Spawalniczy - Welding

Spawanie nad głową.

Spawanie to proces produkcyjny , który łączy materiały, zwykle metale lub tworzywa termoplastyczne , przy użyciu wysokiej temperatury do stopienia części i umożliwienia ich ostygnięcia, powodując stopienie . Spawanie różni się od technik łączenia metali w niższych temperaturach, takich jak lutowanie i lutowanie , które nie topią metalu podstawowego.

Oprócz topienia metalu podstawowego, do złącza dodaje się zwykle materiał wypełniający, aby utworzyć jeziorko stopionego materiału ( jeziorko spawalnicze ), które schładza się, tworząc złącze, które w zależności od konfiguracji spoiny (doczołowe, pełne przetopienie, pachwinowe itp. .), może być mocniejszy niż materiał bazowy (metal macierzysty). Ciśnienie może być również stosowane w połączeniu z ciepłem lub samo w celu wytworzenia spoiny. Spawanie wymaga również formy osłony chroniącej spoiwa lub stopione metale przed zanieczyszczeniem lub utlenianiem .

Do spawania można używać wielu różnych źródeł energii, w tym płomienia gazowego (chemicznego), łuku elektrycznego (elektrycznego), lasera , wiązki elektronów , tarcia i ultradźwięków . Chociaż często jest to proces przemysłowy, spawanie może być wykonywane w wielu różnych środowiskach, w tym na wolnym powietrzu, pod wodą i w przestrzeni kosmicznej . Spawanie jest przedsięwzięciem niebezpiecznym i wymagane są środki ostrożności, aby uniknąć oparzeń , porażenia prądem , uszkodzenia wzroku, wdychania trujących gazów i oparów oraz narażenia na intensywne promieniowanie ultrafioletowe .

Do końca XIX wieku jedynym procesem spawalniczym było spawanie kuźnicze , które kowale przez tysiąclecia wykorzystywali do łączenia żelaza i stali metodą nagrzewania i kucia. Spawanie łukowe i spawanie tlenowo-paliwowe były jednymi z pierwszych procesów opracowanych pod koniec stulecia, a zgrzewanie elektrooporowe pojawiło się wkrótce potem. Technologia spawania rozwinęła się szybko na początku XX wieku, gdy wojny światowe spowodowały zapotrzebowanie na niezawodne i niedrogie metody łączenia. Następujące wojen opracowano szereg nowoczesnych technik spawania, w tym metody ręcznego jak ekranowane spawania łukowego , obecnie jedną z najbardziej popularnych sposobów spawania, jak również procesów półautomatycznych i automatycznych, takich jak metalowe gazu łukowego spawania , dla spawania łukiem krytym , strumień spawanie łukiem rdzeniowym i spawanie elektrożużlowe . Rozwój kontynuowano wynalazku spawania wiązką lasera , spawania wiązką elektronów , spawania impulsowego magnetycznego i FSW spawania w drugiej połowie XX wieku. Obecnie, wraz z postępem nauki, spawanie zrobotyzowane jest powszechne w warunkach przemysłowych, a naukowcy wciąż opracowują nowe metody spawania i coraz lepiej rozumieją jakość spoin.

Etymologia

Termin „spoina” ma pochodzenie angielskie, wywodzi się ze Skandynawii . Często jest mylone ze staroangielskim słowem weald , oznaczającym „obszar zalesiony”, ale ostatecznie słowo to przekształciło się w współczesną wersję „dziki”. Staroangielskie słowo oznaczające spawanie żelaza brzmiało samod (zbierać) lub samodwellung (zbierać gorące, przy czym „gorące” odnosiło się bardziej do rozżarzonego do czerwoności lub pęczniejącego wściekłości; w przeciwieństwie do samodfæst , „związać razem sznurem lub zapięciami "). Termin „spoina” pochodzi od średnioangielskiego czasownika „dobrze” ( wæll ; liczba mnoga / czas teraźniejszy: wælle ) lub „welling” ( wællen ), co oznacza: „ogrzewać” (do maksymalnej możliwej temperatury); „doprowadzić do wrzenia”. Nowoczesny słowo zostało prawdopodobnie pochodzi od imiesłowu czas przeszły „przejęty” ( wællende ), z dodatkiem „d” na ten cel jest wspólny w językach germańskich tych kątów i Sasów . Po raz pierwszy została nagrana w języku angielskim w 1590 roku, z wersji chrześcijańskiej Biblii, która została pierwotnie przetłumaczona na angielski przez Johna Wycliffe'a w XIV wieku. Oryginalna wersja, z Izajasza 2:4, brzmi: „ …powinni przełożyć swe miecze na lemiesze ” ( przekują swoje miecze na lemiesze), podczas gdy wersja z 1590 r. została zmieniona na „ .. .thei shullen welle togidere her swerdes in-to scharris... ” ( połączą razem swoje miecze w lemiesze), co sugeruje, że to szczególne użycie tego słowa prawdopodobnie stało się popularne w języku angielskim gdzieś pomiędzy tymi okresami.

Słowo to pochodzi od starego szwedzkiego słowa Valla , czyli „zagotować”. Szwecja była dużym eksporterem żelaza w średniowieczu , a wiele innych języków europejskich używało różnych słów, ale w tym samym znaczeniu w odniesieniu do spawania żelaza, takich jak iliryjskie (greckie) variti (gotować), turecki kaynamak (gotować) , Grison (szwajcarski) bulgir (gotować) lub łotewskie (łotewskie) sawdrit (spawać lub lutować, pochodzące od wdrit , gotować). Jednak w języku szwedzkim słowo to odnosiło się tylko do łączenia metali w połączeniu ze słowem oznaczającym żelazo ( järn ), jak w valla järn (dosłownie: gotować żelazo). Słowo to prawdopodobnie weszło do języka angielskiego ze szwedzkiego handlu żelazem, lub być może zostało przywiezione z tysiącami osad wikingów, które przybyły do ​​Anglii przed epoką wikingów i w jej trakcie , ponieważ ponad połowa najczęściej używanych angielskich słów ma pochodzenie skandynawskie.

Historia

Żelazny filar Delhi, Indie

Historia łączenia metali sięga kilku tysiącleci. Najwcześniejsze tego przykłady pochodzą z epoki brązu i żelaza w Europie i na Bliskim Wschodzie . Starożytny grecki historyk Herodot stwierdza w historiach o 5 wpne że Glaukus Chios „był człowiekiem, który w pojedynkę wynalazł żelazo spawania”. Spawanie zostało użyte do budowy żelaznego słupa w Delhi , wzniesionego w Delhi w Indiach około 310 rne i ważącego 5,4  tony metrycznej .

W średniowiecze przedstawia postęp w spawania kuźni , w których Kowali wbity wielokrotnie ogrzanego metalu aż do pojawienia się wiązania. W 1540 r. Vannoccio Biringuccio opublikował De la pirotechnia , który zawiera opisy operacji kucia. Renesansowi rzemieślnicy byli wykwalifikowani w tym procesie, a przemysł rozwijał się przez kolejne stulecia.

