Technologie łączenia materiałów opracowanie PDF

Preview

Summary

Opracowanie ćwiczeń z laboratoriów z przedmiotu Technologie Łączenia Materiałów ...

Description

Spawanie gazowe, acetylenowo-tlenowe 1. Charakterystyka płomienia acetylenowo-tlenowego (zakresy temperaturowe, reakcje chemiczne, strefy płomienia) Płomień spawalniczy powstaje w wyniku spalania gazu palnego z tlenem. Płomień powinien dostarczać ilości ciepła niezbędnej do stapiania spoiwa i brzegów materiału podstawowego, zapewniać ochronę przed szkodliwym oddziaływaniem powietrza oraz nie może powodować utleniania materiału spawanego. Strefy płomienia acetylenowo-tlenowego: - jąderko – ma kształt cylindra z zaokrąglonym czołem, tworzy je mieszanka acetylenu z tlenem; wewnątrz jąderka nie ma spalania, zaczyna się ono na powierzchni jąderka i rozprzestrzenia w kierunku strefy redukcyjnej i kity płomienia - strefa redukcyjna (odtleniająca, robocza) – zachodzi w niej pierwszy etap spalania, w którego trakcie powstają produkty niezupełnego spalania acetylenu czyli tlenek węgla i wodór, cechują się one właściwościami redukcyjnymi C₂H₂ + O₂ → 2CO + H₂ + 446kJ H₂ → 2H – 427kJ powstaje: CO ok. 60%, H₂ ok. 20% i H ok. 20% - kita – zachodzi drugi etap spalania, powstaje dwutlenek węgla i para wodna, tlen do utworzenia tych związków jest pobierany z powietrza 2CO + O₂ → 2CO₂ + 570kJ 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 485,7kJ

Rodzaje płomienia acetylenowo-tlenowego - normalny - utleniający - nawęglający (w zależności od stosunku tlenu do acetylenu dostarczanych do palnika)

2. Rodzaje gazów używanych przy spawaniu gazowym Jako gaz palny najczęściej stosuje się acetylen, sporadycznie wodór lub propan-butan. Jako gaz podtrzymujący palenie stosuje się tlen sprężony 3. Rola bezpiecznika wodnego Zabezpiecza wytwornicę przed powrotem płomienia – w przeciwnym razie grozi to rozerwaniem wytwornicy 4. Budowa palnika inżektorowego

5. Budowa butli gazowych

6. Charakterystyka spawania gazowego Trwałe połączenie materiałów uzyskuje się na skutek oddziaływania ciepła wydzielającego się w płomieniu. Płomień powstaje przez spalanie gazu palnego z tlenem (lub rzadziej z powietrzem). Proces może być prowadzony z lub bez użycia spoiwa. Jako gazu palnego najczęściej używa się acetylenu. Zalety: -możliwość kontroli przez spawacza ilości wprowadzanego ciepła i materiału dodatkowego - prostota procesu i stosunkowo niska cena zakupu i eksploatacji urządzeń spawalniczych - mała skłonność do utwardzania i tworzenia się pęknięć w wyniku łagodnego i zachodzącego z małą

