1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest teoretyczne i praktyczne zapoznanie się ze sposobami spawania. 2.Wiadomości teor...
6 downloads
34 Views
5MB Size
1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest teoretyczne i praktyczne zapoznanie się ze sposobami spawania.
2.Wiadomości teoretyczne Spawanie to proces łączenia polegający na nadtopieniu brzegów elementów łączonych, wymieszaniu powstałego stopiwa i ich stopienia oraz doprowadzenia do powtórnej krystalizacji roztopionych miejsc. Jeśli źródłem ciepła użytego do roztopienia brzegów będzie energia spalającego się gazu to będzie spawanie gazowe, jeśli energia łuku elektrycznego – elektryczne. Procesy spawalnicze prowadzone są na ogół przy użyciu skupionych źródeł ciepła, powodujących miejscowe nagrzanie do temperatur zależnych od własności materiału rodzimego oraz rodzaju stosowanego procesu. Spawanie odbywa się z dodawaniem lub bez dodawania spoiwa oraz bez stosowania jakiegokolwiek nacisku lub uderzenia. Rozróżnia się następujące rodzaje spawania: gazowe, elektryczne, łukiem krytym, żużlowe, w osłonie argonu, w osłonie dwutlenku węgla, plazmowe, elektronowe i inne.
a. Spawanie łukowe ręczne ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙
Inne nazwyspawanie łukowe elektrodą otuloną, spawanie elektryczne. Sposób pracy ręczny Źródło ciepła łuk elektryczny Osłona jeziorka głównie topnik, częściowo gaz wytwarzany przez topnik. Zakres prądu 25¸350A Moc cieplna0,5¸11kJ/s
Zasada działania spawacz zajarza łuk między końcem elektrody a metalem rodzimym przedmiotu. Łuk stapia metal rodzimy i elektrodę tworząc jeziorko spawalnicze, które jest osłaniane przez warstwę stopionego topnika i gaz wytwarzany przez topnik stanowiący otulinę rdzenia elektrody. Spawacz przesuwa elektrodę w kierunku jeziorka w celu utrzymania stałej długości łuku, równocześnie przesuwając ją w kierunku spawania. Wartość natężenia prądu jest nastawiana w źródle prądu. Długość elektrod jest znormalizowana i najczęściej wynosi 450 mm Jeżeli elektroda stopi się do długości ok.50 mm, wtedy spawacz przerywa łuk. Zestalony żużel należy usunąć z powierzchni spoiny i kontynuować spawanie nową elektrodą. Typowe zastosowania wytwarzanie zbiorników ciśnieniowych, kadłubów okrętowych, konstrukcji stalowych, łączenie rur i rurociągów, budowa i naprawa maszyn.
Oznaczenia elektrod Elektrody otulone do ręcznego spawania łukowego oznacza się literą E. Dzieli się je na dwie klasy w zależności od własności wytrzymałościowych stopiwa. Elektrody których stopiwo ma wytrzymałość na rozciąganie w granicach : 430 510 MPa oznacza się symbolem 43 510 610 MPa oznacza się symbolem 51. Rodzaj otuliny oznacza się następującymi literami: A — kwaśna, AR — kwaśnorutylowa, B — zasadowa, C — celulozowa, O — utleniająca, R — rutylowa (elektroda średniootulona), RR — rutylowa (elektroda grubootulona), S — inny rodzaj otuliny. Zależnie od przydatności do spawaniaw : 1 — wszystkie pozycje, 2 — wszystkie pozycje z wyjątkiem pionowej przy układaniu spoiny na dół, 3 — podolna i naboczna, 4 — podolna, 5 — podolna, naboczna, naścienna, pionowa przy układaniu spoiny na dół. W zależności od uzysku stopiwa, elektrody oznacza się następująco: elektrody o uzysku stopiwa 105% — bez oznaczenia, elektrody o uzysku stopiwa 105 115°/o — symbol 110, elektrody o uzysku stopiwa 115 125% — symbol 120, elektrody o uzysku stopiwa 125 135°/o — symbol 130. Przebieg procesu spawania w znacznym stopniu uzależniony jest od umiejętności operatora (spawacza). Ustalone w warunkach technologicznych spawania konkretnej konstrukcji parametry spawania stanowią dla operatora dane wyjściowe, do których dostosowuje swe doświadczenie spawalnicze i zdolności manualne. Do podstawowych parametrów spawania elektrodą otuloną należą: Natężenie prądu Długość łuku Napięcie łuku , Prędkość spawania , Średnica elektrody i jej położenie względem złącza. Przebieg procesu spawania w znacznym stopniu uzależniony jest od umiejętności operatora (spawacza). Ustalone w warunkach technologicznych spawania konkretnej konstrukcji parametry spawania stanowią dla operatora dane wyjściowe, do których dostosowuje swe doświadczenie spawalnicze i zdolności manualne.
