Spawanie kowalskie - Forge welding
Spawanie kuźnicze (FOW) to proces spawania w stanie stałym , w którym dwa kawałki metalu są łączone przez podgrzanie ich do wysokiej temperatury, a następnie młotkowanie . Może również polegać na nagrzewaniu i wtłaczaniu metali razem z prasami lub innymi środkami, wytwarzając wystarczający nacisk, aby spowodować odkształcenie plastyczne na powierzchniach spoiny. Proces ten jest jedną z najprostszych metod łączenia metali i był stosowany od czasów starożytnych. Spawanie kuźnicze jest wszechstronne, ponieważ umożliwia łączenie wielu podobnych i odmiennych metali. Wraz z wynalezieniem metod spawania elektrycznego i gazowego podczas rewolucji przemysłowej , ręczne spawanie odkuwkowe zostało w dużej mierze zastąpione, chociaż zautomatyzowane spawanie jest powszechnym procesem produkcyjnym.
Wprowadzenie
Spawanie kowalskie to proces łączenia metali poprzez nagrzewanie ich powyżej określonego progu i zbijanie ich razem z wystarczającym ciśnieniem, aby spowodować deformację powierzchni spoiny, tworząc metaliczne wiązanie między atomami metali. Wymagana jest zmiana ciśnienia, w zależności od temperatury, wytrzymałości i twardości w stopie . Spawanie kowalskie jest najstarszą techniką spawania, stosowaną od czasów starożytnych.
Procesy spawania można ogólnie podzielić na dwie kategorie: zgrzewanie i spawanie dyfuzyjne . Spawanie polega na miejscowym topieniu metali na powierzchni spoiny i jest powszechne w technikach spawania elektrycznego lub gazowego. Wymaga to temperatur znacznie wyższych niż temperatura topnienia metalu, aby spowodować miejscowe topnienie, zanim ciepło będzie mogło termicznie odprowadzić ze spoiny, a często stosuje się spoiwo, aby zapobiec segregacji spoiny z powodu wysokiego napięcia powierzchniowego . Zgrzewanie dyfuzyjne polega na łączeniu metali bez ich topienia, zespawaniu powierzchni w stanie stałym.
Podczas spawania dyfuzyjnego źródło ciepła jest często niższe niż temperatura topnienia metalu, co pozwala na bardziej równomierne rozprowadzanie ciepła, a tym samym zmniejsza naprężenia termiczne na spoinie. W tej metodzie zwykle nie stosuje się spoiwa, ale spoina występuje bezpośrednio między metalami na granicy spoiny. Obejmuje to takie metody, jak spawanie na zimno, spawanie wybuchowe i spawanie kowalskie. W przeciwieństwie do innych metod dyfuzyjnych, podczas spawania odkuwkowego metale są podgrzewane do wysokiej temperatury przed ich złączeniem, co zwykle skutkuje większą plastycznością powierzchni spoiny. To sprawia, że spawanie kuźnicze jest bardziej uniwersalne niż techniki dyfuzji na zimno, które są zwykle wykonywane na miękkich metalach, takich jak miedź lub aluminium.
Podczas spawania odkuwkowego całe obszary spawania są równomiernie ogrzewane. Spawanie kuźnicze może być stosowane do znacznie szerszego zakresu twardszych metali i stopów, takich jak stal i tytan.
Historia
Historia łączenia metali sięga epoki brązu , w której często łączono brązy o różnej twardości poprzez wlewanie. Metoda ta polegała na umieszczeniu stałej części w stopionym metalu zawartym w formie i umożliwieniu jej zestalenia bez faktycznego topienia obu metali, takich jak ostrze miecza w rękojeści lub trzpień grotu strzały w grot. Lutowanie twarde i lutowanie było również powszechne w epoce brązu.
Akt spawania (łączenia dwóch stałych części poprzez dyfuzję) rozpoczął się od żelaza. Pierwszym procesem spawalniczym było spawanie kowalskie, które rozpoczęło się, gdy ludzie nauczyli się wytapiać żelazo z rudy żelaza ; najprawdopodobniej w Anatolii (Turcja) około 1800 roku pne. Starożytni ludzie nie mogli wytworzyć wystarczająco wysokich temperatur, aby całkowicie stopić żelazo, więc proces dymienia , który był używany do wytapiania żelaza, wytwarzał grudkę (rozkwit) ziaren żelaza spiekanych razem z niewielkimi ilościami żużla i innych zanieczyszczeń, określanych jako żelazo gąbczaste z powodu jego porowatość .
Po przetopieniu żelazo gąbczaste wymagało podgrzania powyżej temperatury zgrzewania i wbijania, czyli „kute”. To wycisnęło kieszenie powietrzne i stopiony żużel, powodując ścisły kontakt ziaren żelaza, tworząc solidny blok (kęs).
