4 - termiczne metody Łączenia i spajania

8/17/2019 4 - Termiczne Metody Łączenia i Spajania

http://slidepdf.com/reader/full/4-termiczne-metody-laczenia-i-spajania 1/35

1

Termiczne metody ł ączenia i spajania

Klasyfikacja procesów spajania

Spawalnictwo jako dział technologii łą czenia metali obejmuje procesy spajania, tj.trwałego łą czenia metali oraz procesy pokrewne spajaniu, wykorzystują ce urzą dzenia

spawalnicze do innych celów np. cię cia, metalizowania itp.

Złą cze można uzyskać przez połą czenie części materiału rodzimego bezpośrednio

lub z dodaniem metalu zwanego spoiwem. Roztopione spoiwo, stanowią ce część składową spoiny nosi nazwę stopiwa. Jako kryteria klasyfikacji procesów spawalniczych

najczęściej przyjmuje się :- stan materiału rodzimego w miejscu łą czenia,

- źródło energii wykorzystywanej do łą czenia metali.

Uwzglę dniają c jako kryterium stan materiału rodzimego w miejscu łą czenia procesy

spajania można podzielić na cztery grupy:

1)

spawanie,2) zgrzewanie,

3) lutowanie,

4) klejenie.

Szczegółową klasyfikację procesów spajania przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Klasyfikacja procesów spajania.

Spawanie polega na stopieniu brzegów materiału rodzimego w miejscu łą czenia.

Spawanie może być wykonywane z dodawaniem lub bez dodawania spoiwa. Jako spoiwa

używa się zwykle takiego samego metalu co metal spawany, a wię c stal niskowę glową spawa się spoiwem niskowę glowym, stal żaroodporną spoiwem żaroodpornym itp.Odmianą tego procesu jest napawanie, przy którym przedmiot pokrywa się warstwą

stopionego metalu przy jednoczesnym topieniu podłoża. Jako spoiwa używa się z regułymateriału o tym samym składzie chemicznym gdy chodzi o uzupełnienie ubytków na

powierzchni lub spoiwa o zupełnie innym składzie chemicznym gdy chcemy uzyskać



2

napoinę o szczególnych własnościach np. odporną na korozję , o wysokiej odporności na

ścieranie itp. Napawanie może mieć charakter procesu regeneracyjnego lub

prewencyjnego. Przy napawaniu regeneracyjnym zostają odtworzone własności użytkowe

elementu, np. średnica zużytego wału czy zę by czerpaka koparki. Zadaniem napawania

prewencyjnego jest nadanie powierzchni nowego elementu specjalnych własności.

Przy zgrzewaniu uzyskuje się połą czenie materiału rodzimego w stanie stałym przez

zastosowanie odpowiedniego docisku łą czonych części podgrzanych do temperatury, przy

której materiał znajduje się w stanie wysoko plastycznym (ciastowatym).

W procesie lutowania brzegi łą czonego materiału rodzimego nagrzewa się jedyniedo temperatury, w której spoiwo tzw. lut znajduje się w stanie płynnym i może zwilżać

łą czone powierzchnie metalu. Połą czenie uzyskuje się dzię ki przyczepności lutu i jego

dyfuzji w głą b materiału rodzimego, który w procesie lutowania nie zmienia stanu

skupienia. Odmiana tego procesu jest natapianie, przy którym przedmiot pokrywa się warstwą stopionego metalu. Topienie metalu może odbywać się w łuku elektrycznym,

plazmowym lub laserem.

W procesie klejenia brzegi łą czonych elementów są najczęściej w stanie zimnym (nienagrzane) a jako spoiwa używa się kleju czyli substancji niemetalicznej. Kleje (organiczne

lub nieorganiczne) używane są w stanie ciekłym lub ciastowatym. Wprowadzone mię dzy

łą czone powierzchnie po przejściu w stan stały wykazują zdolność trwałego ich połą czenia

w wyniku działania sił przyczepności (adhezji) mię dzy powierzchnią klejoną a warstwą kleju oraz sił spójności wewnę trznej (kohezji) w warstwie klejowej.

Uwzglę dniają c rodzaj energii wykorzystywany w procesach spajania można wyróżnić

nastę pują ce źródła energii:

1.

Płomień gazowy, w którym wykorzystuje się ciepło spalania acetylenu, wodoru lubpropanu-butanu w atmosferze tlenu lub powietrza.

2. Energię elektryczną zamienioną na ciepło:

- w łuku elektrycznym (spawanie elektryczne rę czne, łukiem krytym, w osłonie gazów),

- podczas przepływu prą du przez warstwę płynnego żużla (spawanie elektrożużlowe),

- podczas przepływu prą du przez opór w miejscu styku łą czonych elementów

(zgrzewanie elektryczne oporowe),

- przez wykorzystanie energii kinetycznej wią zki elektronów w próżni (spawanie

elektronowe)3. Energię mechaniczną (zgrzewanie zgniotowe, ultradźwię kowe, tarciowe, wybuchowe).

4. Energię światła spójnego (spawanie laserowe).

5. Energię cieplną reakcji chemicznej spalania sproszkowanego aluminium wchodzą cego

w skład mieszaniny aluminotermicznej (termitu) − spawanie i zgrzewanie termitowe.

Spawanie elektryczne klasyfikuje się na poszczególne metody w zależności od sposobuosłony jeziorka spawalniczego przed szkodliwym działaniem gazów atmosfery (rys.10.2).



3

Rys. 2. Klasyfikacja metod spawania łukowego.

Osłonę tę zapewniają :• spalają ca się i topią ca otulina elektrody (spawanie elektryczne rę czne),

• warstwa płynnego żużla powstałego z topnika (spawanie łukiem krytym i spawanie

elektrożużlowe),

•

gazy oboję tne, w których atmosferze jarzy się łuk (spawanie w osłonie argonu),• inne gazy jak CO2 wodór (spawanie w osłonie CO2 spawanie atomowe) • próżnia (spawanie elektronowe).

Metody spawania elektrycznego

Spawanie ręczne elektrodą otuloną

Zasada procesu spawania elektrodą otuloną pokazana jest na rysunku 3. Ciepło

wytworzone w łuku elektrycznym powoduje stopienie elektrody i nadtopienie łą czonychbrzegów. Metal z elektrody stopiony z metalem części spawanych po zakrzepnię ciu

tworzy spoinę . Otulina topi się jednocześnie z rdzeniem, odgrywają c bardzo poważną rolę w fizycznych i metalurgicznych procesach wystę pują cych podczas spawania. Z otuliny



4

powstaje żużel, który pokrywa metal spoiny w czasie jego krzepnię cia i osłania go przed

szkodliwym działaniem atmosfery. Wydzielają ce się gazy stanowią osłonę dla kropli

metalu przelatują cych przez łuk. Podstawową rolę utworzonego żużla jest ponadto

wprowadzenie odtleniaczy oraz składników stopowych. W skład otuliny wchodzą tak że

składniki ułatwiają ce jonizację przestrzeni gazowej co stabilizuje jarzenie się łuku

elektrycznego.

Podstawowymi parametrami metody są : średnica elektrody, natężenie prą du spawania,

oraz prę dkość przesuwania łuku wzdłuż spoiny.

Rys. 3. Schemat przedstawiają cy proces spawania rę cznego elektrodą otuloną .

Spawanie elektrodą leżącą

Schemat metody przedstawiony jest na rysunku 10.4. Styk spawanych brzegów jest

zamocowany w sztywnym oprzyrzą dowaniu, którego zasadnicze części stanowią nakładkai podkładka z miedzi. W nakładce wykonany jest podłużny rowek na elektrodę . Wymiary

rowka są dostosowane do średnicy elektrody wraz z otuliną . Podkładka jest wyposażona

w niewielki podłużny rowek, zadaniem którego jest uformowanie grani spoiny. Wmomencie złożenia w oprzyrzą dowaniu części spawanych i elektrody rdzeń elektrody, do

którego dołą cza się odpowiednim uchwytem jeden z biegunów obwodu spawania, jest

odizolowany otuliną od spawanego materiału. Dla zajarzenia łuku trzeba doprowadzić do

chwilowego zwarcia rdzenia elektrody z materiałem spawanym, np. przez zetknię cie

kawałkiem grafitu. Zajarzony łuk elektryczny stapia stopniowo elektrodę i spawanymateriał w miejscu styku tworzą c spoinę . Ponieważ spawanie odbywa się mię dzy

podkładk ą i nakładk ą miedzianą łuk jest z zewną trz niewidoczny.



