TECHNIKI WYTWARZANIA

Temat: Scharakteryzuj metody łączenia metali

Najbardziej powszechną metodą łączenia ze sobą różnych metali jest oczywiście spawanie, lutowanie lub zgrzewanie. Każda z tych technik ma swoje specjalne zastosowanie do określonych warunków oraz typów łączonych materiałów. Wiadomym jest, że nie każdy metal można ze sobą polutować lub zespawać. Jedne są zbyt delikatne, a innych nie da się połączyć poprzez samo lutowanie. Wyroby metalowe takie jak stal głównie stosowane są w przemyśle ciężkim i spoiwa muszą być bardzo wytrzymałe, dlatego tutaj stosuje się różne techniki spawania.

METODY NIEROZŁĄCZNE

Metody spawania:

• spawanie gazowe 311-G ;: najczęściej przy spalaniu acetylenu w temperaturach do 3100°C, stosowane jest do spajania blach o grubości od 0,4 mm do 40 mm.

• spawanie elektryczne: z wykorzystaniem spawarki – urządzenia opierającego swą pracę na zjawisku łuku elektrycznego w temperaturach do 4000 °C, stosowane jest do spajania blach o grubości od 1 mm do 80 mm.

• Spawanie elektrodami otulonymi (Metoda 111)

• spawanie łukiem krytym

• spawanie w osłonie gazów

• Metoda MIG 131 (Metal Inert Gas) – jest to spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego (AR, He, Ar + He). Metoda ta jest stosowana do spawania i napawania we wszystkich pozycjach w sposób automatyczny lub półautomatyczny.

• Metoda MAG 135 (Metal Active Gas) – jest to spawanie łukowe w osłonie gazu aktywnego chemicznie (CO₂, CO₂ + gaz obojętny).

• Spawanie łukowe drutem rdzeniowym.

• Metoda TIG 141 (Tungsten Inert Gas) – jest to spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych (Ar, He, Ar + He). Umożliwia ona spawanie prawie wszystkich metali i ich stopów oraz łączenie ze sobą różnych metali i stopów. Uzyskiwany metal spoiny jest stopem roztopionej części materiału rodzimego i spoiwa (drut, pręt, pałeczka) podawanego w strefę jarzenia się łuku. Częściej stosowane są stopy zbliżone składem do materiału rodzimego jednak z domieszkami, które powodują poprawę jakości połączeń spawanych w różnych jej aspektach. TIG charakteryzuje się możliwością stosowania we wszystkich pozycjach.

• Spawanie laserowe wykorzystuje wiązkę o dużej gęstości energii (około 1 MW/cm²). Efektem spawania laserowego jest mała szerokość strefy wpływu ciepła i niskie oddziaływania temperatury na konstrukcję, szybkie odprowadzanie ciepła i stygnięcie spoiny. Możliwa do uzyskania szerokość uzyskiwanych spoin to 0.2mm do 13mm, praktycznie wykorzystywane są głównie spoiny o małych szerokości. Głębokość penetracji materiału przez wiązkę laserową jest proporcjonalna do energii zasilania, ale zależy również od lokalizacji punktu skupienia wiązki. Maksymalizacje przenikania wiązki uzyskuje się, gdy punkt skupienia znajduje się nieco poniżej powierzchni łączonych materiałów.

Spawanie laserowe stosowane jest do spawania stali stopowych, wysokowytrzymałych stali niskostopowych (HSLA), stali węglowych, aluminium i tytanu.

• Spawanie plazmowe - metoda spawania z wykorzystaniem ogniskowania łuku elektrycznego.

Do wytworzenia plazmy, czyli zjonizowanego gazu wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej temperatury. Podobnie jak podczas spawania metodą TIG, łuk przy spawaniu plazmowym powstaje pomiędzy nietopliwą elektrodą wolframową, a materiałem podstawowym. Temperatury występujące w łuku w metodzie TIG są rzędu 6 000°C, a kolumna łuku ma kształt stożka. Natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania poza zawężeniem łuku jest wzrost jego temperatury do około 20 000°C. Gaz ten wypływając z dyszy jako zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania z oczkiem. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnymodkształceniu po spawaniu. Umożliwia także uzyskiwanie prędkości spawania o 40–80% wyższe niż przy metodzie TIG.

• Spawanie hybrydowe jest kombinacją spawania laserowego i spawania łukowego z elektrodą topliwą.

Metoda ta łączy w sobie szybkość spawania laserowego z zaletami spawania w osłonie gazowej elektrodą topliwą. Stopiony materiał elektrody wypełnia połączenie. Istotną cechą tej metody jest uzyskiwanie spoin elastyczniejszych niż przy spawaniu laserowym przy zachowaniu dużej szybkości procesu.

• Spawanie żużlowe

• Spawanie elektronowe, właściwie spawanie wiązką elektronową - rodzaj techniki spawania metali, polegające na nagrzewaniu miejsca łączenia przy pomocy wiązki elektronowej. Do spawania tą techniką służy spawarka elektronowa, w której źródłem elektronów jest działo elektronowe. Elektrony są przyspieszane napięciem rzędu dziesiątków kV. Charakterystycznymi cechami spawania elektronowego jest to, że spawanie odbywa się najczęściej w środowisku próżni rzędu 10^-5 Tra także to, że spoina tworzy się przez stopienie brzegów łączonych detali.

Spawanie elektronowe odznacza się szeregiem korzystnych właściwości. Technika ta pozwala łączyć metale (np. wolfram-miedź, niob-miedź), których nie daje się łączyć innymi technikami spawalniczymi.

• Zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem (FSW — Friction Stir Welding) to metoda, w której występuje pełna penetracja w stanie stałym. Metoda ta może być używana do spajania materiałów metalowych — obecnie głównie aluminium — bez osiągania punktu topnienia.

Inną metodą łączenia metali jest zgrzewanie.

Zgrzewaniem - nazywamy łączenie materiałów (metali i tworzyw sztucznych) przez silne dociśnięcie do siebie łączonych części, bez ich podgrzewania (zgrzewanie zgniotowe, ultradźwiękowe) lub z uprzednim podgrzaniem łączonych miejsc do stanu plastyczności. Do najczęściej stosowanych metod zgrzewania metali z podgrzaniem należą:

• zgrzewanie elektryczne oporowe - może być doczołowe, punktowe, garbowe i liniowe.

• zgrzewanie gazowe - przy pomocy palnika acetylenowo - tlenowego.

• zgrzewanie termitowe - polega na połączeniu przez docisk części, których końce umieszcza się w formie szamotowej i dosunięte do siebie doprowadza do stanu plastycznego w ciekłym żużlu, powstałym podczas spalania termitu (mieszaniny sproszkowanego żelaza i aluminium).

LUTOWANIE

Lutowaniem - nazywamy technikę łączenia metali (tworzyw sztucznych) przy pomocy innego metalu (tworzywa) o temperaturze topnienia niższej niż temperatura topnienia łączonych elementów. Proces ten w przeciwieństwie do spawania zachodzi bez nadtopienia łączonych elementów. W zalezności od temperatury topnienia lutów rozróżniamy lutowanie miękkie i lutowanie twarde. Luty miękkie o temperaturze topnienia do 450ºC charakteryzują się niską twardością i dobrą plastycznością. niestety nie dają dużej wytrzymałości.
Lutowanie miękkie możemy stosować do lutowania:
stali węglowych i niskostopowych - realizowane jest przy pomocy spoiw cynowo ołowiowych o zawartości Sn 30-60% oraz topników na bazie chlorku cynku. stali wysokostopowych - jako lut stosuje się czystą cynę lub spoiwa cynowo - ołowiowe, a łączone elementy muszą być wcześniej oczyszczone z warstwy tlenkowej i odtłuszczone. stali z powłokami metalicznymi - realizowane przy pomocy spoiw cynowo - ołowiowych, ołowiowo - kadmowych lub kadmowo cynkowych. miedzi i jej stopów - przy pomocy wszystkich rodzajów lutów cynowo - ołowiowych, ołowiowo - srebrnych, kadmowych i stopów niskotopliwych (np. Monella). niklu i jego stopów - realizowane przy pomocy spoiw cynowo - ołowiowych. aluminium i jego stopów - realizowane przy pomocy lutów na osnowie cyny, cynku i kadmu.
Metody lutowania
lutowanie lutownicami oporowymi i transformatorowymi lutowanie płomieniowe lutowanie kąpielowe Lutowanie piecowe lutowanie oporowe lutowanie reakcyjne lutowanie ultradźwiękowe lutowanie strumieniem gorącego gazu
Topniki stosowane przy lutowaniu miękkim
aktywne chemicznie: chlorek cynku, chlorek amonu, chlorek potasu, kwas solny, kwas ortofosforowy bezkwasowe – kalafonia
Lutownice stosowane do lutowania miękkiego:
lutownice oporowe lutowanice transformatorowe
Technika lutowania miękkiego
przygotuj elementy metalowe do lutowania - ukształtuj w odpowiedni sposób łączone elementy oczyść mechanicznie oraz chcemicznie (odtłuszczenie) łączone elementy pobiel - pokryj cienką warstwą lutu wykonaj spoinę w miejscu lutowania KLEJENIE Klejeniem - nazywamy technikę łączenia materiałów przy pomocy spoiny (odpowiedniego kleju). Dobór kleju uzależniony jest od rodzaju klejonego materiału, warunków technicznych oraz rodzaju klejonej powierzchni. Z technologicznego punktu widzenia klejenie jest czynnością łączenia specyficzną dla tworzyw sztucznych, papieru, szkła, ceramiki. Zaletą połączeń klejonych jest brak naprężeń w złączu oraz niskie koszty tej technologii łączenia. Zaletami połączeń klejonych są ponadto zdolność tłumienia drgań, możliwość wykonania połączenia bez stosowania obrabiarek, drogich narzędzi i materiałów, brak zjawisk elektrochemicznych, występujących zwykle podczas łączenia metali innymi metodami. Wadą połączeń klejonych jest:stosunkowo mała odporność na wzrost temperatury otoczenia, mała odpornośc na działanie wody. Metodą klejenia łączyć można ze sobą nie tylko metale i stopy, ale także metale z nie metalami, metale z tworzywami sztucznymi, szkłem, porcelaną, tkaninami i innymi materiałami. Do klejenia metali używa się najczęściej klejów epoksydowych, fenolowych, karbinolowych, poliuretanowych, kauczukowych, poliestrowych, silikonowych, winylowych i poliamidowych. Kleje i kity składają się przede wszystkim z żywicy podstawowej oraz utwardzacza i rozcieńczalnika.
Wybrane rodzaje klejów i techniki klejenia
Epidian 5
Epidian 100
Epidiany 51, 52, 53 i 58
Epidian 55
Epidian 101
Epidiany 430 i 433

