Charakterystyka i sposoby zgrzewania. Zgrzewanie jest metodą łączenia materiałów lub materiałów niemetalowych polegającą na powstaniu na powierzchni styku łączonych wspólnych ziaren, będących wynikiem dyfuzji i rekrystalizacji sąsiadujących ziaren metalu. Skuteczność procesu zgrzewania zależ głównie od docisku, temperatury i czasu trwania procesu. Najczęściej części łączone są nagrzewane prawie do temperatury topnienia (do tzw. Stanu ciastowości), a następnie dociskane. Miejsce połączenia nazywa się zgrzeiną, a połączone elementy tworzą złącze (połączenie) zgrzewane.
W zależności od sposobu nagrzewania części łączonych rozróżnia się zgrzewanie:
- gazowe (np. palnikiem acetylenowo-tlenowym);
- elektryczne: iskrowe lub oporowe (zwarciowe);
- termitowe (spalanie mieszaniny tlenków metali i sproszkowanego aluminium), umożliwiające bardzo szybkie nagrzanie części;
- tarciowe (ciepło wytwarza się poprzez tarcie powierzchni styku przy zastosowaniu odpowiedniego docisku)
Do łączenia elementów maszyn najczęściej stosuje się zgrzewanie elektryczne. Podczas zgrzewania oporowego przedmioty łączone są dociskane przez cały czas trwania procesu elektrodami (zgrzewanie punktowe i liniowe) lub bezpośrednio (zgrzewanie czołowe);
W tym przypadku elektrody są wykonane np. w postaci obejm zaciskanych na zgrzewanych elementach. Docisk części utrzymuje się jeszcze przez krótki czas po wyłączeniu prądu.
Podczas zgrzewania iskrowego (czołowego) po wyłączeniu prądu przedmioty są zbliżone do siebie. W tworzonej szczelinie powstaje łuk elektryczny, w którym topią się powierzchnie styku. Po nagrzaniu całej powierzchni łączonych części przerywa się dopływ prądu i dopiero wówczas wywiera się silny docisk części, aż do momentu ich zgrzania. Zgrzewanie iskrowe stosuje się do łączenia części o nierównych (lub niedokładnie oczyszczonych) powierzchniach styku.
Zgrzewanie elektryczne wykonuje się na specjalnych maszynach (zgrzewarkach), dostosowanych do rodzaju zgrzewania i materiału łączonych części. Do zgrzewania metali o małej oporności (aluminium, miedź i ich stopy), niezbędne są nowoczesne zgrzewarki automatyczne, w których zarówno czas przepływu prądu jak i trwania nacisku, oraz wartość natężenia prądu i siły nacisku są sterowane bardzo precyzyjnie przez układy elektroniczne.
Materiały zgrzewane najłatwiej zgrzewa się metale o jednakowym lub zbliżonym składzie chemicznym, np. stale węglowe oraz stale węglowe ze stalami stopowymi lub narzędziowymi itp. Zgrzewanie w stanie plastycznym stopów o różnych składach chemicznych jest możliwe tylko wtedy, gdy tworzą one ze sobą roztwory stałe lub wchodzą w związki chemiczne. Przy odpowiednim prowadzeniu procesu zgrzewania możliwe jest, więc zgrzewanie różnych metali, tworzyw termoplastycznych (np. polietylenu), a nawet metali i materiałów niemetalowych, np. stopów aluminium ze szkłem (za pomocą ultradźwięków).
Rodzaje i zastosowanie połączeń zgrzewanych.
Do podstawowych rodzajów zgrzewania zalicza się zgrzewanie czołowe, punktowe, liniowe i garbowe.
Zgrzewanie czołowe stosuje się do łączenia prętów, odkuwek i innych elementów, w których zgrzeina obejmuje całe pole powierzchni styku. Ta sama metodą można wykonać np. narzędzia skrawające:
- noże tokarskie,
- wiertła do głębokich otworów,
łącząc część skrawającą narzędzia ze stali narzędziowej z trzonkiem ze stali węglowej.
Zgrzewanie punktowe jest najczęściej stosowane do łączenia cienkich blach, blach z różnymi kształtownikami itp. Wprowadzenie nowoczesnych zgrzewarek automatycznych o wydajności do 200 zgrzein na minutę powoduje, że zgrzewanie punktowe jest stosowane głównie w produkcji wielkoseryjnej, m.in. w przemyśle samochodowym, kolejowym itp.
