Politechnika Białostocka ZAMIEJSCOWY WYDZIAŁ MECHANICZNY

W SUWAŁKACH

INSTRUKCJA DO ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Temat ćwiczenia:

Spawanie i cięcie łukowe metali.

Numer ćwiczenia 5.

Laboratorium z przedmiotu:

TECHNIKI WYTWARZANIA

Opracował:

mgr inŜ. Sergiusz Jakuszewicz

2004

2

1. WPROWADZENIE

I. Spawanie łukowe

Rys.1. Schemat stanowiska ręcznego spawania łukowego: 1 – sieć energetyczna, 2 – źródło prądu spawania, 3 – obwód spawania, 4 – uchwyt elektrodowy, 5 – elektroda otulona, 6 – materiał spawany, 7 – spoina.

Zasada działania Spawacz zajarza łuk między końcem elektrody a metalem rodzimym

przedmiotu. Łuk stapia metal rodzimy i elektrodę tworząc jeziorko spawalnicze, które jest osłaniane przez warstwę stopionego topnika i gaz wytwarzany przez topnik stanowiący otulinę rdzenia elektrody. Spawacz przesuwa elektrodę w kierunku jeziorka w celu utrzymania stałej długości łuku, równocześnie przesuwając ją w kierunku spawania. Wartość natęŜenia prądu jest nastawiana w źródle prądu. Długość elektrod jest znormalizowana i najczęściej wynosi 450 mm. JeŜeli elektroda stopi się do długości ok.50 mm, wtedy spawacz przerywa łuk. Zestalony ŜuŜel naleŜy usunąć z powierzchni spoiny i kontynuować spawanie nową elektrodą. Typowe zastosowania- wytwarzanie zbiorników ciśnieniowych, kadłubów okrętowych, konstrukcji stalowych, łączenie rur i rurociągów, budowa i naprawa maszyn.

Charakterystyka metody Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną jest procesem, w którym trwałe połączenie uzyskuje się przez stopienie ciepłem łuku elektrycznego topliwej elektrody otulonej i materiału spawanego. Łuk elektryczny jarzy się między rdzeniem elektrody pokrytym otuliną i spawanym materiałem. Elektroda otulona przesuwana jest ręcznie przez operatora wzdłuŜ linii spawania i ustawiona pod pewnym kątem względem złącza. Spoinę złącza tworzą stopione ciepłem łuku rdzeń metaliczny elektrody, składniki metaliczne otuliny elektrody oraz nadtopione brzegi materiału spawanego(rodzimego). Udział materiału rodzimego w spoinie, w zaleŜności od rodzaju spawanego metalu i technik spawania, wynosić moŜe 10-40%.

3

Łuk spawalniczy moŜe być zasilany prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną lub dodatnią. Osłonę łuku stanowią gazy i ciekły ŜuŜel powstałe w wyniku rozpadu otuliny elektrody pod wpływem ciepła łuku. Skład osłony gazowej w zaleŜności od składu chemicznego otuliny stanowią, CO2, CO, H2O oraz produkty ich rozpadu. Spawanie rozpoczyna się po zajarzeniu łuku między elektrodą otuloną a spawanym przedmiotem; intensywne ciepło łuku, o temperaturze w środku łuku dochodzącej do 6000 K, stapia elektrodę, której metal przenoszony jest do jeziorka spoiny. Przenoszenie metalu rdzenia elektrody otulonej w łuku spawalniczym moŜe odbywać się w zaleŜności od rodzaju otuliny, grubokroplowo, drobnokroplowo lub nawet natryskowo.

Ilość tworzącego się gazu i ŜuŜla osłaniających łuk oraz ich skład chemiczny zaleŜą od rodzaju otuliny elektrody i jej grubości. Stosuje się otuliny o róŜnej grubości w stosunku do średnicy rdzenia, a ich nazwy: rutylowe, kwaśne, zasadowe, fluorkowe, cyrkonowe, rutylowo-zasadowe, celulozowe itd., zaleŜne są od właściwości chemicznych składników otuliny. Elektrody produkowane są zwykle o średnicy rdzenia w zakresie 1,6 do 6,0 mm i długości od 250 do 450 mm. Zasadnicze funkcje otuliny to:

• Osłona łuku przed dostępem atmosfery, • Wprowadzenie do obszaru spawania pierwiastków odtleniających,

wiąŜących azot i rafinujących ciekły metal spoiny, • Wytworzenie powłoki ŜuŜlowej nad ciekłym jeziorkiem i krzepnącym

metalem spoiny, • Regulacja składu chemicznego spoiny.

Wszystkie te funkcje słuŜą do zapewnienia wymaganej jakości i własności eksploatacyjnych złącza spawanego.

4

W skład stanowiska do spawania łukowego ręcznego elektrodą otuloną wchodzą:

• Źródło prądu stałego lub przemiennego, • Uchwyt elektrody doprowadzający prąd spawania do elektrody, • Przewody spawalnicze doprowadzające prąd spawania ze źródła prądu do

uchwytu i do spawanego przedmiotu, • Układ sterowania zdalnego źródłem prądu, • Oprzyrządowanie konstrukcji spawanej, • Odciąg dymów spawalniczych(w energetyce w związku ze specyfiką

pracy jest to warunek trudny do spełnienia).

Parametry spawania Przebieg procesu spawania w znacznym stopniu uzaleŜniony jest od umiejętności operatora (spawacza). Ustalone w warunkach technologicznych spawania konkretnej konstrukcji parametry spawania stanowią dla operatora dane wyjściowe, do których dostosowuje swe doświadczenie spawalnicze i zdolności manualne. Do podstawowych parametrów spawania elektrodą otuloną naleŜą:

• Rodzaj natęŜenia prądu spawania (40 ÷ 360 A), • Napięcie łuku (50 ÷ 100 V), • Prędkość spawania (0,12 ÷ 0,6 m/min.), • Średnica elektrody (2 ÷ 6 mm) i jej połoŜenie względem złącza.

- NatęŜenie prądu spawania dobiera się zazwyczaj na podstawie danych katalogowych producenta. Parametr ten w największym stopniu decyduje o energii cieplnej łuku, a więc głębokości wtopienia i prędkości stapiania. Przy stałej średnicy elektrody, ze wzrostem natęŜenia prądu, wzrasta temperatura plazmy łuku, wzrasta wydajność stapiania i ilość stapianego metalu spawanego oraz głębokość, szerokość i długość jeziorka spoiny. Dobór natęŜenia prądu spawania zaleŜy od rodzaju spawanego materiału, rodzaju elektrody, jej średnicy, rodzaju prądu, pozycji spawania oraz techniki układania poszczególnych ściegów spoiny. - Napięcie łuku proporcjonalne jest do długości łuku i wywiera wyraźny wpływ na charakter przenoszenia metalu w łuku, prędkość spawania i efektywność układania stopiwa. Ze wzrostem napięcia łuku wzrasta jego energia i w efekcie objętość jeziorka spoiny. Szczególnie wyraźnie zwiększa się szerokość i długość jeziorka. Przy stałym natęŜeniu prądu podwyŜszenie napięcia łuku nieznacznie wpływa na głębokość wtopienia. Długość łuku regulowana jest przez operatora i zaleŜy od jego umiejętności manualnych i percepcji wizualnej. Dobór napięcia

5

łuku zaleŜy od rodzaju elektrody, pozycji spawania, rodzaju i natęŜenia prądu oraz techniki układania ściegów spoiny. - Prędkość spawania jest prędkością, z jaką elektroda przesuwana jest wzdłuŜ złącza spawanego. Prędkość spawania rozpatrywana moŜe być jako prędkość przemieszczania się końca elektrody, ale równieŜ jako prędkość wykonania jednego metra złącza i wtedy uwzględnione są wszystkie czasy pomocnicze, np. czas wymiany elektrody, oczyszczania poprzedniego ściegu itd. Prędkość przesuwania łuku wzdłuŜ złącza zaleŜy od:

• Rodzaju prądu, jego biegunowości i natęŜenia, • Napięcia łuku, • Pozycji spawania, • Prędkości stapiania elektrody, • Grubość spawanego materiału i kształtu złącza, • Dokładności dopasowania złącza, • Wymaganych ruchów końcówki elektrody.

- Średnica elektrody otulonej decyduje o gęstości prądu spawania, a przez to o kształcie ściegu spoiny, głębokości wtopienia i moŜliwości spawania w pozycjach przymusowych. Zwiększenie średnicy elektrody, przy stałym natęŜeniu prądu, prowadzi do obniŜenia głębokości wtopienia i zwiększenia szerokości spoiny. Prawidłowo dobrana średnica elektrody to ta, przy której dla prawidłowego natęŜenia prądu i prędkości spawania uzyskuje się spoinę o wymaganym kształcie i wymiarach, w moŜliwie najkrótszym czasie. - Pochylenie elektrody względem złącza pozwala na regulację kształtu spoiny, głębokości wtopienia, szerokości lica i wysokości nadlewu tablica 1. Pochylenie elektrody w kierunku przeciwnym do kierunku spawania powoduje, Ŝe siła dynamiczna łuku wciska ciekły metal jeziorka do przodu i maleje głębokość wtopienia, a wzrasta wysokość i szerokość lica. Pochylenie elektrody w kierunku spawania powoduje, Ŝe ciekły metal wciskany jest do tylnej części jeziorka, wzrasta głębokość wtopienia, a maleje szerokość i wysokość lica.

Rodzaj spoiny

Pozycja spawania

Pochylenie elektrody w

stosunku do

płaszczyzny złącza

Pochylenie elektrody w stosunku do

osi prostopadłej

spoiny

Skierowanie elektrody w stosunku do

kierunku spawania

Czołowa Podolna 90 5 - 10

lub 10 - 30 Przeciwnie

Czołowa Naścienna 80 - 100 5 - 10 Przeciwnie

6

Czołowa Pionowa z dołu do

góry 90 5 - 10 Zgodnie

Czołowa Pułapowa 90 5 - 10 Przeciwnie

Pachwinowa Naboczna 45 5 - 10

lub 10 - 30 Przeciwnie

Pachwinowa Pionowa z dołu do

góry 35 - 55 5 - 10 Zgodnie

Pachwinowa Pułapowa 30 - 45 5 - 10 Przeciwnie

Urządzenia do spawania łukowego elektrodą otuloną Do spawania łukowego elektrodą otuloną wykorzystuje się:

• transformatory spawalnicze,

Transformatory spawalnicze przetwarzają prąd sieciowy na prąd spawania o duŜym natęŜeniu i niskim napięciu. Transformatory mają kilka systemów regulacji.

Transformatory spawalnicze typu BESTERKA przeznaczone są do spawania i napawania stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych prądem przemiennym. Dzięki zwartej konstrukcji, stosunkowo niewielkiej masie, bardzo prostej obsłudze i korzystnej cenie znajduje powszechne zastosowanie w warsztatach rzemieślniczych, bazach remontowych i gospodarstwach domowych.

7

Wszystkie urządzenia wyposaŜone są w przewód prądowy (dł. 3m) z uchwytem elektrodowym, przewód masowy (dł. 3m) z zaciskiem kleszczowym oraz przewód zasilający z wtyczką. Besterki 1500 i 2100 posiadają dwa rodzaje wtyczek: na 230 V i 400 V. Prąd spawania regulowany jest płynnie za pomocą pokrętła lub korby. WyposaŜone są w przeciąŜeniowe zabezpieczenie termiczne.

• prostownikowe zasilacze spawalnicze,

Prostownik spawalniczy łączy w sobie wszystkie zalety spawarek i transformatorów spawalniczych. Charakteryzuje go: równomierność obciąŜenia sieci, niskie napięcie biegu jałowego, łatwość zajarzania łuku, brak części wirujących, mniejsza powierzchnia eksploatacyjna, niski poziom hałasu.

