Temat: Zgrzewanie metali. Zgrzewanie elektryczne oporowe punktowe.

1. Cel ćwiczenia.

          Celem ćwiczenia jest zapoznanie z technologią zgrzewania punktowego i zwarciowego, obsługą zgrzewarki punktowej i zwarciowej oraz właściwościami połączeń zgrzewanych.

2. Wprowadzenie

              Zgrzewanie to sposób łączenia metali polegający na tym, że części metalowe w miejscu łączenia doprowadza się przez nagrzanie do stanu plastycznego (ciastowatego) lub do nadtopienia powierzchni łączonych przekrojów (zgrzewanie iskrowe) i następnie łączy się je z zastosowaniem odpowiedniej siły, np. przez kucie, prasowanie lub zgniatanie, bez używania metalu dodatkowego, tj. spoiwa. Zgrzewanie polega na uplastycznieniu brzegów elementów łączonych, silnym docisku, tak aby znalazły się one w odległości parametru sieci przestrzennej. Uplastycznienie odbywa się na skutek wydzielenia się ciepła w wyniku:

a)      przepływu prądu przez miejsce styku (zgrzewanie elektryczne),

b)     wzajemnego tarcia łączonych elementów (zgrzewanie tarciowe),

c)      zjawisko magnetostrykcj i związanych z nią drgań mechanicznych (zgrzewanie ultradżwiękowe),

d)     działania docisku (statycznego lub dynamicznego) – zgrzewanie zgniotowe,

e)      na zimno lub działania docisku wraz z zewnętrznym źródłem ciepła – zgrzewanie zgniotowe na gorąco (kuźniowe).

Zgrzewanie elektryczne ma bardzo szerokie zastosowanie, począwszy od maszynowego i budowlanego oraz przemysłu precyzyjnego. Punktowo można zgrzewać blachy o grubości nawet 40 mm. Najważniejszym elementem jest zgrzewarka składająca się z 3 następujących zespołów:

a)      energetycznego - (transformator o dużym przełożeniu nawet do 200). Transformator ma zadanie obniżyć napięcie sieciowe do napięcia zgrzewania (1 – 10V), a co za tym idzie zwiększyć wtórny prąd zgrzewania (1 – 100.000A). W tym celu uzwojenie pierwotne posiada dużą liczbę zwojów, podczas gdy na uzwojeniu wtórnym występuje najwyżej kilka uzwojeń.

b)     dociskowego – docisk może być realizowany w sposób mechaniczny, hydrauliczny lub pneumatyczny,

c)      sterowniczego – który realizuje wcześniej ustalony czas zgrzewania, a także steruje ruchem elektrod.

Innym istotnym elementem niezbędnym do zaistnienia procesu zgrzewania są elektrody. Wykonane są z miedzi elektrolitycznej, która odznacza się dobrym współczynnikiem przewodności elektrycznej i cieplnej. W celu lepszego odprowadzania ciepła (a także zwiększenia trwałości) elektrody są chłodzone wewnętrznie za pomocą wody.

Istota zgrzewania elektrycznego – na skutek przepływu prądu na styku dwuch łączonych metali wydziela się ciepło Q wg. zależności:

Q=I2Rt

              I – natężenie przepływającego prądu,

              R – rezystancja materiałów

              t – czas przepływu

ciepło to jest pomniejszone o straty związane przewodnością cieplną materiałów. Jedna z elektrod jest ruchoma, tak więc po silnym dociśnięciu jej do materiałów następuje przepływ prądu powodujący uplastycznienie łączonych elementów. Docisk w dalszym ciągu jest kontynuowany aż do momentu uzyskania zgrzeiny.

3.     Zależnie od źródła ciepła, które służy do nagrzania części łączonych do stanu plastycznego lub do nadtopienia powierzchni łączonych, rozróżniamy następujące zasadnicze rodzaje zgrzewania:

·     Zgrzewanie ultradźwiękowe wykorzystuje zjawisko magnetostrykcji, czyli powstawanie odkształceń sprężystych na skutek zmian pola magnetycznego. Elektrodą odkształcającą się jest tzw. synotroda z częstotliwością 100 kHz. Wykonana jest ze stopu: 49% żelaza, 49% kobaltu i 2% wanadu. Zgrzewanie to znalazło zastosowanie także do zgrzewania tworzyw sztucznych oraz cermetali

·         Zgrzewanie ogniskowe

Części łączone nagrzewa się w ognisku kowalskim do temperatury białego żaru, czyli do stanu ciastowatego. Następnie łączy się je za pomocą kucia młotami ręcznymi lub mechanicznymi.

W miejscu wykonanego złącza pozostawia się grubszą zgrzeinę dla zwiększenia wytrzymałości złącza.

·         Zgrzewanie gazowe

Przy tym rodzaju zgrzewania źródłem ciepła jest płomień gazu wodnego lub płomień acetylenowo-tlenowy, który przy miejscowym nagrzaniu doprowadza metal do stanu ciastowatego. Przez młotkowanie uzyskuje się połączenie trwałe.

·         zgrzewanie gazem wodnym

              Źródłem ciepła jest tu płomień gazu wodnego, który otrzymuje się przepuszczając parę wodną przez rozżarzony koks. Tworzy się wtedy mieszanina wodoru (H2) i tlenku węgla (CO), które w połączeniu dają gaz palny. Gaz ten i sprężone powietrze doprowadza się do specjalnego palnika, gdzie po zapaleniu tej mieszanki powstaje płomień o temperaturze ok. 1800°C. Płomień nagrzewa brzegi założone na zakładkę do temperatury ok. 1250°C.

Następnie przystępuje się do młotkowania młotkiem ręcznym lub mechanicznym. W płomieniu znajduje się pewna ilość nie spalonego wodoru i tlenku węgla, które chronią metal w miejscu nagrzewania przed dostępem tlenu i azotu z powietrza.       

·         zgrzewanie acetylenowo-tlenowe

Zgrzewanie to może być stosowane do łączenia materiałów o przekrojach okrągłych pełnych lub rur, a nawet blach o mniejszych wymiarach ze stali niskowęglowej i niskostopowej. Łączone dwa odcinki rury są nagrzewane w miejscu łączenia półpierścieniowymi palnikami wielopłomieniowymi do stanu ciastowatego, po czym następnie dociskane siłą w celu otrzymania połączenia.

·         Zgrzewanie termitowe

Ten rodzaj zgrzewania polega na wykorzystaniu do nagrzewania łączonych metali ciepła, które wydziela się w reakcji chemicznej podczas spalania termitu, tj. proszku składającego się z tlenku żelazawego i aluminium (FeO+Al).

·         Zgrzewanie elektryczne oporowe

Do zgrzewania elktryczno-oporowego, stosuje się energię elektryczną, która w skutek oporu zamienia się na ciepło, nagrzewając części łączone w miejscu ich styku do stanu ciastowatego lub topnienia.

Fazy zgrzewania oporowego elektrycznego:

-          po włączeniu prądu następuje wstępne nadtopienie materiałów na styku (wydzielane ciepło jest w tym czasie zużywane na stapianie materiału,

-          powiększa się ilość płynnego materiału , przy stałej temperaturze styku,

-          zatrzymanie przepływu prądu w momencie gdy jądro zgrzeiny osiągnie wymagany rozmiar,

-          krzepnięcie płynnego materiału jądra, a co za tym idzie trwałe połączenie zgrzewanych materiałów.

·         doczołowe zwarciowe

              Polega na łączeniu części metalowych, których końce są zamocowane w specjalnych szczękach zaciskowych, a powierzchnie zgrzewane stykają się ze sobą przez cały czas przepływu prądu. Po rozgrzaniu się części końców części zgrzewanych do stanu ciastowatego następuje dociśnięcie ich do siebie w celu otrzymania połączenia.

·         doczołowe iskrowe

polega na tym, że łączone ze sobą części metalowe po włączeniu prądu są kilkakrotnie do siebie zbliżane w celu wytworzenia łuku elektrycznego.

Łuk nadtapia powierzchnie części zgrzewanych i po dociśnięciu powstaje zgrzeina w postaci spęczonego rąbka. Zgrzeinę podaje się często przekuciu na gorąco w celu uzyskania większej wytrzymałości złącza, Technika ta jest stosowana przede wszystkim do długich elementów, na przykład prętów, rur i kształtowników. Chociaż zgrzewanie iskrowe jest podobne do doczołowego zgrzewania rezystancyjnego, jest ono w rzeczywistości całkowicie różne. W trakcie doczołowego zgrzewania rezystancyjnego zaobserwowano, że ilekroć brzegi czołowe nie są w doskonałym kontakcie, prąd przechodzi tylko przez kilka małych obszarów, co prowadzi do intensywnego lokalnego nagrzewania i szybkiego topienia, tworząc łuki, które gwałtownie wyrzucają stopiony metal ze złącza, z powodu związanych z tym pól magnetycznych (zjawisko wyiskrzania).

