Wiadomości ogólne o łączeniu metali

Transkrypt

1 Wiadomości ogólne o łączeniu metali Połączenia części maszyn dzieli się na nierozłączne, w których części złączone lub łączniki (części łączące) ulegają uszkodzeniu przy rozłączaniu połączenia, oraz rozłączne, które można rozłączać i łączyć ponownie bez uszkodzenia części łączonych i łączników. Do najczęściej spotykanych połączeń nierozłącznych należą połączenia spawane, lutowane, zgrzewane, skurczowe, wtłaczane i nitowane, zaś do połączeń rozłącznych klinowe, wpustowe, wielowypustowe, sworzniowe, kołkowe, gwintowe, sprężyste i rurowe. 1

2 Spawanie Wiadomości ogólne Spawanie polega na łączeniu materiałów przez ich nagrzanie i stopienie w miejscu łączenia z dodaniem lub bez dodania spoiwa. Metal części łączonych nazywa się metalem rodzimym. Stopione spoiwo łącznie ze stopionymi brzegami części łączonych, czyli materiałem rodzimym, tworzą po ostygnięciu spoinę. W zależności od źródła ciepła użytego do stopienia materiału rodzimego złącza i spoiwa rozróżnia się: spawanie elektryczne (łukowe, elektronowe, elektrożużlowe), gazowe i termitowe. Najbardziej rozpowszechnione jest spawanie elektryczne łukowe oraz gazowe. 2

3 Wiadomości ogólne Nie wszystkie metale nadają się w jednakowym stopniu do spawania. Szczególnie łatwo spawalne są stale o małej zawartości węgla (do 0,27%) oraz ołów, aluminium i stopy magnezu. Do metali trudno spawalnych zalicza się stale wysokowęglowe i stopowe, żeliwo, brązy i nikiel. Wiadomości ogólne Spawanie elektryczne łukowe polega na wytworzeniu między elektrodą spawalniczą a materiałem spawanym łuku elektrycznego wydzielającego ciepło, pod wpływem którego topią się brzegi łączonych części i dodawane zwykle spoiwo, oraz na tworzeniu złącza, zwanego spoiną. Złącze tworzy się przy przesuwaniu odpowiednim ruchem elektrody wzdłuż łączonych brzegów. 3

4 Wiadomości ogólne Spoina składa się ze stopionego metalu rodzimego oraz ze stopionego spoiwa. Stopiony w obszarze spoiny metal na skutek stygnięcia krzepnie i łączy trwale obie części metalu rodzimego. Spoiny krzepną stosunkowo szybko po wykonaniu z powodu ich niewielkiej objętości. Układanie spoin polega na wypełnieniu przestrzeni pomiędzy łączonymi materiałami roztopionym stopiwem. W zależności od tego, jak grube elementy są łączone, spoinę można układać jednym ściegiem (mamy wtedy do czynienia ze spoiną jednowarstwową) lub przy pomocy wielu ściegów (spoina wielowarstwowa). Wiadomości ogólne Ze względu na kształt spawanego złącza spoiny dzielimy na: doczołowe, kątowe, narożne, teowe, krzyżowe, zakładkowe, nakładkowe i przylgowe. Spoiny w różnych rodzajach spawanych złącz mają taki sam kształt. Mówiąc inaczej, różne złącza można wykonać tymi samymi spoinami. Jeżeli elementy łączy się na całym przekroju, wówczas mówi się o spoinach czołowych. W przypadku łączenia elementów konstrukcji pod kątem, gdy wtop obejmuje ich powierzchnie boczne, mówimy o spoinach pachwinowych. Szczególnym rodzajem są spoiny otworowe. Można powiedzieć, że zastępują one nitowanie lub zgrzewanie, a stosuje się je w wyjątkowych wypadkach. 4

5 Wiadomości ogólne Rodzaje spoin: a) czołowe, b) pachwinowe, c) otworowe, d) grzbietowe Wiadomości ogólne Rodzaje złącz spawanych Rodzaje spoin 5

6 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Ze względu na rodzaj elektrody i osłony łuku procesy spawania łukowego dzieli się na: Spawanie elektrodą topliwą golą i lukiem nieosłoniętym obecnie już prawie nie stosowane, gdyż metal spoiny pod wpływem tlenu i azotu z powietrza staje się porowaty i kruchy. Spawanie łukowe samoosłonowe jest procesem spawania łukowego z dodawaniem spoiwa w postaci elektrody topliwej o rdzeniu proszkowym - drutu proszkowego. Taki proces spawania nie wymaga dodatkowej osłony gazowej. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną (Manual Metal Arc Welding) jest rozpowszechnioną metodą łączenia metali. Łączenie tą metodą polega na tym, że ciepło wydzielające się z łuku elektrycznego, jarzącego się pomiędzy końcem elektrody otulonej a elementami spawanymi, stapia koniec rdzenia elektrody otulonej i brzegi łączonych elementów. Topiący się metal z końcówki elektrody otulonej spływa do jeziorka spawalniczego. 6

7 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Ze stopionej elektrody otulonej i z nadtopionych brzegów łączonych elementów metalowych (materiału podstawowego) powstaje spoina. Spawanie łukowe elektrodami otulonymi Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie metodą MIG (Metal Inert Gas) jest procesem spawania łukowego elektrodą topliwą w postaci litego drutu w osłonie gazów obojętnych, takich jak argon i hel. W tym procesie spawania lity drut pełni jednocześnie funkcję elektrody spoiwa, stąd jego nazwa drut elektrodowy". Drut elektrodowy jest podawany mechanicznie do uchwytu elektrodowego. Końcówka drutu, wysuwającego się z uchwytu elektrodowego, stapia się w łuku, jarzącym się między drutem i elementami spawanymi. Jeziorko ciekłego metalu i strefa łuku są osłonięte przed dostępem tlenu i azotu z powietrza strumieniem gazu osłonowego, przepływającego od butli przez uchwyt elektrody do strefy jarzenia łuku elektrycznego. 7

8 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie metodą MAG (Metal Active Gas) jest procesem spawania łukowego elektrodą topliwą w osłonie aktywnych chemicznie gazów lub w osłonie mieszanek gazowych, w których skład zwykle wchodzą: argon, dwutlenek węgla i tlen. Funkcję elektrody topliwej pełni drut. Dodatkowo drut pełni rolę spoiwa. Łuk elektryczny, jarzący się między elektrodą topliwą a elementami spawanymi, tworzy jeziorko ciekłego metalu i topi wysuwającą się z uchwytu elektrodowego końcówkę drutu elektrodowego. Wypływający z uchwytu elektrody strumień gazu osłonowego zabezpiecza jeziorko ciekłego metalu i końcówkę drutu elektrodowego przed działaniem tlenu i azotu z powietrza atmosferycznego. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Gaz ten wykazuje jednocześnie pewną aktywność w kierunku utleniania powstającej spoiny. W temperaturze łuku spawalniczego zachodzi częściowy rozkład dwutlenku węgla na tlenek węgla i tlen. Powstały z tego rozkładu tlen sprzyja częściowemu utlenianiu stopionego materiału spawanego i stopiwa. Jednakże zawarte w drucie elektrodowym dodatkowe składniki odtleniające natychmiast wiążą powstające tlenki, tworząc z nich na powierzchni spoiny cienką warstwę żużla. Zatem zachodzącego zjawiska nie można uznać za proces negatywny 8

9 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego (metodą MIG, MAG). W metodzie MIG gazem osłonowym jest argon lub hel. W metodzie MAG gazem osłonowym jest dwutlenek węgla lub mieszanka gazowa CO 2 +Av Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie metodą TIG (Tungsten Inert Gas) jest procesem spawania łukowego nietopliwą elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych, np. argonu i helu. Źródłem ciepła w tym procesie jest łuk elektryczny, jarzący się między elektrodą wolframową, zamocowaną w uchwycie spawalniczym, a elementami spawanymi. Elektroda wolframowa jest metalem trudno topliwym. Dodane do wolframu składniki zwiększają odporność elektrod na wysoką temperaturę i zmniejszają ich zużycie w procesie spawania. 9

10 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Strumień argonu, przepływający od butli przez uchwyt elektrody do strefy łuku elektrycznego, chroni jeziorko ciekłego metalu, końcówkę elektrody nietopliwej i przyległą strefę przed działaniem tlenu i azotu z powietrza. Proces spawania metodą TIG wymaga najczęściej ręcznego dodawania spoiwa. Spawanie tą metodą może się również odbywać bez dodawania spoiwa. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazu obojętnego (metodą TIG) 10

11 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie plazmowe (Plasma Arc Welding) jest procesem spawania łukowego elektrodą nietopliwą w atmosferze gazów ochronnych. Proces ten polega na stapianiu łączonych elementów za pomocą plazmy. Plazmę stanowi strumień zjonizowanego w strefie łuku elektrycznego gazu, elektrycznie obojętnego, w którym silna koncentracja mieszaniny jonów, elektronów i pojedynczych atomów wytwarza bardzo wysokie temperatury, osiągające C i więcej. Gazem tym jest argon. Strumień plazmy wypływa z dyszy palnika z bardzo dużą prędkością, przekraczającą 500 m/s. W procesie spawania jeziorko ciekłego metalu jest zabezpieczone przed działaniem powietrza atmosferycznego osłoną argonową lub azotową z dodatkiem wodoru. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Stosowane elektrody otulone składają się z metalowego rdzenia i warstwy otuliny. Otulina elektrody zawiera składniki ułatwiające zajarzenie i utrzymujące stabilne jarzenie łuku. Inne składniki otuliny uzupełniają skład chemiczny stopiwa, osłaniają przestrzeń łuku, krople stopiwa i jeziorko spawalnicze przed dostępem powietrza atmosferycznego. Dodawane składniki formujące ułatwiają powstanie gładkiego lica spoiny. Do spawania łukowego stosuje się prąd stały i przemienny. Prądem stałym praktycznie można spawać wszystkie metale przy użyciu wszelkiego rodzaju elektrod otulonych. 11

12 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie łukiem krytym elektrodą gołą topliwą pod warstwą topnika w proszku spełniającym podobne zadanie jak otulina; jest stosowane głównie jako spawanie automatyczne (maszynowe). Spawanie elektrodą gołą topliwą lub nietopliwą w osłonie gazów szlachetnych (argonu lub helu). Jest stosowane do spawania stali stopowych, np. nierdzewnych, kwasoodpornych, żaroodpornych oraz metali nieżelaznych (aluminium, magnez, miedź) i ich stopów; elektroda jest umieszczona w rurce, przez którą dopływa do łuku gaz szlachetny. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie elektrodą topliwą w osłonie dwutlenku węgla (CO 2 ) wykonywane podobnie jak spawanie w osłonie gazów szlachetnych. Jest stosowane w budowie kotłów parowych, okrętów, konstrukcji budowlanych. 12

13 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie dwiema elektrodami wolframowymi, między którymi jarzy się łuk, w osłonie wodoru; jest to tzw. spawanie atomowe. Elektrody umieszczone są w rurkach, przez które dopływa wodór; podczas jego przejścia przez łuk elektryczny cząsteczki wodoru rozczepiają się na atomy, pochłaniając ciepło. W pobliżu spawanego przedmiotu atomy wodoru łączą się w cząsteczki, oddając ciepło i wytwarzając wysoką temperaturę w miejscu spawania. Metoda ta jest stosowana do spawania stali stopowych, m.in. do naprawy narzędzi skrawających, matryc itp Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie elektronowe polegające na wykorzystaniu energii wiązki elektronów, wysyłanych w próżni przez żarzącą się elektrodę wolframową, do wytwarzania ciepła potrzebnego do spawania. Metoda ta jest stosowana do łączenia bardzo cienkich blach z metali trudno spawalnych, np. beryl, cyrkon, molibden, tantal, tytan, wolfram 13

14 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie żużlowe stosowane do łączenia grubych blach stalowych, ustawianych zwykle pionowo z pozostawieniem odpowiedniego odstępu między brzegami. Zamiana energii elektrycznej w ciepło odbywa się w warstwie żużla, który spełnia zadanie elementu grzejnego. Przestrzeń, w której ma powstać spoina, zamyka się nakładkami miedzianymi chłodzonymi wodą. Do przestrzeni tej wprowadza się elektrodę i wsypuje porcjami topnik. Ciepło wytwarza się wskutek oporu elektrycznego, jaki stawia żużel. Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie gazowe polegające na łączeniu przez stopienie materiału łączonych części i spoiwa płomieniem gazowym, otrzymywanym przez spalanie gazu palnego, najczęściej acetylenu, rzadziej wodoru lub propanu, zmieszanego z tlenem. Spawanie to stosuje się do spawania przedmiotów stalowych o niewielkiej grubości, żeliwa oraz metali i stopów nieżelaznych. Płomień wodorowo-tlenowy jest stosowany również do spawania aluminium, ołowiu i cynku. Obecnie spawanie gazowe jest coraz mniej stosowane w produkcji przemysłowej, natomiast szeroko rozpowszechnione w pracach remontowych. 14

15 Wiadomości ogólne Rodzajów spawania Spawanie termitowe stosowane np. do łączenia szyn tramwajowych i kolejowych. Źródłem ciepła jest reakcja chemiczna zachodząca w mieszaninie sproszkowanych tlenków żelaza i aluminium, tzw. termicie. W wyniku zaistniałej w tyglu reakcji otrzymuje się ciekłe żelazo (na dnie tygla) i tlenek glinu. Żelazo spuszcza się do formy odlewniczej, w której są ujęte końce łączonych przedmiotów, np. szyn. Wiadomości ogólne Spawalność metali i ich stopów Spawalnością nazywa się zespół cech, dzięki którym uzyskuje się poprawne spoiny o dobrych właściwościach. Pojęcie spawalności wiąże się nie tylko z materiałem i stanem materiału, z którego jest wykonana dana konstrukcja, ale również z jej ukształtowaniem i z metodą spawania oraz warunkami, w których proces był prowadzony. Spośród stopów żelaza najłatwiej spawa się stale niskowęglowe o zawartości węgla do 0,25% C (zwłaszcza St0S, St3S, St4S - przeznaczone na konstrukcje spawane). Stale o wyższej zawartości węgla (do 0,4% C) wymagają podgrzewania przy spawaniu do temperatury C; po spawaniu wskazane jest wyżarzenie gotowego wyrobu. 15

16 Wiadomości ogólne Spawalność metali i ich stopów c.d. Staliwa na ogół dają się spawać tak samo, jak stale o podobnych składach chemicznych. Z uwagi na większą niejednorodność struktury (wtrącenia niemetaliczne, pory) oraz istniejące w odlewie naprężenia własne zaleca się wyżarzanie odprężające przed spawaniem. Do materiałów trudne spawalnych należą stale wysokostopowe, żeliwo szare, stopy miedzi i aluminium. Spawanie żeliwa jest stosowane wyłącznie do naprawy uszkodzonych odlewów. Materiały i urządzenia do spawania łukowego Elektrody do spawania łukowego Elektrody do spawania elektrycznego łukowego dzieli się na topliwe i nietopliwe. Do elektrod nietopliwych zalicza się elektrody wolframowe, węglowe i grafitowe. Elektrody wolframowe ośrednicy 1 8 mm stosuje się do spawania i cięcia metali w atmosferze gazów ochronnych, natomiast elektrody węglowe i grafitowe o średnicy 4 25 mm stosuje się do spawania cienkich blach stalowych, miedzi i aluminium. 16

17 Materiały i urządzenia do spawania łukowego Elektrody do spawania łukowego c.d. Obecnie do spawania elektrycznego łukowego używa się przeważnie metalowych elektrod topliwych, które dzieli się na: nie otulone i otulone. Elektrody nie otulone (goły drut) nie są zalecane do spawania elektrycznego ręcznego w atmosferze powietrza, gdyż dają spoinę o bardzo niskich własnościach mechanicznych. Elektrody te są używane do spawania pod topnikiem i w atmosferze gazów ochronnych, tj. argonu i dwutlenku węgla (CO 2 ). Materiały i urządzenia do spawania łukowego Elektrody do spawania łukowego c.d. Elektrody otulone są stosowane najczęściej do spawania elektrycznego. W zależności od grubości otulin dzieli się je na cienko otulone, średnio otulone i grubo otulone. Elektrody cienko otulone stosuje się przeważnie do spawania cienkich blach. Mają one otulinę, której dwustronna grubość nie przekracza 20% średnicy rdzenia. Elektrody średnio otulone, o dwustronnej grubości otulin 20 40% średnicy rdzenia, są stosowane często do prac montażowych. Elektrody grubo otulone mają otulinę o grubości dwustronnej ponad 40% średnicy rdzenia. 17

18 Materiały i urządzenia do spawania łukowego Elektrody do spawania łukowego c.d. W zależności od składu chemicznego otulin elektrody do ręcznego spawania elektrycznego dzieli się na elektrody o otulinie: kwaśnej (A), zasadowej (B), rutylowej (R), celulozowej (C), utleniającej (O). Otulina chroni stapiane spoiwo i metal przed dostępem tlenu i azotu z powietrza, a ponadto tworzy ze spalających się składników warstwę żużla, który chroni stopiony metal przed zbyt szybkim stygnięciem oraz wiąże ze sobą niepożądane składniki (tlenki). Poza tym otulina uzupełnia składniki stopowe w metalu spawanym, które ulegają wypaleniu w czasie spawania oraz wprowadza dodatkowe pierwiastki, które polepszają wytrzymałość i ciągliwość spoiny. Materiały i urządzenia do spawania łukowego Elektrody do spawania łukowego c.d. Stosowane obecnie elektrody do spawania są najczęściej wykonane z drutu o składzie chemicznym podobnym do spawanego materiału. W niektórych przypadkach skład chemiczny drutu elektrodowego i spawanego może być różny. 18

