1.Cel ćwiczenia.

Praktyczne zapoznanie się z urządzeniami do spawania w osłonie argonu elektrodą topliwą MIG oraz w osłonie CO2 metoda MAG oraz własnoręczne spawania blachy ze stali niskowęglowej.

2.Podstawy teoretyczne.

Spawanie w osłonie gazów elektrodą topliwą

Spawanie w osłonach gazów stosowane jest powszechnie do spawania i napawania, zależnie od przyjętej metody, wszystkich technicznych tworzyw metalowych. Może ono odbywać się w osłonie gazów szlachetnych – całkowicie nieaktywnych chemicznie (argon, hel) lub gazów aktywnych (dwutlenek węgla, mieszaniny argonu lub helu z tlenem, wodorem, azotanem lub CO2).

Spawać można elektrodą nietopliwą (wolframową, rzadziej węglową) lub topliwą (metalową, będącą jednocześnie spoiwem). Spawanie ręczne elektrodami otulonymi pomimo swojej uniwersalności i licznych zalet posiada szereg niedogodności wynikających z samej technologii spawania. Stosowanie stapiających się elektrod zmusza nie tylko do ciągłej ich wymiany, lecz stwarza konieczność ich zajarzania po każdorazowej wymianie. Tworzą się kratery, które w przypadku niecałkowitego ich przetopienia pozostają w spoinie stając się ogniskami pęknięć zmęczeniowych. Istotnym problemem jest utrzymanie stałej długości łuku, zapewniającej stabilne warunki pracy. Stapiająca się elektroda wymaga ciągłego jej obniżania; czynność ta wykonywana przez spawacza jest całkowicie zależna od człowieka –jego umiejętności i stanu fizycznego. Wyeliminowanie tych niedogodności umożliwiło wprowadzenie w pełni lub częściowo zmechanizowanych metod spawania, do których należą: spawanie półautomatyczne w osłonach gazowych, spawanie półautomatyczne w osłonie gazów szlachetnych (w pełni obojętnych) oraz spawanie w osłonie dwutlenku węgla. Zasadę spawania półautomatycznego w osłonach gazów elektrodą topliwą przedstawiono na rysunku.

1.      Bęben z drutem elektrodowym

2.      Drut elektrodowy

3,4.  Rolki podające drut

5.      Ślizg doprowadzający prąd

6.      Łuk jarzący się w osłonie gazowej

7.      Przedmiot spawany

Środkiem dyszy gazowej podawany jest drut stanowiący jednocześnie elektrodę połączoną z jednym z zacisków źródła prądu. Drugi zacisk połączony jest ze spawanym przedmiotem. W skład urządzenia do spawania półautomatycznego w osłonie gazów wchodzą: źródło prądu wraz ze szafą sterującą, podajnik drutu elektrodowego, uchwyt oraz butla z gazem osłonowym z reduktorem, przepływomierzem i podgrzewaczem.

Spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazów obojętnych.

        Spawanie w osłonie gazów obojętnych ( metoda ta nazywana w skrócie MIG, od angielskich słów Metal Inert Gas) stosowana jest przede wszystkim do spawania metali niezależnych i ich stopów, rzadziej stali stopowych. Praktycznie nie jest wykorzystywane do spawania stali węglowych zarówno ze względów ekonomicznych, jak i skłonności spoin do porowatości.

          Jako gazów osłonowych używa się argonu i helu. Zarówno argon jak i hel są gazami chemicznie obojętnymi, a ich wpływ na przebieg spawania i własności spoiny ma charakter fizyczny. Odmienne właściwości obu gazów powodują, że ich wpływ na proces spawania jest różny. Argon, z uwagi na niższy potencjał jonizacji, nie wymaga stosowania wysokiego napięcia łuku, co jednak odbija się na ilości ciepła wydzielanego podczas spawania, która jest mniejsza niż w przypadku stosowania helu.

          Rodzaj użytego gazu ochronnego wpływa również na kształt i wielkość spoiny; wysoki współczynnik przewodzenia ciepła helu sprawia, że wzrasta średnica „rdzenia” łuku co pociąga za sobą zmniejszenie koncentracji ciepła – spoina staje się „płytsza” i szersza. Z kolei stosowanie argonu prowadzi do tego, że głębokość wtopienia jest dość znaczna, a dzieje się to tak na skutek dużej koncentracji ciepła w wąskim łuku wywołanej małym współczynnikiem przewodzenia cieplnego.