W 1800 r. Sir Humphry Davy odkrył łuk elektryczny o krótkich impulsach i przedstawił swoje wyniki w 1801 r. W 1802 r. rosyjski naukowiec Wasilij Pietrow stworzył ciągły łuk elektryczny, a następnie opublikował „News of Galvanic-Voltaic Experiments” w 1803 r., w którym opisane eksperymenty przeprowadzone w 1802 r. Duże znaczenie w tej pracy miał opis stabilnego wyładowania łukowego i wskazanie jego możliwości wykorzystania w wielu zastosowaniach, między innymi w topieniu metali. W 1808 roku Davy, który nie wiedział o pracy Pietrowa, na nowo odkrył ciągły łuk elektryczny. W latach 1881-82 wynalazcy Nikolai Benardos (Rosjanin) i Stanisław Olszewski (Polak) stworzyli pierwszą metodę spawania łukiem elektrycznym, znaną jako spawanie łukiem węglowym przy użyciu elektrod węglowych. Postęp w spawaniu łukowym był kontynuowany wraz z wynalezieniem elektrod metalowych pod koniec XIX wieku przez Rosjanina Nikołaja Slawjanowa (1888) i Amerykanina CL Coffina (1890). Około 1900 roku AP Strohmenger wypuścił w Wielkiej Brytanii powlekaną elektrodę metalową , która dała bardziej stabilny łuk. W 1905 roku rosyjski naukowiec Władimir Mitkiewicz zaproponował użycie trójfazowego łuku elektrycznego do spawania. Spawanie prądem przemiennym zostało wynalezione przez CJ Holslaga w 1919 roku, ale nie stało się popularne przez kolejną dekadę.

Zgrzewanie oporowe zostało również opracowane w ostatnich dziesięcioleciach XIX wieku, a pierwsze patenty otrzymał Elihu Thomson w 1885 roku, który dokonał dalszych postępów w ciągu następnych 15 lat. Spawanie termitowe zostało wynalezione w 1893 roku i mniej więcej w tym czasie inny proces, spawanie tlenowo-paliwowe , stał się dobrze ugruntowany. Acetylen został odkryty w 1836 r. przez Edmunda Davy'ego , ale jego zastosowanie w spawaniu nie było praktyczne aż do około 1900 r., kiedy opracowano odpowiedni palnik . Początkowo spawanie tlenowo-paliwowe było jedną z bardziej popularnych metod spawania ze względu na jego przenośność i stosunkowo niski koszt. Jednak wraz z postępem XX wieku popadł w niełaskę dla zastosowań przemysłowych. Zostało ono w dużej mierze zastąpione spawaniem łukowym, ponieważ poczyniono postępy w powłokach metalowych (znanych jako topniki ). Topnik pokrywający elektrodę przede wszystkim chroni materiał podstawowy przed zanieczyszczeniami, ale także stabilizuje łuk i może dodawać składniki stopowe do metalu spoiny.

Most Maurzycki

I wojna światowa spowodowała znaczny wzrost wykorzystania spawania, a różne potęgi wojskowe próbowały określić, który z kilku nowych procesów spawalniczych byłby najlepszy. Brytyjczycy stosowali przede wszystkim spawanie łukowe, nawet budując statek „Fullagar” z całkowicie spawanym kadłubem. Spawanie łukowe zostało po raz pierwszy zastosowane w samolotach podczas wojny, ponieważ niektóre niemieckie kadłuby samolotów zostały zbudowane przy użyciu tego procesu. Na uwagę zasługuje również pierwszy na świecie spawany most drogowy, Most Maurzycki w Polsce (1928).

Spawanie acetylenem na płaszczu wodnym butli, US Army 1918

W latach dwudziestych dokonano znacznych postępów w technologii spawania, w tym w 1920 r. wprowadzono 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. Głównymi problemami były porowatość i kruchość, 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 doprowadziło do znacznej ekspansji spawania łukowego w latach 30., a następnie podczas II wojny światowej. W 1930 roku zwodowano pierwszy całkowicie spawany statek handlowy M/S Carolinian .

Przenośna spawarka używana w infrastrukturze wód opadowych w Sydney

W połowie stulecia wynaleziono wiele nowych metod spawania. W 1930 roku Kyle Taylor był odpowiedzialny za wprowadzenie na rynek spawania kołków , które wkrótce stało się popularne w przemyśle stoczniowym i budownictwie. Spawanie łukiem krytym zostało wynalezione w tym samym roku i nadal jest popularne. W 1932 roku Rosjanin Konstantin Chrenow wdrożył ostatecznie 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 pozwoliło na szybkie spawanie materiałów nieżelaznych , ale wymagało drogich gazów osłonowych. Spawanie łukiem osłoniętym metalem zostało opracowane w latach 50. XX wieku przy użyciu elektrody topliwej pokrytej topnikiem i szybko stało 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 Robert Gage wynalazł spawanie łukiem plazmowym . Spawanie elektrożużlowe zostało wprowadzone w 1958 r., a jego kuzyn, spawanie elektrogazowe , w 1961 r. W 1953 r. radziecki naukowiec NF Kazakow zaproponował metodę spajania dyfuzyjnego .

Inne najnowsze osiągnięcia w spawaniu obejmują przełom w spawaniu wiązką elektronów z 1958 r., dzięki czemu możliwe jest głębokie i wąskie spawanie dzięki skoncentrowanemu źródłu ciepła. Po wynalezieniu lasera w 1960 r. spawanie wiązką laserową zadebiutowało kilkadziesiąt lat później i okazało się szczególnie przydatne w szybkim, zautomatyzowanym spawaniu. Zgrzewanie impulsowe (MPW) jest stosowane w przemyśle od 1967 roku. Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem zostało wynalezione w 1991 roku przez Wayne'a Thomasa w The Welding Institute (TWI, Wielka Brytania) i znalazło wysokiej jakości zastosowania na całym świecie. Wszystkie te cztery nowe procesy są nadal dość drogie ze względu na wysoki koszt niezbędnego sprzętu, co ograniczyło ich zastosowania.

Metody

Niektóre z najpopularniejszych obecnie stosowanych metod spawania to:

Procesy

Łuk

Procesy te wykorzystują zasilacz spawalniczy do tworzenia i utrzymywania łuku elektrycznego między elektrodą a materiałem podstawowym w celu topienia metali w punkcie spawania. Mogą używać prądu stałego (DC) lub prądu przemiennego (AC) oraz elektrod zużywających się lub nie zużywających się . Obszarze zgrzewania czasami chronione pewnego rodzaju obojętnego lub semi gazu obojętnego , znany jako gaz osłonowy i wypełniacz materiał czasami również stosowane.

Zasilacze

Aby dostarczyć energię elektryczną niezbędną do procesów spawania łukowego, można zastosować wiele różnych zasilaczy. Najpopularniejsze zasilacze spawalnicze to zasilacze stałoprądowe i zasilacze stałonapięciowe . W spawaniu łukowym długość łuku jest bezpośrednio związana z napięciem, a ilość wprowadzonego ciepła jest związana z prądem. 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, w wyniku czego 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.