5

Rys. 4. Schemat przedstawiają cy metodę spawania elektrodą leżą cą : 1 – nakładka

miedziana, 2 – elektroda, 3 – podkładka miedziana.

Spawanie łukiem krytym

Schemat spawania automatycznego łukiem krytym przedstawiono na rysunku 5. Elektrodą jest goły drut w postaci krę gu nawinię tego w kasecie lub na bę bnie, sk ą d mechanicznie

jest on wycią gany i podawany w kierunku spawanego materiału. Łuk elektryczny, jarzą cy

się mię dzy końcem elektrody (drutu) a spawanym materiałem jest niewidoczny, gdyż

zakryty jest warstwą sypkiego topnika, dostarczanego ze zbiornika umieszczonego na

urzą dzeniu spawają cym. Mechanizm podawania drutu elektrodowego, kaseta z drutem

elektrodowym, zbiornik topnika oraz przyrzą dy pomiarowe i niektóre elementy sterowania

są umieszczone na wózku napę dzanym silnikiem elektrycznym. Spawanie łukiem krytym

zalicza się do automatycznych metod spawania, gdy zautomatyzowane jest zarównopodawanie elektrody jak i posuw urzą dzenia spawalniczego wzdłuż spoiny. W przypadku

gdy zautomatyzowane jest tylko podawanie drutu a przesuw głowicy spawalniczej odbywa

się rę cznie mamy do czynienia ze spawaniem półautomatycznym łukiem krytym. Spoina

powstaje ze stopionego drutu elektrodowego i głę boko nadtopionego materiału rodzimego.

W procesie spawania pewna ilość topnika ulega stopieniu tworzą c żużel pokrywają cy

spoinę . Nadmiar topnika, który nie uległ stopieniu, zbierany jest z powrotem do zbiornika.

Rys. 5. Schemat przedstawiają cy metodę spawania automatycznego łukiem krytym: 1 –drut elektrodowy; 2 – napę d posuwu elektrody; 3 – łuk; 4 – spoina; 5 – ciekły żużel; 6 –żużel zakrzepły; 7 – zbiornik topnika, 8 – odcią g nadmiaru topnika; 9 – styki prą dowe.



6

Odmianą metody jest spawanie wieloelektrodowe. Dwa lub trzy druty elektrodowe są stapiane każdy swoim łukiem we wspólnym jeziorku metalu i żużla (rys.6) lub w

oddzielnych jeziorkach. W tym ostatnim przypadku nastę pny łuk musi stopić wówczas

żużel powstały na poprzednim ściegu spoiny. Wymaga to użycia topnika o odpowiednich

własnościach.

Rys. 6. Schemat jednostronnego dwuelektrodowego spawania łukiem krytym z użyciem

proszku wypełniają cego: 1 – doprowadzenie topnika; 2 – elektroda przednia; 3 –

elektroda tylna; 4 – topnik; 5 – płynny żużel; 6 proszek metalowy wypełniają cy rowek; 7

– stopiony metal, 8 – podkładka; 9 – spoina; 10 – łuk przedni; 11 – łuk tylny; 12 –zakrzepnię ta spoina; 13 – spawane elementy.

Spawanie łukowe w osłonie gazowej elektrodą topliwą

Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonach gazowych (GMA, MIG/MAG) jest

obecnie najpowszechniej stosowanym procesem wytwarzania konstrukcji spawanych.

Skrót GMA (Gas Metal Arc) obowią zuje głównie w USA i coraz powszechnie, stosowany

w krajach europejskich obejmuje w swym opisie wszystkie rodzaje gazów ochronnych.

Skrót MIG (Metal Inert Gas) obowią zuje w krajach europejskich, dotyczy tylko osłongazowych oboję tnych (argon, hel), a z kolei skrót MAG (Metal Active Gas) tylkoaktywnych gazów ochronnych (CO2, mieszanki CO2 z gazami oboję tnymi). Bardzo czę sto

stosowane jest wówczas połą czenie skrótów MIG/MAG.

Elektrodą jest drut pełny lub drut proszkowy nawinię ty na szpulę . Ze szpuli

elektroda jest odwijana mechanicznie i podawana do uchwytu elektrodowego (rys. 7), w

którym jest zasilana energią elektryczną . Jarzą cy się łuk stapia wysuwaną elektrodę oraz

nadtapia brzegi spawanego przedmiotu, przy czym jeziorko spawalnicze jest osłonię testrumieniem gazu ochronnego aż do momentu jego zakrzepnię cia. Jako gaz osłaniają cy

łuk i płynny metal powstają cej spoiny bywa używany argon, hel, dwutlenek wę gla orazmieszaniny tych gazów z domieszk ą tlenu.



7

Przy spawaniu w osłonie gazów w przestrzeni łuku nie wystę pują substancje łatwo

jonizują ce się , a zatem łuk jarzy się mniej spokojnie a nierównomierny przepływ kropli

metalu powoduje ich znaczny rozprysk.

Rys. 7. Schemat przedstawiają cy metodę spawania elektrodą topniwą w osłonie gazowej:

1 – łuk elektryczny; 2 – prowadnica drutu elektrodowego; 3 – dysza gazowa; 4 – osłona

gazowa łuku; 5 – drut elektrody; 6 – spoina; 7 – doprowadzenie prą du; 8 – dopływ gazu.

Spawanie łukiem nieosłoniętym

Spawanie cią głą elektrodą metalową bez zewnę trznej osłony metalurgicznej (rys. 8),

a wię c w warunkach bezpośredniego kontaktu płynnego metalu jeziorka spawalniczego z

powietrzem, jest możliwe w warunkach gdy:

1) sama elektroda wytwarza osłonę metalurgiczną gazową lub żużlową ,2) metal stopiwa zawiera energicznie działają ce odtleniacze i dodatki wiążą ce azot w

nieszkodliwe azotki (np. cyrkon).W pierwszym przypadku musi być stosowany drut proszkowy, zawierają cy w

metalowej powłoce obok proszku metalowego również składniki wytwarzają ce osłonę metalurgiczną , w drugim zarówno drut proszkowy, jak i drut pełny. Metoda ta znana jest

również pod nazwą spawania drutem samoosłaniającym. Przykłady przekroi

poprzecznych różnych drutów proszkowych pokazano na rys. 9.



8

Rys. 8. Schemat przedstawiają cy metodę spawania łukiem nieosłonię tym: 1 – łuk

elektryczny; 2 – drut elektrodowy; 3 – prowadnik drutu; 4 – przewód prą dowy; 5 –

jeziorko płynnego metalu; 6 – spoina; 7 – materiał spawany.

Rys. 9. Typowe przekroje poprzeczne drutów rdzeniowych (proszkowych): 1 – rurka

metalowa; 2 – złą cze (zgrzeina); 3 – wypełnienie proszkowe.

Spawanie (zgrzewanie) łukiem wirującym

Źródłem ciepła stapiają cym brzegi łą czonego metalu jest łuk elektryczny jarzą cy się mię dzy miedzianą elektrodą nietopliwą (chłodzoną wodą ) a łą czonymi brzegami

spawanego elementu (rys. 10). Łuk ten o długości około 2 mm wiruje w szczelinie mię dzy

łą czonymi brzegami i elektrodą pod wpływem wypadkowego pola elektromagnetycznego

wytworzonego przez cewk ę nawinię tą wokół elektrody i przez sam łuk elektryczny.

Elektrodę łą czy się do bieguna dodatniego a łuk zajarza się bezstykowo przy użyciu

jonizatora. Łuk obiegają c szybko styk łą czonych brzegów stapia je. Spawanie odbywa się wię c bez dodatku spoiwa. Płynny metal w razie potrzeby może być chroniony

strumieniem gazu oboję tnego. Natężenie prą du zasilają cego łuk elektryczny w zależnościod grubości łą czonych elementów wynosi 100÷1000 A a czas spawania 0,3÷6 s. Metoda ta

nadaje się przede wszystkim do łą czenia elementów cienkościennych o profilu

zamknię tym np. rur o średnicy do 150 mm i grubości ścianki do 2 mm.



9

Najkorzystniejszym kształtem złą cza są spoiny brzeżne, których usytuowanie pokazano

na rys. 11. W przypadku gdy w czasie łą czenia stosowany jest docisk jednego elementu do

drugiego a łuk wykorzystuje się tylko do nagrzania krawę dzi proces nazywamy

zgrzewaniem łukiem wirującym.

Rys. 10. Schemat przedstawiają cy metodę spawania łukiem wirują cym: 1 – spawanyprzedmiot; 2 – nietopliwa elektroda miedziana chłodzona wodą ; 3 – cewka

elektromagnetyczna; 4 – łuk wirują cy.

