Spawanie łukowe - Arc welding

Mężczyzna spawający metalową konstrukcję w nowo wybudowanym domu w Bengaluru w Indiach

Spawanie łukowe to proces spawania , który służy do łączenia metalu z metalem za pomocą energii elektrycznej, aby wytworzyć wystarczającą ilość ciepła do stopienia metalu, a stopione metale po ostygnięciu powodują wiązanie metali. Jest to rodzaj spawania, który wykorzystuje zasilacz spawalniczy do wytworzenia łuku elektrycznego między metalowym drążkiem („ elektrodą ”) a materiałem podstawowym, aby stopić metale w miejscu styku. Spawarki łukowe mogą korzystać zarówno bezpośredni (DC) lub przemiennego (AC) i eksploatacyjnych lub non-eksploatacyjnych elektrod.

Obszar spawania jest zwykle chroniony przez jakiś rodzaj gazu osłonowego , pary lub żużla. Procesy spawania łukowego mogą być ręczne, półautomatyczne lub w pełni zautomatyzowane. Po raz pierwszy opracowane pod koniec XIX wieku, spawanie łukowe stało się ważne z komercyjnego punktu widzenia w przemyśle stoczniowym podczas II wojny światowej. Dziś pozostaje ważnym procesem wytwarzania konstrukcji stalowych i pojazdów.

Zasilacze

Spawarka napędzana silnikiem z możliwością spawania AC/DC
Generator spawalniczy zasilany olejem napędowym (generator elektryczny znajduje się po lewej stronie) stosowany w Indonezji

Aby dostarczyć energię elektryczną niezbędną do procesów spawania łukowego, można zastosować szereg różnych zasilaczy. Najpopularniejszą klasyfikacją są zasilacze stałoprądowe i zasilacze stałonapięciowe . W spawaniu łukowym napięcie jest bezpośrednio związane z długością łuku, a prąd z ilością wprowadzonego ciepła. Zasilacze stałoprądowe są najczęściej używane do ręcznych procesów spawania, takich jak spawanie łukiem gazowym wolframowym i spawanie łukiem osłoniętym metalem, ponieważ utrzymują względnie stały prąd nawet przy wahaniach napięcia. Jest to ważne, ponieważ przy spawaniu ręcznym może być trudno utrzymać idealnie stabilną elektrodę, w wyniku czego długość łuku, a tym samym napięcie, mają tendencję do wahań. Zasilacze stałonapięciowe utrzymują stałe napięcie i zmieniają prąd, dlatego są najczęściej używane w zautomatyzowanych procesach spawalniczych, takich jak spawanie łukiem gazowym, spawanie łukiem proszkowym i spawanie łukiem krytym. W tych procesach długość łuku jest utrzymywana na stałym poziomie, ponieważ wszelkie wahania odległości między drutem a materiałem podstawowym są szybko korygowane przez dużą zmianę prądu. Na przykład, jeśli drut i materiał bazowy zbliżą się zbyt blisko, prąd gwałtownie wzrośnie, co z kolei spowoduje wzrost ciepła i stopienie końcówki drutu, przywracając jej pierwotną odległość separacji.

Ważną rolę w spawaniu odgrywa również kierunek prądu stosowany w spawaniu łukowym. Procesy wykorzystujące elektrody topliwe, takie jak spawanie elektrodą otuloną i spawanie łukiem metalowym w osłonie gazu, zazwyczaj wykorzystują prąd stały, ale elektroda może być naładowana dodatnio lub ujemnie. Ogólnie rzecz biorąc, dodatnio naładowana anoda będzie miała większą koncentrację ciepła (około 60%). „Należy zauważyć, że w przypadku spawania elektrodą otuloną najczęściej stosuje się biegunowość DC+. Daje ona dobry profil ściegu z wyższym poziomem penetracji. Polaryzacja DC- skutkuje mniejszą penetracją i wyższym wskaźnikiem topnienia elektrody. na przykład na cienkiej blasze, próbując zapobiec przepaleniu." „Z kilkoma wyjątkami, elektroda dodatnia (odwrócona polaryzacja) powoduje głębszą penetrację. Elektroda ujemna (biegunowość prosta) powoduje szybsze topienie elektrody, a tym samym szybszą szybkość osadzania”. Procesy wykorzystujące elektrody nietopliwe, takie jak spawanie łukiem gazowym wolframowym, mogą wykorzystywać zarówno prąd stały (DC), jak i przemienny (AC). Jednak przy prądzie stałym, ponieważ elektroda wytwarza tylko łuk, a nie zapewnia materiału wypełniającego, elektroda naładowana dodatnio powoduje płytkie spoiny, podczas gdy elektroda naładowana ujemnie powoduje głębsze spoiny. Prąd przemienny szybko przepływa między tymi dwoma, powodując spoiny o średniej penetracji. Jedną wadą prądu przemiennego jest fakt, że łuk musi być ponownie zajarzany po każdym przejściu przez zero, dzięki wynalezieniu specjalnych jednostek mocy, które wytwarzają prostokątny wzór fali zamiast normalnej sinusoidy , eliminując czas niskiego napięcia po przejściu przez zero. przejścia przez zero i minimalizowanie skutków problemu.