Podstawowe parametry zgrzewanie iskrowego:

- prędkość wyiskrzania

- naddatek na wyiskrzanie

- natężenie prądu ( moc jednostkowa, gęstość prądu lub napięcie wtórne stanu jałowego)

- prędkość spęczania

- docisk spęczania

- naddatek na spęczanie

- długość mocowania

Szorstkość początkowych powierzchni stykowych złącza musi być tego rzędu, aby zapewnić wystarczającą ilość dobrze rozłożonych punktów styku w celu wytworzenia równomiernego iskrzenia na całej powierzchni złącza. Po spęczeniu, profil złącza winien wykazywać charakterystyczny profil trój żebrowy wskazujący na przeprowadzenie właściwej operacji zgrzewania. Niektóre typowe zastosowania to : obręcze kół (rowerów) wytwarzane z pierścieni zgrzewanych iskrowo, prostokątne ramy (okien i drzwi) itp.

Zgrzewanie doczołowe polega na łączeniu czołami ele­mentów dowolnego, kształtu (pręty, kształtowniki, ru­ry, blachy, odkuwki itp.) pod warunkiem mniej wię­cej jednakowych wielkości powierzchni łączonych prze­krojów.

Łączone elementy dosuwa się tak, aby lekko stykały się ze sobą. Po nagrzaniu do temperatury topnienia następuje dociśnięcia i zgrzewanie. Przy zgrzewaniu dużych przekrojów (powyżej 0 20) przed właściwą ope­racją zgrzewania stosuje się czasem wstępne ogrzewa­nie przekrojów przez kilkakrotny lekki styk. Następnie dopiero włącza się automatyczny posuw z automatycz­ną regulacją natężenia prądu, podczas którego nastę­puje silne iskrzenie i docisk spęczający metal w miej­scu łączenia. Zarówno iskrzenie jak spęczanie wymagają stosowa­nia pewnych naddatków wymiarowych, dostosowanych do wielkości powierzchni przekrojów w celu wyrówna­nia straty długości elementów zgrzewanych. Dla prę­tów o średnicy 5 mm naddatek na iskrzenie wynosi 2,5 mm, na spęczanie 1 mm. Przy zwiększeniu średnicy do 10 i 30 mm naddatki wzrastają odpowiednio: iskrze­nie 5 i 15 mm, spęczenie 2 i 5 mm. Rolę elektrod za­ciskających zgrzewane elementy spełniają szczęki mie­dziane, z których jedna jest ruchoma. W czasie zgrze­wania ruchomą szczękę przesuwa się (ręcznie, mechani­cznie lub hydraulicznie) aż do zetknięcia elementów. Rzadziej spotykaną odmianą zgrzewania doczołowego jest zgrzewanie zwarciowe, przy którym zjawisko iskrzenia nie zachodzi, gdyż styki po zetknięciu się po­zostają silnie zwarte aż do powstania złącza. Zgrzewa­nie zwarciowe wymaga dokładniejszego przygotowania powierzchni styku, wyniki wytrzymałościowe są gorsze. Typowe roboty wykonywane metodą zgrzewania do­czołowego polegają na łączeniu: kształtowników, rur, płaskowników, prętów do zbrojenia żelbetu, obręczy kół samochodowych i rowerowych, ram, okien i drzwi metalowych, ogniw łańcuchowych, części aparatów ele­ktrycznych, szyn kolejowych.

·         punktowe

              Stosuje się do łączenia cienkich blach (do 2 mm) układanych do zgrzewania na zakładkę. Blachy dociska się do siebie za pomocą dwóch elektrod kłowych wykonanych ze stopu miedzi, do których dopływa z transformatora prąd o dużym natężeniu. W miejscu docisku blachy rozgrzewają się do stanu ciastowatego wskutek przepływu prądu elektrycznego i pod naciskiem elektrod kłowych łączą się ze sobą zgrzewane metale.

Fazy zgrzewania punktowego:

-          dociśnięcie do siebie elementów elektrodami zgrzewarki,

-          nagrzewanie elementów w miejscu łączenia do temperatury w której tworzy się płynne jądro zgrzeiny,

-          z chwilą wyłączenia prądu zachodzi stygnięcie jądra zgrzeiny i powstanie jednolitego połączenia

Zgrzewanie punktowe stosuje się przy łączeniu elementów wykonanych ze stali węglowych  i stopowych, niklu, tytanu, aluminium i ich stopów oraz niektórych stopów miedzi.

