Podstawowe metody spawania metali i stopów. Napięcie łuku

Osobliwe cechy spawania gazowego, łukowego elektrodą otuloną,  

Zobacz artykuł w wersji pdf

metodą MIG/MAG i spawania metodą TIG, powodują, że są one ciągle stosowane pomimo pojawiania się coraz bardziej zaawansowanych, wydajniejszych i doskonalszych metod spawalniczych (np. spawanie plazmowe czy laserowe).

Spawanie gazowe Spawanie gazowe jest jedną z najstarszych stosowanych obecnie metod spawania. Pierwszy płomień wodorowo-tlenowy zapłonął już w 1802 roku w USA. Francuzi Picard i Fouche zapalili pierwszy płomień tlenowo-acetylenowy jednak dopiero w 1901 roku. Należy wspomnieć tutaj o doniosłym wkładzie polaków w rozwój spawalnictwa, bowiem to skropleniu tlenu 1883 roku przez Wróblewskiego i Olszewskiego było podstawą do przemysłowej produkcji gazów stosowanych w spawalnictwie.

Spawanie gazowe polega stopieniu brzegów łączonych metali za pomocą ciepła płomienia spalanego gazu w atmosferze dostarczanego tlenu. Proces spawania może być prowadzony przy użyciu spoiwa lub bez jego dodatku (rys. 1). Podstawowe zastosowanie metody to spawanie naprawcze i remontowe, szczególnie w przypadkach kiedy zastosowanie innych metod jest niemożliwe (rys. 2). Za pomocą spawania gazowego można łączyć stal niestopową, żeliwo, mosiądz, miedź oraz aluminium. Metoda ta nie jest obecnie już stosowana do wytwarzania konstrukcji oraz gotowych wyrobów. Ze względu na bardzo dużą prędkość spalania oraz najwyższą temperaturę płomienia wynoszącą 3150°C podstawowym gazem palnym stosowanym do spawania gazowego jest acetylen.

Acetylen jest gazem o mniejszej gęstości od powietrza a więc zawsze gromadzi się w górnych warstwach zamkniętej przestrzeni (np. tuż pod dachem) i tworzy mieszankę wybuchową z powietrzem w bardzo szerokim zakresie stężeń tj. 2,3-82%. Acetylen wybucha przy ciśnieniu powyżej 0,15 MPa (1,5 bara) stąd transportowany i przechowywany jest w specjalnych butlach (o barwie czerwonej z białą literką N) wypełnionych masą porowatą i acetonem w którym jest rozpuszczony. Dzięki takim zabiegom ciśnienie w butli może być zwiększone do 1,5 MPa (15 barów) bez ryzyka wybuchowego rozpadu acetylenu. Zawory i reduktory w butli acetylenowej nie mogą być smarowane. Butla podczas poboru gazu, ze względu na ciekły aceton, musi być ustawiona w pozycji pionowej a pobór może wynosić maksymalnie 1000 l/h. Pamiętać również należy o tym aby pozostawiać ciśnienie w butli na poziomie nie mniejszym niż 0,05 MPa. Tlen jest cięższy od powietrza a więc gromadzi się w dolnych partiach przestrzeni (podłoga, kanały itp.). Sam w sobie nie wybucha i nie jest palny. Przechowywany i transportowany jest w butlach stalowych w których sprężany jest do 15 MPa (150 barów). Zaworów butli tlenowych nie wolno smarować i należy unikać wypływu tlenu na miejsca zabrudzone smarami gdyż kontakt smarów z tlenem powoduje ich zapalenie.  W skład stanowiska do spawania gazowego obok butli z acetylenem i tlenem wchodzą: bezpiecznik zabezpieczający przed cofaniem płomienia, reduktory, węże i palnik.

Palnik gazowy wyposażony jest w dwa zawory: tlenowy i acetylenowy. W zależności od ustawień stosunku tlenu do acetylenu rozróżnia się płomienie: normalny (stosunek tlenu do acetylenu wynosi λ = 1,0-1,2), nawęglający (λ > 1,2) i utleniający (λ < 1,0) (fot. 1). Do spawania stali stosuje się płomień normalny, do mosiądzu utleniający a do aluminium nawęglający.

Spawanie gazowe prowadzi się trzema technikami: w lewo, w prawo i pionowo. Charakterystyka metody i mała gęstość mocy powodują wprowadzenie bardzo dużej ilości ciepła do obszaru złącza. Elementy spawane ulegają silnemu przegrzaniu w obszarach bezpośrednio przyległych do spoiny a same elementy ulegają często znacznym odkształceniom. Wygląd lica i grani spoiny jest zdecydowanie najmniej korzystny spośród spoin wykonywanych powszechnie stosowanymi metodami spawalniczymi (fot. 2).

Spawanie elektrodą otuloną Zarówno tlen, jak i azot, występujące w atmosferze w dużych ilościach, mają bardzo niekorzystny wpływ na właściwości metali, szczególnie będących w stanie ciekłym. Dlatego też podczas spawania gazowego funkcję ochrony pełni redukujący tlenek węgla CO powstały z niecałkowitego spalenia acetylenu. Natomiast w przypadku spawania elektrodą otuloną funkcję tą przyjęła otulina elektrody. Podczas spawania otulina wytwarza osłonę gazową i żużel pokrywający spoinę (rys. 3). Rolą otuliny może też być rafinacja (oczyszczanie) ciekłego metalu czy nawet wprowadzanie pierwiastków stopowych.

Za pomocą spawania elektrodą otuloną można spawać: stale niestopowe, wysokostopowe, do pracy w podwyższonej temperaturze, żeliwo, miedź, aluminium, nikiel i stopy tych metali. Za pomocą elektrod otulonych prowadzi się również spawanie pod wodą.

Podstawową zaletą spawania elektrodą otuloną jest prostota i niski koszt stanowiska spawalniczego (źródło prądu i przewody) oraz mniejszy wpływ wietrznych warunków pogodowych na stabilność osłony jeziorka ciekłego metalu, niż ma to miejsce np. podczas spawania metodami MIG/MAG i TIG w warunkach polowych, o czym wspomnimy w kolejnym numerze.

Właściwości spoin wykonanych elektrodami otulonymi są zależne od zastosowanego rodzaju elektrody oraz w dużej mierze od umiejętności, percepcji i zdolności manualnych spawacza.

Z punktu widzenia metalurgii procesu spawania elektrody dzieli się na: kwaśne (oznaczone EA), zasadowe (EB), celulozowe (EC) i rutylowe (ER). Zdecydowanie najkorzystniejsze właściwości mechaniczne mają spoiny wykonane elektrodami zasadowymi, jednak do ich stosowania potrzebne jest źródło prądu stałego (prostownik spawalniczy), zdecydowanie droższe od łatwo dostępnego transformatora spawalniczego, zasilającego elektrodę prądem przemiennym, który można z łatwością nabyć w każdym hipermarkecie budowlanym czy sklepie narzędziowym. Ponadto elektroda zasadowa musi być bardzo dokładnie suszona przed użyciem, jej charakterystyka jarzenia wymaga dużych umiejętności spawacza, a powstały żużel jest trudno usuwalny. Zdecydowanie łatwiej spawa się bardzo popularnymi elektrodami rutylowymi czy kwaśnymi, które możemy podłączać zarówno do prądu stałego biegunowości dodatniej i ujemnej, jak i prądu przemiennego. Elektrody zasadowe znajdują zastosowanie zarówno do spawania stali niestopowych, jak i wysokostopowych odpornych na korozję, stali do pracy w podwyższonej temperaturze, czystego aluminium i jego stopu z krzemem (stop serii 4xxx), miedzi niklu i stopów tych metali. Elektrodami rutylowymi można spawać stale niestopowe i wysokostopowe odporne na korozję, zaś elektrodami kwaśnymi stal konstrukcyjną niestopową. Właściwości mechaniczne połączeń wykonanych elektrodami kwaśnymi jest zdecydowanie najmniejsza w porównaniu z właściwościami połączeń wykonanych innymi elektrodami.

Wydajność spawania elektrodami otulonymi jest niewielka, a jakość i estetyka połączeń spawanych jest mało satysfakcjonująca dla widocznych połączeń, od których wyglądu zależy estetyka całego elementu (fot. 3).

Podstawowe parametry procesu spawania, tj. rodzaj i natężenie prądu, podaje producent spoiwa na opakowaniu. Napięcie łuku jest z kolei parametrem wynikowym, zależy od jego długości i nie jest nastawialne na źródle prądu.

dr inż. Maciej Różański

Rys. 1. Schemat spawania gazowego.

Rys. 2. Przykłady zastosowania spawania gazowego z lustrem (a) i z wycięciem otworu roboczego w zabudowanym przewodzie rurowym (b).

Rys. 3. Schemat spawania elektrodą otuloną.

Fot. 1. Płomień normalny (a), nawęglający (b), utleniający (c).

Fot. 2. Widok lica spoiny wykonanej gazowo (blacha stalowa o grubości 4 mm).

Fot. 3. Widok lica spoiny wykonanej elektrodą otuloną (blacha stalowa o grubości 8 mm).

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