prędkością nagrzewania materiału podstawowego - możliwość stosowania w warunkach polowych, gdy brak jest zasilania w energię elektryczną Wady: - mała wydajność procesu - mała prędkość nagrzewania i szeroka, silnie utleniona i przegrzana strefa wpływu ciepła (w porównaniu z metodami łukowymi) - duże odkształcenie cieplne spawanych elementów - wysoka cena tlenu i gazów palnych w porównaniu z ceną energii elektrycznej Spawanie tlenowo-gazowe może być stosowane do łączenia wielu materiałów, przede wszystkim: - stali niestopowych i niskostopowych - niskostopowych stali żarowytrzymałych - żeliwa - niektórych metali nieżelaznych i ich stopów np. mosiądzu, ołowiu Najczęściej za pomocą spawania gazowego łączy się materiały o grubości 1,5-5mm. Spawanie acetylenowo-tlenowe nie jest obecnie stosowane w produkcji przemysłowej, jedynie w pracach instalacyjnych i remontowych, do spawania żeliwa na gorąco, niekiedy ołowiu, miedzi i jej stopów. Stosuje się je na budowach i w niedużych warsztatach (do naprawy i regeneracji maszyn rolniczych, samochodów, zbiorników cienkościennych) 7. Pozycje spawania Podczas spawania ręcznego spawacz trzyma palnik w jednej, a spoiwo w drugiej ręce. Metody spawania gazowego (nazwy od tego w jakim kierunku wykonywane jest spawanie i w jakim kierunku skierowany jest płomień palnika podczas spawania) - spawanie w lewo - do metali i grubości poniżej 3mm (3-4mm) polega na prowadzeniu palnika od strony prawej do lewej, spoiwo jest prowadzone przed palnikiem; płomień palnika roztapia brzegi metalu tworząc otworek w dolnej części spawanego materiału, otworek musi być utrzymany przez cały czas pracy; spoiwo prowadzi się ruchem skokowym – podnosi się je nieco ponad powierzchnię spawanego metalu i przesuwa do przodu, po utworzeniu otworka drut zbliża się do jeziorka płynnego metalu, a krople ciekłego metalu spływają z końca spoiwa do jeziorka; - Płomień spawalniczy jest zwrócony wzdłuż osi złącza w kierunku przemieszczania palnika i nagrzewa jeszcze nie połączone brzegi spawanych elementów. Spoiwo podaje się od czoła płomienia, wykonując lekkie ruchy postępowo-zwrotne tak, aby stopione krople spływały do jeziorka ciekłego metalu, a koniec spoiwa znajdował się stale w strefie redukcyjnej płomienia zalety: możliwość uzyskania równomiernej, gładkiej powierzchni lica; mały wkład energii; przydatność do spawania blach cienkich - spawanie w prawo - do metali o grubości powyżej 3mm (4-15mm) spoiwo posuwa się za palnikiem od strony lewej do prawej, palnik prowadzi się równomiernie ruchem prostoliniowym wzdłuż brzegów spawanych (bez ruchów poprzecznych); spoiwem trzymanym w jeziorku stopionego metalu wykonuje się ruch w kierunku poprzecznym do spoiny; - płomień spawalniczy jest zwrócony w kierunku spoiny, a koniec spoiwa w kierunku zgodnym z kierunkiem spawania. Palnik przesuwa się równomiernie. Spoiwo wykonuje lekkie ruchy zakosowe w kształcie półksiężyca, pozostając przez cały czas w płynnym jeziorku spawalniczym zalety: gwarantowany przetop grani, efektywne wykorzystanie energii, mała prędkość chłodzenia po zakończeniu spawania, lepsze w porównaniu z techniką w lewo ochronne działanie kity płomienia wady: niezbyt równa, falista powierzchnia lica spoiny - spawanie w górę - do metali wszystkich grubości elementy spawane są ustawione pionowo, a palnik i spoiwo przesuwa się z dołu do góry; palnik prowadzi się równomiernym ruchem prostoliniowym, a spoiwo ruchem skokowym 8. Przygotowanie materiału do spawania Należy oczyścić powierzchnie łączonych elementów z brudu, śladów oleju i innych zanieczyszczeń, usunąć