Rys. 11. Optymalne kształty połą czeń do spawania łukiem wirują cym.

Spawanie łukowe elektrodą nietopliwą

Spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonach gazowych opisywane skrótem

TIG (Tungsten Intert Gas) lub w USA GTA (Gas Tungsten Arc) jest jednym z

podstawowych procesów wytwarzania konstrukcji ze stali wysokostopowych, stali

specjalnych, stopów niklu, aluminium, magnezu tytanu i innych metali reaktywnych.

Spawanie GTA może być prowadzone prą dem stałym lub przemiennym, rę cznie,

półautomatycznie lub automatycznie. Schemat metody spawania przedstawiony jest na

rysunku 12. Łuk elektryczny bę dą cy źródłem ciepła jarzy się mię dzy elektrodą wolframową a spawanym materiałem. Spoina powstaje ze stopionego w łuku

dodatkowego prę ta spoiwa i nadtopionych brzegów spawanego materiału. Jeziorkopłynnego metalu chronione jest od dostę pu powietrza strumieniem gazu ochronnego

(argonu) wypływają cego z dyszy, w której współśrodkowo osadzona jest elektroda

wolframowa.



10

Rys. 12. Schemat przedstawiają cy metodę spawania elektrodą nietopliwą : 1 – elektroda

wolframowa; 2 – łuk elektryczny; 3 – spoiwo; 4 – osłona gazu oboję tnego; 5 – palnik

łukowy; 6 – spoina; 7 – materiał spawany.

Spawanie atomowe

Źródłem ciepła jest łuk elektryczny jarzą cy się mię dzy dwiema elektrodamiwolframowymi w osłonie wodoru wypływają cego z dysz, w których osadzone są elektrody (rys. 13). Wodór przepływają c przez łuk i otaczają cy jeziorko płynnego metalu

spełnia rolę :- osłony chronią cej płynny metal spoiny przed dostę pem powietrza,

-

osłony chronią cej elektrody wolframowe przed utlenianiem pod wpływem ciepła łukuelektrycznego.

W temperaturze łuku czą steczki wodoru ulegają dysocjacji na pojedyncze atomy wodoru

zgodnie z równaniem

H2 →2H - 443,8 kJ/cm3.

Po spotkaniu się atomów wodoru z chłodniejszym materiałem spawanym nastę puje

odwrotna reakcja łą czenia się atomów wodoru w czą steczki z oddaniem ciepła pobranego

w łuku elektrycznym, stą d metoda nosi nazwę spawania atomowego. Jak przy wszystkich

metodach spawania elektrodami nietopliwymi spoina powstaje z dodatkowego spoiwastapianego w łuku oraz z nadtopionych krawę dzi materiałów łą czonych.



11

Rys. 13. Schemat przedstawiają cy metodę spawania atomowego: 1 – elektrody

wolframowe; 2 – łuk elektryczny; 3 – osłona wodorowa, 4 – przedmiot spawany.

Spawanie elektrolitowe

Spawanie elektrolitowe należy do grupy metod spawania bez osobnej elektrody,

tzn. takich metod, w których same części spawane stanowią elektrody obwodu spawania.

Źródłem ciepła przy spawaniu elektrolitowym jest wyładowanie elektryczne baterii

kondensatorów mię dzy elektrolitem połą czonym z jednym biegunem obwoduelektrycznego a stykiem metalowych części połą czonych z drugim biegunem tego

obwodu. Schemat metody spawania przedstawiony jest na rys. 14. Zetknię cie spawanego

styku z powierzchnią elektrolitu powoduje wytworzenie się łuku. Po przerwaniu

przepływu prą du mię dzy elektrolitem a spawanym stykiem stopiony metal krzepnie

tworzą c spoinę . Przerwanie przepływu prą du można uzyskać wyłą cznikiem lub oddalają cstyk od powierzchni elektrolitu. Niekiedy zamiast elektrolitu stosowana jest rtęć. Tego

typu spawanie stosuje się najczęściej do łą czenia końcówek termoelementów.

Rys. 14. Schemat metody spawania elektrolitowego wraz z układem zasilania: 1 -

spawane końcówki termoelementu; 2 - łuk elektryczny; 3 - elektrolit; 4 - bateria

kondensatorów.



12

SPAWALNICZE ŹRÓDŁA CIEPŁA

Na ogół procesy spawalnicze prowadzone są przy użyciu skupionych źródeł ciepła

powodują cych miejscowe nagrzewanie do temperatury uzależnionej od własności

materiału rodzimego. Temperatura ta w przypadku spawania klasycznego zawsze

przekracza temperaturę topnienia metalu, natomiast w wię kszości przypadków zgrzewania

powinna być na tyle wysoka, aby umożliwić w miejscu łą czenia łatwy przebiegodkształceń plastycznych oraz procesów dyfuzyjnych.

Spawalnicze źródło ciepła oprócz oddziaływania korzystnego może również

wywierać oddziaływanie niekorzystne, dlatego też należy dążyć do tego, ażeby

nieodzowna ilość ciepła została wprowadzona w sposób najbardziej zlokalizowany.

Uzyskuje się wówczas stopienie lub nagrzanie metalu do wymaganej temperatury jedynie

w minimalnie koniecznej obję tości. Unika się przez to nadmiernych strat ciepła a skutki

niezamierzone oddziaływania ciepłego sprawdza się do niezbę dnego minimum.

Jest rzeczą charakterystyczną , że wytwarzana w wię kszości procesów

spawalniczych, energia cieplna wydzielana jest w obszarze spawania, ale na ogół pozaobję tością nagrzewanego ciała. Wiąże się to z koniecznością przekazania wydzielonego

ciepła do spawanego materiału poprzez otaczają cą go atmosferę , a tym samym

spowodowania znacznych jego strat. Stopień wykorzystania ciepła można

scharakteryzować za pomocą współczynnika sprawno ści (ηηηη) bę dą cego stosunkiem

wykorzystanej ilości ciepła Qe do ogólnej ilości ciepła wydzielonego Q

η =Q

Qe

Jedną z części składowych ciepła zużytego określa tak zwany współczynnik sprawno ści

termicznej (ηηηηt).Oznaczają c przez Qm efektywnie wykorzystaną ilość ciepła, która zużyta zostaje na

nagrzanie minimalnie koniecznej obję tości metalu do temperatury spawania, natomiast

całą zużytkowaną ilość ciepła przez Qe, współczynnik sprawności termicznej wyrazić można nastę pują co

ηt =e

m

Q

Q.

Wartość tego współczynnika waha się w szerokich granicach od kilkunastu do 90% i

zależy zarówno od metody jak i warunków spawania. Sprawność spawalniczego źródła

ciepła zależy również od jego temperatury, która winna znacznie przewyższać temperaturę wymaganą do spawania danego metalu. Im temperatura źródła ciepła bę dzie wyższa, tym

proces spawania pod wzglę dem energetycznym bę dzie przebiegał sprawniej.

Biorą c dodatkowo pod uwagę konieczność kompensacji tej części ciepła, która

odprowadzana zostaje wskutek przewodnictwa cieplnego spawanego metalu, źródło ciepła

winno ponadto charakteryzować się dostatecznie dużą mocą cieplną oraz skupioną powierzchnią aktywnego przekazywania ciepła.

Spawalniczy łuk elektryczny

Łuk elektryczny jest jednym z zasadniczych spawalniczych źródeł ciepła, przy czym

pod wzglę dem technologicznym może to być łuk jarzą cy się w atmosferze gazowej

(powietrze, gazy oboję tne, dwutlenek wę gla) zwany łukiem otwartym lub też łuk jarzą cy



13

się pod warstwą topnika spawalniczego, zwany łukiem krytym. Łuk elektryczny jest

formą zamiany energii elektrycznej w energię cieplną i przedstawia sobą jedną z trwałych

form rozładowania elektrycznego przez przestrzeń gazową . Aby łuk elektryczny mógł się zajarzyć mię dzy elektrodą a materiałem spawanym, przestrzeń gazowa mię dzy nim musi

być zjonizowana. W normalnych warunkach powietrze nie przewodzi prą du elektrycznego

i jest izolatorem. Natomiast powietrze zjonizowane przewodzi dobrze prą d elektryczny i

pozwala na utrzymanie łuku elektrycznego. Jonizacja powietrza w przestrzeni łukowej

nastę puje głównie dzię ki obecności elektrody składników jonizują cych, tj. zwią zków

wapna, sodu, potasu, tytanu oraz pod działaniem wysokiej temperatury.Jeżeli w przypadku prą du stałego elektroda zostanie połą czona z biegunem

dodatnim, czyli anodą (tzw. biegunowość dodatnia), a materiał z biegunem ujemnym,

czyli katodą , to w czasie potarcia lub dotknię cia powierzchni metalu koniec elektrody nie

styka się z materiałem całą powierzchnią , lecz tylko poszczególnymi punktami, przez

które przepływa prą d o dużym natężeniu, powodują c grzanie się metalu. Przy odsunię ciu

elektrody od materiału powietrze mię dzy elektrodą i materiałem zostanie silnie nagrzane.

