Zgrzewanie – podział metod zgrzewania,

obszary zastosowania, zalety, wady

Beata Kozak

Metalurgia III rok

Zgrzewanie

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 zgrzewanie iskrowego

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