Rys.2. Prostownik do spawania ręcznego typu SPB-315: 1 – przełącznik zmiany zadawania „zdalne - miejscowe”, 2 – przełącznik zakresów, 3 – łącznik sieciowy, 4 – zadajnik prądu spawania miejscowy, 5 – gniazdo „+” do podłączenia przewodu spawalniczego, 6 – gniazdo do podłączenia zadajnika zdalnego, 7 – gniazdo „-” do podłączenia przewodu spawalniczego, 8 – przewód zasilający z wtyczką 32 A.

• przetwornice spawalnicze,

Obecnie są produkowane cztery typy spawalniczych, z których trzy maja te sama prądnicę o przestarzałej konstrukcji z polem poprzecznym, a róŜnią się jedynie silnikiem napędowym, natomiast czwarta stanowi nowocześniejsze rozwiązanie konstrukcyjne. Odznaczają się one bardzo dobrymi własnościami spawalniczymi w całym zakresie nastaw prądu spawania, wysoką sprawnością i wysokim współczynnikiem mocy, moŜliwością zdalnego sterowania za pomocą przenośnego rezystora oraz małą masą i małymi wymiarami.

8

Tab.1. Dane techniczne nowoczesnych przetwornic spawalniczych z prądnicami prostownikowymi i automatycznym wzbudzeniem przygotowywanych do produkcji w kraju.

• prądnice spawalnicze,

Prądnice spawalnicze są to maszyny prądu stałego lub przemiennego o podwyŜszonej częstotliwości. Ostatnio coraz szerzej stosuje się prądnice prądu przemiennego wyposaŜone w diodowe zespoły prostujące, nazywane prądnicami prostownikowymi.

9

Rys.3. Schemat prądnicy obcowzbudzeniowej z uzwojeniami demagnesującymi: 1 – uzwojenia demagnesujące, 2 – przełącznik zaczepów uzwojenia demagnesującego, 3 – rezystor nastawczy prądu spawania. • elektrody.

Tab.2. Wymiary elektrod.

d L L1

mm Nominalna średnica rdzenia

elektrody

Odchyłka Nominalna długość elektrody

Odchyłka Nominalna długość końca elektrody do

uchwytu

Odchyłka

1,6 150, 200, 250 2,0

- 0,05 200, 250, 300

2,5 - 0,06 250, 300, 350

20

3,0 3,15 3,25

- 0,07

300, 350, 400

4,0 - 0,07 5,0 6,0

- 0,08

350, 450

± 3

25

± 5

10

Elektrody stalowe otulone stosowane do łukowego spawania i napawania. Rodzaj otuliny elektrody zaleŜy zasadniczo od składników ŜuŜlotwórczych. Symbole rodzaju otuliny tworzą następujące litery, względnie grupy liter: A = otulina kwaśna C = otulina celulozowa B = otulina zasadowa R = otulina rutylowa RR = otulina rutylowa gruba RC = otulina rutylowo-celulozowa RA = otulina rutylowo-kwaśna RB = otulina rutylowo-zasadowa Tab.3. Materiały dodatkowe do spawania stali o podwyŜszonej wytrzymałości ogólnego zastosowania.

Symbole przedstawione w tablicy 4 określają uzysk stopiwa wg EN 22401 oraz rodzaj prądu spawania.

11

Tab.4. Symbole uzysku stopiwa i rodzaje prądu spawania. Symbole

Uzysk % Rodzaj prądu

1 2

≤ 105

≤ 105

Przemienny i stały

Stały 3 4

> 105 ≤ 125

> 105 ≤ 125

Przemienny i stały

Stały 5 6

> 125 ≤ 160

> 125 ≤ 160

Przemienny i stały

Stały 7 8

> 160

> 160

Przemienny i stały

Stały

Przykład oznaczania elektrod Oznaczenie elektrody otulonej do łukowego spawania ręcznego, której stopiwo uzyskuje minimalną granicę plastyczności 460 N/mm2 (46) i minimalną pracę łamania 47 J przy −30°C (3) oraz zawiera 1,1 % Mn i 0,7 % Ni (1Ni). Elektroda ma zasadową otulinę (B), moŜna nią spawać, stosując prąd przemienny i prąd stały, wykazuje uzysk 140 % (5) oraz jest przydatna do wykonywania spoin czołowych i pachwinowych w pozycji dolnej (4). Zawartość wodoru w stopiwie określona wg ISO 3690 nie przekracza 5 ml/100g stopiwa (H5). Oznaczenie elektrody wg niniejszej normy jest następujące:

PN-EN 499 – E46 3 1Ni B 54 H5 Obowiązkowa część oznaczenia elektrody jest następująca: PN-EN 499 – E46 3 1Ni B

Poszczególne symbole oznaczają: PN-EN 499 = numer normy; E = elektroda otulona / spawanie ręczne łukowe; 46 = wytrzymałość i wydłuŜenie; 3 = praca łamania; 1Ni = skład chemiczny; B = rodzaj otuliny; 5 = uzysk i rodzaj prądu; 4 = pozycja spawania; H5 = zawartość wodoru.

12

II. Ci ęcie łukowe i łukowo-tlenowe

Cięcie łukowe polega na wytapianiu szczeliny przy uŜyciu elektrody metalowej lub elektrody węglowej. Cięcie łukowe stosuje się do robót, które trudno wykonać za pomocą cięcia gazowego, a dokładność cięcia nie jest konieczna lub, gdy cięcie przez spalanie tlenem jest niemoŜliwe (metale nieŜelazne). Do cięcia łukiem węglowym stosuje się prąd stały i biegunowość dodatnią. Elektrody grafitowe są odpowiedniejsze od węglowych, gdyŜ wytrzymują większą gęstość prądu. Szybkość cięcia łukiem węglowym jest niewielka, np. 3 m/godz. przy ≠ 20 mm i 0,8 m/godz. przy ≠ 50 mm. Występujące silne nawęglanie brzegów szczeliny utrudnia bardzo późniejszą ich obróbkę. Znacznie wydajniejsze jest cięcie łukiem metalowym, elektroda topliwą grubo otuloną, przy uŜyciu prądu zmiennego o natęŜeniu 1,5 ÷ 2 razy większym niŜ przy spawaniu elektrodą o danej grubości. Zazwyczaj stosuje się elektrody o ø 4 ÷ ø 6 mm oraz natęŜenie prądu 300 ÷ 500 A. do otuliny dodaje się związki utleniające metal oraz wytwarzające ŜuŜel, który zwiększa płynność metalu. W celu ułatwienia usuwania metalu wykonuje się elektrodą ruchy od górnej powierzchni do dolnej, przy czym elektroda tworzy kąt 30 ÷ 60° z powierzchnią ciętego przedmiotu (rys.4.).

Rys.4. Cięcie: d) elektrodą, e) elektrodą z tlenem. Cięcie łukowe daje lepsze wyniki, jeŜeli do łuku elektrody doprowadza się strumień tlenu. Spalaniu metalu w tlenie towarzyszy wydzielanie ciepła, dzięki czemu zmniejsza się zuŜycie prądu, a zwiększa dokładność cięcia. Tego rodzaju elektrody metalowe otulone, o ø 5 ÷ ø 7 mm drutu, z otworem dla tlenu ø 1÷ ø 2 mmm, stosowane są do cięcia wszystkich metali Ŝelaznych i nieŜelaznych.

13

2. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO

Celem ćwiczenia jest: - zapoznanie się z budową, działaniem i obsługą typowych spawarek do ręcznego spawania elektrycznego łukowego elektrodą otuloną; - nauczenie się zajarzania łuku spawalniczego; - pomiar elastyczności łuku spawalniczego; - wykonanie tzw. „problemu spawacza”; - cięcie łukowe i łukowo-tlenowe.

3. METODYKA BADAŃ

Wymagana znajomość zagadnień.

a – budowa i zasada działania transformatorów spawalniczych, b – budowa, zasada działania i sterowanie prostowników spawalniczych, c – rodzaje złączy spawanych i spoiny, pozycja spawania, d – rodzaje elektrod, e – techniki zajarzenia łuku, f – dobór zasadniczych energetycznych parametrów spawania (typ i średnica elektrody, natęŜenie prądu spawania, prędkość spawania).

Przebieg ćwiczenia

Po zapoznaniu się ze stanowiskiem laboratoryjnym składającym się z:

- stołu spawalniczego z odpowiednią wentylacją, - źródła prądu – spawarki, transformatory, prostowniki, - elektrody i ich uchwyty, - kabli niskiego napięcia oraz uchwyty (zaciski), - tarczy, - dziobaka, - szczotki drucianej, - próbek materiału,

przeprowadzić następujące zadania: • Zajarzanie łuku (B1) Dla danej elektrody dokonać nastawy spawarki (uwaga! Nie załączać spawarki) – zgłosić wykonanie zadania prowadzącemu. Umieścić elektrodę w uchwycie

14

spawalniczym, ustawić zalecane kąty pochylenia i odchylenia elektrody, a następnie trenować zajarzanie łuku dwoma technikami: na zapałkę oraz rewersyjnie. Załączyć spawarkę, wykonać próby zajarzania łuku dwiema technikami zmieniając rodzaj elektrody: elektrodą „gołą” oraz grafitową. • Pomiar elastyczności łuku (B2) Pobrać nową elektrodę, zajarzyć łuk i ustawić elektrodę prostopadle do powierzchni materiału rodzimego. Powoli podnieść elektrodę do góry zachowując ciągłość jarzenia łuku. Partner określa długość łuku widoczną w momencie jego samoczynnego zgaszenia (wzrok na poziomie łuku, określenie długości metodą porównawczą w mm). Doświadczenie powtórzyć trzykrotnie. Powtórzyć badanie dla elektrody grafitowej. • Ściegi (B3) Wykonać napoiny ściegiem prostym i zakolowym (długości 50 mm). Napoiny oczyścić z ŜuŜla szczotką drucianą (BHP – chronić oczy). Zmierzyć szerokość i wysokość ściegów. • Problem spawacza (B4) Problem polega na wykonaniu napoiny o długości 200 mm ściegiem prostym elektrodą o długości 400 mm. W tym celu pobrać nową elektrodę (450 mm) oraz przy zalecanych parametrach energetycznych i technikach spawania wykonać napoinę. W przypadku zgaśnięcia łuku lub przerwania napawania, oczyścić koniec napoiny i kontynuować próbę z miejsca poprzedniego jeziorka. Napawanie kończymy z chwilą stopienia 400 mm elektrody, pozostałe 50 mm to ogarek. Zmierzyć długość wykonanej napoiny, jej szerokość szerokość wysokość.

4. WYMAGANIA BHP

- studenci w trakcie spawania powinni byś ubrani w fartuchy ochronne, rękawice skórzane oraz posiadać okulary spawalnicze;

- studenci nie mogą wykonywać samodzielnie Ŝadnych czynności bez uzyskania zgody prowadzącego.

ZagroŜenia występujące w procesie spawania łukiem elektrycznym: - oparzenie kroplami metalu i ŜuŜla oraz rozgrzanymi przedmiotami; - uszkodzenie ciała i wzroku promieniami powstającymi w procesie spawania; - poraŜenie prądem elektrycznym; - zatrucie szkodliwymi gazami i pyłami wydzielającymi się podczas spawania; - eksplozja wybuchu mieszanek gazowych;

15

- niebezpieczeństwo poŜaru; - hałas.

5. SPRAWOZDANIE STUDENCKIE POWINNO ZAWIERAĆ:

- przebieg ćwiczenia, zastosowane materiały i parametry, - sposób nastawy spawarki, - parametry zadań umieścić w poniŜszych tabelach, - opisać występujące wady spoiny stwierdzone na próbce, - podać przyczyny wystąpienia wad, - wnioski.

16

6. LITERATURA:

1. Pałasz J.: Poradnik spawacza gazowego. WNT. Warszawa 1986.

2. Karpiński S., i inni.: Laboratorium z podstaw spawalnictwa. Wydawnictwo Politechniki Koszalińskiej. Koszalin 2001.

3. Dobrowolski Z.: Podręcznik spawalnictwa. WNT. Warszawa 1978.