Czą stki gazów z powietrza i czą stki gazów wydzielają cych się z otuliny rozpadają się naelektrycznie naładowane jony. Jony ujemne płyną od bieguna ujemnego (katody) do

bieguna dodatniego (anody). Jony dodatnie odbywają tę drogę w odwrotnym kierunku,

zgodnie z zasadą , że ładunki o znakach przeciwnych przycią gają się . Jony bę dą ce w

cią głym ruchu przenoszą ładunki elektryczne i powodują przepływ prą du elektrycznego w

postaci jarzenia łuku mię dzy elektrodą a materiałem spawanym lub mię dzy dwoma

elektrodami. Słup gazu mię dzy elektrodą a materiałem jest wtedy zjonizowany. Jarzą cy się łuk wydziela bardzo dużo skoncentrowanego ciepła, dzię ki czemu powoduje szybkie

topienie się metalu.

Rozkład temperatury w łuku jest nierównomierny. Przy spawaniu prą dem stałym elektrodą nietopliwą i podłą czeniu bieguna dodatniego do elektrody, znacznie wię cej ciepła

wydziela się na elektrodzie nietopliwej (anodzie) niż na przedmiocie spawanym (rys. 15).

Jest to zwią zane z oporowym nagrzewaniem się elektrody oraz bombardowaniem silnym

strumieniem elektronów emitowanych z powierzchni jeziorka spoiny.

Rys. 15. Rozkład energii cieplnej w łuku w funkcji rodzaju prą du, jego biegunowości irodzaju materiału elektrody: AC - prą d przemienny; DC (+) - prą d stały, biegunowość

dodatnia; DC (-) prą d stały, biegunowość ujemna; e – elektrony.



14

Równocześnie nie wystę puje zjawisko schładzania końcówki elektrody przez

warstwę elektronów, jak to ma miejsce przy biegunowości ujemnej. W celu uniknię cia

szybkiego zużycia elektrody nietopliwej konieczne jest obniżenie natężenia prą du i

zwię kszenie średnicy elektrody. Spawaniu prą dem stałym z biegunowością dodatnią ,towarzyszy natomiast bardzo użyteczne zjawisko zwane czyszczeniem katodowym.

Zjawisko czyszczenia (rozpraszania) katodowego polega na usuwaniu z powierzchni

spawanego przedmiotu warstewki trudno topliwych tlenków w wyniku bombardowania i

kruszenia jej ciężkimi jonami gazu osłonowego, a równocześnie rozpylaniu rozbitych

kawałków w efekcie silnej emisji elektronów z powierzchni tlenków. Zjawisko towykorzystywane jest przy spawaniu aluminium i magnezu, których powierzchnia pokryta

jest warstwą trudno topliwych tlenków. Czyszczenie katodowe wykorzystywane jest

również przy spawaniu stali odpornych na korozję , na powierzchni których wystę puje

zwarta warstewka tlenków chromu. Zjawisko czyszczenia katodowego jest

najefektywniejsze przy spawaniu w osłonie argonu, natomiast hel jest zbyt lekki, by

zapewnić efektywne czyszczenie. Pośrednie efekty czyszczenia katodowego uzyskać

można przy spawaniu prą dem przemiennym.Rozkład energii cieplnej w łuku jest odmienny, gdy w miejsce elektrody nietopliwej

zastosuje się elektrodę topliwą ze stali, miedzi lub aluminium (rys. 15). Zdolność

emitowania elektronów z powierzchni takiej zimnej katody jest raczej niska, gdyż

temperatura topnienia wię kszości materiałów dodatkowych nie przekracza 1500°C

natomiast wolframu wynosi 3410°C. Elektrony emitowane są z szybko przemieszczają cej

się po powierzchni końcówki stapianej elektrody bardzo małej plamki katodowej. Jeżeli

wię c elektroda topliwa jest katodą (−), około 70% ciepła wydala się na elektrodzie i

elektroda stapia się z dużą prę dkością . Wynika to z faktu, że powierzchnia plamki

katodowej na elektrodzie topliwej jest znacznie mniejsza niż plamki anodowej naspawanym przedmiocie i bombardowanie małej powierzchni plamki katodowej ciężkimi

jonami gazu plazmowego i jonami par metali zapewnia wydzielenie się tam dużo wię kszej

ilości ciepła niż na anodzie. Powoduje to szybkie stapianie elektrody. Gdy elektroda

topliwa podłą czona jest do bieguna dodatniego źródła prą du stałego, wię kszość ciepła łukuwydzielona jest na spawanym przedmiocie, zapewniają c duże głę bokości przetopienia

spawanego materiału.

W łuku elektrycznym wytworzonym przez prą d stały najwyższa temperatura panuje

w części środkowej i wynosi około 4000°C w łuku jarzą cym się w argonie mię dzy

elektrodami wolframowymi. W miarę zbliżenia się do biegunów temperatura obniża się .W pobliżu anody (+) panuje temperatura 2900÷3800°C, natomiast w pobliżu katody (−)

jest nieco niższa i wynosi 2000÷3300°C. Przy spawaniu prą dem przemiennym rozkład

temperatur na obu biegunach jest jednakowy i wynosi ok. 2300÷2500°C.

Nie całe ciepło wytworzone w łuku zostaje zużyte na stopienie metalu; pewna jego

część zostaje wypromieniowana, część topi żużel i nagrzewa metal w strefie spoiny. Ilość

ciepła praktycznie wykorzystywana przy spawaniu jest zależna od metody spawania.

Przykładowo, w przypadku gdy spawamy łukiem niezależnym (łuk jarzy się mię dzy

dwoma elektrodami, a nie mię dzy elektrodą a przedmiotem spawanym) w atmosferze

powietrza, efektywne wykorzystanie ciepła łuku nie przekracza 15%. Natomiastwykonanie tego samego procesu w atmosferze wodoru spowoduje znaczne poprawienie

sprawności. Również włą czenie spawanego przedmiotu w obwód prą du spawalniczego

(spawanie łukiem zależnym) polepsza sprawność.



15

Efektywną moc cieplną łuku spawalniczego można określić z zależności

]W[IUk q ei ⋅⋅⋅η= ,

gdzie:

U - napię cie łuku [V],

I - natężenie prą du łuku [A],

k e - współczynnik charakteryzują cy wpływ niesinusoidalności krzywychnapię cia i natężenia prą du na moc łuku (przy prą dzie stałym k e=1, przy

przemiennym k e = 0,7÷0,97),

ηi - współczynnik sprawności procesu nagrzewania; jest on zależny od

metody spawania i mieści się w nastę pują cych granicach:

- spawanie elektrodami stalowymi ηi = 0,70÷0,85,

- spawanie łukiem krytym ηi = 0,80÷0,95,

- spawanie metodą MIG ηi = 0,45÷0,65,

-

spawanie metodą TIG ηi = 0,45÷0,60.Wielkością łą czą cą ze sobą podstawowe parametry spawania łukowego, czyli natężenie

prą du spawania, napię cie łuku i prę dkość spawania jest energia liniowa łuku

ies k v

IUE

η⋅⋅

⋅= [J/m],

gdzie:

I - natężenie prą du spawania [A],

U - napię cie łuku [V],vs - prę dkość spawania [m/s].

Źródłami prą du stosowanymi do spawania są spawarki. Są one przystosowane do

zjawisk towarzyszą cych zajarzeniu łuku, stabilnemu jarzeniu i zwarciu oraz zapewniają możliwość regulacji parametrów spawania. Spawarki jako źródło zasilania łuku możnapodzielić na:

- spawarki prą du stałego

- spawarki prą du przemiennego

Spawarki prądu stałego są to przetwornice spawalnicze lub prostowniki

spawalnicze.