warstwę tlenkową lub zgorzelinę. Sposób czyszczenia oraz narzędzia i środki czyszczące należy dobrać w zależności od materiału. Następnie należy wykonać pozycjonowanie i mocowanie elementów przygotowanych do spawania. Niewłaściwe mocowanie może spowodować przesunięcie elementów podczas spawania, a przez to powstanie niezgodności spawalniczych czyli m.in. braku przetopu, przemieszczenia brzegów, podtopień. Przygotowanie materiałów do spawania: - dokładne oczyszczenie brzegów spawanych materiałów ze wszystkich zanieczyszczeń - dokładne ustawienie elementów spawanych względem siebie, zależnie od typu złącza - ustawienie elementów spawanych bez możliwości przesunięcia się podczas spawania - zukosowanie brzegów na V,Y lub X, zależnie od ich grubości - posczepianie łączonych materiałów z zachowaniem wymaganego odstępu między brzegami łączonymi i prawidłowe rozmieszczenie spoin sczepnych - podgrzewanie wstępne, w przypadku spawania stali o podwyższonej zawartości węgla, w celu uniknięcia podhartowania strefy wpływu ciepła 9. Materiały dodatkowe do spawania gazowego Do większości typów złączy zalecanych do spawania tlenowo-gazowego (z wyjątkiem doczołowych złączy brzeżnych) jest wymagane stosowanie materiałów dodatkowych. Spoiwo jest dostarczane w postaci prętów o średnicy 0,6-8,0mm i długości 500-1000mm. np. spoiwa cynowo-ołowiowe, miedziane, mosiężne, brązowe, aluminiowe 10. Parametry spawania gazowego - temperatura płomienia [°C] - gęstość mocy [kW/mm²] - prędkość spalania [m/s] 11. Stanowisko do spawania gazowego Składa się ze źródła gazów spawalniczych (butla, wytwornica, sieć), reduktora, bezpiecznika (suchego lub wodnego), węży, palnika

Ćw. 2 Cięcie termiczne tlenowe oraz plazmowe Cięcie – proces rozdzielania materiału na całej jego grubości, według określonej linii podziału, zwykle prostopadle do powierzchni ciętego przedmiotu 1. Charakterystyka metod cięcia termicznego tlenowego i plazmowego Cięcie tlenowe – polega na miejscowym spalaniu (intensywnym utlenianiu) metalu strumieniem czystego tlenu, przy współdziałaniu lokalnego podgrzania tego metalu ciepłem uzyskiwanym ze spalania mieszanki tlenu i gazu palnego; Cięcie tlenowe polega na doprowadzeniu metalu na osnowie żelaza w obszarze cięcia do temperatury zapłonu, powyżej której następują reakcje egzotermiczne tlenu z żelazem. Strumień tlenu z dużą prędkością utlenia i nadtapia cięty metal na całej jego grubości i wyrzuca ze szczeliny cięcia swą energią kinetyczną produkty reakcji utleniania i ciekły metal. Przesuwanie palnika wzdłuż linii cięcia z odpowiednią prędkością zapewnia ciągły proces cięcia. Podgrzewanie obszaru cięcia do odpowiedniej temperatury odbywa się ciepłem spalania gazu palnego, którym najczęściej jest acetylen. Stosuje się również propan, propylen, gaz ziemny i propadien metylo-acetylenu. Proces cięcia tlenem może być prowadzony ręcznie lub w sposób zmechanizowany we wszystkich pozycjach, nawet w trudno dostępnych miejscach. Podstawowym elementem urządzenia do cięcia tlenem jest palnik, jego zadaniem jest utworzenie płomienia podgrzewającego przez zmieszanie gazu palnego i tlenu w odpowiedniej proporcji oraz doprowadzenie do obszaru cięcia koncentrycznego strumienia tlenu tnącego. Tlen tnący musi być o dużej czystości (powyżej 99,5%), decyduje ona o sprawności i jakości procesu cięcia. Acetylen jest stosowany najpowszechniej jako gaz palny ze względu na wysoką temp. płomienia Cięcie plazmowe – polega na miejscowym stapianiu materiału i usuwaniu go za pomocą zjonizowanego w łuku plazmowym gazu, który wypływa z dużą prędkością z dyszy plazmowej; Cięcie łukiem plazmowym (cięcie plazmowe) – polega na stapianiu i wyrzucaniu metalu ze szczeliny cięcia silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą nietopliwą a ciętym przedmiotem. Plazmowy luk elektryczny to silnie zjonizowany gaz o dużej energii kinetycznej, przemieszczający się z dyszy plazmowej, zawężającej się w kierunku szczeliny cięcia, z prędkością bliską prędkości dźwięku. Temperatura strumienia plazmy mieści się w granicach 10 000 – 30 000 K i jest zależna od natężenia prądu, stopnia zwężenia łuku oraz rodzaju i składu gazu plazmowego. Do cięcia plazmowego jest stosowany prąd stały z biegunem ujemnym podłączonym do elektrody. Zasilanie łuku odbywa się za pomocą prostowników lub inwertorowych źródeł prądu. Zajarzenie łuku głównego i rozpoczęcie cięcia umożliwia łuk pomocniczy (powstaje on dzięki krótkotrwałym impulsom o wysokim napięciu. Jonizuje on wstępnie przestrzeń między elektrodą a dyszą i zmniejsza oporność tego obszaru. Proces cięcia plazmowego można prowadzić w sposób ręczny, zautomatyzowany i zrobotyzowany. Jako gaz plazmowy stosuje się powietrze, azot, tlen oraz mieszanki gazowe: argon-wodór, azot-wodór, argon-azot-wodór. 2. Parametry metod cięcia tlenowego i plazmowego Cięcie tlenowe: - średnica i kształt dyszy tlenowej w mm - ciśnienie tlenu tnącego w kPa - ciśnienie gazu palnego i tlenu płomienia podgrzewającego w kPa - prędkość cięcia w m/min Cięcie plazmowe: - natężenie prądu w A - napięcie łuku w V - prędkość cięcia w m/min - rodzaj i ciśnienie w MPa oraz natężenie przepływu gazu plazmowego w l/min - rodzaj i ciśnienie w MPa oraz natężenie przepływu gazu ochronnego (pomocniczego) w l/min - rodzaj i konstrukcja elektrody - średnica dyszy zawężającej w mm - położenie palnika względem ciętego przedmiotu