Do podstawowych parametrów spawania elektrodą otuloną należą: ∙ Rodzaj natężenia prądu spawania, ∙ Napięcie łuku, ∙ Prędkość spawania, ∙ Średnica elektrody i jej położenie względem złącza. a) Natężenie prądu spawania dobiera się zazwyczaj na podstawie danych katalogowych producenta. Parametr ten w największym stopniu decyduje o energii cieplnej łuku, a więc głębokości wtopienia i prędkości stapiania. Przy stałej średnicy elektrody, ze wzrostem natężenia prądu, wzrasta temperatura plazmy łuku, wzrasta wydajność stapiania i ilość stapianego metalu spawanego oraz głębokość, szerokość i długość jeziorka spoiny. Dobór natężenia prądu spawania zależy od rodzaju spawanego materiału, rodzaju elektrody, jej średnicy, rodzaju prądu, pozycji spawania oraz techniki układania poszczególnych ściegów spoiny. b) Napięcie łuku proporcjonalne jest do długości łuku i wywiera wyraźny wpływ na charakter przenoszenia metalu w łuku, prędkość spawania i efektywność układania stopiwa. Ze wzrostem napięcia łuku wzrasta jego energia i w efekcie objętość jeziorka spoiny. Szczególnie wyraźnie zwiększa się szerokość i długość jeziorka. Przy stałym natężeniu prądu podwyższenie napięcia łuku nieznacznie wpływa na głębokość wtopienia. Długość łuku regulowana jest przez operatora i zależy od jego umiejętności manualnych i percepcji wizualnej. Dobór napięcia łuku zależy od rodzaju elektrody, pozycji spawania, rodzaju i natężenia prądu oraz techniki układania ściegów spoiny. c) Prędkość spawania jest prędkością, z jaką elektroda przesuwana jest wzdłuż złącza spawanego. Prędkość spawania rozpatrywana może być jako prędkość przemieszczania się końca elektrody, ale również jako prędkość wykonania jednego metra złącza i wtedy uwzględnione są wszystkie czasy pomocnicze, np. czas wymiany elektrody, oczyszczania poprzedniego ściegu itd. Prędkość przesuwania łuku wzdłuż złącza zależy od: ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙
Rodzaju prądu, jego biegunowości i natężenia, Napięcia łuku, Pozycji spawania, Prędkości stapiania elektrody, Grubość spawanego materiału i kształtu złącza, Dokładności dopasowania złącza, Wymaganych ruchów końcówki elektrody.
d) Średnica elektrody otulonej decyduje o gęstości prądu spawania, a przez to o kształcie ściegu spoiny, głębokości wtopienia i możliwości spawania w pozycjach przymusowych. Zwiększenie średnicy elektrody, przy stałym natężeniu prądu, prowadzi do obniżenia głębokości wtopienia i zwiększenia szerokości spoiny. Prawidłowo dobrana średnica elektrody to ta, przy której dla prawidłowego natężenia prądu i prędkości spawania uzyskuje się spoinę o wymaganym kształcie i wymiarach, w możliwie najkrótszym czasie. e) Pochylenie elektrody względem złącza pozwala na regulację kształtu spoiny, głębokości wtopienia, szerokości lica i wysokości nadlewu tablica 1. Pochylenie elektrody w kierunku przeciwnym do kierunku spawania powoduje, że siła dynamiczna łuku wciska ciekły metal jeziorka do przodu i maleje głębokość wtopienia, a wzrasta wysokość i szerokość lica. Pochylenie elektrody w kierunku spawania powoduje, że ciekły metal wciskany jest do tylnej części jeziorka, wzrasta głębokość wtopienia, a maleje szerokość i wysokość lica.
Rodzaj spoiny
Pozycja spawania
Pochylenie elektrody w Pochylenie elektrody w Skierowanie elektrody w stosunku do stosunku do osi stosunku do kierunku płaszczyzny złącza prostopadłej spoiny spawania 5 10 90 Przeciwnie lub 10 30 80 100 5 10 Przeciwnie
Czołowa
Podolna
Czołowa
Naścienna Pionowa z 90 dołu do góry Pułapowa 90
Czołowa Czołowa
Pachwinowa Naboczna
45
Pionowa z 35 55 dołu do góry Pachwinowa Pułapowa 30 45 Pachwinowa
5 10
Zgodnie
5 10 5 10 lub 10 30
Przeciwnie
5 10
Zgodnie
5 10
Przeciwnie
Przeciwnie
b. Spawanie acetylenowotlenowe ∙ ∙ ∙ ∙
Inna nazwaspawanie gazowe Sposób pracyręczny Źródło ciepłapłomień gazowy Osłona jeziorka produkty spalania; topnik w przypadku innych metali niż stal.
Zasada działania u wylotu końcówki o specjalnej budowie, zamocowanej do korpusu palnika, spala się mieszanina tlenu z acetylenem. Za pomocą tego płomienia spawacz stapia metal rodzimy uzyskując jeziorko spoiny. W miarę potrzeby doprowadza ręcznie spoiwo w postaci drutu do przedniego brzegu jeziorka. W celu uzyskania jednolitego postępującego stapiania spawacz powinien przesuwać palnik wzdłuż brzegów złącza. Zastosowaniewyroby lekkie, takie jak przewody wentylacyjne; rurociągi o małych średnicach.
c. Spawanie TIG ∙ ∙
Sposób pracyręczny, Źródło ciepłałuk elektryczny,
∙ ∙
Osłona jeziorkagaz obojętny, Zakres natężenia prądu10300A
Zasada działania łuk jarzy się między końcem elektrody wolframowej a metalem rodzimym złącza. Elektroda się nie stapia, ,a spawacz utrzymuje stałą długość łuku. Wartość natężenia prądu jest nastawiana na źródle prądu. Spoiwo zwykle jest dostępne w postaci drutu o długości 1m. Doprowadza się je w miarę potrzeby do przedniego brzegu jeziorka. Jeziorko jest osłaniane przez gaz obojętny wypierający powietrze z obszaru łuku. Jako gaz ochronny najczęściej stosowany jest argon.
Obecnie spawanie TIG jest jednym z podstawowych procesów wytwarzania konstrukcji, zwłaszcza ze stali wysokostopowych, stali specjalnych, stopów niklu, aluminium, magnezu, tytanu i innych. Spawać można w szerokim zakresie grubości złączy, od dziesiętnych części mm do nawet kilkuset mm. Spawanie TIG prowadzone może być prądem stałym lub przemiennym.
d. Spawanie MIG/MAG ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙
Inne nazwy spawanie łukowe w osłonie gazowej, spawanie półautomatyczne, spawanie w osłonie CO2. Sposób pracy ręczny, z możliwością użycia mechanicznego przemieszczania prowadnika elektrody. Źródło ciepła łuk elektryczny. Osłona jeziorka gaz nie reagujący z metalem spawanym. Zakres natężenia prądu 60 ¸ 500A. Moc cieplna 1¸25kJ/s.