Zgrzewanie punktowe polega na łączeniu za pomocą szeregu „punktów" dwóch elementów cienkościennych ułożonych jeden na drugim, np. blach na zakładkę: 1, 2 - elektrody, 3 - blachy zgrzewane, 4 - zgrzeina punktowa, 5 - rurka doprowadzająca wodę chłodzącą, 6 - przepływ prądu zgrzewania, de średnica powierzchni roboczej elektrody.Metoda ta jest szczególnie przydatna w wielkoseryj-nej i wielooperacyjnej produkcji lekkich elementów i konstrukcji przestrzennych, występujących przede wszystkim w budowie pojazdów mechanicznych, samo­lotów, taboru kolejowego i broni. Część zgrzein w postaci szwów lub gniazd punktowych ma znaczenie drugorzędne i przy ich wykonywaniu można stosować parametry w dość szerokich przedzia­łach. Zgrzeiny nośne natomiast wymagają doświad­czalnego doboru parametrów i sprawdzania wyników zgrzewania za pomocą badań wytrzymałościowych. Po­nadto ze względu na zjawisko bocznikowania prądu zgrzewania przez zgrzeiny sąsiednie musi być zacho­wany między nimi pewien minimalny odstęp : dla szwów punktowych

g = 0,25-M mm; ei = 2,5d; e2 = 1,5(1

g = 1H-4 mm; ei = 3-^4d; e2 = l,75d

g = 4-^5 mm; ei = 5d; e2 = 2d

dla szwów liniowych ei = 0,5 d

·         garbowe

              Jest odmianą zgrzewania punktowego. Przy tym sposobie zgrzewania wielkość i rozmieszczenie poszczególnych punktów łączenia z góry są określone przez wytłoczenie garbów na jednej z łączonych blach. Zgrzewanie garbowe rozwinęło się jako ulepszenie zgrzewania punktowego. W tym sposobie łączenia wielkość i rozmieszczenie punktów zgrzewania są z góry określone przez wytłoczenie garbów na jednej z części łączonych: 1 - elektrody, 2 - blacha gładka, 3 - blacha z garbami, 4 - zgrzeina garbową). Po zaciśnięciu obu części na odpowiedniej prasie - zgrzewarce między płaskimi elektrodami oraz jedno­czesnym przepuszczeniu prądu silnie nagrzane garby ulegają spłaszczeniu; otrzymuje się w tych punktach zgrzeiny podobne do zgrzein punktowych. Zgrzewanie garbowe stosuje się głównie do złącz przylgowych, przy tym szereg punktów może być wy­konywanych przez jedną parę wspólnych płaskich ele­ktrod lub przez szereg oddzielnych elektrod dla każdego punktu. Kolejne fazy zgrzewania. Zgrzewanie garbowe stosuje się także do łączenia śrub i kołków ze ścianami płaskimi; rolę garbu może spełniać zaostrzony koniec kołka (a): pierścień wytoczony na kołku (b), lub występy wykonane na łbie kołka lub śruby. Przykłady zastosowania zgrzewania garbowego. Zaletami metody są: możliwość wy­konania kilku zgrzein garbowych w jednej operacji, duża jednostajność wyników, dobry wygląd przedmiotu (nie ma wgnieceń). Do wytłaczania garbów niezbęd­ne są prasy i odpowiednie tłoczniki. Ustawienie przed­miotów na zgrzewarkach wymaga często skomplikowa­nego oprzyrządowania. Dlatego przygotowanie produkcji jest przy tej metodzie dość kosztowne i opłacalne tylko przy produkcji wielkoseryjnej. Wymiary garbów wyno­szą: h = (0,3-~l)g; d = (2-r-4)g.

·         Liniowe

              Stosuje się do łączenia cienkich blach (poniżej 2 mm). Blachy założone na zakładkę przeciąga się między dwiema napędzanymi elektrodami krążkowymi przewodzącymi prąd elektryczny i dociskanymi do blach . Stosując elektrody krążkowe I i 2, obracające się ze stałą prędkością i pod stałym dociskiem otrzymuje się zgrzeiny punktowe położone tak blisko siebie (na ogół stosuje się przerywany dopływ prądu), że jedna za­chodzi na drugą i zamiast szwu punktowego powstaje szew liniowy. Wielkość podziałki zależy od wymaganej szczelności szwu. Praktyczna granica grubości blach zgrzewanych linio­wo wynosi 2 mm dla stali niskowęglowych i ...