2016-03-31

1

CZ.1

Spawalnictwo metali jest to dział technologii obejmujący

procesy spajania, tj. trwałego łączenia metali przez uzyskiwanie

ciągłości materiałowej w miejscu, gdzie ma powstać złącze.

SPAWALNICTWO

spawaniezgrzewanielutowanie

Procesy pokrewne

hartowanie płomieniowecięcie

metalizacja natryskowa

Spawanie

Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem

źródła ciepła, poprzez stopienie brzegów materiału

rodzimego przy użyciu spoiwa lub bez.

Zgrzewanie

Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem

źródła ciepła oraz docisku i z podgrzaniem materiału

rodzimego do temperatury plastyczności.

Lutowanie

Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem

spoiwa ( lutu ) przez nagrzanie brzegów materiału do

temperatury zwilżenia.

Spoina - część złącza, która powstaje ze stopionych

elektrod i metalu rodzimego podczas spawania.

Stopiwo - metal otrzymywany ze stopienia

elektrody.

Rowek - miejsce przystawienia dwóch spawanych blach.

Ścieg - wałeczek metalu, który spawacz układa

przesuwając topiącą się elektrodę ruchem równomiernym.

2016-03-31

2

Do spoiny przylega strefa wpływu ciepła - SWC.

Jest to obszar materiału rodzimego, który nie uległ stopieniu, lecz

wzrost temperatury jest na tyle duży, że doprowadza do zmian

strukturalnych.

Przemiany te mogą skutkować bardzo znacznymi zmianami

właściwości mechanicznych w tej strefie.

Rozległość tej strefy zależy od metody i parametrów spawania.

W dalej położonym materiale wzrost temperatury jest niższy i nie

powoduje przemian strukturalnych.

2016-03-31

3

Rodzaje spoin:

Czołowe, pachwinowe, otworoweRodzaje złącz:

doczołowe, zakładkowe, nakładkowe, teowe, kątowe,

krzyżowe, przylgowe, otworowe

Podstawowe pozycje spawania:

Podolna, naboczna, naścienna, okapowa, pułapowa, pionowa

Najczęściej stosowana pozycja spawania dla spoin czołowych -

podolna,

Dla spoin pachwinowych - naboczna

2016-03-31

4

/Ekwiwalentna zawartość węgla/

/Maksymalna twardość w strefie przyspoinowej nie może przekraczać

350 HV dla stali manganowej – kryterium

r

Orientacyjna ocena spawalności stali:

• Przy C< 0,3% i Ce < 0,5% stal można uznać za dobrze

spawalną, jednak należy uwzględnić grubość

materiału.

• Przy C< 0,35% i 0,5 < Ce < 0,7% spawanie jest

możliwe, lecz niezbędne jest podgrzewanie części

przed i w czasie spawania. Może się okazać, że

niezbędna jest obróbka cieplna po spawaniu

• Przy C> 0,35% i Ce > 0,7% używa się sformułowania,

że stal jest warunkowo spawalna

2016-03-31

5

Spawanie gazowe

Charakteryzuje się tym, że ciepło potrzebne do stopienia się

brzegów spawanych metali i materiału dodatkowego, czyli

stopiwa w obrębie spoiny powstaje przez spalanie się gazów

w obrębie spoiny.

Podstawowymi gazami stosowanymi przy spawaniu jest

acetylen i tlen. Czasami stosuje się wodór lub metan.

Przy spawaniu acetylenowym źródłem ciepła jest płomień,

który otrzymuje się przez spalanie mieszanki acetylenu z

tlenem.

Podczas spawania - strefa

najwyższej temperatury C dotyka

przedmiotu (kita płomienia chroni

ciekły metal od dostępu powietrza)

2016-03-31

6

b)

c)

płomień nawęglający

płomień utleniający

Schematy palników: a) palnik smoczkowy, b) palnik bezsmoczkowy;A – komora mieszaniaB – acetylenC – tlen

Wydajność palnika mierzy się ilością spalanego acetylenu l/h

Tlen zasysa acetylen

Wady metody:

• niska jakość uzyskanych połączeń, zarówno pod względem

metalurgicznym jak i właściwości mechanicznych,

• niska wydajność spawania,

• strefa wpływu ciepła bardzo szeroka, elementy ulegają

odkształceniom spawalnym,

Grubość blach spawanych 0,4 – 10 mm

Spawanie elektryczne

1. Łukowe ręczne

2. Elektronowe

3. W gazach

4. Żużlowe

5. Pod topnikiem

6. Plazmowe

7. Atomowe

2016-03-31

7

Spawanie elektryczne łukowe

Przy spawaniu łukowym, z zasady element spawany włączony jest w

obwód elektryczny. Stanowi jeden z biegunów /anoda/. Drugim

biegunem jest elektroda /katoda/. Obwód elektryczny zamyka łuk

elektryczny jarzący się między elektrodą i przedmiotem spawanym.

