Spawalnictwo

        Spawalnictwo jest to dział technologii metali obejmujący procesy trwałego łączenia przez doprowadzenie ciepła do miejsca, gdzie ma powstać złącze.

Spawalnictwo obejmuje również procesy pokrewne spawaniu, przy których stosowane są te same urządzenia jak przy spawaniu, lecz w innych celach, np. do cięcia, metalizowania itp.

Metal części łączonych nazywamy metalem rodzimym. Metal rodzimy łączy się bezpośrednio lub za pośrednictwem dodanego do złącza metalu, zwanego spoiwem.

Procesy łączenia metali za pomocą ciepła dzielą się na trzy grupy:

•        Procesy spawania,
•        Procesy zgrzewania
•     Procesy lutowania

  

         Przy spawaniu metal rodzimy ulega stopieniu w miejscu łączenia. Spawanie może być wykonywane z dodatkiem lub bez dodawania spoiwa. Jako spoiwa używa się zwykle takiego samego metalu co metal spawany.

Przy zgrzewaniu metalu rodzimego nie topi się, lecz ogrzewa go tylko da stanu ciastowatego, a połączenie uzyskuje się przez silne dociśnięcie do siebie części łączonych. Przy zgrzewaniu nie stosuje się spoiwa.

Przy lutowaniu metal rodzimy pozostaje podczas nagrzewania w stanie stałym, a stopione spoiwa (lut) doprowadza się do szczeliny między powierzchnie łączone. Połączenie otrzymuje się dzięki przyczepności lutu do metalu rodzimego. Przy lutowaniu spoiwo jest niezbędne; docisku nie stosuje się.

Spawanie i lutowanie są procesami pozornie podobnymi przy spawaniu normalnie stosuje się spoiwo, które przy lutowaniu jest niezbędne. Jednak istnieje między nimi zasadnicza różnica; podczas spawania brzegi łączone przechodzą w stan ciekły (topią się), a przy lutowaniu pozostają w stanie stałym, podgrzewane są tylko do temperatury topnienia lutu. Złącze spawane jest z jednego metalu, a w złączu lutowanym są dwa różne metale.

Złącza zgrzewane mają tę zaletę w stosunku do złączy spawanych, że są bardziej jednorodne, gdyż do złącza zgrzewanego nie dodaje się spoiwa, jak to zachodzi przy spawaniu. Cechą zgrzewania odróżniającą je zasadniczo od spawania jest stan ciastowaty metalu na powierzchniach łączonych, nawet gdy powierzchnie te ulegają podczas zgrzewania nadtopieniu, to ciekły metal jest wyciśnięty na zewnątrz podczas docisku i nie pozostaje w złączu.

Lutospawanie przeprowadza się z zastosowaniem urządzeń i techniki spawalniczej.

Spośród procesów pokrewnych spawaniu największe znaczenie ma natapianie (napawanie), metalizowanie natryskowe, hartowanie powierzchniowe oraz cięcie gazowe, łukowe i gazowo-łukowe.

Natapianie polega na nakładaniu warstwy metalu na powierzchnię przedmiotu przez topienie pałeczki spoiwa w płomieniu palnika lub łuku elektrycznego przy jednoczesnym podgrzewaniu metalu rodzimego przez źródło ciepła. W ten sposób uzupełnia się brak metalu w częściach maszyn narażonych na szybkie zużywanie się przez ścieranie, uderzanie, korozję itp.

         Metalizowanie natryskowe służy do tych samych celów; metal roztopiony w postaci kropelek przenoszony jest na przedmiot strumieniem powietrza.

Hartowanie powierzchniowe. Do powierzchniowego nagrzania stali do temperatury hartowania stosuje się te same urządzenia jak przy spawaniu, czy zgrzewaniu.

         Cięcie gazowe stali polega na wypaleniu za pomocą strumienia czystego tlenu wąskiej szczeliny w metalu podgrzanym; przy cięciu łukowym szczelina jest wytapiana ciepłem łuku elektrycznego, a przy cięciu łukowo-tlenowym – z jednoczesnym spalaniem metalu w strumieniu czystego tlenu. Te metody stosuje się również do cięcia pod wodą.

 Spawanie elektryczne

Zasadniczo istnieją dwie metody spawania łukowego:

• elektrodą topliwą (Sławianowa),
• elektrodą nietopliwą (Benardos'a). 

         Gdy w uchwycie zamocowane są dwie elektrody zbliżone do siebie końcami, łuk jarzy się tylko między elektrodami; prąd nie przechodzi przez metal łączony. Łukiem takim można operować w taki sam sposób jak palnikiem gazowym. W przypadku spawania prądem trójfazowym napięcie doprowadza się zarówno do elektrod jak i do materiału łączonego. 

        Poszczególne rodzaje spawania łukowego nie tylko różnią się rodzajem elektrod (topliwa lub nietopliwa), lecz również atmosferą, w której jarzy się łuk. Może to być atmosfera naturalna, tj. powietrze (łuk nieosłonięty), lub atmosfera sztucznie utworzona, mająca za zadanie osłonięcie łuku przed szkodliwym działanie powietrza. Atmosfera może być utworzona przez pokrycie elektrody masą utworzoną z topników, zwaną otuliną, która topi się wraz z metalem, dając osłonę z żużla, par i gazów, albo przez użycie topnika w proszku wewnątrz którego jarzy się łuk, lub przez użycie gazów doprowadzonych do łuku (wodór, argon, hel, CO₂).

Metody spawania elektrycznego

Rodzaj prądu

        W początkowym okresie rozwoju spawania łukowego używano wyłącznie prądu stałego, a jako spoiwa – zwykłego drutu miękkiego. Wyniki jednak były niezadowalające, gdyż metal niechroniony przed dostępem powietrza łatwo ulega utlenieniu i zanieczyszczeniu przez azot, stając się porowaty i kruchy.

        W miarę postępu badań zaczęto stosować elektrody otulone oraz prąd zmienny. Miało to duże znaczenie dla rozwoju spawalnictwa łukowego, gdyż obniżyło to koszty instalacji i zużycia prądu.

        Przy spawaniu prądem stałym stali miękkiej elektrodę podłączamy do bieguna ujemnego, a przedmiot spawany do dodatniego (na dodatnim wydziela się więcej ciepła). Jednak biegunowość elektrody zależy od rodzaju metalu i otuliny.

Napięcie i natężenie prądu spawania

        Napięcie w łuku zależy od rodzaju elektrody i atmosfery, w której jarzy się łuk. W przypadku elektrody stalowej topiącej się na powietrzu pary metalu elektrody i gazy powstałe z otuliny ułatwiają jonizację, dlatego napięcie łuku wynosi zależnie od warunków 16 – 35V, a przy łuku węglowym 35 – 55V.

        Na anodzie i katodzie występuje silny spadek napięcia. Jest to bardzo korzystne z punktu widzenia spawania, gdyż właśnie chodzi o to, aby jak największa ilość ciepła była zużyta na podgrzanie przedmiotu i topienie elektrody.

        Do zajarzenia łuku potrzebne jest wyższe napięcie niż do spawania, ze względu na konieczność pokonania oporu powietrza. W miarę jonizowania się atmosfery napięcie spada. Napięcie w biegu jałowym, gdy obwód jest otwarty, dla elektrod topliwych ze stali wynosi 50 – 100V. Po zajarzeniu łuku napięcie na zaciskach spawalnicy (spawarki) spada do ok. 25 – 35 V i utrzymuje się podczas spawanie.

        Prąd przy spawaniu ręcznym wynosi 40 – 350A, a przy spawaniu maszynowym (automatycznym) 500 – 4000A.

Przenoszenie metalu przez łuk

        Metal topiący się na końcu elektrody przechodzi na przedmiot w postaci kropelek. Wielkość kropel zależy od rodzaju elektrody i atmosfery, w której jarzy się łuk.

Pole magnetyczne wytworzone przez prąd wokół elektrody wyciska metal topiony wzdłuż jej osi w kierunku jeziorka. W wysokiej temperaturze łuku niektóre składniki metalu i otuliny parują. Tworzące się gazy rozprężając się pod wpływem ciepła wyrzucają z końca elektrody kropelki w kierunku spajanych elementów.

        Nadmierne rozpryskiwanie się kropel topiącej się elektrody może być wynikiem zbyt długiego łuku (za wysokie napięcie) lub elektroda zawiera niepożądane zanieczyszczenia.

        Siła z jaką zostają wyrzucane kropelki metalu jest znacznie większa od siły ciężkości dlatego możliwe jest spawanie, tzw. pułapowe (nad głową).

Spawanie łukiem krótkim i długim – przy krótkim tworzą się mostki i następuje krótkotrwałe wygaszanie łuku.

Układanie spoiny

        Wałeczek metalu, który spawacz układa przesuwając topiącą się elektrodę ruchem równomiernym, nazywamy ściegiem. Prowadząc elektrodę po linii prostej bez wykonywania bocznych ruchów układa się ścieg gruby i wąski, zwany ściegiem prostym. Nadając końcowi elektrody ruch wahadłowo-postępowy rozprowadza się metal na większej szerokości, w ten sposób uzyskuje się ścieg zakosowy.

        Wybór rodzaju ruchów zależy od rodzaju i grubości otuliny, od średnicy elektrody, kształtu spoiny, grubości metalu spawanego, położenia ściegu między innymi ściegami spoiny.

        W przypadku łączenia grubszych elementów do wypełnienia rowka potrzebne jest ułożenie kilku lub kilkunastu ściegów. Każda warstwa najczęściej składa się z jednego ściegu. Jednak przy większych grubościach poszczególne warstwy spoiny mogą składać się z kilku ściegów.

Elektrody do spawania

        Elektrody topliwe można podzielić na gołe i otulone. Elektrody gołe są używane najczęściej w postaci drutu do spawania automatycznego łukiem krytym lub w osłonie gazów.

        Elektrody otulone dzielą się na cienko, średnio i grubo otulone. Grubość otuliny elektrod cienko otulonych wynosi zazwyczaj do 10% średnicy drutu, średnio otulonych 10 – 40% średnicy drutu, zaś grubo otulonych – ponad 40%.

Elektroda otulona: d - średnica rdzenia, którą przyjmuje się za średnicę elektrody

Zadaniem otuliny jest:

• wytworzenie osłony gazowej, chroniącej spoinę przed dostępem powietrza,
• ułatwić jednocześnie jonizację gazów w obszarze łuku,
• po stopieniu utworzyć ciekły żużel, rozpuszczający w sobie tlenki i chronić spoinę przed zbyt szybkim stygnięciem,
• wprowadzenie niekiedy do spoiny dodatków uszlachetniających.

Produkowane elektrody dzieli się na:

• elektrody do spawania połączeniowego  - EP (oznaczenia H. Baildon),
• elektrody do spawania żeliwa – EŻ,
• elektrody specjalne przeznaczone do spawania stali wysokostopowych – ES,
• elektrody do napawania EN.

Oznaczanie elektrod połączeniowych

        Elektrody połączeniowe do spawania stali węglowych i niskostopowych powinny mieć uwidocznione przez wytwórcę  następujące dane:

1.     Nazwa otuliny,

2.     Klasyfikacja wg normy,

3.     Barwa rozpoznawcza,

4.     Typ otuliny,

5.     Zalecane natężenia prądu, rodzaj i biegunowość,

6.     Orientacyjne własności mechaniczne stopiwa,

7.     Przykłady zastosowania i przydatności do spawania,

8.     Dopuszczalne pozycje spawania,

9.     Nazwa producenta.

        W użyciu jest wiele odmiennych sposobów oznaczania elektrod. Zazwyczaj oznaczenie zawiera informacje o pewnych własnościach, które mogą być odczytane wprost, a niektóre własności są określone symbolami, których znaczenie podają odpowiednie tablice. W Polsce używa się obecnie oznaczeń opracowanych przez wytwórcę elektrod – Hutę „Baildon”. 

Przykładowo oznaczenie :

ER1.46

Gdzie: 

        E – ogólne oznaczenie elektrod;

        R – litera stojąca na drugim miejscu charakteryzuje rodzaj otuliny. W podanym przypadku litera R oznacza otulinę rutylową. Inne otuliny mają następujące oznaczenia literowe:

A – kwaśna

B – zasadowa,

C – celulozowa,

O – utleniająca,

V – inne.

        Cyfra występująca po oznaczeniu rodzaju otuliny określa numer masy otulinowej. Przykładowo otulina rutylowa R2 daje inne własności stopiwa aniżeli otulina R1. Wynika to ze zmiany składu otuliny i innego stosunku poszczególnych składników. Dwie ostatnie cyfry – w naszym przykładzie 46 – oznaczają minimalną wytrzymałość stopiwa na rozciąganie Rm w kG/mm². 

         Przygotowanie elementów obejmuje ukosowanie brzegów dla materiałów powyżej 5 mm, czyszczenie brzegów, składanie złączy i sczepianie brzegów.

Przykłady ukosowania brzegów dla części o różnej grubości pokazano na rysunku poniżej.

Spoina po wykonaniu

     

     Rozróżnia się złącza doczołowe, teowe, kątowe, krzyżowe, zakładkowe i przylgowe.

Złącza te mogą być wykonane przy użyciu spoin czołowych, pachwinowych, grzbietowych i otworowych.

     Maszyny elektryczne, które dostarczają prąd do stanowiska spawalniczego noszą nazwę spawalnic.

        Do spawania prądem stałym stosuje się przetwornice spawalnicze, składające się z silnika elektrycznego i  prądnicy (generator prądu stałego) napędzanej przez ten silnik. W miejscowościach pozbawionych prądu stosuje się spawalnice, które zamiast silnika elektrycznego mają silnik benzynowy lub wysokoprężny.

        Do spawania prądem zmiennym stosowane są transformatory, które przetwarzają prąd zmienny wysokiego napięcia, pobierany z sieci, na prąd zmienny niskiego napięcia, niezbędny do spawania. W starszych typach spawalnice prądu zmiennego posiadają stopniową regulację prądu, natomiast w nowszych posiadają regulację płynną. 

       Przeciętny koszt spawalnicy transformatorowej wynosi 30 – 50% kosztu spawalnicy obrotowej – przetwornicy.

Właściwości	Spawalnica transformatorowa	Spawalnica obrotowa
Zużycie energii na 1kg spoiwa	3,5 - 4 kWh	6 – 8 kWh
Moc biegu jałowego	0,2 kW	2 – 3 kW
Amortyzacja i naprawy na 100 godz. kosztów urządzenia	3%	6%
Powierzchnia niezbędna	1,4 m2	4,50-6,5 m2

Spawanie atomowe

      Przy spawaniu atomowym głównym źródłem ciepła jest ciepło asocjacji wodoru atomowego + ciepło łuku i ciepło spalania wodoru.

U wylotu wodoru z dysz zachodzi endotermiczna reakcja dysocjacji wodoru cząsteczkowego na atomowy 

H₂ → 2H - Q, 

natomiast w pobliżu miejsca łączenia zachodzi egzotermiczna reakcja asocjacji,

   2H  →  H₂ + Q, 

w wyniku której temperatura podnosi się ok. 500ºC.

        Dzięki atmosferze ochronnej wodoru wypalanie się składników stopu jest mniejsze niż przy spawaniu łukowym zwykłym; na skutek tego udaje się bez trudności spawać metale, których innymi metodami spawać nie można.

        Tę metodę stosuje się przy naprawie pękniętych narzędzi (frezy, piły) lub ich napawanie (matryce) w przypadku zużycia oraz do spawania stali wysokostopowych i nierdzewnych, kwaso- i żaroodpornych oraz aluminium i jego stopów. Z uwagi na redukujące własności wodoru otrzymuje się czystą spoinę.

        Wodór doprowadzony do płomienia pod ciśnieniem 0,05 – 0,1 atm, pobierany jest z butli o ciśnieniu 150 atm za pośrednictwem reduktora i węża gumowego.

Zamiast wodoru można stosować również rozszczepiony amoniak zawierający 25% azotu i 75% wodoru; urządzenie obejmuje wówczas dodatkowo aparat do rozszczepiania (dysocjacji) amoniaku w obecności katalizatorów.

Metoda spawania pod topnikiem, zwana również łukiem krytym

        Wprowadzenie metody spawania łukiem krytym gołą elektrodą umożliwiło mechanizację i automatyzację spawania łukowego. Proces prowadzony jest w dwóch odmianach; całkowicie zautomatyzowanym i częściowo – półautomatyczne spawanie łukiem krytym.

         Łuk przy tym spawaniu jarzy się między elektrodą a spawanym przedmiotem w przestrzeni całkowici izolowanej od atmosfery powietrza przez warstwę żużla. Pod wpływem ciepła łuku stapia się nie tylko metal, lecz i pewna część topnika. W pewnej odległości od łuku temperatura obniża się do tego stopnia, że poszczególne ziarenka topnika zdążą się nadtopić tylko na swojej powierzchni, sklejają się i tworzą sklepienie, które stanowi pewnego rodzaju oparcie dla pozostałej warstwy sypkiego i nie stopionego topnika. W miarę przesuwania elektrody przesuwa się również sklepienie i przestrzeń jarzenia łuku elektrycznego. Za elektrodą tworzy się spoina pokryta warstwą żużla i nie stopionego topnika.

        Prąd doprowadza się do elektrody w nieznacznej odległości od jej stapiającego się końca i dlatego natężenie prądu spawania może być znacznie większe niż przy spawaniu elektrodami otulonymi. Długość tzw. wylotu elektrody L jest rzędu kilkudziesięciu milimetrów.

        Zwiększenie gęstości prądu zwiększa szybkość topnienia elektrody, głębokość wtopienia, a tym samym przyspiesza proces spawania.

Metoda spawania łukiem krytym znajduje obecnie coraz szersze zastosowanie z dwóch względów:

1.     Dużej prędkości spawania,

2.     Bardzo dobrych własnościach mechanicznych stopiwa.

Ponadto umożliwia spawanie znacznie większych grubości blach bez ukosowania krawędzi w porównaniu do spawania łukowego elektrodami otulonymi i zapewnia mniejsze zużycie spoiwa.

Metoda spawania elektrożużlowego

       Metoda spawania elektrożużlowego nadaje się szczególnie do spawania grubych przekrojów praktycznie o dowolnym wymiarze. Przy zastosowaniu jednej elektrody grubość łączonego przekroju praktycznie nie przekracza 60 mm, lecz przy zastosowaniu większej liczby elektrod, usytuowanych w pewnych odstępach, grubość łączonego przekroju może być dowolna.

        W pierwszym okresie proces jest podobny do spawaniu łukiem krytym. Po zajarzeniu łuk utrzymuje się przez pewien czas, do stopienia pewnej ilości metalu i topnika oraz utworzenia się dostatecznej objętości jeziorka, po czym następuje stabilizacja warunków temperaturowych. Wówczas łuk gaśnie, a prąd przepływa przez drut i warstwę roztopionego żużla do metalu.

Gęstość prądu w stosunku do przekroju jest bardzo duża. Drut topi się pod wpływem ciepła Joule’a.

        Spoina otrzymana tą metodą jest czysta, wolna od porów i wtrąceń niemetalicznych i wykazuje dobre własności mechaniczne, a zwłaszcza plastyczne. Dzięki tym zaletom oraz ekonomiczności metoda ta znajduje coraz szersze zastosowanie do łączenia grubych przekrojów.

Spawanie łukowe pod wodą

        Spawanie podwodne wymaga specjalnego uchwytu, całkowicie izolowanego. Otulina na elektrodach jest pokryta dodatkowo lakierem nie przepuszczającym wilgoci. Grubość otuliny jest tak dobrana, aby spawanie odbywało się przy dociśniętym końcu elektrody do przedmiotu, co ułatwia prowadzenie łuku (elektrody stykowe). Aby jak najbardziej ułatwić utrzymanie i prowadzenie łuku oraz dopasowanie części łączonych pod wodą, zazwyczaj stosowane są spoiny pachwinowe, a nie czołowe, a więc złącza zakładkowe, z nakładkami, teowe, krzyżowe itp.

Napięcie wynosi 23 – 32 V natężenie 130 – 400A.

        Przy spawaniu pod wodą następuje znaczne hartowanie się metalu (stali) złącza, dlatego trzeba stosować stale o możliwie niskiej zawartości węgla. Do przenoszenia obciążeń dynamicznych złącza spawane pod wodą nie nadają się.

        Normalnie spawanie podwodne stosuje się przy prowizorycznych naprawach, np. przy podnoszeniu wraków z dna morskiego, przy czym od spoin wymaga się tylko szczelności.

Pod wodą stosuje się również spawanie elektrodą leżącą.

Metody oparte na nowych źródłach energii:

Spawanie plazmowe

        Nadzwyczaj wysoka temperatura przy wylocie palnika plazmowego i wielka szybkość wylotowa gazu (300 – 500 m/s) stwarza dobre warunki do cięcia, natomiast przy spawaniu, gdy szybkość przesuwu palnika musi być zwiększona do wartości 30 m/min, tj. 500mm/s, regulacja szybkości posuwu spoiwa i wybór jego średnicy sprawia duże trudności.

       Dotychczasowe doświadczenia umożliwiają wykonywanie spoin czołowych bez ukosowania i pachwinowych na blachach stalowych i aluminiowych o grubości 3 – 12 mm.

Pod względem spawalniczym strumień plazmy ma wiele zalet, do których należy zaliczyć:

• łatwość regulowania kształty spoiny,
• osiąganie znacznych prędkości spawania,
• a także to, że zmiana odległości głowicy plazmowej od powierzchni elementów spawanych nie wywiera istotnego wpływu na własności spoiny.

Spawanie elektronowe

        Wraz z rozwojem energetyki jądrowej i przemysłu kosmicznego powstała konieczność spawania metali bardzo trudno spawalnych, jak cyrkon, tytan, molibden, beryl, uran, tantal, wolfram. Również takie metale, które przyjęto uważać za spawalne, takie, jak np. aluminium i stale nierdzewne, nie dają się łączyć żadnymi znanymi dotąd sposobami, jeżeli ich grubość jest rzędu dziesiątych części milimetra.

        Przy spawaniu w atmosferze gazowej, niezależnie od rodzaju gazu, otrzymuje się spoiny porowate i zanieczyszczone. To między innymi było powodem opracowania metody spawania w próżni strumieniem elektronów, nazwanej spawaniem elektronowym.

        Katoda działka elektronowego, wykonana z wolframu, nagrzewana jest pośrednio prądem elektrycznym ze źródła. Katoda rozgrzana do temperatury czerwonego żaru emituje elektrony ze swojej powierzchni. Elektrony posiadające ładunek ujemny poruszają się w kierunku materiału spawanego, stanowiącego anodę. Pomiędzy katodą i anodą, umieszczone są elektromagnetyczne cewki skupiające, które koncentrują elektrony w wiązce. Wysokie napięcie między katodą i anodą uzyskane ze źródła prądu stałego zwiększa szybkość elektronów, podwyższając ich energię kinetyczną. Celem skuteczniejszego zwiększenia szybkości elektronów oraz skupienia ich w wiązkę, pomiędzy katodą i soczewką skupiającą umieszcza się dodatkową anodę o takim samym potencjale jak materiał spawany. W efekcie tak skupionej wiązki elektronów uzyskuje się źródło ciepła o koncentracji 1000 raz większej niż przy spawaniu łukowym. Źródło takie pozwala na bardzo szybkie stopienie nawet najbardziej trudnotopliwych materiałów.

        Znakomite wyniki osiągane tą metodą spowodowały szybki jej rozwój. Stosowane na początku napięcia 5 – 15 kV przy spawaniu bardzo małych grubości, wzrosły do wartości 60 kV przy natężeniu prądu 0,5 A.

        Ostatnio budowane są urządzenia o mocy 30 kW o komorze próżniowej do 1,5 m³ pojemności, dostosowane do spawania stali od 0,05 do 60 mm grubości, a aluminium od 0,1 do 150 mm grubości.

Metoda ta znalazła zastosowanie w budowie rakiet i urządzeń przemysłu nuklearnego.

Spawanie laserowe

        Działanie lasera polega na emitowaniu przez odpowiedni układ optyczny silnie skoncentrowanej wiązki światła o dużym natężeniu, dzięki czemu udaje się osiągnąć plamkę grzewczą o bardzo małej średnicy. W odróżnieniu od spawania wiązką elektronów spawanie laserem nie wymaga stosowania komory próżniowej.

        Dotąd znane spawarki laserowe nadają się do spawania drobnych precyzyjnych elementów, głównie do budowy aparatury elektronicznej, ale czynione są próby zastosowania ich do łączenia większych elementów konstrukcji, np. elementów rakiet kosmicznych. Do tego celu zastosowano spawarkę laserową o mocy 3 kW przy maksymalnym napięciu 3 kV i długości impulsu 0,9 - 9 ms.

        Spoiny wykonane impulsową spawarką laserową różnią się od spoin wykonanych metodą łukową bardzo periodycznym okresem krystalizacji, gdyż przy spawaniu laserowym nie udaje się otrzymywać w sposób ciągły jeziorka spawalniczego. Dlatego spoina składa się ze zbioru częściowo pokrywających się „punktów”, odpowiadających poszczególnym impulsom.

Metodą tą można spawać jedynie elementy cienkościenne max 0,8 mm.

Do zalet spawarek laserowych należy zaliczyć:

1.   Małe straty ciepła spowodowane przewodnictwem cieplnym metalu, dzięki czemu obniża się strefa wpływu ciepła oraz wielkość odkształcania,

2.     Duża intensywność strumienia cieplnego w obszarze plamki grzewczej, umożliwiają łączenie różnych metali,

3.     Ponieważ źródłem ciepła jest energia promieniowania, nie jest potrzebny bezpośredni kontakt źródła ciepła ze spawanym metalem. Możliwe jest zatem spawanie przez inne ośrodki przeźroczyste w dowolnej atmosferze.

Spawanie gazowe

        Źródłem ciepła przy spawaniu gazowym jest najczęściej płomień spalającego się acetylenu C₂H₂ w tlenie. Otrzymywana maksymalna temperatura jest rzędu 3200ºC i jest znacznie niższa (o ok. 1000ºC) od temperatury wytworzonej w łuku elektrycznym. Przy spawaniu acetyleno-tlenowym spadki temperatur od miejsca spawania są łagodniejsze, zaś obszar nagrzanego materiału jest tym większy, im grubsza jest spawana blacha. Dlatego też spawanie grubych blach jest niekorzystne ze względu na duże nagrzanie strefy wpływu ciepła.

        Spalanie acetylenu jest dwustopniowe. Najpierw acetylen spalając się łączy się z tlenem znajdującym się w mieszaninie gazów wg reakcji:

C₂H₂ +O₂ → 2CO + H₂     

         

(w odległości 2 – 5mm uzyskuje się temp. ok. 3200ºC)

Następnie, w dalszej części płomienia spalanie odbywa się przeważnie przy udziale tlenu z powietrza wg reakcji:

CO + 1/2O₂ → CO₂

H₂ +1/2O₂ → H₂O  

        Niezbędną osłonę, którą przy spawaniu łukiem daje żużel i gazy z topiącej się otuliny, przy spawaniu acetylenowym daje sam płomień. Dobre spawanie jest w dużym stopniu uzależnione od właściwego wyregulowania palnika. Zbyt duża ilość acetylenu, który nie ma warunków do całkowitego spalania może doprowadzić do nawęglenia stali w miejscu spawania, zaś za duża ilość tlenu powoduje utlenianie spawanego metalu. Prawidłowość wyregulowania palnika można ocenić z wyglądu płomienia.

 

Otrzymywanie acetylenu

        Acetylen otrzymuje się przez działanie wody na karbid CaC₂, który z kolei otrzymuje się przez stopienie w piecach elektrycznych (łukowych) węgla w postaci koksu i wapna palonego wg reakcji:

                                   CaO +3C → CaC₂+CO

        Wytworzony w ten sposób karbid spuszcza się z pieca do form karbidowych, a po zastygnięciu łamie się go na kawałki na łamaczach i sortuje wg ziarnistości.

Reakcja karbidu z wodą odbywa się wg zależności:

                          CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂

Z 1 kg CaC₂  + 0,6kg H₂O → 340l C₂H₂ + 1,2kg Ca(OH)₂

 

        Otrzymywanie acetylenu odbywa się w urządzeniach zwanych wytwornicami. W wielkich wytwornicach, gdzie można liczyć na całkowite odgazowanie karbidu, przyjmuje się, że z 1 kg CaC₂ można otrzymać 300 l C₂H₂; wydajność w małych wytwornicach warsztatowych nie przekracza 250 l acetylenu.

Wytwornice dzielą się na ruchome (do 10 kg jednorazowego ładunku karbidu) i stałe. Wytwornice ruchome, na nóżkach lub na wózku, umieszczone są przy stanowiskach spawalniczych.

        W urządzeniach stałych, zajmujących osobne pomieszczenia acetylen wytwarzany jest w jednej lub kilku wytwornicach o odpowiedniej wydajności i rozprowadzany rurociągami do stanowisk spawalniczych.

Stosowane są ruchome i stałe wytwornice niskiego ciśnienia (300 – 500 mm słonej wody) i wysokiego ciśnienia (0,15 – 1,5 atm). Wytwornice niskiego ciśnienia, zasilające centralnie sieć rurociągów, uzupełniane są zazwyczaj sprężarką, która tłoczy acetylen do rurociągów pod ciśnieniem 0,15 - 1,5 atm.

        Zależnie od sposobu, w jaki doprowadza się do reakcji karbidu z wodą, rozróżnia się wytwornice wsypowe, dopływowe i stykowe.

Instalacje acetylenowe wyposażone są w bezpieczniki, bowiem utworzenie mieszanki tlen – acetylen w wytwornicy jest bardzo niebezpieczne ze względu na możliwość wybuchu.

        Bardzo niebezpieczne jest tzw. cofanie się płomienia w głąb palnika, wywołane spadkiem szybkości wylotowej mieszanki poniżej szybkości spalania się, co również może nastąpić przy częściowym zapchaniu dzioba palnika. Następuje wówczas niewielki wybuch (palnik ”strzela”) i zwykle płomień gaśnie, ale nie jest wykluczone, że większa fala wybuchu może przenieść mieszankę płonącą tlenu z acetylenem aż do wytwornicy, co spowodowałby wybuch mieszanki. Dlatego na drodze wytwornica – palnik umieszcza się bezpiecznik, którego zadaniem jest skierować cofające się gazy na zewnątrz i jednocześnie zamknąć gazom dostęp do wytwornicy.

        W zależności od ciśnienia panującego w wytwornicy istnieją bezpieczniki niskiego i wysokiego ciśnienia.

Butle do spawania acetylenowo-tlenowego

        Acetylenu w stanie gazowym nie można sprężyć powyżej 1,5 atm, gdyż rozkłada się i łatwo wybucha, nawet bez zapalenia się, np. wskutek silnego wstrząsu.

        Przechowywanie acetylenu w butli pod wyższym ciśnieniem jest możliwe tylko wtedy, gdy jest rozpuszczony w acetonie. Ciśnienie acetylenu w butli wynosi 15 atm (kolor biały). Aceton rozpuszcza 25-krotną ilość acetylenu w stosunku do swej objętości na każdą atmosferę ciśnienia; 1 l acetonu rozpuszcza 25 l acetylenu na każdą atmosferę, a więc przy ciśnieniu 15 atm 25 l x 15 atm = 375 l C₂H₂. Aby w butli acetylen nie wydzielił się z acetonu, butlę wypełnia się twardą masą porowatą, której głównym składnikiem jest wypalona glinka lub cement. Masa ta jest nasycona acetonem jak gąbka wodą. Butla 40 l zawiera około 5000 l rozpuszczonego acetylenu przy ciśnieniu 15 atm., tj. 5,56 kg C₂H₂; 1kg C₂H₂ w warunkach normalnych zajmuje objętość 835 m³.

        Butle acetylenowe są koloru białego z czerwonym napisem ACETYLEN, zaś butle tlenowe są koloru niebieskiego z czarnym napisem TLEN. Tlen w butli znajduje się pod ciśnieniem 150 atm. W butli o objętości 40 l mieści się 6000 l tlenu.

       W celu umożliwienia regulacji i utrzymania na stałym poziomie ciśnienia gazu pobieranego z butli w czasie pracy stosuje się zawory redukcyjne, tzw. reduktory.

Palniki acetylenowo-tlenowe

        Stosuje się dwa rodzaje palników: palniki niskiego i palniki wysokiego ciśnienia.

Palniki niskiego ciśnienia, to znaczy zasilane acetylenem o niskim ciśnieniu, tzw. palniki smoczkowe lub iniektorowe, przeznaczone są do spawania acetylenem z wytwornicy niskiego ciśnienia, mogą być jednak zasilane C₂H₂ z butli lub wytwornicy wysokiego ciśnienia. Natomiast palniki wysokiego ciśnienia są konstruowane do pracy z acetylenem o wysokim ciśnieniu. Palniki wysokiego ciśnienia zasilane są gazami o jednakowym ciśnieniu. Posiadają komorę mieszankową, gdzie gazy ulegają zmieszaniu, a następnie przewodem, zwanym szyjką, dochodzą do dzioba, u którego wylotu pali się płomień. Stosunek objętościowy tlenu do acetylenu wynosi 1 do 1,15.Ciśnienie gazów wynosi 0,1 – 1,0 atm.

        Palniki niskiego ciśnienia, zasilane acetylenem o niskim ciśnieniu, posiadają przed komorą mieszania smoczek (iniektor) Ciśnienie acetylenu wynosi 100 – 1000 mm słonej H₂O, zaś tlenu 1,1 – 4 atm. Stosunek tlenu do acetylenu wynosi 1,2:1,3.

W palnikach wysokiego ciśnienia wymienia się dziób, natomiast w niskociśnieniowych smoczek, szyjkę i dziób.

        Istnieją również palniki iglicowe, w których działanie ssące smoczka reguluje się za pomocą igły stożkowej, ograniczającej przekrój w przewodzie tlenowym. W tych palnikach tylko dzioby są wymienne.

Metody spawania acetylenowego

        Istnieją trzy metody spawania: w prawo, w lewo i w górę. Przy spawaniu w prawo płomień skierowany jest na spoinę już wykonaną, jądro znajduje się wewnątrz rowka, koniec drutu zaś między spoiną już wykonaną a palnikiem. Płomień palnika idzie naprzód a drut posuwa się za nim. Płomień posuwa się po linii prostej, zaś drut wykonuje ruchy wahadłowe, rozprowadzające metal po przekroju spoiny.

        Spawanie w prawo stosuje się do grubszych blach stalowych i miedzianych (od 4 mm wzwyż), spawanie w lewo do cieńszych blach (mniejsze lub równe 3 mm). Przy spawaniu innych metali stosuje się spawanie w lewo lub w prawo, zależnie od grubości.

Spawanie w prawo jest szybsze o ok. 20% od spawania w lewo i zużycie gazów jest w tym samym stosunku mniejsze, gdyż ciepło płomienia, wprowadzonego głębiej do rowka jest lepiej wykorzystane.

        Spawanie metodą w górę wymaga ustawienia blach łączonych w ten sposób, aby spoina była w położeniu pionowym. Metoda ta polega na układaniu poziomych warstewek spoiwa w szczelinie pionowej między łączonymi brzegami przy jednoczesnym ich topieniu.

        Przy tej metodzie uzyskuje się bardzo dobre przetopienie metalu rodzimego, szerokość spoiny jest z obu stron prawie jednakowa, odkształcenia są bardzo małe, gdyż stosuje się palnik o wydajności dwa razy mniejszej niż w poprzednich metodach.

Spawanie gazowe przy użyciu innych materiałów palnych

        Oprócz acetylenu stosuje się czasami inne gazy palne, jak: wodór, gaz świetlny, propan, butan lub paliwa ciekłe: naftę, benzynę benzol, które doprowadza się do palnika pod postacią par.

        Płomień wodorowo-tlenowy ma temperaturę ok. 2200ºC, a więc o ok. 1000ºC niższą od płomienia C₂H₂ – O₂. Można go stosować do blach stalowych o grubości nie większej niż 8 mm, przy czym czas spawania jest znacznie dłuższy a spawanie jest droższe.

Niekiedy stosuje się palniki H₂ – O₂ do spawania aluminium, ołowiu itp. łatwo topliwych materiałów.

        Gaz świetlny jest jeszcze mniej nadającym się do spawania. To samo dotyczy mieszanek propan – tlen, butan – tlen, które stosuje się tylko w wyjątkowych przypadkach.

Spawanie termitowe

        W spawaniu termitowym źródłem ciepła jest egzotermiczna reakcja chemiczna, która do złącza dostarcza ciepło oraz spoiwo.

        Termit (Ferromit) jest to sproszkowana mieszanina tlenków żelaza (Fe₂O₃; FeO; Fe₃O₄) i aluminium w stosunku ciężarowym ok. 3,5:1, tj. (78% tlenków i 22% Al).

Różne gatunki termitu, zależnie od przeznaczenia, zawierają domieszki złomu ze stali niskowęglowej, środki odtleniające (Fe-Mn; Fe-Si) oraz składniki uszlachetniające metal, uzyskany z reakcji.

        Ferromit umieszcza się w tyglu z wykładziną z materiałów ogniotrwałych (magnezytu) i zapala się za pomocą zapalnika składającego się z mieszaniny nadtlenku baru i aluminium. Reakcja rozpoczęta na powierzchni ferromitu przesuwa się do dołu w ciągu 15 – 60 sekund.

Reakcja aluminotermiczna przebiega teoretycznie w sposób następujący:

               3Fe₃O₄ + 8Al → 4Al₂O₃ + 9Fe + 722,5 kcal/kmol

        Z 1 kg ferromitu w wyniku reakcji otrzymuje się 0,5 kg ciekłego żelaza o cieple właściwym 7,75 i temperaturze ok. 2750ºC i 0,5 kg żużla (Al₂O₃) o cieple właściwym 3,9 i temperaturze ok. 2000ºC. Ze względu na różnice ciężarów właściwych żelazo spływa na dno tygla, a u góry zbiera się warstwa płynnego żużla.

        Końce części łączonych ujęte są w formę odlewniczą, do której spuszcza się z tygla płynny metal termitowy. Części, które mają być połączone powinny być dobrze oczyszczone z tłuszczu, rdzy i innych zanieczyszczeń. Między brzegami łączonymi umieszcza się model spoiny z wosku i wokół tego modelu wykonuje się formę odlewniczą, która ma za zadanie utrzymać ciekły metal w złączu spawanym.

        Po zaformowaniu spawanego złącza forma powinna być wysuszona i wypalona przy użyciu palników zasilanych gazem ziemnym, świetlnym, benzyną itp. Wygrzewając formę podgrzewa się również końce spawanych elementów, które winny być możliwie równomiernie nagrzane do temperatury ok. 900ºC, celem uniknięcia przyklejenia się wlanego stopu termitowego do zimnego metalu spawanych elementów.

Spawalność stali

        Spawalność łączy w sobie zespół odrębnych zjawisk oraz cech i dlatego ścisłe  zdefiniowanie tej właściwości jest trudne. Ogólnie spawalnością materiału możemy nazwać ten zespół cech, który umożliwia wykonanie złącza spawanego, spełniającego określone zadanie w danym węźle konstrukcyjnym.

        Metal jest uważamy za dobrze spawalny, jeżeli bez specjalnych zabiegów uzyskuje się złącza spawane o własnościach zbliżonych do własności metalu rodzimego. Zazwyczaj od złącza wymaga się odpowiednio wysokich własności mechanicznych, jednak niekiedy, np. przy spawaniu stali kwasoodpornych lub żaroodpornych, może być ponadto wymagana odporność na korozję lub wysokie temperatury.

        Niedostateczna spawalność objawia się pękaniem spoiny lub materiału rodzimego podczas spawania lub w czasie stygnięcia złącza, albo też po pewnym czasie – w czasie pracy części spawanej. Przyczyną pęknięć mogą być wady materiałowe metalu spoiny (pęcherze, zanieczyszczenia tlenkami, wtrącenia żużla itp.) jak i wady metalu rodzimego oraz niekorzystne zmiany w strefie wpływu ciepła; pęknięcia mogą być również wywołane nadmiernymi naprężeniami, wynikającymi z niewłaściwego ukształtowania konstrukcji spawanej albo wskutek wadliwego jej wykonania. Najczęściej pękanie należy przypisać jednocześnie wadom materiału i naprężeniom własnym, które działając w osłabionym lub nie dość plastycznym metalu, przekraczają jego wytrzymałość. Na spawalność ma więc wpływ wiele czynników, dlatego nie można jej określić jednoznacznie dla wszystkich przypadków spotykanych w praktyce. W najogólniejszym przypadku na spawalność mają wpływ 3 rodzaje czynników:

• czynniki metalurgiczne: skład chemiczny metalu i spoiwa, struktura metalu rodzimego jako wynik obróbki plastycznej i cieplnej, ilość i rozmieszczenie wtrąceń niemetalicznych, sposób przeprowadzenia wytopu stali;

• czynniki konstrukcyjne: sztywność konstrukcji, grubość elementów, rozmieszczenie spoin, koncentracja naprężeń;

• czynniki technologiczne: rodzaj procesu spawania, średnica spoiwa, moc źródła ciepła, szybkość spawania, kolejność wykonywania spoin itp.

Strefa wpływu ciepła

        Strefą wpływu ciepła nazywamy obszar metalu rodzimego po obu stronach spoiny, który w wyniku grzania, a następnie chłodzenia uległ zmianom strukturalnym.

Przy spawaniu stali miękkiej strefa wpływu ciepła rozciąga się od brzegów spoiny aż do miejsca, w którym metal został ogrzany podczas spawania do temperatury ok. 500ºC.

        Zależnie od temperatury ogrzania podczas spawania rozróżniamy w strefie wpływu ciepła – w przypadku stali miękkiej – 4 obszary:

1.    Bardzo wąski pas częściowego stopienia metalu rodzimego; najczęstszymi wadami w tym obszarze są zanieczyszczenia metalu tlenkami lub żużlami (zażużlenie);

2.   Obszar przegrzania o strukturze gruboziarnistej; przegrzanie mało wpływa na wytrzymałość, jednak znacznie obniża ciągliwość i udarność materiału. W strefie tej mogą pojawić się pęknięcia. Powstanie pęknięć sprzyja wzrost zawartości węgla w stali, większa hartowność i wzrost szybkości stygnięcia metalu;

3. Obszar normalizacji; charakteryzujący się rozdrobnieniem ziarna – wpływa dodatnio na właściwości plastyczne;

4.  Obszar niezupełnego przekrystalizowania o strukturze niejednorodnej, częściowo tylko ulepszonej; występują grupki drobnych ziarn, pochodzących od częściowego przekrystalizowania, otaczające grube kryształy, które nie uległy przekrystalizowaniu – przemianie alotropowej.

Struktura metalu w złączu spawanym

        W stali miękkiej ogrzanej do temperatury niższej od 723ºC występują już niewielkie zmiany struktury i własności mechanicznych. Struktura charakteryzuje się rozrostem ziarn, rozdrobnionych uprzednio przez zgniot w procesie walcowania; dzięki wyżarzaniu metal uzyskuje wyższą ciągliwość.

        Ponieważ z przedstawionych obszarów strefy wpływu ciepła tylko obszar normalizowany ma lepsze własności mechaniczne po spawaniu niż przed spawaniem, należy dążyć do ograniczenia szerokości strefy wpływu ciepła. Przy spawaniu acetylenowym szerokość tej strefy jest znacznie większa (do 20 mm) niż przy spawaniu łukowym (1 – 2 mm). Przy spawaniu łukiem krytym szerokość ta jest mniejsza (<1mm) niż przy spawaniu ręcznym.

        Zwiększenie mocy płomienia lub natężenia prądu zwiększa szerokość strefy nagrzania, natomiast większa szybkość spawania zmniejsza ją. Dlatego przy spawaniu łukiem krytym, choć natężenie prądu jest bardzo wysokie, strefa ogrzewania jest bardzo wąska a obszar przegrzania prawie nie występuje.

        Z drugiej strony im węższa strefa wpływu ciepła, tym szybszy jest spadek temperatury w obszarze spoinowym i tym wyższe są naprężenia szczątkowe (własne). W stalach hartujących się im strefa wpływu ciepła jest węższa, tym łatwiej występuje możliwość podhartowania się stali tuż obok spoiny. Dlatego przy spawaniu tego rodzaju stali stosuje się podgrzewanie podczas spawania a czasem także po spawaniu, by zmniejszyć różnice temperatury i szybkość stygnięcia. Im szersza jest strefa wpływu ciepła, tym więcej ciepła wprowadza się do metalu spawanego i chociaż naprężenia są niższe, obejmują jednak większy obszar i wywołują większe odkształcenia.

Wpływ spawania wielowarstwowego na strukturę metalu

        Jednym ze sposobów otrzymania struktury drobnoziarnistej w spoinie łukowej przy jednoczesnym ulepszaniu struktury strefy wpływu ciepła jest spawanie wielowarstwowe, przy którym poszczególne warstwy (oprócz ostatniej) ulegają wyżarzaniu podczas układania na nich warstw następnych.

        Na skutek wyżarzania powstaje struktura drobnoziarnista, przy czym ziarna ulegają rozdrobnieniu również w strefie przegrzania. W dolnej części ściegu rozdrobnienie ziarna występują w mniejszym stopniu z powodu słabszego wpływu ciepła. Aby rozdrobnić ziarna również w ostatniej licowej warstwie można ułożyć dodatkowy ścieg wyżarzający, który następnie zostanie usunięty przez szlifowanie spoiny – w wyjątkowych przypadkach np. spawanie kotłów wysokoprężnych.

Wyżarzanie normalizujące

        Najlepszym sposobem polepszenia i ujednorodnienia struktury w stalowych złączach spawanych jest wyżarzanie normalizujące całego przedmiotu spawanego. Ze względu na wysokie koszty obróbki cieplnej stosuje się w wyjątkowych przypadkach, np. kotły wysokoprężne i zbiorniki ciśnieniowe. Czas i temperatura wyżarzania i szybkość stygnięcia muszą być dokładnie ustalone.

        Wyżarzanie miejscowe złącz za pomocą grzejników elektrycznych lub gazowych, stosowane np. przy spawaniu rurociągów parowych lub gazowych jest dopuszczalne, gdy warunki obróbki cieplnej mogą być ściśle określone i gdy poszczególne wyniki tego zabiegu zostały sprawdzone doświadczalnie.

        Miejscowe wyżarzanie złącz palnikiem acetylenowym, stosowane czasem w praktyce jest zabiegiem ryzykownym, ze względu na brak kontroli wysokości temperatury i nierównomierności ogrzewania, co może spowodować niepożądane zmiany struktury i dodatkowe naprężenia.