           Przechodzenie metalu z elektrody do spoiny może być zwarciowe, natryskowe lub impulsowe.

            Spawanie, ze zwarciowym przechodzeniem metalu elektrody do jeziorka ciekłego metalu, polega na topieniu się elektrody w chwili krótkotrwałego zwarcia jej końca elektrody z ciekłym metalem jeziorka. Nagły wzrost natężenia prądu powoduje topienie się i oderwanie kropli od elektrody. Tworzy się szczelina umożliwiająca ponowne zajarzenie łuku. Rozpoczyna się ponownie proces stopienia końca elektrody, powstaje kropla, która po uzyskaniu odpowiednich rozmiarów znów dotyka jeziorka ciekłego metalu i cały proces rozpoczyna się od nowa. Spawanie zwarciowe stosowane jest do łączenia cienkich blach, gdy średnica drutu elektrodowego jest mała.

           Przepływ natryskowy polega na tym, że krople powstające ze stapiania elektrody skierowane są w postaci strugi na przedmiot spawany. Przepływ ten jest stosowany do spawania blach grubych. Charakteryzuje się bardzo wysoką wydajnością i prędkością.           

      Spawanie z impulsowym przechodzeniem metalu elektrody polega na oddzieleniu się kropli metalu z końca elektrody w chwili wystąpienia impulsu. Urządzenie do spawania impulsowego musi być wyposażone w źródło impulsów wymuszających przepływ metalu.

              Spawanie metodą MIG znalazło praktyczne zastosowanie jedynie w przypadku aluminium i jego stopów oraz miedzi. Pomimo możliwości spawania innych metali nie wzbudziło szczególnego zainteresowania ani w odniesieniu do stali stopowych, ani żeliwa.

              Spawanie w osłonie gazów elektrodą topliwą pozwala na pełną mechanizację procesu , czyniąc je konkurencyjnym w stosunku do spawania elektrodą nietopliwą TIG.

              Spawanie metodą MIG jest jedną z najbardziej efektywnych metod spawania aluminium, a uwagi na wyeliminowanie korozyjnie działających topników. Wykorzystywane jest tu zjawisko rozpylania błonki tlenków aluminium łukiem prądu stałego. Spawanie elektrodą topliwą jest kilkakrotnie wydajniejsze niż spawanie metodą TIG. W przypadku spawania półautomatycznego średnica drutu elektrodowego nie może być mniejsza niż 6 [mm] z uwagi na możliwość zakleszczania się miękkiego drutu w przewodzie zasilającym; ogranicza to minimalny zakres grubości spawanych blach aluminiowych do 4 [mm]. W przypadku spawania automatycznego najmniejsza grubość spawanych blach wynosi 2 [mm], ponieważ tu drut elektrodowy nie jest prowadzony przewodem elastycznym, lecz ciągniony, w związku z tym jego średnica może być mniejsza. Wysokie gęstości prądu (do 200 A/mm2) umożliwiają spawanie stosunkowo grubych blach (do 6 mm) bez ukosowania. Grubsze blachy ukosuje się zwykle na V, przy czym kąt ukosowania nie powinien być większy niż 70 °. Minimalna wysokość progu 2 [mm]. Spawa się w prawo przy niewielkim pochyleniu palnika. Warunki spawania innych metali lekkich zbliżone są  do tych, które odnoszą się do aluminium.

Spawanie w osłonie dwutlenku węgla.

              Spawanie w osłonie dwutlenku węgla – MAG, przebiega podobnie jak spawanie MIG z tą różnicą, że stosowany jako gaz osłonowy dwutlenek węgla oddziałuje nie tylko fizycznie, ale i chemicznie na przebieg i wynik spawania. Prócz dwutlenku węgla do osłony łuku stosuje się mieszanki gazowe, w skład których wchodzą w różnych kombinacjach i proporcjach gazy obojętne: argon, hel oraz gazy aktywne: dwutlenek węgla, tlen, wodór i azot. Obecność jakiegokolwiek składnika aktywnego, nawet w niewielkiej ilości, sprawia, że osłona gazowa staje się aktywna.

              Spoiny wykonane w osłonie mieszanek gazowych wykazują zwykle wyższe własności niż spoiny wykonane w czystych, jednoskładnikowych gazach. Dodanie aktywnego składnika polepsza warunki jarzenia się łuku, zmniejsza ilość rozprysków, a także ogranicza wpływ ugięcia łuku. Dodatek dwutlenku węgla do argonu zwiększa głębokość wtopienia i wpływa korzystnie na wielkość i kształt lica. Dysocjujący CO2 zwiększa objętość gazu osłonowego zapewniając lepszą ochronę jeziorka ciekłego metalu.

              Jednym z kryteriów doboru składników mieszanki gazowej jest, w przypadku spawania stali, jej zdolność do utleniania metalu spoiny. Zawartość tlenu w stopiwie obniża własności mechaniczne spoiny, a zwłaszcza jej udarność. Zawartość CO2 w mieszankach gazowych (argonowych) nie przekracza 30%, a tlenu 12%.

              Do łączenia stali niestopowych prawie wyłącznie stosuje się spawanie w osłonie CO2. W temperaturze łuku dwutlenek węgla dysocjuje zgodnie z równaniem:

2CO2 « 2CO + O2 – Q

              Tlen silnie utlenia metal spoiny, a tlenek węgla ulegając dalszemu rozpadowi, którego produktami są tlen i węgiel, podwyższa stopień utleniania stopiwa, powstający zaś węgiel zwiększa skłonność metalu do podhartowania. Obecność czynnego tlenu powoduje obniżenie zawartości manganu i krzemu, których ubytek jest szczególnie ważny przy stosowaniu osłony z czystego CO2. Aby skutecznie ograniczyć ilość tlenu w stopiwie, do spawania w osłonieCO2 stosuje się drut elektrodowy zawierający zwiększoną ilość krzemu i manganu.

1.      Drut elektrodowy

2,3. Rolki podające drut

       4.   Tulejka kontaktowa

       5.    Blachy spawane punktowo

              Jedną z metod spawania w osłonach gazów aktywnych, pozwalającą na skuteczne „sterowanie” procesami metalurgicznymi w jeziorku ciekłego metalu,  jest spawanie metodą MAG z użyciem elektrod rdzeniowych. W metodzie tej słona gazowa łuku wspomagana jest żużlem wytwarzanym z proszku rdzeniowego znajdującego się wewnątrz elektrody wykonanej w postaci cienkościennej rurki, tak jak w przypadku elektrod rdzeniowych używanych do spawania automatycznego łukiem krytym. Elektrody rdzeniowe stosuje się przede wszystkim do spawania i napawania stali.

              Oprócz elektrod rdzeniowych wykorzystywanych do spawania w osłonie gazów produkowane są elektrody rdzeniowe „samo osłaniające” do spawania bez dodatkowej osłony.

              Proszek rdzeniowy wypełniający elektrody spełnia podobną rolę jak otulina elektrod do spawania ręcznego czy topnik przy spawaniu łukiem krytym. Skład proszku rdzeniowego  jest różny, w zależności od przeznaczenia. W proszku rdzeniowym  drutów przeznaczonych do spawania występują na ogół te same składniki, które znajdują się w otulinie elektrod połączeniowych. Druty elektrodowe przeznaczone do napawania zawierają znaczne ilości pierwiastków wprowadzanych w celu zwiększenia twardości i odporności na ścieranie – wolframu, wanadu, kobaltu itp. Elektrody rdzeniowe produkowane są jako zasadowe, rutylowe i rudowo-zasadowe. Średnica drutów rdzeniowych ze względów technologicznych nie może być zbyt mała; zakres średnic produkowanych elektrod waha się w granicach 1,2¸3,5 [mm].

              Druty rdzeniowe łatwo ulegają uszkodzeniom, wymagają starannych warunków przechowywania i transportu, a osprzęt urządzeń do spawania – uchwyty, prowadnice, rolki, ślizgi prądowe itd. muszą być dokładnie wyregulowane i w idealnym stanie technicznym.

              Częstym problemem pojawiającym się podczas spawania elektrodami rdzeniowymi jest niejednakowe topienie się powłoki i rdzenia. Z uwagi na bardzo wysoką oporność masy rdzeniowej jarzenie łuku odbywa się wyłącznie między metaliczną powłoką a przedmiotem spawanym, powodując znacznie szybsze jej stapianie niż rdzenia, co sprawia, że oddziaływanie żużla nie zawsze w pełni jest wystarczające. Intensywne nagrzewanie zewnętrznej powłoki metalicznej, jej skracanie się w wyniku topienia się powoduje wydłużenie łuku. Pogarszają się warunki jarzenia łuku, który przemieszcza się po powierzchni przedmiotu; kształt spoiny ulega deformacji, a głębokość wtopienia wyraźnie ulega zmniejszeniu.

              Pomimo tych niedogodności spawanie, a zwłaszcza napawanie drutami rdzeniowymi, stosowane jest coraz częściej. Dzięki odpowiedniemu składowi mieszanki rdzeniowej można uzyskać stopiwo praktycznie o dowolnym składzie. Spoiny uzyskiwane przy użyciu elektrod rdzeniowych charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami. Elektrody rdzeniowe samo osłaniające pozwalają spawać w trudnych warunkach atmosferycznych; osłona z dwutlenku węgla przy zwykłym spawaniu CO2 jest skuteczna jedynie przy prędkości wiatru nie przekraczającej 2 [m/s], natomiast użycie elektrod rdzeniowych samoobsługowych umożliwia spawanie nawet przy prędkości wiatru dochodzącej do 12 [m/s].

              Podstawowe parametry spawania w osłonie dwutlenku węgla to: napięcie i natężenie prądu spawania, średnica drutu elektrodowego, prędkość podawania drutu elektrodowego, prędkość spawania, wydatek gazu osłonowego oraz tzw. wolny wylot elektrody, czyli długość odcinka drutu elektrodowego wystającego poza koniec dyszy elektrodowej.

              Natężenie prądu spawania półautomatycznego w osłonie CO2 w zależności od średnicy elektrody przyjmuje się od kilkudziesięciu do 400 amperów, napięcie jest stosunkowo wysokie – zwłaszcza przy spawaniu drutami litymi – i waha się od15 do 40 [V], przy czym wyższe wartości napięcia stosowane są w przypadku osłon z dwutlenku węgla, niższe natomiast przy osłonach stanowiących mieszanki zawierające argon. Długość łuku powinna być mniej więcej równa średnicy elektrody. Średnica drutu elektrodowego, z wyjątkiem spawania bardzo cienkich blach, nie powinna być zbyt mała. Najlepsze wyniki uzyskuje się gdy ona wynosi 1,6¸2,0 [mm].

              Wydatek gazu osłonowego powinien być tak dobrany, aby była zapewniona pełna osłona łuku i jeziorka ciekłego metalu. Zużycie gazu osłonowego nie powinno być mniejsze niż 10 l/min. W miarę wzrostu grubości spawanych elementów i prędkości spawania wydatek gazu osłonowego zwykle rośnie.

              Najnowszą metodą spawania elektrodą topliwą w osłonie gazów jest spawanie metodą TIME. Zasada procesu nie odbiega od pozostałych metod spawania elektrodą topliwą – charakteryzuje się głębokim wtopieniem przy bardzo wysokiej wydajności. Tak wysokie parametry uzyskano dzięki  specjalnej osłonie gazowej łuku, w skład której wchodzą: argon, hel, dwutlenek węgla i tlen. W metodzie tej gazy wchodzące w skład mieszanki nie tylko tworzą osłonę łuku i jeziorka ciekłego metalu, ale oddziałują dodatkowo na przebieg samego procesu; argon stabilizuje proces jarzenia się łuku, hel zwiększa jego przewodność cieplną, zaś tlen i częściowo dwutlenek węgla podnoszą jego moc cieplną, a także wpływają  na obniżenie napięcia powierzchniowego. Prędkości spawania w metodzie TIME są bardzo duże osiągając niekiedy wartość 1800 [m/h].

3. Parametry spawania.

Midi Mag ster-1800

Nateżenie-120A

Prędkość podawania drutu-3,5m/s

Drut-spg-35 drut jest miedziowany

Średnica drutu-0,8mm

Ciśnienie CO2-0,04Mpa

Blacha-St3s o grubości-4mm

Złącze doczołowe, pozycja podolna

5