Jerzy Z. Sobolewski (red.), Janusz Sobieszczański, Stefan Kapiński

Techniki wytwarzania. Technologie bezwiórowe

Warszawa 2012

Politechnika Warszawska

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych

Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna"

02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel. (22) 849 43 07, (22) 234 83 48

ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: sto@simr.pw.edu.pl

Opiniodawca: prof. dr hab. inż. Sławomir BIAŁAS

Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK

Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ

Skład tekstu: Janusz BONAROWSKI

Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów

"Edukacja techniczno informatyczna"

Copyright © 2011 Politechnika Warszawska

Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany

ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych,

kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw

autorskich.

ISBN 83-89703-71-8

Druk i oprawa: STUDIO MULTIGRAF SP. Z O.O.

ul. Ołowiana 10, 85-461 Bydgoszcz

Spis treści

Wstęp...................................................................... 5

1. Odlewnictwo....................................................... 7

1.1. Tworzywa odlewnicze.................................................................. 8

1.2. Odlewanie w formach piaskowych............................................. 14

1.3. Specjalne metody wytwarzania odlewów................................... 31

1.4. Literatura do rozdziału 1............................................................. 44

2. Obróbka plastyczna ......................................... 47

2.1. Wiadomości ogólne .................................................................... 48

2.2. Kucie........................................................................................... 49

2.3. Walcowanie, ciągnienie, wyciskanie, przepychanie................... 57

2.4. Tłoczenie .................................................................................... 62

2.5. Literatura do rozdziału 2............................................................. 69

3. Spawalnictwo .................................................. 71

3.1. Wprowadzenie do procesów spawania i zgrzewania.................. 72

3.2. Przygotowanie powierzchni do spawania i budowa spoiny ....... 75

3.3. Naprężenia i odkształcenia spawalnicze..................................... 81

3.4. Pękanie połączeń spawanych...................................................... 86

3.5. Spawalność ................................................................................. 90

3.6. Podstawowy podział metod spawania ........................................ 91

3.7. Spawanie gazowe. Spawanie termitowe..................................... 92

3.8. Spawanie elektryczne lukowe .................................................... 94

3.9. Spawanie plazmowe ................................................................. 102

3.10. Spawanie elektrożużlowe ....................................................... 103

3.11. Spawanie elektronowe............................................................ 104

3.12. Spawanie laserowe ................................................................. 107

3.13. Podstawowe informacje o konstrukcji połączeń spawanych..109

3.14. Zgrzewanie ............................................................................. 114

3.15. Spawanie i zgrzewanie tworzyw sztucznych.......................... 126

3.16. Procesy pokrewne spawaniu................................................... 129

3.17. Literatura do rozdziału 3......................................................... 130

Wstęp Niniejsze materiały zostały opracowane w ramach realizacji Programu

Rozwojowego Politechniki Warszawskiej współfinansowanego przez

Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego -

PROGRAM OPERACYJNY KAPITAŁ LUDZKI. Przeznaczone są dla

studentów kierunku EDUKACJA TECHNICZNO INFORMACYJNA”

na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszaw-

skiej.

Niniejsze opracowanie przygotowano dla przedmiotu pt. „Techniki wy-

twarzania - technologie bezwiórowe ”. Jego zawartość merytoryczna

w pełni odpowiada zakresowi opisanemu w programie opracowanym dla

tego przedmiotu.

Całość opracowanych materiałów dydaktycznych dla ww. przedmiotu

zawarta została w 3 rozdziałach.

Rozdział 1 został poświęcony odlewnictwu. Omówiono w nim tworzywa

odlewnicze, odlewanie w formach piaskowych i specjalne metody

odlewania.

W rozdziale 2 przedstawiono podstawy obróbki plastycznej. Omówiono

w nim podstawowe rodzaje obróbki plastycznej jak: kucie, walcowanie,

ciągnienie, przepychanie, wyciskanie i tłoczenie.

W rozdziale 3 przedstawiono zarys procesów spawania i zgrzewania.

Przedstawiono istotę procesów spajania, omówiono naprężenia i od-

kształcenia spawalnicze, podstawowe metody spawania i zgrzewania.

Materiały uzupełniające i aktualizujące do przedmiotu będą udostępnia-

ne studentom za pośrednictwem systemu e-learning.

1 Odlewnictwo

W tym rozdziale:

o Tworzywa odlewnicze o Odlewanie w formach piaskowych o Specjalne metody odlewania o Literatura do rozdziału 1

ROZDZIAŁ 1

Strona 8888

1.1. Tworzywa odlewnicze

Wstęp

Odlewnictwo jest jedną z podstawowych metod wytwarzania części ma-

szyn. Udzial wagowy odlewów w światowym przemyśle samochodo-

wym, lotniczym, okrętowym, gospodarstwa domowego itp. dochodzi do

80% i ma tendencję wzrostową dzięki stosowaniu nowych technik

wytwarzania. Systematyczny wzrost produkcji można również zauważyć w Polsce, w 2007r. produkcja odlewów osiągnęła prawie 850 tys. ton,

a w roku 2008 produkcja przekroczyła 920 tys. ton. Zapotrzebowanie

na elementy maszyn wykonywane metodą odlewania związane jest m.in.

z faktem, że w Polsce wielkość produkcji w stosunku do pozostałych

krajów UE jest niekorzystna. W odlewnictwie żeliwa na 1 zatrudnionego

przypada w Polsce ok. 30 t rocznie a w najwyżej rozwiniętych krajach

wydajność ta sięga 100 t. W podręczniku omówiono tylko odlewnictwo

tworzyw odlewniczych metalowych (krócej zwanych metalami), których

znaczenie i zastosowanie - mimo wzrastającej konkurencji tworzyw

sztucznych jest największe.

Podział tworzyw

Tworzywa odlewnicze dzieli się na: stopy żelaza (żeliwa i staliwa) i sto-

py metali nieżelaznych. Żeliwo jest to stop żelaza z węglem zawierający

zwykle od 2,2% do 3,8% C. Staliwo jest to stal zawierająca od 0,1 do

0,6% C odlewana w formach odlewniczych. Około 90% odlewów wyko-

nuje się ze stopów żelaza, w tym na odlewy z żeliwa szarego przypada

około 85% produkcji, na odlewy ze staliwa około 10%, a na odlewy

z żeliwa ciągliwego 5% produkcji.

Żeliwa szare

Najbardziej rozpowszechnionym odlewniczym stopem żelaza jest żeliwo

szare, w którym cały węgiel (ponad 2%) lub znaczna jego część wystę-puje w postaci wolnej w formie płatków grafitu. Powszechność stosowa-

nia odlewów z żeliwa szarego wypływa z jego dobrych właściwości

użytkowych przy stosunkowo małych kosztach produkcji (małe koszty

topienia, bardzo dobre właściwości odlewnicze, mały, około 1%, skurcz

ODLEWNICTWO

Strona 9999

odlewniczy, zdolność tłumienia drgań, dobra skrawalność). Żeliwo szare

dzieli się, zgodnie z PN-EN 1561:2000, na sześć gatunków, które ozna-

czamy znakiem EN-GJL- i liczbami 100, 150, 200, 250, 300, 350. Licz-

by te podają minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm MPa. Materiał

może być też oznaczony odpowiednimi numerami np EN-JL1010 (dla

żeliwa EN-GJL-100), EN-JL1060 (dla żeliwa EN-GJL350). Żeliwa EN-

GJL-100, 150 (ferrytyczne) stosuje się na odlewy handlowe, rury kanali-

zacyjne, żeliwa EN-GJL-200,300 (ferrytyczno – perlityczne) na cylindry,

tłoki, łoża obrabiarek a EN-GJL-350 (perlityczne) stosuje się na silnie

obciążone elementy maszyn, korpusy silników, turbin.

UWAGA! Wytrzymałość i twardość żeliwa szarego jest silnie zależna od grubości ścianek odlewu, np. odlew o grubości ścianki 5÷10 mm ma Rm =205 MPa przy twardości 225 HB (Brinella), a odlew o grubości ścianki 20÷40 mm ma Rm =155 MPa przy twardości 155 HB.

Żeliwa sferoidalne

Żeliwo sferoidalne stosuje się w przypadkach, w których wymagana jest

duża wytrzymałość i wysoka granica plastyczności (kadłuby, korpusy,

korbowody), duża wytrzymałość zmęczeniowa w granicach 157-196

MPa (wały korbowe i rozrządu) oraz duża odporność na ścieranie (tuleje,

koła zębate). Wytrzymałość żeliwa sferoidalnego, w porównaniu do że-

liwa szarego jest przeciętnie dwukrotnie wyższa. Daje to możliwość konstrukcji odlewów o istotnie obniżonym ciężarze w stosunku do odle-

wów z żeliwa szarego. Żeliwo to otrzymuje się przez dodanie do żeliwa

szarego modyfikatorów (magnezu lub stopów magnezu) w wyniku czego

część węgla wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci kulek grafitu, a

nie jak w żeliwie szarym w postaci płatków grafitu. Żeliwo sferoidalne

dzieli się, zgodnie z PN-EN 1563:2000, na trzynaście gatunków Pod-

stawą klasyfikacji jest wytrzymałość na rozciąganie Rm. Oznaczenia ma-

teriału dokonuje się za pomocą znaku lub numeru.

Przykład oznaczenia: żeliwo o znaku EN-GJS-350-22 (nr EN-JS1010)

oznacza Rm =350 MPa, umowną granicę plastyczności Rpo,2 =220 MPa

i wydłużenie A5 =22% min.

Żeliwa ciągliwe

Otrzymuje się je z żeliwa białego (pominięto jego omówienie) przez wy-

żarzanie w temperaturze 900-1000 o C przez długi czas (około 1000 go-

dzin). Podczas tego zabiegu bardzo twardy i kruchy składnik żeliwa -

cementyt (węglik żelaza) przemienia się w tzw. węgiel żarzenia, dzięki

ROZDZIAŁ 1

Strona 10101010

czemu materiał staje się plastyczny, osiągając wydłużenie do 12% oraz

całkowicie obrabiany skrawaniem przy wytrzymałości na rozciąganie

290÷700 MPa. Stosowane jest do wytwarzania drobnych odlewów

części maszyn rolniczych, motoryzacyjnych (np. przeguby Cardana),

armatury itp. Zgodnie z PN-EN 1562:2000, dzieli się je na dwa rodzaje

oznaczone znakiem lub numerem. Cyfry w znakach podają kolejno

minimalną wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie A3,4 (min).

Przykłady oznaczeń:

• żeliwo ciągliwe białe np. EN-GJMW-350-4 posiada

Rm = 350 MPa i A3,4= 4%,

• żeliwo ciągliwe czarne np. EN-GJMB-300-6 posiada

Rm=300 MPa i A3,4=6%.

Żeliwa austenityczne

Żeliwa austenityczne, zwane dawniej żeliwami stopowymi, są to ma-

teriały wysokostopowe o osnowie austenitycznej, zawierającej nikiel

(12÷36%) i mangan (0,5÷7) oraz niekiedy miedź i chrom. PN-EN

13835:2005 określa gatunki żeliwa austenitycznego konstrukcyjnego

oraz żeliwa specjalnego przeznaczenia. Oznacza się je symbolami EN-

GJLA-XNi, dalej następują symbole chemiczne pierwiastków stopowych

i liczby określające ich średnią procentową zawartość. Żeliwa te są od-

porne na działanie wysokiej temperatury i korozję lecz stosowane są głównie ze względu ich własności magnetyczne lub bardzo małą rozsze-

rzalność cieplną.

Przykład oznaczenia: żeliwo konstrukcyjne o znaku EN-GJLA-

XNiCuCr15-6-2 (nr EN-JL3011) posiada Rm =170÷210 MPa, moduł

sprężystości E =85÷105·103 MPa i wydłużenie A5 =2%.

Staliwa węglowe

Staliwo węglowe wg PN - ISO 3755:1994 obejmuje 8 gatunków staliw

w zależności od wartości wytrzymałości na rozciąganie i wartości wy-

raźnej granicy plastyczności oraz w zależności od tego czy dobór składu

chemicznego pozostawia się producentowi, czy też jest on określony

w normie (litera W przy oznaczeniu gatunku staliwa). Gatunki oznaczo-

ne literą W zawierają 0,25 % C, 1,0-1,5 % Mn, 0,6 % Si oraz inne

pierwiastki, których suma nie powinna przekraczać 1 % (przeznaczone

są do spawania). Staliwa zawierające do 0,25 % C są dobrze spawalne,

do 0,35 % C spawalne. Oznaczenie gatunku staliwa składa się z liczb

ODLEWNICTWO

Strona 11111111

określających granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie,

rozdzielonych myślnikiem.

Przykład oznaczenia:

staliwo węglowe 340-550W posiada Re =340 MPa i Rm =550 MPa.

Staliwa stopowe konstrukcyjne

Wg PN-EN 10340:2007 oznaczenie gatunku składa się z: litery L, liczby

określającej średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta, liter

oznaczających pierwiastki stopowe: F - wanad, G - mangan, S - krzem,

H - chrom, N - nikiel, M – molibden, np. gatunek L35HGS zawiera

0,30÷040% C, 0,60÷0,80% Si, 1,10÷1,50% Mn, 0,60÷090% Cr.

Przykład oznaczenia:

staliwo stopowe L35HGS zawiera 0,30÷0,40% C, 0,60÷0,80% Si,

1,10÷1,50% Mn, 0,60÷0,90% Cr Re =340 MPa Rm =550 MPa.

Obróbka cieplna odlewów ze stopów żelaza

Obróbka cieplna odlewów ma na celu poprawę właściwości mechanicz-

nych odlewu. Zależnie od potrzeby przeprowadza się obróbkę cieplną w celu zmniejszenia twardości przed obróbką skrawaniem, usunięcia

naprężeń własnych odlewu, utwardzania odlewu. Podstawową obróbką cieplną stosowaną do ważniejszych odlewów jest wyżarzanie odpręża-

jące. Do odlewów żeliwnych najczęściej stosuje się wyżarzanie odpręża-

jące w temperaturze około 500 C, usuwające naprężenia powstałe pod-

czas krzepnięcia odlewu. Często stosuje się wyżarzanie zmiękczające

(760 - 820 C) powodujące częściową grafityzację cementytu. Odlewy staliwa poddaje się zawsze normalizowaniu, a ponadto można je pod-

dawać różnym rodzajom obróbki cieplno-chemicznej, jak nawęglaniu,

azotowaniu, hartowaniu z odpuszczaniem itp. co znacznie poprawia

właściwości mechaniczne odlewu. Do najczęściej stosowanych operacji

obróbki cieplno chemicznej stopów odlewniczych należą:

• nawęglanie staliwa (głębokość warstwy 0,4÷1,4 mm),

• azotowanie ( głębokość warstwy 0,02÷0,06 mm) i cynkowa-

nie staliwa i żeliwa,

• aluminiowanie żeliwa (głębokość warstwy 0,2÷0,5 mm),

ROZDZIAŁ 1

Strona 12121212

• nachromowywanie (głębokość warstwy 0,05÷0,15 mm),

• nakrzemowywanie (głębokość warstwy 0,2÷0,9 mm).

Stopy metali nieżelaznych

W krajach wysoko uprzemysłowionych stale wzrasta udział odlewów ze

stopów metali nieżelaznych, głównie aluminium, miedzi, cynku, ołowiu

magnezu i tytanu. W przemyśle lotniczym szerokie zastosowanie znajdu-

ją stopy magnezu i tytanu. Sposób oznaczeń opiera się na systemie ozna-

czeń numerycznych i na podstawie symboli chemicznych. Cyfry po sym-

bolach chemicznych oznaczają średnią zawartość procentową głównych

składników stopowych.

Stopy aluminium

Stopy aluminium charakteryzują się małą gęstością przy dobrej wytrzy-

małości i znalazły szerokie zastosowanie w budowie maszyn. Podział

stopów zawarto w PN-EN 1706:2011. Zarówno oznaczenie numeryczne

jak i oznaczenie symbolami chemicznymi zaczyna się od liter EN AB-.

Oznacza się również typ stopu, np. stopy typu AlCu składają się z 2 składników (w nawiasach oznaczenie symbolami chemicznymi):

1. EN AB-21000 (EN AB-AlCu4MgTi); 2. EN AB-21100 (EN AB-

AlCu4Ti). Często stosowany na skomplikowane odlewy jest silumin

(oznaczany dawniej AK9): EN AB-43200 czyli EN AB-AlSi10Mg(Cu)

Ze względu na dobre własności mechaniczne (Rm < 300 MPa, A5 <

27%) szerokie zastosowanie znajduje stop PA6. Odlewy te można

poddawać hartowaniu i odpuszczaniu.

Odlewy ze stopów aluminium z miedzią, magnezem oraz niektóre stopy

magnezu poddaje się przesyceniu i starzeniu.

Stopy miedzi

Miedź odznacza się doskonalą przewodnością cieplną i elektryczną. Wy-

kaz stopów miedzi i ich własności mechaniczne podaje norma PN-EN

1982:2008. Materiał oznacza się znakiem wg ISO 1190-1 lub numerem

wg EN-1412. Jej stopy dzieli się na brązy (stopy z cyną) i mosiądze

(stopy z cynkiem). Przykładowo, stop miedzi z cyną i ołowiem

CuSn5Zn%Pb5-C ma numer CC49491K i zawiera około 85% Cu i po

5% Sn, Zn i Pb. Stopy miedzi odznaczają się dobrą lejnością a odlewy

dobrą skrawalnością oraz odpornością na ścieranie i korozję. Można je

poddawać obróbce cieplnej jak: wyżarzanie odprężające i ujednorod-

niające, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie (brązy berylowe)

i starzenie.

ODLEWNICTWO

Strona 13131313

Stopy cynku

Stopy cynku wg PN-EN 12844:2001 nadają się na odlewy o dużej do-

kładności wymiarowej. Stopy cynku z aluminium, zwane „znalami”,

stosowane przede wszystkim na odlewy ciśnieniowe np. ZnA14 (Z40),

na stopy łożyskowe np. ZnAl30Cu1, wyroby prasowane, armaturę. Prze-

ważnie mają one niedostateczną odporność na korozję i pełzanie.

Stopy magnezu

Magnez jest najlżejszym metalicznym materiałem o gęstości 1,8g/cm3.

W praktyce stosowane są przede wszystkim stopy magnezu z alumi-

nium, cynkiem i manganem. W porównaniu ze stopami aluminium mają lepszą obrabialność skrawaniem i mniejszą granicę plastyczności. W ce-

lu podwyższenia właściwości mechanicznych stopy magnezu z alumi-

nium można poddawać obróbce cieplnej (przesycanie i starzenie). Naj-

większe zastosowanie stopy magnezu znajdują w budowie przyrządów

precyzyjnych, samochodów (np. korpusy przekładni samochodowych),

sprzętu biurowego i w przemyśle lotniczym. Wyroby ze stopów magne-

zu wytwarzane są z dosyć dużą dokładnością jako stopy ciśnieniowe, np.

stop MgAl16Mn jest stosowany do odlewania pod ciśnieniem obręczy

kół samochodowych. Wymagania odlewów są określone w normie PN-

EN 1753:2001 i PN-EN 12421:2001.

Stopy tytanu

Tytan jest lekki, ma dobrą sztywność, wytrzymałość (moduł Younga

E=110 GPa dla czystego Ti) oraz odporność na temperaturę. Posiada

wyjątkowo korzystne własności takie jak: duży stosunek wytrzymałości

do masy (do 20:1), dużą odporność na kruche pękanie, korozję i utlenia-

nie. Z uwagi na lepszą współpracę z materiałami kompozytowymi niż aluminium jest stosowany coraz częściej w konstrukcji nowych samolo-

tów (np. w nowym samolocie Boeinga – 787 Dreamliner [1]). Jest stoso-

wany w produkcji elementów silników, turbin i sprężarek jak i ele-

mentów nośnych w przemyśle lotniczym. Najczęściej stosowany jest

stop Ti6Al4V [4], jednak z uwagi na wysoką wytrzymałość zmęcze-

niową coraz częściej jest stosowany stop tytanu Ti-5Al-5V-5Mo-3CrZ.

Normy PN-EN regulują postanowienia dotyczące poziomu jakości i ter-

minologie dotyczące dostaw odlewów na rynku europejskim. Wykaz

tych norm podano w tabeli 1

ROZDZIAŁ 1

Strona 14141414

Tabela 1.1. Postanowienia dotyczące poziomu jakości i terminologie dotyczące dostaw odlewów

Nr normy Nazwa

PN-EN 1559-1: 2001 Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 1:

Postanowienia ogólne

PN-EN 1559-2:2002 Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 2:

Wymagania dodatkowe dla odlewów staliwnych

PN-EN 1559-3:2001 Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 3:

Wymagania dodatkowe dla odlewów żeliwnych

PN-EN 1559-4:2002 Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 4:

Wymagania dodatkowe dla stopów aluminium

PN-EN 1559-5:2001

Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 5:

Wymagania dodatkowe dla odlewów ze stopów

magnezu

PN-EN 1559-6:2002 Odlewnictwo –Warunki Techniczne dostawy – Cz. 6:

Wymagania dodatkowe dla odlewów ze stopów cynku

PN-EN 1982: 2010 Odlewnicze stopy miedzi, wymagania

1.2. Odlewanie w formach piaskowych

Pojęcia podstawowe

W odlewnictwie jednym z najważniejszych pojęć jest forma odlewni-cza. Jest to zespół elementów, które po złożeniu tworzą wnękę formy

odlewniczej o kształtach odpowiadających kształtom odlewu. Odlewanie

przedmiotu polega na wypełnianiu odpowiednio przygotowanych form

odlewniczych ciekłym metalem. Istnieje wiele metod przygotowania

form odlewniczych, zostaną one omówione dalej. Podstawowe pojęcia w

odlewnictwie zostaną wytłumaczone na przykładzie odlewania ręcznego

w formach piaskowych. W formach tych wytwarza się około 80-90%

odlewów ze stopów żelaza i 10-20% odlewów z metali nieżelaznych W

porównaniu z odlewami piaskowymi, odlewy wykonane innymi meto-

dami charakteryzują się większą dokładnością wymiarową i mniejszą chropowatością powierzchni.

Do wykonania formy piaskowej stosuje się masę formierską, tj. miesza-

ninę materiałów ceramicznych (np. piasku) ze spoiwem. W celu przygo-

towania formy należy użyć modelu odlewniczego (rysunek 1.1), który

ODLEWNICTWO

Strona 15151515

odtwarza zewnętrzny kształt przedmiotu odlewanego z uwzględnieniem

technologicznych warunków procesu odlewania. Kształty wewnętrzne

przedmiotu (otwory, kanały, zagłębienia itp.) odtwarzane są za pomocą rdzeni. Rdzenie są wykonane w skrzynkach rdzeniowych zwanych

rdzennicami. Stosowanie rdzeni powoduje konieczność umieszczenia na

modelu dodatkowych części, tzw. znaków rdzeniowych, które odtwo-

rzone następnie w formie służą do umieszczenia w nich rdzeni. Aby

umieścić rdzeń w formie (rysunek 1.1), należy zaopatrzyć go w dodatko-

we części, tzw. rdzenniki, służące do utrzymania rdzenia w ściśle okreś-lonym miejscu formy. Modele odlewnicze wykonuje się najczęściej jako

dzielone, gdyż ułatwia to wykonanie formy. Od wyboru powierzchni

podziału modelu zależy jego budowa, przebieg formowania oraz dokład-

ność wymiarów odlewu. Podział modelu może być dokonany w jednej

albo kilku płaszczyznach. W niektórych modelach stosuje się podział

według powierzchni krzywej.

UWAGA! Główną przyczyną stosowania podziału modelu jest uzyskanie możliwości wyjęcia go z formy. Zazwyczaj płaszczyzna podziału przechodzi przez największy przekrój odlewu. Taki podział ułatwia składanie formy, dokładne ustawienie rdzeni, zagęszczanie masy itd.

Wymiary zaprojektowanego modelu powinny uwzględniać skurcz

metalu podczas krzepnięcia i stygnięcia (rysunek 1.6). Z tego powodu

przy projektowaniu modelu dodaje się do wymiarów przedmiotu pewne

naddatki na kurczenie się odlewu. Naddatki na skurcz są zależne od

rodzaju metalu. Liczbowe wartości skurczu liniowego najczęściej

używanych w odlewnictwie stopów są następujące:

• żeliwo szare 1%,

• staliwo 2%,

• stopy aluminium i magnezu 1-1,5% ,

• stopy cynku i miedzi 0,5%.

Formę wypełnia się ciekłym metalem przez system kanałów i zbiorni-

ków wykonanych w formie odlewniczej zwanych układem wlewowym,

który jest wykonywany za pomocą modeli układu. Podstawą do opraco-

wania kompletu modelowego (modelu części odlewanej, modeli układu

wlewowego oraz rdzeni) jest rysunek części przeznaczonej do odlewa-

nia. Na tej podstawie można opracować rysunek surowego odlewu,

wykonać model i rdzeń (lub rdzenie) oraz zaprojektować model układu

ROZDZIAŁ 1

Strona 16161616

wlewowego. Na rysunku 1.1 przestawiono uproszony rysunek surowego

odlewu, model, rdzeń oraz formę gotową do zalania płynnym metalem

dla części, której formowanie pokazano na rysunku 1.2. Sposób tworze-

nia rysunku odlewu będzie szczegółowo omówiony dalej.

Dla ułatwienia wyjęcia modelu z formy i zapobieżeniu obrywaniu się krawędzi formy lub rdzenia pochyla się nieco powierzchnie pionowe

w modelach i znakach rdzeniowych. Odchylenie o pewien kąt powierz-

chni modelu od pionu nazywa się pochyleniem odlewniczym lub zbież-nością. Można je wyrażać w stopniach lub procentach. Np. jeżeli na

długości 100 mm odchylenie od pionu wynosi 1 mm, to pochylenie jest

równe 1/100 x100% = 1%. W innych metodach, np. przy odlewaniu

kokilowym, ciśnieniowym - pochylenia służą do wyjęcia gotowego

odlewu z formy.

Rysunek 1.1. Elementy tworzenia formy odlewniczej: a) rysunek surowego odlewu, b) model, c) rdzeń,

d) forma gotowa do zalania; ZR – znaki rdzeniowe, ZW – zbiornik wlewowy, WG – wlew główny,

WR – wlew rozprowadzający, WD – wlewy doprowadzające, PR – przelew, SG – skrzynka górna, SD – skrzynka dolna

Formowanie ręczne

Formę odlewniczą wykonuje się w skrzynkach formierskich ogranicza-

jących wymiary formy i zabezpieczających masę formierską przed roz-

sypaniem się. Po zagęszczeniu masy formierskiej i wyjęciu modelu (lub

połówek modeli) formę wykańcza się, wkłada rdzeń i składa skrzynki

za pomocą sworzni prowadzących. Przebieg procesu formowania i kolej-

ność czynności formowania przedstawiono na przykładzie modelu nie-

dzielonego na rysunku 1.2.