Cykl pracy to specyfikacja sprzętu spawalniczego, która określa liczbę minut w ciągu 10 minut, podczas których dana spawarka łukowa może być bezpiecznie używana. Na przykład spawacz 80 A z 60% cyklem pracy musi być „odpoczywany” przez co najmniej 4 minuty po 6 minutach ciągłego spawania. Nieprzestrzeganie ograniczeń cyklu pracy może spowodować uszkodzenie spawacza. Spawacze klasy komercyjnej lub profesjonalnej mają zazwyczaj 100% cykl pracy.

Metody elektrod zużywalnych

Spawanie łukiem osłoniętym metalowym

Jednym z najpopularniejszych rodzajów spawania łukowego jest spawanie łukowe w osłonie metalu (SMAW), znane również jako ręczne spawanie łukowe (MMAW) lub spawanie elektrodą otuloną. Prąd elektryczny służy do zajarzenia łuku między materiałem bazowym a prętem lub sztyftem elektrody zużywalnej . Pręt elektrody wykonany jest z materiału kompatybilnego ze spawanym materiałem bazowym i jest pokryty topnikiem, który wydziela opary, które służą jako gaz osłonowy i tworzą warstwę żużla, które chronią miejsce spawania przed zanieczyszczeniami atmosferycznymi . Sam rdzeń elektrody działa jako materiał wypełniający, dzięki czemu oddzielny wypełniacz nie jest konieczny. Proces jest bardzo wszechstronny, wymaga niewielkiego przeszkolenia operatora i niedrogiego sprzętu. Jednak czasy spawania są raczej powolne, ponieważ elektrody topliwe muszą być często wymieniane, a żużel, pozostałość po topniku, musi być odłupany po spawaniu. Co więcej, proces jest generalnie ograniczony do spawania materiałów żelaznych, chociaż specjalne elektrody umożliwiły spawanie żeliwa , niklu , aluminium , miedzi i innych metali. Uniwersalność metody sprawia, że ​​jest popularna w wielu zastosowaniach, w tym w pracach naprawczych i budowlanych.

Spawanie łukiem metalowym (GMAW), powszechnie nazywane MIG (od metal/gaz obojętny ), jest półautomatycznym lub automatycznym procesem spawania, w którym stale podawany drut spawalniczy pełni rolę zarówno elektrody, jak i spoiwa, wraz z obojętnym lub pół- obojętny gaz osłonowy płynął wokół drutu, aby chronić miejsce spawania przed zanieczyszczeniem. W GMAW najczęściej stosuje się źródło prądu stałego o stałym napięciu, ale stosuje się również prąd zmienny o stałym prądzie . Dzięki elektrodom spawalniczym podawanym w sposób ciągły, GMAW oferuje stosunkowo wysokie prędkości spawania; jednak bardziej skomplikowany sprzęt zmniejsza wygodę i wszechstronność w porównaniu z procesem SMAW. Pierwotnie opracowany do spawania aluminium i innych materiałów nieżelaznych w latach czterdziestych XX wieku, GMAW został wkrótce ekonomicznie zastosowany do stali . Obecnie GMAW jest powszechnie stosowany w branżach takich jak przemysł motoryzacyjny ze względu na swoją jakość, wszechstronność i szybkość. Ze względu na konieczność utrzymania stabilnej osłony gazu osłonowego wokół miejsca spawania, stosowanie procesu GMAW w obszarach o dużym ruchu powietrza, takich jak na zewnątrz, może być problematyczne.