Technologia klejenia

Powierzchnie klejone powinny być bez ciał obcych i jednorodne. Powierzchnie pokryte smarem lub w jakikolwiek inny sposób zanieczyszczone nie nadają się do klejenia.Przygotowanie powierzchni stali do klejenia polega na mechanicznym oczyszczeniu powierzchni za pomocą szlifowania na szlifierce lub za pomocą piaskowania. Jako operację końcowa stosuje się zwykle odtłuszczanie. Przed sklejeniem części należy pamiętać o wstępnym podsuszeniu warstwy naniesionego kleju do stanu największej przylepności. Po ustawieniu i dociśnięciu sklejanych elementów należy uniemożliwić ich wzajemne przesuwanie się. Proces sklejania (utwardzania klejów) jest zależny od temperatury, ciśnienia i czasu, dlatego sklejania dokonuje się na prasach.Utwardzanie warstwy klejowej w złączu zależy w znacznej mierze od kształtu klejonych części. Najprościej proces tan przebiega, gdy mamy do czynienia z klejem utwardzalnym w temperaturze pokojowej i bez udziału ciśnienia. W tym przypadku do prawidłowego sklejenia części płaskich wystarczy zastosowanie zwykłych zacisków lub belek dociskowych.

NITOWANIE

Połączenie nitowe - nierozłączne połączenie pośrednie elementów przy pomocy nitów zwykle w postaci trzpieni walcowych z łbami. Nitowanie przez długi czas była to najważniejsza metoda łączenia metalowych elementów konstrukcyjnych. W większości sytuacji, z uwagi na prostszą technologię wykonywania, współcześnie połączenia nitowe zostały wyparte przez połączenia spawane i zgrzewane. Historycznie używane w okrętownictwie.

Nitowanie stosuje się do łączenia ze sobą blach, taśmowników oraz kształtowników stalowych, dźwigarów, wsporników, wiązarów a także do nierozłącznych połączeń różnych części maszyn i przedmiotów. Przy nitowaniu zakładkowym (gdy arkusze blachy zawinięte są na krawędziach) i przy dużej gęstości nitów, można uzyskać wysoką szczelność połączenia. Pozwala to na stosowanie nitów przy budowie różnego rodzaju zbiorników, także ciśnieniowych.

METODY ROZŁĄCZNE

GWINTOWE

Połączenie gwintowe - połączenie rozłączne spoczynkowe, w którym elementem łączącym są gwintowane łączniki: śruba z nakrętką lub wkręt. W skład połączenia gwintowego wchodzą także elementy pomocnicze, takie jak podkładki i zawleczki.

Podkładki mają za zadanie ochronę elementów złącza przed zadrapaniem w czasie dokręcania łącznika oraz niekiedy wraz z zawleczką zabezpieczania przed samoczynnym odkręcaniem się nakrętki.

Ze względu na rodzaj użytego łącznika połączenia gwintowe dzielą się na połączenia śrubowe i wkrętowe:

1.Połączenia śrubowe- W tego rodzaju połączeniach śruba (1) i nakrętka (2), łączą dwa lub więcej elementów (3). Elementy te w miejscu łączenia są przewiercane, tak by otwór mieścił śrubę z pasowaniem luźnym. Śruba w takim połączeniu może przenosić tylko i wyłącznie obciążenia osiowe, np. jeżeli elementy połączenia są od siebie w sposób naturalny odciągane np. pokrywa kotła połączona z jego korpusem. Nakrętka w takim połączeniu dokręcana jest na tyle mocno by zapewnić integralność połączenia, gdy nie jest ono obciążone.