ODLEWNICTWO

Strona 17171717

Kolejność formowania formy

a. ustawienie modelu (bez górnego odejmowanego znaku rdze-

niowego) oraz modeli wlewów doprowadzających na płycie

podmodelowej,

b. nałożenie dolnej skrzynki formierskiej i pokrycie pudrem,

c. nasianie przez sito warstwy masy przymodelowej,

d. napełnianie skrzynki masą wypełniającą,

e. ubijanie masy w skrzynce,

f. zgarnięcie nadmiaru zagęszczonej masy,

g. wykonanie kanałów odpowietrzających za pomocą nakłuwania,

h. odwrócenie wykonanej dolnej połowy formy o 180º, ustawienie

górnego znaku rdzeniowego, ustawienie na modelach wlewów

doprowadzających modelu belki wlewowej (wlew rozprowadza-

jący) i modelu wlewu głównego,

i. ustawienie wg sworzni ustalających górnej skrzynki formierskiej

i pokrycie powierzchni pudrem,

j. nasianie przez sito masy przymodelowej i powtórzenie dotych-

czasowych czynności, jak przy wykonywaniu dolnych części

formy, wykonanie zbiornika wlewowego i wyjęcie modelu wle-

wu głównego,

k. zdjęcie górnej połowy formy, obrócenie jej o 180º, wyjęcie mo-

delu przedmiotu i modeli układu wlewowego oraz kontrola

twardości formy,

l. wstawienie rdzenia odtwarzającego otwór do dolnej części

formy,

m. montaż formy oraz jej obciążenie.

ROZDZIAŁ 1

Strona 18181818

Rysunek 1.2. Przebieg ręcznego wykonania formy z modelu niedzielonego (ze znakami rdzeniowymi) w masie formierskiej

(opis a) ÷ n) w tekście) [6]: ZW – zbiornik wlewowy, WG – wlew główny, WR – wlew rozprowadzający, WD – wlewy doprowadzające

UWAGA! Na rysunku 1.2n pokazano gotowy odlew razem z układem wlewowym. Na rysunku tym brak nadlewu PR pokazanego na rysunku 1.1. Po obcięciu układu wlewowego i oczyszczeniu odlewu otrzymuje się przedmiot zgodny z rysunkiem odlewu (rysunek 1.1a).

W metodzie odlewania w formie piaskowej można wyróżnić następują-ce etapy, będące podstawą do organizacji pracy w odlewni:

1. przygotowanie modelu przedmiotu przeznaczonego do odlania

(w modelarni),

2. przygotowanie rdzeni, jeżeli są przewidziane (w rdzeniarni),

3. przygotowanie formy odlewniczej,

4. przygotowanie w piecach odlewniczych ciekłego metalu prze-

znaczonego do wypełnienia formy (dział metalurgiczny),

5. zalanie ciekłym metalem formy odlewniczej,

ODLEWNICTWO

Strona 19191919

6. wybicie z formy, czyszczenie i wykończenie odlewu (dział ob-

róbki mechanicznej) oraz ewentualna obróbka cieplna (dział

obróbki cieplnej).

Podział metod wytwarzania odlewów

W praktyce odlewniczej są stosowane formy nietrwałe (jednorazowe),

półtrwałe i trwałe (rysunek 1.3). Formy nietrwałe po zalaniu metalem

ulegają całkowitemu zniszczeniu (np. formy piaskowe). W formach

półtrwałych można wykonać kilka do kilkuset odlewów. Formy trwałe,

najczęściej metalowe praktycznie nie ulegają zniszczeniu i można w nich

wykonywać nawet do kilkudziesięciu tysięcy odlewów. Przy produkcji

seryjnej formy piaskowe wykonuje się maszynowo w skrzynkach for-

mierskich z zagęszczaniem masy formierskiej na wstrząsarkach, prasach

lub narzucarkach lub bezskrzynkowo. Dokładne formy są wytwarzane

najczęściej metodami: wytapianych modeli, Shawa, skorupowo i ciśnie-

niowo. Do form trwałych zalicza się formy metalowe (kokile) służące do

odlewania grawitacyjnego, ciśnieniowego (odśrodkowe, próżniowo-ciś-nieniowe) oraz odlewania ciągłego.

Obecnie coraz szerzej stosuje się w odlewnictwie precyzyjnym do

wytwarzania form jak również modeli i rdzeni metody szybkiego

prototypowania (RT – z ang. Rapid Technology lub RP – z ang. Rapid

Prototyping). Metody RP umożliwiają skrócenie czasu wykonywania

modelu i formy z kilku tygodni do kilku godzin i znaczną redukcję (do 80%) kosztów narzędziowych [3].

ROZDZIAŁ 1

Strona 20202020

Rysunek 1.3 Podział metod wytwarzania odlewów [6]

ODLEWNICTWO

Strona 21212121

Dokładność wykonania odlewów

Tabela 1.2. Tolerancje odlewów (według PN-ISO 8062:1997)

Wymiar podstawowy

surowego odlewu Tolerancja odlewu mm

Klasa tolerancji odlewu CT

(Casting tolerances) powyżej do

włącznie 7 8 9 10 11 12 13

-

10

16

10

16

25

0,74

0.78

0,82

1

1,1

1,2

1,5

1,6

1,7

2

2,2

2,4

2,8

3

3,2

4,2

4,4

4,6

-

-

6

25

40

63

40

63

100

0.9

1

1,1

1,3

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,6

2,8

3,2

3,6

4

4,4

5

5,6

6

7

8

9

100

160

250

160

250

400

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,5

2,8

3,2

3,6

4

4,4

5

5,6

6,2

7

8

9

10

11

12

Zgodnie z normą PN-ISO 8062:1997 istnieje 16 klas tolerancji odlewów,

oznaczonych CT1 do CT16 (tabela 1.2).Tolerancje odlewu zależą od wy-

miarów podstawowych surowego odlewu i powinny być symetryczne.

Wymiar podstawowy jest to wymiar surowego odlewu przed obróbką skrawaniem (rysunek 1.4), zawierający niezbędny naddatek na obróbkę skrawaniem (w przypadku powierzchni podlegającej tej obróbce).

Dobór klasy zależy od metody odlewania. Norma podaje tylko tolerancje

dla odlewów wykonanych do form piaskowych formowanych ręcznie i

maszynowo oraz dla formowania skorupowego (tabela 1.3).

Tabela 1.3. Klasy tolerancji dla wielkoseryjnej produkcji odlewów (według PN-ISO 8062:1997)

Klasa tolerancji CT

Materiał odlewany Metoda

Staliwo Żeliwa Stopy metali

lekkich

Odlewanie do form piaskowych

ręcznie formowanych 11÷14 11÷14 9÷13

Odlewanie do form piaskowych

formowanie maszynowe i skorupowe 8÷12 8÷12 7÷10

ROZDZIAŁ 1

Strona 22222222

Rysunek surowego odlewu

Rysunek surowego odlewu jest podstawowym dokumentem do opraco-

wania dokumentacji technologicznej, zwłaszcza do opracowania wymia-

rów modelu i rdzeni oraz do kontroli odbioru modelu i wykonanego od-

lewu. Jest on wykonany na podstawie rysunku części odlewanej (rysu-

nek 1.4a). Rysunek odlewu należy przedstawić w położeniu zalewania

formy.

Najważniejsze informacje i oznaczenia podane na rysunku surowego od-

lewu (rysunek 1.4b) są następujące:

a. dane rozpoznawcze,

b. oznaczenie gatunku materiału odlewu,

c. naddatki na obróbkę skrawaniem, tolerancje wymiarowe oraz

odchyłki masy,

d. oznaczenie powierzchni podziału modelu,

e. oznaczenie powierzchni bazowych przy obróbce skrawaniem,

f. naddatki technologiczne,

g. pochylenia formierskie,

h. chropowatość powierzchni,

i. dane dotyczące specjalnych wymagań stawianych odlewom

i rodzaj obróbki cieplej.

Ad. a). Dane rozpoznawcze obejmują nazwę części odlewanej, numer

rysunku części odlewanej i surowego odlewu Dane te podaje się w tab-

liczce na rysunku, dodatkowo podaje się w tabliczce masę surowego

odlewu z układem wlewowym, nadlewkami i przelewami.

Ad. b). Podane są informacje odlewnicze dotyczące dokładnego określe-

nia tworzywa odlewu, wpisywane również w tabliczkę rysunku.

Ad. c). Wartość tolerancji wymiarowych, naddatków na obróbkę skra-

waniem oraz odchyłek masy zależy od klasy dokładności odlewu, mater-

iału odlewanego i metody odlewania (tablice 1.2, 1.3, 1.4, 1.5).

ODLEWNICTWO

Strona 23232323

Rysunek 1.4. Przykład tworzenia rysunku surowego odlewu (b) wykonanego na podstawie rysunku części (a)

UWAGA! Wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem obowiązuje dla całego surowego odlewu, tj. tylko jedną wartość wyszczególnia się dla wszystkich obrabianych powierzchni. Należy dobrać ją z odpowiedniego szeregu wymiarowego w zależności od naj-większego wymiaru odlewu po obróbce skrawaniem. Największy wymiar odlewu nie może przekraczać sumy wymia-ru końcowego, naddatku na obróbkę skrawaniem i tolerancji odlewu (rysunek 1.5). Jeżeli trzeba zastosować pochylenia odlewnicze, należy je rozpatrywać dodatkowo.

ROZDZIAŁ 1

Strona 24242424

Zgodnie z PN-ISO 8062:1997 [11] istnieje 10 stopni naddatków na

obróbkę skrawaniem oznaczonych literami od A do K. W tablicy 1.4 po-

dano stopnie naddatków na obróbkę skrawaniem RMA (ang. Required

Machining Allowance) zalecane dla niektórych metali i stopów.

Tablica 1.4. Typowe stopnie naddatków na obróbkę skrawaniem dla odlewów (według PN-ISO 8062:1997)

Stopień naddatku na obróbkę skrawaniem

Materiał odlewany Metoda odlewania

Staliwo

Żeliwo szare,

sferoidalne,

ciągliwe

Stopy

metali

lekkich

Odlewanie do form piaskowych, formowanie

ręczne G÷K F÷H F÷H

Odlewanie do form piaskowych, formowanie

maszynowe i skorupowe F÷H E÷G E÷G

Odlewanie do form metalowych

(grawitacyjne i niskociśnieniowe) - D÷F D÷F

Odlewanie ciśnieniowe - - B÷D

Odlewanie metodą wytapianych modeli E E E

Tolerancje powinny być podane według jednego z następujących

sposobów:

• z ogólną informacją dotyczącą tolerancji: np. „Tolerancje

ogólne ISO 8062 – CT12” dotyczy to tolerancji przy ogólnie

przyjętych symetrycznych odchyłkach,

• jeżeli przy wymiarze podstawowym jest umieszczona tole-

rancja indywidualna: np. „95 +3 ”, to należy ją podać bezpośrednio po tym wymiarze.

Na rysunku 1.4b przyjęto tolerancje symetryczne dla wszystkich

wymiarów i podano je dla każdego wymiaru dla zobrazowania sposobu

ich doboru.

Na rysunku surowego odlewu należy przedstawić powierzchnie które

powinny być obrabiane, w uwadze podać wartość naddatków na obróbkę skrawaniem (na rysunku 1.4b RMA= 2) i w nawiasie stopień wymagane-

go naddatku. Dane te należy uwzględnić, wykonując modele i oprzyrzą-dowanie odlewnicze.

Kształt odlewu należy przedstawić w położeniu zalewania formy, przy

czym w miarę możliwości zaleca się podziałkę 1:1. Obrys odlewu przed

obróbką zaznacza się linią ciągłą. W ten obrys wrysowuje się linią „-..-"

ODLEWNICTWO

Strona 25252525

obrys odlewu po obróbce skrawaniem. Odległość między tymi liniami,

czyli wielkość naddatku na obróbkę można dla większej jasności podać na rysunku. W przypadku, gdy odlew jest pokazany w przekroju, a chce

się wyraźnie podkreślić wielkość naddatku na obróbkę, odległość mię-dzy tymi liniami zakreskowuje się podwójnie gęsto w porównaniu z po-

zostałą powierzchnią przekroju.

Rysunek 1.5. Określenie wymiarów odlewu przy obróbce skrawaniem. a) zewnętrznych i wewnętrznych, b) powierzchni stopniowanych,

c) jednej powierzchni bocznej [5]: R – wymiar podstawowy surowego odlewu, F – wymiar krańcowy po obróbce skrawaniem, RMA – wymagany naddatek na obróbkę skrawaniem,

CT – tolerancja odlewu

UWAGA! Naddatki na obróbkę skrawaniem są zależne nie tylko od klasy odlewu ale i od położenia odlewu w formie. Dopuszcza się zwiększenie naddatków na górnej powierzchni odlewu do 50% wartości podanych w tablicach.

ROZDZIAŁ 1

Strona 26262626

Tablica 1.5. Naddatki na obróbkę skrawaniem RMA (Required machining allowance) - według PN-ISO 8062:1997

Największy

wymiar

mm

Naddatki na obróbkę skrawaniem

mm

Stopień naddatku na obróbkę skrawaniem Pow. do

włącz. B C D E F G H

-

40

63

100

160

250

400

630

40

63

100

160

250

400

630

1000

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

0,8

0,9

0,2

0,3

0,4

0,5

0,7

0,9

1,1

1,2

0,3

0,3

0,5

0,8

1

1,3

1,5

1,8

0,4

0,4

0,7

1,1

1,4

1,8

2,2

2,5

0,5

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,5

0,7

1,4

2,2

2,8

3,5

4

5

0,7

1

2

3

4

5

6

7

Ad. d). Powierzchnia podziału formy odlewniczej (przy formowaniu

w dwóch skrzynkach) dzieli umownie odlew na dwie części - górną, znajdującą się w czasie zalewania metalem w górnej części formy i dol-

ną, położoną w dolnej części formy. Powierzchnia podziału formy decy-

duje o położeniu modelu przy zalewaniu, sposobie wykonania formy,

rodzaju modelu itp., dlatego strzałki na powierzchni podziału formy

wskazują kierunek wyjmowania modelu z formy. Ma ona być tak

wybrana, ażeby wysokość modelu (odlewu) była jak najmniejsza, a po-

dział powinien przechodzić przez największy przekrój modelu i odlewu.

UWAGA! Powierzchnia podziału powinna zapewnić łatwe wyjęcie z formy:

- modelu – np. przy odlewaniu do form piaskowych, - odlewu – np. przy odlewaniu kokilowym czy ciśnieniowym.

• Najbardziej istotne powierzchnie odlewu powinny znajdo-

wać się w dolnej części formy, ponieważ powierzchnie po-

łożone w górnej części formy są przeważnie zanieczysz-

czone żużlem, masą formierską, mogą w nich występować wady odlewnicze, takie jak: jamy skurczowe, pęcherze gazo-

we, rzadzizny itp. Zgodnie z tą zasadą, odlewy o kształcie

ciał obrotowych z obrabianymi cylindrycznie powierzchnia-

ODLEWNICTWO

Strona 27272727

mi zewnętrznymi lub wewnętrznymi (tuleje cylindrów, bęb-

ny, wrzeciona) odlewa się w położeniu pionowym.

• Z kilku możliwych powierzchni podziału należy wybrać tę, przy której model nie będzie dzielony; wtedy odlew będzie

znajdował się w jednej, dolnej skrzynce. Wprowadzenie

dwóch lub więcej powierzchni podziału zmniejsza dokład-

ność odlewu oraz utrudnia lub uniemożliwia formowanie

maszynowe.

• Dobór powierzchni podziału oraz położenie modelu przy

formowaniu powinno zapewnić jak najmniejszą liczbę rdze-

ni, przy tym należy przewidzieć możliwość pewnego ich

ustawienia, najlepiej w dolnej części formy.

• Elementy odlewu o cienkich ściankach powinny znajdować się w jednej (najkorzystniej dolnej) części formy.

UWAGA! Nie należy stosować zaokrąglonych krawędzi leżących w płasz-czyźnie podziału formy - jest to niemożliwe - ponieważ model wyciąga się prostopadle do tej płaszczyzny.

Ad. e). Jako bazy obróbkowe wybiera się takie powierzchnie odlewu,

które pozostaną surowe w gotowym przedmiocie. W innych przypad-

kach powinna to być powierzchnia o możliwie małym naddatku na

obróbkę, a więc najlepiej - dolna powierzchnia odlewu. Baza obróbkowa

powinna się znajdować w tej samej części formy, co powierzchnia obra-

biana. Punkty stanowiące bazę obróbkową nie powinny leżeć na zalewce

powstałej po złożeniu formy lub rdzeni, albo na śladzie po obciętym

wlewie, przelewie lub nadlewie. Surową powierzchnię stanowiącą bazę do wyjściowej operacji obróbkowej można oznaczyć na rysunku odlewu

krzyżykami.

Ad f). Do naddatków technologicznych należą:

• naddatki technologiczne przy odlewaniu otworów, rowków

odsadzeń i wnęk,

• dodatkowe nadlewki służące do uchwycenia przedmiotu

podczas obróbki,

• łączniki zabezpieczające odlew przed odkształceniami i pęk-

nięciami przy stygnięciu, obróbce cieplnej i wykańczaniu.

ROZDZIAŁ 1

Strona 28282828

UWAGA! Brak jest norm określających kiedy otwory obrabiane mogą być odlane, a kiedy wykonuje się je jako pełne i całkowicie obrabiane skrawaniem. Za największą średnicę obrabianego otworu (dla części odlewanych w formach piaskowych), który może nie być odlany, lecz wiercony w pełnym materiale, przyjmuje się; przy produkcji masowej 20 mm, seryjnej 30 mm, jednostkowej 50 mm.

Ad. g). Jeżeli na rysunku przedmiotu nie przewidziano odpowiednich

pochyleń i zbieżności ścian odlewu, wielkości te należy zaznaczyć na

rysunku odlewu. Na rysunku należy ogólnie określić, czy pochylenie

będzie dodane, ujemne czy uśrednione w stosunku do materiału odlewu

(rysunek 1.4).

UWAGA! Aby uzyskać wymiary końcowe w przypadku powierzchni poddanych obróbce skrawaniem, „pochylenie +” powinno się stosować niezależnie od zaleceń podanych na rysunku.

Ad. h). Ponieważ ocena chropowatości powierzchni odlewów za pomocą typowych stosowanych przyrządów sprawia trudności, norma EN 1370:

1996 zaleca stosowanie różnych wzorców wzrokowo-dotykowych np.

typu BNIF. Chropowatość powierzchni zależy od technologii wykona-

nia i materiału odlewu i np. przy odlewaniu żeliwa do form piaskowych

Ra=12,5¸200, do form kokilowych Ra=6,3¸25, natomiast przy odlewaniu

ciśnieniowym stopów aluminium Ra=0,8¸25. Oznaczenie chropowatości

powierzchni surowych odlewów można wykonywać za pomocą znaku

chropowatości wg. rysunku 1.4 pod którym należy podać wartość parametru Ra

Ad. i). Specjalne wymagania, jak: rodzaj obróbki cieplnej, twardość, właściwości wytrzymałościowe itp. wpisuje się w rubryce "uwagi" w ta-

bliczce znamionowej lub w prawym dolnym rogu rysunku.

Tworzenie się odlewu w formie

Przebieg tworzenia się odlewu w formie ma zasadniczy wpływ na pra-

widłowe powstawanie odlewu i zależy od wielu czynników. Sposób

wypełnienia formy decydująco wpływa na jakość odlewów, szacuje się że aż 80-90% problemów odlewniczych jest związanych z niewłaści-

wym zalewaniem [7]. Do najważniejszych czynników wpływających na

tworzenie się dobrego odlewu należą [6]:

ODLEWNICTWO

Strona 29292929

• temperatura zalewania i zakres temperatur krzepnięcia stopu

odlewniczego,

• skurcz w stanie ciekłym, w czasie krzepnięcia i w stanie

stałym,

• właściwości materiału formy, jak właściwości termofizyczne

(przewodność cieplna, ciepło właściwe itp.) i techniczne

(wytrzymałość przepuszczalność itp.),

• sposób krystalizacji decydujący o otrzymaniu odpowiedniej

struktury odlewu.

Podstawowym zjawiskiem przy krzepnięciu odlewu jest zjawisko skur-

czu odlewniczego (skurczu krzepnięcia) czyli zmniejszanie się objętości

właściwej stopu (rysunek 1.6). Następstwem skurczu jest tworzenie się w odlewie jam i rzadzizn skurczowych które obniżają właściwości

wytrzymałościowe odlewów i są powodem ich zabrukowania.

Rysunek 1.6. Schematyczny przebieg krzepnięcia i powstawania jamy skurczowej [6]: a) wnęka formy wypełnionej ciekłym metalem w chwili zakończenia zalewania, b) krzepniecie zewnętrznych warstw odlewu,

tworzących sztywną nieodkształcalną skorupę, c) zmniejszenie objętości ciekłego metalu wskutek skurczu w czasie krzepnięcia, d) ukształtowanie

się jamy skurczowej po zakończeniu krzepnięcia, e) zmniejszenie się wymiarów odlewu po zakończeniu skurczu w stanie stałym

Odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego i kształt odlewu po-

zwala na regulowanie rozkładu temperatur w odlewie w czasie krzepnię-cia i przesunięcie jam i rzadzizn skurczowych poza obszar właściwego

odlewu. Zależnie od gatunku materiału odlewu rozróżnia się dwie zasa-

dy stosowane przy odlewaniu: zasadę krzepnięcia jednoczesnego i zasa-

dę krzepnięcia kierunkowego (rysunek 1.7). Dobór typu i wymiarów

układu wlewowego oraz najodpowiedniejszego miejsca doprowadzenia

metalu do formy zależy od przyjęcia jednej z dwu wymienionych zasad

i ma istotne znaczenie dla jakości i kosztu wykonania odlewu.

ROZDZIAŁ 1

Strona 30303030

Rysunek 1.7. Odlew pierścienia z uszami, dwa rozwiązania [10]: a) krzepnięcie jednokierunkowe (dla staliwa),

b) jednoczesne (dla żeliwa), N - nadlew

Zasadę krzepnięcia jednoczesnego stosuje się do stopów o małej skłon-

ności do tworzenia się jam i rzadzizn skurczowych, np. żeliwa szarego

o dużym stopniu grafityzacji (ferrytycznego) i małych cienkościennych

odlewów z brązu. Ciekły metal doprowadza się wtedy do cienkich,

najlepiej nie obrabianych miejsc odlewu. Do grubszych części odlewu

dochodzi metal już nieco ochłodzony, tak że cały odlew krzepnie mniej

więcej równomiernie. Należy przy tym dobrać właściwą grubość ścian

odlewu g (rysunek 1.7b), gdyż w zbyt cienkich przekrojach może

zachodzić pogorszenie właściwości wytrzymałościowych. Najmniejsza

grubość ścian odlewów ze względu na niebezpieczeństwo niedolewów

wynosi dla małych odlewów 3-4 mm (dla staliwa węglowego 5-7 mm).

Aby uniknąć niebezpieczeństwa powstawania pęcherzy w odlewie

należy unikać rozległych płaskich ścian poziomych, zastępując je

ścianami pochylonymi.

Jednoczesne krzepnięcie metalu w całej grubości ścian odlewu nie może

być w pełni zrealizowane i w rzeczywistości krzepnięcie przebiega od

powierzchni do wnętrza odlewu. Dlatego przy konstrukcji grubościen-

nych odlewów żeliwnych (zwłaszcza o małej zawartości C i Si) oraz

odlewów staliwnych stosuje się zasadę krzepnięcia jednokierunkowego.

Krzepnięcie rozpoczyna się w określonych miejscach odlewu i przebiega

w ściśle określonych kierunkach, kończąc się w miejscu zasilanym przez

nadlew. Kształt odlewu i wymiary nadlewu można w praktyce określić metodą wykreślną kół o rosnącej średnicy (d2 > d1 > g) wpisanych

w zarys, co zostało pokazane na rysunku 1.7a.

ODLEWNICTWO

Strona 31313131

Rysunek 1.8. Staliwna rolka [10]: a) konstrukcja błędna, b) konstrukcja poprawna, zgodna z zasadą krzepnięcia kierunkowego;

N – nadlew, 1 - jama skurczowa

W nadlewie powinna się znaleźć jama skurczowa, która krzepnie na

końcu – po zakrzepnięciu całego odlewu, co pokazano umownie na

rysunku 1.8b.

1.3. Specjalne metody wytwarzania odlewów

Formowanie maszynowe

Formowanie maszynowe ułatwia i przyśpiesza proces wykonywania

form, a ponadto wpływa na poprawę dokładności wymiarów i jakości

odlewów otrzymanych z form wykonanych tą metodą. Maszyny

używane do produkcji form odlewniczych nazywa się formierkami. Ich

zadanie polega głównie na mechanicznym zagęszczaniu masy i wyjmo-

waniu modelu z formy. Modele używane do formowania maszynowego

są przymocowane na stałe do płyty podmodelowej i tworzą wraz z nią tzw. płytę modelową. Płyta modelowa jest zaopatrzona w sworznie usta-

lające, na których ustawia się podczas formowania skrzynki formierskie.

Istnieje wiele odmian formierek różniących się sposobem działania. Do

mniejszych form stosuje się formierki z obracaną kolumną (rysunek 1.9).

ROZDZIAŁ 1

Strona 32323232

Rysunek 1.9. Schemat konstrukcji i działania formierki z obracaną kolumną [6]: a) zagęszczanie masy, b) wyjęcie modelu z formy:

1 – płyta modelowa z modelem), 2 – skrzynka formierska z formą

Formierki stosowane do maszynowego wytwarzania form różnią się między sobą metodami zagęszczenia masy (stosuje się formy wilgotne)

i sposobem wyjmowania modelu. Na rysunku 1.10 przedstawiono cykl

pracy jednego z typów maszyny formierskiej:

a. umieszczenie na płycie modelowej 1 skrzynki formierskiej 3,

b. nasypanie masy formierskiej z urządzenia zasilającego,

c. zagęszczanie masy przez wstrząsanie i prasowanie,

d. obrócenie stołu z formą,

e. podniesienie płyty i wyjęcie płyty modelowej (z modelem).

Ewentualny montaż rdzeni w dolnych częściach formy, a następnie mon-

taż form odbywa się poza stanowiskiem formowania.

ODLEWNICTWO

Strona 33333333

Rysunek 1.10. Przebieg formowania maszynowego [2]: 1– płyta modelowa, 2 – model, 3 – skrzynka formierska

Formowanie zautomatyzowane

Automatyzacja formowania ma na celu uzyskanie dużej wydajności oraz

dobrej jakości odlewów. Zwiększenie wydajności osiąga się przez zasto-

sowanie automatów o napędzie hydraulicznym, sterowanych mikropro-

cesorami. W celu wykonania formy automaty łączy się z podajnikami

skrzynek formierskich, urządzeniami do szybkiej wymiany płyt formier-

skich, stanowiskami wkładania rdzeni itp. Zespół tych urządzeń nazywa

się automatyczną linią formierską. W liniach są stosowane dokładnie

wykonane sztywne skrzynki formierskie. Dla odlewów mniejszych sto-

suje się linie wyposażone w maszyny ze skrzynkami usuwalnymi lub

maszyny bezskrzynkowe z poziomym podziałem formy. Przykład for-

mowania bezskrzynkowego z zastosowaniem płyty modelowej dwu-

stronnej pokazano na rysunku 1.11.

