Trwałość złącza zależy nie tylko od materiału, lecz także od sposobu doprowadzenia ciepła, siły docisku i geometrii łączonych elementów. W przypadku metali oraz tworzyw sztucznych te zależności wyglądają odmiennie, dlatego parametry i technikę dobiera się do konkretnego rozwiązania, a nie do samej nazwy procesu.
Spis treści
Na czym polega zgrzewanie i jak przebiega tworzenie trwałego połączenia
Zgrzewanie to proces trwałego łączenia części wykonanych z metalu lub tworzyw sztucznych, który może przebiegać bez użycia dodatkowego spoiwa. Obejmuje przygotowanie stykających się powierzchni, doprowadzenie ciepła lub nacisku, uplastycznienie obszaru styku oraz jego dociśnięcie.
W uproszczeniu najpierw ustawia się elementy tak, aby ich powierzchnie stykały się w zaplanowanym miejscu. Następnie podgrzanie i nacisk powodują powstanie plastycznego obszaru materiału. Po ustaniu oddziaływania i zachowaniu docisku obszar ten zastyga, tworząc trwałe połączenie.
Szczegółowy przebieg zależy od rodzaju łączonych części i wybranej techniki. Wspólna zasada polega jednak na wykorzystaniu uplastycznienia stykających się powierzchni oraz ich dociśnięciu, bez tworzenia połączenia przez naniesienie spoiwa.
Metody zgrzewania metali: oporowe, tarciowe, doczołowe i specjalne
Metody zgrzewania metali można rozróżniać według źródła ciepła, sposobu wywierania nacisku oraz geometrii łączonych elementów. Taki podział pozwala odróżnić techniki wykorzystujące prąd elektryczny od tych, w których ciepło powstaje wskutek ruchu mechanicznego, a także od zgrzewania elementów ustawionych czoło w czoło.
Zgrzewanie oporowe, określane także jako zgrzewanie elektryczne oporowe lub rezystancyjne, polega na dociśnięciu elementów i przepuszczeniu prądu przez obszar ich styku. W wyniku oporu elektrycznego wydziela się tam ciepło, a docisk wspiera uplastycznienie i trwałe połączenie materiału. Metodę stosuje się do łączenia metalowych elementów, w tym blach i kształtowników. Jej odmiany różnią się między innymi geometrią obszaru zgrzewania; zgrzewanie punktowe i liniowe omówiono w dalszej części.
Zgrzewanie tarciowe wykorzystuje ciepło powstające wskutek tarcia silnie dociśniętych powierzchni, gdy jeden z elementów wykonuje ruch względem drugiego. Po nagrzaniu i uplastycznieniu obszaru styku ruch zostaje zatrzymany, a elementy są nadal dociskane. Charakter złącza zależy od materiału, konstrukcji oraz warunków procesu.
Zgrzewanie doczołowe łączy elementy ustawione czoło w czoło. Ich końcowe powierzchnie są nagrzewane, a następnie ściskane osiowo, co prowadzi do powstania trwałego połączenia w płaszczyźnie styku. Oprócz tych grup wyróżnia się także metody specjalne, które zostaną zasygnalizowane w dalszych podrozdziałach.
Zgrzewanie punktowe, liniowe i garbowe
Zgrzewanie punktowe łączy dwie lub więcej warstw w miejscach, w których elektrody dociskają materiał i przepływa przez niego prąd o dużym natężeniu. Połączenie powstaje lokalnie, w postaci pojedynczych, rozdzielonych zgrzein.
Zgrzewanie liniowe wykorzystuje elektrody krążkowe, które obracają się i przesuwają względem łączonego materiału. Tworzą serię zgrzein układających się w ciągłe połączenie; poszczególne zgrzeiny mogą na siebie zachodzić.