Przetwornica spawalnicza prą du stałego (rys. 16) zwana też spawark ą wirują cą składa się z prą dnicy prą du stałego, zasilają cej obwód spawania oraz silnika elektrycznego

napę dzają cego tę prą dnicę . Prostowniki spawalnicze albo inaczej spawarki prostownikowe (rys.17) są urzą dzeniami

przetwarzają cymi prą d przemienny pobierany z sieci, na prą d stały pulsują cy, który zasila

obwód spawania. Składają się one z transformatora, który przekształca prą d przemienny

o wysokim napię ciu na prą d przemienny o niskim napię ciu oraz prostownika (typu

suchego), w którym nastę puje wyprostowanie prą du.



16

Rys. 16. Schemat przetwornicy spawalniczej: 1 − wał; 2 − łożyska; 3 − wirnik silnika; 4 −

wirnik wentylatora; 5 − twornik prą dnicy; 6 − bieguny elektromagnesów; 7 − komutator;

8 − szczotki wę glowe.

Rys. 17. Schemat prostownika spawalniczego z regulacją transduktorową : 1 − uzwojenie

pierwotne transformatora; 2 − uzwojenie wtórne transformatora; 3 − uzwojenie obwodu

wtórnego transduktora; 4 − uzwojenie prą du stałego podmagnesowują cego trans-duktor; 5

− opornik regulują cy natężenie prą du; 6 − prostownik.



17

Spawarki prądu przemiennego, są transformatorami spawalniczymi najczęściej

jednofazowymi (rys. 18). Przekształcają one prą d przemienny o wysokim napię ciu i

niskim natężeniu, pobierany z sieci, na prą d przemienny o niskim napię ciu i wysokim

natężeniu, który zasila obwód spawania. Odbywa się to za pośrednictwem obwodu

pierwotnego o dużej liczbie uzwojeń i obwodu wtórnego o małej liczbie uzwojeń.

Rys. 18. Transformator spawalniczy z ruchomym bocznikiem: a) − schemat

transformatora; b) − bocznik magnetyczny w położeniu pionowym (najsłabszy strumień);

c) − bocznik magnetyczny w położeniu pod k ą tek (strumień najsilniejszy); 1 − uzwojenie

pierwotne; 2 − uzwojenie wtórne; 3 − bocznik magnetyczny; 4 − rdzeń transformatora.

Płomień acetylenowo-tlenowy

Najczęściej stosowanym źródłem przy spawaniu gazowym jest płomień acetylenowtlenowy, bę dą cy formą zamiany energii chemicznej w cieplną w wyniku

spalania acetylenu w atmosferze tlenu. Z reakcji:

C2H2 + O2 = 2CO + H2 + Q

wynika, że dla spalenia jednostki obję tości acetylenu na CO i H2 należy teoretycznie

dostarczyć jedną jednostk ę obję tości tlenu. Płomień powstały z takiej mieszanki nosi

nazwę oboję tnego. Z uwagi na zanieczyszczenie tlenu technicznego azotem i para wodną ,praktycznie płomień oboję tny uzyskuje się dopiero przy nieznacznym naddatku tlenu w

ilości 10÷20%. Charakter płomienia acetylenowo-tlenowego można wyrazić współczynnikiem wzglę dnego zużycia gazów:



18

22

2

HC

O

V

Va =

Praktycznie płomień oboję tny charakteryzuje współczynnik a=1,1÷1,2, płomień

nawę glają cy a<1,1, oraz płomień utleniają cy a>1,3.

Proces spalania acetylenu odbywa się w dwóch etapach. W pierwszej fazie spalania,

tzw. spalaniu wstę pnym, wę giel po dysocjacji acetylenu łą czy się z tlenem tworzą c tlenekwę gla, a wodór pozostaje nie spalony i częściowo rozkłada się na wodór atomowy:

C2H2 + O2 = 2CO + H2 + 445,9 kJ

H2 = 2H – 427,1 kJ

Powstają wię c gazy o silnym działaniu redukcyjnym (CO około 60%, H2 około 20%, H

około 20%). W drugim etapie spalania tlenek wę gla i wodór spalają się na CO2 i H2O

(gazy utleniają ce) kosztem tlenu z powietrza:

2CO + O2 +3,78 N2 = 2CO2 +3,78 N2 +569,4 kJ,

2H2 + O2 +3,78 N2 = 2H2O +3,78 N2 +485,7 kJ

(wskaźnik 3,78 jest określony stosunkiem azotu do tlenu w powietrzu).W płomieniu acetylenowo-tlenowym rozróżnia się trzy zasadnicze strefy (rys. 19).

1. Strefa I zwana ją drem płomienia ograniczona jest ostro zarysowanym jasno świecą cym

stożkiem, na powierzchni którego odbywa się wstę pne spalanie mieszanki

acetylenowo-tlenowej dostarczanej z palnika. Na zewną trz wierzchołka ją dra, tuż za

stref ą wstę pnego spalania panuje najwyższa temperatura dochodzą ca do 3000°C.2. Strefa II − redukują ca, na zewnę trznej powierzchni tej strefy gazy łą czą się z tlenem

z powietrza przenikają cym do płomienia.

3. Strefa III − kita powstała w wyniku spalania się gazów strefy redukcyjnej. Skład gazów

kity płomienia stanowią : dwutlenek wę gla, para wodna, tlen i azot. Jest to wię c strefa

utleniają ca i ma kolor lekko różowy, podczas gdy strefa redukują ca jest koloru

niebieskiego.

Z powyższych rozważań wynika, że regulują c ilości dopływają cych gazów

zmieniamy charakter płomienia acetylenowo-tlenowego, a zatem możemy zmieniać skład

chemiczny, czyli wywierać wpływ na przebieg procesów metalurgicznych w jeziorkuspawalniczym.



19

Rys. 19. Schemat płomienia acetylenowo-tlenowego wraz z rozkładem temperatur: 1 − płomień utleniają cy; 2 − płomień oboję tny; 3 − płomień nawę glają cy.

Spawanie elektrożużlowe

W procesie spawania elektrożużlowego znaczne ilości ciepła uzyskuje się w wyniku

przepływu prą du elektrycznego przez przewodnik bę dą cy w stanie płynnym, którym może

być roztopiona warstwa żużla spawalniczego (żużel w stanie stałym nie przewodzi prą du).

Całkowita oporność na drodze prą du elektrycznego, przepływają cego przez roztopiony

żużel przy spawaniu elektrożużlowym, jest proporcjonalna do głę bokości k ą pieli żużloweji odwrotnie proporcjonalna do temperatury tej k ą pieli oraz głę bokości zanurzenia w niejdrutu elektrodowego.

Zakładają c, że cała energia elektryczna zamienia się w energię cieplną , moc cieplną takiego źródła można wyrazić zależnością

q = I2R [W],

gdzie:

I − natężenie prą du elektrycznego [A],R − opór stawiany prą dowi przez płynny żużel [Ω].



20

Schemat procesu spawania elektrożużlowego oraz rozkładu wytworzonego ciepła

wraz ze sposobem tworzenia się wanny żużlowej i jeziorka spawalniczego pokazano na

rysunkach 20 i 21.

Rys. 20. Schemat procesu spawania elektrożużlowego.

Rys. 21. Schemat tworzenia się połą czenia spawanego oraz rozchodzenia się ciepła przy

spawaniu elektrożużlowym: 1 − materiał spawany; 2 − drut elektrodowy; 3 − warstwatopnika; 4 − jeziorko żużlowe; 5 − jeziorko ciekłego metalu; 6 − spoina; 7 − nakładki

miedziane formują ce spoinę (chłodzone wodą ).



21

Jak wynika powyższych schematów wanna żużlowa i jeziorko spawalnicze są utrzymywane w obję tości wytworzonej przez spawane elementy i odstę p mię dzystykowy,

który jest uszczelniony przez dwie nakładki miedziane chłodzone wodą .

Spawanie elektrożużlowe polega na tworzeniu złą cza w jednym przejściu w pozycji

pionowej przez stapianie materiału dodatkowego i brzegów przedmiotów spawanych

ciepłem k ą pieli żużlowej nagrzewanej oporowo. Proces spawania rozpoczyna się podobnie

jak spawanie łukiem krytym przez zajarzenie łuku elektrycznego pod warstwą topnikamiedzy elektrodą metalową a płytka dobiegową (rys. 22).

Rys. 22. Schemat rozpoczynania procesu spawania elektrożużlowego elektrodą w postaci

drutu: 1 − przedmioty spawane; 2 − drut elektrodowy; 3 − topnik; 4 − ciekły topnik; 5 −

łuk spawalniczy; 6 − jeziorko spawalnicze; 7 − płytka dobiegowa; S − szerokość rowka(odstę p mię dzystykowy).

