Podstawy spajania metali. Nierozłączna spoina

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf

Już od zarania dziejów ludzkość zmaga się z problemem łączenia elementów z różnych materiałów konstrukcyjnych w jedną funkcjonalną całość. Początkowo były to bardzo prymitywne połączenia wiązane czy klinowe, z czasem jednak stosowanie coraz nowocześniejszych materiałów, przystosowanych do bardziej ekstremalnych warunków eksploatacji, wymagało wyższych parametrów użytkowych połączeń tych materiałów. Wymagania stawiane technologią łączenia ewaluowały, przybierając różne formy i postacie. Coraz liczniejsze i bardziej zaawansowane metody łączenia zaczęto grupować i klasyfikować. I tak podstawowy podział, jaki obecnie funkcjonuje, to podział na połączenia elementów nieulegających uszkodzeniu podczas ich rozłączenia (połączenia rozłączne, np. klinowe, wpustowe, sworzniowe, kołkowe, gwintowe, sprężyste, rurowe) oraz takie, które ulegają zniszczeniu podczas rozłączania (połączenia nierozłączne, np. spawane, lutowane, zgrzewane, skurczowe, wtłaczane, nitowane). Jak widać wśród połączeń nierozłącznych dominują połączenia tworzone za pomocą technologii spawalniczych (spawanie, zgrzewanie, lutowanie). Oczywiście, z biegiem czasu i postępu, technologie spawalnicze ewaluowały aż do formy dzisiejszej, w wielu wypadkach bardzo zaawansowanej i skomplikowanej (np. spawanie laserowe, elektronowe itp.).

Podstawowy podział Podstawowe grupy metod spajania wraz z przykładowymi metodami spawalniczymi przedstawiono na rys. 1. W przypadku spawania trwałe połączenie uzyskuje się dzięki miejscowemu stopieniu materiału podstawowego (zwanego również rodzimym lub łączonym), z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa, za pomocą ciepła płomienia gazowego, łuku elektrycznego, wiązki laserowej, elektronowej lub ciepła reakcji chemicznej redukcji tlenków żelaza przez aluminium (spawanie termitowe). W przypadku zgrzewania połączenie materiałów uzyskuje się poprzez dociśnięcie do siebie łączonych części bez ich podgrzewania lub z podgrzewaniem do stanu uplastycznienia. W przypadku zgrzewania każdorazowo występuje docisk. W przypadku lutowania stosowany jest materiał dodatkowy (lut) o niższej temperaturze topnienia aniżeli temperatura topnienia materiałów łączonych. Widać więc, że sposób tworzenia połączenia w każdej z grup jest inny. Każde złącze będzie więc miało zupełnie inną geometrię (rys. 2). Geometria zaś będzie determinowała właściwości połączeń i zasady ich projektowania w zależności od wybranej metody spajania.

W każdej z trzech ww. grup rozróżnia się wiele metod, a każda z nich znajduje określone zastosowanie do wykonywania nierozłącznych połączeń metali.

Należy mieć świadomość, że nie wszystkie materiały konstrukcyjne nadają się do tworzenia połączeń za pomocą dowolnej technologii spawalniczej. O ile stal niestopowa, np. w gat. S355J2+N, jest materiałem bardzo łatwo spawalnym, zgrzewalnym i lutowalnym, zarówno między sobą, jak i innymi stalami o dobrej spawalności, o tyle np. połączenie stali narzędziowej szybkotnącej między sobą lub połączenia stali z mosiądzem nie da się wykonać za pomocą spawania, natomiast lutowanie tych układów materiałowych nie przysparza większych trudności. Jeszcze inne materiały metalowe, jak np. popularny w odlewaniu klamek czy okuć okiennych stop ZnAl (znal), nie dają się ani spawać, ani zgrzewać czy lutować. Ze względu na powyższe, polska norma wprowadziła następującą definicję spajalności (pojęcie obejmujące spawalność, zgrzewalność i lutowalność): „Spajalność wyraża przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie do utworzenia w określonych warunkach spajania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności”.

W pracach instalatorskich oraz w budownictwie stosunkowo rzadko stosuje się zgrzewania, dlatego też w dalszych częściach publikacji uwagę skupimy tylko na technologiach spawania i lutowania.

