Spawanie i zgrzewanie.

Spawanie i zgrzewanie

Spawanie i zgrzewanie to łączenie ze sobą kawałków metalu za pomocą obróbki cieplnej. Powierzchnie metali za rozgrzewa się tak, że ulegają nadtopieniu, po czym łączy się je ze sobą. Po usunięciu źródła ciepła metale stygną i zestalają się, trwale połączone. Jeśli dwa kawałki metalu tylko łączymy ze sobą, to taki proces nazywamy spawaniem, jeśli natomiast rozgrzane kawałki metalu ściskamy, to wtedy mamy do czynienia ze zgrzewaniem. Podczas spawania możemy również nakładać dodatkową warstwę metalu –spoiwa, lecz nie zawsze jest to konieczne.

Cywilizacje starożytne wykorzystywały techniki spawanie i zgrzewania zarówno do wykonywania metalowych ozdób, jak i praktycznych narzędzi. Wśród wczesnych przedmiotów wykonanych w ten sposób wymienić należy ozdobną miedzianą płytę wykonaną w Mezopotamii (dzisiejszy Irak) pod koniec IV wieku p.n.e., oraz egipski zagłówek z około 1350 r. p.n.e. Głownie mieczy wykonywano z rozżarzonych żelaznych pasków, kując je tak długo, aż połączyły się trwale. Proces ten, zwany zgrzewaniem kuźniczym, pozwalał na wytwarzanie brzeszczotów, które były w stanie wytrzymać mocne uderzenia. Niektóre techniki spawania wykorzystywane po dziś dzień żywo przypominają techniki antyczne. Dziś jednak proces taki jest znacznie łatwiejszy do przeprowadzenia.

Spawanie gazowe
W technologii spawania gazowego do rozgrzewania łącznych elementów wykorzystuje się ciepło płomienia powstałego wskutek spalania mieszanki acetylenu lub propanu z tlenem. Gaz spawalniczy i tlen są podawane do palnika z osobnych butli ciśnieniowych. Temperatura płomienia spalanej mieszanki przekracza 3000 stopni C, co w zupełności wystarcza, aby stopić stal i wiele innych materiałów. Podczas spawania w płomieniu rozgrzewa się też specjalny drut, który topiąc się, pokrywa spoinę, dodatkowo ją wzmacniając.

Niekiedy zespawane elementy są przycinane na żądany wymiar natychmiast po złączeniu. Palniki acetylenowe używane do spawania mogą być również z powodzeniem wykorzystywane do cięcia metali, szczególnie stali i żeliwa. Podczas cięcie tych materiałów zachodzi proces topnienia metalu, lecz jednocześnie pewna część ulega spaleniu, to znaczy reaguje w podwyższonej temperaturze z tlenem z powietrza, tworząc tlenek metalu. Gaz wylatujący z panika pod wysokim ciśnieniem wydmuchuje z miejsca cięcia roztopiony metal i powstający tlenek, dzięki czemu pozostaje ono stosunkowo czyste.


Lutowanie
Palniki gazowe bywają także wykorzystywane przy lutowaniu. W procesie tym łączy się dwa metale, nagrzewając je o temperatury około 400 stopni C i zalewając spoinę lutem z nieżelaznego metalu, na przykład cyny lub srebra. Podczas lutowania łączone części nie ulegają nadtopieniu, topi się jedynie lut, którego temperatura topnienia jest niższa.

Najczęściej lutuje się za pomocą palnika gazowego podobnego to tego używanego przy spawaniu gazowym. Stop na bazie srebra jest często stosowanym lutem, szczególnie w produkcji, szczególnie do produkcji wyrobów ze srebra, ale także przy łączeniu innych metali, gdy wymagane jest połączenie silne i odporne na odkształcenia mechaniczne ( np. w zębach pił taśmowych). Standardowe luty srebrne, czyli stopy lutownicze Au-Cu, zawierają od 10 do 80% srebra, 15 do 50% miedzi i 5 do 40% cynku. Stopy te topią się w temperaturze pomiędzy 700 a 875 stopni C, podczas gdy stopy cyny, już w temperaturze 200 stopni C lub nawet więcej.
Lutowanie można również przeprowadzić rozgrzewając łączone części i stop lutowniczy w specjalnym piecu, gazowym bądź elektrycznym, można także lutować elementy przez zanurzenie ich wraz z lutem do roztopionej soli. Jednak którąkolwiek z metod wybierzemy, dla powodzenia operacji najważniejsze jest utrzymanie idealnej wręcz czystości łączonych powierzchni. Należy je najpierw odtłuścić wszelkie tlenki czy też naloty wapienne. Tak oczyszczone powierzchnie należy pokryć warstewką topnika, którego zadaniem jest niedopuszczenie do utleniania się ich podczas lutowania. Jedynym z najstarszych i najpopularniejszych wciąż topników jest boraks (uwodniony czteroboran sodowy).