Jest głównym źródłem ciepła, powodującym nadtapianie materiału

rodzimego i topienie spoiwa – elektrody w przypadku elektrody

topliwej lub drutu w przypadku elektrody nietopliwej.

Łuk elektryczny jest strumieniem zjonizowanych cząsteczek.

Jonizacja zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury. Cząsteczki

gazów i par topionych metali oraz składników otuliny rozpadają się

na dodatnio naładowane jony i elektrony.

Jony dodatnie przyciągane są przez katodę, a elektrony przez

anodę. Dzięki temu łuk elektryczny staje się dobrym przewodnikiem

prądu elektrycznego.

W łuku można wyróżnić wąski, stożkowy słup plazmy, usytuowany

w jego osi i osłonę łuku.

Głównym przewodnikiem prądu w łuku jest słup plazmy i jest to

strumień silnie zjonizowanych cząsteczek.

2016-03-31

8

Do produkcji elektrod stosuje się:

• Surowce mineralne ( np. rudy żelaza, manganu, tytanu, glinokrzemiany,

węglany wapnia, fluoryt )

• Żelazostopy ( żelazomangan, żelazokrzem, żelazochrom )

• Szkło wodne

Masa otulinowa: surowce mineralne, rozdrobnione żelazostopy, szkło

wodne

Podział elektrod w zależności od grubości otuliny

Cienkootulone g< 10% d

Średniotulone 10%d < g < 40%d

Grubootulone g > 40%d

Podział elektrod w zależności od składu otuliny:

1. Kwaśne

2. Zasadowe

3. Rutylowe

4. Celulozowe

Otulina kwaśna podwyższa plastyczność spoiny, lecz obniża jej

wytrzymałość. Sprzyja uzyskaniu spoin o płaskim i gładkim licu.

Przy elektrodach o otulinie celulozowej większość masy otuliny

paruje pod wpływem ciepła. Niewielka część topiącej się otuliny

dociera do spoiny. Warstwa żużla na spoinie jest cienka. Elektrody te

zalecane są do spawania w pozycji pionowej z góry na dół.

Do spawania stali węglowych najczęściej stosuje się elektrody o

otulinie rutylowej (duża ilość w otulinie rutylu, tj. TiO2 - dwutlenek

tytanu ). Ze względu na dużą zawartość wodoru nie są zalecane do

spawania stali wysokowytrzymałych.

Konstrukcje stalowe o podwyższonej wytrzymałości spawa się

elektrodami o otulinie zasadowej. Głównym składnikiem otuliny jest

węglan i fluorek wapnia.

Otulina zabezpiecza:

1. Obniżanie potencjału jonizacyjnego powietrza w przestrzeni

łukowej, ułatwia zajarzenie łuku i stabilne jarzenie;

2. Jednorodne przenoszenie metalu z elektrody do jeziorka;

3. Ochronę metalu ciekłego w kropli i jeziorku przed powietrzem;

4. Regulację składu chemicznego stopiwa poprzez wprowadzenie

składników stopowych;

5. Utworzenie żużla zmniejszającego prędkość chłodzenia i

formującego lico spoiny w pozycjach przymusowych.

2016-03-31

9

W zależności od przeznaczenia rozróżniamy elektrody

następujących rodzajów:

elektrody do spawania stali konstrukcyjnych niskowęglowych,

niskostopowych, produkowanych w różnych gatunkach, zależnie od

wymagań stawianych złączom spawanym pod względem

wytrzymałości i innych własności mechanicznych,

elektrody do stali konstrukcyjnych stopowych, np. do stali

nierdzewnych, kwasoodpornych, itp.,

elektrody do żeliwa,

elektrody do spawania i napawania metali nieżelaznych.