Rodzaje spoin, typy złączy Budowę złącza spawanego w złączu doczołowym ze spoiną czołową oraz w złączu teowym ze spoiną pachwinową oraz metodę wyznaczania grubości spoin przedstawiono na rys. 3.

Spoiny, w zależności od rodzaju, dzieli się na: czołowe, pachwinowe, otworowe i brzeżne. Spoiny czołowe łączą elementy w taki sposób, że zostaje zachowana ciągłość przekroju tych elementów (element zostaje przetopiony na całej grubości). W przypadku spoin pachwinowych ciągłość przekroju nie jest zachowana i w spoinie występuje spiętrzenie naprężeń znacznie większe niż w spoinach czołowych. W zależności od wzajemnego usytuowania części względem siebie rozróżnia się następujące rodzaje złączy: doczołowe, zakładkowe, narożne, grzbietowe, teowe, krzyżowe.

Technika spawania Niezależnie od metody spawania wykonanie każdego złącza wymaga przeprowadzenia kilku następujących czynności:

* przygotowanie brzegów łączonych części do spawania (ukosowanie brzegów),

* czyszczenie łączonych brzegów,

* dopasowanie i sczepianie łączonych części konstrukcji.

Każda z powszechnie stosowanych metod umożliwia wtopienie na pewną głębokość materiału podstawowego (w przypadku elektrody otulonej na ok. 8 mm, metody TIG do ok. 4 mm, metody MAG do ok. 12 mm). W przypadku gdy konieczne jest uzyskanie pełnego przetopienia na całej grubości materiału, znacznie przekraczającego grubością maksymalną głębokość wtopienia stosowanej metody spawania, konieczne jest ukosowanie brzegów materiału łączonego tak, aby umożliwić jego przetopienie na całej grubości.

Sposób ukosowania brzegów materiału łączonego zależy od metody spawania, grubości łączonych części, kształtu złącza, a także rodzaju spawanego materiału. Kształt i wymiary podane są w odpowiednich normach (PN-EN ISO 9692-1:2008).

Przed spawaniem, jak i przed każdym innym procesem spawalniczym, z brzegów złączy oraz z przylegającej powierzchni metalu należy usunąć zgorzelinę, rdzę, resztki smarów, farb, a materiał powinien zostać dokładnie osuszony. Czyszczenie to ma na celu usunięcie potencjalnych źródeł wodoru, który stanowi przyczynę porowatości spoin. Najczęściej stosowanymi metodami oczyszczania brzegów elementów łączonych jest szczotkowanie, piaskowanie i szlifowanie, a niekiedy (np. przy stopach aluminiowych) odtłuszczanie i trawienie. Należy przy tym pamiętać, że dla pewnych grup materiałów należy stosować specjalnie do nich przeznaczone materiały czyszczące, np. do wysokostopowej stali nierdzewnej można stosować jedynie szczotki do tego rodzaju stali. Również materiały dodatkowe do spawania, tj. gazy ochronne, nie mogą zawierać wilgoci, a elektrody i druty spawalnicze nie mogą być zardzewiałe, wilgotne itp.

Łączone elementy konstrukcji muszą być odpowiednio usytuowane i dopasowane z zachowaniem wymaganych odstępów i zgodnie z dokumentacją techniczną. W celu zachowania ustalonego położenia części podczas spawania, poszczególne elementy są najczęściej łączone ze sobą krótkimi spoinami, zwanymi spoinami sczepnymi. W przypadkach, kiedy nie możemy dopuścić do powstawania odkształceń spawalniczych, należy stosować przeciwodkształcenia, tj. stosować odkształcenia wstępne konstrukcji przed spawaniem tak, aby odkształcenie spawalnicze spowodowało uzyskanie zamierzonej geometrii złącza. Czasami, zamiast przeciwodkształceń, elementy spawane mocuje się w specjalnym oprzyrządowaniu ustalającym i niedopuszczającym do powstawania odkształceń spawalniczych.

dr inż. Maciej Różański

Rys. 1. Grupy metod spajania wraz z podstawowymi metodami spawalniczymi.

Rys.2. Makrostruktura (widok przekroju poprzecznego) połączenia spawanego miedzi (a), zgrzewanego mosiądzu (b), lutowanego stali (c).

Rys. 3. Budowa złącza doczołowego ze spoiną czołową o grubości t (a) oraz teowego ze spoiną pachwinową dwustronną o grubości a (b).

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij