6 Odlewnictwo-i-spawalnictwo.docx

Odlewnictwo i spawalnictwo - Zgrzewanie – istota i metody

Zgrzewanie polega na łączeniu części metalowych przez ich miejscowe podgrzanie do stanu ciastowatego lub nadtopienie z następnym dociśnięciem do siebie w celu uzyskania połączenia. W metodzie tej nie stosuje się spoiwa. W zależności od zastosowanego źródła ciepła rozróżnia się: zgrzewanie ogniskowe (ognisko kowalskie), gazowe (płomień gazu wodnego lub acetylenowo-tlenowy), termitowe (ciepło spalania termitu), tarciowe (praca tarcia) oraz doczołowe iskrowe, doczołowe zwarciowe, punktowe, liniowe (zgrzewanie oporowe - źródłem ciepła jest prąd elektryczny).

1.     Zgrzewanie elektryczne oporowe wykorzystuje zjawisko Joule’a, polegające na zamianie energii elektrycznej prądu płynącego przez łączone elementy na energię cieplną. Jest to najczęściej wykorzystywany rodzaj zgrzewania. Ilość ciepła wydzielająca się podczas procesu opisuje zależność

Q=I2Rt

Q – ilość ciepła J, I – natężenie prądu A, R oporność elektryczna (omega), t – czas s

Na oporność strefy zgrzewania składa się:

- oporność styku pomiędzy zgrzewanymi elementami (największy opór – dlatego tam powstaje zgrzeina )

- oporność metalu pomiędzy elektrodami

-oporność styku pomiędzy elektrodami a powierzchnią materiału

Zgrzewanie punktowe

Zgrzewanie punktowe jest najbardziej rozpowszechnioną metodą zgrzewania stosuje się ją do łączenia elementów wykonywanych ze stali węglowych i stopowych, niklu, tytanu i ich stopów oraz stopów miedzi i aluminium. Polega ono na punktowym dociśnięciu do siebie elementów z kolejnym nagrzaniem miejsca styku (efekt przepływu prądu) i ostygnięcia powstałej zgrzeiny. Nie zaleca się łączyć jedną zgrzeiną więcej niż trzech elementów ( trudność dociśnięcia).

Wymaganą do zgrzewania ilość ciepła osiąga się stosując duży prąd i krótki czas zgrzewania (warunki ostre) lub mały prąd i długi czas zgrzewania (war. Łagodne). Ze względu na sposób doprowadzania prądu do zgrzewanych elementów rozróżnia się m. In: zgrzewanie jednopunktowe dwustronne, dwupunktowe dwustronne, jednostronne jednopunktowe i jednostronne jednopunktowe.

Należy zwracać uwagę na odległości sąsiednimi zgrzeinami aby nadmierna ilość prądu nie przepływała przez wcześniej wykonane zgrzeiny. Elektrody do zgrzewania punktowego wykonuje się ze stopu CuCd (0.9-1.2%kadmu) o twardości ok. 100HB.

Zgrzewanie liniowe

Tutaj łączenie elementów odbywa się na zgrzewarkach wyposażonych w elektrody krążkowe a połączenie uzyskuje się wzdłuż linii składającej się z nachodzących na siebie zgrzein punktowych. Najczęściej stosuje się tzw. Zgrzewanie liniowe przerywane, przy którym przepływ prądu odbywa się z regularnymi przerwami, a elektrody krążkowe obracają się ze stałą prędkością. Grubość zgrzewanych elementów nie przekracza na ogół 3mm, bo przy większych grubościach bardziej ekonomiczne okazuje się spawanie.

Zgrzewanie doczołowe zwarciowe

Zgrzewanie doczołowe stosuje się do łączenia stali węglowych i stopowych oraz stopów metali nieżelaznych. Polega ono na dociśnięciu do siebie powierzchniami czołowymi prętów, kształtowników i nagrzaniu ich powierzchni styku ciepłem wydzielającym się w efekcie przepływu prądu przez łączone elementu.

W pierwszym etapie zgrzewania na skutek docisku i przepływu prądu ulegają zgnieceniu mikro nierówności powierzchni. W efekcie poprawia się kontakt elektryczny, w miarę wzrostu temperatury metal w obszarze styku mięknie i obserwuje się  spęczanie. Tworzy się wypływka.