Elektrody nietopliwe do spawania stali:

węglowe, grafitowe - stosowane do automatycznego spawania

cienkich blach stalowych (zbiorniki, beczki z cienkich blach), do

spawania miedzi i jej stopów, do cięcia oraz do spawania w

atmosferze gazów obojętnych ( argonu, helu),

wolframowe – do spawania w atmosferze wodoru lub argonu i helu

AUTOMATYCZNE SPAWANIE ŁUKIEM KRYTYM ( pod topnikiem )

2016-03-31

10

Mechanizm podawania drutu elektrodowego + kaseta z

elektrodą + zbiornik topnika umieszczone są na wózku

napędzanym silnikiem elektrycznym.

Umożliwia to przesuw urządzenia spawającego wzdłuż

spoiny

Zalety:

Nie widać łuku ( bezpieczne spawanie ),

Łatwa automatyzacja;

Wysoka jakość spoiny,

Duża wydajność i oszczędność

Wada: ograniczenie pozycji spawania (pozycja podolna

lub naboczna)

SPAWANIE W OSŁONIE Z CO2 ( MAG )

(gaz aktywny)

Osłona gazowa pozwala na obciążenie elektrody prądem o bardzo

wysokim natężeniu,

Jako spoiwo stosuje się cienkie druty : 1,2; 1,6; 2,0; 2,4

Szybkie topienie drutu - posuw drutu ok. 100-300m/min,

Łuk w osłonie z CO2 charakteryzuje się bardzo głębokim wtopem

CO2 CO + O2

Aby przeciwdziałać utlenianiu metalu spoiny stosuje się spoiwo o dużej

zawartości krzemu i manganu

Tlenki krzemu i manganu tworzą żużel wypływający na powierzchnię

topionego metalu

Drut elektrodowy min. 0,6% Si i 0,9% Mn

Zalety:

Łatwość spawania w innych pozycjach niż podolne,

Naturalna pozycja – naścienna,

Zastąpienie elektrod otulonych przez tańszy drut ( bez otuliny ), koszt

gazu niski

Wada:

Konieczność operowania skomplikowaną aparaturą.

Metoda stosowana do stali zwykłej ( karoserie samochodów )

2016-03-31

11

SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH MIG

Spawanie stali wysokostopowych oraz metali lekkich: aluminium i

jego stopy

Gazy obojętne: hel, argon

Osłona gazowa chroni łuk od dostępu powietrza i podwyższa jego

temperaturę

Spawanie bez topników

Elektroda topliwa spełnia również rolę spoiwa /cienki drut o

średnicy 0,5- 4 mm/

Metoda automatyczna, półautomatyczna

Szybkość spawania większa niż w TIG

Metoda najekonomiczniejsza, wysoka jakość spoin,

Minimalna grubość blach 4 mm

Zastosowanie :

Metodę MIG/MAG stosuje się do uzyskania połączeń o wysokiej

jakości we wszystkich stalach niskowęglowych, niskostopowych i

stopowych, aluminium i stopach aluminium, miedzi i stopach miedzi, a

także innych metali i ich stopów.

Metodą można łączyć elementy o grubości od 0,8 mm.

Osłonę z gazów aktywnych stosuje się do stali węglowej o przeciętnych

własnościach.

Osłona z gazów obojętnych polecana jest do spawania wszelkich stali

o szczególnych cechach, np. stale nierdzewne, kwasoodporne i do

stopów metali nieżelaznych.

SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH TIG

2016-03-31

12

Półautomatyczne lub automatyczne

Spawanie z podawaniem spoiwa, topionego w łuku jednocześnie z

metalem rodzimym.

Elektrody:

Wolframowe ( z czystego sproszkowanego wolframu , spiekanego w

wysokich temperaturach w atmosferze wodoru )

Wolframowe z domieszką ok. 1% dwutlenku toru ThO2 , ( mogą być

bardziej obciążone prądem, wolniej się zużywają )

Zalety:

Spoiny bardzo wysokiej jakości,

Szybki proces spawania,

Spawać można w poziomie i we wszystkich pozycjach

przymusowych, łącznie z pułapową

Zastosowanie:

Spawanie stali stopowej, stopów aluminium, niklu, tytanu i innych.

SPAWANIE ELEKTROŻUŻLOWE

1- drut elektrodowy; 2- podajnik drutu; 3-nakładki formujące; 4-chłodzenie

wodne; 5-dopływ gazu osłonowego; 6-jeziorko spawalnicze; 7-spoina; 8-ciekły

żużel; 9-źródło prądu

Łączenie materiałów o grubości powyżej 15 mm w jednym przejściu.

Spawane blachy ustawione są pionowo, odstęp między łączonymi

brzegami – w zależności od ich grubości wynosi 20 – 42 mm.

W miejscu spawania przestrzeń między brzegami blach zamknięta jest

nakładkami miedzianymi (suwakami), chłodzonymi wodą.

Do tak ograniczonej przestrzeni dopływa drut elektrodowy i dosypywany

jest drobnymi porcjami topnik. Stopiony żużel utrzymuje się na

powierzchni jeziorka płynnego metalu.

Spawanie odbywa się bez jarzenia łuku, a zamiana energii elektrycznej w

cieplną odbywa się w warstwie żużla, który odgrywa rolę elementu

grzejnego (tysiące mikro łuków między elektrodą i topnikiem).

2016-03-31

13

SPAWANIE ELEKTRONOWE

SPAWANIE ELEKTRONOWE

Źródłem ciepłem – strumień elektronów emitowany przez katodę

(wolfram, tantal) – duża zdolność emisji elektronów w wysokiej

temperaturze

Elektrony skupione w wąski strumień poruszają się z prędkością do

190 000 km/s

Ciśnienie w komorze roboczej - od ok. 1,5 ∙10-4 Pa (spawarki o

wysokiej próżni)

Wiązka o gęstości mocy w zakresie 10 – 100 kW/mm2

Parametry spawania elektronowego:

• napięcie przyspieszające wiązkę elektronów U=10 – 200 kV

• natężenie prądu wiązki elektronów I = 10 – 1000 mA

• prędkość spawania v = 0,1 – 15 m/min

• średnica wiązki na powierzchni złącza d = 0,01 – 10 mm

• położenie ogniska wiązki względem górnej powierzchni złącza (na

głębokości ok. 1/3 – ½ wysokości spoiny)

Zastosowanie:

początkowo głównie do łączenia metali trudnotopliwych lub chemicznie

aktywnych jak W, Mo, Ti, V, Nb, Be, które z trudem daje się spawać innymi

metodami.

obecnie metodę tę stosuje się dosyć szeroko do wykonywania

skomplikowanych części maszyn z elementów wykonywanych z różnych

materiałów obrabialnych na gotowo.

Przetopienie do głębokości ok. 300 mm

SPAWANIE PLAZMOWE ( z łukiem zawężonym)

2016-03-31

14

Źródłem ciepła stapiającym metal jest łuk plazmowy , tzn. mechanicznie

zawężony przez dyszę łuk elektryczny, jarzący się w zjonizowanym gazie,

którym jest najczęściej argon.

W warunkach zawężonego łuku – a więc wysokiej gęstości przewodzącego

prądu i dużej koncentracji ciepła – strumień doprowadzonego do dyszy gazu

ulega dalszej silnej jonizacji, w wyniku której zmienia się on w strumień

plazmy, składającej się z jonów, wolnych elektronów i pojedynczych atomów.

Łuk jest zasilany prądem stałym i jarzy się między materiałem spawanym a

elektrodą nietopliwą wolframową, która jest katodą.

Temperatura spawalniczego łuku plazmowego wynosi ok. 10 0000 - 30 000 0C

Oprócz gazu plazmowego stosowany jest również gaz ochronny.

Spawanie przy natężeniach prądu od ok. 0,01 do ok. 30 A nosi nazwę

mikroplazmowego.

Zalety:

• wysoka stabilność kierunkowa zogniskowanego łuku (kąt rozwarcia łuku

nie przekracza 70 )

• niezależność kształtu łuku od zmiany odległości palnika od spawanego

przedmiotu,

• możliwość regulacji energii liniowej łuku

• wysoka sprawność łuku

Spawa się stale konstrukcyjne i stopowe, miedź i aluminium oraz ich stopy

Dokładnie przygotowane złącze.

SPAWANIE LASEROWE

Źródłem ciepła jest promień laserowy, który stanowi wiązkę koherentnego

promieniowania świetlnego (strumienia fotonów) o prawie jednakowej

długości fali, co daje możliwość skoncentrowania światła i uzyskania wielkiej

gęstości energii.

Do celów spawalniczych stosuje się lasery stałe z elementem czynnym

krystalicznym (np. rubin) oraz szklanym (szkło optyczne ).

Dokładnie przygotowane złącza pod względem mechanicznym i wymiarowym

2016-03-31

15

Wady spoin:

1. niedostateczna grubość spoiny,

2. zbyt grube nadlewy,

3. zanieczyszczenie spoiny żużlem,

4. porowatość spoiny (pęcherze),

5. niewłaściwy przetop,

6. rysy i pęknięcia,

7. przyklejenie spoiny