Zgrzewanie garbowe opiera się na wcześniej uformowanych wypukłościach, czyli garbach zgrzewalniczych. Skupiają one prąd i nacisk w określonych miejscach, wyznaczając obszar tworzenia zgrzeiny. Metoda może służyć do mocowania nakrętek, kołków lub trzpieni.
| Odmiana | Element wyróżniający | Charakter połączenia |
|---|---|---|
| Punktowa | Docisk elektrod i przepływ prądu w wybranym miejscu | Pojedyncze, miejscowe zgrzeiny |
| Liniowa | Przesuwające się elektrody krążkowe | Ciąg zgrzein, które mogą na siebie zachodzić |
| Garbowa | Wypukłości skupiające prąd i nacisk | Połączenia w miejscach wyznaczonych przez garby |
Zgrzewanie ultradźwiękowe, dyfuzyjne, zgniotowe i egzotermiczne
Zgrzewanie ultradźwiękowe wykorzystuje drgania do miejscowego uplastycznienia materiału i utworzenia połączenia bez spoiwa. Może łączyć metale, ceramikę z metalem oraz tworzywa termoplastyczne.
Zgrzewanie dyfuzyjne opiera się na dyfundowaniu cząsteczek łączonych materiałów. Do utworzenia połączenia potrzebne są odpowiednio dobrane warunki temperatury i nacisku. Zgrzewanie zgniotowe wykorzystuje bardzo duży nacisk, bez podgrzewania lub przy minimalnym podgrzewaniu.
Zgrzewanie egzotermiczne wykorzystuje reakcję proszku zgrzewającego w formie grafitowej. Może tworzyć nisko-rezystancyjne połączenia miedzi z miedzią lub miedzi ze stalą, stosowane między innymi w uziemieniach i ochronie odgromowej.
| Metoda | Dominujący mechanizm | Charakterystyczna cecha |
|---|---|---|
| Ultradźwiękowa | Drgania i miejscowe uplastycznienie | Łączenie bez spoiwa |
| Dyfuzyjna | Dyfundowanie cząsteczek | Wymaga odpowiednich warunków temperatury i nacisku |
| Zgniotowa | Bardzo duży nacisk | Brak podgrzewania lub minimalne podgrzewanie |
| Egzotermiczna | Reakcja proszku w formie grafitowej | Połączenia stosowane w uziemieniach i ochronie odgromowej |
Techniki zgrzewania tworzyw sztucznych
Zgrzewanie polifuzyjne łączy tworzywa sztuczne przez miejscowe uplastycznienie stykających się powierzchni. Proces może przebiegać bez użycia kleju czy dodatkowego spoiwa: po ogrzaniu elementy zestawia się, a po ochłodzeniu powstaje trwałe połączenie o potencjalnie bardzo wysokiej szczelności.
W odróżnieniu od metod stosowanych przy metalach proces opiera się na doprowadzeniu ciepła do obszaru łączenia, a nie na przepływie prądu. Dobór techniki zależy od rodzaju tworzywa, geometrii elementów oraz wymaganej szczelności. Zgrzewanie polifuzyjne nie jest więc uniwersalnym rozwiązaniem dla wszystkich materiałów polimerowych.
Wykorzystuje się między innymi techniki z użyciem gorącego powietrza lub gorącej płyty. Zgrzewanie polifuzyjne ma znaczenie przy wykonywaniu instalacji i obudów technicznych z tworzyw termoplastycznych, w których istotna jest szczelność połączenia.
Parametry zgrzewania wpływające na jakość i trwałość połączenia
W zgrzewaniu oporowym jakość zgrzeiny zależy od współdziałania kilku parametrów. Ich dobór uwzględnia między innymi rodzaj materiału, grubość i kształt łączonych elementów oraz wymagania konstrukcyjne. Zależności te dotyczą przede wszystkim procesów oporowych i nie przenoszą się automatycznie na inne metody zgrzewania.
- Natężenie i czas przepływu prądu decydują o ilości dostarczanego ciepła. Zbyt małe oddziaływanie może nie doprowadzić do prawidłowego uformowania jądra zgrzeiny, natomiast zbyt intensywne nagrzewanie zwiększa ryzyko przegrzania, wyprysku ciekłego metalu i przepalenia. Oba parametry należy oceniać łącznie.
- Siła docisku elektrod wpływa na przyleganie powierzchni oraz warunki przepływu prądu. Odpowiednio dobrana sprzyja powstaniu jednolitego jądra zgrzeiny. Zbyt duża lub zbyt mała wartość może pogorszyć jakość połączenia.
- Ilość wytwarzanego ciepła powinna wystarczyć do uformowania złącza, lecz nie prowadzić do nadmiernego nagrzania obszaru wokół zgrzeiny. Niewłaściwy dobór może sprzyjać wypryskowi i większym odkształceniom.
- Grubość elementów zmienia warunki nagrzewania i jest jednym z czynników uwzględnianych przy doborze parametrów. Różnice grubości oraz kształtu elementów mogą utrudniać uzyskanie powtarzalnego połączenia.
- Odległość między zgrzeinami może wpływać na trwałość i wytrzymałość połączenia. Zbyt mały odstęp sprzyja bocznikowaniu prądu, co może prowadzić do powstawania zgrzein o niższej jakości.
Oceniając proces, trzeba uwzględnić powtarzalność uzyskiwanego jądra zgrzeiny, występowanie wyprysku oraz zachowanie połączenia przy przewidywanym obciążeniu. Parametry powinny być odnoszone do konkretnej technologii i łączonych elementów, a nie traktowane jako uniwersalne nastawy.
Zastosowania zgrzewania metali i tworzyw sztucznych
Zgrzewanie znajduje zastosowanie w wielu branżach przemysłowych i technicznych. Wybór metody zależy od materiału, kształtu łączonych elementów oraz wymagań dotyczących złącza, dlatego w tej samej branży mogą być stosowane różne technologie.
- Przemysł motoryzacyjny – zgrzewanie wykorzystuje się przy produkcji części samochodowych i elementów konstrukcyjnych.
- Budownictwo – technologie zgrzewania wspierają produkcję siatek metalowych oraz innych elementów konstrukcyjnych.
- Przemysł meblarski – zgrzewanie stosuje się do wykonywania metalowych elementów konstrukcyjnych wykorzystywanych w meblach i ich podzespołach.
- Instalacje energetyczne – zgrzewanie egzotermiczne znajduje zastosowanie przy wykonywaniu uziemień oraz połączeń związanych z ochroną odgromową i ochroną katodową.
- Instalacje i obudowy techniczne z tworzyw – zgrzewanie polifuzyjne może służyć do łączenia elementów stosowanych w instalacjach i obudowach technicznych.
Przykładowo, zgrzewarka do kołków gwintowanych odnosi się do konkretnego sposobu mocowania elementów, a nie do uniwersalnego rozwiązania dla wszystkich prac z metalem. Zastosowanie technologii należy więc oceniać w odniesieniu do konkretnej konstrukcji, materiału i wymagań złącza.
Kontrola jakości i bezpieczeństwo procesu zgrzewania
Kontrola jakości zgrzewania powinna obejmować nie tylko wygląd złącza, lecz także jego zachowanie w warunkach pracy. Ocenia się przede wszystkim trwałość i wytrzymałość połączenia, a w przypadku elementów wymagających szczelności również brak nieszczelności. Znaczenie ma powtarzalność kolejnych zgrzein oraz stabilność parametrów procesu.
Szczegółowe metody badań i kryteria akceptacji trzeba dobrać do konkretnej technologii, materiału oraz stanowiska. Obserwacji wymagają między innymi ustawienia urządzenia, docisk i stan elementów roboczych, ponieważ ich zmiana może wpływać na jakość połączenia.
- Trwałość i wytrzymałość – połączenie powinno zachowywać wymagane właściwości podczas przewidywanej pracy elementu.
- Szczelność – w konstrukcjach, dla których jest wymagana, należy sprawdzić, czy złącze nie przepuszcza medium.
- Powtarzalność – kolejne zgrzeiny powinny być wykonywane w porównywalnych warunkach i dawać zbliżony rezultat.
Bezpieczeństwo zgrzewania obejmuje ochronę oczu przed promieniowaniem. Operator powinien stosować okulary ochronne, tarczę lub przyłbicę odpowiednie do danej technologii i nie patrzeć bezpośrednio na łuk ani źródło promieniowania. Stanowisko należy organizować z zachowaniem bezpiecznej odległości od materiałów łatwopalnych oraz zgodnie z procedurami właściwymi dla zgrzewania elektrycznego lub gazowego. Przy pracy z palnikiem gazowym trzeba dodatkowo uwzględnić zasady dotyczące butli, przewodów, zaworów i chłodzenia palnika. Środki ochrony oraz sposób postępowania zawsze dobiera się do konkretnego urządzenia i warunków stanowiska.