3. Warunki cięcia tlenowego i zachodzące reakcje chemiczne Warunki (żeby możliwe było cięcie tlenem): - metal spala się w tlenie, a reakcja spalania jest egzotermiczna - temperatura zapłonu metalu w tlenie jest niższa od temperatury jego topnienia - temperatura topnienia powstających tlenków (żużla) jest niższa od temp. topnienia przecinanego metalu; żużel powinien być rzadkopłynny, łatwy do wydmuchnięcia - współczynnik przewodnictwa cieplnego ciętego metalu powinien być mały - ilość lotnych produktów reakcji, pochodzących ze spalania składników stopowych i zanieczyszczeń materiału ciętego, powinna być na tyle niewielka, aby nie spowodowała nadmiernego pogorszenia czystości strumienia tlenu - ilość ciepła wydzielonego w procesie spalania oraz w płomieniu podgrzewającym powinna na tyle przewyższać straty ciepła do otoczenia i do materiału ciętego, aby było możliwe ciągłe utrzymywanie w szczelinie temp. wyższej niż temp. inicjacji zapłonu W procesie spalania żelaza zasadnicze znaczenie ma reakcja egzotermiczna 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ + 1120 kJ/mol w wyniku której następuje ciągłe intensywne nagrzewanie metalu do temperatury zapłonu na czole wypalanej szczeliny. Stopiony metal (do ok. 20% jego masy) częściowo utleniony, jest usuwany wraz z tlenkami przez strumień tlenu tnącego Reakcje: 1. Fe + O → FeO + Q (272 kJ/mol) 2. 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ + Q (1117 kJ/mol) 3. 2Fe + 1,5O₂ → Fe₂O₃ + Q (825 kJ/mol) Nr.2 – reakcja egzotermiczna utleniania żelaza, dużą ilość ciepła podtrzymuje sprawny przebieg procesu cięcia nr. 3 – występuje gdy cięcie jest prowadzone z dużym nadmiarem tlenu, co występuje przy cięciu bardzo grubych płyt 4. Jakość otrzymywanej powierzchni po cięciu tlenowym/plazmowym – wykaz zależności Po cięciu tlenowym: Zwykle po cieciu tlenem jest wymagane wyrównanie ciętych krawędzi za pomocą obróbki mechanicznej. W celu zapewnienia odpowiedniej jakości ciętych krawędzi lub zwiększenia prędkości cięcia stosuje się podgrzewanie wstępne (dla stali węglowych 200-300°C), zmniejsza to gradient temp. w stali i stąd mniejsze naprężenia cieplne i odkształcenie ciętych przedmiotów.