W przypadku gdy elementy łączone są obciążone siłami wzdłużnymi działającymi w osi prostopadłej do osi śruby, należy zapewnić połączenie cierne pomiędzy tymi elementami. Realizuje się to przez wstępne naprężenie śruby. Nie spełnienie warunku wstępnego naprężenia, doprowadza do przesunięcia się elementów względem siebie, które ostatecznie swymi krawędziami oprą się o śrubę powodując jej ścinanie, a w ekstremalnych sytuacjach zniszczenie.

Oprócz siły osiowej pochodzącej od obciążenia złącza lub naprężenia osiowego, śruba jest obciążona skręcającym momentem siły. Zgodnie z tym, obliczenia wytrzymałościowe połączenia polegają na sprawdzeniu śruby ze względu na kryterium wytrzymałości na rozciąganie kr i skręcanie ks.

2. Połączenia wkrętowe- W tego rodzaju połączeniach wkręt (lub śruba) przytwierdza jeden element złącza do drugiego . W elemencie nawiercony jest otwór z naciętym wewnętrznym gwintem, w który wkręcany jest wkręt.

Wkręty do drewna mogą być wkręcane w miękkie drewno bezpośrednio bez żadnego przygotowania. W przypadku twardego drewna może być konieczne nawiercenie otworu pod wkręt wiertłem co najmniej o numer mniejszym niż wkręt.

Wkręty do materiałów budowlanych (cement, gips, cegła itp.) umieszczane są w tych materiałach z pomocą kołków rozporowych po wcześniejszym nawierceniu otworu w materiale, o rozmiarze odpowiadającym wielkości kołka.

STWORZNIOWE

Połączenie sworzniowe – połączenie rozłączne ruchowe, w którym elementem pośredniczącym jest walcowy sworzeń.

Połączenie sworzniowe tworzą: sworzeń (1), ucho (2) i widełki (3). Sworzeń często zabezpiecza się przed wypadnięciem podkładkami z zawleczkami.

Połączenie sworzniowe zwykle wykorzystywane jest do łączenia przegubów. Sworzeń może być umieszczony na wcisk w jednym elemencie przegubu, podczas gdy pasowanie z drugim elementem jest luźne. Pozwala to na obrót jednego z elementów względem osi sworznia.

Przykładem połączenia sworzniowego jest połączenie tłoka silnika spalinowego z korbowodem.

Obliczenia wytrzymałościowe połączenia sworzniowego polegają na sprawdzeniu wytrzymałości sworznia na ścinanie oraz na naciski powierzchniowe. Naprężenia ścinające nie mogą przekroczyć współczynnika bezpieczeństwa kt, a maksymalny nacisk - nacisku dopuszczalnego Pdop. Elementy przegubu zwykle są sprawdzane wytrzymałościowo na rozciąganie kr lub inne w zależności od rodzaju ich obciążenia.

KLINOWE

Połączenia klinowe – połączenia rozłączne spoczynkowe pośrednie, w których elementem pośrednim jest klin.

Wyróżnia się dwa typy połączeń klinowych:

• połączenie klinowe wzdłużne – z klinami znormalizowanymi, służą głównie do osadzania piast (1) kół na wałach (2). Klin umieszczony jest w gnieździe wyżłobionym w wale i piaście,

• połączenia klinowe poprzeczne – służą do łączenia cięgien, w którym jedno jest zakończone gniazdem lub tuleją złączną (3), a drugie drągiem (4).

W czasie montażu klin zostaje wbijany w połączenie. Klin przenosi swoją powierzchnią całe obciążenie złącza.

Obliczenia wytrzymałościowe połączenia klinowego wzdłużnego opiera się na kryterium maksymalnego dopuszczalnego nacisku powierzchniowego kn. Za krytyczną powierzchnię przyjmuje się część powierzchni styku klina z gniazdem wału, która jest zwykle mniejsza niż powierzchnia styku klina z piastą.

Obliczenia wytrzymałościowe połączenia klinowego poprzecznego polegają na obliczeniu wytrzymałości wszystkich trzech elementów połączenia. Drąg i tuleja obliczane są na rozciąganie kr, a klin na zginanie kg. W ramach obliczeń sprawdzających sprawdza się klin ze względu na nacisk powierzchniowy kn. W połączeniach klinowych wzdłużnych stosujemy do trzech klinów na jedno połączenie, rozstawione co 120 stopni.