ROZDZIAŁ 1

Strona 34343434

Rysunek 1.11. Zasada formowania bezskrzynkowego w automacie firmy Haflinger z poziomym podziałem formy [7]:

a) zagęszczanie przez prasowanie, b) oddzielanie i wysuwanie płyty modelowej dwustronnej

Odlewanie kokilowe

Produkcja odlewów w formach piaskowych wymaga konieczności

ponownego wykonywania oddzielnej formy dla każdego odlewu.

Odlewanie do form metalowych, zwanych kokilami (rysunek 1.12),

umożliwia wielokrotne wykorzystywania jednej formy. Wnętrza takich

form zabezpiecza się przed działaniem metalu zawiesiną pyłu

kwarcowego i talku w szkle wodnym. Odlewanie w formy metalowe

daje, oprócz znacznego zwiększenia wydajności, następujące korzyści:

• powiększenie dokładności wymiarowej i gładkości odlewów,

zależnej tylko od jakości powierzchni formy odlewniczej,

• zmniejszenie naddatków na obróbkę i możliwość wykony-

wania otworów o średnicach od 8 mm (dla stopów lekkich),

• poprawę własności mechanicznych, wynikającą z większej

szybkości krzepnięcia, a więc bardziej drobnoziarnistej

struktury.

Dla stopów niskotopliwych stosuje się kokile dzielone pionowo, pozio-

mo i w sposób mieszany oraz stosuje się rdzenie metalowe.

ODLEWNICTWO

Strona 35353535

Na rysunku 1.12 przedstawiono kokilę od odlewania tłoków ze stopu

aluminium. Kokilę przedstawiono w pozycji otwartej już po odlaniu

tłoka 5. Korpus kokili składa się z trzech części 1, 2, 3 (podział kokili

mieszany). Układ wlewowy 4 jest umieszczony w płaszczyźnie podziału.

Rysunek 1.12. Kokila do odlewania tłoków aluminiowych [8]: 1- lewa połówka kokili, 2 – prawa połówka kokili, 3 – płyta dolna,

4 – układ wlewowy, 5 – część odlewana (tłok)

Na rysunku 1.13a przedstawiono przykładowy odlew ze stopu alu-

minium, a na rysunku 1.13b formę metalową do wykonywania tego

odlewu.

Rysunek 1.13. Kokila dwugniazdowa [7]: a) odlew, b) konstrukcja kokili; 1– lewa połówka kokili, 2 – prawa połówka kokili, 3 – płyta dolna,

4 – rdzenie metalowe, 5 – wypychacze, 6 – część wnęki odtwarzająca kształt odlewu, 7 – cześć wnęki odtwarzającej nadlew, 8 – część wnęki

odtwarzającej układ wlewowy; strzałki oznaczają kierunki ruchu poszczególnych elementów formy, niezbędnych do usunięcia z niej

zakrzepłego odlewu (na rysunku nie pokazano niezbędnych pochyleń odlewu umożliwiających jego usunięcie)

ROZDZIAŁ 1

Strona 36363636

Po zalaniu kokili ciekłym stopem i jej ostudzeniu usunięcie odlewu

odbywa się następująco:

1. wyciągniecie rdzenia metalowego od dołu,

2. odsunięcie lewej połówki kokili w lewo (odlew pozostaje za-

ciśnięty na występie prawej polówki odtwarzającej duży otwór),

3. wypchnięcie odlewu za pomocą wypychaczy z prawej połówki

kokili.

UWAGA! Ze względu na umożliwienie usuwania odlewu układ wlewowy umieszcza się w płaszczyźnie podziału kokili. Uwaga ta jest zasadna również dla innych metod np. odlewania skorupowego czy ciśnieniowego.

Odlewanie kokilowe stosuje się powszechnie do stopów lekkich. Odle-

wanie w kokilach żeliwa i staliwa jest znacznie rzadziej stosowane (żeli-

wa przeciętnie 10%, a staliwa 1%) przy czym, ze względu na wysoką temperaturę zalewanego stopu i związane z tym niebezpieczeństwo od-

kształceń i pęknięć kokil, odlewanie wykonuje się zwykle w kokilach

niedzielonych zaopatrzonych w rdzenie piaskowe.

Najmniejsza liczba sztuk odlewów, przy której odlewanie w kokilach

jest opłacalne, waha się w granicach 500 sztuk dla odlewów o kształtach

prostych i 1000-2000 sztuk odlewów o kształtach skomplikowanych.

Odlewanie pod ciśnieniem

Odlewanie pod ciśnieniem polega na wtłaczaniu ciekłego metalu do

formy metalowej pod wysokim ciśnieniem (10÷200 MPa) i z dużą prędkością. Forma jest dzielona pionowo i składa się z części ruchomej

i nieruchomej a ciśnienie jest wywierane przez tłok na ciekły metal

w komorze tłokowej (rysunek 1.14). Maszyny odlewnicze można po-

dzielić na maszyny z gorącą i zimną komorą tłokową. Maszyny z komo-

rą gorącą są urządzeniami w których komora jest zanurzona w ciekłym,

najczęściej dodatkowo podgrzewanym, metalu. Odlewa się na nich stopy

o niskiej temperaturze topnienia (stopy cynku, ołowiu, czasem stopy

magnezu). W urządzeniach z zimną komorą odlewa się stopy miedzi

i aluminium.

Odlewy wykonane pod ciśnieniem odznaczają się gładką i czystą po-

wierzchnią (uzyskiwana chropowatość Ra 5÷0,63) oraz dużą dokładnoś-

ODLEWNICTWO

Strona 37373737

cią wymiarową (10÷13 klasa wg ISO) nie wymagającą najczęściej dal-

szej obróbki skrawaniem (możliwość wykonywania na gotowo otworów

o średnicy do 2,5 mm dla odlewów ze stopu miedzi i niektórych otwo-

rów gwintowanych). Metoda ta zapewnia możliwość otrzymywania od-

lewów o dość skomplikowanym kształcie i cienkich ściankach o gru-

bości 0,7-1 mm.

Rysunek 1.14. Schemat maszyny do odlewania pod ciśnieniem z zimną komorą ciśnienia i z bocznym odprowadzeniem metalu do formy [9]:

a) położenie wyjściowe, b) wcisk metalu do formy, c) odsunięcie przesuwnej części formy, wyjecie odlewu i wyrzucenie pozostałości

metalu: 1 – komora tłokowa (cylinder), 2 – tłok, 3 – wyrzutnik, 4 – przewód do formy (układ wlewowy), 5 – stała cześć formy,

6 – przesuwna cześć formy, 7 – pozostałości metalu, 8 – odlew (z układem wlewowym)

Wydajność maszyn odlewniczych może dochodzić do kilkuset sztuk na

godzinę. Odlewanie ciśnieniowe jest opłacalne tylko przy liczbie odle-

wów nie mniejszej niż 10000 - 20000 sztuk. Wielkość odlewów jest

ograniczona i nie przekracza 6 kg.

Odlewanie odśrodkowe

Odlewanie odśrodkowe polega na wykorzystaniu do kształtowaniu odle-

wu siły odśrodkowej działającej na metal w wyniku wirowania formy.

Rozróżnia się kilka metod odlewania odśrodkowego (rysunek 1.15).

Pierwszą metodą jest właściwe odlewanie odśrodkowe właściwe (rysu-

nek 1.15a i b), polegające na zalewaniu formy, której oś pokrywa się z osią wirowania. Otrzymany w ten sposób odlew ma kształt bryły obro-

towej typu tulei z otworem wewnętrznym powstającym pod wpływem

działania siły odśrodkowej w czasie wirowania formy. Taką metodą można produkować odlewy warstwowe z kilku rodzajów stopów. Zale-

ROZDZIAŁ 1

Strona 38383838

wanie form wirujących dookoła osi poziomej (rysunek 1.15a) wymaga

stosowania rynny, która podczas wprowadzania metalu do formy może

się przesuwać wzdłuż osi odlewu od lewej do prawej. Wskutek tego

ciekły metal jest równomiernie rozłożony na całej długości odlewu.

Ścianki formy nadają odlewom tylko kształt zewnętrzny.

Rysunek 1.15. Zasady odlewania odśrodkowego [7]: a), b) odlewanie odśrodkowe właściwe z poziomą osią i pionową osią obrotu,

c) odlewanie półodśrodkowe, d) odlewanie pod ciśnieniem odśrodkowym

Drugą metodą odlewania w formach wirujących stanowi tzw. odlewanie

półodśrodkowe (rysunek 1.15c). Polega ono na zalewaniu form wirują-cych dookoła osi pionowej, będącej równocześnie osią przedmiotu. Ten

typ odlewania umożliwia uzyskiwanie dowolnych kształtów wewnętrz-

nych odlewu (możliwość stosowania rdzeni). Formy mogą być wyko-

nane z metalu lub masy formierskiej i służą do odlewania przedmiotów

o kształcie brył obrotowych np. kół pasowych lub zębatych.

Trzecią metodą odlewania w formach wirujących jest tzw. odlewanie

pod ciśnieniem odśrodkowym (rysunek 15e). Odlewane przedmioty roz-

mieszczone są w formach metalowych lub piaskowych promieniowo.

Zalewanie odbywa się przez wlew główny, z którego następnie wlewami

doprowadzającymi przedostaje się metal do form. Odlewy produkowane

w formach wirujących uzyskują wskutek działania siły odśrodkowej ści-

słą budowę wewnętrzną, dobre własności mechaniczne oraz przybierają dokładny kształt formy.

ODLEWNICTWO

Strona 39393939

Odlewanie ciągłe

Odlewanie ciągłe polega na wlewaniu ciekłego metalu do trwałej formy

metalowej zwanej krystalizatorem. Ciekły metal zamienia się w odlew

i w sposób ciągły opuszcza formę (rysunek 1.16). Długość odlewu wie-

lokrotnie przekracza długość formy, w ten sposób produkuje się wałki,

rury, kształtowniki oraz płyty ze wszystkich tworzyw, a głównie ze stali

oraz stopów miedzi i aluminium. Na początku odlewania krystalizator

jest zamknięty zaczepem umieszczonym na końcu tzw. drąga star-

towego, którym po zakrzepnięciu metalu wyciąga się odlew. Za pomocą procesu odlewania ciągłego można otrzymywać odlewy o długości do

10 m i średnicy do 1000 mm. Odlewy otrzymane tą metodą charaktery-

zują się dobrą jakością i brakiem porowatości przy zapewnionej dużej

wydajności produkcji (prędkości odlewania wynoszą 0,1÷0,5 m/min).

Rysunek 1.16. Schematy odlewania ciągłego (w układzie pionowym) [7]: a) wałków, b) rur, c) początkowa faza odlewania

Odlewanie w formach skorupowych

Forma skorupowa jest to forma odlewnicza o niewielkiej grubości ścian-

ki (4-10 mm) wykonana ze specjalnej masy. Proces wykonania formy

skorupowej polega na tym, że na podgrzaną do temp. 220-280 C metalo-

wą płytę modelową narzuca się mieszaninę piasku kwarcowego i żywicy

syntetycznej (proces C), która w wyniku utwardzenia wiąże piasek, two-

rząc skorupę (rysunek 1.17). W celu przyśpieszenia procesu utwardzania

skorupy, po narzuceniu masy, podgrzaną płytę modelową wsuwa się do

pieca o temp. 300-350 C. Po zdjęciu skorupy z płyty otrzymuje się po-

ROZDZIAŁ 1

Strona 40404040

łówkę formy, łączy ją z drugą połówką i przygotowuje do zalewania

(rysunek 1.17f).

W formach skorupowych można odlewać wszystkie stopy odlewnicze,

od stopów aluminium do staliwa. Ze względu na dużą gładkość powierzchni formy oraz mały opór przepływu metalu, w formach

skorupowych można otrzymywać odlewy o skomplikowanych kształtach

i cienkich ściankach (np. żebrowane głowice itp.) o dużej gładkości

powierzchni.

Rysunek 1.17. Formowanie skorupowe [10]: kolejne zabiegi: a) ustawienie płyty modelowej na zbiorniku z masą, b) obrót, tworzenie

skorupy, c) obrót, zdjęcie płyty wraz ze skorupą, d) utwardzenie skorupy w piecu, e) zdjęcie skorupy z płyty modelowej, f) zestawienie kompletu form do odlewania; 1 – zbiornik z masą formierską, 2 - płyta modelowa,

3 – skorupa, 4 – piec do utwardzania skorupy

Odlewanie precyzyjne

Odlewanie precyzyjne ma zastosowanie w produkcji drobnych i dokład-

nych odlewów z żeliwa, staliwa oraz innych stopów o wysokiej tempera-

turze topnienia. Metody odlewania precyzyjnego umożliwiają uzyskanie

odlewów o bardzo dokładnych kształtach i wymiarach (odchyłki wymia-

rowe na 100 mm odlewu rzędu 0,03-0,1mm), co pozwala na uniknięcie

w wielu wypadkach kłopotliwej obróbki mechanicznej. Odlewanie pre-

cyzyjne stosuje się do łopatek turbin, części pomp odśrodkowych, tłocz-

ników, kokil itp. Poza dokładnością wymiarową, zaletą procesu jest

ODLEWNICTWO

Strona 41414141

wzrost własności mechanicznych odlewu oraz możliwość otrzymania

odlewów o cienkich ściankach (do 0,5 mm).

Odlewnictwo precyzyjne obejmuje odlewanie;

• w formach wykonanych metodą wytapianych modeli (traco-

nego wosku),

• metodą Shawa,

• metodą wypalanych modeli,

• w formach gipsowych, szklanych i kauczukowych.

Odlewanie metodą wytapianych modeli

Odlewanie metodą wytapianych modeli polega na wykonaniu pod ciś-nieniem w dokładnej stalowej matrycy jednorazowego modelu z łatwo

topliwych materiałów (mieszaniny wosków, parafiny, żywic syntetycz-

nych). Otrzymany w ten sposób model pokrywa się przez natryskiwanie

lub zanurzenie cienką warstwą zawiesiny drobno mielonego piasku

kwarcowego zmieszanego z kaolinem i grafitem w szkle wodnym. Po

wyschnięciu montuje się model lub, najczęściej, kilka modeli do wspól-

nego układu wlewowego (zestaw modelowy) i umieszcza w skrzynce

formierskiej wypełnionej masą suchą lub półpłynną. Podsuszoną formę umieszcza się następnie w piecu i w temperaturze 100 do 120

oC wytapia

się model lub modele (forma w tym celu odwrócona jest zbiorczym

układem wlewowym do dołu), po czym poddaje się formę wygrzewaniu

w temperaturze około 800oC dla nadania jej trwałości i zalewa płynnym

metalem. Przebieg procesu przedstawiono w uproszczeniu na rysun-

ku 1.18.

Metoda ta znalazła zastosowanie głównie przy odlewaniu stopów trudno

obrabialnych, ponieważ zapewnia ona zwiększenie gładkości powierz-

chni eliminujące obróbkę skrawaniem. Jednym z pierwszych zastosowań odlewania tą metodą była produkcja skomplikowanych narzędzi np.

frezów ze stali szybkotnącej. Daje ona możliwość wykonywania

odlewów cienkościennych o grubości do 0,5 mm, bardzo małych

i skomplikowanych (stosuje się ją m. in. w jubilerstwie) o dokładności

± 0,05 mm na 25 mm wymiaru odlewu.

ROZDZIAŁ 1

Strona 42424242

Rysunek. 1.18 Odlewanie metodą wytapianych modeli [8]: a) odlew, b) forma(matryca), c) wtłoczenie wosku do formy, d) model woskowy z układem wlewowym, e) zestaw modelowy (ze wspólnym modelem układu wlewowego), f) modele pokryte warstwą masy ceramicznej, g) forma zalana ciekłym metalem: 1 – układ wlewowy pojedynczego

modelu

Metoda Shawa

Metoda Shawa, opracowana w Anglii, może być stosowana przy wyko-

nywaniu odlewów ze wszystkich tworzyw odlewniczych o wadze od

kilku gramów do kilku ton. Jest więc rozszerzeniem metody wytapia-

nych modeli. Do formowania stosuje się modele metalowe, z żywic, gip-

su lub drewna. Forma jest dzielona jak zwykła forma piaskowa, co po-

woduje obniżenie dokładności wymiarowej. Jako materiału na formę używa się mieszaniny materiałów ogniotrwałych - mączki cyrkonowej,

silmanitu, mulitu i innych. Spoiwem jest roztwór krzemianu etylu podda-

ny uprzednio hydrolizie. Spoiwo miesza się z materiałem ceramicznym

aż do uzyskania konsystencji szlamu, który jest wylewany na model

ustawiony na płycie podmodelowej i chroniony ramką (skrzynką for-

mierską). W wyniku hydrolizy powstaje żel krzemionki i alkohol mety-

lowy, co powoduje związanie materiału. Po zakończeniu żelowania

(w czasie 3-12 min), masa formierska ma konsystencję twardej gumy

o dużej elastyczności i wytrzymałości wystarczającej do wyjęcia modelu

z formy. Elastyczność ta pozwala na stosowanie niewielkich zbieżności

modelu.

Po oddzieleniu modelu, formę poddaje się wypalaniu przez zapalenie

wydzielającego się alkoholu. W trakcie wypalania się alkoholu odparo-

wuje również woda zawarta w masie i forma uzyskuje niezbędną twar-

dość i wytrzymałość. Końcową operacją wykonania formy jest wyżarze-

nie w temp. ok. 1000oC w celu usunięcia pozostałości wody i innych

ODLEWNICTWO

Strona 43434343

substancji lotnych. Przed zalaniem forma powinna być podgrzana.

Ze względu na bardzo dużą dokładność powierzchni odlewów (odchyłki

wymiarowe 0,03-0,1), ograniczającą zakres obróbki mechanicznej, meto-

da Shawa znalazła głównie zastosowanie do wykonywania różnego ro-

dzaju oprzyrządowania o skomplikowanych kształtach (matryce, kokile

itp.)

Odlewanie metodą wypalanych modeli

Istotą tej metody jest stosowanie modeli jednorazowego użycia, które są zaformowane w formie bez płaszczyzny podziału i nie wyjmowane

przed zalewaniem. Wlewany do formy metal powoduje zgazowanie ma-

teriału, z którego wykonany jest model i zajmuje jego miejsce (rysu-

nek 1.19b).

Rysunek 1.19. Porównanie zabiegów przy formowaniu i odlewaniu kadłuba maszyny [10] przy użyciu: a) modelu z drewna, b) modelu wypalanego; 1- dolna część formy, 2 - górna część formy, 3 – płyta podmodelowa modelu drewnianego, 4 – znaki rdzeniowe modelu drewnianego, 5 – rdzeń, 6 – zalewanie formy wykonanej z modelu

drewnianego, 7 – model ze styropianu, 9 – zalewanie formy z modelem wypalanym, 10 – odlew otrzymany z modelu drewnianego, 11 - odlew

otrzymany z modelu wypalanego

ROZDZIAŁ 1

Strona 44444444

Jako materiału na wypalane modele stosuje się spieniony polistyren

(styropian), który jest tworzywem bardzo lekkim, co ułatwia proces

formowania nawet bardzo dużych odlewów. Jednorazowe modele mogą mieć dowolnie skomplikowane kształty, ponieważ mogą być montowane

(klejone) z wielu niezależnych kawałków styropianu. Proces formowania

przebiega podobnie jak przy użyciu modeli tradycyjnych. Ze względu na

niską temperaturę trwałości styropianu i niemożliwości suszenia form,

do formowania używa się mas utwardzanych na zimno.

W celu porównania pokazano na rysunku 1.19 zabiegi przy zwykłym

odlewaniu takiej samej części w formie piaskowej (rysunek 1.19a) oraz

wg metody wypalanego modelu (rysunek 1.19b).

UWAGA! Istotną różnicą w stosunku do tradycyjnych metod formowania metodą wypalanego modelu jest brak podziału formy, możli-wość niemal całkowitego wyeliminowania rdzeni i brak zalewek powstających przy odlewaniu z podziałem formy. Brak podziału formy dotyczy również metody wytapianych modeli, jednak wy-twarzanie modelu woskowego wymaga wykonania dzielonej matrycy. W obu metodach można jednak łączyć (sklejać) wyko-nane różne modele w dowolnie konfiguracje nie wymagające już dzielenia formy.

Główną zaletą tej metody jest wysoka dokładność wymiarowa i zmniej-

szenie kosztów wykonania odlewów jednostkowych i małoseryjnych.

Wzrost dokładności wykonania wynika z zastosowania niedzielonej for-

my, braku przestawiania rdzeni, możliwość uniknięcia zbieżności na

modelach oraz stałości wymiarowej formy (brak rozbicia wnęki podczas

wyjmowania modelu. Metoda ta znalazła zastosowanie przy odlewaniu

skomplikowanych części maszyn, prototypów, dużych odlewów remon-

towych o masie do 25 t, odlewów artystycznych itp.

1.4. Literatura do rozdziału 1

1. Adamski W., Strategie rozwoju wytwarzania w przemyśle lotni-

czym. Inżynieria maszyn, R.14, z. 4, Wydawnictwo Wrocław-

skiej Rady FSNT NOT, Wrocław 2009.

2. Białas A., Sobieszczański J., Zarys technologii Maszyn, Wydaw-

nictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1984.

ODLEWNICTWO

Strona 45454545

3. Chuchro M., Ruszaj A., Czekaj J., Procesy szybkiego prototypo-

wania w zastosowaniach przemysłowych. Inżynieria maszyn,

R.14, z. 1. Wydawnictwo Wrocławskiej Rady FSNT NOT,

Wrocław 2009.

4. Grzesik W., Skrawalność nowych i trudnoobrabialnych materia-

łów konstrukcyjnych. Inżynieria maszyn, R.14, z. 4. Wydawnic-

two Wrocławskiej Rady FSNT NOT, Wrocław 2009.

5. Kapiński S., Skawiński P., Sobieszczański J., Sobolewski J.Z.,

Projektowanie technologii Maszyn, Oficyna Wydawnicza Poli-

techniki Warszawskiej, Warszawa 2007.

6. Murza Mucha P., Techniki wytwarzania. Odlewnictwo, PWN,

Warszawa 1978.

7. Perzyk M., Waszkiewicz S., Kaczorowski M., Jopkiewicz A.,

Odlewnictwo, WNT, Warszawa 2000.

8. Praca zbiorowa, tłumaczenie z j. rosyjskiego, Podstawowe

techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym, WNT,

Warszawa 1973.

9. Poradnik warsztatowca mechanika, WNT, Warszawa 1981.

10. Skarbiński M., Zasady konstruowania odlewanych części ma-

szyn, WNT, Warszawa 1968.

ROZDZIAŁ 1

Strona 46464646

`

2 Obróbka plastyczna

W tym rozdziale:

o Wiadomości ogólne o Kucie o Walcowanie o Tłoczenie o Cięcie o Gięcie o Kształtowanie wytłoczek o powierzchni nierozwijalnej o Proces tłoczenia, przykład konstrukcji tłocznika o Literatura do rozdziału 2

ROZDZIAŁ 2

Strona 48484848

2.1 Wiadomości ogólne

Wstęp

Obróbką plastyczną nazywa się procesy wykonywania części i półfabry-

katów przez ich plastyczne kształtowanie na gorąco lub na zimno. Meto-

dami obróbki plastycznej przerabia się około 90% wytapianej stali, 55%

metali nieżelaznych i ich stopów oraz tworzyw sztucznych. Uzyskanie

żądanych kształtów odbywa się najczęściej przez wywołanie odpowied-

nich odkształceń plastycznych materiału bez naruszania jego spójności.

Jeżeli rozpatrujemy metalową część jako monokryształ to mechanizm

odkształceń plastycznych polega na odkształceniu plastycznym poszcze-

gólnych ziaren, ich przemieszczaniu jak i najczęściej na poślizgu czyli

na wzajemnym przemieszczaniu się całych warstw atomów pod wpły-

wem siły zewnętrznej działającej na ciało lub przez obrót jednej części

kryształu względem drugiej (mechanizm bliźniakowania). W rezultacie

działania siły powstaje struktura ukierunkowana, z ziarnami wydłużo-

nymi. Zjawisko to nazywamy zgniotem, który możemy wyrazić nastę-pująco:

Z = (2.1)

gdzie: A0 - powierzchnia przekroju elementu przed odkształceniem

plastycznym, A1 - powierzchnia przekroju elementu po odkształceniu.

Zgniot jest miarą odkształcenia plastycznego. Można go także wyrazić przez odkształcenie względne lub logarytmiczne.

UWAGA! Podczas odkształcenia plastycznego objętość materiału nie ulega zmianie, a więc suma składowych odkształceń względ-nych lub logarytmicznych wynosi zero. Ta właściwość jest istotna dla procesów obróbki plastycznej.

Procesy obróbki plastycznej możemy podzielić na: kucie, prasowanie,

walcowanie, ciągnienie, tłoczenie.

Metal z dużym zgniotem jest silnie umocniony i mało podatny na dalszą obróbkę plastyczną. W celu częściowego przywrócenia mu pierwotnych

struktury i zmniejszenia naprężeń wewnętrznych należy go ogrzać do

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 49494949

odpowiedniej temperatury, następuje wówczas rekrystalizacja z likwida-

cją umocnienia i zgniotu i możliwość dalszej obróbki plastycznej. Dla

stali temperatura rekrystalizacji wynosi 750-50 C, zależnie od gatunku

stali i stopnia zgniotu. Uwzględniając proces rekrystalizacji odróżnia się dwa podstawowe sposoby obróbki plastycznej:

• obróbka na gorąco, powyżej temperatury rekrystalizacji,

• obróbka na zimno, poniżej temperatury rekrystalizacji.

Obróbka na gorąco powoduje wielokrotne obniżenie oporów plastycz-

nych materiału, jednak eliminuje umocnienie półfabrykatów.

Najczęściej na gorąco obrabia się plastycznie stal różnych gatunków sto-

sując metody takie jak: wydłużanie, spęczanie, wgłębianie,

kształtowanie w matrycach, nagniatanie. Obróbkę na zimno stosuje się głównie do procesów kształtowania blach: ciecie, gięcie, kształtowanie

wytłoczek.

2.2 Kucie

Kucie jest obróbką na gorąco, która polega na plastycznym

odkształcaniu metalu przez zgniatanie naciskiem przez uderzenie (kucie

na młotach) lub statycznie (kucie na prasach lub walcach kuźniczych).

W zależności od kształtu i rodzaju narzędzi stosowanych w procesie

technologicznym kucia, odkuwki można podzielić na kute swobodnie i

matrycowane. Kucie swobodne stosuje się dla materiałów o dużej

plastyczności, jak stale węglowe o małej zawartości węgla oraz niektóre

stopy miedzi i aluminium i może obejmować rożne zabiegi jak:

spęczanie, wydłużanie, dziurkowanie, gięcie, skręcanie, cięcie itp.

Przykład zabiegów kucia widełek (wykonywanych na młotach)

przedstawiono na rysunku 2.1.

Przy produkcji seryjnej i masowej, odkuwki wykonuje się wyłącznie za

pomocą kucia matrycowego. Proces ten polega na stopniowym kształto-

waniu odkuwki w wykrojach matrycy. Zależnie od rodzaju stosowanych

maszyn proces kucia matrycowego można podzielić na:

• kucie na młotach,

ROZDZIAŁ 2

Strona 50505050

• kucie na prasach (śrubowych, korbowych, kolanowych i hy-

draulicznych)

• kucie na kuźniarkach,

• kucie na maszynach specjalnych, np. automatach kuźni-

czych, walcach kuźniczych, kowarkach itp.

Rysunek 2.1. Kolejne zabiegi kucia swobodnego [5]

Rysunek 2.2. Schematy maszyn kuźniczych: a) młot parowo – powietrzny, b) prasa śrubowa

Przy kuciu na młotach (rysunek 2.2a), które są maszynami udarowymi

konieczna jest większa liczba uderzeń, kucie na prasie śrubowej (rysu-

nek 2.2b) wymaga parę skoków prasy, a kucie na prasie korbowej lub

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 51515151

kolanowej (rysunek 2.3) odbywa się przy jednym ruchu suwaka (przy

statycznym nacisku na obrabiany przedmiot). Do kucia stosowane są młoty parowo-powietrzne, przeciwbieżne i inne.

Rysunek 2.3. Schematy działania pras a) korbowa typu Maxi, b) kolanowa

Rysunek 2.4. Konstrukcja wykroju matrycy: a) matryca zamknięta, b) matryca otwarta [4]

Kucie matrycowe w porównaniu z kuciem swobodnym wyróżnia się wysoką wydajnością, dokładnością wykonania i wysoką gładkością po-

wierzchni. Zależnie od konstrukcji wykrojów matryce można podzielić na zamknięte i otwarte (rysunek 2.4). Matryce zamknięte (rysunek 2.4a)

mają zamkniętą konstrukcję wykrojów, nie pozwalającą na swobodne

wypływanie materiału na zewnątrz wykroju. W matrycach otwartych

(rysunek 2.4b) boczne ściany wykroju są dzielone, a nadmiar materiału

wypływa w czasie kucia na zewnątrz wykroju, tworząc tzw. wypływkę. Powstająca wypływka, stygnąc szybciej niż odkuwka, tamuje dalszy

wypływ materiału i powoduje dokładne wypełnienie objętości wykroju.

Zadaniem wypływki jest też odprowadzenie nadmiaru materiału oraz

ROZDZIAŁ 2

Strona 52525252

zabezpieczenie przed uderzeniem jednej matrycy o drugą. Wypływki są okrawane na gorąco (bezpośrednio po kuciu) w okrojnikach.

Rysunek 2.5. Kucie na młocie w matrycy wielowykrojowej [5]: a) gotowa odkuwka, b) kolejne fazy kształtowania materiału, c) dolna cześć

matrycy wielowykrojowej; 1 – wykrój wzdłużny, 2 – wykrój podkuwający, 3 – wykrój gnący, 4 – wykrój matrycy wstępny,

5 – wykrój matrycy wykańczający

Zależnie od liczby wykrojów wykonanych w jednym bloku matryco-

wym, matryce dzieli się na jednowykrojowe i wielowykrojowe. Przy

kuciu jednowykrojowym odkuwki na gotowo wykonuje się bezpośrednio

w jednym wykroju z przedkuwki lub pręta. Przy kuciu wielowykrojo-

wym (rysunek 2.7) nagrzany materiał wyjściowy wkłada się w wykrój

wydłużający 2, w którym następuje wydłużenie wzdłuż osi, potem

przedkuwkę obrabia się w kolejnych wykrojach; ostatnim zabiegiem jest

matrycowanie na gotowo w wykroju 3. Liczba wykrojów i ich rozmiesz-

czenie wynika z rozplanowania technologicznego procesu w zależności

od kształtu odkuwki i jej wielkości.

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 53535353

Odkuwki wydłużone np. półosie samochodów, duże śruby z łbem sze-

ściokątnym kuje się na kuźniarkach (rysunek 2.10).

Projektowanie odkuwek

Za podstawę konstrukcji wykroju wykańczającego matrycy służy rysu-nek odkuwki, który sporządza się na podstawie rysunku gotowego

przedmiotu. Odkuwki projektuje się zgodnie z PN-EN10243-1:2004.

Jednocześnie rysunek służy jako jedyny dokument ważny dla kontroli

odkuwki i powinien zawierać napis „tolerancje zgodne z normą EN

10243-1”. Projektowanie odkuwki należy rozpocząć od doboru

płaszczyzny podziału odkuwki, odpowiadającej płaszczyźnie podziału

matryc. Podział matryc jest konieczny do ułożenia materiału wsadowego

w wykroju i aby umożliwić wyjęcie gotowej odkuwki z matrycy.

Zależnie od kształtu odkuwki i od przyjętej technologii kucia podział

matryc może być płaski, może też być powierzchnią złożoną. Należy tak

dobrać powierzchnię podziału, aby zapewnić dobre wypełnienie

wykroju, łatwe wyjmowanie odkuwek z matrycy i jak najprostsze

wykonanie wykroju.

Rysunek 2.6. Przykłady położenia płaszczyzny podziału odkuwki [6]

Przy kuciu na prasach i młotach podział przebiega przez przekrój od-

kuwki o największej powierzchni. W odkuwkach mających płaszczyzny

symetrii podział prowadzi się przez dwie najdłuższe osie symetrii

(rysunek 2.6 a, b, c). Reguła ta nie musi być jednak stosowana, jeżeli

przez inny wybór podziału osiąganie się [3]:

ROZDZIAŁ 2

Strona 54545454

• znaczną oszczędność materiału przez możliwość wykonania

odpowiednich wgłębień w odkuwce (rysunek 2.6 d),

• oszczędność w opadach (wypływka) przez skrócenie linii

okrawania oraz prostszy kształt stempla i płyty okrojnica

(rysunek 2.6 e),

• wykonanie pewnych powierzchni odkuwki (oznaczonych 1)

bez pochyleń kuźniczych, przez umieszczenie tych po-

wierzchni równolegle do powierzchni podziałowych matryc

(rysunek 2.6 f).

Przy kuciu na prasach i młotach nie można otrzymać odkuwek z otwora-

mi przelotowymi. W odkuwkach wykonuje się tylko częściowe wgłębie-

nia z pozostawieniem dna, które zostaje następnie przebite (rysunek 2.7).

Często stosuje się okrojniki do jednoczesnego wycinania denek

i wypływek.

Rysunek 2.7. Przebijanie otworu w odkuwkach [6]: a) z denkiem płaskim, b) z jednostronnym wgłębieniem; 1 – stempel, 2 – odkuwka, 3 – płyta

tnąca (matryca), h – wysokość odkuwki, g – grubość dna, δ – luz miedzy stemplem i płytą tnącą

UWAGA! Należy dążyć do umieszczenia dna powyżej lub poniżej płaszczyzny podziału. Umieszczone symetrycznie pod względem płaszczyzny podziału sprzyja nadmiernemu wpływaniu materia-łu na zewnątrz wykroju i powoduje jego złe wypełnienie

W celu określenia tolerancji stosowanych do odkuwki matrycowanej,

należy znać wymiarów odkuwki i jej masę, płaszczyznę i kształt linii

podziału matrycy, kategorię użytej stali i inne dane. Doboru tolerancji

dokonuje się na podstawie normy PN-EN 10243-1: 1999 dla odkuwek

wykonywanych na gorąco ze stali węglowej i ze stali stopowej. Rozróż-nia się dwie klasy tolerancji:

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 55555555

• klasę kucia F, zapewniającą odpowiednią dokładność dla

większości zastosowań;

• klasę kucia E , nazwanej zacieśnioną - zaleca się ją stosować tylko dla przypadków ekonomicznie uzasadnionych np.

jeżeli jej stosowanie powoduje zmniejszenie się liczby ope-

racji obróbki skrawaniem.

Rysunek 2.8. Przykład tworzenia rysunku odkuwki (na podstawie rysunku wykonawczegp 1.4a)

Na rysunku 2.8 pokazano rysunek odkuwki piasty sprzęgła wykonanej

na młocie lub prasie sporządzony na podstawie rysunku wykonawczego

1.4a. Na rysunku odkuwki podano wymiary przedmiotu, wielkość naddatków na obróbkę, tolerancje wykonania i inne informacje będące

podstawą do wykonania matrycy.

Przy kuciu pod młotem w celu wypełnienia wykroju stosuje się kilka

uderzeń bijaka. Ponieważ proces odkształcenia ma charakter dynamicz-

ny, w początkowej jego fazie materiał formuje się najbardziej intensyw-

nie w górnych warstwach wykroju. Dlatego też najbardziej cienkościen-

ne i skomplikowane szczegóły wykroju, np. żeberka, należy umieszczać w górnej matrycy. Przy kuciu pod prasą wykrój wypełnia się w czasie

jednego skoku suwaka prasy i odkształceniu podlega cała objętość ma-

teriału, a płynięcie materiału i jego spęczanie jest bardziej intensywne

ROZDZIAŁ 2

Strona 56565656

niż pod młotem. Dlatego odkuwki o złożonych kształtach wykonuje się pod prasą z przedkuwek, a bardziej złożone wykroje umieszcza się w dolnej części matrycy.

Przy kuciu na kuźniarkach matryce składają się nie z dwóch a z trzech

części, ruchomej i stałej połówki matrycy oraz ze stempla. Narzędzia te

poruszają się w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach, co

umożliwia matrycowanie złożonych odkuwek, przy czym występuje

poziomy lub pionowy podział matryc.

Rysunek 2.9 [5]. Schemat kucia na kuźniarce z pionowym podziałem matryc: 1 – stempel, 2 - zderzak, 3 – nieruchoma cześć matrycy,

4 – pręt, 5 – ruchoma cześć matrycy

Schemat procesu kucia z poziomym podziałem matryc pokazano na ry-

sunku 2.9. Nagrzany do temperatury kucia pręt 4 wkłada się w nieru-

chomą część matrycy 3 (rysunek 2.9a) i ustala za pomocą zderzaka 2.

Szczęka ruchoma w której zamocowana jest połówka matrycy 5 przesu-

wa się do połówki matrycy nieruchomej 3 zaciskając pręt (rysu-

nek 2.9b). Następuje ruch stempla 1 przy równoczesnym odsunięciu się zderzaka 2 i spęczenie pręta wystającego ponad linie podziału matryc

(rysunek 2.9c).Przy dalszym ruchu suwaka prasy stempel rozpoczyna

ruch powrotny, matryca otwiera się, odkuwka wypada (rysunek 2.9d)

i cykl procesu zaczyna się od początku.

Kucie matrycowe na kuźniarkach charakteryzuje się wysoką wydajnoś-cią, możliwością wykonywania odkuwek o złożonym kształcie z dużą dokładnością wymiarową (określoną przez PN-EN 10243-2:2004).

Odkuwki charakteryzują się dużą różnorodnością kształtów, typowe

odkuwki pokazano na rysunku 2.10.

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 57575757

Rysunek 2.10. Typowe odkuwki wykonywane na kuźniarkach [5]

Bardzo duże odkuwki np. półfabrykaty na wały korbowe silników okrę-towych kuje się na prasach hydraulicznych.

2.3. Walcowanie, ciągnienie, przepychanie i wyciskanie

Walcowanie można podzielić na walcowanie wzdłużne i poprzeczne.

Walcowanie wzdłużne można podzielić na walcowanie płaskie ciągłe

oraz na walcowanie kształtowe ciągłe. Do walcowania poprzecznego

zaliczamy walcowanie gwintów i zarysów ewolwentowych (uzębień,

wielowypustów).

Walcowanie płaskie

Walcowanie płaskie stasuje się do wytwarzania blach grubych i cien-

kich. Blachy stalowe grube są walcowane na gorąco, a blachy cienkie na

zimno. Umowną orientacyjną granicą określającą w/w grupy jest wymiar

grubości g = 2 mm. Przy obecnym wysokim poziomie technologii,

zakłady metalurgiczne walcują blachy na gorąco nieznacznie poniżej tej

wymienionej granicy. Walcowanie blach cienkich na zimno wynika

z konieczności zachowania odpowiednio dużej wytrzymałości materiału

na rozerwanie. Przeciwdziała to możliwości rwania się pasma walcowa-

ROZDZIAŁ 2

Strona 58585858

nego materiału przemieszczającego się na linii produkcyjnej pomiędzy

klatkami walcowniczymi. Walcowanie jest realizowane w płaskim stanie

odkształcenia tzn. przyrost długości pasma jest uzyskiwany kosztem

zmniejszenia grubości. Szerokość pasma w czasie walcowania nie zmie-

nia się. Aby zmniejszyć wielkość nacisków jednostkowych, a przez to

zwiększyć żywotność narzędzi (walców) stosuje się napięcie pasma ma-

teriału w czasie walcowania. Blachy ze stopów aluminium i miedzi są walcowane z bloków materiału. W celu uzyskania dużych nacisków

jednostkowych niezbędnych do walcowania blach o małej grubości sto-

suje się walce o małych średnicach. Walce takie mają małą sztywność i wobec tego, aby uzyskać wysoką dokładność płaskości walcowanej

blachy, stosuje się układ walców wielostopniowy o zwiększających się średnicach w rozwiązaniu konstrukcyjnym klatek walcowniczych

(rysunek 2.11).

Rysunek 2.11. Schemat walcowania blachy o małej grubości

Walcowanie kształtowe, walcowanie poprzeczne, ciągnienie, przepychanie i wyciskanie

Walcowanie kształtowe ciągłe stosuje się do walcowania kształtowni-

ków np. prętów, ceowników, kątowników, teowników, dwuteowników.

Walcowany materiał przemieszcza się przez układ wyprofilowanych

kształtowo walców i w ten sposób uzyskuje ostateczną żądaną geometrię wyrobu (rysunek 2.12).

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 59595959

Rysunek 2.12. Schemat walcowania wzdłużnego (walcowanie kształtowe ciągłe)

W czasie walcowania poprzecznego materiał płynie prostopadle do osi

kształtowanego elementu. Za pomocą tego typu procesu można uzyskać np. gwinty, profile ewolwentowe. Wyróżnić tu należy następujące

procesy:

1. Walcowanie rolkami dwiema lub trzema (koła zębate, ślimaki,

wielowypusty, wielokarby).

2. Walcowanie zębatkami tzw. metoda Roto – Flo (koła zębate,

wielowypusty, wielokarby).

3. Walcowanie szczękami o wewnętrznej powierzchni kształtującej

(koła zębate o zębach prostych i skośnych, wielowypusty ewol-

wentowe, wielokarby).

4. Walcowanie ślimakami tzw. metoda Maaga (koła zębate o zę-bach prostych i śrubowych, wielowypusty).

5. Walcowanie uderzeniowe profilowanymi rolkami tzw. metoda

Groba (koła zębate o zębach prostych i skośnych, wielowypusty

ewolwentowe).

Kształtowniki można uzyskać także w procesie ciągnienia np. prętów,

rur.

Ciągnienie materiału może być realizowane poprzez układ wyprofilowa-

nych obracających się swobodnie walców lub też poprzez specjalne na-

rzędzie zwane ciągadłem (rysunek 2.13). Podczas ciągnienia oprócz

zmiany wymiarów przekroju poprzecznego elementu można uzyskać zmianę jego kształtu. Pręty mogą mieć przekrój okrągły, sześciokątny

lub kwadratowy.

ROZDZIAŁ 2

Strona 60606060

Rysunek 2.13 Schemat procesu przepychania (a), procesu ciągnienia (b):

1 – kształtowany materiał, 2 – matryca, 3 – korpus, 4 – płyta oporowa, 5 – przykłady kształtów uzyskiwanych w procesie

Jeżeli kształtowany materiał będzie przepychany przez zwężający się wyprofilowany otwór narzędzia to tego rodzaju operacja będzie nazywa-

na procesem przepychania. Różnica między przepychaniem a ciągnie-

niem polega na tym, że siła działa na nie odkształconą część przedmiotu.

Przepychaniu poddaje się zwykle przedmioty o niewielkiej długości.

Zmiana wymiarów przekroju poprzecznego lub jego kształtu następuje

na części długości przepychanego elementu.

Rysunek 2.14 Schemat procesu wyciskania współbieżnego: 1 – przykłady kształtów uzyskiwanych w procesie 2 – stempel,

3 - kształtowany materiał, 4 – matryca, 5 – korpus, 6 – płyta oporowa

Wyciskanie jest procesem, w wyniku którego pod działaniem nacisku

stempla następuje wypływanie materiału z matrycy. Za pomocą wyciska-

nia można otrzymać wyroby np. ze stopów aluminium, z miękkiej stali.

Procesy wyciskania można podzielić na wyciskanie: współbieżne, prze-

ciwbieżne i dwukierunkowe. Wyciskanie współbieżne (rysunek 2.14)

stosuje się do produkcji przedmiotów o różnorodnych kształtach prze-

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 61616161

kroju poprzecznego. Proces prowadzony w podwyższonych temperatu-

rach stosuje się do produkcji elementów o przekroju zamkniętym

(rysunek 2.15) i różnorodnych kształtowników (głównie z metali

nieżelaznych).

Rysunek 2.15. Przykłady przekrojów poprzecznych kształtowników wyciskanych [2]

Wyciskanie przeciwbieżne (rysunek 2.16a) stosuje się do produkcji

głównie elementów kształtu naczyniowego o różnorodnych przekrojach

poprzecznych.

Rysunek 2.16. Schemat procesu wyciskania a) przeciwbieżnego, b) dwukierunkowego: 1 – stempel, 2 – matryca,

3 - kształtowany materiał, 4 – płyta oporowa

Wyciskanie dwukierunkowe (rysunek 2.16b) stosuje się do produkcji

elementów o złożonych kształtach przekrojów poprzecznych z obydwu

stron (górnej i dolnej) wytwarzanego przedmiotu.

ROZDZIAŁ 2

Strona 62626262

2.4. Tłoczenie

Tłoczenie jest to proces technologiczny obróbki plastycznej na zimno

lub na gorąco, obejmujący cięcie i kształtowanie blach, taśm, drutów,

folii oraz płyt niemetalowych lub przedmiotów o małej grubości w sto-

sunku do innych wymiarów. Tłoczenie jest realizowane za pomocą przy-

rządów zwanych tłocznikami zamocowanych na prasach. Do procesów

cięcia realizowanych na pracach z użyciem tłoczników zaliczamy: wyci-

nanie, odcinanie, dziurkowanie, przycinanie, okrawanie, nacinanie, wy-

gładzanie. W procesach cięcia następuje naruszenie spójności materiału.

W procesach kształtowania naruszenie spójności materiału nie powinno

występować. Do procesów kształtowania zaliczamy gięcie i kształtowa-

nie wytłoczek o powierzchni nierozwijalnej. Do procesów gięcia zali-

czamy: wyginanie, zaginanie, zwijanie, zawijanie. Do procesów kształ-

towanie wytłoczek o powierzchni nierozwijalnej zaliczamy: profilowa-

nie, prostowanie, wygniatanie, ciągnienie (wytłaczanie, przetłaczanie,

dotłaczanie, wyciąganie), obciąganie, wywijanie, obciskanie, rozpęcza-

nie, wybijanie.

Cięcie

Cięcie jest metodą polegającą na oddzieleniu jednej części materiału od

drugiej. Takiemu oddzieleniu towarzyszą znaczne odkształcenia plas-

tyczne, które doprowadzają do naruszenia spójności materiału. W celu

przecięcia materiału w żądanym przekroju trzeba doprowadzić w tym

miejscu do odpowiedniego nacisku za pośrednictwem dwóch krawędzi

tnących. Przykładami takiej metody jest cięcie na nożycach gilotyno-

wych wzdłuż linii prostej. lub wykrawanie przedmiotów na wykrojni-

kach. Podczas cięcia, przy pewnym przesunięciu elementów tnących,

występuje naruszenie spójności materiału (pęknięcie). Wielkość tego

przesunięcia zależy od własności i grubości ciętego materiału. Pęknięcie

może jednak nie występować, jeżeli materiał jest dostatecznie plastyczny

(np. ołów, cyna) lub gdy w strefie cięcia, dodatkowo stosuje się wszech-

stronne ściskanie materiału (wykrawanie dokładne rysunek 2.17).

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 63636363

Rysunek 2.18. Schemat narzędzi do dokładnego wykrawania: 1 – stempel, 2 – materiał wykrawany, 3 – dociskacz,

4 – wykrojka, 5 – matryca, Pc - siła wykrawania, Pd - siła docisku

Proces cięcia za pomocą dwóch elementów tnących można podzielić na

charakterystyczne fazy. Rozpatrując proces wycinania krążków z mater-

iału o dobrych własnościach plastycznych można wyróżnić następujące

fazy: odkształceń sprężystych, odkształceń sprężysto-plastycznych,

plastycznego płynięcia, pękania, całkowitego oddzielenia wyciętego

przedmiotu.

Siła cięcia ulega zmianie w miarę zagłębiania się stempla w materiał.

Maksymalną wartość tej siły wyznaczyć można ze wzoru:

= k l g (2.2)

gdzie: k – współczynnik pewności technologicznej procesu cięcia

uwzględniający np. stępienie krawędzi tnących, niewłaściwy luz itp.,

(k=1,2-1,3), l - długość linii cięcia, g – grubość ciętego materiału,

- wytrzymałość materiału na ścinanie.

Gięcie

Przy gięciu (rysunek 2.18) zewnętrzne warstwy materiału ulegają rozcią-ganiu, a wewnętrzne ściskaniu. Granica między warstwami rozciąga-

nymi a ściskanymi nosi nazwę warstwy obojętnej. Przy obliczaniu wy-

miarów materiału wyjściowego przyjmuje się, że długość warstwy

obojętnej przy zginaniu pozostaje bez zmian, a miejsce jej położenia

zależy od stosunku promienia gięcia R do grubości giętego materiału g.

ROZDZIAŁ 2

Strona 64646464

Rysunek 2.18. Położenie warstwy obojętnej w materiale giętym

Odległość warstwy obojętnej od wewnętrznej strony określa się za po-

mocą współczynnika x, którego wartość w zależności od stosunku R/g

(od 0,1 do 1,3) wynosi od 0,23 do 0,43.

W procesie gięcia wskutek istniejących naprężeń wewnątrz giętego ma-

teriału powstaje zjawisko polegające na niewielkim rozgięciu materiału

z chwilą ustąpienia momentu gnącego o pewien kąt zwany kątem sprę-żynowania (rysunek 2.19).

Rysunek 2.19. Kąty sprężynowania giętego elementu a) wyginanie, b) zaginanie

Wartość siły gięcia dla wyginania zależy od sumy szerokości materiału

giętego B, od grubości materiału g oraz od wytrzymałości materiału na

rozerwanie

= 1,1

W przypadku gięcia z dotłaczaniem, siłę potrzebną do wykonania tego

zabiegu oblicza się tylko z procesu dotłaczania.

= p F

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 65656565

Gięcie może być realizowane za pomocą tłoczników lub specjalnych

przystosowany do tego procesu walców. Do gięcia służą również prasy

krawędziowe.

Kształtowanie wytłoczek o powierzchni nierozwijalnej

Opracowanie procesu kształtowania wytłoczek o powierzchni nierozwi-

jalnej rozpoczyna się od wyznaczenia wymiarów i kształtu materiału

wyjściowego. Dla tego typu wytłoczek, mimo zmian grubości ścian wy-

tłoczki, jest zachowana grubość średnia w przybliżeniu równa grubości

materiału wyjściowego g. Błąd popełniany wg tego założenia nie prze-

kracza 5%. Kształt i wymiary materiału wyjściowego oblicza się z rów-

ności pól powierzchni wytłoczki Fw i materiału wyjściowego Fm po-

większona o powierzchnię naddatku na wyrównanie obrzeża. Nierów-

ność obrzeża wytłoczki wynika z anizotropii blachy (walcowanej na

zimno) stosowanej w procesie.

=

Obliczenia te są realizowane na drodze analitycznej. Kształt i wymiary

materiału wyjściowego można uzyskać także na drodze analityczno-

wykreślnej i wykreślnej [3].

Rysunek 2.20. Schemat wytłaczania wytłoczki walcowej: 1 – dociskacz, 2 – stempel, 3 – materiał wytłaczany, 4 - matryca

ROZDZIAŁ 2

Strona 66666666

Dla wytłoczek walcowych (rysunek 2.20) materiałem wyjściowym jest

krążek blachy o średnicy D. Liczbę operacji n niezbędnych do wykona-

nia wytłoczki wyznaczyć można z zależności:

= … (2.3)

gdzie: d1, d2, …, dn średnice kolejnych wytłoczek.

Przy spełnieniu zależności:

≥ , ≥ , …, (2.4)

gdzie: m1, m2, …, mn - oznaczają najmniejsze dopuszczalne współ-

czynniki ciągnienia, dobrane w zależności od względnej grubości krążka

(g/D)100 [3].

Miernikiem konieczności stosowania docisku kołnierza materiału wyj-

ściowego jest stosunek grubości materiału g do średnicy płaskiego krą-żka materiału wyjściowego D lub do średnicy przedmiotu otrzymanego

po poprzedniej operacji ciągnienia.

1. Przy D

g 100 > 2 tłoczenie jest możliwe bez dociskania.

2. Przy 1,5 ≤ D

g 100 ≤ 2 tłoczenie bez docisku jest możliwe dla

przypadków stosunkowo dużych współczynników ciągnienia

w porównaniu z najmniejszymi dopuszczalnymi.

3. Przy D

g 100 ≤ 1,5 proces tłoczenia należy realizować z docis-

kiem kołnierza materiału.

Siłę nacisku dociskacza oblicza się ze wzoru:

Q = Fq (2.5)

gdzie: F - powierzchnia materiału wyjściowego podlegająca dociskowi,

q - nacisk jednostkowy dociskacza.

Siła wywierana przez dociskacz zabezpiecza kształtowany materiał

przed pofałdowaniem. Siła tłoczenia Pw wywierana przez stempel na dno

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 67676767

wytłoczki jest przenoszona przez ścianki kształtowanego materiału

o ograniczonej nośności.

Górna graniczna wartość tej siły jest obliczana z warunku wytrzymałości

na rozerwanie materiału kształtowanego.

Dla elementów walcowych siła tłoczenia jest obliczana ze wzorów

empirycznych:

- dla operacji wytłaczania

= 1,4g (D - ) (2.6)

- dla następnych przejść

= 1,55g ( - ) (2.7)

gdzie: - wytrzymałość materiału na rozerwanie, , … - średnice

wytłoczek po kolejnych przejściach.

Dla elementów prostokątnych siła tłoczenia jest obliczana ze wzoru:

= + (2.8)

gdzie: - siła tłoczenia elementu walcowego o promieniu równym pro-

mieniowi narożnika, - siła gięcia prostych ścianek elementu.

Jednym z najważniejszych parametrów geometrycznych narzędzi biorą-cych udział w procesie tłoczenia jest promień ciągowy matrycy. Jego

wartość oblicza się ze wzoru:

= 0,8 2.9)

Średnica otworu ciągowego matrycy oraz promień zaokrąglenia

stempla wynika z określonych parametrów konstrukcyjnych elementu.

Proces tłoczenia, przykład konstrukcji tłocznika

Przygotowanie technologiczne produkcji wytłoczek wymaga opracowa-

nia planu operacyjnego oraz zaprojektowania tłoczników do wykonania

poszczególnych operacji. Przy opracowaniu procesu technologicznego

produkcji wytłoczki trzeba określić:

• materiał wyjściowy,

ROZDZIAŁ 2

Strona 68686868

• kształt i wymiar wykroju wstępnego,

• kolejność poszczególnych operacji,

• stopień koncentracji zabiegów w tłoczniku,

• liczbę części tłoczonych jednocześnie,

• wymiar części po każdej operacji,

• sposób podawania materiału i usuwania wytłoczek,

• typ, nacisk i wymiar przestrzeni roboczej prasy,

• projektowanie i wykonanie kompletu tłoczników do produk-

cji danej wytłoczki.

W tłoczniach produkujących wytłoczki wielkoseryjnie i masowo mater-

iałem wyjściowym jest blacha dostarczana w kręgach, a nie w arkuszach.

Korzyści materiału dostarczanego w kręgach są następujące:

• lepsze wykorzystanie materiału,

• niższa cena materiału (3 – 5%),

• lepsza organizacja przygotowania wsadu do prasowni.

Nowoczesne tłocznie mają specjalne agregaty do rozkroju blach w krę-gach. W budowie tłoczników, z punktu doboru materiałów, rozróżnia się dwie grupy elementów – konstrukcyjne i robocze. Na elementy kon-

strukcyjne stosowana jest stal węglowa konstrukcyjna zwykłej oraz wyż-szej jakości, a także żeliwo i brąz. Na elementy robocze używa się różnych gatunków stali, którym stawia się następujące wymagania: duża

twardość oraz odporność na ścieranie i wysoka udarność, jak najmniej-

sza skłonność do pękania i odkształcania podczas obróbki cieplnej, do-

bra skrawalność.

Aby tłocznik mógł prawidłowo pracować niezbędne jest odpowiednie

ustalenie elementów roboczych tłocznika względem siebie w czasie pra-

cy. Do tego celu służą elementy prowadzące np.: prowadzenie słupowe,

w skład których wchodzi płyta dolna w której są zamontowane słupy

prowadzące płytę górną. W płycie górnej jest zamocowany czop służący

do połączenia płyty górnej z suwakiem prasy oraz stempel. W płycie

dolnej jest zamocowana matryca oraz elementy prowadzące materiał

wykrawany. W zależności od przeznaczenia tłoczniki muszą być wypo-

sażone w różnego rodzaju elementy oporowe, kołki, listwy prowadzące

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Strona 69696969

materiał, spychacze i wyrzutniki itp. Na rysunku 2.22 przedstawiono

przykładowo tłocznik do wycinania elementów okrągłych o średnicy D

z pasa materiału.

Rysunek 2.21. Przykład konstrukcji tłocznika: 1 - płyta dolna (podstawa), 2 – płyta górna, 3 – słup prowadzący, 4 – stempel, 5 – matryca,,

6 – płyta zrywająca, 7 - prowadnice materiału wykrawanego, 8 – oprawa stempla, 9 – czop, 10 – śruby mocujące skrzynkę tnącą,

11 – kołki ustalające

2.5. Literatura do rozdziału 2

1. Bosiacki K., Kucie matrycowe na młotach, PWT, Warszawa

1956.

2. Erbel St., Kuczyński K., Marciniak Z., Obróbka plastyczna,

PWN, Warszawa 1981.

3. Kapiński S., Kształtowanie elementów nadwozi samochodów,

WKŁ, W-wa 1996.

4. Kapiński S., Skawiński P,, Sobieszczański J., Sobolewski J.Z.,

Projektowanie technologii maszyn, Oficyna Wydawnicza Poli-

techniki Warszawskiej, Warszawa 2007.

ROZDZIAŁ 2

Strona 70707070

5. Praca zbiorowa, tłumaczenie z j. rosyjskiego, Podstawowe

techniki wytwarzania w przemyśle maszynowym, WNT,

Warszawa 1973.

6. Wasiunyk P., Kucie matrycowe, WNT, Warszawa 1968.

7. Wasiunyk P., Kucie na kuźniarkach, WNT, Warszawa 1973.

`

3 Spawalnictwo

W tym rozdziale:

o Istota spajania o Budowa spoiny. Naprężenia i odkształcenia

spawalnicze. Pękanie połączeń spawanych. Spawalność

o Podział metod spawania i omówienie najważniejszych metod spawania

o Podstawowe informacje o konstrukcji połączeń spawanych

o Podział metod zgrzewania i omówienie najważniejszych metod zgrzewania

o O spawaniu i zgrzewaniu tworzyw sztucznych o Charakterystyka procesów pokrewnych spawaniu o Literatura do rozdziału 3

ROZDZIAŁ 3

Strona 72727272

3.1. Wprowadzenie do procesów spawania i zgrzewania

Spawanie i zgrzewanie wchodzą w zakres szerszego pojęcia – spajania.

Spajanie polega na trwałym łączeniu części w monolit. Części połączo-

nych w ten sposób nie można rozdzielić bez ich zniszczenia. Spajanie

poza spawaniem i zgrzewaniem obejmuje także lutowanie i klejenie.

Najbardziej uniwersalnym sposobem trwałego łączenia jest klejenie.

Istotą spajania jest doprowadzenie do powstania więzi międzyatomo-

wych pomiędzy atomami łączonych części. W przypadku trwałego łą-czenia metali będą to wiązania metaliczne. Jednak, aby takie wiązanie

mogło powstać, musi dojść do odpowiedniego zbliżenia pomiędzy

atomami. W zależności od tego, jakiego rodzaju siły atomowe lub

międzycząsteczkowe i jakie mechanizmy wykorzystywane są do tworze-

nia powiązań oraz w zależności od sposobu osiągania odpowiedniego

zbliżenia pomiędzy atomami łączonych części można mówić o spawa-

niu, zgrzewaniu, lutowaniu lub klejeniu.

Przy spawaniu zbliżenie pomiędzy atomami osiągamy poprzez nadtopie-

nie brzegów łączonych części i wprowadzenie w przestrzeń pomiędzy

tymi brzegami stopionego metalu. W czasie krzepnięcia powstanie

wspólna sieć krystaliczna łącząca obie części. W przypadku zgrzewania

nie stosuje się spoiwa pośredniczącego w tworzeniu połączenia. Połącze-

nie powstaje bezpośrednio pomiędzy łączonymi częściami. Czynnikiem,

który wymusza odpowiednie zbliżenie jest siła dociskająca do siebie łą-czone powierzchnie, normalna do tych powierzchni. Ta siła dociskająca

jest parametrem procesu zgrzewania. Występuje we wszystkich meto-

dach i odmianach zgrzewania. Aby jednak ułatwić ten proces w więk-

szości metod zgrzewania dodatkowo do miejsca zgrzewania doprowa-

dzane jest ciepło powodujące uplastycznienie łączonych materiałów lub

nawet ich miejscowe nadtopienie.

Przedstawiony tu opis trwałego łączenia nie uwzględnia realności istnie-

jącej w ziemskich warunkach. Rzeczywiste powierzchnie są pokryte

różnego rodzaju zanieczyszczeniami i zawsze warstewką tlenków, rysu-

nek 3.1. Porównując grubość tej warstwy z wymiarami atomu jest to

SPAWALNICTWO

Strona 73737373

potężna przegroda. Aby mogło dojść do powiązania między atomami

łączonych elementów musi nastąpić choćby częściowe zniszczenie tej

przegrody.

3

2

1

Rysunek 3.1. Schemat syku rzeczywistych powierzchni łączonych przedmiotów: 1,2 – kryształy rodzimego materiału, 3 – warstwa tlenków

i zanieczyszczeń [5]

Oczyszczanie powierzchni jest koniecznym działaniem poprzedzającym

ich trwałe łączenie. Często jest to operacja poprzedzająca spawanie lub

zgrzewanie. Przy niektórych metodach zgrzewania dodatkowe usuwanie

lub rozdrobnienie warstewki tlenków zachodzi w trakcie realizacji

procesu łączenia, np. przy zgrzewani tarciowym lub zgniotowym.

Do spawalnictwa zalicza się także tzw. procesy pokrewne spawaniu. Są to procesy mające inne cele niż trwałe łączenie przedmiotów, lecz wyko-

rzystujące, po odpowiednim dostosowaniu, metody i urządzenia stoso-

wane w spawalnictwie. Będą to np. napawanie, natryskiwanie, żłobienie,

cięcie.

Przy spawaniu w celu nadtopienia brzegów i stopienia spoiwa musi być doprowadzone ciepło. Najczęściej jest to punktowe źródło ciepła prze-

mieszczające się wzdłuż łączonych brzegów z prędkością vs. Ilość do-

prowadzonego ciepła Q wynika z ciepła niezbędnego do nadtopienia

brzegów łączonych części QTM oraz stopienia spoiwa QTS i musi być odpowiednio większa ze względu na straty ciepła spowodowane przez

promieniowanie i konwekcję Qsk w otaczającym powietrzu i przede

wszystkim przez przewodnictwo cieplne Qsp łączonych materiałów,

QQQQQspskTSTM

+++=

ROZDZIAŁ 3

Strona 74747474

QskQ

Qsp 1

vs4

3

2

Rysunek 3.2. Ideowy schemat spawania; 1 – brzeg łączonej części, 2 – jeziorko spoiny, 3 – spoina, 4 – spoiwo [5]

Trzeba zwrócić uwagę, że straty ciepła są funkcją czasu. Im dłużej trwa

uformowanie spoiny tym większe będą straty ciepła i tym mniejsza bę-dzie sprawność energetyczna procesu.

Moc P źródła ciepła określa zależność:

dt

dQP =

Stosunek mocy źródła ciepła P do prędkości spawania vs nazywa się li-niową energią spawania qL i oznacza, jaka porcja energii przypada na

jednostkę długości spoiny,

v

Pq

sL

=

Ważną wielkością jest także koncentracja energii, rozumiana jako odnie-

sienie mocy bezpośredniego źródła ciepła do pola przekroju strumienia

ciepła. Pod tym względem występują bardzo duże różnice pomiędzy

SPAWALNICTWO

Strona 75757575

obecnie stosowanymi metodami spawania. Na przykład przy spawaniu

gazowym koncentracja energii wynosi około 50 000 W/m2, a przy

spawaniu elektronowym koncentracja energii wiązki elektronów może

osiągać ponad 1000 W/m2. Przy większej koncentracji energii można

kształtować spoinę o większym stosunku wysokości spoiny do jej

szerokości. Kolejna ważna różnica polega na tym, że większej

koncentracji energii odpowiada mniejsza ilość ciepła wnikająca w

materiał łączonych części.

UWAGA! Przy większej koncentracji energii można kształtować spoinę o większym stosunku wysokości spoiny do jej szerokości. Kolej-na ważna różnica polega na tym, że większej koncentracji energii odpowiada mniejsza ilość ciepła wnikająca w materiał łączonych części.

3.2. Przygotowanie powierzchni do spawania i budowa spoiny

Spawanie poprzedzane jest przygotowaniem brzegów łączonych przed-

miotów. Często używa się sformułowania – ukosowanie brzegów.

Kształt i wymiary ukosowania zależą od zastosowanej metody spawania

i od grubości łączonych przedmiotów w miejscu łączenia. Na rysun-

ku 3.3 przedstawiono przykłady, zalecanego przez PN-EN 29692,

ukształtowania brzegów przy spawaniu łukowym elektrodami otulo-

nymi.

ROZDZIAŁ 3

Strona 76767676

0 3<1

41 4 1 4

1 4

1 4 <1

30

2

02

40 60o

6 8

38

54

0

31

0

60o

>1

2>

10

podkładka

40 60o

8 12o

24

Rysunek 3.3. Przykłady przygotowania brzegów blach do spawania łukowego elektrodami otulonymi

Ukosowanie przeprowadza się najczęściej poprzez obróbkę skrawaniem.

Stosowane jest także przygotowanie brzegów poprzez cięcie termiczne.

Ten sposób wykorzystywany jest przy łączeniu brzegów o znacznej

grubości. Obróbka brzegów łączonych przedmiotów nie tylko nadaje im

odpowiedni kształt, lecz także odkrywa czyste powierzchnie łączonych

materiałów, co ułatwia prawidłowe formowanie spoiny.

W celu wypełnienia przestrzeni pomiędzy łączonymi brzegami dopro-

wadza się stopione spoiwo. Bez doprowadzania spoiwa spawać można

brzegi o małych grubościach, stosując np. wygięcie brzegów, tak jak na

rysunku 3.4.

Rysunek 3.4. Przykład przygotowania cienkich blach (g < 2 mm) do spawania bez dodawania spoiwa

UWAGA! Bez dodawania spoiwa można także spawać brzegi o znacznych grubościach, lecz taką możliwość stwarzają tylko metody pozwalające na osiągnięcie wysokiej koncentracji energii, np. spawanie elektronowe.

Przeważnie dąży się aby skład chemiczny spoiny był taki sam jak mater-

iałów łączonych. Toteż materiał spoiwa powinien być zbliżony do skła-

du chemicznego materiałów łączonych. Nie oznacza to, że zawsze powi-

nien być to skład identyczny. W wysokich temperaturach zachodzą reakcje utleniania lub redukcji, może nastąpić zubożenie udziału jakie-

SPAWALNICTWO

Strona 77777777

goś pierwiastka. Spoiwo powinno mieć więc skład pozwalający na kom-

pensację niekorzystnych zmian. Ważnym jest, aby spoiwo po stopieniu

miało się, w jeziorku spoiny, miało wymagany skład chemiczny. W spa-

walnictwie stopionemu spoiwu nadaje się oddzielną nazwę – mówi się o stopiwie.

W niektórych przypadkach celowo doprowadza się do nieco innego skła-

du chemicznego spoiny, np. by zwiększyć plastyczność spoiny. Osiąga

się to poprzez odpowiedni skład spoiwa.

Po nadtopieniu brzegów łączonych przedmiotów i wypełnieniu prze-

strzeni pomiędzy nimi stopiwem nastąpi proces krystalizacji spoiny,

rysunek 3.5.

Rysunek 3.5. Schemat krystalizacji spoiny [5]

Krystalizacja rozpoczyna się od granicy nadtopionych kryształów mater-

iału rodzimego. Kryształy te narastają w kierunku przeciwnym do

kierunku odprowadzania ciepła. Powstają charakterystyczne, tzw. kry-

ształy słupkowe, podobnie jak przy krystalizacji wlewków. Rosnące kry-

ształy powodują przemieszczanie ewentualnych zanieczyszczeń do ob-

szaru jeszcze ciekłego. Kształt brzegów spoiny ma zatem wpływ na lo-

kalizację ewentualnych zanieczyszczeń.

SWC strefa wpływu ciepła(materiał rodzimy)

Materiał rodzimy o strukturzeniezmienionej wskutek spawania

Spoina - stop stopiwa imateriału rodzimego

Granica wtopieniaw materiał rodzimy Gran

Lico

Rysunek 3.6. Szkic spoiny

ROZDZIAŁ 3

Strona 78787878

Ogólny widok spoiny przedstawiono na rysunku 3.6. Na rysunku tym

wyróżniono charakterystyczne fragmenty spoiny i otoczenia spoiny.

Szczególne znaczenie ma tzw. strefa wpływu ciepła, oznaczana literami

SWC, przylegająca do spoiny. W strefie tej pod wpływem wysokiej

temperatury następują zmiany strukturalne materiału rodzimego. Strefa

wpływu ciepła rozciąga się od spoiny w głąb materiałów łączonych, aż do miejsca, w którym temperatura nie jest już tak wysoka, aby spowodo-

wać zmiany w budowie materiału. Poza tą umowną granicą struktura

materiału rodzimego pozostaje niezmieniona.

Wpływ podwyższenia temperatury na budowę i właściwości strefy wpły-

wu ciepła przy spawaniu stali niskowęglowej, o zawartości węgla poni-

żej 0,25% C, obrazuje rysunek 3.7. Rozpatrywaną stal niskowęglową na

wykresie żelazo węgiel, rysunek 3.7b symbolizuje linia pionowa. Wy-

kres na rysunku 3.7a przedstawia rozkład maksymalnej temperatury

osiąganej na powierzchni łączonych przedmiotów, w funkcji odległości

od osi spoiny. W zależności od temperatury, do jakiej został podgrzany

materiał można wyróżnić w strefie wpływu ciepła kilka istotnie

różniących się obszarów.

W materiale podgrzanym do temperatury 1500 ÷ 1100 oC następuje

rozrost ziaren, co prowadzi do pogorszenia właściwości mechanicznych.

Obszar ten nazywa się obszarem przegrzania. W dalej położonym

materiale ogrzanym do temperatury od 1100 oC do około 900

oC

następuje rozdrobnienie ziaren. Uzyskuje się właściwości mechaniczne

lepsze niż materiału rodzimego. Ten obszar nazywa się obszarem normalizacji. Przy temperaturach od około 900

oC do temperatury

723 oC następuje tylko częściowe przekrystalizowanie. Obok ziaren

rozdrobnionych część ziaren pozostaje niezmieniona. Ten obszar może

wyznaczać zasięg strefy wpływu ciepła. W przypadku, gdy materiał

przed spawaniem był umocniony, w obszarze podgrzanym do

temperatury 723 ÷ 500 oC, nastąpi odbudowa zdolności do odkształceń

plastycznych. Ten obszar nazywa się obszarem rekrystalizacji. Jeżeli

występuje, to w takim przypadku wyznacza zasięg SWC. W materiale

położonym w dalszej odległości nie zachodzą już żadne zmiany w jego

budowie.

SPAWALNICTWO

Strona 79797979

o C

% Cl, mm

a) b)

c)

723

1100

500

>1500

~900

Obszar przegrzania

Obszar normalizacji

Obszar niepełnej

normalizacji

Obszar

rekrystalizacji

µHV

mm

d)

Rysunek 3.7. Wpływ temperatury na strukturę złącza spawanego: a) rozkład temperatury na powierzchni złącza, b) wykres żelazo – węgiel,

c) poglądowy rysunek budowy złącza, d) rozkład mikrotwardości w złączu spawanym, wg [4]

Na budowę i właściwości złącza spawanego ma też historia materiału

przed spawaniem. Poglądowo przedstawiono na rysunku 3.7d. Linia

ciągła odpowiada rozkładowi mikrotwardości w przypadku spawania

blach walcowanych na gorąco, a linia przerywana – blach walcowanych

na zimno. W drugim przypadku materiał został umocniony, po spawaniu

wystąpił więc obszar rekrystalizacji.

Stale o większej zawartości węgla, ponad 0,3 % C oraz stale stopowe

zawierające pierwiastki takie jak np. chrom, molibden, wanad są stalami

ROZDZIAŁ 3

Strona 80808080

hartującymi się. Przy odpowiednio dużej szybkości chłodzenia nastąpi

bezdyfuzyjna przemiana austenitu w martenzyt. W strefie wpływu cie-

pła, w obszarze przegrzania, w strukturze stopu wydzieli się gruboziar-

nisty, a w obszarze normalizacji drobnoziarnisty martenzyt. Struktura

martenzytyczna wyróżnia się dużą twardością i kruchością. Jest przyczy-

ną powstawania pęknięć. Jest więc wysoce niepożądana.

Przemiany fazowe w tych stalach opisują wykresy CTP (czas – tempe-

ratura – przemiana). Uproszczony wykres CTP przedstawiono na ry-

sunku 3.8. Linią ciągłą (4) naniesiono hipotetyczy przebieg zmian tem-

peratury w wybranym punkcie strefy wpływu ciepła. Maksymalna tem-

peratura w tym punkcie wynosi około 800 oC. Chłodzenie z szybkością określoną linią ciągłą oznacza, że w otoczeniu tego punktu powstanie

struktura drobnoziarnistego martenzytu.

ToC

lg t

ToC

A3

A1

Ms

Mf

% C

A+P

A+F

a) b)

A

12

3 723

4

Rysunek 3.8. Poglądowy wykres ilustrujący przemiany w stali skłonnej do hartowania: a) wykres CTP, b) fragment wykresu żelazo – węgiel;

1 – początek przemiany austenitu w perlit, 2 – koniec przemiany austenitu w perlit, 3 – początek wydzielania się ferrytu, Ms – początek przemiany martenzytycznej, Mf – koniec przemiany martenzytycznej,

4 – zmiany temperatury w wybranym punkcie SWC [5]

Wykres CTP wyjaśnia również jak uniknąć powstania struktury

martenzytycznej. Osiągnie się to poprzez zmniejszenie szybkości

studzenia (na wykresie linie przerywane). Spowolnienie studzenia

spowoduje przemianę austenitu w drobnoziarnisty perlit. W zależności

od przebiegu spowolnionego chłodzenia wydzieli się mniej lub bardziej

SPAWALNICTWO

Strona 81818181

drobnoziarnisty perlit. Przy dużym przechłodzeniu, poniżej temperatury

500o C wydzieli się szczególnie rozdrobniony, iglasty perlit, zwany

bajnitem. Odpowiednie spowolnienie chłodzenia, osiągane poprzez

podgrzewanie spoiny w czasie spawania i po spawaniu jest

najprostszym i podstawowym sposobem, pozwalającym w wielu przypadkach, na uniknięcie powstania struktury martenzytycznej.

UWAGA! Opisywany dotychczas stan SWC odpowiada formowaniu spoiny przez jedną warstwę. Przy spoinach o dużej grubości, jej ufor-mowanie, wymaga położenia kilku, a nawet kilkunastu warstw, rysunek 3.9. Wtedy do materiału przylegającego do spoiny do-chodzą kolejne porcje ciepła.

Rysunek 3.9. Formowanie spoiny kilkoma warstwami

Na przykład, jeżeli przy spawaniu stali niskowęglowej w określonym

miejscu SWC powstała struktura gruboziarnista, a kolejny impuls ciepła

spowodował podniesienie temperatury do około 1000o C, to nastąpi

proces normalizacji, powstanie struktura drobnoziarnista. W przypadku

stali skłonnych do hartowania ponowne podgrzanie w wyniku dopływu

ciepła z kolejnej warstwy może uruchomić procesy charakterystyczne

dla odpuszczania.

3.3. Naprężenia i odkształcenia spawalnicze

Nierównomierne nagrzewanie części łączonych spowodowane spawa-

niem oraz przemiany strukturalne w strefie wpływu ciepła są podstawo-

wymi przyczynami powstawania naprężeń własnych w konstrukcjach

spawanych. Naprężenia cieplne, wywołane nierównomiernym nagrze-

waniem, praktycznie zawsze powstają po spawaniu i mają duży zasięg.

Mechanizm powstawania naprężeń cieplnych obrazuje podany na ry-

sunku 3.10 przykład miejscowego podgrzewania płyty.

ROZDZIAŁ 3

Strona 82828282

Q Q

σpl

a) b) c)

Rysunek 3.10. Powstawanie naprężeń własnych w płycie miejscowo podgrzewanej

Podgrzewany fragment płyty (kolor szary) gdyby był wyodrębniony

zwiększyłby swe wymiary, tak jak zaznaczono linią przerywaną. Na ta-

kie swobodne zwiększenie wymiarów w płaszczyźnie płyty nie pozwala

pozostała zimna część płyty. W podgrzewanym fragmencie powstają naprężenia ściskające, a w zimnej części – naprężenia rozciągające,

rysunek 3.10a. Po osiągnięciu granicy plastyczności, rysunek 3.10b, na-

stępuje trwałe odkształcenie podgrzewanego fragmentu, trwałe zwięk-

szenie wymiarów w kierunku prostopadłym do płaszczyzny płyty. Po

ochłodzeniu płyty do temperatury otoczenia zmienione proporcje

uprzednio podgrzewanego fragmentu powodują, że gdyby ten fragment

był wyodrębniony, to jego średnica byłaby nieco mniejsza od średnicy

przed rozpoczęciem podgrzewania, rysunek 3.10b. Na takie zmniejszenie

wymiaru nie pozwala pozostała część płyty. W odkształconym frag-

mencie powstaną naprężenia rozciągające, a w otaczającym materiale

płyty – naprężenia ściskające.

Przykład rozkładu naprężeń po spawaniu płyt przedstawiono na rysun-

ku 3.11.

SPAWALNICTWO

Strona 83838383

x

y

-+

+

-

- -

--

--

+

Spoina

+

-

Rysunek 3.11. Rozkład naprężeń w płycie spawanej doczołowo [5]

Naprężenia strukturalne są wynikiem przemian strukturalnych zachodzą-cych w strefie wpływu ciepła. Mają zasięg lokalny, w mikroobszarach.

Sumują się z naprężeniami cieplnymi. Źródłem takich naprężeń jest np.

powstanie struktury martenzytycznej. Wydzielający się martenzyt powo-

duje wzrost objętości stali, co wywołuje silne naprężenia w sieci krysta-

licznej i może powodować powstawanie pęknięć.

Naprężenia spawalnicze są przyczyną deformacji przedmiotów spawa-

nych, a nawet pęknięć. Stan naprężeń własnych po spawaniu może ule-

gać zmianom w dłuższym okresie czasu, co oznacza znaczne obniżenie

dokładności kształtowej i wymiarowej spawanej konstrukcji. Utrudnia

także osiągnięcie wymaganej dokładności po obróbce skrawaniem, gdyż usunięcie warstwy skrawanej zmienia stan równowagi i prowadzi do

kolejnego odkształcenia.

UWAGA! Można skutecznie obniżyć a nawet zlikwidować naprężenia wła-sne po spawani przeprowadzając obróbkę cieplną w piecu – wy-żarzanie odprężające. Przy dużych konstrukcjach stosowane jest podgrzewanie miejscowe, lecz nie osiąga się całkowitej li-kwidacji naprężeń. Obniżenie naprężeń spawalniczych można także osiągnąć stosując odprężanie mechaniczne, polegające na przyłożeniu do konstrukcji obciążeń zewnętrznych wywołują-cych miejscowe przekroczenie granicy plastyczności. Najtańsza jest metoda odprężania wibracyjnego, umożliwiająca częściową redukcję naprężeń.

ROZDZIAŁ 3

Strona 84848484

Rozległość naprężeń spawalniczych powoduje różnorodne deformacje.

Można wyróżnić następujące odkształcenia spawalnicze: liniowe

wzdłużne, liniowe poprzeczne, kątowe, wygięcia i skręcenia. Kom-

binacja tych odkształceń może prowadzić do znacznej przestrzennej

deformacji konstrukcji spawanej. Na rysunku 3.12 przedstawiono płytę odkształconą liniowo i kątowo, a na rysunku 3.13 płytę, która uległa

odkształceniu liniowemu i wygięciu.

