Politechnika Koszalińska	LABORATORIUM z SPAWALNICTWA
	Temat: Cięcie termiczne metali i ich stopów. Spawanie gazowe. Elektrożłobienie.
	Grupa: 1

1. Wprowadzenie

Cięcie termiczne.

Cięcie termiczne polega na rozdzielenie materiału pod wpływem temperatury wzdłuż określonej linii cięcia na całej jego grubości oraz wydmuchanie resztek roztopionego materiału sprężonym gazem, najczęściej powietrzem (ze względu na niski koszt jego wytworzenia).

Do podstawowych metod cięcia termicznego zaliczamy: cięcie tlenem, cięcie plazmowe, cięcie laserowe, łukowe, tlenowo-łukowe, tlenowo-proszkowe.

Cięcie tlenem polega na roztopieniu metalu przez strumień czystego tlenu. Po ówczesnym rozgrzaniu materiału do temperatury zapłonu, w której zachodzi reakcja egzotermiczna spalania.

Aby proces cięcia tlenem był możliwy, muszą być spełnione następujące warunki:

• temperatura topnienia tlenków musi być niższa od temperatury topnienia metalu rodzimego,

• metal powinien być palny w tlenie,

• materiał powinien mieć mały współczynnik przewodzenia ciepła,

• energia wytworzona przez palnik powinna utrzymać temperaturę nagrzania w szczelinie cięcia,

• temperatura zapłonu w tlenie powinna być niższa o temperatury topnienia.

• Żużel powstający w procesie cięcia powinien być rzadkopłynny.

Stale o zawartości węgla powyżej 0,35% wymagają wstępnego podgrzania przed rozpoczęciem cięcia termicznego.

Cięcie plazmowe polega na spaleniu materiału w bardzo wysokiej temperaturze uzyskanej poprzez przepuszczenie gazu (argon, wodór, azot, tlen, powietrze lub ich mieszaniny) z dużą prędkością wylotową, przez łuk elektryczny uzyskany wewnątrz palnika. Do zalet cięcia plazmą należą: mała strefa wpływu ciepła, dużą prędkość cięcia, gładka powierzchnia cięcia, niskie koszty.

Do cięcia plazmowego stosowane są palniku z łukiem zewnętrznym oraz z łukiem wewnętrznym do cięcia materiałów niemetalowych.

Parametry cięcia plazmowego: moc łuku elektrycznego, średnica dyszy palnika, prędkość cięcia, natężenie przepływu gazu, położenie palnika względem ciętego materiału.

Cięcie laserowe jest to proces rozdzielania materiału pod wpływem ciepła zaabsorbowanego z promieniowania laserowego ciągłego lub impulsowego. Dzięki energii lasera przedmiot rozgrzewa się do temperatury topnienia, a następnie strumień gazu reaktywnego lub obojętnego wydmuchuje ciekły metal ze szczeliny cięcia. Najważniejszymi zaletami cięcia laserowego są: bardzo duża dokładność krawędzi po cięciu, małe odkształcenie cieplne oraz małe tolerancje ciętych materiałów.

Parametry cięcia laserowego: prędkość cięcia, gęstość mocy wiązki laserowej, rodzaj gazu wykorzystywanego podczas procesu cięcia, średnica ogniska wiązki, długość ogniska wiązki.

Cięcie łukowo-powietrzne elektrodą grafitową (otuloną) polega na stopieniu metalu energią łuku elektrycznego powstałego pomiędzy elektrodą a ciętym metalem, oraz wydmuchaniem go silnym strumieniem sprężonego powietrza. Technologię tą stosuje się również do żłobienia i skórowania metali, które wykazują topliwość w łuku elektrycznym. Proces ten może być wykonywany zarówno przy zasilaniu luku prądem stałym jak i przemiennym. Elektrody grafitowe pokrywa się cienką warstwą miedzi.

Proces cięcia łukowo-tlenowego przebiega podobnie do cięcia łukowo powietrznego z tą różnicą, że stopiony w łuku elektrycznym metal spalany oraz wydmuchiwany jest przy pomocy strumienia tlenu analogicznie jak przy cięciu tlenem. W procesie tym wykorzystuje się specjalne elektrody rurkowe, których otulina zapewnia stabilne jarzenie się łuku elektrycznego, zwiększając przy tym rzadkopłynność tlenków. Metoda ta znajduje zastosowanie w procesie żłobienia jak i przebijania.

Spawanie gazowe.

Spawanie gazowe polega na miejscowym stopieniu krawędzi łączonych materiałów za pośrednictwem energii cieplnej płomieni, który powstaje ze spalania gazu palnego i tlenu w palniku. W miejsce spoiny dodawane jest spoiwo w postaci drutu wykonanego w materiału odpowiadającego materiałowi spawanemu. W przypadku spawania blach cienkich, można zrezygnować ze spoiwa.

Najczęściej używaną mieszaniną gazów w procesie spawania gazowego jest mieszanina acetylenu i tlenu. Gaz przechowywany oraz transportowany jest w butlach pod ciśnieniem około 2 MPa. Butla zaopatrzona jest w reduktor ciśnienia, który obniża ciśnienie w palniku do odpowiedniej wartości oraz zapewnia równomierną prędkość wylotową gazu z palnika, niezależnie od ciśnienia panującego w butli.

Rozróżniamy następujące rodzaje palników: smoczkowe niskiego i wysokiego ciśnienia, bezsmoczkowe wysokiego ciśnienia oraz równoprężne. W spawaniu gazowym wykorzystywane są głównie palniki smoczkowe.

Płomień jaki uzyskiwany jest w palniku, w zależności od stosunku mieszaniny gazowej może być: normalny - gdy stosunek acetyleny i tlenu wynosi 1:1 w praktyce będzie to 1:1.2, nawęglający - gdy w mieszaninie gazów występuje nadmiar acetylenu, charakterystyczną cechą takiego płonienia jest duża kita. Płomień utleniający - występuje, kiedy większą część mieszaniny gazowej stanowi tlen, ma on postać smukłej kity z małym jądrem oraz wydaje charakterystyczny głośny szum (stosowany do spawania mosiądzu).

Bardzo istotną rzeczą w procesie spawania gazowego jest technika spawania. Rozróżniamy trzy techniku spawania:

• w prawo - palnik pochylony jest w kierunku posuwu spawania, płomień skierowany jest na spoinę już wykonaną, płomień prowadzony jest po linii prostej, natomiast drutem wykonujemy ruchy wahadłowe. Technika ta wykorzystywana jest podczas spawania konstrukcji odpowiedzialnych, ponieważ płomień działa przez cały czas na spoinę spowalniając jej stygnięcie, a co za tym idzie pozwala na wydzielenie się gazów wchłoniętych podczas spawania.

• w lewo - palnik pochylony jest w kierunku narastania spoiny, natomiast płomień podgrzewa metal, który ma być dopiero spawany. Zaletą tej techniki jest stosunkowy ładny wygląd spoiny oraz większa szybkość spawania, niestety szybkie stygnięcie powstałej spoiny wpływa na powstawanie mikroporów, co jest niekorzystne.

• w górę – w tej technice wymagane jest ustawienie łączonych blach pionowo, ponieważ spina układana jest poziomymi warstwami z dołu do góry w szczelinie łączonych blach.

Podczas spawania gazowego wyżej wymienionymi technikami należy uwzględnić kąt pochylenia palnika względem spawanego materiału, który zależy od rodzaju i grubości. Im marniał jest grubszy tym pod większym kątem należy spawać.

Elektrożłobienie.

Proces elektrożłobienia ma na celu szybkie usunięcie niechcianego metalu. Materiał jest miejscowo rozgrzewany, roztapiany przy pomocy łuku elektrycznego, a następnie usuwany poprzez wydmuchiwanie. Technologię tę stosuję się do usuwania wadliwie położonych spoin czyli tak zwanych niezgodności spawalniczych.

1. Cześć praktyczna

W pierwszej części laboratorium, zademonstrowane zostało cięcie tlenem oraz cięcie plazmowe.

Stanowisko do cięcia termicznego wyposażone jest w zestaw do cięcia tlenem, składający się z:

• butli z acetylenem oraz z tlenem wyposażonych w reduktory,

• przewodów doprowadzających gazy do palnika,

• palnika,

oraz urządzenie do cięcia plazmą.

Próby cięć przeprowadzone zostały na następujących materiałach:

• stal 235,

• stal nierdzewna,

• aluminium z gatunku PA,

• miedź.

W przypadku cięcia tlenem udało się przeciąć tylko próbkę ze stali 235. Stal nierdzewna nie poddała się palnikowi ponieważ temperatura topnienia tlenków przewyższała temperaturę topnienia metalu rodzimego. Natomiast aluminium oraz miedź nie udało się przeciąć palnikiem ze względu na dużą przewodność cieplną.

Fot. 1. Próbka ze stali 235 – cięcie tlenem udane.

Fot. 2. Próbka ze stali nierdzewnej – nieudana cięcie tlenem.

Fot. 3. Próbka aluminiowa – nieudane cięcie tlenem.

Fot. 4. Próbka miedziana – nieudane cięcie tlenem.

Cięcie plazmą pozwoliło przeciąć, wszystkie zademonstrowane rodzaje materiałów.

Poniższe zdjęcie ukazuje próbkę ze stali 235. Jak widać – krawędź w miejscu cięcia ma dużo większą dokładność w porównaniu z krawędzią po cięciu tlenem.

Fot. 5. Próbka ze stali 235 po cięciu plazmą

Na kolejnym stanowisku zademonstrowane zostało specjalne urządzenie – przecinarka półautomatyczna do cięcia tlenem z napędem elektrycznym. Urządzenie takie składa się z: palnika, wózka, prowadnicy szynowej oraz cyrkla.

Fot.6. Przecinarka półautomatyczna do cięcia tlenem – SEKATOR

Cięcie tlenem przy pomocy przecinarki półautomatycznej pozwala uzyskać bardzo dokładną krawędź cięcia.

Fot. 7. Krawędź cięcia po cięciu tlenem z wykorzystaniem przecinarki półautomatycznej.

Spawanie gazowe.

W tej części zajęć praktycznych zademonstrowane zostały rodzaje płomieni (normalny, nawęglający jak i utleniający) oraz techniki spawania gazowego. Pokazana została technika spawania „w prawo” oraz „w lewo”.

Stanowisko do spawania gazowego wyposażone jest butle z acetylenem oraz tlenem, przewody doprowadzające gazy do palnika oraz palnik do spawania gazowego.

Elektrożłobienie.

Na stanowisku do żłobienia obserwowaliśmy jak przebiega proces elektrożłobienia, elektrodą węglową w otulinie miedzianej.

Fot. 8. Usunięta spoina w procesie elektrożłobienia.