Zasada działania łuk jarzy się między końcem elektrody a metalem rodzimym w linii złącza. Elektroda jest przesuwana ze stałą prędkością za pomocą silnika o nastawnej prędkości obrotowej. Prąd zależy od prędkości podawania elektrody. Długość łuku jest utrzymywana przez źródło prądu, a spawacz powinien prowadzić wylot prowadnika elektrody na stałej wysokości nad jeziorkiem(zwykle kilkanaście mm). Przestrzeń łukowa i spawany metal są osłaniane gazem dobranym odpowiednio do spawanego metalu. Gazami powszechnie używanymi są: argon, argon z dodatkiem 5% tlenu lub 20% dwutlenku węgla albo czysty dwutlenek węgla. Typowe zastosowani wyrób o średniej grubości łączonych elementów, cienkie blachy. Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonach gazowych (MIGspawanie w osłonach gazów obojętnych, MAGspawanie w osłonach gazów
aktywnych), jest obecnie jedną z najpowszechniej stosowanych metod spawania konstrukcji. Dokładna osłona łuku jarzącego się między elektrodą topliwą a spawanym materiałem zapewnia, że spoina formowana jest w bardzo korzystnych warunkach. Spawanie MIG/MAG polega na stapianiu materiału spawanego i materiału elektrody topliwej ciepłem łuku elektrycznego jarzącego się pomiędzy elektrodą topliwą i spawanym przedmiotem, w osłonie gazu obojętnego lub aktywnego. Metal spoiny formowany jest z metalu stapiającego się drutu elektrodowego i nadtopionych brzegów materiału spawanego. Podstawowe gazy ochronne stosowane do spawania MIG/MAG to gazy obojętne argon, hel oraz gazy aktywne; CO , H , 2 2 O , N , i NO, stosowane oddzielnie lub tylko jako dodatki do argonu czy helu. 2 2
e. Spawanie atomowe (wodorowe ) Spawanie atomowe jest zwane wodorowym, gdyż odbywa się w atmosferze wodoru. Nośnikiem ciepła jest wodór atomowy (H). Łuk jarzy się między dwiema elektrodami wolframowymi.
f. Spawanie plazmowe Temperatura plazmy jest od kilku do kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Plazma jest to silnie zjonizowany gaz, z którego zdmuchnięto część powłoki elektronowej. Do cięcia używa się plazmy 20000°C, do mikro używa się plazmy 510000°C. Plazmę uzyskuje się z argonu lub azotu.
g. Spawanie elektronowe Wykorzystywane jest w przemyśle lotniczym ze względu na wysoką jakość spoin odbywa się w próżni bez dodawania spoiwa nośnikiem energii jest wiązka elektronów. Spoina ma charakter nożowy z minimalną strefą wpływu ciepła. W materiałach uderzają elektrony wpływają do środka i są hamowane topi się oddają energię i rozrywają powierzchnię (proces cykliczny).
h. Spawanie hybrydowe – LASER – GMA (LASER MIG/MAG. Metoda spawania hybrydowego łączy zalety metody spawania laserowego oraz metody GMA. Wiązka lasera zapewnia uzyskanie głębokiego wtopienia przy niskiej energii liniowej, natomiast zastosowanie drutu elektrodowego metody GMA zapewnia wypełnienie szczeliny rowka spawalniczego. Do najważniejszych zalet metody należą: ∙ zwiększona szybkość spawania w stosunku do spawania laserowego nawet do 50% przy zachowaniu wąskiej i głębokiej spoiny, ∙ towarzyszący łuk spawalniczy umożliwia zastosowanie źródeł laserowych o obniżonej mocy w stosunku do spawania laserowego dla określonej grubości blach, ∙ zwiększona tolerancja przygotowania brzegów łączonych elementów, ∙ zwiększona stabilność procesu spawania, ∙ zmniejszenie odkształceń.
Schemat procesu
Proces spawania hybrydowego pozwala na kilkukrotne zredukowanie liczby ściegów koniecznych do wykonania złącza w stosunku do metod tradycyjnych. Dodatkowo dzięki niskiej energii liniowej eliminowane są odkształcenia oraz naprężenia spawalnicze.
