Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
Wydział Nauk Technicznych
Mechanika i Budowa Maszyn
Temat: Zgrzewanie i lutowanie.
Zgrzewanie
Rodzaj technologii trwałego łączenia części urządzeń lub konstrukcji wykonanych z metalu lub z tworzyw sztucznych.
Polega ono na rozgrzaniu stykających się powierzchni tak, aby przeszły one w stan plastyczny (ciastowaty) i dociśnięciu ich. Uplastycznieniu ulega tylko niewielka objętość na granicy styku.
W zależności od stosowanej metody zgrzewania najpierw następuje docisk, a potem rozgrzewanie, albo odwrotnie, najpierw rozgrzewanie, a potem docisk.
Rodzaje zgrzewania
elektryczne oporowe (rezystancyjne)
gorącym powietrzem
ogniskowe
zgniotowe
wybuchowe
tarciowe
ultradźwiękowe
indukcyjne
dyfuzyjne
zwarciowe
iskrowe
prądami wielkiej częstotliwości
gorącą płytą
wibracyjne
tarciowe z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW)
Zgrzewanie oporowe
W procesie zgrzewania oporowego metale są łączone bez stosowania materiałów dodatkowych. Przez obszar, w którym ma powstać złącze, jest przepuszczany prąd elektryczny, doprowadzany za pomocą wywierających nacisk elektrod. Ilość generowanego ciepła zależy m.in. od oporności elektrycznej styku łączonych elementów. Właściwość ta ma istotny wpływ na przebieg procesu.
Zgrzewanie doczołowe zwarciowe
Jest to proces, w którym trwałe połączenie między ściśle dociśniętymi przedmiotami otrzymuje się na całej powierzchni styku dzięki nagrzaniu oporowemu tego obszaru przepływającym prądem elektrycznym a następnie odkształceniu plastycznemu po osiągnięciu odpowiedniej temperatury zgrzewania . Obszar zgrzewania jest nagrzewany do uplastycznienia lub do temperatur wyższych od temperatur topnienia. Powierzchnie stykowe ogrzewanych przedmiotów muszą być oczyszczone i przylegać do siebie .
Zgrzewanie doczołowe iskrowe
Zgrzewane elementy są ustawiane tak, aby się stykały powierzchniami czołowymi.
Podgrzewanie jest wykonywane przy niewielkim docisku. Gdy tylko złącze się nagrzeje, następuje etap wyiskrzania, w którym jest wypalany materiał powierzchni złącza, w wyniku czego uzyskuje się gładką, czystą powierzchnię. Gdy zostanie usunięty naddatek przeznaczony na wyiskrzanie, następuje etap spęczania, w którym powstaje wypływka zawierająca stopiony i utleniony metal.
Zgrzewanie punktowe
Umożliwia łączenie blach na zakładkę w odpowiednio rozmieszczonych punktach. Blachy dociska się wzajemnie za pomocą przewodzących prąd elektrod kłowych. W miejscu ściśnięcia materiał blach na skutek przepływu prądu rozgrzewa się i łączy ze sobą.
Zgrzewanie liniowe
Jest metodą łączenia , w której złącze przedmiotów metalowych tworzone jest przez wiele zgrzein punktowych powstałych w stanie ciekłym, ułożonych jedna obok drugiej wzdłuż określonej linii dzięki zastosowaniu elektrod krążkowych, które doprowadzają prąd i wywierają docisk zgrzewania.
Zgrzewanie garbowe
Zgrzeina powstaje w miejscu punktu kontaktowego, specjalnie ukształtowanego na materiale roboczym. Na przykład, punktem kontaktowym (garbem) może być wybrzuszenie lub pierścieniowe bądź wydłużone występy technologiczne. Łączenie elementów może odbywać się jednocześnie w kilku punktach. Odpowiednio duże elektrody obejmują wszystkie punkty, które mają zostać zgrzane w jednej operacji. Tworzone są złącza zakładkowe lub doczołowe.
Zgrzewanie tarciowe
Zgrzewanie tarciowe jest procesem, w którym ciepło niezbędne do wykonania trwałego połączenia pochodzi z bezpośredniej zamiany energii mechanicznej na energię cieplną w wyniku tarcia w obszarze wzajemnego styku zgrzewanych przedmiotów.
Spajanie tarciowe z przemieszaniem materiału (FSW)
Metoda ta może być używana do spajania materiałów metalowych – obecnie głównie aluminium - bez osiągania punktu topnienia.
W metodzie tej cylindryczne narzędzie z wyprowadzonym trzpieniem i zaopatrzone w kołnierz jest wprowadzane w ruch obrotowy i powoli zagłębiane w obszar złącza między dwoma ustawionymi czołowo elementami. Elementy te muszą być zamocowane do podpierającej płyty, tak aby nie mogły się rozsunąć. Wskutek tarcia narzędzia o powierzchnie złącza jest generowane ciepło, w wyniku którego miękną powierzchnie łączonych elementów (nie jest jednak osiągany punkt topnienia) i narzędzie może się przemieszczać wzdłuż linii złącza. Uplastyczniony materiał przepływa do tylnej krawędzi trzpienia narzędzia, gdzie wskutek oddziaływania kołnierza i trzpienia następuje przemieszanie. Stygnąc, przemieszany materiał tworzy złącze między spajanymi elementami.
Zgrzewanie wybuchowe
Jest procesem, w którym trwałe połączenie uzyskuje się przez dociśnięcie do siebie z dużą prędkością, zgrzewanych przedmiotów siłą docisku wywołaną ciśnieniem wytworzonym przez detonację materiału wybuchowego.
Lutowanie
Metoda trwałego łączenia elementów metalowych za pomocą metalowego spoiwa zwanego lutem o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Proces lutowania należy prowadzić w temperaturze wyższej od temperatury topnienia lutu, lecz nie wyższej od temperatury topnienia łączonych elementów. Dzięki temu lut topi się, a łączone elementy pozostają cały czas w stanie stałym. Istotne jest, aby zarówno lut, jak i elementy lutowane, osiągnęły temperaturę lutowania (wyższą od temperatury topnienia lutu), w przeciwnym przypadku mogą powstać wadliwe złącza zwane zimnymi lutami lub zimnymi stykami, o niezadowalających właściwościach użytkowych. Podstawową różnicą między lutowaniem a spawaniem jest to, że w przypadku spawania temperatura procesu jest tak wysoka, aby stopić i materiał dodatkowy, i brzegi elementów spawanych.
Podczas lutowania powierzchnia łączonych metali nie zostaje stopiona, a trwałe połączenie następuje dzięki wystąpieniu zjawiska adhezji i płytkiej dyfuzji. Spoiwo lutownicze wnika w szczelinę między elementami lutowanymi oraz mikropory materiału lutowanego dzięki zjawisku zwilżania powierzchni elementów lutem. Żeby powstało prawidłowo wykonane złącze lutowane, musi dojść do wytworzenia wiązania metalicznego między elementami lutowanymi a lutem. Aby do tego doszło, ciekły lut musi zwilżyć powierzchnie elementów lutowanych. W tym celu powierzchnie lutowane są czyszczone z warstewki tlenków i aktywowane za pomocą topnika nakładanego razem z lutem lub tuż przed nałożeniem lutu.
Zależnie od temperatury topnienia lutu rozróżnia się:
lutowanie miękkie (poniżej 450 °C)
lutowanie twarde (powyżej 450 °C)
lutowanie wysokotemperaturowe (powyżej 900 °C)
Materiałem łączącym jest lut (lutowie). Narzędzie ręczne służące do lutowania to lutownica lub palnik. Czynność lutowania jest również wykonywana w specjalnych piecach.
Przebieg typowego procesu lutowania:
ukształtowanie i oczyszczenie powierzchni łączonych części,
nagrzanie powierzchni łączonych części do temperatury bliskiej temperaturze topnienia lutu,
nałożenie topnika, roztopienie lutu i wprowadzenie go do między łączone powierzchnie,
wzajemna dyfuzja łączonych metali i ciekłego lutu,
ochłodzenie i zakrzepnięcie lutowiny.
Ze względu na temperatiuę topnienia spoiwa proces lutowania dzieli się na:
Miękkie - temperatura topnienia spoiwa < 450°C
lutowanie za pomocą^ lutownicy,
lutowanie piecowe,
lutowanie kąpielowe,
lutowanie indukcyjne,
lutowanie płomieniowe.
Lutowanie miękkie stosuje się do połączeń obciążonych niewielkimi siłami, w celu otrzymania połączeń szczelnych oraz w szerokim zakresie - w elektrotechnice.
Twarde - temperatura topnienia spoiwa > 450°C
lutowanie gazowe,
lutowanie elektryczne oporowe i indukcyjne.
lutowanie piecowe,
lutowanie kąpielowe.
Lutowanie twarde umożliwia łączenie blach, kształtowników, części mechanizmów, elementów narzędzi skrawających itd.
Klasyfikacja lutów twardych:
na osnowie miedzi,
na osnowie srebra
na osnowie złota i platyny
na osnowie aluminium
na osnowie magnezu
na osnowie niklu
na osnowie manganu, kobaltu i żelaza
na osnowie palladu
na osnowie tytanu, wanadu, cyrkonu i hafnu
Część praktyczna
Na zajęciach zapoznaliśmy się z lutowaniem miękkim oraz twardym. W przypadku lutowania twardego, za pomocą palnika gazowego, a w przypadku lutowania miękkiego była lutownica oporowa.