19 Materiały i urządzenia do spawania łukowego Maszyny spawalnicze do spawania elektrycznego Do maszyn spawalniczych zalicza się: przetwornice, transformatory i prostowniki spawalnicze. Przetwornica spawalnicza składa się z dwóch zasadniczych zespołów, tj. silnika napędowego i prądnicy spawalniczej. Silnikiem napędowym jest najczęściej trójfazowy asynchroniczny silnik elektryczny, rzadziej silnik spalinowy. Przetwornice spawalnicze mogą być jednostanowiskowe i wielostanowiskowe. Materiały i urządzenia do spawania łukowego Maszyny spawalnicze do spawania elektrycznego Przetwornica spawalnicza, zwana również spawalnicą (spawarką) prądu stałego, wchodzi w skład stanowiska roboczego spawacza. Daje ona prądy o natężeniu od kilkuset do kilku tysięcy amperów przy napięciu V. Przetwornice spawalnicze: a) typu EW-23u, b) typu EW-32a 19

20 Materiały i urządzenia do spawania łukowego Maszyny spawalnicze do spawania elektrycznego Transformator spawalniczy, zwany również spawalnicą (spawarką) prądu przemiennego, otrzymuje prąd z sieci i przetwarza go na prąd odpowiedni do spawania. A więc działanie transformatora polega na przekształceniu prądu przemiennego sieciowego o wyższym napięciu na prąd spawania o dużym natężeniu i niskim napięciu. Regulacja prądu spawania odbywa się przez zmianę szczeliny powietrznej częścią ruchomą w obwodzie uzwojenia dławiącego. Materiały i urządzenia do spawania łukowego Maszyny spawalnicze do spawania elektrycznego W transformatorach spawalniczych zostaje obniżone napięcie sieciowe, wynoszące zazwyczaj 220 lub 380 V, do napięcia około 70V potrzebnego do zajarzenia łuku elektrycznego. W czasie spawania napięcie jest mniejsze i wynosi około 20V. Natężenie szczytowe prądu pobieranego z transformatora spawalniczego wynosi od kilkuset do kilku tysięcy amperów 20

21 Materiały i urządzenia do spawania łukowego Maszyny spawalnicze do spawania elektrycznego Prostownik spawalniczy służy do przetwarzania prądu przemiennego sieciowego na prąd pulsujący stały. Prostownik spawalniczy składa się z transformatora i regulatora służącego do zmiany natężenia prądu oraz z urządzenia prostującego prąd. Urządzenie prostujące przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku, dzięki działaniu zespołu płytek selenowych lub półprzewodnikowych. Organizacja stanowiska pracy spawacza Stanowisko robocze spawacza elektrycznego Stanowisko robocze powinno być odgrodzone od otoczenia zasłonami zabezpieczającymi przed działaniem szkodliwych promieni. Podczas wykonywania prac montażowych ustawia się zasłony przenośne, wykonane z tkaniny, blachy lub drewna względnie z tworzyw sztucznych. Wysokość zasłon powinna wynosić około 2 m. 21

22 Organizacja stanowiska pracy spawacza Stanowisko robocze spawacza elektrycznego Spawacze w czasie pracy powinni mieć (oprócz ubrania roboczego) rękawice i fartuch skórzany, a także okrytą głowę czapką bez daszka. Stałe stanowisko robocze spawacza powinno się znajdować w osobnej kabinie z dobrą wentylacją. Każde stanowisko do spawania elektrycznego powinno być wyposażone w tarczę lub przyłbicę, uchwyt do elektrod, przewody niskiego napięcia, dziobak (młotek do odbijania żużlu ze spoiny), szczotkę drucianą do oczyszczania spawanego materiału z żużla, zgorzeliny i korozji. Organizacja stanowiska pracy spawacza Stanowisko robocze spawacza gazowego W skład tego stanowiska wchodzą butle tlenowe i acetylenowe, stół roboczy narzędzia pomocnicze oraz odzież robocza (ochronna). Niektóre stanowiska robocze, zamiast butli z acetylenem, mają wytwornicę acetylenową, wyposażoną przeważnie w oczyszczacz gazu oraz bezpiecznik wodny. Podstawowymi narzędziami pomocniczymi na stanowisku roboczym spawacza gazowego są: młotek, szczotki stalowe i komplet kluczy do zamocowywania zaworów na butlach oraz do otwierania butli z acetylenem. 22

23 Przygotowanie materiału do spawania Czynności przygotowawcze Przed przystąpieniem do spawania przygotowuje się odpowiednio krawędź łączonych blach, oczyszcza je i ustawia. Przygotowanie krawędzi polega na odpowiednim odgięciu łączonych blach cienkich o grubości poniżej 2 mm (lub odpowiednim zukosowaniu blach o grubości powyżej 4 mm). Wygięte blachy cienkie o grubości poniżej 2 mm spawa się bez dodatku spoiwa; spoinę tworzy przetopiony brzeg blachy wygięty do góry. Przy łączeniu blach o różnej grubości wysokość wywinięcia przyjmuje się zwykle równą potrójnej grubości cieńszej blachy. Przygotowanie materiału do spawania Czynności przygotowawcze Przy spawaniu blach o grubości mm nie wygina się ich, lecz rozsuwa na odległość równą połowie ich grubości. Blachy o grubości 4+12 mm ukosuje się w kształcie litery V pod kątem , a blachy grubsze ukosuje si ę w kształcie litery X pod kątem Krawędzie łączonych blach muszą być starannie oczyszczone z tlenków, zgorzeliny i tłuszczów. 23

24 Przygotowanie materiału do spawania Czynności przygotowawcze Przygotowanie materiału do spawania: a) cienkich blach o grubości do 2 mm, b) blach o różnej grubości, c) o grubości 4 12 mm, d) ponad 12 mm Przygotowanie materiału do spawania Czynności przygotowawcze Elektrody dobiera się w zależności od wymagań wytrzymałościowych spoiny, rodzaju połączenia, pozycji spawania oraz względów ekonomicznych. Do spawa-nia połączeń mało odpowiedzialnych używa się elektrod niskowartościowych, tj. elektrod gołych lub cienko otulonych. Natężenie prądu dobiera się w zależności od średnicy elektrody. Dla elektrod o średnicy do 3,25 mm przyjmuje się natężenie około 30 A na 1 mm elektrody, a dla elektrod ośrednicach większych - około 40 A na 1 mm. 24

25 Przygotowanie materiału do spawania Czynności przygotowawcze Elektrody nie otulone wymagają mniejszego natężenia prądu niż elektrody grubo otulone. Poza tym im grubszy materiał będzie poddawany spawaniu, tym większe musi być natężenie prądu. Przygotowanie materiału do spawania Biegunowość Spawając prądem stałym trzeba zwrócić uwagę na sposób podłączenia elektrody. Przy spawaniu miękkiej stali elektrodę podłącza się tak, aby stanowiła biegun ujemny łuku, a przedmiot spawany biegun dodatni. Przy spawaniu elektrodami otulonymi trzeba się stosować do wskazań wytwórcy podanych na opakowaniu i stosować biegunowość określoną przez producenta. 25

26 Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne Spawanie można przeprowadzać elektrodą topliwą lub elektrodą nietopliwą - elektrodą wolframową. Przy spawaniu elektrodą topliwą jest ona jednocześnie spoiwem i ulega stopieniu podczas spawania. Spawając elektrodą nietopliwą wytwarza się łuk elektryczny pomiędzy przedmiotem spawanym a elektrodą wolframową, która nie ulega stopieniu. Spoiwo w postaci pręta (drutu) topi się w tym łuku wytwarzając spoinę. Spawacz w tym przypadku trzyma w jednej ręce elektrodę wolframową w uchwycie, a w drugiej drut lub pręt. Metoda ta jest bardzo rzadko stosowana. Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne c.d. Na rysunku przedstawiono stanowisko spawania łukowego. Przewód dodatni C jest doprowadzony i połączony zaciskiem D do metalowego stołu, na którym kładzie się spawany przedmiot E. Przewód ujemny A zakończony uchwytem trzyma spawacz. W uchwycie zamocowana jest elektroda G, a rękojeść B dobrze izolowana. Tarcza F chroni oczy pracownika przed blaskiem łuku. Położenie elektrody i ruchy wykonywane elektrodą w czasie spawania są zależne od rodzaju spoiny, rodzaju elektrody, grubości łączonych blach i rodzaju złącza. Stanowisko spawania łukowego 26

27 Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne c.d. Spawanie powinno się przeprowadzać w pozycji podolnej, czyli poziomo, gdyż jest to pozycja najdogodniejsza i najbardziej ekonomiczna. Spoiny wykonane w innych pozycjach mogą mieć gorsze własności mechaniczne i dlatego należy spawać poziomo, a inne pozycje stosować tylko w montażu. Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne c.d. Elektroda powinna być pochylona pod kątem α. Dla elektrod nie otulonych i cienkich kąt α wynosi 10 30, a dla elektrodśrednio i grubo otulonych

28 Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne c.d. Podczas spawania koniec elektrody można prowadzić ściegiem prostym lub zakosowym. Przy spawaniu blach o grubości powyżej 20 mm należy koniecznie stosować ścieg zakosowy z uwagi na mniejsze odkształcenia. Istnieje zasada: układać możliwie płaskie ściegi, ażeby uniknąć ostrych wgłębień, w których gromadzi się trudny do usunięcia żużel. Przygotowanie materiału do spawania Spawanie elektryczne c.d. Dobór grubości elektrody ma również duży wpływ na jakość wykonywanej spoiny. W spoinach w kształcie X i V pierwsze ściegi wykonuje się cieńszą elektrodą, a w miarę przechodzenia do szerszej części spoiny należy stosować elektrody coraz grubsze. Łuk elektryczny zajarza się przez dotknięcie elektrodą przedmiotu spawanego ruchem przypominającym zapalenie zapałki. W czasie spawania trzeba utrzymać prawidłową długość łuku, tj. nie przekraczającą grubości elektrody. Zbyt długi łuk powoduje dostanie się do spoiny tlenu i azotu, zmniejsza głębokość wtopienia, daje duży rozprysk metalu. 28

29 Spawanie gazowe Materiały do spawania gazowego Do spawania gazowego są stosowane: tlen, acetylen, wodór, gaz koksowniczy i gaz świetlny, propan i butan, gaz ziemny metan, argon, azot i inne. Karbid (CaC2) jest stosowany do wytwarzania acetylenu. Do spawania gazowego stosuje się spoiwa w postaci stalowych drutów i prętów o różnym składzie chemicznym w celu dobrania ich do spawanych elementów. Druty są dostarczane w kręgach, a pręty w wiązkach o długości 1 m. Spawanie gazowe Materiały do spawania gazowego c.d. Najczęściej jest używany drut stalowy o małej zawartości węgla do spawania stali konstrukcyjnej węglowej. Do spawania części stalowych o wymaganej twardości używa się drutu o zawartości 0,6 1,7% węgla i 0,7 1,7% manganu. Do spawania żeliwa używa się prętów żeliwnych o zawartości 3 4% węgla z dodatkiem krzemu i manganu. Do spawania aluminium lub stopów aluminium są stosowane spoiwa w postaci drutów lub prętów z prawie czystego aluminium, względnie ze stopów aluminium z magnezem, manganem, krzemem, chromem i tytanem 29

30 Spawanie gazowe Materiały do spawania gazowego c.d. Topniki do spawania gazowego stosuje się w nielicznych przypadkach przy połączeniowym spawaniu stali wysokostopowych nierdzewnych i kwasoodpornych oraz żaroodpornych. Działanie topnika w tych przypadkach polega na rozpuszczeniu w topniku trudno topliwych tlenków chromu, których temperatura topnienia wynosi 2050 C. Podstawowymi składnikami tych topników s ą: boraks, sól, kwarcyt, fluoryt, kreda, żelazokrzem. Do lutospawania żeliwa stosuje się topniki produkcji krajowej Uni-Lut lub Ms-Gaz. Spawanie gazowe Urządzenia do spawania gazowego Najczęściej stosowane w spawalnictwie gazy sprężone (tlen i acetylen) są przechowywane w odpowiednich butlach. Butla tlenowa składa się z korpusu 1 (cylindra), szyjki, na którą jest wciągnięty na gorąco pierścień 2 (zewnętrznie gwintowany), kołpaka ochronnego 3 oraz stopy 4. Stopa umożliwia ustawienie butli w pozycji pionowej. a) Butla tlenowa b) Butla acetylenowa 30

