Cel ćwiczenia: Zapoznanie sie z metodami i urządzeniami do zgrzewania materiałów. Dobór optymalnych parametrów w zgrzewaniu elektrycznym oporowym punktowym.

Literatura:

K. Marcolla – „Zarys  spawalnictwa”

Wojciechowski – „Techniki wytwarzania t.III”

Krótka teoria:

              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.

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.

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.

              Oprócz ww. metody stosuje się również zgrzewanie tarciowe, w którym w wyniku zmiany energiimechanicznej obracających się ciał na tarcie i ciepło. Metoda ta jest najczęściej stosowana w przemyśle narzędziowym, gdyż za pomocą tej metody można łączyć stale niespawalne ze stalami konstrukcyjnymi.

Schemat zgrzewania tarciowego.

              W procesie tym występują trzy szybko następujące po sobie czynności:

1) nagrzanie metalu do stanu plastyczności poprzez tarcie dwuch elementów,

2) unieruchomienie obracającej się części,

3) wywarcie docisku i zgrzaniełączonych elementów.

              Zgrzewanie ultradżwiękowe 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 zgniotowe jest głównie stosowane dla aluminium i miedzi. Pod wpływem bardzo silnego docisku (przekraczającego Re metalu) w temperaturze pokojowej metal „płynie”, elementy łączą się na odległość parametru sieci krystalograficznej. Odmianą tej metody jest zgrzewanie kuźniowe, które należy do najstarszych sposobów łączenia. Odbywa się ono w temp. okolo 1300°C przy pomocy topników: piasku zawierającego krzemionkę.

              Rzadziej stosowanymi metodami zgrzewania są:

- dyfuzyjne,

- wybuchowe,

- łukiem wirującym,

- termitowe,

- gazowe,

- zwarciowe.

Schemat zgrzewarki elektrycznej oporowej

Dane zgrzewarki punktowej

Typ                    ZPb 12 (transformatorowa jednofazowa)

Moc znamionowa              12 kW

Moc maksymalna              60 kW

Prąd zmienny              50 Hz

Napięcie              380 V

Maksymalny prąd zwarcia

Pierwotny              200 A

Wtórny              18000 A

Zakres              2,08 ¸ 4,1

Nacisk max.              2500 N

Elekrody               miedziane

Parametry zgrzewania:

Rodzaj zgrzewanego materjału  Grubość  Czas    Napięcie       

Blachy nierdzewne                                                        0,1              2,12                            połązcone

St3S+blacha nierdzewna                                                        0,1              2,12                            połączone

Blachy mosiężne                                             0,5                            0,2              2,72                            nie połączone

Blachy mosiężne                                             0,5                            0,3              3,75                            nie połączone

Blachy mosiężne                                             0,5                            0,3              4,03                            nie połączone

Blachy miebziana+mosiężna                                              0,2              2,72                            połączone

              Analiza wykonanej zgrzeliny:

              Zgrzelina punktowa posiada dobre właściwości mechaniczne, a także ładny wygląd. Widoczna jest promieniście rozchodząca się strefa wpływu ciepła, której rozmiary zależą od długości przepływu prądu. SWC ma odpowiednią wielkość, zbyt duża mogłaby pogorszyć właściwości wytrzymałościowe

              Wnioski:

              Zgrzewanie elektryczne jest bardzo dobrą metodą łączenia materiałów. Góruje nad spawaniem szybkością i wydajnością. Możliwe jest również łączenie takich materiałów, których nie możnaby złączyć przy pomocy żadnej z metod spawania np. stali z miedzią. W celu wykonania złącza o odpowiednich właściwościach konieczne jest zastosowanie odpowiednich parametrów: napięcia wtórnego (wpływa na prąd zgrzewania) oraz czasu cyklu zgrzewania. Czynniki te zależą w głównej mierze od sumy grubości łączonych blach oraz materiałów jakie chcemy złączyć. Przykładem tego jest próba zgrzewania blachy mosiężnej M63 wraz ze stalą podczs której dopiero zastosowane napięcie    V i czasu      sec przyniosły spodziewany efekt. Wcześniejsze podejścia zakończyły się niepowodzeniem. Tak więc w tej metodzie konieczne jest doświadczalne wyznaczenie parametrów, co było jednym z celów labolatorium. Zastosowanie zespołu sterowniczego oraz docisku maszynowego umniejsza rolę pracy ludzkiejpodczas procesu. Proces zgrzewania może więc być zautomatyzowany. Stosowanie liniowej metody zgrzewania pozwala na zastąpienie w wielu zastosowaniach spawanie.

1