Po cięciu plazmowym: Chropowatość jest cechą charakterystyczną jakości powierzchni po cięciu plazmowym. Jest związana z istnieniem rowków, usytuowanych na powierzchni cięcia, których kierunek zwykle jest zgodny z kierunkiem wypływu strumienia plazmowego. Rowki te tworzą się w wyniku nierównomiernego posuwu uchwytu podczas cięcia, drgań układów prowadzących i napędowych przecinarek oraz wszelkich zakłóceń stabilności parametrów procesu cięcia. 5. Materiały przeznaczone do cięcia tlenowego/plazmowego Cięcie tlenowe: Praktycznie tylko żelazo oraz niestopowe i niskostopowe stale i staliwa spełniają warunki, więc tylko one mogą być cięte tlenem z gwarancją uzyskania zadowalającej powierzchni powstałe po cięciu (gładkiej, bez nawisów żużla i nadtopionych krawędzi. Żeliwo, stale wysokostopowe oraz metale nieżelazne i ich stopy nie spełniają warunków i nie mogą być cięte tlenem. Stale zawierające niewielkie ilości pierwiastków odpornych na utlenianie, takich jak nikiel czy chrom, mogą być cięte tlenem. Dopiero przy dużych zawartościach tych pierwiastków występujących w stalach odpornych na korozję cięcie tlenem jest niemożliwe lub konieczne jest zastosowanie specjalnej techniki cięcia. Stale węglowe są z łatwością cięte tlenem i jeśli zawartość węgla nie przekracza 0,25% uzyskuje się wysoką jakość ciętych powierzchni. Cięcie tlenem jest stosowane do cięcia przedmiotów stalowych o grubościach od ok. 3mm do ok. 2000mm Cięcie plazmowe: zaletą jest możliwość cięcia wszystkich metali; możliwe jest cięcie wszystkich materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny; materiały niemetaliczne mogą być cięte jedynie palnikami plazmowymi o łuku niezależnym; Cięcie plazmowe jest stosowane do wszystkich materiałów przewodzących prąd elektryczny (metale i stopy). Zastosowanie uchwytu z łukiem niezależnym (między elektrodą a dyszą plazmową) umożliwia cięcie materiałów niemetalicznych (tworzywa sztuczne, szkło, guma itp.).

Ćw. 3 Spawanie elektrodą otuloną 1. Biegunowość prądu spawania i jej wpływ na warunki prowadzenia procesu Biegunowość prądu stałego ma wpływ na prędkość stapiania elektrody i głębokość wtopienia w materiał spawany. Decyduje też o charakterze przenoszenia metalu w łuku. Przy biegunowości ujemnej uzyskuje się większą prędkość stapiania, a przy biegunowości dodatniej większą głębokość wtopienia. 2. Rodzaje elektrod wraz z ich charakterystyką - cienkootulona - średniootulona - grubootulona - proszkowa - wielowarstwowa

Elektrody są zwykle produkowane o średnicach rdzeni 1,6-16mm i długości 250-450mm. Stosuje się elektrody o różnej grubości w stosunku do średnicy rdzenia, a ich nazwy zależą od właściwości chemicznych składników otuliny. 

Elektrody o otulinie kwaśnej (A)

Otulina zawiera dużą ilość tlenków żelaza i odtleniaczy. Powstający podczas spawania kwaśny żużel przyczynia się do drobnokroplowego (natryskowego) przechodzenia metalu w łuku i uzyskania spoin o płaskim i gładkim licu. Można spawać w pozycji podolnej, nabocznej i w ograniczonym zakresie w pozycjach przymusowych. Stopiwo tych elektrod w stosunku do pozostałych rodzajów elektrod wykazuje większą tendencję do powstawania pęknięć krystalizacyjnych. Elektrody kwaśne zazwyczaj nie wymagają suszenia. Elektrodami otulonymi kwaśnymi spawa się zazwyczaj prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie. 