31 Spawanie gazowe Urządzenia do spawania gazowego c.d. W kraju produkuje się butle tlenowe o pojemności 0,5 50 l. Pojemność najbardziej rozpowszechnionych butli do transportu tlenu wynosi 40 l. Ciśnienie robocze butli wynosi 15 MPa przy 15 C. Butle tlenowe maluje się niebieską farbą olejną i oznacza się czarnym napisem Tlen O" Spawanie gazowe Urządzenia do spawania gazowego c.d. Butle acetylenowe, ciągnione bez szwu ze stali, są produkowane najczęściej o pojemności 40 l. Dopuszczalne ciśnienie robocze w butlach wynosi 1,5 MPa. Wnętrze butli acetylenowej jest wypełnione masą porowatą 5, której zadaniem jest zapobieganie rozprzestrzenianiu się acetonu (produktu rozpadu acetylenu) pod wpływem np. wstrząsów. Aceton rozpuszcza acetylen. W jednym litrze acetonu pod ciśnieniem 0,1 MPa rozpuszcza się 23 litry acetylenu i w miarę wzrostu ciśnienia wzrasta proporcjonalnie ilość pochłoniętego acetylenu. Butle acetylenowe są malowane białą farbą olejną z czerwonym napisem Acetylen C 2 H 2 31

32 Spawanie gazowe Urządzenia do spawania gazowego c.d. Pobieranie gazu z butli wymaga zastosowania tzw. reduktorów, których zadaniem jest obniżenie ciśnienia wylotowego gazu przez cały czas pracy, mimo że ciśnienie w butli maleje, w miarę jej opróżniania. Reduktory do tlenu i acetylenu różnią się tylko sposobem mocowania ich na zaworze butli. Palniki Spawanie gazowe Służą one do spalania gazów dobrze wymieszanych z tlenem. Rozróżnia się palniki wysokiego ciśnienia oraz palniki niskiego ciśnienia. W palnikach wysokiego ciśnienia doprowadzenie gazów odbywa się prawie pod jednakowym ciśnieniem wynoszącym 0,01 0,1 MPa. Palnik niskiego ciśnienia jest palnikiem smoczkowym, w którym podczas przepływu gazu (tlenu) o wyższym ciśnieniu przez środkową dyszę następuje zasysanie gazu drugiego ze zbiornika o niskim ciśnieniu. 32

33 Spawanie gazowe Palniki c.d. Palniki: a) acetylenowo-tlenowy na niskie jiśnienie, b) palnik na wysokie ciśnienie, c) komplet palników niskiego ciśnienia typu Normus-bis produkcji krajowej Palniki c.d. Spawanie gazowe Palnik nie może być zanieczyszczony olejem ani smarem. Aby zapalić palnik, trzeba najpierw otworzyć zawór do tlenu, a następnie do acetylenu. W przypadku zatkania się wylotu dzioba palnika w czasie pracy trzeba natychmiast zamknąć najpierw zawór do acetylenu, a następnie do tlenu. 33

34 Spawanie gazowe Palniki c.d. Poprawne wyregulowanie płomienia ma istotne znaczenie dla przebiegu i wyników spawania. Płomień acetylenowo-tlenowy można podzielić na trzy strefy: jądro, stożek oraz kitę. Spawacz powinien tak regulować płomień, aby spawanie odbywało się płomieniem redukującym, tj. takim, w którym w najgorętszej strefie środkowej nie ma swobodnego węgla ani tlenu. Regulację płomienia rozpoczyna się od regulacji dopływu acetylenu. Trzeba dodać, że płomień chroni spoinę przed dostępem powietrza. Palniki c.d. Spawanie gazowe Dokładne wyregulowanie płomienia redukującego (normalnego) jest łatwe i polega na uzyskaniu ostrego zarysu jądra. W czasie spawania przedmiot powinien się znajdować w odległości 2 5 mm od jądra, co jest uzależnione od wielkości palnika. 34

35 Wytwornice acetylenowe Spawanie gazowe Wytwornicami acetylenu nazywa się urządzenia do wytwarzania acetylenu przez działanie wody na karbid. Wytwornice dzieli się na: niskiego i wysokiego ciśnienia przenośne i stałe, a ze względu na konstrukcję na: wsypowe, dopływowe i wyporowe. Każda wytwornica acetylenu składa się z reaktora, gdzie odbywa się reakcja między karbidem a wodą, pojemnika na karbid, oczyszczacza, bezpiecznika wodnego, manometru i zaworu bezpieczeństwa. Wytwornice acetylenowe c.d. Spawanie gazowe Wytwornicę uruchamia się przez przesunięcie do dołu rączki 2 do opuszczania kosza 1 z karbidem. Wytwarzany acetylen zbiera się w górnej części reaktora do zbiornika wyporowego 4. Gdy po zużyciu acetylenu ciśnienie gazu obniży się, to poziom wody w reaktorze podniesie się i produkcja acetylenu rozpocznie się na nowo. W przypadku gdy ciśnienie gazu wzrośnie powyżej 0,15 MPa, zaczyna działać bezpiecznik 5. 35

36 Spawanie gazowe Technika spawania acetylenowego Przedmioty przeznaczone do spawania należy oczyścić z rdzy, farby i tłuszczów oraz innych zanieczyszczeń. Ważną czynnością poprzedzającą spawanie jest prawidłowe wyregulowanie płomienia acetylenowo-tlenowego, a następnie wybranie odpowiedniej pozycji spawania. Najlepszą spoinę można wykonać w pozycji podolnej. Spawanie gazowe Technika spawania acetylenowego c.d. Pozycje spawania: a) podolna, b) naboczna, c) naścienna, d) okapowa, e) pułapowa, f) pionowa 36

37 Spawanie gazowe Technika spawania acetylenowego c.d. Znane są trzy metody spawania gazowego: w lewo, w prawo i w górę. Przy każdej metodzie palnik trzyma się w prawej ręce, a drut do spawania w lewej. Przy metodzie spawania w lewo palnik przesuwa się z prawej strony do lewej bez ruchów poprzecznych. Płomień osłania stopiony metal i podgrzewa brzegi blach przed ich stopieniem. Metoda ta nadaje się do spawania blach cienkich o grubości do 4 mm. Blachy grubsze spawa się metodą w prawo, natomiast metoda spawania w górę jest stosowana przede wszystkim do takich przedmiotów, które można ustawić pionowo. Spawanie gazowe Technika spawania acetylenowego c.d. 37

38 Spawanie gazowe Cięcie termiczne Cięciem termicznym nazywa się sposób cięcia materiałów, głównie metali i ich stopów, polegający na miejscowym utlenieniu lub wytopieniu w odpowiednio wysokiej temperaturze. Zależnie od źródła ciepła rozróżnia się cięcia: gazowe, łukowe, gazowo-łukowe. Cięcie termiczne c.d. Spawanie gazowe Cięcie gazowe (cięcie tlenowe) polega na miejscowym spalaniu materiału. w strumieniu czystego tlenu przy odpowiednim miejscowym ogrzaniu metalu do temperatury spalania. Cięcie to odbywa się za pomocą palnika, który przypomina palnik do spawania, lecz jest wyposażony w dodatkową dyszę tlenową. Jeżeli spawacz zwiększy dopływ tlenu do płomienia palnika, to płomień taki będzie spala nagrzewany metal wypalając w nim wąską szczelinę. Cięcie samym tlenem stosuje się do stali konstrukcyjnych węglowych i niskostopowych, natomiast żeliwo, są austenityczne oraz metale nieżelazne można przecinać tym sposobem przez wprowadzenie do strumienia tlenu topników, np. proszku żelaza. 38

39 Cięcie termiczne c.d. Spawanie gazowe Cięcie łukowe elektrodą węglową lub metalową polega na wytapianiu szczeliny w pełnym metalu ciepłem łuku elektrycznego. Cięcie gazowo-łukowe polega na podgrzaniu metalu ciepłem łuku elektryczne i jednoczesnym miejscowym spalaniu metalu w strumieniu czystego tlenu. Cięcie termiczne c.d. Spawanie gazowe Obecnie można ciąć termicznie wszystkie metale i stopy stosowane w przemyśle a nawet beton i kamień. Grubość przecinanego metalu może wynosić do 3 m zależności od stosowanych urządzeń rozróżnia się cięcie termiczne ręczne i maszynowe. Cięcie może być wykonywane w sposób zautomatyzowany za pomocą mechanizmów prowadzących palniki wg określonych linii. 39

40 Nowoczesne metody spawania Do nowoczesnych metod spawania zalicza się: 1. spawanie elektronowe, 2. spawanie laserowe, 3. spawanie plazmowe Nowoczesne metody spawania Spawanie elektronowe Metoda ta polega na wykorzystaniu strumienia elektronów jako źródła ciepła do miejscowego nadtapiania łączonych elementów. Elektrony emitowane z katody z dużą prędkością przepływają w kierunku anody, którą jest spawany przedmiot. Maksymalne skupienie wiązki elektronów osiąga się za pomocą dodatkowej anody oraz soczewek elektromagnetycznych. Przykład elementów spawanych wiązką elektronów 40

41 Nowoczesne metody spawania Spawanie elektronowe c.d. Do zalet spawania elektronowego zaliczamy: możliwość spawania materiałów różniących się własnościami fizycznymi, możliwość spawania materiałów o bardzo małych przekrojach, uzyskiwanie spoin o bardzo dużym stopniu czystości, małe odkształcenia spawalnicze w złączu, bardzo małą strefę wpływu ciepła, możliwość spawania we wszystkich pozycjach. Nowoczesne metody spawania Spawanie elektronowe c.d. Do wad można zaliczyć: wysoki koszt stanowiska, ograniczoną wielkość spa-wanych przedmiotów, konieczność zabezpiecze-nia przed promieniowaniem. 41

42 Nowoczesne metody spawania Spawanie elektronowe c.d. Metodę tę stosuje się wszędzie tam, gdzie wymagane są połączenia o wysokich własnościach, tzn. w przemyśle elektrotechnicznym, samochodowym, technice jądrowej i energetyce. Grubość spawanych materiałów wynosi od 0,05 do 300 mm. Metodą elektronową można spawać metale trudnotopliwe i stopy o dużej wytrzymałości. Nie wolno natomiast spawać cynku i jego stopów, żeliwa szarego oraz niskowęglowych stali nieuspokojonych. Nowoczesne metody spawania Spawanie laserowe Metoda ta jest obecnie najnowocześniejszym procesem łączenia. Polega ona na topieniu łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do złącza skoncentrowanej wiązki światła o dużej gęstości energii. Do celów spawalniczych najczęściej stosuje się lasery gazowe CO 2. 42

43 Nowoczesne metody spawania Spawanie laserowe c.d. Zalety spawania laserowego, w porównaniu z elektronowym, są następujące: wiązkę laserową można w powietrzu przesyłać na duże odległości, wiązka nie podlega oddziaływaniu pola magnetycznego, nie powstaje promieniowanie X. Do jego wad należą: wyższy koszt, mniejsza grubość spawania (do 15 mm). Nowoczesne metody spawania Spawanie laserowe c.d. Wszystkie materiały spawane elektronowo można też spawać laserowo. Naprężenia i odkształcenia spawalnicze praktycznie nie występują. Zastosowanie: przemysł ko-smiczny, lotniczy, samochodowy, elektroniczny i medyczny. 43

44 Nowoczesne metody spawania Spawanie plazmowe Cechą charakterystyczną tej metody jest wykorzystanie łuku elektrycznego, który od elektrody wolframowej przechodzi do przedmiotu przez dyszę o małym przekroju poprzecznym i nie może się rozszerzać, jak przy łuku swobodnym. Słupek łuku ma kształt stożka o bardzo małej zbieżności i dysponuje dużą gęstością energii, która umożliwia zmianę otaczającego gazu w plazmę. Dzięki zmianom warunków jarzenia i zjawiskom zachodzącym w łuku odznacza się on wysoką temperaturą (równomiernie rozłożoną na całym przekroju poprzecznym), szybkim nagrzewaniem przedmiotu, dużą stabilnością, umożliwiającą jarzenie się łuku nawet przy minimalnych natężeniach prądu. Nowoczesne metody spawania Spawanie plazmowe c.d. Stosując łuk mikroplazmowy, można spawać folie metalowe, elementy cienkościenne itp. Spawanie mikroplazmowe odbywa się przez przetapianie brzegów łączonych części bez dodatku stopiwa. 44

