Opublikowano: 27 listopada 2012

Większość stopów aluminium to materiały spawalne, mimo trudności związanych z błyskawicznym pokrywaniem się oczyszczonego metalu warstwą tlenków i stosunkowo niską temperaturą topnienia, zbliżoną do początku zakresu „świecenia”.

Leszek Gardyński, Michał Adamiak, Hubert Padula, Dariusz Cyganek, Ryszard Jastrzębski, Krzysztof Trześniewski, Grzegorz Cios

Przygotowanie brzegów do spawania
Ze względu na wysoką jakość powierzchni, a przy tym niskie koszty narzędzi, rowek najlepiej przygotować mechanicznie. Brzegi blach i profili walcowanych przygotowuje się do spawania poprzez obróbkę mechaniczną: ukosowarki, frezowanie, struganie (na jeden dzień przed spawaniem).
Przy stosowaniu ukosowarek należy stosować folię nylonową przezroczystą jako smarowanie. Wtedy ukosowarka nie rwie materiału obrabianego.
Przy spawaniu stopów aluminium w ogóle nie należy używać tarcz szlifierskich. Stosowanie szlifowania powoduje pory w spoinie. Szlifowanie można stosować dopiero po zakończeniu spawania. Zalecane jest stosowanie frezów zaokrąglonych (do stopów aluminium).


Rys.1 Przygotowanie krawędzi, układ ściegów w pozycji pionowej, sufitowej i naściennej wraz z techniką spawania stopów aluminium

Do czyszczenia należy używać szczotek drucianych z drutami mosiężnymi na metalowych trzonkach oraz szczotki rotacyjne z drutami mosiężnymi. Przed spawaniem powierzchnię należy odtłuścić np. przy użyciu acetonu lub denaturatu, a następnie oczyścić przy użyciu frezu bądź szczotki drucianej z mosiądzu (używanej jedynie do aluminium). Po oczyszczeniu zaleca się, aby jak najszybciej rozpocząć spawanie – elementy nie mogą być przygotowane do spawania dzień ani nawet więcej niż kilka godzin wcześniej. Hala powinna być wolna od unoszących się pyłów, a spawane elementy nie mogą mieć kontaktu z elementami stalowymi. Jak wiadomo, aluminium i jego stopy swoją wysoką odporność na korozję (która maleje w stopach wraz ze wzrostem zawartości miedzi) zawdzięczają warstwie trudnotopliwych tlenków (Al2O3), która tworzy się na powierzchni. Jednakże warstwa ta utrudnia spawalność aluminium ze względu na wysoką temperaturę topnienia przekraczającą 2000 °C (podczas gdy czyste aluminium topi się przy 660 °C). Poza tym tlenek aluminium ma właściwości higroskopijne, przez co może absorbować wilgoć z powietrza, co z kolei jest przyczyną porowatości.

Technika spawania ciężkich konstrukcji aluminiowych metodą MIG
Podstawowym elementem podczas spawania aluminium, obok odpowiedniego przygotowania, mającym wielki wpływ na jakość spoiny i wynikającym z trudności wykonania takiej spoiny, jest czynnik ludzki. Technika trzymania uchwytu spawalniczego jest niewątpliwie jednym z głównych punktów wykonania dobrej spoiny. Można zauważyć, iż spawacz z dłuższym stażem, nie pracujący stale przy spawaniu aluminium, wykazuje znacznie lepszą technikę i uzyskuje znacznie lepsze spoiny od spawacza pracującego stosunkowo krótko, choć intensywnie. Zależność ta wynika z techniki, która jest doskonalona przez lata i stosunkowo rzadko może być przyswojona przez spawacza w przeciągu kilku miesięcy. Spawanie aluminium jest procesem wymagającym ponadprzeciętnych umiejętności spawacza ze względu na dość skomplikowany ruch wykonywany podczas procesu. Jak wiadomo, aby poprawnie pospawać aluminium, trzeba pozbyć się powierzchniowej warstwy tlenków, która ma znacznie większą temperaturę topnienia niż czyste aluminium.
Uogólniając, podczas spawania aluminium, znaczącą trudnością dla spawacza bez dużego doświadczenia jest stosowanie ruchu posuwisto-zwrotnego (zamiast ruchów zakolowych, stosowanych przy spawaniu stali).