Spawanie łukowe
Jeśli ciepło wytwarzane jest w łuku elektrycznym powstałym pomiędzy elektrodą a łączonymi częściami, to mamy do czynienia ze spawaniem łukowym. Łuk taki jest wyładowaniem elektrycznym w gazie. Energia wyzwalana podczas wyładowania powoduje ogrzewanie gazu w obszarze łuku, a co za tym idzie jego rozrzedzenie. W efekcie gaz wędruje ku górze, co powoduje wyginanie obszaru wyładowania również ku górze, w formie łuku, od czego właśnie powstała nazwa tego wyładowania. Zwykle podczas spawania łączone metale tworzą anodę i połączone są dodatnim biegunem zasilania. Katodą, źródłem elektronów, jest elektroda spawarki. Energia łuku jest generowana przepływem strumienia elektronów o dużej gęstości pomiędzy katodą a anodą, a temperatura gazu w łuku może osiągnąć nawet 20000 stopni C, choć zwykle wynosi 5000-6000 stopni C.

Uchwyt elektrody podczas ręcznego spawania łukowego jest połączony z ujemnym biegunem agregatu spawalniczego, a materiał spawany z biegunem dodatnim. Do zasilania może służyć zarówno prąd stały jak i zmienny. Typową elektrodę stanowi rdzeń zbudowany z drutu do spawania, pokrytego warstwą topnika. Jej długość zwykle waha się od 35 do 45cm. Po włączeniu agregatu spawalniczego należy elektrodę ze spawanym elementem, wskutek czego w obwodzie zacznie płynąć prąd elektryczny o dużym natężeniu. Następnie delikatnie oddzielamy od siebie elektrody i w efekcie pomiędzy nimi pojawi się łuk elektryczny, który roztopi zarówno metal łączonych elementów, jak i końcówkę elektrody. Cząsteczki topnika i spoiwa metalowego wędrują w łuku, osiadając na sprawnych elementach.

Sprzęt służący do ręcznego spawania łukowego łatwo można przenosić i jest stosunkowo niedrogi, ale elektroda szybko się zużywa i często podczas spawania konieczna jest jej wymiana.

Spawanie w osłonie gazów obojętnych
Spawanie w osłonie gazów obojętnych jest znacznie wygodniejsze niż spawanie łukowe. Zamiast krótkiej elektrody druciano-topnikowej wykorzystuje się elektrodę wykonaną z samego tylko drutu, który jest podawany w sposób ciągły ze szpuli. Drut przechodzi przez uchwyt skonstruowany w ten sposób, że dookoła niego jest nadmuchiwany obojętny gaz z butli.

Gaz ten ma chronić spoinę przed utlenianiem się w atmosferze. Drut, połączony z dodatnim biegunem agregatu, jest tutaj anodą, dlatego podczas wyładowania większość energii jest przenoszona właśnie na drut, powodując jego gwałtowne topnienie i przenoszenie metalu w obszar powstającej spoiny. Mechanizm tego procesu zależy od natężenia prądu w łuku. Dla natężenia powyżej 30 amperów (A) kropelki gorącego metalu są rozpędzane przez znaczne siły w kierunku spawanych części. Siły te są wynikiem oddziaływania pomiędzy szybko poruszającymi się naładowanymi cząsteczkami a polem magnetycznym i nazywane są siłami magnetohydrodynamicznymi. Są to oddziaływania znacznie silniejsze od grawitacji i dlatego spawać można w dowolnej pozycji, nawet z elektrodą znajdującą się poniżej łącznych elementów.

Jako gazów osłonowych używa się zarówno gazów szlachetnych (argon, hel oraz mieszanina argonu i helu), jak i dwutlenku węgla. Używając gazów szlachetnych otrzymujemy lepsze i czystsze wykończenie spawanej powierzchni, są one jednak drogie. Dobre wykończenie można także uzyskać bez stosowani kosztownych mieszanek gazowych, zastępując prostą elektrodę w formie drutu elektrodą w postaci metalowej rurki wypełnionej odpowiednim topnikiem. W zależności od jego składu elektrody takie mogą być stosowane z dwutlenkiem węgla lub bez żądnego gazu ochronnego. Elektrody wypełnione topnikiem pozwalają na uzyskanie większego tempa osadzania się spoiny przy mniejszym wydatku cieplnym, a co tym idzie przy mniejszym ryzyku odkształcenia spawanych części. Inną zaletą wynikającą ze stosowania takich elektrod jest możliwość pracy w miejscach odsłoniętych bez użycia osłony gazowej.

Spawanie łukiem krytym (pod topnikiem) jest kolejną metodą w której używana jest ciągła elektroda metalowa. Głowice spawalnicze są wtedy mocowane w specjalnej karetce. Znajdujący się przed elektrodą podajnik umieszcza warstwę topnika na spawanych powierzchniach. Łuk elektryczny jest zapalany pod sypką warstwą ochronną.

Zgrzewanie
Zgrzewaniem nazywamy techniki łączenia materiałów, za pomocą działania temperatury i ciśnienia. Podczas zgrzewania ciernego zgrzewane elementy trą o siebie, wytwarzając przy tym znaczną temperaturę, konieczną do trwałego ich złączenia. W ten sposób łączy się rury i wałki. Zgrzewanie wybuchowe jest podobne, lecz przebiega gwałtowniej. Tu wysoka temperatura jest wytwarzana również dzięki zamianie energii mechanicznej na cieplną, np. wskutek uderzenia ciężkiego młota. Przy kuciu natomiast młot uderza w nagrzany do czerwoności zmiękczony metal –jest to tradycyjna technika używana przez kowali.

Zgrzewanie jest stosowane także do łączenia tworzyw sztucznych. W tym wypadku można, celem miejscowego rozgrzania łączonych części, używać ultradźwięków. Jednak najważniejszą spośród wszystkich technik zgrzewalniczych niewątpliwie pozostaje zgrzewanie oporowe.
Zgrzewanie oporowe
Ciepło potrzebne do rozgrzania zgrzewanych elementów jest w tym wypadku wytwarzane przez przepływający przez nie prą elektryczny o stosunkowo dużym natężeniu. Pręty używane jako elektrody, przez które przepływa prąd, nagrzewają się wyłącznie w obszarze styku ze zgrzewanymi elementami. Podczas zgrzewania nie używa się dodatkowego metalu jako spoiwa, niepotrzebny jest także topnik ani gaz ochronny. Lecz z drugiej strony zasilacze muszą być w stanie zapewniać impulsowy przepływ prądu o oszałamiającym natężeniu, sięgającym nawet 50 tysięcy amperów ( oczywiście w wyjątkowo wielkich urządzeniach ).

Spawanie wiązką lasera
Specjalne sprawy można wykonywać za pomocą lasera rubinowego. Laser taki wysyła impulsy czerwonego światła. Moc szczytowa w impulsie może wynosić nawet dziesiątki megawatów, impulsy są jednak niezmiernie krótkie. Lasery tego typu wykorzystuje się do precyzyjnego spawania miniaturowych elementów. W takich wypadkach całkowita moc urządzenia jest niewielka. Laser umożliwia także spawanie elementów znajdujących się wewnątrz aparatury próżniowej, promień przechodzi wówczas przez szklaną ściankę komory. Spawanie takie jest stosunkowo proste, gdy laser emituje światło widzialne. W takich zastosowaniach laser rubinowy został prawie całkowicie zastąpiony przez mniejszy i sprawniejszy, bazujący na materiale o nazwie NdYAG (skrót od: neodym, itr, aluminium, granat).