Spawanie łukowe z rdzeniem topnikowym (FCAW) jest odmianą techniki GMAW. Drut FCAW jest w rzeczywistości cienką metalową rurką wypełnioną sproszkowanymi materiałami topnikowymi. Czasami stosuje się gaz osłonowy dostarczany z zewnątrz, ale często sam topnik musi zapewnić odpowiednią ochronę przed atmosferą. Proces ten jest szeroko stosowany w budownictwie ze względu na dużą szybkość spawania i przenośność.

Spawanie łukiem krytym (SAW) to wysokowydajny proces spawania, w którym łuk jest zajarzany pod warstwą wierzchnią ziarnistego topnika. Zwiększa to jakość łuku, ponieważ zanieczyszczenia w atmosferze są blokowane przez topnik. Żużel, który tworzy się na spoinie, zwykle spływa samoczynnie i w połączeniu z ciągłym podawaniem drutu, szybkość osadzania się spoiny jest wysoka. Warunki pracy są znacznie lepsze w porównaniu z innymi procesami spawania łukowego, ponieważ topnik ukrywa łuk i nie wytwarza dymu. Proces jest powszechnie stosowany w przemyśle, zwłaszcza w przypadku dużych produktów. Ponieważ łuk nie jest widoczny, jest zwykle zautomatyzowany. SAW jest możliwe tylko w pozycjach 1F (zaokrąglenie płaskie), 2F (zaokrąglenie poziome) i 1G (rowek płaski).

Metody elektrod nie zużywających się

Spawanie łukiem wolframowym (GTAW) lub spawanie wolframem/gazem obojętnym (TIG) to ręczny proces spawania, w którym wykorzystuje się nietopliwą elektrodę wykonaną z wolframu , mieszaniny gazów obojętnych lub półobojętnych oraz oddzielnego materiału wypełniającego. Szczególnie przydatna do spawania cienkich materiałów, metoda ta charakteryzuje się stabilnym łukiem i wysoką jakością spoin, ale wymaga znacznych umiejętności operatora i może być wykonywana tylko przy stosunkowo niskich prędkościach. Można go stosować na prawie wszystkich metalach spawalnych, chociaż najczęściej stosuje się go do stali nierdzewnej i metali lekkich. Jest często używany, gdy jakość spoin jest niezwykle ważna, na przykład w zastosowaniach rowerowych , lotniczych i morskich.

Pokrewny proces, spawanie łukiem plazmowym , również wykorzystuje elektrodę wolframową, ale do wytworzenia łuku wykorzystuje się gaz plazmowy . Łuk jest bardziej skoncentrowany niż łuk GTAW, co sprawia, że ​​kontrola poprzeczna jest bardziej krytyczna, a tym samym ogólnie ogranicza technikę do procesu zmechanizowanego. Ze względu na stabilny prąd metoda ta może być stosowana w szerszym zakresie grubości materiałów niż proces GTAW i jest znacznie szybsza. Może być stosowany do wszystkich tych samych materiałów co GTAW z wyjątkiem magnezu ; zautomatyzowane spawanie stali nierdzewnej jest jednym z ważnych zastosowań tego procesu. Odmianą tego procesu jest cięcie plazmowe , wydajny proces cięcia stali.

Inne sposoby obejmują spawanie łukowe atomowy wodoru zgrzewanie , spawanie elektrodą węglową , elektrożużlowego spawania , elektro spawania i Hodowla łuku spawalniczego .

Problemy z korozją

Niektóre materiały, zwłaszcza stale o wysokiej wytrzymałości, aluminium i stopy tytanu, są podatne na kruchość wodorową . Jeśli elektrody używane do spawania zawierają ślady wilgoci, woda rozkłada się w cieple łuku, a uwolniony wodór wchodzi w siatkę materiału, powodując jego kruchość. Elektrody prętowe do takich materiałów, ze specjalną powłoką niskowodorową, dostarczane są w szczelnie zamkniętym opakowaniu odpornym na wilgoć. Nowe elektrody można stosować bezpośrednio z puszki, ale gdy podejrzewa się wchłanianie wilgoci, należy je wysuszyć przez pieczenie (zwykle w temperaturze 450 do 550 °C lub 840 do 1020 °F) w suszarce. Stosowany topnik również musi być suchy.

Niektóre austenityczne stale nierdzewne i nikiel -na stopy są podatne na korozję międzykrystaliczną . Poddawany zbyt długo temperaturom około 700 °C (1300 °F), chrom reaguje z węglem w materiale, tworząc węglik chromu i niszcząc krawędzie kryształów chromu, pogarszając ich odporność na korozję w procesie zwanym uczuleniem . Tak uczulona stal ulega korozji w obszarach przy spoinach, gdzie temperatura-czas sprzyjał formowaniu węglika. Ten rodzaj korozji jest często określany jako gnicie spoiny.

Atak Knifeline (KLA) jest kolejnym rodzajem korozji wpływając spoin, wpływając stali stabilizowanych przez niobu . Niob i węglik niobu rozpuszczają się w stali w bardzo wysokich temperaturach. W niektórych reżimach chłodzenia węglik niobu nie wytrąca się, a stal zachowuje się wtedy jak stal niestabilizowana, tworząc zamiast tego węglik chromu. Wpływa to tylko na cienką strefę o szerokości kilku milimetrów w samym sąsiedztwie spoiny, utrudniając jej wykrycie i zwiększając szybkość korozji. Konstrukcje wykonane z takich stali muszą być ogrzewane w całości do około 1000 ° C (1830 ° F), gdy węglik chromu rozpuszcza się i tworzy węglik niobu. Szybkość chłodzenia po tym zabiegu nie jest ważna.

Niewłaściwie dobrany do warunków otoczenia spoiwo (materiał elektrody) może spowodować, że będą one również podatne na korozję . Pojawiają się również problemy z korozją galwaniczną, jeśli skład elektrody jest wystarczająco różny od spawanych materiałów lub same materiały są niepodobne. Nawet między różnymi gatunkami stali nierdzewnych na bazie niklu korozja złączy spawanych może być poważna, mimo że rzadko ulegają korozji galwanicznej podczas łączenia mechanicznego.

Problemy z bezpieczeństwem

Lista kontrolna bezpieczeństwa spawania

Spawanie może być niebezpieczną i niezdrową praktyką bez odpowiednich środków ostrożności; jednak dzięki zastosowaniu nowej technologii i odpowiedniej ochrony ryzyko obrażeń lub śmierci związane ze spawaniem może zostać znacznie zmniejszone.

Zagrożenie ciepłem, pożarem i wybuchem

Ponieważ wiele powszechnych procedur spawalniczych obejmuje otwarty łuk elektryczny lub płomień, ryzyko oparzenia przez ciepło i iskry jest znaczne. Aby temu zapobiec, spawacze noszą odzież ochronną w postaci grubych skórzanych rękawic i ochronnych kurtek z długim rękawem, aby uniknąć narażenia na ekstremalne ciepło, płomienie i iskry. Stosowanie sprężonych gazów i płomieni w wielu procesach spawalniczych stwarza również ryzyko wybuchu i pożaru; Niektóre typowe środki ostrożności obejmują ograniczenie ilości tlenu w powietrzu i trzymanie materiałów palnych z dala od miejsca pracy.

Uszkodzenie oczu

Samościemniający się kaptur spawalniczy z wkładem 90 × 110 mm i polem widzenia 3,78 × 1,85

Narażenie na jasność obszaru spoiny prowadzi do stanu zwanego łukiem oka, w którym światło ultrafioletowe powoduje zapalenie rogówki i może oparzyć siatkówki oczu. Gogle spawalnicze i kaski spawalnicze z ciemnymi płytami czołowymi – znacznie ciemniejszymi niż te w okularach przeciwsłonecznych lub goglach tlenowo-paliwowych – są noszone, aby zapobiec takiej ekspozycji. W ostatnich latach wyprodukowano nowe modele hełmów z płytą czołową, która automatycznie przyciemnia się automatycznie. Aby chronić osoby postronne, obszar spawania często otaczają przezroczyste kurtyny spawalnicze. Te zasłony, wykonane z folii z polichlorku winylu , chronią pobliskich pracowników przed promieniowaniem UV z łuku elektrycznego.

