaskie i równolegle (nie wolno wykonywać zgrzein w narożach i zaokrągleniach),
3) średnicę zgrzeiny ustala się w zależności od grubości blach
4) przy większej ilości zgrzein, grupuje się je w dwóch lub kilku rzędach (nie mogą być zbyt blisko siebie ze względu na bocznikowanie prądu), stosując zalecane podziałki przy rozmieszczaniu zgrzein,
5) nie można zgrzewać więc niż trzech blach (jeśli są 3 blachy różnej grubości cieńszą umieszcza się w środku, gdy są 2 o różnej grubości to cieńszą daje się na górę),
6) złącza powinny być tak projektowane (w miarę możliwości), żeby można je było zgrzewać za pomocą zgrzewania dwustronnego jednopunktowego przy jak najmniejszym wysięgu ramion zgrzewarki.

Zgrzewanie punktowe jest najbardziej rozpowszechnioną metodą zgrzewania, którą stosuje się przy łączeniu elementów ze stali węglowych i stopowych oraz metali nieżelaznych. Stosowana jest często jako zmechanizowana i coraz częściej wykorzystywana w zrobotyzowanych stanowiskach (np. zgrzewanie karoserii samochodowych). Grubość zgrzewanych materiałów zależy od mocy zgrzewarki i rodzaju zgrzewanego materiału.

Zgrzewanie wybuchowe

Zgrzewanie wybuchowe jest metodą spajania charakteryzującą się tym, że połączenie części następuje w wyniku docisku dynamicznego łączonych powierzchni wywołanego energią wyzwalającą się przy detonacji materiału wybuchowego. Znane dotychczas sposoby zgrzewania wybuchowego metali i stopów można podzielić na dwie grupy:
1) metody polegające na bezpośrednim działaniu ładunku wybuchowego na łączone elementy,
2) metody polegające na działaniu pośrednim.

W procesach spawalniczych zastosowanie znalazły metody bezpośredniego działania ładunku wybuchowego na łączone materiały. Źródłem energii przy zgrzewaniu wybuchowym jest paliwo chemiczne w stanie stałym w postaci odpowiedniego materiału wybuchowego. Paliwo to, w wyniku eksplozji przetwarza się w silnie sprężony gaz, mający wysoką temperaturę. Mamy, zatem do czynienia ze zjawiskiem fizycznym wyrażającym się gwałtownym oswobodzeniem energii - detonacją, która wywołuje falę uderzeniową przyciskającą ku sobie łączone elementy.
W wyniku gwałtownego zetknięcia łączonych elementów i ich wzajemnego przesunięcia powstaje połączenie z charakterystyczną falistą linią zgrzeiny.

Warunkiem niezbędnym do uzyskania poprawnego połączenia są:
- odpowiednia prędkość zderzenia zapewniająca przejście materiału w stan plastyczny,
- dokładne oczyszczenie łączonych elementów,
- zapewnienie ujścia sprężonych gazów z miejsca styku.

Proces zgrzewania wybuchowego przebiega, zatem w specyficznych warunkach charakteryzujących się występowaniem w obszarze zderzenia, w czasie zaledwie kilku mikrosekund, ciśnień sięgających kilkudziesięciu tysięcy atmosfer, w wyniku, czego łączone metale są w stanie fizycznym, do którego nie odnoszą się klasyczne prawa wiążące odkształcenie z naprężeniami.Do celów spawalniczych stosuje się materiały wybuchowe w formie płytek, folii, proszku lub pasty. Metoda zgrzewania wybuchowego znalazła szerokie zastosowanie do łączenia materiałów, których łączenie innymi technikami nie jest możliwe, np. połączenia stali z aluminium, ołowiem, miedzią itp. Niektórych materiałów nie da się połączyć bezpośrednio, np. stali i stopów aluminium, dlatego też materiały te łączy się ze sobą przez przekładkę aluminiową. 

Inne przykłady wykorzystania tego procesu to:
- zgrzewanie wybuchowe mosiądzu ze stalą bądź stopu tytanu ze stalą z przeznaczeniem na dna sitowe wymienników ciepła,
- platerowanie wewnętrznej powierzchni rur niskostopowych stalą kwasoodporną stosowane w przemyśle energetycznym,
- platerowanie stali miedzią z przeznaczeniem na szczęki zgrzewarek,
- platerowanie miedzi aluminium z wykorzystaniem na odgałęźne zaciski prądowe,
- złącza stal nierdzewna-srebro, miedź-srebro z wykorzystaniem na styki prądowe. 

Wady i zalety zgrzewania:

Zalety:

1) duża szybkość

2) brak spoiwa

3) nie są wymagane atmosfery ochronne

4) brak masek i okularów

5) można krzyżować różne rodzaje stali

Wady:

1) ograniczenie grubości

2) nie każdy element da się włożyć między elektrody

3) mniejsza wytrzymałość

4) urządzenia o dużej mocy