Elektrody stosowane w zgrzewaniu liniowym mają kształt krążków; obracają się one ruchem jednostajnym, co powoduje mechaniczny przesuw, np. łączonych blach. Zgrzewanie liniowe umożliwiają wykonanie połączeń szczelnych z cienkiej blachy: rur z szwem, pojemników, a także połączeń kształtowych, stosowanych w różnych dziedzinach przemysłu
Zgrzewanie garbowe jest odmiana zgrzewania punktowego. Garby mają najczęściej kształt czaszy kulistej i służą m.in. do usztywnienia części wykonanych z cienkich blach. W zgrzewaniu garbowym elektrody płaskie (płytowe) dociskają części, powodując miejscowe nagrzanie blach (garbów) i uzyskanie zgrzein punktowych. Garby powinny być na tyle sztywne, aby uległy tylko częściowemu zgnieceniu.
Zgrzewanie tarciowe
a) jeden z elementów zgrzewanych obraca się z wrzecionem
b) oba elementy zgrzewane wykonują ruch obrotowy
c) ruch obrotowy wykonuje wkładka umieszczona między elementami zgrzewanymi
1,2 - elementy zgrzewane; 3 - wkładka; 4 - podpórka; 5 - wypływka
Przebieg cyklu zgrzewania tarciowego.
Podstawowe parametry zgrzewania tarciowego:
- prędkość obrotowa tarcia, obr./min.;
- siła docisku tarcia, N;
- skrócenie elementów, mm;
- siła docisku spęczania, N;
- czas spęczania, s;
- czas hamowania, s.
Do podstawowych zalet tego procesu możemy zaliczyć:
1. wysoką wydajność procesu (czas maszynowy zgrzewania w zależności od wielkości przekroju i rodzaju zgrzewanych materiałów wynosi 1,0 30 s);
2. bardzo dobra jakość złączy; złącza mają drobnoziarnistą strukturę,
powtarzalność uzyskiwanych wyników;
3. możliwość łączenia materiałów różniących się znacznie własnościami fizycznymi;
4. możliwość zgrzewania złączy ze stosunkowo dużym naddatkiem technologicznym;
5. mała strefa wpływu ciepła;
6. urządzenia na których wykonuje się operacje zgrzewania nie wymagają wykwalifikowanej obsługi.
Do wad procesu zgrzewania tarciowego zaliczyć możemy przede wszystkim:
1. konieczne jest w większości przypadków usunięcie wypływki;
2. istnieje możliwość powstawania złącza niewspółosiowego (przy nieprawidłowych parametrach procesu);
3. ograniczony zakres stosowania tej metody wynikający z faktu, że jeden z łączonych elementów musi mieć w płaszczyźnie tarcia przekrój kołowy (lub zbliżony do kołowego), pełny lub pierścieniowy;
Zastosowanie zgrzewania tarciowego
Zgrzewanie tarciowe jest szeroko stosowane w przemyśle samochodowym, ponadto w przemyśle lotniczym, przez producentów narzędzi do skrawania, (wiertła, rozwiertaki, frezy, gwintowniki); w matrycach kuźniczych, narzędzia górnicze i elementy maszyn włókienniczych. Klasycznymi przykładami zastosowań są zawory ssące i wydechowe silników spalinowych, cylindry hydrauliczne, tłoczyska, części przekładni zębatych, wały napędowe i wały turbin. Obecnie można zgrzewać tarciowo części rurowe o grubości ścianki poniżej 1 mm. Istnieje też możliwość zgrzewania materiałów wytwarzanych technologią metalurgii proszków.
W rezultacie w wielu różnych gałęziach przemysłowych na całym świecie stosuje się zgrzewanie tarciowe do wytwarzania całkowicie niezawodnych spoin o wysokiej spójności zarówno w technice ogólnej jak i w zastosowaniach krytycznych ze względów bezpieczeństwa.
Zgrzewanie oporowe
Ciepło potrzebne do rozgrzania zgrzewanych elementów jest w tym wypadku wytwarzane przez przepływający przez nie prą elektryczny o stosunkowo dużym natężeniu. Pręty używane jako elektrody, przez które przepływa prąd, nagrzewają się wyłącznie w obszarze styku ze zgrzewanymi elementami. Podczas zgrzewania nie używa się dodatkowego metalu jako spoiwa, niepotrzebny jest także topnik ani gaz ochronny. Lecz z drugiej strony zasilacze muszą być w stanie zapewniać impulsowy przepływ prądu o oszałamiającym natężeniu, sięgającym nawet 50 tysięcy amperów (oczywiście w wyjątkowo wielkich urządzeniach).