Stapiają ca się elektroda tworzy jeziorko spawalnicze o coraz wię kszej obję tości a

jednocześnie zwię ksza się obję tość k ą pieli żużlowej i wzrasta jej temperatura. Jeżelimateriał elektrody ulegnie stopieniu już w czasie przechodzenia przez warstwę k ą pieli

żużlowej nastę puje samoistne wygaszenie łuku. Nagrzewana oporowo k ą piel żużlowa

stanowią ca elektrolit o wysokiej oporności właściwej osią ga temperaturę rzę du

1800÷2000oC. Proces topienia materiału rodzimego oraz drutu elektrodowego odbywa się

kosztem ciepła wydzielają cego się z wanny żużlowej. Dzię ki stałemu podawaniu drutuelektrodowego oraz przemieszczaniu się w pozycji pionowej nakładek formują cych lico i

grań spoiny, w wyniku krystalizacji tworzy się złą cze spawane. Rysunek 23 przedstawia

przykładowe stanowisko służą ce do spawania elektrożużlowego.



22

Rys. 23. Przykładowe stanowisko służą ce do spawania elektrożużlowego (tuż powyłą czeniu zasilania).

Znaczna część wydzielonego ciepła zostaje zużytkowana na ogrzewanie spawanychelementów poza obszarem jeziorka spawalniczego, na ogrzanie i roztopienie topnika oraz

na pokrycie strat ciepła powodowanych intensywnym chłodzeniem nakładek formują cych.

Część ciepła traci się również drogą promieniowania powierzchni żużla.

Przy spawaniu elektrożużlowym proces topienia elektrody odbywa się nie tylko na

powierzchni czołowej ale i na powierzchniach bocznych. Pomię dzy kroplami metalu

przepływają cymi przez warstwę płynnego żużla a żużlem zachodzą reakcjemetalurgiczne. Skład chemiczny spoiny zależy wię c od składu chemicznego drutu

elektrodowego, materiału spawanego i charakteru reakcji metalurgicznych. Spawanieelektrożużlowe zasadniczo nie różni się wię c od znanej w metalurgii rafinacji

elektrożużlowej.

Zaletą procesu spawania elektrożużlowego jest:

- duża wydajność,

- duża ekonomiczność, − zużywa się około 15÷20% energii mniej niż przy spawaniu

łukowym pod topnikiem przy tej samej masie stopionego metalu,

- mała wrażliwość na przygotowanie krawę dzi,

-

niski koszt materiałów spawalniczych,

- bardzo duża czystość spoin i brak wad w postaci zażużlenia,- możliwość spawania bez podgrzewania (nawet materiałów trudnospawalnych),

Podstawową wadą spawania elektrożużlowego jest niska plastyczność złą cza.

Wskutek długiego przebywania w wysokiej temperaturze i powolnego stygnię cia zarówno

spoina (która jest w zasadzie małym odlewem) jak i strefa wpływu ciepła są gruboziarniste. W celu rozdrobnienia ziarna i podwyższenia własności plastycznych

wymagane jest z reguły normalizowanie.



23

Spawanie i zgrzewanie aluminotermiczne (termitowe)

Przy spawaniu i zgrzewaniu termitowym źródłem ciepła jest reakcja chemiczna,

która do złą cza dostarcza nie tylko ciepło ale i spoiwo.

Termit jest to mieszanina tlenku żelaza (Fe3O4) i aluminium (Al.) w stosunku

wagowym 78:22. Termit wsypuje się do tygla wyłożonego materiałem ogniotrwałym i

zapala. W cią gu kilkunastu sekund nastę puje egzotermiczna reakcja

3Fe3O4 + 8Al = 4Al2O3 + 9Fe + Q

w której aluminium łą czy się z tlenem z tlenku żelaza. W efekcie otrzymuje się ciekłe

żelazo nagrzane do temperatury około 2500°C pokryta warstwą tlenków aluminium

(Al2O3).

Rys. 24. Schemat spawania termitowego szyn: 1 − termit; 2 − zatyczka tygla; 3 − ciekły

tlenek aluminium; 4 − ciekłe żelazo; 5 − forma odlewnicza; 6 − spoina; 7 − kanał służą cy

do suszenia formy.

Spawanie termitowe stosuje się do łą czenia szyn (rys. 24) oraz elementów

stalowych lanych lub kutych o dużych przekrojach, oraz do łą czenia grubych prę tów do

zbrojenia betonu (rys. 25). Łą czone końce elementów muszą być odpowiednio uję te w

formę odlewniczą . Mię dzy płaszczyznami czołowymi należy pozostawić szczelinę , abyciekłe żelazo mogło ją wypełnić. Strumień przegrzanego żelaza spływają cy z tygla do

formy nadtapia ścianki łą czonych części co daje dobre połą czenie z metalem rodzimym.

W przypadku zgrzewania termitowego jeden z elementów jest ruchomy. Zalanyw szczelinę ciekły metal służy jedynie do nagrzania łą czonych powierzchni do wysokiej

temperatury. Dociśnię cie ruchomego elementu powoduje usunię cie zalanego do szczeliny

ciekłego metalu i otrzymanie zgrzeiny. Zgrzeina taka, w przeciwieństwie do spoiny

termitowej, nie zawiera mię kkiego materiału stopiwa, które jest praktycznie czystym

żelazem. Własności na przekroju złą cza zgrzewanego są zatem bardziej jednorodne niż

złą cza spawanego.



24

Rys. 25. Sposób przygotowania do spawania grubych prę tów stalowych w konstrukcjach

żelbetowych.

Zgrzewanie oporowe

Zgrzewanie elektryczne oporowe polega na wykorzystaniu ciepła wydzielanego podczas

przepływu prą du przez łą czone elementy. Zgrzewane części włą czone są w obwód wtórnytransformatora, toteż w czasie przepływu prą du elektrycznego miejsca zetknię cia elektrod z materiałem

oraz łą czone elementy ulegają silnemu miejscowemu nagrzaniu (wskutek oporu stawianego przez nie

prą dowi elektrycznemu). Dla zrealizowania procesu zgrzewania w wię kszości przypadków konieczne jest

równoczesne oddziaływanie temperatury oraz nacisku (sił mechanicznych). Wiadomo, że nagrzewanie

zgrzewanych elementów musi przebiegać w krótkim czasie i w jego wyniku czołowe powierzchnie

łą czonych elementów muszą osią gnąć stan wysokoplastyczny (czasami z nadtopieniem). Wymaga to

przepływu znacznych prą dów. Jest również rzeczą zrozumiałą , że jeżeli pragniemy nagrzać określony

przewodnik nie na całej jego długości, a jedynie lokalnie, to oporność tego obszaru przewodnika musi

być znacznie wyższa. Jeżeli przy zgrzewaniu doczołowym jako przewodnik potraktować oba łą czone

elementy, to dla uzyskania wymaganej ilości ciepła w obszarze złą cza, charakteryzują cego się określoną opornością musi być doprowadzony dostatecznie duży prą d. Tak wię c przy zgrzewaniu jest

wykorzystywane zjawisko Joule′a, polegają ce na zamianie energii prą du elektrycznego płyną cego przez

przewodnik w energię cieplną .Ilość ciepła wydzielają cego się podczas zgrzewania oporowego w jednostce czasu można wyrazić

zależnością

q = I2 ⋅ R,

gdzie: q − moc cieplna w [W],

I − natężenie prą du w [A],

R − oporność całkowita w obszarze zgrzewania w [Ω].

Jak wynika z powyższego wzoru, ilość wydzielonego ciepła jest proporcjonalna do kwadratu

natężenia prą du, zatem natężenie prą du wywiera zasadniczy wpływ na nagrzewanie strefy zgrzeiny.



25

Istotny wpływ na proces nagrzewania wywiera tak że wielkość sumarycznego oporu strefy zgrzeiny R.

Strefa zgrzeiny (rys. 26) stanowi z elektrycznego punktu widzenia kilka oporności połą czonych

szeregowo. Sumaryczna oporność R wyraża się wzorem

R = Rs1 + Rm1 + Rs + Rm2 + Rs2

gdzie: Rm1 i Rm2− oporności łą czonych elementów,

Rs1 i Rs2 − oporności styków tych elementów z elektrodami,

Rs− oporność styku łą czonych elementów.

Rys. 26. Rozkład oporności w strefie zgrzeiny: Rm1, Rm2 − oporności łą czonych

elementów; Rs1, Rs2 − oporności styków tych elementów z elektrodami; Rs − oporność

styku łą czonych elementów.