Archeolodzy znaleźli wiele przedmiotów wykonanych z kutego żelaza , które wykazują ślady spawania kuźni sprzed 1000 lat pne. Ponieważ żelazo było zwykle wytwarzane w małych ilościach, każdy duży obiekt, taki jak filar Delhi , musiał być wykuwany z mniejszych kęsów.
Spawanie kuźnicze wyrosło z metody prób i błędów, stając się coraz bardziej wyrafinowane na przestrzeni wieków. Ze względu na słabą jakość starożytnych metali, był powszechnie stosowany do wytwarzania stali kompozytowych, łącząc stale wysokowęglowe, które byłyby odporne na odkształcenia, ale łatwo pękały, ze stalami niskowęglowymi, które są odporne na pękanie, ale zbyt łatwo zginają się, tworząc obiekt z większą ciągliwością i wytrzymałością niż można by uzyskać z pojedynczego stopu. Ta metoda zgrzewania wzoru pojawiła się po raz pierwszy około 700 rpne i była używana głównie do wytwarzania broni, takiej jak miecze; najbardziej znane przykłady to damasceński , japoński i merowingowski . Proces ten był również powszechny w produkcji narzędzi, od pługów z kutego żelaza ze stalowymi krawędziami po żelazne dłuta ze stalowymi powierzchniami tnącymi.
Materiały
Wiele metali można spawać metodą kucia, przy czym najczęściej są to stale wysokowęglowe i niskowęglowe . Żelazo, a nawet niektóre żeliwa podeutektyczne mogą być spawane. Niektóre stopy aluminium mogą być również spawane. Metale takie jak miedź , brąz i mosiądz nie tworzą łatwo spoiny. Chociaż możliwe jest kucie stopów na bazie miedzi , jest to często trudne ze względu na tendencję miedzi do pochłaniania tlenu podczas ogrzewania. Miedź i jej stopy są zwykle lepiej łączy się z zimnym zgrzewanie , spawanie przeciwwybuchowej lub innych technik ciśnienia zgrzewania. W przypadku żelaza lub stali obecność nawet niewielkich ilości miedzi poważnie ogranicza zdolność stopu do kucia spoiny.
Stopy tytanu są powszechnie spawane. Ze względu na tendencję tytanu do pochłaniania tlenu w stanie stopionym, wiązanie dyfuzyjne w stanie stałym spoiny kutej jest często silniejsze niż spoina, w której metal jest upłynniony.
Spawanie kowalskie pomiędzy podobnymi materiałami jest spowodowane dyfuzją ciała stałego. Skutkuje to spoiną, która składa się wyłącznie ze spawanych materiałów bez żadnych wypełniaczy lub materiałów mostkujących. Spawanie kowalskie pomiędzy odmiennymi materiałami jest spowodowane tworzeniem się eutektyki o niższej temperaturze topnienia między materiałami. Z tego powodu spoina jest często mocniejsza niż poszczególne metale.
Procesy
Najbardziej znanym i najstarszym sposobem spawania kuźniczego jest metoda ręcznego młotkowania. Ręczne wbijanie polega na podgrzaniu metalu do odpowiedniej temperatury, pokryciu topnikiem, nałożeniu na powierzchnie spoiny, a następnie kilkakrotnym uderzeniu w złącze ręcznym młotkiem . Złącze jest często formowane tak, aby umożliwić wypłynięcie strumienia przez ukosowanie lub nieznaczne zaokrąglenie powierzchni, a następnie wbija się je młotkiem w sposób sukcesywny na zewnątrz w celu wyciśnięcia topnika. Uderzenia młotkiem zazwyczaj nie są tak twarde, jak te używane do kształtowania, zapobiegając wyrzucaniu strumienia z połączenia przy pierwszym uderzeniu.
Kiedy opracowano młoty mechaniczne , spawanie kowalskie można było przeprowadzić przez podgrzanie metalu, a następnie umieszczenie go między młotkiem zmechanizowanym a kowadłem. Początkowo napędzane kołem wodnym , nowoczesne młoty mechaniczne mogą być również napędzane sprężonym powietrzem, elektrycznością, parą, silnikami gazowymi i wieloma innymi sposobami. Inną metodą jest spawanie kowalskie za pomocą matrycy , podczas gdy kawałki metalu są podgrzewane, a następnie wtłaczane w matrycę, która zapewnia ciśnienie spoiny i utrzymuje połączenie w gotowym kształcie. Spawanie rolkowe to kolejny proces spawania kuźniczego, w którym rozgrzane metale są nakładane i przepuszczane przez walce pod wysokim ciśnieniem, aby utworzyć spoinę.
Nowoczesne spawanie odkuwkowe jest często zautomatyzowane, przy użyciu komputerów, maszyn i skomplikowanych pras hydraulicznych do wytwarzania różnorodnych produktów z wielu różnych stopów. Na przykład rury stalowe są często spawane w procesie produkcji. Płaski surowiec jest podgrzewany i podawany przez specjalnie ukształtowane rolki, które zarówno formują stal w rurę, jak i jednocześnie zapewniają nacisk potrzebny do zgrzania krawędzi w ciągły szew.
Zgrzewanie dyfuzyjne jest powszechną metodą kucia spawania stopów tytanu w przemyśle lotniczym. W tym procesie metal jest podgrzewany w prasie lub matrycy. Po przekroczeniu określonej temperatury krytycznej, która zmienia się w zależności od stopu, zanieczyszczenia wypalają się, a powierzchnie są ściskane.
Inne metody obejmują spawanie łukowe i spawanie udarowe . Są to techniki spawania oporowego, w których prasa lub matryca są naelektryzowane, przepuszczając prąd o wysokim natężeniu przez stop, aby wytworzyć ciepło dla spoiny. Kucie w osłonie gazu aktywnego jest procesem spawania kuźniczego w środowisku reaktywnym z tlenem w celu wypalenia tlenków przy użyciu wodoru i nagrzewania indukcyjnego .
Temperatura
Temperatura wymagana do wykucia spoiny wynosi zwykle od 50 do 90 procent temperatury topnienia. Żelaza może być spawana, gdy przekracza się temperatury krytycznej (A 4 temperatury), w której produkt allotrope zmiany z gamma żelaza (centrowaną sześciennych) na trójkąt żelaza (korpus skoncentrowane sześciennych). Ponieważ na krytyczne temperatury wpływają czynniki stopowe, takie jak węgiel, stal spawa się w niższym zakresie temperatur niż żelazo. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali zakres temperatur zgrzewania zmniejsza się liniowo.
Żelazo, różne stale, a nawet żeliwo można spawać ze sobą, pod warunkiem, że zawartość węgla jest na tyle bliska, że zakresy spawania nakładają się. Czyste żelazo można spawać, gdy jest prawie białe; od 2500 ° F (1400 ° C) do 2700 ° F (1500 ° C). Stal o zawartości węgla 2,0% może być spawana w kolorze pomarańczowo-żółtym w temperaturach od 1700 ° F (900 ° C) do 2000 ° F (1100 ° C). Zwykła stal, zawierająca od 0,2 do 0,8% węgla, jest zwykle spawana z jasnożółtym ciepłem.
Podstawowym wymogiem dla spawania odkuwkowego jest to, że obie powierzchnie spoiny muszą być podgrzane do tej samej temperatury i spawane, zanim zbytnio ostygną. Gdy stal osiągnie odpowiednią temperaturę, bardzo łatwo zaczyna się spawać, więc cienki pręt lub gwóźdź podgrzany do tej samej temperatury będzie miał tendencję do przyklejania się przy pierwszym kontakcie, co wymaga zgięcia lub odkręcenia. Jednym z najprostszych sposobów sprawdzenia, czy żelazo czy stal są wystarczająco gorące, jest przyklejenie do nich magnesu. Żelazka przekracza 2 temperatury krytycznej, to zacznie się zmieniać w allotrope zwane gamma żelaza. Kiedy tak się dzieje, stal lub żelazo stają się niemagnetyczne.
W stali, węgiel zaczyna mieszać się z żelaza gamma w 3 temperatury, tworząc stały roztwór o nazwie austenitu . Kiedy przekracza 4 temperatury krytycznej zmienia się delta żelaza, która jest magnetyczna. Dlatego kowal może stwierdzić, kiedy temperatura zgrzewania została osiągnięta, umieszczając magnes w kontakcie z metalem. Gdy jest czerwony lub pomarańczowy, magnes nie przykleja się do metalu, ale po przekroczeniu temperatury spawania magnes ponownie się do niego przyklei. W temperaturze zgrzewania stal może nabrać błyszczącego lub mokrego wyglądu. Należy uważać, aby nie przegrzać metalu do tego stopnia, że wydziela on iskry w wyniku szybkiego utleniania (spalania), w przeciwnym razie spoina będzie słaba i krucha.
Odwęglanie
Gdy stal jest podgrzewana do temperatury austenizacji , węgiel zaczyna dyfundować przez żelazo. Im wyższa temperatura; tym większa szybkość dyfuzji. W tak wysokich temperaturach węgiel łatwo łączy się z tlenem, tworząc dwutlenek węgla , dzięki czemu węgiel może łatwo dyfundować ze stali do otaczającego powietrza. Pod koniec pracy kowalskiej stal będzie miała niższą zawartość węgla niż przed ogrzewaniem. Dlatego większość operacji kowalskich jest wykonywana tak szybko, jak to możliwe, aby zmniejszyć odwęglenie, zapobiegając zbytniemu zmiękczeniu stali.
Aby uzyskać odpowiednią twardość w gotowym produkcie, kowal zwykle zaczyna od stali o wyższej niż pożądana zawartości węgla. W starożytności kucie często zaczynało się od stali, której zawartość węgla była o wiele za wysoka do normalnego użytkowania. Większość starożytnych prac spawalniczych rozpoczęła się od stali hipereutektoidalnej , zawierającej czasami znacznie powyżej 1,0% węgla. Stale hipereutektoidalne są zwykle zbyt kruche, aby były użyteczne w gotowym produkcie, ale pod koniec kucia stal zwykle miała wysoką zawartość węgla w zakresie od 0,8% (eutektoidalna stal narzędziowa) do 0,5% (podeutektoidalna stal sprężynowa).
Aplikacje
Spawanie kowalskie było stosowane w całej swojej historii do wytwarzania większości przedmiotów ze stali i żelaza. Był używany we wszystkim, od produkcji narzędzi, narzędzi rolniczych i naczyń kuchennych po produkcję ogrodzeń, bram i cel więziennych. We wczesnej rewolucji przemysłowej był powszechnie używany do produkcji kotłów i zbiorników ciśnieniowych, aż do wprowadzenia zgrzewania . Był powszechnie używany w średniowieczu do produkcji zbroi i broni.
Jednym z najbardziej znanych zastosowań spawania kuźniczego jest produkcja ostrzy spawanych według wzoru . Podczas tego procesu kowal wielokrotnie wyciąga kawałek stali, zagina go z powrotem i przyspaje do siebie. Innym zastosowaniem była produkcja luf do strzelb. Metalowy drut nawinięto na trzpień , a następnie wykuto w beczkę, która była cienka, jednolita i mocna. W niektórych przypadkach spawane kute przedmioty są trawione kwasem, aby odsłonić podstawowy wzór metalu, który jest unikalny dla każdego przedmiotu i zapewnia estetyczny wygląd.
Pomimo swojej różnorodności spawanie kowalskie miało wiele ograniczeń. Podstawowym ograniczeniem był rozmiar przedmiotów, które można było spawać. Większe przedmioty wymagały większego źródła ciepła, a rozmiar zmniejszał możliwość ich ręcznego zespawania, zanim zbytnio ostygnie. Spawanie dużych elementów, takich jak blacha stalowa lub dźwigary, było zazwyczaj niemożliwe lub przynajmniej wysoce niepraktyczne, aż do wynalezienia spawania metodą fuzji, wymagając zamiast tego nitowania. W niektórych przypadkach spawanie dało znacznie mocniejszą spoinę, na przykład przy konstrukcji kotłów.
Strumień
Spawanie kowalskie wymaga, aby powierzchnie spoiny były wyjątkowo czyste, w przeciwnym razie metal nie połączy się prawidłowo, jeśli w ogóle. Tlenki mają tendencję do tworzenia się na powierzchni, podczas gdy zanieczyszczenia, takie jak fosfor i siarka, mają tendencję do migracji na powierzchnię. Często stosuje się topnik, aby zapobiec utlenianiu powierzchni spawania , co spowodowałoby złą jakość spoiny, oraz aby usunąć inne zanieczyszczenia z metalu. Topnik miesza się z tworzącymi się tlenkami i obniża temperaturę topnienia oraz lepkość tlenków. Umożliwia to wypływanie tlenków ze złącza, gdy te dwa elementy są ze sobą uderzane. Z boraksu można wytworzyć prosty topnik , czasem z dodatkiem sproszkowanych opiłków żelaza.
Najstarszym topnikiem używanym do spawania kuźniczego był drobny piasek kwarcowy . Żelazo lub stal byłyby podgrzewane w środowisku redukującym w węglach kuźni. Pozbawiony tlenu metal tworzy na swojej powierzchni warstwę tlenku żelaza zwaną wustytem . Kiedy metal jest wystarczająco gorący, ale poniżej temperatury spawania, kowal posypuje go piaskiem. Krzemu w reaguje z piaskiem w celu wytworzenia wustite fajalit , który topi się poniżej temperatury zgrzewania. Dało to bardzo skuteczny topnik, który pomógł w wykonaniu mocnej spoiny.
Wczesne przykłady strumienia stosować różne kombinacje i różne ilości żelaza, nadzienia, boraks , sal amoniaku , balsam z copaiba , cyjanku z potasu i fosforan sodowy . 1920 wydanie Scientific American książce faktów i wzorów wskazuje często oferowane jako tajemnicę handlową z wykorzystaniem koperas , saletry , wspólny sól , czarny tlenek z manganu , prusydek i „miłe spawania piasku” (krzemian).