W zgrzewaniu doczołowym tak jak i w punktowym stosuję się ostre i łagodne warunki zgrzewania. W ostrych warunkach czas trwania procesu może być zbyt krótki, aby wystąpiło wypłynięcia zanieczyszczeń i zgrzeina była ciągła w przekroju. Długi czas trwania procesu czyli łagodne warunki zgrzewania gwarantują uzyskanie zgrzeiny bez nieciągłość.

Nagrzanie elementów jest efektem wydzielania się ciepła podczas przepływu prądu. Początkowo podczas zgrzewania na skutek nierówności powierzchni elementów i ich zanieczyszczenia tlenkami, które mają duża oporność, obszar styku elementów wskazuje największą oporność. W miarę zgniatania nierówności i rozrywania warstwy tlenków oporność obszaru styku maleje. 

Zgrzewanie doczołowe iskrowe

Tym sposobem łączy się elementy o  chropowatych, nierównych powierzchniach. Mocuje się je w szczękach zgrzewarki. Przy włączeniu prądu przesuwa się jeden element, zbliża się wówczas powierzchnie czołowe ( styk w 1 lub kilku punktach). Przez powstałe styki przepływa prąd o dużej gęstości, powoduje to nagrzewanie materiału do temp. Parowania przez co wówczas lokalne styki się zrywają i tworzą w innych miejscach. Towarzyszy temu silne działanie pola elektromagnetycznego.

W wyniku parowania metalu i działania pola magnetycznego procesowi zrywania się styku towarzyszy silne iskrzenie. ( temp. Ok. 20 000 °C).

Po zakończeniu procesu wyiskrzania zaczyna się spęczenia ( częściowo pod prądem), w wyniku działania docisku co powoduje powstawanie złącza.

Iskrowo zgrzewa się: stale węglowe i stopowe, miedź, aluminium i ich stopy, nikiel, tytan, i żeliwo. Można też zgrzewać metale różnorodne np. Cu + Al.

2.     Zgrzewanie ogniskowe

Części łączone nagrzewa się w ognisku kowalskim do temperatury białego żaru, czyli do stanu ciastowatego. Następnie łączy się je za pomocą kucia młotami ręcznymi lub mechanicznymi. W miejscu wykonanego złącza pozostawia się grubszą zgrzeinę dla zwiększenia wytrzymałości złącza.

3.     Zgrzewanie gazowe

Przy tym rodzaju zgrzewania źródłem ciepła jest płomień gazu wodnego lub płomień acetylenowo-tlenowy, który przy miejscowym nagrzaniu doprowadza metal do stanu ciastowatego. Przez młotkowanie uzyskuje się połączenie trwałe.

Zgrzewanie gazem wodnym

Źródłem ciepła jest tu płomień gazu wodnego, który otrzymuje się przepuszczając parę wodną przez rozżarzony koks. Tworzy się wtedy mieszanina wodoru (H2) i tlenku węgla (CO), które w połączeniu dają gaz palny. Gaz ten i sprężone powietrze doprowadza się do specjalnego palnika, gdzie po zapaleniu tej mieszanki powstaje płomień o temperaturze ok. 1800C. Płomień nagrzewa brzegi założone na zakładkę do temperatury ok. 1250C.

Następnie przystępuje się do młotkowania młotkiem ręcznym lub mechanicznym. W płomieniu znajduje się pewna ilość nie spalonego wodoru i tlenku węgla, które chronią metal w miejscu nagrzewania przed dostępem tlenu i azotu z powietrza.

Zgrzewanie acetylenowo-tlenowe

Zgrzewanie to może być stosowane do łączenia materiałów o przekrojach okrągłych pełnych lub rur, a nawet blach o mniejszych wymiarach ze stali niskowęglowej i niskostopowej. Łączone dwa odcinki rury są nagrzewane w miejscu łączenia półpierścieniowymi palnikami wielopłomieniowymi do stanu ciastowatego, po czym następnie dociskane siłą w celu otrzymania połączenia.

4.     Zgrzewanie termitowe

Ten rodzaj zgrzewania polega na wykorzystaniu do nagrzewania łączonych metali ciepła, które wydziela się w reakcji chemicznej podczas spalania termitu, tj. proszku składającego się z tlenku żelazawego i aluminium (FeO+Al).

5.     Zgrzewanie tarciowe

Polega na łączeniu części metalowych, których końce są zamocowane w specjalnych szczękach zaciskowych, a powierzchnie zgrzewane stykają się ze sobą przez cały czas przepływu prądu. Po rozgrzaniu się części końców części zgrzewanych do stanu ciastowatego następuje dociśnięcie ich do siebie w celu otrzymania połączenia.