Wdychana materia

Spawacze są również często narażeni na niebezpieczne gazy i cząstki stałe. Procesy takie jak spawanie łukowe z rdzeniem topnikowym i spawanie łukowe elektrodą otuloną wytwarzają dym zawierający cząsteczki różnych rodzajów tlenków . Wielkość omawianych cząstek ma tendencję do wpływania na toksyczność oparów, przy czym mniejsze cząstki stanowią większe zagrożenie. Dodatkowo w wielu procesach powstają różne gazy (najczęściej dwutlenek węgla i ozon , ale także inne), które mogą okazać się niebezpieczne, jeśli wentylacja jest niewystarczająca.

Bezpieczeństwo elektryczne

Podczas gdy napięcie obwodu otwartego spawarki łukowej może wynosić tylko kilkadziesiąt woltów do około 120 woltów, nawet te niskie napięcia mogą stanowić zagrożenie porażenia prądem dla operatorów. Miejsca takie jak kadłuby statków, zbiorniki magazynowe, metalowa stal konstrukcyjna lub obszary wilgotne są zwykle na potencjale ziemi i operatorzy mogą stać lub odpoczywać na tych powierzchniach podczas pracy łuku elektrycznego. Spawarki pracujące poza systemami dystrybucji prądu przemiennego muszą odizolować obwód łuku od uziemienia, aby awarie izolacji w maszynie nie narażały operatorów na działanie wysokiego napięcia. Zacisk powrotny spawarki znajduje się w pobliżu obszaru roboczego, aby zmniejszyć ryzyko przepływu prądu błądzącego na dużą odległość, powodującego nagrzewanie lub narażenie na porażenie prądem elektrycznym lub uszkodzenie wrażliwych urządzeń elektronicznych. Spawacze są ostrożni, aby zainstalować zaciski powrotne, aby prąd spawania nie mógł przechodzić przez łożyska silników elektrycznych, rolki przenośnika lub inne obracające się elementy, co mogłoby spowodować uszkodzenie łożysk. Spawanie na szynach elektrycznych podłączonych do transformatorów stwarza niebezpieczeństwo „podwyższenia” niskiego napięcia spawania do znacznie wyższych napięć, dlatego mogą być wymagane dodatkowe kable uziemiające.

Zakłócenia z rozrusznikami serca

Stwierdzono, że niektóre spawarki wykorzystujące składową prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości mają wpływ na działanie stymulatora, gdy znajdują się w odległości 2 metrów od jednostki zasilającej i 1 metra od miejsca spawania.

Historia

Podczas gdy przykłady spawania kuźniczego sięgają epoki brązu i żelaza , spawanie łukowe weszło w życie znacznie później.

W 1800 roku Humphry Davy odkrył łuki elektryczne o krótkich impulsach. Niezależnie rosyjski fizyk Wasilij Pietrow odkrył ciągły łuk elektryczny w 1802 r., a następnie zaproponował jego możliwe praktyczne zastosowania, w tym spawanie. Spawanie łukowe zostało po raz pierwszy opracowane, gdy Nikolai Benardos zaprezentował spawanie łukowe metali przy użyciu elektrody węglowej na Międzynarodowej Wystawie Energii Elektrycznej w Paryżu w 1881 roku, które zostało opatentowane wspólnie ze Stanisławem Olszewskim w 1887 roku. W tym samym roku francuski wynalazca elektryki Auguste de Méritens również wynalazł metodę spawania łukiem węglowym, opatentowaną w 1881 roku, którą z powodzeniem stosowano do spawania ołowiu w produkcji akumulatorów kwasowo-ołowiowych . Postęp w spawaniu łukowym był kontynuowany wraz z wynalezieniem elektrod metalowych pod koniec XIX wieku przez Rosjanina Nikołaja Slawjanowa (1888) i Amerykanina CL Coffina . Około 1900 roku AP Strohmenger wypuścił w Wielkiej Brytanii powlekaną elektrodę metalową, która dawała bardziej stabilny łuk. W 1905 roku rosyjski naukowiec Władimir Mitkiewicz zaproponował zastosowanie trójfazowego łuku elektrycznego do spawania. W 1919 roku spawanie prądem przemiennym zostało wynalezione przez CJ Holslaga, ale nie stało się popularne przez kolejną dekadę.