Elektrody o otulinie zasadowej (B)

W otulinie są zawarte przede wszystkim węglany wapnia i magnezu oraz fluoryt. Elektrody te charakteryzują się wysoką plastycznością stopiwa, również w niskich temperaturach, oraz wysoką odpornością na pękanie zimne i gorące. Można spawać we wszystkich pozycjach oprócz pozycji z góry na dół, do której stosuje się elektrody zasadowe o zmodyfikowanym składzie otuliny. Elektrodami zasadowymi spawa się prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie, a przejście metalu w łuku do jeziorka spawalniczego odbywa się zazwyczaj grubokroplowo. 

Elektrody o otulinie celulozowej (C)

Powszechnie stosowane do wykonywania prac spawalniczych i montażowych pod gołym niebem, szczególnie do spawania rurociągów przemysłowych. Można spawać we wszystkich pozycjach. Łatwo wykonać warstwę graniową. Można wykonać ściegi przetopowe elektrodami o średnicy 4mm i większej. Mniejsza wrażliwość na dokładność przygotowania złącza. Mała wrażliwość na panujące warunki atmosferyczne. Wysoka wydajność spawania. Elektrod celulozowych się nie suszy, ponieważ najkorzystniejsze właściwości spawalnicze są gdy zawartość wody w otulinie wynosi co najmniej 3%. Elektrodami otulonymi celulozowymi spawa się zazwyczaj prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie. 

Elektrody o otulinie rutylowej (R)

Są to elektrody o uniwersalnym zastosowaniu. Zawierają w otulinie rutyl (TiO₂) oraz odtleniacze: żelazomangan i żelazokrzem. Często w celu zwiększenia wydajności spawania do otuliny wprowadza się proszek żelaza. Ze względu na przenoszenie kropel metalu w łuku (średniokroplowe i drobnokroplowe) elektrody te są często

przydatne do spawania cienkich elementów. Można spawać bez problemu we wszystkich pozycjach z wyjątkiem pionowej z góry na dół (spawanie utrudnione). Po spawaniu otrzymuje się ładną spoinę z licem o drobnej łuskowatości. Elektrody te zazwyczaj nie wymagają suszenia. Elektrodami rutylowymi spawa się zazwyczaj prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie. Poza tym istnieją kombinacje wymienionych elektrod np. o otulinie rutylowo-kwaśnej (RA), rutylowo-zasadowej (RB), rutylowo-celulozowej (RC) itd. 3. Funkcje otuliny elektrodowej wraz z funkcjami żużla Funkcje otuliny: - osłona łuku przed dostępem atmosfery - łatwe zajarzanie łuku spawalniczego - stabilizacja łuku spawalniczego - wprowadzenie do obszaru spawania pierwiastków odtleniających, wiążących azot i rafinujących ciekły metal spoiny - wytworzenie powłoki żużlowej na powierzchni ciekłego jeziorka spoiny i krzepnącego metalu spoiny - regulacja składu chemicznego spoiny Powyższe funkcje otuliny służą do zapewnienia wymaganej jakości i własności eksploatacyjnych złącza spawanego. Funkcje żużla: - regulacja wielkości przenoszonych kropel stopiwa - zabezpieczenie kropli ciekłego metalu stopiwa i jeziorka spawalniczego przed dostępem gazów z atmosfery - ochrona i formowanie krzepnącego ściegu spoiny i opóźnienie jego stygnięcia - regulacja składu chemicznego spoiny 4. Zjawisko ugięcia łuku elektrycznego, sposoby zapobiegania Poważną wadą spawania prądem stałym jest zjawisko ugięcia łuku, wynikające z oddziaływania wytworzonego przez prąd spawania pola magnetycznego w spawanym przedmiocie i pola magnetycznego wokół elektrody. Pole magnetyczne stałe lub zmienne, w zależności od rodzaju prądu spawania, otacza łuk i zgodnie z regułą lewej dłoni działa nań siła elektrodynamiczna Lorentza, gdy łuk zna...