Główną zaletą w porównaniu do metody spawania laserowego jest zmniejszenie wrażliwości na dopasowanie elementów, co wiąże się ze znaczącym obniżeniem kosztów ponoszonych w związku z przygotowaniem materiałów do spawania. Zastosowanie drutu elektrodowego metody GMA pozwala na wpływanie za pomocą spoiwa na własności metalurgiczne złącza, wykonywanie spoin pachwinowych oraz napoin. Niższa szybkość chłodzenia w porównaniu do spawania laserowego powoduje obniżenie twardości spoin. Spoiny wykonane metodą spawania hybrydowego cechują się wysoką jakością, na rysunku powyżej przedstawiono przekrój spoin wykonanych poszczególnymi metodami. Metoda spawania hybrydowego znajduje zastosowanie głównie do łączenia blach doczołowo w zakresie grubości od 2 do 16 mm (przy większych grubościach w kilku przejściach), spawania rur oraz wykonywania spoin pachwinowych (w kilku przejściach) dla szerokiej gamy materiałów:
∙ ∙ ∙ ∙
stali stopowych i wysokostopowych, aluminium i jego stopów, stopów NiCr, blach karoseryjnych (oraz innych powlekanych).
Głównymi sektorami przemysłu, w których intensywnie rozwijana jest technika spawania hybrydowego są przemysł motoryzacyjny, stoczniowy oraz przy tworzeniu rurociągów.
3. Przebieg ćwiczenia Podczas laboratorium mieliśmy okazję zapoznać się z urządzeniami do spawania łukowego ręcznego oraz do spawania metodą MAG( spawanie w osłonie dwutlenku węgla . Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną jest procesem, w którym trwałe połączenie uzyskuje się przez stopienie ciepłem łuku elektrycznego topliwej elektrody otulonej i materiału spawanego. Łuk elektryczny jarzy się między rdzeniem elektrody pokrytym otuliną i spawanym materiałem. Elektroda otulona przesuwana jest ręcznie przez operatora wzdłuż linii spawania i ustawiona pod pewnym kątem względem złącza. Spoinę złącza tworzą stopione ciepłem łuku rdzeń metaliczny elektrody, składniki metaliczne otuliny elektrody oraz nadtopione brzegi materiału spawanego(rodzimego). Udział materiału rodzimego w spoinie, w zależności od rodzaju spawanego metalu i techniki spawania, wynosić może 1040%. Łuk spawalniczy może być zasilany prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną lub dodatnią. Osłonę łuku stanowią gazy i ciekły żużel powstałe w wyniku rozpadu otuliny elektrody pod wpływem ciepła łuku. Skład osłony gazowej w zależności od składu chemicznego otuliny, stanowią CO , CO, H O oraz produkty ich rozpadu. Spawanie 2 2 rozpoczyna się po zajarzeniu łuku między elektrodą otuloną a spawanym przedmiotem; intensywne ciepło łuku, o temperaturze w środku łuku dochodzącej do 6000 K, stapia elektrodę, której metal przenoszony jest do jeziorka spoiny. Przenoszenie metalu rdzenia elektrody otulonej w łuku spawalniczym może odbywać się w zależności od rodzaju otuliny , grubokroplowo, drobnokroplowo lub nawet natryskowo. Ilość tworzącego się gazu i żużla osłaniających łuk oraz ich skład chemiczny zależą od rodzaju otuliny elektrody i jej grubości. Stosuje się otuliny o różnej grubości w stosunku do średnicy rdzenia, a ich nazwy: rutylowe, kwaśne, zasadowe, fluorkowe, cyrkonowe, rutylowozasadowe, celulozowe itd., zależne są od właściwości chemicznych składników otuliny. Elektrody produkowane są zwykle o średnicy rdzenia w zakresie 1,6 do 6,0 mm i długości od 250 do 450 mm.
Różne elementy niezbędne podczas spawania metodą SMAW
Zdjęcie 1 i 2 . Przedstawia urządzenie do spawania łukowego i stół spawalniczy z elementami do spawania.
Metoda MAG ( Metal active gas ) oznacza to, że osłona CO 2 wykazuje pewien stopień aktywności do utleniania. Jest to odmiana spawania łukowego, lecz charakteryzuje się płaską charakterystyką ( wysoka stabilność procesu spawania ). Ciśnienie podawanego gazu (ciśnienie pracy ) regulowane jest przez przepływomierz ( rotametr ). Przykładowe schematy urządzeń do spawania metodą M AG:
Uchwyt spawalniczy 1.rękojeść 2.dysza 3.zał. i wył. prądu 4.przewód sterowniczy 5.łącznik przewodu CO 2 6.łącznik przewodu dopr. drut i prąd elektryczny Urządzenie do spawania metodą MAG 3.amperomierz 4.przepływomierz 7.regulator posuwu drutu 10.przełącznik zmiany zakresów 1,2,3 Natężenie regulowane jest prędkością wysuwu elektrody.
Wnioski: Spawanie w osłonie CO 2 ma bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle z uwagi na duże korzyści ekonomiczne wynikające z tej metody a mianowicie: 1. ograniczenie zastosowania kosztownych elektrod otulonych 2. uniknięcie częstych przerw w spawaniu spowodowanych wymianą elektrody i usuwaniem żużla 3. zwiększenie dwukrotne prędkości spawania Metoda ta ma jednak pewne wady jedną z nich może być to , że musimy zapewnić dobre prowadzenie drutu, czyli przewód doprowadzający nie może być dłuższy niż ok. 5m , po za tym nie może być zagięty. Podstawowa różnica w stosunku do innych metod spawania polega na tym, że w metodzie MMA elektroda ulega skróceniu. W metodzie TIG oraz MIG/MAG długość elektrody pozostaje przez cały czas niezmieniona i odległość pomiędzy uchwytem a elementem spawanym jest przez cały czas stała. W metodzie MMA, aby utrzymać stałą odległość pomiędzy elektrodą a jeziorkiem spawalniczym, uchwyt elektrody musi być przez cały czas przesuwany w kierunku spawanego elementu co powoduje, że umiejętności spawacza odgrywają szczególną rolę. Cechy użytkowe metody spawania elektrodą otuloną Zalety: ○ ○ ○ ○ ○ ∙
możliwość spawania różnych rodzajów i gatunków metali i stopów: stale niestopowe i stopowe, żeliwa, nikiel, miedź i jej stopy, możliwość spawania w każdej pozycji, w warunkach polowych (przy niewielkim wietrze), na wysokościach a nawet pod wodą, wysoka jakość spoin, dobre własności mechaniczne, możliwość spawania cienkich elementów (praktycznie od 1,5mm) i grubych (spoiny o grubościach powyżej 4mm zaleca się wykonywać wielowarstwowo), wykorzystywanie prostych w obsłudze, łatwo przenośnych i stosunkowo tanich urządzeń do spawania MMA.
Wady: ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
niska wydajność spawania (ok. 15 kg stopiwa/godz.), szczególnie dokuczliwa przy spawaniu grubych elementów, mała prędkość spawania (ok. 0,10,4 m/min.), konieczność usuwania żużla i wymiany elektrod co dodatkowo zmniejsza wydajność procesu, jakość spoin mocno uzależniona od umiejętności spawacza, duża wrażliwość na wilgoć – szczególnie elektrod zasadowych, stosunkowo duży koszt materiałów spawalniczych (elektrod) w porównaniu do innych metod, duża ilość wydzielanych gazów i dymów spawalniczych.
Zastosowanie metody spawania elektrodą otuloną Spawanie elektrodą otuloną jest stosowane we wszystkich warunkach i dlatego jest najbardziej uniwersalną metodą w całej branży spawalniczej. Metoda MMA to metoda uniwersalna ze względu na gatunek spawanej stali, rodzaj konstrukcji, pozycję i miejsce spawania. Główne zastosowanie to spawanie konstrukcji stalowych w przemyśle stoczniowym i w większości branż produkcyjnych, spawanie rurociągów, w pracach instalacyjnych na budowach, spawanie w warunkach polowych i na wysokościach oraz w miejscach o utrudnionym dostępie. Jest to również ulubiona metoda hobbystów oraz małych warsztatów naprawczych.