Rodzaj stosowanego prądu odgrywa ważną rolę 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. W spawaniu dodatnio naładowana anoda będzie miała większą koncentrację ciepła, w wyniku czego zmiana polaryzacji elektrody wpływa na właściwości spawu. Jeśli elektroda jest naładowana dodatnio, metal podstawowy będzie gorętszy, zwiększając wtopienie spoiny i prędkość spawania. Alternatywnie ujemnie naładowana elektroda powoduje płytsze spoiny. Procesy wykorzystujące elektrody nietopliwe, takie jak spawanie łukiem gazowym wolframowym, mogą wykorzystywać zarówno prąd stały, jak i przemienny. Jednak przy prądzie stałym, ponieważ elektroda wytwarza tylko łuk, a nie dostarcza materiału wypełniającego, elektroda naładowana dodatnio powoduje płytkie spoiny, podczas gdy elektroda naładowana ujemnie wykonuje spoiny głębsze. Prąd przemienny szybko przepływa między tymi dwoma, co powoduje spoiny o średniej penetracji. Jedną wadą prądu przemiennego jest fakt, że łuk musi być ponownie zapalany po każdym przejściu przez zero, został rozwiązany poprzez wynalezienie specjalnych jednostek mocy, które wytwarzają wzór fali prostokątnej zamiast normalnej fali sinusoidalnej , umożliwiając szybkie przejście przez zero i minimalizując skutki problemu.

Procesy

Jednym z najczęstszych rodzajów spawania łukowego jest spawanie łukiem osłoniętym metalem (SMAW); znane jest również jako ręczne spawanie łukowe (MMAW) lub spawanie elektrodą otuloną. Prąd elektryczny jest używany do zajarzenia łuku między materiałem podstawowym a zużywalnym prętem elektrody, który jest wykonany z materiału wypełniającego (typowa stal) i jest pokryty topnikiem, który chroni obszar spoiny przed utlenianiem i zanieczyszczeniem poprzez wytwarzanie dwutlenku węgla (CO 2 ) gaz podczas procesu spawania. Sam rdzeń elektrody działa jako materiał wypełniający, dzięki czemu oddzielny wypełniacz nie jest konieczny.

Spawanie łukiem osłoniętym metalowym

Proces jest wszechstronny i można go przeprowadzić przy użyciu stosunkowo niedrogiego sprzętu, dzięki czemu doskonale nadaje się do prac sklepowych i prac terenowych. Operator może stać się rozsądnie biegły dzięki niewielkiej ilości szkolenia i może osiągnąć mistrzostwo dzięki doświadczeniu. 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 ogólnie ograniczony do spawania materiałów żelaznych, chociaż specjalne elektrody umożliwiły spawanie żeliwa , stali nierdzewnej, aluminium i innych metali.

Schemat łuku i obszaru spoiny przy spawaniu łukowym osłoniętym metalem.
  1. Przepływ powłoki
  2. Pręt
  3. Gaz osłonowy
  4. Połączenie
  5. Metal nieszlachetny
  6. Metal spoiny
  7. Zestalony żużel

Spawanie łukiem metalowym (GMAW), znane również jako spawanie metalem obojętnym lub spawanie metodą MIG, jest procesem półautomatycznym lub automatycznym, który wykorzystuje ciągły podawanie drutu jako elektrodę i mieszankę gazów obojętnych lub półobojętnych w celu ochrony spoiny przed zanieczyszczeniem . Ponieważ elektroda jest ciągła, prędkości spawania są większe dla GMAW niż dla SMAW.

Pokrewny proces, spawanie łukowe z rdzeniem topnikowym (FCAW), wykorzystuje podobny sprzęt, ale wykorzystuje drut składający się ze stalowej elektrody otaczającej proszkowy materiał wypełniający. Ten drut rdzeniowy jest droższy niż standardowy drut pełny i może generować opary i/lub żużel, ale umożliwia jeszcze większą prędkość spawania i większą penetrację metalu.

Spawanie łukiem wolframowym (GTAW) lub spawanie gazem obojętnym wolframem (TIG) to proces spawania ręcznego, w którym stosuje się nietopliwą elektrodę wolframową , mieszankę gazów obojętnych lub półobojętnych oraz oddzielny materiał wypełniający. Szczególnie przydatna do spawania cienkich materiałów, metoda ta charakteryzuje się stabilnym łukiem i wysokiej jakości spoinami, ale wymaga znacznych umiejętności operatora i może być wykonywana tylko przy stosunkowo niskich prędkościach.

GTAW można 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, a zautomatyzowane spawanie stali nierdzewnej jest jednym z ważnych zastosowań tego procesu. Odmianą tego procesu jest cięcie plazmowe , wydajny proces cięcia stali.

Spawanie łukiem krytym (SAW) to wysokowydajna metoda spawania, w której łuk jest zajarzany pod warstwą wierzchnią topnika. Zwiększa to jakość łuku, ponieważ zanieczyszczenia w atmosferze są blokowane przez topnik. Żużel tworzący się na spoinie zwykle spływa samoistnie, a 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 prawie nie wytwarza dymu. Proces ten jest powszechnie stosowany w przemyśle, zwłaszcza w przypadku dużych produktów oraz w produkcji spawanych zbiorników ciśnieniowych. Inne procesy spawania łukowego obejmują spawanie wodorem atomowym , spawanie elektrożużlowe (ESW), spawanie elektrogazowe i spawanie łukowe kołków . ESW to wysoce wydajny, jednoprzebiegowy proces spawania grubszych materiałów od 1 cala (25 mm) do 12 cali (300 mm) w pozycji pionowej lub blisko niej.

Spawanie gazowe

Najpopularniejszym procesem spawania gazowego jest spawanie tlenowo-paliwowe, znane również jako spawanie tlenowo-acetylenowe. Jest to jeden z najstarszych i najbardziej wszechstronnych procesów spawalniczych, jednak w ostatnich latach stał się mniej popularny w zastosowaniach przemysłowych. Nadal jest szeroko stosowany do spawania rur i przewodów, a także do prac naprawczych.

Sprzęt jest stosunkowo niedrogi i prosty, zazwyczaj wykorzystuje spalanie acetylenu w tlenie do wytworzenia płomienia spawania o temperaturze około 3100°C (5600°F). Płomień, ponieważ jest mniej skoncentrowany niż łuk elektryczny, powoduje wolniejsze chłodzenie spoiny, co może prowadzić do większych naprężeń szczątkowych i odkształceń spoiny, chociaż ułatwia spawanie stali wysokostopowych. Podobny proces, ogólnie nazywany cięciem tlenowo-paliwowym, jest używany do cięcia metali.

Opór

Zgrzewanie oporowe polega na wytwarzaniu ciepła poprzez przepuszczanie prądu przez oporność spowodowaną stykiem dwóch lub więcej powierzchni metalowych. Małe jeziorka stopionego metalu tworzą się w obszarze spawania, gdy przez metal przepływa prąd o wysokim natężeniu (1000–100 000 A ). Ogólnie rzecz biorąc, metody zgrzewania oporowego są wydajne i powodują niewielkie zanieczyszczenie, ale ich zastosowania są nieco ograniczone, a koszt sprzętu może być wysoki.

Zgrzewarka punktowa

Zgrzewanie punktowe to popularna metoda zgrzewania oporowego stosowana do łączenia zachodzących na siebie blach o grubości do 3 mm. Dwie elektrody są jednocześnie używane do zaciskania arkuszy metalu i przepuszczania prądu przez arkusze. Zaletami tej metody są: wydajne zużycie energii , ograniczone odkształcenia przedmiotu obrabianego, wysokie tempo produkcji, łatwa automatyzacja i brak wymaganych materiałów wypełniających. Wytrzymałość spoiny jest znacznie niższa niż w przypadku innych metod spawania, dzięki czemu proces ten nadaje się tylko do niektórych zastosowań. Jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym – zwykłe samochody mogą mieć kilka tysięcy spoin punktowych wykonanych przez roboty przemysłowe . Specjalistyczny proces zwany spawaniem strumieniowym może być stosowany do spawania punktowego stali nierdzewnej.

Podobnie jak zgrzewanie punktowe, zgrzewanie liniowe opiera się na dwóch elektrodach do przyłożenia ciśnienia i prądu do łączenia blach. Jednak zamiast zaostrzonych elektrod, elektrody w kształcie koła toczą się wzdłuż i często podają obrabiany przedmiot, umożliwiając wykonywanie długich ciągłych spoin. W przeszłości proces ten był stosowany w produkcji puszek do napojów, ale obecnie jego zastosowania są bardziej ograniczone. Inne sposoby obejmują zgrzewanie oporowe zgrzewanie doczołowe , wypływki spawanie , zgrzewanie garbowe i zakłócić spawania .

Wiązka energii

Metody spawania wiązką energii, a mianowicie spawanie wiązką laserową i spawanie wiązką elektronów , są stosunkowo nowymi procesami, które stały się dość popularne w zastosowaniach wysokoprodukcyjnych. Te dwa procesy są dość podobne, różniąc się przede wszystkim źródłem mocy. Spawanie wiązką laserową wykorzystuje silnie skupioną wiązkę lasera, podczas gdy spawanie wiązką elektronów odbywa się w próżni i wykorzystuje wiązkę elektronów. Oba mają bardzo wysoką gęstość energii, umożliwiając głębokie wtopienie spoiny i minimalizując wielkość obszaru spoiny. Oba procesy są niezwykle szybkie i łatwe do zautomatyzowania, dzięki czemu są bardzo wydajne. Podstawowymi wadami są bardzo wysokie koszty wyposażenia (choć maleją) oraz podatność na kraking termiczny. Do osiągnięć w tej dziedzinie należy spawanie hybrydowe laserowe , które wykorzystuje zasady zarówno spawania wiązką laserową, jak i spawania łukowego w celu uzyskania jeszcze lepszych właściwości spawania, napawania laserowego i spawania promieniami rentgenowskimi .

Stan stały

Tabela klasyfikacji procesów spawania w fazie stałej

Podobnie jak pierwszy proces spawania, spawanie kuźnicze, niektóre nowoczesne metody spawania nie wymagają topienia łączonych materiałów. Jedno z najpopularniejszych, zgrzewanie ultradźwiękowe , służy do łączenia cienkich blach lub drutów wykonanych z metalu lub tworzywa termoplastycznego poprzez wibrowanie ich z dużą częstotliwością i pod wysokim ciśnieniem. Stosowany sprzęt i metody są podobne do zgrzewania oporowego, ale zamiast prądu elektrycznego wibracje dostarczają energię. Spawanie metali tym procesem nie obejmuje topienia materiałów; zamiast tego spoina jest formowana przez wprowadzenie poziomych wibracji mechanicznych pod ciśnieniem. Podczas zgrzewania tworzyw sztucznych materiały powinny mieć zbliżoną temperaturę topnienia, a drgania wprowadzane są pionowo. Spawanie ultradźwiękowe jest powszechnie stosowane do wykonywania połączeń elektrycznych z aluminium lub miedzi, a także jest to bardzo powszechny proces spawania polimerów.

Inny powszechny proces, zgrzewanie wybuchowe , polega na łączeniu materiałów poprzez ich dociskanie pod bardzo wysokim ciśnieniem. Energia uderzenia uplastycznia materiały, tworząc spoinę, mimo że wytwarzana jest tylko niewielka ilość ciepła. Proces ten jest powszechnie stosowany do spawania różnych materiałów, w tym łączenia aluminium ze stalą węglową w kadłubach statków oraz stali nierdzewnej lub tytanu ze stalą węglową w petrochemicznych zbiornikach ciśnieniowych.

Inne procesy spawania w stanie stałym obejmują zgrzewania tarciowego (włączając FSW spawania i zgrzewania punktowego FSW ), spawania magnetycznego impulsowego , zgrzewanie współwytłaczania, zgrzewanie na zimno , zgrzewania dyfuzyjnego , spawania egzotermicznej , zgrzewania wysokiej częstotliwości , spawania gorącym ciśnienia, zgrzewanie indukcyjne , i klejenie rolkowe .

Geometria

Popularne typy złączy spawanych – (1) Łączenie doczołowe kwadratowe, (2) Łączenie doczołowe V, (3) Łączenie zakładkowe, (4) Łączenie T

Spoiny mogą być przygotowywane geometrycznie na wiele różnych sposobów. Pięć podstawowych typów połączeń spawanych to połączenie doczołowe, połączenie zakładkowe, połączenie narożne, połączenie krawędziowe i połączenie typu T (wariantem tego ostatniego jest połączenie krzyżowe ). Istnieją również inne odmiany — na przykład złącza preparacyjne z podwójnym V charakteryzują się dwoma kawałkami materiału, z których każdy zwęża się do jednego punktu środkowego w połowie ich wysokości. Połączenia przygotowawcze jedno- i dwu-U są również dość powszechne — zamiast prostych krawędzi, takich jak jedno- i dwu-V, są one zakrzywione, tworząc kształt litery U. Złącza zakładkowe są również zwykle więcej niż dwa grubość elementów — w zależności od zastosowanego procesu i grubości materiału, wiele elementów można zespawać ze sobą w geometrii połączenia zakładkowego.

Wiele procesów spawalniczych wymaga zastosowania określonej konstrukcji złącza; na przykład zgrzewanie oporowe punktowe, zgrzewanie wiązką laserową i zgrzewanie wiązką elektronów są najczęściej wykonywane na złączach zakładkowych. Inne metody spawania, takie jak spawanie łukiem metalowym w osłonie, są niezwykle wszechstronne i mogą spawać praktycznie każdy rodzaj złącza. Niektóre procesy mogą być również wykorzystywane do wykonywania spoin wielościegowych, w których jedna spoina jest chłodzona, a następnie wykonywana jest na niej kolejna spoina. Pozwala to na spawanie np. grubych przekrojów ułożonych w jedno-V preparacji.

Przekrój spawanego złącza doczołowego, przy czym najciemniejszy szary reprezentuje strefę spoiny lub wtopienia, średnio szary strefę wpływu ciepła, a najjaśniejszy szary materiał bazowy.

Po spawaniu w obszarze spawania można zidentyfikować wiele odrębnych obszarów. Sama spoina nazywana jest strefą wtopienia, a dokładniej jest to miejsce, w którym podczas procesu spawania układano spoiwo. Właściwości strefy wtapiania zależą przede wszystkim od zastosowanego spoiwa i jego kompatybilności z materiałami podstawowymi. Otacza ją strefa wpływu ciepła , obszar, którego mikrostruktura i właściwości zostały zmienione przez spoinę. Właściwości te zależą od zachowania materiału bazowego pod wpływem ciepła. Metal w tym obszarze jest często słabszy niż zarówno materiał podstawowy, jak i strefa wtapiania, a także tam znajdują się naprężenia szczątkowe.

Jakość

Niebieski obszar wynika z utleniania w odpowiedniej temperaturze 600 ° F (316 ° C). Jest to dokładny sposób identyfikacji temperatury, ale nie odzwierciedla szerokości strefy HAZ. HAZ to wąski obszar, który bezpośrednio otacza spawany metal podstawowy.

Na wytrzymałość spoin i materiału wokół nich wpływa wiele różnych czynników, w tym metoda spawania, wielkość i koncentracja wkładu energii, spawalność materiału podstawowego, materiału wypełniającego i topnika, konstrukcja złącza i interakcje między wszystkimi tymi czynnikami. Aby przetestować jakość spoiny, powszechnie stosuje się metody badań niszczących lub nieniszczących w celu sprawdzenia, czy spoiny są wolne od wad, mają akceptowalny poziom naprężeń szczątkowych i odkształceń oraz czy mają dopuszczalne właściwości strefy wpływu ciepła (HAZ). Rodzaje wad spawalniczych to pęknięcia, odkształcenia, wtrącenia gazowe (porowatość), wtrącenia niemetaliczne, brak przetopu, niepełna penetracja, rozerwanie lamelarne i podcięcie.

Branża obróbki metali ustanowiła specyfikacje i kodeksy, aby kierować spawaczami , inspektorami spawalniczymi , inżynierami , kierownikami i właścicielami nieruchomości we właściwej technice spawania, projektowaniu spoin, jak ocenić jakość specyfikacji procedur spawania , jak ocenić umiejętności osoby wykonującej spoiny i jak zapewnić jakość pracy spawalniczej. Metody takie jak oględziny , radiografii , badań ultradźwiękowych , z układem fazowanym ultradźwięki , kontrolę penetrantem barwiącym , kontroli cząstki magnetyczne lub przemysłowego tomografii komputerowej może pomóc w wykrywaniu i analizie pewnych wad.

Strefa wpływu ciepła

Strefa wpływu ciepła (SWC) to pierścień otaczający spoinę, w którym temperatura procesu spawania w połączeniu z naprężeniami nierównomiernego ogrzewania i chłodzenia zmienia właściwości obróbki cieplnej stopu. Wpływ spawania na materiał otaczający spoinę może być szkodliwy — w zależności od użytych materiałów i dopływu ciepła w procesie spawania, SWC może mieć różną wielkość i wytrzymałość. Dyfuzji cieplnej materiału podstawowego odgrywa dużą rolę, gdy współczynnik dyfuzji jest wysoki, tworzywo szybkość chłodzenia jest wysoka i HAZ jest stosunkowo mała. Odwrotnie, niska dyfuzyjność prowadzi do wolniejszego chłodzenia i większej HAZ. Istotną rolę odgrywa również ilość ciepła wprowadzonego w procesie spawania, ponieważ procesy takie jak spawanie tlenowo-acetylenowe charakteryzują się nieskoncentrowanym dopływem ciepła i zwiększają wielkość strefy HAZ. Procesy takie jak spawanie wiązką laserową wytwarzają bardzo skoncentrowaną, ograniczoną ilość ciepła, co skutkuje małą HAZ. Spawanie łukowe mieści się pomiędzy tymi dwoma skrajnościami, przy czym poszczególne procesy różnią się nieco pod względem wprowadzanego ciepła. Aby obliczyć ciepło doprowadzone dla procedur spawania łukowego, można użyć następującego wzoru:

gdzie Q = energia liniowa ( kJ /mm), V = napięcie ( V ), I = prąd (A) i S = prędkość spawania (mm/min). Wydajność zależy od zastosowanego procesu spawania, przy czym spawanie łukiem osłoniętym ma wartość 0,75, spawanie łukiem gazowym i łukiem krytym 0,9, a spawanie łukiem gazowym wolframem 0,8. Metody łagodzenia naprężeń i kruchości powstałych w SWC obejmują odprężanie i odpuszczanie .

Wydłużenie czasu życia metodami leczenia pozabiegowego

Przykład: Obróbka uderzeniowa o wysokiej częstotliwości w celu wydłużenia żywotności

Trwałość i żywotność dynamicznie obciążonych, spawanych konstrukcji stalowych jest w wielu przypadkach determinowana przez spoiny, w szczególności przejścia spoin. Poprzez selektywną obróbkę przejść poprzez szlifowanie (cięcie ścierne) , śrutowanie , obróbkę udarową o wysokiej częstotliwości itp. trwałość wielu konstrukcji znacznie wzrasta.

Metalurgia

Większość używanych ciał stałych to materiały inżynierskie składające się z krystalicznych ciał stałych, w których atomy lub jony są ułożone w powtarzalny geometryczny wzór, znany jako struktura sieciowa . Jedynym wyjątkiem jest materiał wykonany ze szkła będącego połączeniem przechłodzonej cieczy i polimerów będących skupiskami dużych cząsteczek organicznych.

Spójność krystalicznych ciał stałych jest uzyskiwana przez metaliczne lub chemiczne wiązanie, które tworzy się między atomami składowymi. Wiązania chemiczne można podzielić na dwa typy składające się z jonowych i kowalencyjnych . Aby utworzyć wiązanie jonowe, elektron walencyjny lub wiążący oddziela się od jednego atomu i przyłącza się do innego atomu, tworząc przeciwnie naładowane jony . Wiązanie w pozycji statycznej ma miejsce, gdy jony zajmują pozycję równowagi, w której siła wypadkowa między nimi wynosi zero. Gdy na jony wywierana jest siła rozciągająca , odstęp międzyjonowy wzrasta, tworząc elektrostatyczną siłę przyciągania, podczas gdy siła odpychająca pod wpływem siły ściskającej między jądrami atomowymi jest dominująca.

Wiązanie kowalencyjne ma miejsce, gdy jeden z atomów składowych traci jeden lub więcej elektronów, a drugi atom zdobywa elektrony, co powoduje powstanie chmury elektronowej, która jest wspólna dla całej cząsteczki. Zarówno w wiązaniu jonowym, jak i kowalencyjnym, położenie jonów i elektronów jest ograniczone względem siebie, co powoduje, że wiązanie jest charakterystycznie kruche .

Wiązanie metaliczne można sklasyfikować jako rodzaj wiązania kowalencyjnego, w którym atomy składowe są tego samego typu i nie łączą się ze sobą, tworząc wiązanie chemiczne. Atomy stracą elektron(y), tworząc szereg jonów dodatnich. Elektrony te są wspólne dla sieci, co sprawia, że ​​klaster elektronów jest mobilny, ponieważ elektrony mogą się swobodnie poruszać tak samo jak jony. W tym celu nadaje metalom stosunkowo wysoką przewodność cieplną i elektryczną, a także ich charakterystyczną ciągliwość .

Trzy z najbardziej powszechnie stosowanych struktury sieci krystalicznej metalami są sześcienny korpus skoncentrowane , płaskocentryczną sześcienny i gęstego upakowania sześciokątny . Stal ferrytyczna ma strukturę sześcienną centrowaną na korpusie, a stal austenityczną , metale nieżelazne, takie jak aluminium , miedź i nikiel, mają strukturę sześcienną centrowaną na powierzchni.

Ciągliwość jest ważnym czynnikiem zapewniającym integralność konstrukcji, umożliwiając im wytrzymywanie lokalnych koncentracji naprężeń bez pękania. Ponadto wymagane jest, aby konstrukcje miały dopuszczalną wytrzymałość, która jest związana z granicą plastyczności materiału . Ogólnie, wraz ze wzrostem granicy plastyczności materiału następuje odpowiednie zmniejszenie odporności na kruche pękanie .

Zmniejszenie odporności na kruche pękanie można również przypisać wpływowi na kruchość zanieczyszczeń lub, w przypadku metali sześciennych skupionych wokół ciała, z obniżenia temperatury. Metale, aw szczególności stale, mają przejściowy zakres temperatur, w którym powyżej tego zakresu metal ma dopuszczalną ciągliwość z karbem, podczas gdy poniżej tego zakresu materiał staje się kruchy. W zakresie zachowanie materiałów jest nieprzewidywalne. Zmniejszeniu odporności na pękanie towarzyszy zmiana wyglądu pęknięcia. Pęknięcie powyżej przejścia jest spowodowane głównie koalescencją mikropustek, co powoduje, że pęknięcie wydaje się włókniste . Gdy temperatura spadnie, złamanie będzie wykazywać oznaki rozszczepienia. Te dwa zjawiska są widoczne gołym okiem. Kruche pęknięcie w stalowych płytach może wyglądać pod mikroskopem jako znaki szewronu . Te przypominające strzałki grzbiety na powierzchni pęknięcia wskazują początek pęknięcia.

Wytrzymałość na pękanie mierzy się za pomocą naciętej i wstępnie pękniętej próbki prostokątnej, której wymiary są określone w normach, na przykład ASTM E23. Istnieją inne sposoby szacowania lub mierzenia odporności na pękanie poprzez: Próba udarności Charpy'ego według ASTM A370; Badanie przemieszczenia wierzchołka pęknięcia (CTOD) zgodnie z BS 7448-1; Test integralny J wg ASTM E1820; Test upuszczania Pelliniego zgodnie z ASTM E208.

Niezwykłe warunki

Spawanie pod wodą

Podczas gdy wiele zastosowań spawalniczych odbywa się w kontrolowanych środowiskach, takich jak fabryki i warsztaty naprawcze, niektóre procesy spawalnicze są powszechnie stosowane w różnych warunkach, takich jak otwarte powietrze, pod wodą i próżnia (np. przestrzeń kosmiczna). W zastosowaniach na wolnym powietrzu, takich jak prace budowlane i naprawy na zewnątrz, najpopularniejszym procesem jest spawanie łukiem osłoniętym metalem. Procesy, które wykorzystują gazy obojętne do ochrony spoiny, nie mogą być łatwo stosowane w takich sytuacjach, ponieważ nieprzewidywalne ruchy atmosferyczne mogą spowodować wadliwe spoiny. Spawanie łukowe elektrodą otuloną jest również często stosowane w spawaniu podwodnym przy budowie i naprawie statków, platform wiertniczych i rurociągów, ale inne, takie jak spawanie łukiem proszkowym i spawanie łukiem gazowym wolframowym, są również powszechne. Spawanie w kosmosie jest również możliwe — po raz pierwszy podjęli je w 1969 r. rosyjscy kosmonauci podczas misji Sojuz 6 , kiedy przeprowadzili eksperymenty w celu przetestowania spawania łukiem metalowym w osłonie, spawania łukiem plazmowym i spawania wiązką elektronów w środowisku bezciśnieniowym. Dalsze testy tych metod przeprowadzono w następnych dziesięcioleciach, a dziś naukowcy nadal opracowują metody wykorzystania innych procesów spawalniczych w kosmosie, takich jak zgrzewanie wiązką laserową, zgrzewanie oporowe i zgrzewanie tarciowe. Postępy w tych dziedzinach mogą być przydatne w przyszłych przedsięwzięciach podobnych do budowy Międzynarodowej Stacji Kosmicznej , która mogłaby polegać na spawaniu w celu łączenia w kosmosie części wyprodukowanych na Ziemi.

Problemy z bezpieczeństwem

Spawanie łukowe przy użyciu przyłbicy spawalniczej, rękawic i innej odzieży ochronnej

Spawanie może być niebezpieczne i niezdrowe, jeśli nie zostaną podjęte odpowiednie środki ostrożności. Jednak zastosowanie nowej technologii i odpowiedniej ochrony znacznie zmniejsza ryzyko obrażeń i śmierci związane ze spawaniem. Ponieważ wiele powszechnych procedur spawania obejmuje otwarty łuk elektryczny lub płomień, ryzyko oparzeń i pożaru jest znaczne; dlatego jest klasyfikowany jako proces gorącej pracy . Aby zapobiec obrażeniom, spawacze noszą osobiste wyposażenie ochronne w postaci grubych skórzanych rękawic i ochronnych kurtek z długimi rękawami, aby uniknąć narażenia na ekstremalne ciepło i płomienie. Nie należy nosić odzieży syntetycznej, takiej jak poliester, ponieważ może się palić, powodując obrażenia. Ponadto jasność obszaru spoiny prowadzi do stanu zwanego oparzeniem łukowym oka lub błyskiem, w którym światło ultrafioletowe powoduje zapalenie rogówki i może oparzyć siatkówki oczu. Aby zapobiec takiej ekspozycji, noszone są gogle i przyłbice spawalnicze z ciemnymi płytami czołowymi z filtrem UV. Od 2000 roku niektóre hełmy mają płytę czołową, która natychmiast ciemnieje pod wpływem intensywnego światła UV. Aby chronić osoby postronne, obszar spawania jest często otoczony przezroczystymi kurtynami spawalniczymi. Kurtyny te, wykonane z folii z polichlorku winylu , chronią osoby znajdujące się poza obszarem spawania przed promieniowaniem UV łuku elektrycznego, ale nie mogą zastąpić szkła filtrującego stosowanego w hełmach.

Komora przeznaczona do przechowywania dymów spawalniczych do analizy
Film opisujący badania nad przyłbicami spawalniczymi i ich zdolnością do ograniczania ekspozycji na dym

Spawacze są 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. Dzieje się tak, ponieważ mniejsze cząsteczki mają zdolność przekraczania bariery krew-mózg . Opary i gazy, takie jak dwutlenek węgla, ozon oraz opary zawierające metale ciężkie , mogą być niebezpieczne dla spawaczy, którzy nie mają odpowiedniej wentylacji i przeszkolenia. Narażenie na np. manganowe opary spawalnicze, nawet przy niskich poziomach (<0,2 mg/m 3 ), może prowadzić do problemów neurologicznych lub do uszkodzenia płuc, wątroby, nerek lub ośrodkowego układu nerwowego. Nanocząstki mogą zostać uwięzione w makrofagach pęcherzykowych płuc i wywołać zwłóknienie płuc. Stosowanie sprężonych gazów i płomieni w wielu procesach spawalniczych stwarza ryzyko wybuchu i pożaru. Niektóre typowe środki ostrożności obejmują ograniczenie ilości tlenu w powietrzu i trzymanie materiałów palnych z dala od miejsca pracy.

Koszty i trendy

Jako proces przemysłowy, koszt spawania odgrywa kluczową rolę w decyzjach produkcyjnych. Na całkowity koszt wpływa wiele różnych zmiennych, w tym koszt sprzętu, koszt robocizny, koszt materiałów i koszt energii . W zależności od procesu, koszt sprzętu może być różny, od niedrogiego w przypadku metod takich jak spawanie łukowe elektrodą otuloną i spawanie tlenowo - paliwowe , po niezwykle drogie w przypadku metod takich jak spawanie wiązką laserową i spawanie wiązką elektronów. Ze względu na wysoki koszt są używane tylko w dużych operacjach produkcyjnych. Podobnie, ponieważ automatyzacja i roboty zwiększają koszty sprzętu, są wdrażane tylko wtedy, gdy konieczna jest wysoka produkcja. Koszt robocizny zależy od szybkości stapiania (szybkości spawania), stawki godzinowej oraz całkowitego czasu pracy, w tym czasu poświęconego na montaż, spawanie i obsługę części. Koszt materiałów obejmuje koszt materiału podstawowego i wypełniacza oraz koszt gazów osłonowych. Wreszcie, koszt energii zależy od czasu łuku i zapotrzebowania na moc spawania.

W przypadku ręcznych metod spawania, koszty robocizny zazwyczaj stanowią zdecydowaną większość całkowitych kosztów. W rezultacie wiele środków oszczędnościowych koncentruje się na skróceniu czasu pracy. W tym celu można wybrać procedury spawania z wysokimi szybkościami stapiania, a parametry spawania można dostroić w celu zwiększenia szybkości spawania. Mechanizacja i automatyzacja są często wdrażane w celu obniżenia kosztów pracy, ale często zwiększa to koszt sprzętu i wydłuża czas konfiguracji. Koszty materiałów mają tendencję do wzrostu, gdy wymagane są specjalne właściwości, a koszty energii zwykle nie przekraczają kilku procent całkowitych kosztów spawania.

W ostatnich latach, w celu minimalizacji kosztów pracy w produkcji wysokowydajnej, spawanie przemysłowe stało się coraz bardziej zautomatyzowane, przede wszystkim z wykorzystaniem robotów w oporowym zgrzewaniu punktowym (zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym) oraz w spawaniu łukowym. W spawaniu zrobotyzowanym urządzenia zmechanizowane zarówno przytrzymują materiał, jak i wykonują spoinę. Początkowo najczęstszym zastosowaniem było zgrzewanie punktowe, ale popularność zrobotyzowanego spawania łukowego rośnie wraz z postępem technologii. Inne kluczowe obszary badań i rozwoju obejmują spawanie różnych materiałów (takich jak na przykład stal i aluminium) oraz nowe procesy spawania, takie jak mieszanie tarciowe, impuls magnetyczny, przewodzący szew cieplny i spawanie hybrydowe laserowe. Co więcej, pożądany jest postęp w tworzeniu bardziej wyspecjalizowanych metod, takich jak spawanie wiązką laserową, do większej liczby zastosowań, na przykład w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Naukowcy mają również nadzieję na lepsze zrozumienie często nieprzewidywalnych właściwości spoin, zwłaszcza mikrostruktury, naprężeń szczątkowych oraz skłonności spoin do pękania lub deformacji.

Tendencja do przyspieszania szybkości wykonywania spawów w branży montażu konstrukcji stalowych zagraża integralności połączenia. Bez odpowiedniego połączenia z materiałami podstawowymi, zapewnionego przez wystarczający czas łuku na spoinie, inspektor projektu nie może zapewnić efektywnej średnicy spoiny kałużowej, dlatego nie może zagwarantować opublikowanych nośności, chyba że jest świadkiem rzeczywistej instalacji. Ta metoda spawania kałużowego jest powszechna w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie do mocowania blach stalowych do belek prętowych i stalowych elementów konstrukcyjnych . Agencje regionalne są odpowiedzialne za zapewnienie prawidłowej instalacji spawania kałużowego na budowach stalowych. Obecnie nie ma standardu ani procedury spawania, która mogłaby zapewnić opublikowaną zdolność trzymania jakiegokolwiek połączenia niezauważonego, ale jest to sprawdzane przez Amerykańskie Towarzystwo Spawalnicze .

Spawanie szkła i tworzyw sztucznych

Spawanie razem dwóch rurek ze szkła ołowiowego
Misa wykonana z lanego szkła. Dwie połówki są połączone szwem spawalniczym biegnącym w dół.

Okulary i niektóre rodzaje tworzyw sztucznych są powszechnie spawanymi materiałami. W przeciwieństwie do metali, które mają określoną temperaturę topnienia , szkła i tworzywa sztuczne mają zakres topnienia zwany przejściem szklistym . Podczas ogrzewania materiału stałego powyżej temperatury zeszklenia ( Tg ) do tego zakresu, ogólnie staje się on bardziej miękki i giętki. Kiedy przepływa przez zakresie powyżej temperatury topnienia szkła (T m ), to stała się bardzo gęsta, ospały, lepka ciecz powoli zmniejszenie lepkości wraz ze wzrostem temperatury. Zazwyczaj ta lepka ciecz będzie miała bardzo małe napięcie powierzchniowe w porównaniu z metalami, stając się lepką konsystencją przypominającą toffi lub miodową , więc spawanie może zwykle odbywać się po prostu przez dociśnięcie dwóch stopionych powierzchni do siebie. Te dwie ciecze na ogół mieszają się i łączą przy pierwszym kontakcie. Po ochłodzeniu przez zeszklenie, spawany element zestala się jako jeden stały kawałek materiału amorficznego .

Spawanie szkła

Spawanie szkła jest powszechną praktyką podczas dmuchania szkła. Stosowany jest bardzo często w budowie oświetlenia, neonów , lamp błyskowych , aparatury naukowej oraz przy produkcji naczyń i innych wyrobów szklanych. Wykorzystywana jest również podczas odlewania szkła do łączenia połówek form szklanych, przy wytwarzaniu przedmiotów takich jak butelki i słoiki. Spawanie szkła polega na podgrzaniu szkła przez przejście szkliste, przekształcając je w gęstą, formowalną, płynną masę. Ogrzewanie odbywa się zwykle za pomocą palnika gazowego lub tlenowo-gazowego lub pieca, ponieważ temperatury topienia szkła są często dość wysokie. Ta temperatura może się różnić w zależności od rodzaju szkła. Na przykład szkło ołowiowe staje się spawalną cieczą w temperaturze około 1600 °F (870 °C) i może być spawane za pomocą prostego palnika propanowego. Z drugiej strony szkło kwarcowe ( stopiona krzemionka ) musi być podgrzane do temperatury ponad 3000 °F (1650 °C), ale szybko traci lepkość i formowalność po przegrzaniu, dlatego należy użyć palnika tlenowo - wodorowego . Czasami do szkła może być przymocowana rurka, dzięki czemu można ją wydmuchać w różne kształty, takie jak żarówki, butelki lub rurki. Kiedy dwa kawałki płynnego szkła są dociśnięte do siebie, zwykle zgrzewają się bardzo łatwo. Przyspawanie uchwytu do dzbanka jest zwykle stosunkowo łatwe. Jednak podczas zgrzewania rury z inną rurą stosuje się połączenie dmuchania i ssania oraz dociskania i ciągnięcia, aby zapewnić dobre uszczelnienie, ukształtować szkło i zapobiec zamknięciu rury przez napięcie powierzchniowe. Czasami można użyć pręta wypełniającego, ale zwykle nie.

Ponieważ szkło jest bardzo kruche w stanie stałym, często jest podatne na pękanie podczas ogrzewania i chłodzenia, zwłaszcza jeśli ogrzewanie i chłodzenie są nierównomierne. Dzieje się tak dlatego, że kruchość szkła nie pozwala na nierównomierną rozszerzalność cieplną . Szkło, które zostało zgrzane, będzie zwykle wymagało bardzo powolnego i równomiernego schłodzenia w procesie zeszklenia, w procesie zwanym wyżarzaniem , aby złagodzić wszelkie wewnętrzne naprężenia spowodowane gradientem temperatury .

Istnieje wiele rodzajów szkła i najczęściej spawa się przy użyciu tych samych rodzajów. Różne szkła często mają różne szybkości rozszerzalności cieplnej, co może powodować ich pękanie po ochłodzeniu, gdy kurczą się w różny sposób. Na przykład kwarc ma bardzo niską rozszerzalność cieplną, podczas gdy szkło sodowo-wapniowe ma bardzo wysoką rozszerzalność cieplną. Podczas zgrzewania ze sobą różnych szkieł zwykle ważne jest ścisłe dopasowanie ich współczynników rozszerzalności cieplnej, aby nie doszło do pękania. Ponadto niektóre okulary po prostu nie będą się mieszać z innymi, więc spawanie między niektórymi typami może nie być możliwe.

Szkło można również spawać z metalami i ceramiką, chociaż w przypadku metali proces ten polega zwykle na większej adhezji do powierzchni metalu niż na mieszaniu się dwóch materiałów. Jednak niektóre szkła zazwyczaj wiążą się tylko z niektórymi metalami. Na przykład szkło ołowiowe łatwo łączy się z miedzią lub molibdenem , ale nie z aluminium. Elektrody wolframowe są często używane w oświetleniu, ale nie wiążą się ze szkłem kwarcowym, więc wolfram jest często zwilżany stopionym szkłem borokrzemianowym , które wiąże się zarówno z wolframem, jak i kwarcem. Należy jednak zadbać o to, aby wszystkie materiały miały podobne współczynniki rozszerzalności cieplnej, aby zapobiec pękaniu zarówno podczas ochładzania obiektu, jak i ponownego podgrzewania. W tym celu często stosuje się specjalne stopy , zapewniające dopasowanie współczynników rozszerzalności, a czasami cienkie, metaliczne powłoki mogą być nakładane na metal w celu stworzenia dobrego połączenia ze szkłem.

Spawanie tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne są generalnie podzielone na dwie kategorie, którymi są „utwardzania termoplastyczne” i „tworzywa termoplastyczne”. Termoutwardzalny jest z tworzywa sztucznego, w którym zachodzi reakcja chemiczna ustawia wiązań cząsteczkowych po pierwszym formowaniu tworzyw sztucznych, a następnie wiązania nie mogą być ponownie zdejmowane bez degradacji tworzyw sztucznych. Duroplastów nie topi się, dlatego po stwardnieniu duroplastu nie można go spawać. Przykłady materiałów termoutwardzalnych obejmują epoksydy , silikon , wulkanizowaną gumę , poliester i poliuretan .

Natomiast tworzywa termoplastyczne tworzą długie łańcuchy molekularne, które często są zwinięte lub splecione, tworząc amorficzną strukturę bez żadnego dalekosiężnego uporządkowania krystalicznego. Niektóre tworzywa termoplastyczne mogą być w pełni amorficzne, podczas gdy inne mają strukturę częściowo krystaliczną/częściowo amorficzną. Zarówno amorficzne, jak i semikrystaliczne termoplasty mają stan zeszklenia, powyżej którego może wystąpić spawanie, ale semikrystaliczne mają również specyficzną temperaturę topnienia, która jest powyżej zeszklenia. Powyżej tego punktu topnienia, lepką ciecz będzie swobodnie płynącej cieczy (patrz reologiczne spawalność dla tworzyw termoplastycznych ). Przykłady tworzyw termoplastycznych obejmują polietylen , polipropylen , polistyren , polichlorek winylu (PVC) i fluoroplasty, takie jak teflon i Spectralon .

Spawanie termoplastów jest bardzo podobne do spawania szkła. Tworzywo sztuczne najpierw musi zostać oczyszczone, a następnie podgrzane przez zeszklenie, zamieniając interfejs spawalniczy w gęstą, lepką ciecz. Dwa rozgrzane powierzchnie międzyfazowe można następnie ścisnąć ze sobą, umożliwiając cząsteczkom mieszanie się poprzez dyfuzję międzycząsteczkową, łącząc je w jedność. Następnie tworzywo sztuczne jest schładzane przez zeszklenie, co umożliwia zestalenie spoiny. W niektórych typach połączeń często można stosować pręt wypełniający. Główne różnice między spawaniem szkła i plastiku to rodzaje metod nagrzewania, znacznie niższe temperatury topnienia oraz fakt, że tworzywa sztuczne będą się palić w przypadku przegrzania. Opracowano wiele różnych metod podgrzewania plastiku do temperatury zgrzewania bez jego spalania. Do stopienia plastiku można użyć piekarników lub elektrycznych narzędzi grzewczych. Inne metody to ogrzewanie ultradźwiękowe, laserowe lub tarcia. W plastik można wszczepić metale oporowe, które reagują na nagrzewanie indukcyjne. Niektóre tworzywa sztuczne zaczną się palić w temperaturach niższych niż ich zeszklenie, więc spawanie można przeprowadzić przez wdmuchiwanie na tworzywo ogrzanego, obojętnego gazu, stopienie go i jednoczesne ochranianie przed tlenem.

Wiele tworzyw termoplastycznych można również spawać przy użyciu rozpuszczalników chemicznych . Po zetknięciu się z plastikiem rozpuszczalnik zacznie go zmiękczać, zmieniając powierzchnię w gęsty, płynny roztwór. Kiedy dwie stopione powierzchnie są dociskane do siebie, cząsteczki w roztworze mieszają się, łącząc je w jedno. Ponieważ rozpuszczalnik może przenikać przez plastik, rozpuszczalnik odparowuje przez powierzchnię plastiku, powodując wypadanie spoiny i krzepnięcie. Powszechnym zastosowaniem zgrzewania rozpuszczalnikiem jest łączenie rur z PVC lub ABS ( akrylonitryl-butadien-styren ) podczas instalacji wodociągowych lub spawanie tworzyw sztucznych styrenowych i polistyrenowych w konstrukcjach modeli . Spawanie rozpuszczalnikiem jest szczególnie skuteczne w przypadku tworzyw sztucznych, takich jak PVC, które spalają się w stanie zeszklenia lub poniżej, ale może być nieskuteczne w przypadku tworzyw sztucznych, takich jak teflon lub polietylen, które są odporne na rozkład chemiczny .

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Zewnętrzne linki