L

Lo

B

Bo

ϕ

1/2 ∆ L

1/2

∆ B

Rysunek 3.12. Liniowe i kątowe odkształcenia po spawaniu [5]

z

L = L - Lo

ϕ

∆

R

Rysunek 3.13. Wygięcie w płaszczyźnie płyty [5]

W przypadku odkształceń wzdłużnych i wygięć można wyznaczyć war-

tość odkształceń z wzorów teoretycznych. We wzorach tych można

wyróżnić trzy grupy czynników decydujących o wartości odkształcenia,

a mianowicie: czynniki materiałowe, technologiczne i konstrukcyjne.

Oznacza to, że można wpływać na wartość odkształceń dobierając odpo-

SPAWALNICTWO

Strona 85858585

wiednio metodę spawania i parametry spawania, a także odpowiednio

kształtując konstrukcję. Przedstawione na rysunku 3.13 wygięcie płyty

nie wystąpiłoby gdyby oś spoiny pokrywała się z położeniem osi

przechodzącej przez środki ciężkości przekrojów poprzecznych płyty

(gdyby z = 0).

Rysunek 3.14. Skutek spawania blach bez wstępnego łączenia [5]

a)

b)

c)

d)

Rysunek 3.15. Zapobieganie odkształceniom przez: a) odpowiednie ustawienie, b) przeciwwygiecie, c) i d) sztywne zamocowanie [5]

Poza doborem odpowiedniej technologii i odpowiedniej konstrukcji

przeciwdziałać odkształceniom można stosując działania zapobiegające

odkształceniom. Na rysunku 3.14 przedstawiono zachodzenie na siebie

płyt spowodowanych spawaniem. Można tego uniknąć dokonując przed

spawaniem kilka sczepień krótkimi spoinami rozłożonymi na długości

spoiny. Na rysunku 3.15 pokazano kilka sposobów przeciwdziałania

odkształceniom.

Można także usuwać powstałe odkształcenia stosując oddziaływanie

mechaniczne lub termiczne lub łącząc te oddziaływania.

ROZDZIAŁ 3

Strona 86868686

3.4. Pękanie połączeń spawanych

Konstrukcjach spawane, tak jak i części maszyn wytwarzane innymi

metodami, narażone są na pękanie spowodowane oddziaływaniem na-

prężeń przekraczających naprężenia dopuszczalne. Przy obciążeniach

statycznych, na przykład przy rozciąganiu, wytrzymałość połączenia

spawanego jest zbliżona do wytrzymałości materiału rodzimego, a pęka-

nie najczęściej występuje poza spoiną, w strefie wpływu ciepła. Nato-

miast spawanie niekorzystnie wpływa na wytrzymałość zmęczeniową. Geometria spoiny a w szczególności różnego rodzaju niezgodności spa-

walnicze (wady spawalnicze, np.: podtopienia grani lub lica, brak przeto-

pu, kratery, zażużlenia, pęcherze gazowe) tworzą karby prowadzące do

lokalnego spiętrzenia naprężeń. Dodatkowo sytuację pogarsza występo-

wanie w połączeniach spawanych naprężeń własnych. Sumowanie się naprężeń rozciągających cyklu zmęczeniowego z naprężeniami rozciąga-

jącymi własnymi jest kolejnym powodem obniżenia wytrzymałości

w przypadku działania naprężeń zmiennych w czasie. Można przyjąć, że

wytrzymałość zmęczeniowa połączenia spawanego jest niższa niż mater-

iału rodzimego.

Również w przypadku pękania kruchego spawanie może wprowadzać dodatkowe okoliczności sprzyjające pękaniu.

UWAGA! Pękanie kruche następuje w stopach metali, w których zanika zdolność do odkształceń plastycznych. Przejście materiału pla-stycznego w stan kruchy w szczególności uzależnione jest od temperatury pracy konstrukcji. Stan kruchy osiągany jest naj-częściej w temperaturach poniżej zera stopni Celsjusza.

Podobnie jak i w przypadku obciążeń zmiennych, występowanie nie-

zgodności spawalniczych może ułatwić zapoczątkowanie i rozwój pęk-

nięć. Nawet zgniot materiału spowodowany w czasie obróbki brzegów

spoiny przed spawaniem może być dodatkową przyczyna ułatwiającą powstanie pękania kruchego.

W połączeniach spawanych występują także szczególne przypadki pęka-

nia, uzewnętrzniające się bez przyłożenia obciążeń zewnętrznych, cha-

rakterystyczne tylko dla połączeń spawanych, a mianowicie: pękanie na

gorąco, pękanie na zimno, pękanie wodorowe, pękanie lamelarne.

SPAWALNICTWO

Strona 87878787

Pękanie na gorąco

Pęknięcia na gorąco powstają w okresie krzepnięcia spoiny, w zakresie

temperatur pomiędzy likwidusem i solidusem (przejście stopu od stanu

ciekłego do stanu stałego) oraz nieco poniżej solidusu. Pęknięcia te po-

wstają na granicy ziaren, w spoinie lub w strefie przetopienia. Przyczyną występowania gorących pęknięć jest występowanie w stopie niekorzyst-

nych domieszek, przede wszystkim siarki i fosforu. Pierwiastki te tworzą niskotopliwe eutektyki. W okresie krzepnięcia występuje „rywalizacja”

pomiędzy zwiększającymi się naprężeniami rozciągającymi i krystaliza-

cją z cieczy ciała stałego zdolnego do przenoszenia naprężeń. Występo-

wanie w tym okresie ciekłych warstewek lub ciekłych wtrąceń znacząco

zmniejsza zdolność do przenoszenia naprężeń rozciągających, co prowa-

dzi do rozwoju pęknięć. Pękaniu sprzyja także sztywne zamocowanie

przedmiotów spawanych oraz zbyt wąski kształt spoiny. Podstawowym

sposobem zapobieganiu pękaniu na gorąco jest stosowanie stali i spoiwa

o maksymalnie ograniczonym udziale szkodliwych domieszek. Zawar-

tość siarki i fosforu nie powinna przekraczać 0,04 %. Zapobiegać można

także przez dodawanie do spoiwa manganu. Mangan tworzy z siarką trudnotopliwy siarczek, unika się w ten sposób niskotopliwych siarcz-

ków żelaza. Kolejne działania zapobiegawcze polegają na zwiększeniu

szybkości chłodzenia w okresie krzepnięcia, zwiększeniu plastyczności

spoiny, odpowiednim ukształtowaniu brzegów spoiny (zalecane jest

przyjmowanie stosunku wysokości do szerokości spoiny wynoszącego

1:1) i na swobodnym zamocowaniu przedmiotów spawanych, o ile jest

to możliwe.

Pękanie na zimno

Pękanie na zimno występuje po obniżeniu temperatury spoiny poniżej

200o C. Pęknięcia na zimno mogą się uzewnętrznić zaraz osiągnięciu

temperatury poniżej 200o C lub ze znacznym opóźnieniem, nawet po

około 40 godzinach. Pęknięcia zimne mogą powstawać w spoinie lub

w strefie wpływu ciepła, a ich ukierunkowanie może być równoległe lub

prostopadłe do osi spoiny, rysunek 3.16.

ROZDZIAŁ 3

Strona 88888888

SWC

Rysunek 3.16. Usytuowanie pęknięć przy pękaniu na zimno [5]

Przyczyną pękania na zimno jest obecność martenzytu. Przemianie

austenitu w martenzyt wywołuje bardzo duże naprężenia w sieci krysta-

licznej, prowadzące do powstawania pęknięć. Zatem pierwotną przyczy-

ną jest zdolność do hartowania się stali. Zagrożenie pękaniem na zimno

będzie występowało przy zwiększonej zawartości węgla i innych pier-

wiastków zwiększających hartowność (stale niskostopowe i stopowe), na

przykład: chrom, wanad, molibden, mangan, nikiel. Przy spawaniu stali

węglowych o zawartości poniżej 0,25 % C pękanie zimne nie występuje.

Skłonność do pękania zimnego wzrasta ze wzrostem grubości spoiny.

Jest to spowodowane większą szybkością odprowadzenia ciepła ze strefy

wpływu ciepła i ze spoiny.

W niektórych przypadkach można uniknąć zahartowania stosując pod-

grzewanie spoiny przed, w czasie i po spawaniu. Przy niezbyt dużych

konstrukcjach spawanych jeszcze skuteczniej można zapobiegać powsta-

waniu pęknięć zimnych stosując wyżarzanie odprężające. Pomocne jest

także spawanie przy większej energii liniowej spawania oraz luźne usy-

tuowanie przedmiotów w czasie spawania. Stale, dla których nie można

znaleźć sposobu na unikniecie pęknięć zimnych nie nadają się do

spawania.

Czynnikiem, który obok hartowności ma zasadniczy wpływ na pękanie

zimne, jest obecność wodoru w spoinie. Wodór powoduje zwiększenie

naprężeń rozciągających w sieci krystalicznej i zwiększa kruchość mar-

tenzytu. Wodór przenika do spoiny z otoczenia atmosferycznego, z wil-

goci zawartej w otulinie w przypadku spawania elektrodami otulonymi,

a także z ewentualnych zanieczyszczeń w okolicach spoiny. Przeciw-

działanie przy spawaniu elektrodami otulonymi polega na stosowaniu

SPAWALNICTWO

Strona 89898989

otuliny zasadowej i wysuszeniu elektrod przed spawaniem. Najlepszym

rozwiązaniem jest zastosowanie spawania w osłonie gazowej.

Pękanie lamelarne

Pękanie lamelarne jest pewną osobliwością wywołaną spawaniem. Wy-

stępuje przy spawaniu części walcowanych w postaci schodkowych

pęknięć usytuowanych pod spoiną, tak jak na rysunku 3.17a. Pod wpły-

wem obciążenia zewnętrznego przyłożonego do przyspawanego elemen-

tu 1 może nastąpić rozdarcie wzdłużne elementu 2.

a) b)

1

2

Rysunek 3.17. Pękanie lamelarne: a) usytuowanie pęknięć, b) zapobieganie poprzez zastosowanie podpawania

Warunki sprzyjające do powstawania takich pęknięć w materiałach

stalowych walcowanych wynikają z ukierunkowania struktury materiału

i odpowiedniego zróżnicowania właściwości wzdłuż, w poprzek włókien

i w kierunku prostopadłym do powierzchni blachy. Wzdłuż włókien

rozwalcowywane są także ewentualne zanieczyszczenia niemetaliczne i

to one pod wpływem naprężeń rozciągających wywołanych spawaniem

stają się główną przyczyną powstawania takich pęknięć. Najskuteczniej-

szym sposobem uniknięcia pękania lamelarnego jest stosowanie mater-

iału o jak najmniejszym udziale wtrąceń niemetalicznych. Można także

zmniejszyć ryzyko powstania tych pęknięć stosują spoinę o większej

plastyczności niż materiał rodzimy, lub stosując podpawanie, rysu-

nek 3.17b, materiałem o zwiększonej plastyczności. Wtedy naprężenia

rozciągające od spoiny częściowo „rozładowują się” w wyniku plastycz-

nego odkształcenia spoiny lub warstwy podpawanej.

ROZDZIAŁ 3

Strona 90909090

3.5. Spawalność

Pojęcie spawalność określa przydatność materiału do spawania, do

tworzenia poprzez spawanie trwałych połączeń zdolnych do przeno-

szenia zakładanych obciążeń. Obecnie wiedza o spawalności materiałów

jest rozległa i ciągle się rozwija, także z konieczności, gdyż tworzone są nowe odmiany materiałów lub nowe sposoby ich obróbki, wprowadzają-ce zmiany ich właściwości, dotyczy to także stali. Obszerne opracowania

podejmujące te zagadnienia można znaleźć w pracach [1], [2], [3], [4].

Najważniejszymi czynnikami decydującymi o spawalności stali są: udział procentowy węgla i pierwiastków zwiększających skłonność do

hartowania oraz udział domieszek szkodliwych, siarki i fosforu. Stale

węglowe o zawartości do 0,2 % C są stalami łatwo spawalnymi. Przy

większej zawartości węgla, do 0,45% C uzyskanie jakościowo dobrej

spoiny wymaga podgrzewania spoiny i ewentualnie obróbki cieplnej po

spawaniu. Głównym zagrożeniem jest powstawanie pęknięć zimnych.

Wstępną ocenę tego zagrożenia w przypadku stali stopowych można

dokonać obliczając różnoważną zawartość węgla Ce posługując się empiryczną zależnością:

Ce = C +Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 [%],

gdzie C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu oznacza udział procentowy wymienio-

nych pierwiastków.

Ze wzrostem grubości łączonych części zwiększa się szybkość odprowa-

dzania ciepła, co ułatwia powstanie struktury martenzytycznej. Podaną zależność na ekwiwalentną zawartość węgla powinno się więc kory-

gować [4]:

Ceg = Ce + 0,0244 g,

gdzie g – grubość spoiny w cm.

Na podstawie wartości ekwiwalentnej zawartości węgla można dokonać orientacyjnej oceny przydatności stali do spawania [4]:

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

spawalną,

SPAWALNICTWO

Strona 91919191

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

lecz wymagane jest podgrzewanie złacza i ewentualnie także

obróbka cieplna,

• przy C > 0,35% i Ce > 0,7% stal jest warunkowo spawalna,

to znaczy, że po starannej analizie wykresów CTP w niektó-

rych przypadkach można dobrać parametry spawania, spo-

sób chłodzenia i ewentualnie obróbkę cieplna, umożliwiają-ce uformowanie poprawnego złącza spawanego.

UWAGA! Niezależnie od sprawdzenia zagrożenia wystąpienia pękania zimnego niezbędna jest ocena wystąpienia pękania gorącego. Ze względu na pękanie gorące zawartość siarki i fosforu nie powinna przekraczać w stalach węglowych 0,04%, a w przy-padku odpowiedzialnych konstrukcji i w stalach stopowych za-wartość tych pierwiastków powinna być mniejsza niż 0,02%.

3.6. Podstawowy podział metod spawania

Jako kryteria do dokonania podstawowego podziału metod spawania

przyjęto podział ze względu na bezpośrednie źródło ciepła i podział ze

względu na sposób ochrony spoiny.

ROZDZIAŁ 3

Strona 92929292

elektrycznełukoewe

elektryczne

żużlowe

plazmowe

elektronowe

laserowe

gazowe termitowe elektryczne

SPAWANIE

indukcyjne

wiązką o dużejkoncentracji energii

Rysunek 3.18. Podział metod spawania ze względu na źródło ciepła [5]

bez dodatkowychdziałań

ochronnych

elektrodąotuloną

pod ochronągazów aktywnych

w atmosferzegazów

szlachetnychw próżni

SPAWANIE

Rysunek 3.19. Podział metod spawania ze względu na sposób ochrony spoiny [5]

3.7. Spawanie gazowe. Spawanie termitowe

Spawanie gazowe

Przy spawaniu gazowym źródłem ciepła jest gaz palny spalający się w atmosferze tlenu dostarczanego z odpowiedniego zbiornika (butli) lub

tlenu zawartego w powietrzu. Najszersze zastosowania znalazł acetylen

C2H2 spalający się w atmosferze tlenu. Wartość opałowa acetylenu

wynosi 59 000 kJ/m3. Temperatura płomienia dochodzi do 3200o C,

SPAWALNICTWO

Strona 93939393

a więc znacznie powyżej temperatury topienia stali. Acetylen i tlen po-

bierane są z butli. Acetylen może być także wytwarzany i pobierany

z wytwornicy acetylenu. Gazy te za pomocą przewodów są dostarczane

do palnika. W komorze mieszania palnika następuje wymieszanie

acetylenu z tlenem, rysunek 3.20.

Rysunek 3.20. Budowa palnika do spawania acetylenowego: a) palnik, b) komora mieszania; 1 – dziób, 2 – nasadka, 3 – komora mieszania

gazów, 4 – zawór acetylenowy, 5 – rękojeść, 6 – zawór tlenowy, króćce zasilania gazami [5]

Regulując proporcje pomiędzy tlenem i acetylenem można zmieniać właściwości płomienia. Przeważnie stosuje się tzw. płomień normalny

osiągany przy stosunku tlenu do acetylenu w granicach 1 ÷ 1,2. Przy

nadmiarze acetylenu uzyskuje się płomień nawęglający.

Zastosowanie spawania acetylenowego w ostatnich 20 latach znacznie

zmalało ze względu na rozwój innych metod spawania i z powodu zastę-powania elementów stalowych wyrobami z tworzyw sztucznych,

w szczególności chodzi tu o instalacje wodociągowe i CO.

Spawanie termitowe

Źródłem ciepła jest spalanie termitu, mieszaniny sproszkowanego alumi-

nium i tlenku żelaza. Po zapaleniu mieszaniny pomiędzy aluminium

i tlenkiem żelaza wywiązuje się reakcja egzotermiczna. Następuje wzrost

temperatur, znacznie ponad temperaturę topienia stopów żelaza. Tlenek

żelaza ulega redukcji, a aluminium utlenieniu. Uzyskuje się ciekłe żela-

zo. Utlenione aluminium tworzy żużel. Jeżeli termit wypełnia przestrzeń pomiędzy łączonymi brzegami, to następuje ich nadtopienie pod wpły-

ROZDZIAŁ 3

Strona 94949494

wem kontaktu ze stopionym żelazem. Po ochłodzeniu uzyskuje się trwa-

łe połączenie. Metoda ta jest sporadycznie stosowana, a typowym przy-

kładem jest termitowe spawanie szyn tramwajowych.

3.8. Spawanie elektryczne łukowe

Źródłem ciepła przy spawaniu łukowym jest łuk elektryczny jarzący się pomiędzy elektrodą i przedmiotami spawanymi. Elektroda i spawany

przedmiot podłączone są do źródła prądu. Łuk elektryczny zamyka ten

obwód elektryczny, rysunek 3.21. Prąd przewodzony jest przez słup łuku

i tworzy go strumień zjonizowanych# pod wpływem wysokiej tempera-

tury cząsteczek gazów, par metali i innych składników uczestniczących

w procesie spawania, np. otuliny elektrody topliwej. Wokół słupa łuku

powstaje gazowa osłona łuku. Największe spadki napięcia występują przy katodzie i anodzie i tam wydziela się najwięcej ciepła. Przy

spawaniu łukowym najwyższa temperatura osiągana jest w osi łuku i

dochodzi do 6 000o C.

1

2

3

4

5

Spadek napięcia

w strefie katodowej

Spadek napięciaw strefie anodowej

Spadek napięcia

w plaźmie łuku

Długość łuku

U

b)

Is

a)

Rysunek 3.21. Spawanie łukowe: a) łuk elektryczny, b) zmiany napiecia na długości łuku, 1 – przedmiot spawany, anoda, 2 – jeziorko spoiny,

3 – elektroda, katoda, 4 – słup łuku, 5 – osłona łuku, Is – natężenie prądu

Moc P łuku elektrycznego określa zależność:

P = UI

# Silnie zjonizowany gaz składający się z dodatnich jonów i elektronów nazywa

się plazmą.

SPAWALNICTWO

Strona 95959595

gdzie: U – spadek napięcia na łuku,

I - natężenie prądu.

Łuk elektryczny opisują trzy podstawowe parametry: napięcie łuku, na-

tężenie prądu i długość łuku. Poglądowy wykres charakterystyki łuku

zamieszczono na rysunku 3.22 (linie ciągłe). Charakterystyka łuku infor-

muje, przy jakim napięciu i natężeniu prądu dla danej długości łuku

(odległości czoła elektrody od przedmiotu spawanego) będzie utrzymane

stabilne jarzenie łuku. Charakterystykom łuku c1, c2, c3 odpowiadają, kolejno, łuki o coraz większej długości.

Źródła prądu mają skończoną możliwość relacji pomiędzy napięciem i

natężeniem prądu. Taką relację nazywa się charakterystyką źródła prądu,

na rysunku 3.22 linie przerywane. Realnie więc stabilne jarzenie łuku

osiągniemy w takim punkcie charakterystyki łuku, który jest do

osiągnięcia przy danym źródle prądu, a więc w punkcie przecięcia się tych charakterystyk. W zależności od źródła prądu jego charakterystyka

może być mniej (linia przerywana 2) lub bardziej stroma (linia

przerywana 1). I tak na przykład, do spawania ręcznego należy dobierać źródła prądu o charakterystyce stromej, gdyż drgnięcie ręki powodujące

zmianę długości łuku, nie spowoduje dużej zmiany natężenia prądu.

I

Uc

3

c2

c1

Ź.P.1

A

B

C

Ź.P.2

Rysunek 3.22. Charakterystyka łuku (linie ciągłe) i charakterystyki źródła prądu (linie przerywane)

Łuk elektryczny może być zasilany prądem stałym lub przemiennym.

W przypadku prądu stałego biegun ujemny może być dołączony do elek-

trody, a dodatni do przedmiotu spawanego, lub na odwrót.

Najważniejszymi parametrami spawania łukowego są:

• natężenie prądu, w A,

ROZDZIAŁ 3

Strona 96969696

• napięcie łuku, w V,

• rodzaj prądu i biegunowość w przypadku prądu stałego,

• prędkość spawania, w m/min,

• liczba warstw.

Przeważnie przy spawaniu elektrycznym łukowym stosuje się napięcie

20 ÷30 V.

Źródło prądu należy dobierać w zależności od metody spawania i mogą to być:

• transformatory spawalnicze,

• prostowniki spawalnicze,

• przetwornice i agregaty spawalnicze.

Rozróżnia się następujące metody spawania łukowego:

• spawanie łukowe elektrodą otuloną,

• spawanie łukiem krytym,

• spawanie łukowe w osłonie gazowej (metody MAG, MIG

i TIG).

Spawanie łukowe elektrodą otuloną

Przy spawaniu tą metodą elektroda jest topliwa, składa się z rdzenia

metalowego (jest to spoiwo) otoczonego otuliną. Najważniejszym zada-

niem otuliny jest ochrona łuku elektrycznego, jeziorka spoiny i krzepną-cej spoiny. Podczas spawania topi się rdzeń elektrody i w postaci kropel

przenoszony jest do spoiny. Znaczne siły elektromagnetyczne i aerody-

namiczne działające w łuku elektrycznym na krople spoiwa umożliwiają spawanie w dowolnej pozycji, także z dołu do góry.

Przy spawaniu stali węglowej rdzeń (drut) wykonany jest najczęściej

ze stali ST3S.

Topi się także otulina elektrody. Część stopionej otuliny odparowuje

tworząc osłonę łuku, część w postaci kropel opada na jeziorko spoiny,

rysunek 3.23.

SPAWALNICTWO

Strona 97979797

rdzeń metalowy

otulina

krople spoiwa

krople topnika

zuzel

warstwa ochronnagazów i par

płynne jeziorko

spoina

Rysunek 3.23. Formowanie spoiny przy spawaniu elektrycznym łukowym elektroda otuloną [5]

Dodając do otuliny odpowiednie składniki można dodatkowo wpływać na zwiększenie stabilności jarzenia się łuku, a także można powodować zmianę składu stopiwa. Najważniejszymi odmianami otuliny są otuliny:

kwaśne, zasadowe, rutylowe i celulozowe. Dobiera się je w zależności

od rodzaju materiału spawanego i pozycji spawania. Na przykład przy

spawaniu pułapowym wskazane jest, aby większość otuliny odparowy-

wała zamiast opadać w postaci kropel.

Stosowane są także elektrody o innej konstrukcji, np. proszkowe.

Natężenie prądu przy spawaniu blach o grubości 20 mm elektrodą o średnicy drutu 6 mm może dochodzić do 290 A. Oprócz uprzednio

wymienionych, przy spawaniu elektrodą otuloną, parametrami spawania

będą także: rodzaj elektrody i średnica elektrody.

Spawanie łukowe elektrodą otuloną stosowane jest do spawania ręczne-

go, najczęściej przy prowadzeniu prac remontowych.

Spawanie pod topnikiem (łukiem krytym)

W tej metodzie również jest zastosowana elektroda topliwa, lecz w po-

staci drutu elektrodowego podawanego automatycznie z bębna. Bęben i

podajnik drutu zainstalowany jest w głowicy spawalniczej. Sproszkowa-

ny topniki znajduje się w zbiorniku, skąd w sposób ciągły jest dozowany

w czasie spawania., rysunek 3.24.

ROZDZIAŁ 3

Strona 98989898

~lub

=

2 7 9 6 810

1 3 4 5

Rysunek 3.24. Spawanie łukiem krytym: 1 – materiał rodzimy, 2 – drut elektrodowy, 3 – łuk elektryczny, 4- jeziorko spoiny, 5 – spoina,

6 – sproszkowany topnik, 7 – płynna warstewka żużla, 8 – żużel w stanie stałym, 9 – strefa gazowa, 10 – doprowadzenie topnika [5]

Elektroda i dozownik topnika przemieszczają się z określoną prędkością wzdłuż brzegów łączonych blach. Łuk elektryczny jarzy się pod topni-

kiem. Topiący się topnik pokrywa warstewką ochronną jeziorko spoiny

i stygnącą spoinę. Część topnika odparowuje tworząc wokół łuku i je-

ziorka spoiny gazowa strefę ochronną.

Metoda ta ma zastosowanie do spawania połączeń o dużej długości i naj-

częściej o dużej grubości, np. do spawania blach okrętowych. Wyróżnia

się duża wydajnością spawania.

Spawanie łukowe w osłonie gazowej: MIG, MAG, TIG

W zależności od zastosowania elektrody topliwej lub nietopliwej i ro-

dzaju gazów ochronnych rozróżnia się trzy metody spawania łukowego

w osłonie gazowej, rysunek 3.25.

SPAWALNICTWO

Strona 99999999

SPAWANIE ŁUKOWEW ATMOSFERZE

GAZÓW OCHRONNYCH

Spawanie

ELEKTRODĄ TOPLIWĄSpawanie

ELEKTRODĄ NIETOPLIWĄ

w osłonie gazówOBOJĘTNYCH

MIG

w osłonie gazów

OBOJĘTNYCH

TIG

w osłonie gazów

AKTYWNYCH

MAG

Rysunek 3.25. Podział metod spawania łukowego w atmosferze gazów ochronnych

*

Cechą wspólną tych odmian spawania jest dostarczanie gazu ochronnego

przez dyszę usytuowaną wokół elektrody. Gaz tworzy atmosferę ochron-

ną wokół łuku elektrycznego i jeziorka spoiny, dobrze odgradzając te

obszary od kontaktu z powietrzem. Dodatkowo wpływa stabilizująco na

łuk elektryczny.

Przy spawaniu elektrodą topliwą elektrodą jest drut spawalniczy

podawany w sposób ciągły ze szpuli do uchwytu. Gaz osłonowy jest

również doprowadzany do uchwytu, rysunek 3.26. Przy metodzie MAG

stosowany jest gaz czynny, najczęściej dwutlenek węgla CO2, przy

metodzie MIG stosuje się gaz obojętny argon lub hel, lub mieszaninę tych gazów.

* Skróty MIG, MAG, TIG pochodzą od angielskich słów: Metal Inert Gas, Metal

Active Gas, Tungsten Inert Gas.

ROZDZIAŁ 3

Strona 100100100100

2 13 4

6

5

7

8

9

Iz

10

vs

Rysunek 3.26. Spawanie elektroda topliwa w osłonie gazowej (MIG/MAG): 1 – spawany przedmiot, 2 – spoina, 3 – jeziorko spoiny,

4 – łuk elektryczny, 5 – drut elektrodowy, 6 – osłona gazowa, 7 – dysza gazu osłonowego, 8 – łącznik prądowy, 9 – system podający drut elektrodowy, 10 –przewód doprowadzający drut elektrodowy, prąd

elektryczny i gaz osłonowy [5]

Szkic stanowiska warsztatowego do spawania elektrodą topliwą w osło-

nie gazów ochronnych zamieszczono na rysunku 3.27.

3

2

1

4 5

6

7

Rysunek 3.27. Stanowisko warsztatowe do spawania elektrodą topliwą w osłonie gazów ochronnych (metody MIG/MAG): 1 – źródło prądu, 2 – butla z gazem osłonowym, 3 – reduktor z urządzeniem pomiaru

przepływu gazu, 4 – bęben z drutem, 5 – przewód doprowadzający prąd, gaz osłonowy, drut elektrodowy i wodę chłodzącą, 6 – uchwyt elektrody,

7 – przedmiot spawany [5]

SPAWALNICTWO

Strona 101101101101

Przejście od spawania metodą MIG do spawania metodą MAG wymaga

tylko odpowiedniej wymiany butli z gazem ochronnym.

Spawanie w osłonie gazowej w porównani ze spawaniem elektrodą otu-

loną wykazuje większą stabilność parametrów prądowych. Pozwala

uzyskać połączenia o dobrej jakości. Metodę MAG stosuje się do kon-

strukcji ze stali węglowych o przeciętnych wymaganiach. Metodę MIG -

do stali węglowych o wyższej jakości, do stali stopowych i do stopów

metali nieżelaznych. Obecnie większość prac spawalniczych wykonuje

się tymi metodami, a urządzenia takie jak na rysunku 3.27 – zwane

potocznie „migomatami” są bardzo rozpowszechnione.

Przy spawaniu metodą TIG elektroda jest nietopliwa, rysunek 3.28. Wy-

konana jest z wolframy lub ze stopu wolframu z torem. Jako gazy osło-

nowe stosowane są tylko gazy obojętne. Pozwala to zwiększyć żywot-

ność elektrody. Ponieważ elektroda jest nietopliwa, spoiwo w postaci

drutu spawalniczego lub prętów musi być oddzielnie doprowadzana do

obszaru spawania.

2

1

3

4

5

Is

vs

Rysunek 3.28. Spawanie metodą TIG: 1 – elektroda nietopliwa (wolframowa), 2 – dysza gazu osłonowego, 3 spoiwo (drut spawalniczy), 4 – podajnik drutu, 5 – doprowadzenie prądu, gazu osłonowego i wody

chłodzącej

Spawanie może być prowadzone prądem stałym lub przemiennym. Przy

spawaniu prądem stałym najczęściej biegun ujemny podłączony jest do

elektrody. Natężenie prądu może dochodzić do około 1000 A.

ROZDZIAŁ 3

Strona 102102102102

Metodą TIG można spawać większość stopów metali. Stosowane jest do

spawania odpowiedzialnych konstrukcji.

UWAGA! Spawanie łukowe w osłonie gazów ochronnych może być prowadzone ręcznie, może też być zmechanizowane.

3.9. Spawanie plazmowe

Przy spawaniu plazmowym źródłem ciepła jest również łuk elektryczny

jarzący się pomiędzy elektrodą i przedmiotem spawanym, lecz jest osło-

nięty gazem plazmowym, rysubek 3.29. Gaz plazmowy odpowiednio

ukierunkowany przez dyszę silnie zawęża słup łuku. Przy spawaniu

łukowym słup łuku ma kształt stożka ściętego, przy plazmowym – zbli-

żony jest do walca. Oddziaływanie łuku na znacznie mniejszą po-

wierzchnię oznacza wielokrotnie wyższą koncentrację energii. Przy tak

silnej koncentracji temperatura plazmy może dochodzić do 30 000o C.

1

2

3

4

7

8 9

5

6

Rysunek 3.29. Spawanie plazmowe łukiem zależnym: 1 – elektroda, 2 – strumień plazmy, 3 – dysza plazmowa, 4 – gaz plazmowy, 5 – dysza

gazu osłonowego, 6 – gaz osłonowy, 7 – osłona gazowa, 8 – stopiony metal, 9 – spoina [5]

Mogą być stosowane elektrody nietopliwe lub topliwe, lecz przeważnie

stosowane są elektrody nietopliwe. Wokół elektrody jest komora gazu

plazmowego zakończona dyszą o niewielkiej średnicy. Koncentrycznie

wokół komory gazu plazmowego usytuowana jest komora gazu osłono-

wego. Uruchomienie strumienia plazmy zaczyna się od wywołania łuku

SPAWALNICTWO

Strona 103103103103

elektrycznego pomiędzy elektrodą i osłoną. Zjonizowany w łuku elek-

trycznym gaz przedostając się przez dyszę uzyskuje duża energię kine-

tyczną. Następuje włączenie obwodu głównego. Łuk elektryczny prze-

biega teraz między elektrodą i przedmiotem obrabianym. Powoduje to

dodatkowe zwiększenie energii strumienia plazmy. Taki sposób spawa-

nia plazmowego nazywa się spawaniem łukiem zależnym i jest stosowa-

ne przy łączeniu części ze stopów metali. Spawanie łukiem niezależnym,

to znaczy – jarzącym się pomiędzy elektrodą i osłoną komory, jest

w pełni zasadne przy spawaniu przedmiotów nie przewodzących prądu

elektrycznego. Jako gaz plazmowy najczęściej stosuje się argon. Jego

wydatek jest niewystarczający do skutecznej ochrony spoiny, toteż do-

datkowo doprowadza się gaz osłonowy i często jest nim również argon.

g = 0,05-25 mm

g = 0,01-0,2 mmg > 25 mm

Rysunek 3.30. Przygotowanie brzegów do spawania plazmowego [5]

Spawanie plazmowe prowadzi się najczęściej bez dodawania spoiwa.

Polega na uzyskaniu trwałego połączeniu poprzez nadtopienie łączonych

brzegów. Wymaga to dobrego dopasowania łączonych brzegów. Sposób

ich przygotowania wyjaśnia rysunek 3.30.

UWAGA! Spawanie plazmowe można zaliczyć do zaawansowanych tech-nik spawania. Jakość spoin jest lepsza w porównaniu z innymi metodami spawania łukowego. Spawać plazmowo można więk-szość metali i ich stopów o grubości do kilkunastu mm. Szcze-gólną odmianą jest spawanie mikroplazmowe stosowane do łą-czenia bardzo cienkich części, rzędu dziesiątych części mm, do 1 mm.

3.10. Spawanie elektrożużlowe

Przebieg spawania elektrożużlowego wyjaśnia rys. 3.31. Łączone części

1 i 2 ustawione są pionowo. Spoina formowana jest jednocześnie przez

kilka elektrod. Elektrodą jest drut elektrodowy 7 doprowadzany w spo-

sób ciągły do obszaru spawania.

ROZDZIAŁ 3

Strona 104104104104

8

Rysunek 3.31. Schemat spawania elektrożużlowego: 1 i 2 – spawane części, 3 – spoina, 4 – ciekły metal, 5 – ciekły żużel, 6 – topnik,

7 – elektroda, 8 – ruchome nakładki, 9 – źródło prądu [5]

Łuk elektryczny tylko inicjuje proces spawania. Przestrzeń pomiędzy

spoiną, brzegami łączonych blach i elektrodami wypełnia się topnikiem

6. W miarę dosypywania topnika podnosi się poziom stopionego topnika

5, co prowadzi do zgaszenia łuku elektrycznego. Prąd elektryczny jednak

dalej płynie przez ciekły topnik (żużel). Wysoka oporność żużla przy

odpowiednio dużym natężeniu prądu pozwala osiągnąć temperaturę przekraczającą temperaturę topienia łączonych stopów metali i drutu

elektrodowego. Z obu stron do powierzchni czołowej blach przyłożone

są nakładki 8 uniemożliwiające wypływanie ciekłego żużla i ciekłego

metalu. Nakładki przesuwają się w miarę narastania spoiny. Są najczęś-ciej wykonane z miedzi i są intensywnie chłodzone wodą.

Spawanie to stosowane jest do przedmiotów o dużych grubościach,

w szczególności do łączenia grubych blach, wałów o dużych średnicach.

Jest to wydajny sposób spawania. Prędkość spawania może dochodzić do 50 m/h. W praktyce ma zastosowanie wiele odmian spawania

elektrożużlowego.

3.11. Spawanie elektronowe

Przy spawaniu elektronowym bezpośrednim źródłem ciepła jest wiązka

elektronów. Energia kinetyczna elektronów, rozpędzonych do bardzo

SPAWALNICTWO

Strona 105105105105

dużych prędkości, w chwili zderzenia się z przedmiotem spawanym za-

mienia się na ciepło.

Elektrony emitowane są przez rozżarzoną wolframową katodę, rysu-

nek 3.32. Przyśpieszenie ruchu elektronów następuje pod wpływem wy-

sokiego napięcia, rzędu 30 ÷ 200 kV, występującego pomiędzy katodą i anodą (tzw. wyrzutnia elektronów). System cewek ogniskujących i od-

chylających poprzez oddziaływanie elektrostatyczne i elektromagne-

tyczne powoduje odpowiednie ukształtowanie i odchylenie wiązki elek-

tronów.

Rysunek 3.32 Schemat spawarki elektronowej próżniowej: 1 – wiązka elektronów, 2 katoda emitująca elektrony, 3 – katoda sterująca, 4 anoda,

5 – system cewek ogniskujących, 6 – system cewek odchylających, 7 – przedmiot spawany, 8 – stolik manipulacyjny, Up – wysokie napięcie

przyśpieszające elektrony [5]

Średnica wiązki elektronów przeważnie wynosi poniżej 1 mm. Uzyskuje

się bardzo dużą koncentrację energii. Stwarza to możliwość kształto-

wania bardzo wąskich i bardzo głębokich spoin. Elektronowo spawa się części o bardzo małej i o znacznej grubości. Wiązką elektronową o mocy

30 kW można uzyskać głębokość przetopu rzędu 150 mm.

Aby nie tracić energii elektronów na zderzenia z atomami powietrza

spawanie powinno być przeprowadzane w wysokiej próżni. Przedmioty

ROZDZIAŁ 3

Strona 106106106106

spawane ustawiane są na stole manipulacyjnym w komorze próżniowej*.

Z tego względu powinny być całe starannie oczyszczone.

UWAGA! Komora próżniowa wprowadza ograniczenie wielkości przed-miotów spawanych. Stosowana jest odmiana spawania elektro-nowego, w której wysoka próżnia jest tylko w obszarze rozpę-dzania i formowania wiązki elektronów. Pozwala to na prowa-dzenie spawania w otoczeniu atmosferycznym i unika się w ten sposób ograniczeń co do wymiarów konstrukcji spawanej. Na-stępuje jednak znaczne obniżenie energii wiązki elektronów.

Spawanie prowadzone jest bez dodawania spoiwa, poprzez połączenie

nadtopionych brzegów. To wskazuje na konieczność dokładnego ich

dopasowania.

1

32

v

4

Rysunek 3.33. Proces formowania spoiny z oczkiem spoiny: 1 – wiązka elektronów, 2 – materiał spawany, 3 – warstwa stopionego metalu,

4 – spoina [5]

Spawanie elektronowe można prowadzić w sposób klasyczny, z ciągłym

jeziorkiem spoiny lub, w pełni wykorzystując możliwości tej metody,

techniką głębokiego wtopu – z tzw. oczkiem spoiny, rysunek 3.33. (Na

* Komora próżniowa wprowadza ograniczenie wielkości przedmiotów spawa-

nych. Jest stosowana odmiana spawania elektronowego, w której wysoka

próżnia jest tylko w obszarze rozpędzania i formowania wiązki elektronów.

Pozwala to na prowadzenie spawania w otoczeniu atmosferycznym i unika się w ten sposób ograniczeń co do wymiarów konstrukcji spawanej. Następuje

jednak znaczne obniżenie energii wiązki elektronów.

SPAWALNICTWO

Strona 107107107107

rysunku niewidoczna jest druga spawana część, gdyż pokazano przekrój

wzdłuż płaszczyzny łączenia.)

Przy spawaniu z oczkiem spoiny wiązka elektronów przechodzi na

wskroś przez przedmioty łączone. Ciepło przekazywane jest na całej po-

wierzchni styku stożka wiązki elektronowej i powierzchni łączonych

brzegów. Powstaje stożkowa „rurka” stopionego metalu. Na nacierającej

powierzchni styku następuje topienie nowych porcji metalu, za cofającą się powierzchnią – krzepnięcie. Powstaje bardzo wąska spoina. Przy

spawaniu łukowym stosunek wysokości spoiny do szerokości wynosi

około 1:1. Przy spawaniu z oczkiem spoiny relacja ta może dochodzić do 50:1.

3.12. Spawanie laserowe

Źródłem ciepła jest spójna, silnie skoncentrowana, wiązka światła o dłu-

gości fali rzędu 1 ÷ 10 µm (0,6943 µm – laser rubinowy, 10,6 µm – laser

CO2) tworząca prawie równoległy strumień fotonów. Wiążka laserowa

ogniskowana za pomocą soczewek i luster kierowana jest na spawany

przedmiot, rysunek 3.34.

Średnica wiązki przeważnie wynosi dziesiąte części mm. Dzięki bardzo

wysokiej koncentracji energii, tak jak przy spawaniu elektronowym,

można formować bardzo wąskie spoiny, lecz o mniejszej grubości. Przy

obecnie stosowanych laserach głębokość wtopu wynosi około 10 mm.

Z zasady prowadzi się spawanie bez dodawania spoiwa. Wymagane jest

więc dokładne dopasowanie łączonych brzegów. W przypadku spoin

wymagających większego wypełnienia można uzupełnić spoinę ma-

teriałem dodatkowym, doprowadzając drut spawalniczy do obszaru

spawania.

Podczas spawania laserowego spoina powinna być chroniona przed

dostępem powietrza. W tym celu stosuje się nadmuch, od strony lica

spoiny, gazów ochronnych. Stosowane są dysze koncentrycznie usytu-

owane do wiązki laserowej lub boczne, kierujące strumień gazu przed

wiązkę laserowa, lub za nią. Gaz ochronny dobiera się w zależności od

rodzaju stopu łączonych metali. Dodatkowym systemem nadmuchują-cym gaz ochronny chroniona jest grań spoiny. Gaz ochronny w zderze-

niu ze strumieniem lasera jonizuje się, tworząc obłok plazmy. Stwarza to

ROZDZIAŁ 3

Strona 108108108108

pewien problem, gdyż obniża efektywność działania wiązki laserowej,

szczególnie istotne jest to przy laserach większej mocy.

1

2

3

4

5

8

7

6

v

Rysunek 3.34 Spawanie pierścieniową wiązką laserową: 1 – wiązka laserowa, 2 – zwierciadło płaskie, 3 – zwierciadło ogniskujące,

4 – spawany przedmiot, 5 – ognisko wiązki laserowej, 6 – obłok plazmy, 7 – nadmuch gazu ochronnego, 8 – gazowa ochrona grani [5]

Dodatkową szczególną zaletą spawania laserowego jest możliwość do-

prowadzania strumienia laserowego za pomocą luster i światłowodów do

miejsc trudno dostępnych.

SPAWALNICTWO

Strona 109109109109

3.13. Podstawowe informacje o konstrukcji połączeń spawanych

Rodzaje spoin

W zależności od położenia spoiny względem łączonych części rozróżnia

się trzy rodzaje spoin: czołowe, pachwinowe i otworowe, rysunek 3.35.

a)

b)

c)

d)

Rysunek 3.35. Rodzaje spoin: a) ,b) czołowe, c) pachwinowe, d) otworowe [5]

Rodzaje złączy spawanych

W zależności od położenia łączonych części względem siebie rozróżnia

się złącza: doczołowe, zakładkowe, nakładkowe, przylgowe, narożne,

teowe, krzyżowe, rysunek 3.36.

ROZDZIAŁ 3

Strona 110110110110

a) b) c)

d) e) f)

g) h) i)

Rysunek 3.36. Rodzaje złącz spawanych: a) doczołowe, b) zakładkowe, c), d) nakładkowe, e) przylgowe, f) narożne, g), h) teowe, i) krzyżowe [5]

Pozycje spawania

Usytuowanie spoiny w przestrzeni znacząco wpływa na stopień trudnoś-ci przy realizacji połączenia. Pozycje spawania wyszczególniono na

rysunku 3.37. Przy spawaniu ręcznym pozycja spawania decyduje

o mniejszej lub większej koncentracji spawacza na wykonywanej pracy

i mniejszym lub większym jego wysiłku.

PA PB PC

PF

( PG) PD PE

Rysunek 3.37. Pozycje spawania wg PN ISO: PA – podolna, PB – naboczna, PC – naścienna, PF i PG pionowa ( z dołu do góry PF,

z góry do dołu PG), PD – okapowa, PE – pułapowa [5]

SPAWALNICTWO

Strona 111111111111

Wskazania do projektowania połączeń spawanych

Najważniejszymi parametrami opisującymi spoinę jest rodzaj spoiny i jej

główne wymiary, grubość spoiny a i długość spoiny l. Przy spoinach

czołowych przyjmuje się grubość spoiny równą grubości łączonych

części. Przy spoinach pachwinowych jako grubość spoiny przyjmuje się wysokość trójkąta równobocznego wpisanego w spoinę, rysunek 3.38,

a jej wartość przyjmuje się w zależności od grubości łączonych części

i zgodnie z zaleceniami, określonymi między innymi w normie PN-

90/B-03200.

a =

g

a

a) b)

Rysunek 3.38. Grubość spoiny: a) czołowej, b) pachwinowej

Na rysunku technicznym spoiny mogą być narysowane dokładnie,

w sposób uproszczony lub w sposób umowny. Oznaczenie spoiny składa

się z symboli i liczb charakteryzujących spoinę. Zawiera oprócz informa-

cji o rodzaju spoiny i jej wymiarach także dodatkowe informacje, np.

o tym, po której stronie położone jest lico spoiny, jaki jest kształt lica

spoiny. Zasady rysowania spoin i ich oznaczania są przedmiotem normy

PN-EN 22553. Na rysunku 3.39 podano przykład rysowania i oznaczania

spoiny czołowej.

ROZDZIAŁ 3

Strona 112112112112

g

c b

α

g l

b2 c3

α 60o

PN-EN22553

a) b)

widok od strony grani

widok od strony lica

c)

a

l e

a)

a

b)

an x l (e)

n x l (e)

Rysunek 3.39. Rysunek i oznaczenie spoiny czołowe; a) rysunek rowka spoiny, b) rysunek uproszczony, c) rysunek umowny [5]

Przy łączeni doczołowym części znacznie różniących się grubością po-

winno się wprowadzić łagodne przejście od mniejszej do większej gru-

bości, rysunek 3.40.

1:1

a)

1:5

1:5

d)

c)

b)

1:4

g1

∆g

∆g ∆g 10 mmg1

oraz

Szczegół "A""A"

r

Rysunek 3.40. Łączenie części różniących się grubością [5]

Przy spoinach pachwinowych grubość spoiny powinna być większa od

2,5 mm i mniejsza od 16 mm. To bezwzględne zalecenie ma następujące

uzasadnienie. Przy grubości poniżej 2,5 mm szybkie odprowadzenie

ciepła powoduje zwiększenie twardości i kruchości złącza. Przy grubości

SPAWALNICTWO

Strona 113113113113

powyżej 16 mm nadmiernie powiększa się strefa wpływu ciepła, a także

wzrasta koszt połączenia. (Korzystniejszym rozwiązaniem wtedy jest

wykonanie spoiny dłuższej o mniejszej grubości.).

Długość spoiny pachwinowej przenoszące obciążenie zewnętrzne powin-

na spełniać następujące warunki:

10a ≤ l ≤ 100a oraz l ≥ mm.

Powinno się unikać skupienia spoin i zbyt małych odległości pomiędzy

nimi, rysunek 3.41 i rysunek 3.42.

> 30 mm

> 5

0 m

m

Rysunek 3.41. Zalecane rozmieszczenie spoin przy spawaniu kątowników z płytą węzłowa [5]

> 3g+ 50 mm

Rysunek 3.42. Zalecane rozmieszczenie spoin przy spawaniu rur [5]

Należy unikać takiego usytuowania spoin względem linii działania sił

zewnętrznych, które powoduję dodatkowe obciążenie spoin momentem

od tych sił.

ROZDZIAŁ 3

Strona 114114114114

l1

l2

b e1

e2

g

FF

a2

a1

Rysunek 3.43 Połączenie kątownika z blachą węzłowa [5]

Na przykład w przypadku takim jak na rysunku 3.43 środek ciężkości

spoin (obliczeniowych pól przekrojów spoin) powinien znaleźć się na li-

nii odpowiadającej osi przechodzącej przez środki ciężkości przekrojów

poprzecznych kształtownika (chodzi o prostopadły rzut tej osi na płasz-

czyznę styku kształtownika z łączoną częścią). Powinien być spełniony

warunek:

A1e1 = A2e2

gdzie:

A1 = a1l1 - obliczeniowe pole przekroju spoiny „1”,

A2 = a2l2 - obliczeniowe pole przekroju spoiny „2”,

e1 i e2 – wymiary określające położenie środka ciężkości kątownika.

3.14. Zgrzewanie

Przegląd metod zgrzewania

Zgrzewanie polega na trwałym bezpośrednim łączeniu przedmiotów bez

dodawania spoiwa. Jednym z parametrów zgrzewania, który występuje

we wszystkich metodach zgrzewania jest siła normalna dociskająca łą-czone powierzchnie. W większości metod, w celu ułatwienia osiągnięcia

odpowiedniego powiązania pomiędzy atomami łączonych powierzchni,

SPAWALNICTWO

Strona 115115115115

różnymi sposobami doprowadza się do podwyższenia temperatury

łączonych powierzchni. Źródłem ciepła przy zgrzewaniu może być: energia elektryczna, energia mechaniczna, w ty energia drgań, spalanie

gazów i ciał stałych. Podczas zgrzewania, w którym źródłem ciepła jest

energia elektryczna w miejscu zgrzewania zostaje przekroczona tempe-

ratura topienia. Jedynie przy zgrzewaniu indukcyjnym następuje wzrost

temperatury powyżej temperatury plastyczności lub temperatury topie-

nia. Przy pozostałych źródłach ciepła wzrost temperatury jest poniżej

temperatury topienia i przeważnie kształtuje się powyżej temperatury

plastyczności lub wynosi około 0,5 temperatury topienia. Jest to zgrze-

wanie w stanie stałym. W większości stosowanych metod zgrzewania

warunkiem uzyskania poprawnego połączenia jest uprzednie dokładne

oczyszczenie powierzchni styku.

Uwzględniając źródła ciepła można następująco pogrupować najważ-niejsze metody zgrzewania:

Metody zgrzewania, w których źródłem ciepła jest energia elektryczna:

• elektryczne oporowe,

• łuku wirującego,

• indukcyjne.

Metoda zgrzewania, w której mogą być stosowane różne źródła ciepła:

• dyfuzyjne.

Metody zgrzewania, w których źródłem ciepła jest energia drgań:

• ultradźwiękowe.

Metody zgrzewania, w których źródłem ciepła jest energia mechaniczna:

• wybuchowe,

• tarciowe,

• zgniotowe.

Metody zgrzewania, w których źródłem ciepła jest spalanie gazów i ciał

stałych:

• kuzienne

• gazowe.

ROZDZIAŁ 3

Strona 116116116116

Zgrzewanie elektryczne oporowe – zasady ogólne

Przedmioty zgrzewane są włączone w obwód elektryczny. Ciepło wy-

twarza się w wyniku pokonywania oporności elektrycznej w czasie prze-

pływu prądu elektrycznego. Według prawa Joule’a-Lenza ilość wydzie-

lonego ciepła wynika z zależności:

∫= tdttRtIQ )()(2

[J]

gdzie: I – natężenie prądu w A,

R – oporność elektryczna w Ω,

t - czas przepływu prądu w sek.

Przy zgrzewaniu oporność elektryczna zależy od rodzaju materiału

i w stanu powierzchni styku. Możliwość wpływania na zmianę oporności

jest więc bardzo ograniczona. Ogranicza się do kształtowania powierz-

chni styku i pola powierzchni styku rzeczywistego. Natomiast natężenie prądu i czas, obok siły nacisku są podstawowymi parametrami zgrze-

wania elektrycznego oporowego.

Ze względu na straty ciepła ilość wytworzonego ciepła musi być większa

od ilości ciepła niezbędnego do nadtopienia określonego obszaru łączo-

nych części. Jest to dodatkowa okoliczność wskazująca, że przy ustala-

niu wartości parametrów I oraz t należy przyjmować możliwie dużą wartość natężenia prądu.

Do zgrzewania elektrycznego oporowego zalicza się następujące

metody:

• doczołowe zwarciowe i iskrowe

• punktowe,

• garbowe,

• liniowe.

SPAWALNICTWO

Strona 117117117117

Zgrzewanie doczołowe zwarciowe

Przedmioty zgrzewane mocowane są w uchwytach, rysunek 3.44

Uchwyty te spełniają podwójną rolę. Mocują przedmioty zgrzewne

i umożliwiają przeniesienie na przedmioty łączone siły docisku. Są rów-

nież biegunami obwodu elektrycznego. Doprowadzają prąd do łączo-

nych części. Szczęki uchwytów są wykonane z miedzi i są chłodzone

wodą.

FF

Iz

FF

Iz

a) b)

FwFw

lm1

lm2

Rysunek 3.44 Zgrzewanie oporowe doczołowe: a) zwarciowe, b) iskrowe; lm1, lm2 – odległość pomiędzy szczęką i powierzchnią

zgrzewania (długość zamocowania) [5]

Cykl zgrzewania rozpoczyna się od przyłożenia siły F dociskającej do

siebie łączone powierzchni. Następuje włączenie przepływu prądu. Rze-

czywista powierzchnia styku jest w początkowej fazie zgrzewania jest

znacznie mniejsza od powierzchni nominalnej. W tych miejscach gęstość prądu jest więc bardzo duża powodując szybkie podwyższenie tempera-

tury powyżej temperatury topienia. Postępuje zwiększanie rzeczywistej

powierzchni styku i podwyższenie temperatury w całym obszarze przy-

legającym do powierzchni styku. Następuje uplastycznienie materiału,

a pod wpływem siły normalnej F powstaje spęczenie materiału.

ROZDZIAŁ 3

Strona 118118118118

F

Iz

F

Iz

Czas tti

F

tz

Rysunek 3.45. Cykl zgrzewania doczołowego zwarciowego: F – siła docisku, Iz – natężenie prądu zgrzewania, ti – czas przepływu prądu,

tz – czas zgrzewania [5]

Po wyłączeniu przepływu prądu elektrycznego jeszcze przez pewien czas

utrzymywana jest siła docisku. Często w końcowej fazie zgrzewania siła

nacisku jest zwiększana, na rysunki 3.45 linia przerywana.

Parametrami procesu zgrzewania są:

• siła docisku F w N,

• natężenie prądu Iz w A,

• czas przepływu prąd ti w sekundach,

• czas zgrzewania tz w sekundach

• długość zamocowania lm1 i lm2 w mm.

Długość zamocowania jest parametrem pomocniczym. Odpowiednio

regulując długość zamocowania wpływa się na równomierność rozgrze-

wania obu łączonych części. Przy zgrzewaniu stali nacisk jednostkowy

przyjmowany jest w granicach 5 ÷ 50 MPa, a gęstość prądu zgrzewania

20 ÷ 900 A/mm2. Czas przepływu prądu wynosi 0,1 ÷ 15 s.

UWAGA! Przy zgrzewaniu zwarciowym powierzchnie łączone muszą mieć identyczny kształt i muszą być starannie obrobione, w szcze-gólności musi być zapewniona duża dokładność prostopadłości tych powierzchni do osi łączenia. Projektując połączenie trzeba przewidzieć naddatek na spęczenie. Dla materiałów stalowych naddatek na spęczenie przyjmuje się

SPAWALNICTWO

Strona 119119119119

w przedziale (0,15 ÷ 0,7)d. Wytrzymałość złącza jest przeważ-nie niższa niż materiału rodzimego. Tą metodą zgrzewa się części o polu przekroju nie przekraczającym 1000 mm2.

Zgrzewanie doczołowe iskrowe

W tej odmianie zgrzewania doczołowego, rysunek 3.44b początek roz-

grzewania powierzchni styku przebiega przy mniejszych naciskach

jednostkowych. Mniejsze jest więc początkowe rzeczywiste pole styku

i odpowiednio większa gęstość prądu. Powoduje to błyskawiczne stopie-

nie i odparowanie mikroobszarów styku. Ciśnienie par metali i oddziały-

wanie pola elektromagnetycznego powoduje wyrzucanie na zewnątrz

stopionego metalu, a także zanieczyszczeń powierzchni. Jest to okres

wyiskrzania. Po rozgrzaniu całej powierzchni do stanu plastyczności

zwiększa się siłę docisku – jest to okres spęczania.

W okresie wyiskrzania następuje samooczysczenie powierzchni styku.

Nie ma więc konieczności bardzo starannego przygotowania powierz-

chni prze zgrzewaniem. Projektując łączenie poprzez zgrzewanie doczo-

łowe iskrowe trzeba przewidzieć naddatek na wyiskrzenie oraz na spę-czenie. Łączny naddatek na wyiskrzenie i spęczenie jest przeważnie

mniejszy od naddatku na spęczenie przy zgrzewaniu zwarciowym.

Znacznie mniejsza jest też wypływka materiału zgrzanych części.

UWAGA! Zgrzewanie iskrowe ma szersze zastosowanie w porównaniu ze zgrzewaniem zwarciowym. Tą metodą zgrzewa się przed-mioty o znacznie większym polu powierzchni łączenia, nawet do 80 000 mm2.

Zgrzewanie oporowe punktowe

Polega na tworzeniu miejscowych niewielkich powierzchni połączeń,

najczęściej wielu. Zasadę zgrzewania punktowego wyjaśnia rysu-

nek 3.46.

Przedmioty łączone znajdują się między dwiema elektrodami. (Przy

takim usytuowaniu elektrod używa się określenia - zgrzewanie dwu-

stronne jednopunktowe. Zgrzeina może być formowana także przez jed-

ną elektrodę lub przez dwie elektrody w dwóch punktach.) Elektrody

wykonane są z miedzi i są intensywnie chłodzone wodą. Spełniają dwie

ROZDZIAŁ 3

Strona 120120120120

funkcje. Dociskają do siebie łączone powierzchnie i doprowadzają prąd

elektryczny do obszaru zgrzewania.

Proces zgrzewania zaczyna się od przyłożenia siły nacisku. Następnie

włącza się przepływ prądu elektrycznego. Największa oporność wystę-puje na powierzchniach styku. Ponieważ elektrody miedziane intensyw-

nie odprowadzają ciepło, szybki wzrost temperatury, powyżej temperatu-

ry topienia, następuje w miejscu zetknięcia powierzchni łączonych. For-

muje się miejscowe jądro stopionego metalu. Po wyłączeniu przepływu

prądu nacisk elektrod utrzymywany jest jeszcze przez pewien czas, nie-

zbędny do obniżenia temperatury złącza. Natężenie prądu przy zgrzewa-

niu punktowym zależy od rodzaju materiału łączonych części i od ich

grubości i wynosi od kilku do kilkudziesięciu kA. Czas przepływu prądu

pozwalający na stopienie jądra zgrzeiny najczęściej wynosi od setnych

do dziesiątych części sekundy. Bardzo krótki czas zgrzewania i szybkie

odprowadzenie ciepła z obszaru zgrzewania powodują powstanie nie-

wielkiej strefy wpływu ciepła. Dodatkowym parametrem przy zgrzewa-

niu punktowym jest średnica elektrody. Przyjmuję się ją w zależności od

grubości przedmiotu, z którym styka się elektroda.

Ttop

T C

Iz

F

F

zgrzeina

SWC

Rysunek 3.46 Ideowy schemat zgrzewania punktowego [5]

Zgrzewanie punktowe jest stosowane do zgrzewania blach.

SPAWALNICTWO

Strona 121121121121

UWAGA! Przy zgrzewaniu punktowym trzeba brać pod uwagę tzw. bocz-nikowanie prądu. Chodzi o to, że prąd doprowadzany przez elektrody może popłynąć nie tylko przez formowaną zgrzeinę, lecz także przez sąsiednią wcześniej uformowaną. Spowoduje to uformowanie jądra zgrzeiny o mniejszych wymiarach. Aby tego uniknąć należałoby zwiększyć natężenie prądu. Najlep-szym rozwiązaniem jest zaprojektowanie na tyle dużej podziałki pomiędzy zgrzeinami, aby bocznikowanie prądu było pomijalne.

Zgrzewanie garbowe

Jest to odmiana zgrzewania punktowego. Polega na tym, że miejsca usy-

tuowania zgrzein są przygotowane przed zgrzewaniem, poprzez wy-

konanie na powierzchni blachy miejscowych przetłoczeń, „garbów”,

rysunek 3.47a.

1

2

b)

3

3

= ~

FIz

F

a)

Rysunek 3.47. Schemat zgrzewania garbowego: a) klasyczne zgrzewanie garbowe, b) zgrzewanie kołków z powierzchnią płaską

Elektrody w tej metodzie mają płaską powierzchnię. Następuje jedno-

czesne formowanie wielu połączeń punktowych. Znika więc problem

bocznikowania prądu. Do zgrzewania garbowego zalicza się także zgrze-

wanie pojedynczych części usytuowanych prostopadle np. do po-

wierzchni blachy, rysunek 3.47b.

Zgrzewanie liniowe

Zgrzewanie liniowe można uznać za kolejne rozwinięcie zgrzewania

punktowego. Polega na tworzeniu połączenia przez nakładające się

ROZDZIAŁ 3

Strona 122122122122

zgrzeiny punktowe. Elektrodami są krążki toczące się po powierzchni

zgrzewanych blach. Powstaje ciągła liniowa zgrzeina tworząca szczelne

połączenie.

Zgrzewanie łukiem wirującym

Przy zgrzewaniu łukiem wirującym źródłem ciepła jest łuk elektryczny

jarzący się między łączonymi częściami. Za pomocą cewek wytwarzane

jest pole magnetyczne wymuszające ruch obrotowy łuku. Po rozgrzaniu

powierzchni łączonych i ich nadtopieniu następuje ich dociśnięcie.

W ten sposób można łączyć części o przekroju pierścieniowym

w płaszczyźnie zgrzewania, a więc w szczególności rury.

Zgrzewanie indukcyjne

Obecnie metoda ta nazywana jest również zgrzewaniem prądami wiel-

kiej częstotliwości. Nagrzewanie łączonych części jest wynikiem od-

działywania na obszar łączenia prądem o częstotliwości, od 1000 do

500 000 Hz. Bezpośrednią przyczyną nagrzewania, w metalach magne-

tycznych, jest zjawisko pętli histerezy magnetycznej i oddziaływanie

prądów wirowych. W przypadku metali niemagnetycznych, np. stopów

miedzi lub aluminium, występuje tylko oddziaływanie prądów wiro-

wych. Powierzchnie łączone po ich uplastycznieniu i nadtopieniu są do

siebie dociskane. Podobnie jak w poprzednio opisywanej metodzie

można łączyć części o przekroju pierścieniowym w płaszczyźnie zgrze-

wania, lecz nie tylko. W ten sposób można wytwarzać rury ze szwem

wzdłużnym lub spiralnym. Zgrzeina jest więc usytuowana równolegle do

osi rury lub wzdłuż linii śrubowej.

Zgrzewanie dyfuzyjne

Zgrzewanie dyfuzyjne polega na aktywizacja dyfuzji, wzajemnemu prze-

nikaniu, wymianie, atomów stykających się materiałów. Przedmioty

łączone po starannym oczyszczeniu ich powierzchni, wstawiane są do komory próżniowej i są dociskane do siebie z niezbyt dużą siłą, rysunek 3.48.

SPAWALNICTWO

Strona 123123123123

FQ

3 2

1

Rysunek 3.48 Zgrzewanie dyfuzyjne: 1 –zgrzewane przedmioty, 2 – komora próżniowa, 3 – promiennik ciepła [5]

Nacisk jednostkowy zależnie od rodzaju materiału wynosi 5 ÷ 10 N/mm2.

Aby ułatwić zbliżenie pomiędzy atomami łączonych części stosuje się ich podgrzewanie do temperatury około 0,6 ÷ 0,8 temperatury topienia.

Stosowane są różne sposoby podgrzewania. Ta metoda pozwala uzyskać połączenia wysokiej jakości. W ten sposób można łączyć ze sobą także

różne materiały np. metale z niemetalami.

Zgrzewanie ultradźwiękowe

W tej metodzie zgrzewania dociśnięte do siebie przedmioty wprawione

są w drgania o małej amplitudzie, rzędu kilkunastu µm i wysokiej

częstotliwości, 150 ÷ 170 kHz. Kierunek tych drgań jest równoległy do

powierzchni łączonych. Pod wpływem energii drgań zwiększa się tempe-

ratury w miejscach styku do około 600o C. Następuje uplastycznienie

ułatwiające zbliżenie pomiędzy atomami łączonych materiałów. Drgania

powodują także ścinanie i rozbijanie warstewek tlenkowych, co sprzyja

osiągnięciu bezpośredniego kontaktu pomiędzy atomami łączonych ma-

teriałów. Metoda ta jest stosowana w przemyśle elektronicznym, lotni-

czym oraz w energetyce jądrowej do łączenia drobnych elementów,

także do łączenia metali z niemetalami.

Zgrzewanie wybuchowe

Jest to metoda wyjątkowo przydatna przy łączeniu ze sobą dużych

powierzchni. Połączenie powstaje pod wpływem dynamicznego zderze-

ROZDZIAŁ 3

Strona 124124124124

nia łączonych powierzchni, wywołanego dużą prędkością detonacji

materiału wybuchowego.

Zgrzewanie tarciowe

Źródłem ciepła jest praca tarcia. Stosowanych jest kilka odmian zgrze-

wania tarciowego. W wydaniu klasycznym jeden z przedmiotów zgrze-

wanych wprawiony jest w ruch obrotowy, rysunek 3.49.

187

26543

Rysunek 3.49. Schemat maszyny do zgrzewania tarciowego: 1, 2 – zgrzewane przedmioty, 3 – silnik elektryczny, 4 – sprzęgło,

5 – hamulec, 6, 7 – uchwyty, 8 – siłownik wymuszający docisk zgrzewanych części [5]

Ruch obrotowy nadawany jest przez silnik elektryczny. Stosowane są prędkości obrotowe w granicach 400 ÷10 000 obr/min. Drugi z przed-

miotów zostaje dociśnięty do obracającego się przedmiotu. Nacisk jed-

nostkowy w fazie tarcia przyjmowany jest w zależności od rodzaju ma-

teriału łączonych części i wynosi od 20 do 400 MPa. Praca tarcia po-

między powierzchniami zmienia się na ciepło. Następuje uplastycznienie

łączonych powierzchni, a nawet występują miejscowe nadtopienia. Tar-

cie powoduje także samooczyszczenie powierzchni styku. Po uplastycz-

nieniu w całym obszarze styku następuje wyłączenie ruchu obrotowego

i równoczesne zwiększenie siły dociskającej. Następuje spęczenie i ufor-

mowanie trwałego połączenia w ciągu kilku sekund. Bardzo ważnym

jest, aby czas wyhamowania ruchu obrotowego był bardzo krótki.

W ten sposób można łączyć przedmioty o obrotowych powierzchniach

łączenia i o identycznych wymiarach, np. pręty, rury. Uzyskuje się połą-czenia o bardzo dobrych właściwościach wytrzymałościowych. Metoda

ta jest także bardzo korzystna pod względem sprawności energetycznej.

Poprzez zgrzewanie tarciowe można także łączyć przedmioty o nieobro-

towej powierzchni styku, np. powierzchnie o obrysie prostokąta. Jest to

tzw. zgrzewanie tarciowe orbitalne. Wymaga to zastosowania specjalnej

maszyny. Kolejną odmianą jest zgrzewanie tarciowe elementów wyko-

SPAWALNICTWO

Strona 125125125125

nujących względem siebie ruch posuwisto zwrotny. W ten sposób można

zgrzewać pręty usytuowane pod kątem prostym względem siebie.

UWAGA! Poprzez zgrzewanie tarciowe można także łączyć przedmioty o nieobrotowej powierzchni styku, np. powierzchnie o obrysie prostokąta. Jest to tzw. zgrzewanie tarciowe orbitalne. Wymaga to zastosowania specjalnej maszyny. Kolejną odmianą jest zgrzewanie tarciowe elementów wykonujących względem siebie ruch posuwisto zwrotny. W ten sposób można zgrzewać pręty usytuowane pod kątem prostym względem siebie.

Najnowszą odmianą zgrzewania tarciowego jest tzw. zgrzewnie z wy-

mieszaniem materiału zgrzeiny. Łączone przedmioty, np. płyty zostają zetknięte ze sobą i zabezpieczone przed rozsuwaniem się. Tarcie powsta-

je w wyniku działania narzędzia, specjalnie ukształtowanego trzpienia

wykonującego ruch obrotowy i ruch posuwowy wzdłuż linii łączenia.

Powstaje doskonałe połączenie o strukturze materiału podobnej do struk-

tury materiałów kutych. Trzpień formujący zgrzeinę pracuje w wyjątko-

wo trudnych warunkach, toteż obecnie ta odmiana zgrzewania stosowana

jest do łączenia płyt ze stopów metali lekkich, głównie do stopów

aluminium.

Zgrzewanie zgniotowe

Łącze powstaje tylko pod wpływem siły nacisku. Jest to zgrzewanie na

zimno. Metoda ta polega na doprowadzeniu do zbliżenia pomiędzy ato-

mami poprzez wmuszenie odkształceń plastycznych na styku łączonych

powierzchni. Zastosowany nacisk jednostkowy musi być znacznie więk-

szy od granicy plastyczności. Jego wartość jest więc uzależniona od

rodzaju materiału.

a) b) c) d)

Rysunek 3.50. Zgrzewanie zgniotowe: a) punktowe, b) punktowe z zastosowaniem dociskacza, c) liniowe, d) doczołowe [5]

ROZDZIAŁ 3

Strona 126126126126

Znaczne przemieszczenia materiału w czasie odkształceń plastycznych

powoduje pokruszenie warstewki tlenków, co ułatwia kontakt między

atomami łączonych metali, jednak powierzchnie łączone powinny być przed zgrzewaniem bardzo starannie oczyszczone.

Zgniotowo zgrzewa się materiały plastyczne o niewielkiej grubości, do

kilku mm. Można formować zgrzeiny punktowe, liniowe i doczołowe,

rysunek 3.50.

3.15. Spawanie i zgrzewanie tworzyw sztucznych

Spawanie i zgrzewanie można stosować do trwałego łączenia tworzyw

sztucznych, które pod wpływem podwyższonej temperatury przechodzą w stan płynny. Tak zachowują się tworzywa termoplastyczne; poliamid,

polietylen, polichlorek winylu (PCW) i inne.

Pełne podobieństwo pomiędzy spawaniem metali i spawaniem tworzyw

sztucznych występuje w przypadku spawania gazowego, rysunek 3.51.

1

2

4

3

5

Rysunek 3.51. Spawanie gazowe tworzyw sztucznych: 1 spawane tworzywo sztuczne, 2 – spoiwo, 4 – dysza gorącego powietrza,

5 – strumień gorącego powietrza [5]

Źródłem ciepła jest strumień gorącego gazu. Najczęściej jest to strumień gorącego powietrza. Temperatura gazu musi być wyższa od temperatury

topienia i w zależności od rodzaju tworzywa wynosi od około 100 oC do

około 500 oC.

Spawanie może być prowadzone bez dodawania spoiwa. Taką odmianę spawani ilustruje rysunek 3.52.

SPAWALNICTWO

Strona 127127127127

1

2 4

3 5

6F

Rysunek 3.52. Spawanie gazowe tworzyw sztucznych bez dodawania spoiwa: 1,2 – łączone folie, 3 – spojona folia, 4 – szczelinowa dysza

gorącego powietrza, 5 – strumień gorącego powietrza, 6 – rolka dociskowa, 7 – system rolek ograniczających rozpływanie się gorącego

powietrza [5]

Znacznie obszerniejszy jest zbiór metod trwałego łączenia tworzyw

sztucznych zaliczanych do zgrzewania. Ze względu na sposób wytwarza-

nia i przekazywania energii cieplnej, według pracy [6], można wyróżnić dwie grupy metod zgrzewania:

• wytwarzanie energii cieplnej w materiale tworzywa,

• wytwarzanie energii cieplnej w elemencie pośredniczącym,

przekazującym ciepło do tworzywa przez przewodzenie

cieplne.

Do pierwszej grupy zalicza się zgrzewanie prądem wielkiej częstotli-

wości, zgrzewanie tarciowe, zgrzewanie ultradźwiękami.

Generator

w. cz.1 2

3

4

FF

a

Rysunek 3.53. Schemat zgrzewania prądem wielkiej częstotliwości: 1,2 – zgrzewane tworzywo, 3 – elektroda górna, 4 – elektroda dolna [5]

Na rysunku 3.53 zamieszczono schemat zgrzewania prądami wielkiej

częstotliwości. W tej metodzie ciepło wytwarzane jest bezpośredni

w materiale tworzywa poprzez tracenie energii szybko zmiennego pola

elektrycznego w materiale dielektrycznym. Zgrzewane materiały są do

ROZDZIAŁ 3

Strona 128128128128

siebie dociskane. Siła nacisku powoduje odkształcenia plastyczne ułat-

wiające zbliżenie i powiązanie pomiędzy cząsteczkami łączonych two-

rzyw. Wartość siły nacisku musi być starannie dobrana do rodzaju two-

rzywa i temperatury zgrzewania, gdyż zbyt duży nacisk mógłby spowo-

dować wyciśnięcie tworzywa poza obszar działania elementów dociska-

jących.

Do drugiej grupy, polegającej na wytwarzaniu energii cieplnej w ele-

mencie pośredniczącym należą: zgrzewanie za pośrednictwem prądów

wielkiej częstotliwości, zgrzewnie indukcyjne, zgrzewanie za pomocą gorącego klina.

1

2

3

5

4

F

F

Q

Rysunek 3.54. Schemat zgrzewania folii gorącym klinem: 1,2 – łączone folie, 3 – zgrzane folie, 4 – gorący klin, 5 – rolki dociskające [5]

Na rysunku 3.54 podano schemat zgrzewania za pomocą gorącego klina.

Nagrzewanie łączonych tworzyw następuje w wyniku przejmowania

ciepła od gorącego metalowego klina. Nadtopione powierzchnie są do

siebie dociskane systemem rolek.

SPAWALNICTWO

Strona 129129129129

3.16. Procesy pokrewne spawaniu

Napawanie

Polega na nanoszeniu stopionego metalu na określona powierzchnię lub

określany fragment powierzchni przedmiotu. Realizuje się tę operację wykorzystując, po ewentualnej modyfikacji, metody i urządzenia stoso-

wane do spawania. Najczęściej wykorzystuje się spawania łukowe. Na-

pawać można materiałem takim samym jak materiał rodzimy, lub celo-

wo, zupełnie innym materiałem. Pierwszy przypadek ma zastosowanie

w pracach regeneracyjnych, rysunek 3.55

a) b)

c) d)

15

4 3

2

Rysunek 3.55. Proces regeneracji czopa wału: a) zużyty czop, b) kolejność nakładania spoin, c) czop po zakończeniu napawania,

d) czop po przeprowadzeniu obróbki skrawaniem [5]

Napawanie innym materiałem może być jedną z operacji wytwarzania

wyrobu, mająca na celu nadanie jej właściwości innych niż materiału

rodzimego.

Metalizowanie natryskowe

Polega na nanoszeniu stopionego i rozpylonego metalu lub mieszanki

metalu z innymi materiałami na powierzchnie przedmiotów. W ten

sposób można powierzchni nadawać specjalne właściwości, np.

odporność na korozję. Materiał przedmiotów może być prawie dowolny,

ROZDZIAŁ 3

Strona 130130130130

może to być np. tworzywo sztuczne, lub drewno. Grubość nakładanej

warstwy przeważnie wynosi kilka setnych mm.

UWAGA! Można przyjąć, że podczas metalizowania natryskowego po-wierzchnia przedmiotu nie jest rozgrzewana. Nie trzeba się więc obawiać zmian strukturalnych w materiale rodzimym

Żłobienie

Polega na usuwaniu niewielkich fragmentów z powierzchni przedmio-

tów poprzez ich stopienie i odrzucenie z obszaru topienia. Może być także stosowane do wykonywania otworów. Usuwanie stopionego me-

talu często wspomagane jest przez działanie strumienia sprężonego

powietrza. Przykładem zastosowania żłobienia jest ukosowanie brzegów

grubych blach przed spawaniem. Do żłobienia można przystosować większość metod spawania. Najczęściej stosowane jest żłobienie łukowe.

Cięcie termiczne

Polega na doprowadzeniu dostatecznie dużej porcji ciepła, pozwalającej

na stopienie metalu wzdłuż zakładanej powierzchni przecinania. Do cię-cia termicznego stosowane są następujące metody: cięcie tlenem, cięcie

łukowe, cięcie plazmowe, cięcie laserowe.

Cięcie tlenem polega na topieniu metalu i spalaniu metalu w atmosferze

tlenu oraz na wydmuchiwaniu stopionego metalu i produktów spalania

poza obszar cięci. Przecinanie przeprowadza się specjalnym palnikiem

do cięcia. Palnik posiada dwie dysze. Dyszą pierścieniową dostarczana

jest mieszanka tlenu z acetylenem (najczęściej). Zadaniem tej mieszanki

jest inicjowanie procesu poprzez podgrzanie stali do temperatury prze-

kraczającej temperaturę zapłonu żelaza. Podgrzewanie jest utrzymywane

w całym okresie przecinania. Centralnie usytuowana jest dysza tlenowa

dostarczająca tlen do spalania stopu.

Odmianą cięcia tlenem jest wykonywanie otworów lanca tlenową. Lanca

tlenowa jest to rura stalowa wypełniona drutami lub proszkiem stalo-

wym, przez którą pod ciśnieniem przepływa tlen. Używana jest do wy-

palania otworów w żeliwie, a także i w betonie.

SPAWALNICTWO

Strona 131131131131

UWAGA! Odmianą cięcia tlenem jest wykonywanie otworów lancą tle-nową. Lanca tlenowa jest to rura stalowa wypełniona drutami lub proszkiem stalowym, przez którą pod ciśnieniem przepływa tlen. Używana jest do wypalania otworów w żeliwie, a także i w betonie.

Cięcie łukowe polega na miejscowym stopieniu metalu ciepłem łuku

elektrycznego jarzącego się pomiędzy elektrodą i materiałem przecina-

nym. Oddziaływanie łuku powoduje wyrzucanie stopionego metalu z ob-

szaru cięcia. Najczęściej stosowany jest także nadmuch gazu, co dodat-

kowo ułatwia usuwanie stopionego metalu, rysunek 3.56.

+

- 1

=

6

54

3

2

Rysunek 3.56. Schemat cięcia łukowego elektrodą grafitową: 1 – przecinany przedmiot, 2 – elektroda grafitowa, 3 – uchwyt elektrody

z dyszami powietrza, 4 – łuk elektryczny, 5 – strumień powietrza, 6 – krople stopionego metalu i żużla [5]

Cięcie plazmowe. Źródłem ciepła jest wąski strumień plazmy o bardzo

dużej koncentracji energii. Temperatura łuku plazmowego może wyno-

sić kilkadziesiąt tysięcy stopni Celsjusza. Pozwala to na doprowadzenie

w bardzo krótkim czasie do stopienia i odparowania części stopionego

metalu. Wysoka energia kinetyczna strumienia plazmy powoduje rów-

nież wyrzucanie stopionego metalu poza obszar cięcia. Cięcie plazmowe

można stosować do wszystkich metali, a w przypadku łuku niezależ-nego, także do cięcia materiałów niemetalowych. Można przecinać przedmioty o grubości do 300 mm. Stosowane jest do wycinania przed-

miotów z arkuszy blach. W tym obszarze zastosowania metoda ta

konkuruje z wycinaniem laserowym.

Cięcie laserowe. Wiązka laserowa powoduje bardzo szybkie nagrzewa-

nie metalu powyżej temperatury zapłonu, topienia i parowania. Z wiązką

ROZDZIAŁ 3

Strona 132132132132

laserową współdziała strumień gazu usuwający stopiony metal i jego

pary. W ten sposób można przecinać przedmioty o grubości do 40 mm.

Bardzo wąska szczelina przecinania, od około 0,15 mm, do około 1 mm

i dobra jakość powierzchni po przecinaniu spowodowały szerokie zasto-

sowanie tej metody do wycinania części o różnych zarysach z arkuszy

blach.

1.17. Literatura do rozdziału 3

1. Ferenc K., Nita Z., Sobiś T., Spawalnictwo, Oficyna Wydawni-

cza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999.

2. Klimpel A., Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali, technologie,

WNT, Warszawa 1999.

3. Praca zbiorowa pod red. J. Pilarczyka, Spawalnictwo. Poradnik

inżyniera, WNT, Warszawa 2003

4. Piwowar S., Spawalnictwo, PWN, Warszawa 1979

5. Sobieszczański J., Spajanie, Oficyna Wydawnicza Politechniki

Warszawskiej, Warszawa, 2004

6. Urbaniak Z., Zgrzewanie tworzyw sztucznych, zgrzewarki i gene-

ratory wielkiej częstotliwości, WNT, Warszawa, 1997