45 Cięcie Cięcie termiczne Palniki acetylenowo-tlenowe znalazły szerokie zastosowanie w metodach cięcia termicznego metali, ponieważ pozwalają na uzyskanie dużej - w porównaniu z obróbką skrawaniem - wydajności przy rozdzielaniu materiałów. Źródłem ciepła jest przy cięciu najczęściej: płomień acetylenowo-tlenowy, łuk elektryczny, strumień plazmy lub wiązka laserowa. Sam proces cięcia acetylenowo-tlenowego polega na utlenianiu metalu podgrzanego do odpowiednio wysokiej temperatury. Powstałe tlenki metalu usuwa strumień gazu. Cięcie termiczne c.d. Cięcie Kolejne partie materiału są podgrzewane ciepłem wydzielanym przez palący się materiał. Przecinane mogą być tylko metale i stopy, które spełniają następujące warunki: temperatura utleniania metalu (stopu) jest niższa od temperatury jego topnienia (spełnia to stal o zawartości do 0,7% C); temperatura topnienia tlenków jest niższa od temperatury topnienia metalu (stopu); reakcje utleniania są egzotermiczne, co umożliwia ciągłość procesu cięcia; metale (stopy) mają jak najmniejsze przewodnictwo cieplne. 45

46 Cięcie Cięcie termiczne c.d. Rozróżniamy cięcie gazowe ręczne, półautomatyczne i automatyczne. Do cięcia ręcznego stosowane są palniki z dodatkowym przewodem tlenowym. Charakteryzuje się ono stosunkowo małą dokładnością, lecz dużą swobodą w operowaniu urządzeniem. Bardzo dużą dokładność cięcia uzyskuje się natomiast przy automatycznym cięciu maszynowym. Cięcie termiczne c.d. Cięcie Ciąć należy zawsze z optymalną prędkością, gdyż ogranicza się wówczas powstawanie tzw. progu cięcia. Występowanie progu nie przeszkadza przy cięciu prostoliniowym i na dużych krzywiznach, natomiast przy cięciu kształtowym w ogóle nie powinien on występować. Palnik ma być prowadzony równomiernie przy zachowaniu odpowiedniego odstępu od powierzchni metalu, co uzyskuje się przez zamocowanie go na odpowiednim wózku prowadzącym. 46

47 Cięcie Cięcie termiczne c.d. Proces cięcia rozpoczyna się od nagrzewania płomieniem acetylenowo-tlenowym krawędzi materiału do odpowiedniej temperatury. Po jej osiągnięciu otwiera się dopływ tlenu tnącego i rozpoczyna przecinanie. Palnikiem ręcznym można przecinać elementy o grubości do 300 mm. Specjalne metody cięcia Cięcie Większości wysokostopowych stali i metali nieżelaznych nie można ciąć za pomocą tlenu ze względu na powstawanie wysokotopliwych tlenków. Podczas cięcia stali wysokostopowych i metali nieżelaznych oraz ich stopów stosuje się metody, które pozwalają dostarczyć do miejsca cięcia jak największą ilość ciepła koniecznego do stopienia metalu, a nie do jego spalenia. 47

48 Specjalne metody cięcia c.d. Cięcie Najczęściej stosowane są następujące metody cięcia: tlenowo-proszkowe - w których źródłem ciepła jest pro-szek żelaza spalający się w atmosferze tlenu; łukowe i tlenowo-łukowe - w których tnie się elektrodami metalowymi lub węglowymi, stosując niekiedy dla zintensyfikowania procesu dodatkowy nadmuch tlenu w miejsce cięcia; Specjalne metody cięcia c.d. Cięcie tzw. lancą - rurą ze stali niskowęglowej, wypełnioną drutami z takiej samej stali, w której źródłem ciepła jest spalanie się końcówki lancy w strumieniu tlenu (niekiedy druty zastępuje się proszkiem żelaznym, podawanym strumieniem tlenu). Lance stosuje się zarówno do przecinania materiałów metalicznych, jak i do niemetalicznych. 48

49 Cięcie Cięcie metodami wysokoenergetycznymi Cięcie plazmowe Pozwala ono ciąć wszelkie metale i ich stopy oraz ceramikę. Metoda ta polega na tym, że pomiędzy elektrodą wolframową a materiałem przecinanym przepływa strumień plazmy, utworzony przez łuk elektryczny i doprowadzane gazy. Strumień plazmy, którego temperatura wynosi ponad K, topi i odparowuje materiał cięty, a następnie wydmuchuje ciekły materiał i jego pary na zewnątrz, tworząc szczelinę o szerokości 3-4 mm. Cięcie Cięcie metodami wysokoenergetycznymi c.d. Rozróżnia się dwa rodzaje palników: o łuku wewnętrznym i zewnętrznym. Przy wewnętrznym łuk jarzy się miedzy elektrodą a miedzianą dyszą. Palniki te są przeznaczone do przecinania materiałów nie przewodzących prądu elektrycznego. W palnikach o łuku zewnętrznym jarzy się on między elektrodą a przecinanym materiałem przewodzącym prąd elektryczny. Obecnie gazy plazmotwórcze zastępowane są powietrzem i stąd pochodzi nazwa plazma powietrzna". W tym wypadku elektrodę wolframową zastępuje elektroda cyrkonowa - mniej podatna na utlenianie. 49

50 Cięcie Cięcie metodami wysokoenergetycznymi c.d. Cięcie laserem Przy tej metodzie materiał cięty zostaje miejscowo nagrzany do wysokiej temperatury przez absorpcję promieniowania laserowego, a następnie odparowany. Laserem można ciąć blachy stalowe, blachy pokrywane warstwami ochronnymi, drewno, tworzywa sztuczne itp. materiały. Metoda ta pozwala bardzo dokładnie kontrolować moc promieniowania oraz ilość doprowadzonego ciepła. Jest ona jednak stosunkowo droga. 50