Tehnologija zavarivanja

Upućivanje

Osnove zavarivanja

Zavarivanje je postupak spajanja materijala pri kojem se dva ili više dijelova spajaju na svojim dodirnim površinama primjenom topline i/ili tlaka. Nakon što se spoje, površine koje treba spojiti, koje se nazivaju spojne površine, spajaju se i stvaraju snažnu vezu. Metali su najčešće korišteni materijali u ovom postupku; međutim, mogu se koristiti i plastika. Ponekad se, kako bi se pomoglo spajanju, uvodi punilo. Zavarivanje je izraz koji se koristi za opisivanje konačnog sastavljanja povezanih elemenata. Zavarivanje se može izvesti samo toplinom, kombinacijom topline i tlaka ili samo tlakom bez vanjske topline. Specifične tehnike zavarivanja mogu se koristiti za spajanje različitih metala; međutim, one se prvenstveno koriste za spajanje dijelova izrađenih od istog metala.

Vrste procesa zavarivanja

Postupci zavarivanja mogu se podijeliti u dvije glavne skupine: zavarivanje u čvrstom stanju i zavarivanje taljenjem.

Zavarivanje taljenjem

Postupci zavarivanja taljenjem koriste toplinu za taljenje osnovnih metala, često uz dodatak dodatnog metala kako bi se poboljšala rastaljena kupka i ojačao zavar. Kada se ne koristi dodatni metal, zavar se naziva autogeni. Najpopularnije tehnike zavarivanja spadaju u kategoriju taljenja i često se grupiraju u sljedeće kategorije:

Elektrolučno zavarivanje (AW)

Elektrolučno zavarivanje je skupina tehnika zavarivanja u kojima se metali zagrijavaju električnim lukom, kao što je prikazano u nastavku. Većina postupaka elektrolučnog zavarivanja koristi dodatni metal, a neki također primjenjuju tlak dok je proces u tijeku.

Upućivanje

Električni luk nastaje kada električna struja teče preko strujnog razmaka, uzrokujući toplinsku ionizaciju stupca plina i održavanje luka. Kod elektrolučnog zavarivanja (AW), elektroda nakratko stupa u kontakt s obratkom prije nego što se brzo odvoji kako bi se stvorio luk. Bilo koji metal može se rastopiti ekstremnom toplinom koju proizvodi ovaj luk, a koja može doseći temperature i do 5500 °C. Taljenje osnovnog metala i, ako je primjenjivo, dodatnog metala kombiniraju se kako bi se stvorila nakupina rastaljenog metala blizu vrha elektrode. Obično se ovaj dodatni metal dodaje kako bi se poboljšao volumen i čvrstoća zavarenog spoja. Rastaljena nakupina zavara iza elektrode stvrdnjava se dok se kreće duž spoja.

Zavarivač može ručno kontrolirati položaj elektrode u odnosu na radni komad ili može koristiti mehaničke tehnike poput strojnog, robotskog ili automatskog zavarivanja. Vrijeme luka, također poznato kao vrijeme uključenosti luka, omjer je stvarnog vremena zavarivanja i ukupnog broja utrošenih sati. Kod ručnog elektrolučnog zavarivanja, kvaliteta zavara uvelike ovisi o sposobnosti i predanosti zavarivača.

Vrijeme rada luka izračunava se kao (radni sati) / (vrijeme dok je luk uključen).

I pojedinačni zavarivači i automatizirane radne stanice mogu imati koristi od ove ideje. Trajanje luka za ručno zavarivanje obično je oko 20% jer operacija zahtijeva značajnu koordinaciju ruku i očiju u zahtjevnim uvjetima, a intervali odmora su važni za sprječavanje umora. Međutim, ovisno o određenoj operaciji, vrijeme luka u robotskom, automatskom i strojnom zavarivanju može porasti na oko 50%.

Otporno zavarivanje (RW)

Otporno zavarivanje, poznato i kao električno otporno zavarivanje (ERW), postiže koalescenciju primjenom topline generirane električnim otporom na tok struje između spojnih površina dviju komponenti koje se drže zajedno pod tlakom. Primarne komponente uključene u otporno zavarivanje prikazane su na slici ispod, koja prikazuje operaciju otpornog točkastog zavarivanja, što je najčešće korištena metoda u ovoj kategoriji.

Ove komponente sastoje se od obratka koji se zavaruju (obično limeni dijelovi), dvije suprotne elektrode, mehanizma za primjenu pritiska i stiskanje dijelova zajedno te izmjeničnog napajanja koje osigurava kontroliranu struju. Proces stvara područje spajanja između dva dijela, poznato kao zavareni grumen kod točkastog zavarivanja. Za razliku od elektrolučnog zavarivanja, otporno zavarivanje ne zahtijeva zaštitne plinove, fluks ili dodatni metal; a elektrode koje isporučuju električnu energiju nisu potrošne. Otporno zavarivanje smatra se vrstom taljenja jer primijenjena toplina obično topi spojne površine. Međutim, postoje iznimke. Neke operacije zavarivanja temeljene na otpornom zagrijavanju koriste temperature ispod tališta osnovnih metala, sprječavajući pojavu taljenja.

Zavarivanje autogenom plinom (OFW)

Autogeno zavarivanje (OFW) obuhvaća niz operacija zavarivanja koje koriste različita goriva u kombinaciji s kisikom za izvođenje zadataka zavarivanja. Ključna razlika među tim procesima je vrsta korištenog plina. OFW se također često koristi u plamenicima za rezanje za rezanje i odvajanje metalnih ploča i drugih materijala. Najznačajniji proces unutar ove skupine je autogeno zavarivanje.

Oksiacetilensko zavarivanje (OAW) je tehnika taljenja koja koristi plamen visoke temperature proizveden izgaranjem acetilena i kisika, usmjeravan plamenikom za zavarivanje. Može se dodati dodatni metal, a ponekad se tijekom procesa primjenjuje tlak između dodirnih površina. Kada se koristi dodatni metal, obično dolazi u obliku šipke, promjera od 1.6 do 9.5 mm (1/16 do 3/8 inča). Sastav dodatnog metala mora biti što bliže sastavu osnovnih metala. Često se dodatna šipka prekriva fluksom kako bi se očistile površine i spriječila oksidacija, što rezultira jačim zavarenim spojem. Acetilen (C2H2) je najpoželjnije gorivo u OFW skupini jer može postići najviše temperature, dosežući i do 3480°C (6300°F).

Zavarivanje elektronskim snopom (EB)

Zavarivanje elektronskim snopom (EBW) je metoda zavarivanja taljenjem gdje se toplina stvara usmjeravanjem visoko fokusiranog, intenzivnog toka elektrona na radnu površinu. Oprema koja se koristi u EBW-u slična je onoj koja se koristi u obradi elektronskim snopom. Top s elektronskim snopom radi na visokim naponima, obično u rasponu od 10 do 150 kV, kako bi ubrzao elektrone, dok struje snopa ostaju niske, mjerene u miliamperima. Iako ukupna snaga u EBW-u možda nije iznimno visoka, gustoća snage je izuzetno značajna. Ova visoka gustoća snage postiže se fokusiranjem elektronskog snopa na vrlo malo područje radne površine.

Upućivanje

Gustoća snage (PD) u EBW-u može se izračunati pomoću formule:

gdje PD predstavlja gustoću snage u W/mm² (može se pretvoriti u Btu/sec-in² dijeljenjem s 1055), f₁ je faktor prijenosa topline (s tipičnim vrijednostima za EBW u rasponu od 0.8 do 0.95), E je napon ubrzanja u voltima, I je struja snopa u amperima, a A je površina radne površine u mm². Tipične površine zavara za EBW kreću se od 0.013 do 2.0 mm².

Zavarivanje laserskom zrakom

Kod laserskog zavarivanja, poznatog i kao zavarivanje laserskim snopom (LBW), materijali se tale pomoću koncentriranog laserskog izvora topline, što im omogućuje spajanje dok se hlade. Zbog koncentrirane topline koju proizvodi laser, zavarivanje se može obavljati velikim brzinama - mjereno u metrima u minuti - za tanke materijale i može proizvesti uske, duboke zavare s komadima pravokutnih rubova u debljim materijalima.

Upućivanje

Kratica "laser" odnosi se na pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja. Obrada laserskim snopom je još jedna primjena ove tehnologije. Kako bi se izbjegla oksidacija, LBW se obično provodi korištenjem zaštitnih plinova poput ugljikovog dioksida, argona, dušika i helija; dodatni metal se obično ne uključuje. Slično zavarivanju elektronskim snopom, ova metoda daje visokokvalitetne zavare s dubokim prodiranjem i uskom zonom utjecaja topline. Kao rezultat toga, usporedbe između LBW i EBW su uobičajene.

U usporedbi s EBW-om, LBW ima nekoliko prednosti: ne treba vakuumsku komoru, ne oslobađa X-zrake, a laserske zrake mogu se koncentrirati i usmjeravati pomoću zrcala i optičkih leća. No, za razliku od EBW-a, LBW ne može postići istu dubinu i visoke omjere dubine i širine. Dok EBW može proizvesti dubine zavara do 50 mm (2 inča), lasersko zavarivanje može postići maksimalne dubine zavara od oko 19 mm (0.75 inča). Kod LBW-a, omjeri dubine i širine obično su ograničeni na približno 5:1. LBW se široko koristi za spajanje malih komponenti zbog visoko koncentrirane energije u uskom području snopa lasera.

Zavarivanje u čvrstom stanju

Zavarivanje u čvrstom stanju obuhvaća niz tehnika spajanja gdje se spajanje površina postiže bez taljenja, korištenjem tlaka sa ili bez dodatnog zagrijavanja. Tipični postupci zavarivanja u ovoj kategoriji uključuju sljedeće:

Difuzijsko zavarivanje (DFW)

Difuzijsko zavarivanje (DFW) uključuje držanje dvije površine zajedno pod tlakom na visokoj temperaturi, što omogućuje dijelovima da se spoje difuzijom u čvrstom stanju.

Upućivanje

Korištene temperature su znatno niže od tališta metala, dosežući i do oko 0.5 T._m (temperatura taljenja), s minimalnom plastičnom deformacijom na površinama. Primarni mehanizam vezivanja je difuzija u čvrstom stanju, gdje atomi migriraju preko granice dodirnih površina. DFW se često koristi u zrakoplovnoj i nuklearnoj industriji za spajanje visokočvrstih i vatrostalnih metala. Pogodan je za spajanje sličnih i različitih metala, s slojem metala za punjenje koji se često postavlja između različitih osnovnih metala radi poboljšanja difuzije. Proces difuzije može biti dugotrajan, ponekad traje i više od sat vremena.

Zavarivanje trenjem uz miješanje (FSW)

Zavarivanje trenjem s miješanjem (FSW) je tehnika zavarivanja u čvrstom stanju u kojoj se rotirajući alat kreće duž spojne linije između dvaju obratka, stvarajući toplinu trenjem i mehanički miješajući metal kako bi se stvorio zavareni šav. Proces je dobio ime po miješanju ili miješanju. Za razliku od konvencionalnog zavarivanja trenjem (FRW), gdje sami dijelovi stvaraju toplinu trenja, FSW za tu svrhu koristi zaseban alat otporan na habanje.

Alat koji se koristi u FSW-u ima cilindrično rame i manju sondu koja se proteže ispod njega. Tijekom zavarivanja, rame se tare o gornje površine dvaju dijelova, stvarajući većinu topline trenja, dok sonda dodaje dodatnu toplinu miješanjem metala duž linije spoja. Dizajn sonde optimiziran je za poboljšanje ovog djelovanja miješanja. Toplina stvorena trenjem i miješanjem omekšava metal do visoko plastičnog stanja bez njegovog topljenja. Kako se alat kreće duž spoja, prednji rub rotirajuće sonde gura omekšani metal oko sebe, kujući metal u zavareni šav. Rame pomaže u zadržavanju plastificiranog metala oko sonde.

Upućivanje

Zavarivanje s trijeskom (FSW) se široko koristi u industrijama kao što su zrakoplovna, automobilska, željeznička i brodogradnja. Uobičajene primjene uključuju sučeone spojeve na velikim aluminijskim dijelovima. Ovaj se postupak može koristiti i s kompozitima i polimerima, kao i s drugim metalima poput titana, čelika i bakra. Prednosti FSW-a uključuju malo izobličenje ili skupljanje, privlačan izgled zavara, izvrsna mehanička svojstva zavarenog spoja te uklanjanje štetnih isparenja, savijanja i problema sa zaštitom uobičajenih za elektrolučno zavarivanje. Ipak, postoje i određeni nedostaci postupka, naime potreba za jakim stezanjem dijelova i stvaranjem otvora za izlaz kada se alat ukloni.

Ultrazvučno zavarivanje (USW)

Ultrazvučno zavarivanje (USW) uključuje primjenu umjerenog tlaka između dvije komponente uz korištenje oscilirajućeg gibanja na ultrazvučnim frekvencijama u smjeru paralelnom s dodirnim površinama. Ova metoda oscilirajućeg gibanja, koja se često koristi kod preklapajućeg zavarivanja, razgrađuje površinske premaze kako bi omogućila bliski kontakt i robusnu metaluršku vezu između površina. Iako dolazi do određenog zagrijavanja zbog međupovršinskog trenja i plastične deformacije, temperature ostaju znatno ispod točke taljenja, što eliminira potrebu za zaštitnim plinovima, dodatnim metalima ili fluksovima.

Ultrazvučni pretvornik spojen je na sonotrodu koja prenosi oscilatorno gibanje na gornji obratak. S amplitudom između 0.018 i 0.13 mm (0.0007 do 0.005 inča), ovaj pretvornik pretvara električnu energiju u visokofrekventno vibracijsko gibanje, obično u rasponu od 15 do 75 kHz. Plastična deformacija je manja jer su UVW tlakovi stezanja znatno niži od onih koji se koriste kod hladnog zavarivanja. Obično je potrebno manje od sekunde za dovršetak procesa zavarivanja.

Upućivanje

Ultrazvučno zavarivanje se uglavnom koristi za preklopne spojeve na mekim materijalima poput aluminija i bakra. Zavarivanje tvrđih materijala može brzo istrošiti sonotrodu. Obradci bi trebali biti relativno mali, s tipičnom debljinom zavara manjom od 3 mm (1/8 inča). Primjene uključuju završetke i spajanje žica u električnoj i elektroničkoj industriji, eliminirajući potrebu za lemljenjem, sastavljanje aluminijskih limenih ploča, zavarivanje cijevi na limove u solarnim panelima i razne zadatke sastavljanja malih dijelova.

Automatizacija u zavarivanju

Zbog rizika povezanih s ručnim zavarivanjem i želje za povećanjem produktivnosti i kvalitete proizvoda, pojavili su se različiti oblici mehanizacije i automatizacije. Ove kategorije obuhvaćaju strojno zavarivanje, automatsko zavarivanje i robotsko zavarivanje.

Strojno zavarivanje je naziv za mehanizirano zavarivanje pomoću opreme koja radi pod stalnim nadzorom radnika. Obično se stacionarni radni komad pomiče u odnosu na glavu za zavarivanje koja se pomiče mehanički ili se radni komad pomiče u odnosu na stacionarnu glavu za zavarivanje. Kako bi nadgledao rad, ljudski radnik mora stalno pratiti i komunicirati sa strojem.

Kada stroj može izvršiti zadatak bez potrebe za ljudskom intervencijom, to se naziva automatsko zavarivanje. Obično je prisutan ljudski radnik koji nadzire postupak i identificira odstupanja od standardnih operativnih postupaka. Korištenje regulatora ciklusa zavarivanja za kontrolu kretanja luka i položaja obratka bez stalnog ljudskog nadzora razlikuje automatizirano zavarivanje od strojnog zavarivanja. Za automatsko zavarivanje, obradak mora biti pozicioniran u odnosu na glavu za zavarivanje pomoću uređaja za zavarivanje i/ili pozicionera. Osim toga, zahtijeva veću točnost i ujednačenost komponenti koje ulaze u zavarivanje. Zbog ovih čimbenika, automatsko zavarivanje je održivo samo u velikoserijskoj proizvodnji.

Industrijski robot ili programirani manipulator koristi se u robotskom zavarivanju za autonomno upravljanje kretanjem glave za zavarivanje u odnosu na posao. Zbog prilagodljivog dosega robota i mogućnosti reprogramiranja za različite konfiguracije dijelova, ova metoda automatizacije može se opravdati za relativno male proizvodne brojke, čak i s relativno jednostavnim uređajima. Dva uređaja za zavarivanje i ljudski monter koji utovaruje i istovaruje predmete dok robot zavaruje čine standardnu ​​robotsku ćeliju za lučno zavarivanje. Tvrtke za završnu montažu automobila koriste industrijske robote ne samo za lučno zavarivanje već i za otporno zavarivanje karoserija automobila.

Zavareni spoj

Postoji pet osnovnih vrsta spojeva koji se koriste za spajanje dvaju dijelova. Ove vrste spojeva primjenjive su ne samo na zavarivanje već i na druge metode spajanja i pričvršćivanja. Pet vrsta spojeva definirane su na sljedeći način:

Sukobljeni spoj: Kod ove vrste spoja, dijelovi su poravnati u istoj ravnini i spojeni na svojim rubovima.

Kutni spoj: Dijelovi tvore pravi kut i spojeni su u kutu.

Preklopljeni spoj: Ovaj spoj uključuje dva dijela koja se preklapaju.

T-spoj: Jedan dio je postavljen okomito na drugi, nalikujući obliku slova "T".

Rubni spoj: Dijelovi su paralelni s barem jednim zajedničkim rubom, a spoj je napravljen duž tog ruba.

Vrste zavara

Svaki od gore navedenih spojeva može se oblikovati zavarivanjem. Važno je razlikovati vrstu spoja i metodu koja se koristi za njegovo zavarivanje - koja se naziva vrsta zavara. Razlike među vrstama zavara leže u njihovoj geometriji (vrsti spoja) i korištenom postupku zavarivanja.

Kutni zavar

Kao što je prikazano dolje, kutni zavar koristi se za popunjavanje rubova ploča formiranih T-spojevima, preklopnim i kutnim spojevima. Za stvaranje presjeka koji otprilike nalikuje pravokutnom trokutu, koristi se dodatni metal. Budući da za pripremu rubova treba koristiti samo osnovne kvadratne rubove komada, to je najpopularnija vrsta zavara u elektrolučnom i autogenom zavarivanju. Kutni zavari mogu biti jednostruki, dvostruki, kontinuirani ili isprekidani - to jest, mogu se zavarivati ​​kontinuirano duž cijele duljine spoja ili s nezavarenim razmacima između.

Žljebni zavari

Zavarivanje utorima obično zahtijeva oblikovanje rubova dijelova u utor kako bi se poboljšalo prodiranje zavara. Ovi utori mogu biti kvadratni, kosi, V, U ili J oblika, a mogu se nanositi na jednu ili obje strane, kao što je prikazano u nastavku. Dodatni metal, koji se obično nanosi elektrolučnim ili autogenim zavarivanjem, ispunjava spoj. Iako ova priprema ruba zahtijeva više obrade osim osnovnog kvadratnog ruba, često se radi radi ojačanja zavarenog spoja ili pri zavarivanju debljih dijelova. Iako se zavarivanje utorima najčešće povezuje sa sučeonim spojevima, koristi se u svim vrstama spojeva osim preklopnih spojeva.

Čepni zavarovi i utorni zavarovi

Za spajanje ravnih ploča koriste se čepni i utorni zavari. Ovaj postupak uključuje stvaranje jedne ili više rupa ili utora u gornjoj ploči, koji se zatim ispunjavaju dodatnim metalom kako bi se dva dijela spojila.

Točkasti i šavovi zavarivanja obično se koriste za preklopne spojeve. Točkasti zavar uključuje malo, spojeno područje između površina dvaju limova ili ploča, s više točkastih zavara često potrebnih za učinkovito spajanje dijelova. Ova tehnika se najčešće povezuje s otpornim zavarivanjem. Šavni zavar sličan je točkastom zavarivanju, ali se sastoji od kontinuiranog ili gotovo kontinuiranog spojenog dijela između dva lima ili ploča.

Zavarivanje prirubnica

Prirubnički i površinski zavari prikazani su u nastavku. Prirubnički zavar stvara se na rubovima dvaju ili više dijelova, obično lima ili tanke ploče. S druge strane, površinski zavar nije namijenjen spajanju dijelova, već nanošenju dodatnog metala na površinu osnovnog dijela pomoću jedne ili više zavarenih perli. Ove zavarene perle mogu se nanositi u nizu preklapajućih paralelnih prolaza, pokrivajući velika područja osnovnog dijela kako bi se povećala njegova debljina ili osigurao zaštitni površinski premaz.

Fizika zavarivanja

Toplinska energija visoke gustoće dovodi se na površine koje se trebaju spojiti, što rezultira lokaliziranim taljenjem osnovnih metala kako bi se postiglo taljenje. Toplina također mora biti dovoljno visoka da otopi bilo koji korišteni dodatni metal. Gustoća snage (W/mm² ili Btu/sec-in²) je mjerna jedinica koja se koristi za opis gustoće topline. Obrnuto je proporcionalna gustoći snage pri određivanju vremena taljenja. Niske gustoće snage uzrokuju sporije taljenje jer toplina nestaje čim se doda, izbjegavajući taljenje. Većina metala može se rastopiti tijekom zavarivanja s minimalnom gustoćom snage od otprilike 10 W/mm² (6 Btu/sec-in²). Vrijeme taljenja smanjuje se s porastom gustoće topline. Međutim, metal isparava zbog visokih temperatura ako gustoća snage premaši oko 10⁵ W/mm³ (60 000 Btu/sec-in³). Da bi zavarivanje bilo učinkovito, gustoća snage mora se održavati unutar određenog raspona. Brzina zavarivanja i veličina područja zavarivanja ovise o varijacijama u metodama zavarivanja.

Iako zavarivanje kisikom i plinom proizvodi puno topline, ima nisku gustoću jer pokriva veliko područje. Oksiacetilen, najtoplije gorivo za zavarivanje kisikom, gori na oko 3500 °C (6300 °F). Nasuprot tome, elektrolučno zavarivanje postiže lokalne temperature između 10 000 °F i 12 000 °F (ili 5500 °C do 6600 °C) uz istovremeno isporučivanje ogromne energije na manjem području. Visoke gustoće snage često su poželjnije jer je s metalurškog stajališta bolje taliti metal s što manje energije.

Gustoća snage izračunava se kao snaga koja ulazi u površinu podijeljena s površinom:

PD = P/A

gdje je PD gustoća snage (W/mm² ili Btu/sec-in²), P je snaga koja ulazi u površinu (W ili Btu/sec), a A je površina na koju se primjenjuje energija (mm² ili in²). Ovaj izračun kompliciraju čimbenici kao što je kretanje izvora energije (npr. luk za zavarivanje), koji prethodno zagrijava područje ispred i naknadno zagrijava područje iza. Osim toga, gustoća snage nije jednolika po zahvaćenoj površini, već varira ovisno o površini.

Reference

Groover, MP, 2010. Osnove moderne proizvodnje: Materijali, procesi i sustavi. 4. izd. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.