Jak widać z wykresu na rysunku 26 oporności łą czonych elementów Rm1 i Rm2 są stosunkowo niewielkie. Najwię ksza oporność wystę puje na styku łą czonych elementów,

a oporności styku elementów z elektrodami Rs1 i Rs2 są od niej około 2 razy mniejsze. Tak

wię c najwię ksza ilość ciepła wydzielona bę dzie na styku Rs, a tym samym temperatura wobszarze tego styku bę dzie najwyższa. Tam też nastą pi nadtopienie materiału, a po

wyłą czeniu przepływu prą du uformuje się ją dro zgrzeiny.

Wartość oporności kontaktowej Rs jest zależna również od stosowanych nacisków,powodują cych wyrównanie chropowatości powierzchni łą czonych elementów. Zależność tak ą dla przypadku zgrzewania elementów stalowych podaje rysunek 27. Wynika z niej, że

wpływ siły docisku jest bardzo znaczny, ale jedynie przy obciążeniach do 2000 N. Przy

obciążeniach wyższych jej wpływ znacznie maleje.



26

Rys. 27. Wpływ siły docisku na wielkość oporności kontaktowej w temperaturzeotoczenia.

Duża ilość ciepła wydzielana jest tak że na styku Rs1 i Rs2, toteż, aby zapobiec

nadmiernemu wzrostowi temperatury w obszarze tych styków, elektrody wykonywane są z materiałów łatwo odprowadzają cych ciepło (miedź stopowa), a ponadto są chłodzone

wodą .Proces powstawania ją dra zgrzeiny oraz rozkład temperatur w obszarze strefy

zgrzeiny przedstawione są na rysunku 28. Rysunek 28a obrazuje stan począ tkowy,

bezpośrednio po włą czeniu przepływu prą du. Nastę puje wówczas wstę pne nadtopieniemateriałów na styku Rs, a tym samym oporność tego styku ulega zmniejszeniu.

Temperatura styku nie wzrasta już, powię ksza się jedynie ilość płynnego metalu, a ją dro

zgrzeiny rozszerza się .Po osią gnię ciu przez ją dro zgrzeiny określonych rozmiarów (rys.28b) przerwany zostaje

przepływ prą du i materiał płynnego ją dra zaczyna krzepnąć. Po zakrzepnię ciu uzyskujemy

trwałe połą czenie elementów (rys. 28c).

Rys. 28. Schemat tworzenia się ją dra zgrzeiny wraz z rozkładem temperatur;

a), b), c) – kolejne etapy tworzenia ciekłego ją dra i jego krzepnię cia.



27

Wszystkie zgrzewarki konstruowane są na zasadzie, że prą d zgrzewania I jest włą czony

dopiero po osią gnię ciu określonego nacisku wstę pnego pomię dzy łą czonymi elementami.

Prawidłowy dobór siły docisku P i natężenia prą du I musi być ponadto ściśle zwią zany z

czasem trwania procesu, czyli ustalony musi być tzw. cykl lub program zgrzewania.

Prosty program zgrzewania przedstawiony jest na rysunku 29.

Rys. 29. Program zgrzewania punktowego stali wę glowej.

Najpierw włą czony jest nacisk P. Po upływie czasu t nw (czas nacisku wstę pnego),

koniecznego do odkształcenia materiałów i zapewnienia właściwego przylegania

łą czonych elementów, nastę puje włą czenie prą du zgrzewania na okres t fz (czas

formowania ją dra zgrzeiny). Jednocześnie z włą czeniem prą du wzrasta temperatura w

ją drze zgrzeiny aż do osią gnię cia temperatury zgrzewania. Z chwilą osią gnię cia

temperatury zgrzewania i uformowania się płynnego jeziorka zgrzeiny o wymaganychrozmiarach nastę puje wyłą czenie prą du zgrzewania I z. Temperatura w ją drze zgrzeiny

spada, a płynny metal ją dra krzepnie. Proces krzepnię cia ją dra zgrzeiny prowadzony jest jeszcze przy włą czonym nacisku przez czas t pz (czas przekuwania zgrzeiny). Utrzymanie

nacisku w czasie krzepnię cia zabezpiecza przed powstawaniem takich wad zgrzeiny jak

pę knię cia lub jama skurczowa. Materiały trudniej zgrzewalne wymagają bardziej

złożonych programów zgrzewania. Rysunek 30 pokazuje kilka złożonych programów

zgrzewania. W przypadku materiałów niezbyt dokładnie oczyszczonych stosujemy

zgrzewanie prą dem pulsują cym (rys. 30a) lub z podgrzewaniem wstę pnym (rys. 30b).



28

Rys. 30. Program zgrzewania punktowego: a, b) − zgrzewanie nie oczyszczonych stali

wę glowych; c) − zgrzewanie stali wę glowych i niskostopowych o podwyższonej

wytrzymałości.

Zabiegi te pozwalają na osią gnię cie łagodnego przyrostu temperatury w obszarze styku

łą czonych elementów. Na przedstawionych wykresach widzimy inny przebieg siły

docisku. Siła docisku jest tu począ tkowo wię ksza, co umożliwia jak najsilniejsze zwarcie

elementów mimo ich sztywności i niedokładności zestawienia. W okresie przepływu

prą du docisk maleje, aby niepotrzebnie nie zmniejszać oporności stykowej Rs. Po

wyłą czeniu prą du nacisk ponownie rośnie, aby zagęścić krzepną cy metal w ją drzezgrzeiny i uniknąć powstania pę knięć lub jamy skurczowej

Nowoczesne metody zgrzewania oporowego sklasyfikować można w zależności od

wielu czynników; najważniejszymi z nich są :- kształt złą cza zgrzewanego,

- technologia zgrzewania.

Klasyfikację opartą na tych czynnikach podaje rysunek 31.



29

Rys. 31. Klasyfikacja zgrzewania oporowego.

Zgrzewanie indukcyjne

Zgrzewanie indukcyjne jest procesem zgrzewania elektrycznego oporowego

prą dami wielkiej czę stotliwości, polegają cym na zjawisku nagrzewania się przewodników

elektrycznych umieszczonych w zmiennym polu elektromagnetycznym na skutekpowstania w nich prą dów wirowych i histerezy magnetycznej. Prą d wielkiej czę stotliwości

płynie z maksymalną gę stością w warstwach powierzchniowych zgrzewanych krawę dzi.

W wyniku tego nagrzewana jest bardzo cienka warstwa metalu na powierzchniachprzeznaczonych do zgrzewania. Docisk elementów łą czonych za pomocą rolek powoduje

powstanie zgrzeiny.

Zgrzewanie to jest procesem bardzo ekonomicznym i znalazło szerokie zastosowanie

zwłaszcza do produkcji rur i profili zamknię tych.Urzą dzenia do zgrzewania składają się z trzech zasadniczych części: generatora

wielkiej czę stotliwości, obwodów pośredniczą cych oraz wzbudnika. Rozróżnia się zgrzewanie prą dami o czę stotliwości 1000÷70.000 Hz, które może być doczołowe i

liniowo-doczołowe oraz zgrzewanie prą dami o czę stotliwości 100.000÷500.000 Hz

nazywane zgrzewaniem liniowo-doczołowym z czę stotliwością radiową .



30

Zgrzewanie liniowo-doczołowe prądami średniej częstotliwości 1000÷÷÷÷70000 Hzstosuje się do łą czenia rur ze stali niskowę glowych o średnicach od 21 do 219 mm ze

ściankami o grubości 1,5÷10 mm używają c do tego celu wzbudników liniowych (rys. 32).

Proces zgrzewania nie wymaga specjalnego przygotowania krawę dzi blach do zgrzewania,

co umożliwia stosowanie również blach walcowych na gorą co z naturalnymi brzegami.

Rys. 32. Zasada zgrzewania liniowo-doczołowego rur prą dami o czę stotliwości

1000÷70000 Hz: 1 − rolki dociskają ce; 2 − wzbudnik; 3 − rura zgrzewana.

W procesie zgrzewania krawę dzie ścianek rur są nagrzewane do temperatury

1350÷1450°C, dociski jednostkowe spę czania wynoszą 20÷40 MPa, wielkości spę czania

wynoszą (0,5÷1,0)⋅g, a prę dkość zgrzewania dochodzi do 90 m/min.

Prawidłowe nagrzewanie rur w procesie zgrzewania można zapewnić w przypadkuspełnienia nastę pują cych warunków:

f ≥ 60000

2d

,

0,3<g

δ <0,64, δ=5030

ρ

f ,

gdzie:

g − grubość ścianki rury [cm],

δ − głę bokość wnikania prą du [cm],

f − czę stotliwość prą du zgrzewania [Hz]d − średnia zewnę trzna rury [cm]

ρ − oporność właściwa materiału rury [Ω⋅cm]



31

Podczas zgrzewania indukcyjnego rur powstaje niewielki rą bek wypływki po

zewnę trznej jak i wewnę trznej stronie zgrzeiny. Wypływk ę zewnę trzną usuwa się w

procesie produkcyjnym rury za pomocą noża tokarskiego, natomiast usuwanie wypływki

wewnę trznej zgrzeiny przy małych średnicach rur jest utrudnione i w tym przypadku dla

jej zmniejszenia stosuje się frezowanie brzegów taśmy przed formowaniem jej w rurę .Wadą zgrzewania indukcyjnego średnią czę stotliwością jest nierównomierne

nagrzewanie krawę dzi rury oraz niska jakość wzdłuż zgrzeiny.

Zgrzewanie liniowo-doczołowe prądami o częstotliwościach 100000÷÷÷÷500000 Hzstosuje się do łą czenia rur ze stali wę glowych i stopowych, oraz rur aluminiowychmiedzianych, mosiężnych, tytanowych itp. Schematy zgrzewania z dwoma różnymi

sposobami doprowadzenia prą du przedstawiono na rysunkach 33, 34.


100000÷500000 Hz ze stykowym doprowadzeniem prą du.


100000÷500000Hz z indukcyjnym doprowadzeniem prą du.



32

Najczęściej stosuje się czę stotliwość prą du zgrzewania równą 440 kHz. Natężenie prą du w

procesie łą czenia osią ga wartość 1000÷3000 A. Złą cza otrzymane za pomocą tego rodzaju

zgrzewania charakteryzują się wysokimi własnościami mechanicznymi. Mała strefa

nagrzania i nieznaczne zmiany strukturalne w stosunku do materiału rodzimego

kwalifikują rury zgrzewane tą metodą do klasy jakości rur wykonanych bez szwu. W

nowoczesnych urzą dzeniach do zgrzewania możliwa jest równoczesna obróbka cieplna

zgrzein, co znacznie polepsza jakość wykonanych połą czeń.

Zgrzewanie dyfuzyjne

Zgrzewanie dyfuzyjne jest oparte na zjawisku wzajemnej dyfuzji materiałów

łą czonych (przy minimalnym plastycznym odkształceniu) nagrzanych do temperatury

poniżej linii solidus i znajdują cych się w stanie ścisłego przylegania. Zgrzewanie

dyfuzyjne przeprowadza się w temperaturze poniżej temperatury topnienia najniżej

topliwego spoiwa łą czonych metali, odbywa się ono najczęściej w wysokiej próżni lub watmosferze gazów ochronnych. Schemat mechanizmu zgrzewania ilustruje rysunek 35.

Bezpośrednio po zetknię ciu (rys. 35a) mię dzy elementami wystę pują pustki a styk jesttylko punktowy. Warstwa tlenkowa wraz z zanieczyszczeniami pokrywa obie łą czone

powierzchnie. Przyłożone obciążenie w momencie gdy materiały są nagrzane do

temperatury zgrzewania wywołuje proces pełzania. W punktach styku maleje grubość

warstwy tlenkowej a pustki ulegają stopniowemu zmniejszaniu (rys. 35b). Procesy

dyfuzyjne przebiegają ce mię dzy łą czonymi powierzchniami powodują dalsze

rozdrobnienie i sferoidyzację pustek (rys. 35c) a w końcowym etapie ich prawie całkowity

zanik (rys.35d). Po zakończeniu procesu zgrzewania dyfuzyjnego w pobliżu linii zgrzaniaobserwuje się nieliczne pustki (P) i pozostałości tlenków (T). Rysunek 36 przedstawiaschemat stanowiska do zgrzewania dyfuzyjnego.

Zgrzewanie dyfuzyjne może odbywać się bez stosowania warstwy pośredniczą cej

oraz z zastosowaniem warstwy materiału pośredniczą cego.

Rys. 35. Schemat mechanizmu zgrzewania dyfuzyjnego. Kolejne etapy zmiany struktury

w pobliżu linii zgrzania: P − pustki, T − tlenki.



33

Rys. 36. Schemat stanowiska do zgrzewania dyfuzyjnego: 1 − dźwignia obciążenia; 2 −

próbki zgrzewane; 3 − elementy grzejne; 4 − komora próżniowa.

Materiał pośredniczą cy stosuje się do:

- zwię kszenia prę dkości dyfuzji i obniżenia temperatury procesu,

- zmniejszenia różnicy we współczynnikach rozszerzalności liniowej łą czonych metali,

- niedopuszczenia do tworzenia się na styku metali kruchych

zwią zków mię dzymetalicznych,

- utworzenie w styku łą czonych metali roztworu stałego o wymaganych własnościachtechnologicznych.

Warstwę pośredniczą cą mogą stanowić: folie, powłoka galwaniczna naniesiona na

jedną lub obydwie łą czone powierzchnie, proszki metaliczne, warstewki naniesionechemicznie lub napylane w próżni.

Intensyfikację procesu zgrzewania dyfuzyjnego uzyskuje się ponadto przez

zastosowanie pola elektrostatycznego wokół łą czonych elementów lub energii

ultradźwię ków. Pole elektrostatyczne przyspiesza i ukierunkowuje ruch jonów w

łą czonych materiałach, jak również zwię ksza współczynnik dyfuzji przez obniżenieenergii aktywacji dyfuzji. Fale ultradźwię kowe przyspieszają proces oczyszczania

powierzchni, uaktywniają powierzchnię , przyspieszają procesy dyfuzyjne.

Podstawowymi parametrami zgrzewania dyfuzyjnego są :

-

docisk (niezbę dny do stałego przylegania powierzchni łą czonych elementów),- temperatura nagrzania,

- czas trwania procesu (konieczny do utworzenia złą cza).



34

Docisk niezbę dny do stałego przylegania powierzchni łą czonych elementów zależy od

rodzaju materiału i waha się średnio w granicach 3÷25 N/mm2. Zostaje on przyłożony na

łą czone elementy z chwilą nagrzania do temperatury zgrzewania. Temperatura nagrzania

elementów wynosi średnio 0,5÷0,8 temperatury topnienia niżej topliwego materiału

zgrzewanego. Czas zgrzewania jest stosunkowo długi i w zależności od rodzaju łą czonych

materiałów może wynosić od kilku minut do nawet kilku godzin.

Bardzo duży wpływ na jakość złą czy zgrzewanych ma stan powierzchni w miejscu

łą czenia. Muszą one być dokładnie obrobione mechanicznie przez szlifowanie i

polerowanie, a nastę pnie dobrze odtłuszczone. Niekiedy do poprawienia jakości

powierzchni stosuje się trawienie chemiczne. Ponieważ złą cza uzyskane tą metodą mają bardzo wysokie własności mechaniczne, dobrą plastyczność, dobrą przewodność

elektryczną oraz odporność na korozję to zgrzewanie dyfuzyjne znalazło zastosowanie wprzemyśle budowy maszyn, elektrotechnicznym, elektronicznym, lotniczym itp. Metodą tą można łą czyć zarówno metale mię dzy sobą jak również metale z ceramik ą i ceramik ę mię dzy sobą . Zestawienie niektórych możliwych do uzyskania połą czeń mię dzy różnymi

materiałami ilustruje tablica 1.

Tablica 1. Zestawienie możliwych do uzyskania połą czeń mię dzy różnymi materiałami.

Al +

stopy

Cu+

stopy

Stale

wę glowe

stale

kwaso-

odporne

Ni +

stopy

Ti +

stopy

Al2O3 Si3N4 SiC

Al + stopy

Cu+ stopy

Stale wę glowe

Stale

kwasoodporne

Ni + stopy

Połą czenie możliwe do otrzymania z

udziałem warstwy pośredniej

Ti + stopy

Możliwe bezpośrednie połą czenie

materiałów

Al2O3

Brak wiarygodnych danych Si3N4

SiC

Przykład struktury połą czenia zgrzewanego dyfuzyjne miedź – mosią dz przedstawia

rys. 37.



35

Rys. 37. Struktura struktury warstwowej miedź - mosią dz otrzymanego metodą zgrzewania dyfuzyjnego.

Wadą tej technologii jest wysoki koszt zakupu i eksploatacji zgrzewarki dyfuzyjnej,

kłopotliwe i kosztowne przygotowanie powierzchni elementów do zgrzewania oraz mała

wydajność procesu.

4 - termiczne metody Łączenia i spajania

Documents