W tym czasie opracowano również konkurencyjne procesy spawania, takie jak zgrzewanie oporowe i zgrzewanie tlenowo - paliwowe ; ale oba, zwłaszcza te ostatnie, stanęły w obliczu silnej konkurencji ze strony spawania łukowego, zwłaszcza po tym, jak powłoki metalowe (znane jako topnik ) dla elektrody, aby stabilizować łuk i chronić materiał podstawowy przed zanieczyszczeniami, nadal były rozwijane.

Młoda kobieta spawająca łuk w fabryce amunicji w Australii w 1943 r.

Podczas I wojny światowej spawanie zaczęto stosować w przemyśle stoczniowym w Wielkiej Brytanii zamiast nitowanych blach stalowych. Amerykanie również bardziej akceptowali nową technologię, gdy proces ten pozwolił im szybko naprawić swoje statki po niemieckim ataku w porcie w Nowym Jorku na początku wojny. Spawanie łukowe zostało po raz pierwszy zastosowane do samolotów podczas wojny, a niektóre niemieckie kadłuby samolotów zostały zbudowane przy użyciu tego procesu. W 1919 roku brytyjski stoczniowiec Cammell Laird rozpoczął budowę statku handlowego Fullagar z całkowicie spawanym kadłubem; została zwodowana w 1921 roku.

W latach dwudziestych dokonano znacznych postępów w technologii spawania, w tym wprowadzono w 1920 roku spawanie automatyczne, w którym drut elektrodowy był podawany w sposób ciągły. Gaz osłonowy stał się tematem, któremu poświęcono wiele uwagi, ponieważ naukowcy próbowali chronić spoiny przed działaniem tlenu i azotu w atmosferze. Porowatość i kruchość były głównymi problemami, a opracowane rozwiązania obejmowały wykorzystanie wodoru , argonu i helu jako atmosfer spawalniczych. W ciągu następnej dekady dalsze postępy umożliwiły spawanie metali reaktywnych, takich jak aluminium i magnez . To, w połączeniu z rozwojem automatycznego spawania, prądem przemiennym i topnikami, przyczyniło się do znacznej ekspansji spawania łukowego w latach 30., a następnie podczas II wojny światowej .

W połowie stulecia wynaleziono wiele nowych metod spawania. Spawanie łukiem krytym zostało wynalezione w 1930 roku i nadal jest popularne. W 1932 roku Rosjanin Konstantin Chrenow z powodzeniem wdrożył pierwsze podwodne spawanie łukiem elektrycznym . Spawanie łukiem gazowym wolframowym , po dziesięcioleciach rozwoju, zostało ostatecznie udoskonalone w 1941 r., a spawanie łukowe w osłonie gazowej metalu nastąpiło w 1948 r., co pozwala na szybkie spawanie materiałów nieżelaznych , ale wymaga drogich gazów osłonowych. Używając elektrody topliwej i atmosfery dwutlenku węgla jako gazu osłonowego, szybko stał się najpopularniejszym procesem spawania łukiem metalowym. W 1957 r. zadebiutował proces spawania łukowego z rdzeniem topnikowym, w którym samoosłonowy drut elektrodowy mógł być używany z urządzeniami automatycznymi, co skutkowało znacznym wzrostem prędkości spawania. W tym samym roku wynaleziono spawanie łukiem plazmowym . Spawanie elektrożużlowe zostało wprowadzone na rynek w 1958 roku, a jego kuzyn, spawanie elektrogazowe , w 1961 roku.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Źródła

  • Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005), Nowoczesna technologia spawania , Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, ISBN 978-0-13-113029-6
  • Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven R. (2001), Inżynieria i technologia produkcji , Prentice-Hall, ISBN 978-0-201-36131-5
  • Lincoln Electric (1994), Podręcznik procedur spawania łukowego , Cleveland, Ohio: Lincoln Electric, ISBN 978-99949-25-82-7
  • Weman, Klas (2003), Podręcznik procesów spawalniczych , Nowy Jork: CRC Press, ISBN 978-0-8493-1773-6

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki