Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Materiałoznawstwo Instalacyjne LABORATORIUM Ćwiczenie: Technologia Spawania Prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Wojdyga 1 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawaniem nazywamy proces technologiczny, w którym uzyskuje się trwałe połączenie metali przez ich stopienie w miejscu gdzie mają być złączone. W procesie spawania następuje całkowite roztopienie metalu spoiwa i nieraz bardzo głębokie nadtopienie metalu spawanego w miejscu układania spoiny. 2 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Metale topią się i tworzą bezpośrednio pod zródłem ciepła ciekłe jeziorko, w którym następuje wzajemne wymieszanie się tworzyw, a powstały w ten sposób nowy metal krzepnąc tworzy spoinę. Rozróżniamy trzy okresy procesu spawania: " nagrzewanie i topienie " pozostawanie metalu w stanie ciekłym " krzepnięcie i ostyganie 3 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Jakość spawanego połączenia zaleczy w znacznym stopniu Od procesów odbywających się w dwóch ostatnich okresach. W czasie gdy metal pozostaje w stanie ciekłym przebiegają najintensywniej procesy zmiany składu chemicznego metalu: " wypalania się i wprowadzania składników stopowych, " wzbogacania spoiwa w pierwiastki szkodliwe- tlen, azot, " wydzielanie się gazów. Te procesy decydują o składzie chemicznym, a więc o właściwościach fizycznych i mechanicznych. 4 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych W czasie stygnięcia odbywa się przejście ze stanu ciekłego w stan stały, a przy dalszym obniżaniu temperatury w spawanym metalu zachodzą wtórne zmiany struktury wywołane przemianami alotropowymi. Trzeci okres decyduje zatem o strukturze spawanego złącza, co wpływa również na właściwości mechaniczne i fizyczne . 5 W technice spawalniczej istnieje szereg różnych procesów spawalniczych o rożnych specyficznych cechach. SPAWALNICTWO Procesy pokrewne Spajanie spajaniu Metalizacja hartowanie Spawanie Zgrzewanie Lutowanie natryskowa powierzchniowe elektryczne cięcie i żłobienie elektryczne miękkie nakładanie metali oporowe termiczne gazowe termitowe twarde napawanie natapianie reakcja tarciowe lutospawanie egzotermiczna dyfuzyjne zgniotowe wybuchowe ultradzwiękowe 6 Podział spawania elektrycznego Spawanie elektryczne żużlowe łukowe elektronowe laserowe elektroda topliwa elektroda nietopliwa elektroda wolframowa w osłonie gazów obojętnych elektroda otulona TIG w osłonie łuk kryty wodoru w osłonie CO elektroda 2 MAG węglowa w osłonie gazów spawanie plazmowe obojętnych MIG łuk 7 nie osłonięty Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Historia spawania łukiem elektrycznym Zjawisko łuku elektrycznego odkryte zostało w 1802 roku przez uczonego rosyjskiego Pietrowa ale dopiero 80 lat pózniej (1882) Benardos po raz pierwszy zastosował łuk elektryczny do spawania metali elektrodą węglową. W 1888 r. Sławianow udoskonalił metodę stosując elektrodę metalową, która topiąc się tworzyła spoinę ( zjawisko utleniania i naazotowania). Właściwy początek spawania łukowego dał w roku 1908 Oskar Kjelberg stosując elektrodę stalową otuloną specjalną masą. Rok 1912 wykonano całkowicie spawana konstrukcję skrzyni ogniowej do parowozu. Rok 1922 pierwszy na świecie spawany elektrycznie most drogowy Na rzece Słudwi (pod Aowiczem) Polska. 8 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych 9 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Do spawania łukiem elektrycznym może być wykorzystany Prąd stały lub zmienny. Prąd stały otrzymujemy z wytwornicy Prądu stałego napędzanej silnikiem elektrycznym lub spalinowym. Do spawania przy użyciu prądu zmiennego używany jest Transformator spawalniczy z prostownikiem Prąd do spawania łukowego: U = 20-30 V I = 30 600 A W 10 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawarka ma za zadanie utrzymać łuk o możliwie stałym natężeniu pomimo zmiennych oporów w łuku. Szybkość topienia elektrody zależy od natężenia prądu. Utrzymanie stałego natężenia jest więc nieodzowne do prawidłowego wykonania spoiny. D < 2,5 mm - ok. 30 A na mm D, D > 2,5 mm - ok. 40 A na mm D. 11 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie elektrodą węglową Auk elektryczny wytwarzany jest pomiędzy elektrodą węglową i spawanym przedmiotem. Przy spawaniu elektrodą węglową stosuje się wyłącznie prąd stały i elektrodę podłącza się do bieguna ujemnego, a przedmiot spawany do bieguna dodatniego. Spawanie tą metodą było stosowane w początkach rozwoju spawalnictwa. Obecnie taki rodzaj spawania stosowany jest bardzo rzadko (spawanie żeliwa na gorąco). 12 Spawanie elektroda topliwą otuloną W wysokiej temperaturze łuku elektrycznego, utrzymującego się pomiędzy elektrodą i spawanym elementem, topi się elektroda i element spawany. Ze stopionej elektrody tworzy się spoina. Elektroda może być goły drut lub drut w otulinie. Wadą drutu nieosłoniętego jest zjawisko jego utleniania w czasie spawania, co powoduje osłabienie spoiny z powodu wprowadzenia do niej tlenków metalu, z którego wykonana jest elektroda. 13 Do zadań jakie spełnia otulina należy: " wytworzenie osłony gazowej oddzielającej roztopiony metal od dostępu tlenu, (celuloza, dekstryna, mączka ziemniaczana, kreda, dolomit) " wytworzenie warstwy żużla opózniającej proces krzepnięcia i stygnięcia spoiny, ( rudy Fe - magnetyt, hematyt, syderyt, rudy Mn braunsztyn, szpat manganowy, węglan wapnia CaCO3 , SiO2, TiO2). " stabilizacja łuku (pierwiastki o niskim potencjale jonizacji - Na, K, Ca, Mg, Ti), " odtlenienie i odgazowanie spoiny ( żelazostopy: Fe+Mn, Fe+Si, Fe+Ti, Fe+Al). " uszlachetnienie spoiny poprzez dodatek: Cr, Ni, Ti, Mn, Si, V, No jak również C. Kolejną grupą dodatków są dodatki wiążące otulinę z elektrodą (szkło wodne, kaolin, krzemiany, szkło wapniowo-potasowe). 14 Spawać elektrodą otuloną można wiele rożnych rodzajów stali jak również innych metali. Stąd bardzo duża różnorodność stosowanych elektrod. E - elektrody (połączeniowe) do spawania różnych gatunków stali, EŻO, EŻM - elektrody do spawania żeliwa, EN elektrody do napawania, ES - elektrody do spawania stali wysokostopowych Oraz elektrody specjalne do cięcia, żłobienia, spawania i cięcia pod wodą, 15 Zasady oznaczania elektrod dla stali węglowych i niskostopowych zgodnie z PN-EN-ISO 2560:2010 (norma ta zastąpiła wcześniejsze normy PN88/M-69433, PN-EN 499:1999 oraz normę PN-EN-ISO 256o z roku 2006). Oznaczenie elektrody dzieli się na dwie grupy: grupę podstawową (kolor czerwony) i grupę dodatkową (kolor niebieski). E 38 3 1Ni B 42 H5 E rodzaj elektrody (elektroda połączeniowa) 38 minimalna gwarantowana wytrzymałość na rozciąganie (Rm =380MN/m2) 3 - liczba określająca wytrzymałość na udarność w zależności od temperatury w jakiej będzie pracowała spoina (47J przy -30 oC) 1Ni skład chemiczny elektrody B rodzaj otuliny (otulina zasadowa) R- rutylowa, A kwaśna, C-celulozowa 4 pozycja przy spawaniu (podolna, naboczna, naścienna, okapowa, pionowa, pułapowa) 2 rodzaj i wartość prądu H5 zawartość wodoru w spoiwie (5ml/100g spoiwa) 16 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie łukiem krytym (pod topnikiem) Sposobem zapewniającym otrzymanie dobrej spoiny jest spawanie goła elektrodą pod warstwa topnika. Zapewnia ona ochronę spoiny przed dostępem tlenu z otaczającego powietrza i utrudnia lub nawet uniemożliwia utlenianie spoiny. Część proszku topnika stapia się i tworzy skorupę żużlową na spoinie i przeciwdziała utwardzaniu spoiny w czasie procesu stygnięcia. Spawanie elektrodą gołą pod warstwa topnika bardzo się rozpowszechniło przede wszystkim dlatego, że zostały skonstruowane aparaty umożliwiające pełna automatyzacje procesu spawania. Podawanie topiącej się elektrody i jej przesuwanie odbywa się automatycznie z dowolna regulowaną szybkością. Sypanie proszku (topnika) również odbywa się automatycznie. Metoda ta znalazła bardzo szerokie zastosowanie przy spawaniu dużych elementów (m.in. w budowie okrętów). Spoiny otrzymane ta metodą są wysokiej jakości. 17 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie w osłonie wodoru (atomowe) Jest to najstarsza metoda spawania łukiem elektrycznym w osłonie gazowej, bardzo kosztowna i obecnie prawie nie stosowana. Metodą tą można spawać stale wysokostopowe, nierdzewne kwaso i ogniotrwałe. Auk elektryczny powstaje między dwiema elektrodami wolframowymi, a jako gazu ochronnego używa się wodoru, który oprócz wytwarzania atmosfery ochraniającej przed utlenianiem i naazotowaniem spoiny dodatkowo przenosi ciepło z przestrzeni łuku do spawanego materiału. Temperatura spawania jest o około 500 oC wyższa niż przy spawaniu łukiem elektrycznym. 18 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie łukiem elektrycznym w osłonie argonu TIG (Tungsten Innert Gas) Metoda ta jest stosowana do spawania stali wysokostopowych oraz metali nieżelaznych (aluminium, miedz). Osłona z gazów obojętnych chroni łuk od dostępu powietrza i podwyższa temperaturę łuku. Auk elektryczny wytwarzany jest pomiędzy elektrodą nietopliwą (wolframową) a przedmiotem spawanym. Jako gaz obojętny stosowany jest argon lub hel albo mieszanina tych gazów. Metoda stosowana do spawania stali kwasoodpornych jak również do spawania konstrukcji lotniczych z metali lekkich. Warunkiem uzyskania dobrych spoin jest zastosowanie gazów ochronnych o dużej czystości. Do spawanie stali wystarczy 96 % ale w przypadku metali lekkich czystość dochodzi nawet do 99,99 %. Materiał na spoinę dostarczany jest w postaci drutu wykonanego 19 odpowiednio do składu chemicznego spawanych elementów. Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie łukiem elektrycznym w osłonie CO2 MAG (Metal Active Gas) MIG (Metal Innert Gas) Metodę tę stosuje się wyłącznie do spawanie stali węglowych. Uzyskana spoina ma podobne właściwości jak spoina uzyskana przy użyciu elektrody otulonej. W wysokiej temperaturze łuku elektrycznego CO2 rozkłada się na CO i O2 ale tlen wydzielany nie utlenia spoiny. Zaletą metody jest powstawanie znikomej ilości żużla, daje to możliwość spawania dużymi spoinami. 20 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie plazmowe Metoda spawanie plazmowego jest bardzo podobna do spawania elektrodą wolframową w osłonie argonu. W obu tych metodach łuk jarzy się w osłonie argonu ale przy spawaniu plazmowym elektroda jest wewnątrz dyszy przez którą przepływa argon a na zewnątrz przepływa argon w postaci cienkiego strumienia plazmy. Temperatura strumienia plazmy jest większa niż łuku Elektrycznego (do 25 tys.oC). Spawanie plazmowe charakteryzuje się zaletami: " topienie materiału z duża szybkością, " małe zapotrzebowanie na energię, " małe odkształcenia, " ograniczone zmiany struktury w metalu spawanym, " spawanie bez dodatkowego spoiwa lub bardzo małe zapotrzebowanie na spoiwo. Metoda ta stosowana jest do spawania materiałów o niedużej grubości ale ze względu na swoje zalety znajdzie (znalazła) zastosowanie w przemyśle 21 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawania żużlowe Spawanie żużlowe powstało jako udoskonalenie metody spawania łukiem Krytym. W metodzie tej elektrod zamocowana w suwaku przesuwa się ale koniec elektrody znajduje się stale pod powierzchnią roztopionego żużla. Zasadniczą różnicą między tymi dwoma metodami jest sposób wytwarzania ciepła. Ciepło powstaje na wskutek oporu jaki stawia przepływającemu prądowi roztopiony żużel. Metodę tę stosuje się do łączenia przedmiotów ze stali zwykłych i stopowych o bardzo dużej grubości (>20mm). Spawanie odbywa się w pozycji pionowej lub wykonuje się spoiny obwodowe. 22 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie elektronowe Urządzenie do spawania składa się z wyrzutni elektronów umieszczonej wraz z przedmiotem spawanym w szczelnej komorze oraz z zespołu pomp utrzymujących w komorze wysoka próżnię. W wyrzutni elektronów żarząca się elektroda wolframowa emituje strumień elektronów, które w polu elektrycznym nabierają wielkiej prędkości i uderzając w przedmiot spawany silnie go nagrzewają. Pole magnetyczne wytworzone przez cewkę pozwala skupić wiązkę w ognisko na linii spawania. Zalety spawania elektronowego to: " spawanie metali trudnospawalnych ( cyrkon, beryl, wolfram, uran i in.) " łączenie różnych metali (miedz+stal wysokostopowa, aluminium+tytan) " łączenie bardzo cienkich elementów (poniżej 0,1mm) " znikome odkształcenia spawalnicze " pełna automatyzacja procesu spawania " niezwykła czystość spoiny Wysoki koszt urządzenia i wysokie koszty przygotowania elementów 23 do spawania. Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie laserowe Metoda spawania laserowego jest jeszcze ciągle w fazie eksperymentalnej. Polega ona na stapianiu obszarów łączonych w wyniku działania w tym miejscu wiązki światła lasera o dużej gęstości mocy (ok. l00 do 1000 W/mm2). Bardzo duża gęstości mocy wiązki laserowej powoduje, że odkształcenia cieplne spoiny są minimalne. Moc stosowanych obecnie laserów sięga do 25 kW ale przeważnie stosowane są mniejsze o mocach nie przekraczających 3 kW. Spawanie laserowe jest procesem stosunkowo nowym, gdyż lasery stosowane są głównie do cięcia. Głównym obszarem zastosowania laserów jest przemysł motoryzacyjny oraz wykorzystywane są w elektronice do spawania punktowego. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Należy w związku z tym stosować gazy ochraniające spoinę przed zanieczyszczeniem. 24 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych 25 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spawanie gazowe Wysoką temperaturę potrzebną do stopienia metali w czasie procesu spawania gazowego otrzymuje się dzięki płomieniowi spalonej mieszanki acetylenu i tlenu. Temperatura w płomieniu dochodzi do 3200oC. Do otrzymania acetylenu jest karbid (węglik wapnia CaC2). Działając na karbid wodą, W urządzeniu zwanym wytwornicą, otrzymujemy CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2 Tak otrzymany acetylen powinien być oczyszczony. Szczególnie szkodliwe są: " fosforowodór, " siarkowodór, " amoniak. Wada acetylenu jest możliwość wystąpienia wybuchu jeżeli przekroczy się ciśnienie 0,15MPa. Do celów spawalniczych acetylen jest przechowywany w specjalnych butlach pod wyższym ciśnieniem. Butla napełniana jest stopniowo acetylenem, który rozpuszcza się w wypełniającym część butli acetonem. Wewnątrz butla acetylenowa wypełniona jest porowatą ceramiczną masą, w której zawarty jest roztwór acetonu i acetylenu. Przy takim rozwiązaniu ciśnienie maksymalne w butli dochodzi do 2,5 MPa. 26 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Tlen otrzymywany jest ze skroplonego powietrza i przechowywany jest w butlach pod ciśnieniem do 15 MPa. Mieszanina gazów do palnika doprowadzona być pod ciśnieniem znacznie mniejszym niż ciśnienie wewnątrz butli. W tym celu zastosowany być musi reduktor. Jego zadaniem jest: " obniżenie ciśnienia wylotowego gazu do ciśnienia roboczego, " utrzymanie tego ciśnienia na stałej wysokości w czasie całego procesu spawania 27 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Dobra jakość spoiny zależy od właściwego ustawienia proporcji tlenu i acetylenu. Zbyt duża ilość acetylenu, który nie ma warunków zapewniających prawidłowe spalanie może doprowadzić do nawęglenia stali w miejscu spawania. Natomiast zbyt duża ilość tlenu powoduje utlenianie spawanego metalu. Ocenę czy palnik jest właściwie wyregulowany przeprowadza się w sposób eksperymentalny przykręcając lub otwierając zawory doprowadzające gazy techniczne. 28 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Procesy chemiczne zachodzące przy spalaniu acetylenu odbywają się w kilku etapach: C2H2 + O2 =2CO + H2 + 446 kJ H2 = 2H 427 kJ 2CO + O2 = 2CO2 + 570 kJ 2H2 + O2 = 2 H2O + 486 kJ 29 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Płomień normalny Płomień utleniający Płomień nawęglający 1. Jądro płomienia 2. Stożek pośredni 3. Kita płomienia 30 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Płomień palnika składa się z jądra, w którym temperatura dochodzi do 600 oC. Kilka milimetrów za jądrem płomienia temperatura wzrasta do około 3200oC. Miejsce to nazywane jest strefa spawania. 31 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych spawanie w prawo spawanie w lewo W spawaniu gazowym stosowane są trzy metody spawania; " spawanie w prawo, " spawanie w lewo, " spawanie w górę. 32 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych doczołowe Rodzaje złącz spawanych; zakładkowe przylgowe narożne teowe krzyżowe kątowe Złącza mogą być wykonywane przy użyciu spoin rożnego rodzaju: " czołowych, " pachwinowych, " grzbietowych, " otworowych 33 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Spoina jest dobrze wykonana jeżeli jest wypełniona całkowicie czystym metalem, dobrze wtopionym w materiał rodzimy. Nie zawsze się to udaje. Wady występujące w spoinie dzieli się na wady zewnętrzne i wewnętrzne: " wada niedostatecznej grubości spoiny, " wada zbyt grubego nadlewu, " wada nieregularności kształtu, Wady zewnętrzne " wada braku przetopu, " wada podtopienia na brzegach lica, " wada wycieku, " wada pęknięcia spoiny, " wada braku wtopu na ściance bocznej, " wada braku przetopu w środku spoiny, Wady wewnętrzne " wada w postaci wytrąceń niemetalicznych, " wada ziarna żużla, " wada pęknięcia poprzecznego i podłużnego 34 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Cięcie metali W przypadku cięcia gazowego używany jest specjalny palnik, który podgrzewa przecinany metal a następnie strumień tlenu powoduje intensywne spalanie metalu, którego tlenki w stanie ciekłym zostają Siłą podmuch strumienia tlenu wyrzucone na zewnątrz. W czasie cięcia tlenem powstaje w metalu szczelina. Szerokość szczeliny odpowiada szerokości strumienia tlenu. Zaletą takiego cięcia jest względnie wysoki stopień gładkości powierzchni ścian przeciętego metalu. Cięcie łukiem elektrycznym stosuje się do robót, które trudno wykonać za pomocą cięcia gazowego lub spalanie w strumieniu tlenu jest niemożliwe (metale nieżelazne). 35 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Warunki bezpieczeństwa przy spawaniu 1 Prace spawalnicze należą do najcięższych i najbardziej odpowiedzialnych i dlatego sprawy bezpieczeństwa pracy odgrywają tutaj pierwszoplanową rolę. Przy spawaniu łukiem przyczyna wypadków może być: " porażenie prądem o wysokim napięciu, " porażenie oczu i skóry wskutek oddziaływania szkodliwego promieniowania łuku elektrycznego, " zatrucia się szkodliwymi gazami wydzielającymi się przy spawaniu z elektrody i metalu, " oparzenia wskutek pryskania metalu i żużla, " pożar spowodowany bliskością materiałów łatwopalnych w miejscu spawania, 36 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Warunki bezpieczeństwa przy spawaniu 2 Przy spawaniu łukiem elektrycznym oczy spawacza chronione są przed zbyt silnym światłem widzialnym oraz przed promieniowaniem niewidzalnym, (ultrafioletowe i infraczerwone), które emituje łuk. Promieniowanie niewidzialne jest o wiele bardzie niebezpieczne od promieniowania widzialnego. Do wychwytywanie tego rodzaju promieniowania potrzebne są specjalne szkła optyczne o odpowiednim składzie chemicznym i zabarwieniu. Promieniowanie niewidzialne atakuje również całe ciało człowieka dlatego też należy je chronić, wykorzystując maski chroniące głowę i ubrania ochronne dla reszty ciała. 37 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Warunki bezpieczeństwa przy spawaniu 3 Przy spawaniu acetylenowo tlenowym bardzo ważną rzeczą jest zapewnienie szczelności przewodów doprowadzających acetylen do palnika. Jako ochronę Oczu stosowane są okulary ochronne z przyciemnionymi szkłami. Pozostałe wyposażenie jest podobne jak przy spawaniu elektrycznym. Przy spawaniu metali wydzielających szkodliwe pary konieczne jest stosowanie ochronnych masek oddechowych. Przy spawaniu w zamkniętych pomieszczeniach niezbędna jest dobra wentylacja. 38 Wydział Inżynierii Środowiska Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Dziękuję za uwagę 39