Rys. 2 Typowe konstrukcje aluminiowe platform wiertniczych. Morska Stocznia Remontowa Świnoujście

Wynika to z tego, że przy spawaniu materiału o dużej przewodności cieplnej, kroplę należy dodawać w środku jeziorka (nie wolno wykonywać zakosów, bo dodawanie kropli po bokach zatrzymałoby topienie). Dalej, aby się wtopić przy spawaniu w lewo (metodą pchania), trzeba szybko przeciągnąć łuk elektryczny do przodu, natomiast aby uformować ścieg i wyprowadzić gazy z jeziorka spawalniczego, należy cofnąć łuk do tyłu i lekko przytrzymać. Ten powtarzający się cykl spawania pozwala na wykonanie prawidłowej spoiny aluminiowej. Wykonywanie przetopu na podkładce podczas spawania stopów aluminium stosuje się w celu uzyskania ładniejszej spoiny oraz w celu zaoszczędzenia czasu (brak zbędnego szlifowania). Podkładkę, po podgrzaniu brzegów blach, należy przyklejać taśmą aluminiową samoprzylepną spawalniczą. Podkładki te łatwo się odklejają po zakończeniu spawania. Jeżeli w podkładce wykonamy rowek frezowany, to lico od strony grani zostanie uformowane w tym rowku. Jeżeli będziemy spawali na podkładce płaskiej, to konieczne będzie wyfrezowanie grani frezem stożkowym palcowym, zaokrąglonym na końcu, i pospawanie tak wykonanego rowka.
Podczas spawania aluminium ważne jest przygotowanie odpowiedniej szczeliny (rys.1) i wstępne podgrzewanie materiału. Do podgrzewanie należy używać palnika acetylenowo-tlenowego; blachy o grubości do 10 mm podgrzewa się do 50 °C, blachy o grubości powyżej 10 mm do 100 °C.
Nieprawidłowe trzymanie uchwytu przez spawacza ma bezpośredni wpływ na jakość i wygląd tworzonej spoiny. Efektem złego trzymania uchwytu najczęściej jest nieusunięcie (wydmuchanie) zanieczyszczeń, czyli tworzenie wad w spoinie. Niezależnie od grubości elementów spoiny powinny być jak najcieńsze.
Kąt prowadzenia uchwytu powinien być zbliżony do 75° . Wolny wylot elektrody, przy najczęściej stosowanej w praktyce średnicy drutu 1,2 mm, powinien być długi na ok. 1,5 cm.
Podczas pracy spawacz odpowiednio kontroluje prędkość spawania, aby nie prowadzić łuku zbyt szybko i nie wyprzedzać łukiem jeziorka, co może skutkować brakiem wtopienia. Zbyt wolne prowadzenie łuku skutkuje nadmiernym nadlewem lica i brakiem wtopienia.
Przy spawaniu na nowoczesnych spawarkach zalecane jest ustawienie funkcji „Gorący start”, która powoduje zwiększenie prądu na początku spawania i umożliwia prawidłowe rozpoczęcie procesu. Kończąc, używa się funkcji „Wypełniania krateru” powodującej spokojne opadanie prądu, wyprowadzanie gazów i prostowanie ugiętego ciśnieniem łuku jeziorka.
W Morskiej Stoczni Remontowej Świnoujście do spawania ciężkich konstrukcji aluminiowych, jako gaz osłonowy do spawania MIG, stosuje się mieszankę zawierającą 70% Ar i 30% He. Należy przy tym pamiętać, iż aluminium powinno być spawane cienkimi ściegami. Ponadto trzeba uważać, aby nie przekroczyć temperatury międzyściegowej (max 120 °C) podczas samego procesu, co sygnalizuje zmiana koloru spoiny – ma to znaczny wpływ na własności mechaniczne połączenia.

Technologia spawania ciężkich konstrukcji aluminiowych metodą MIG
Najczęstszą wadą, będącą zmorą spawaczy zajmujących się spawaniem aluminium MIG, są pory wynikające ze złego przygotowania do spawania, zbyt dużej wilgotności otoczenia i nieodpowiedniego doboru drutu (nieodgazowanego próżniowo).
Istotnym elementem, pozwalającym na poprawne wykonanie spoin, jest przygotowanie i jakość miejsca pracy spawacza. Hala, na której odbywa się proces spawania aluminium, powinna być bardzo czysta i posiadać dobrą wentylację. W powietrzu nie może unosić się jakikolwiek pył. Elementy pomocnicze używane podczas procesu, takie jak np. tarcze szlifierskie, muszą być specjalnie przeznaczone do aluminium. Niedopilnowanie tych elementarnych zasad może skutkować pojawieniem się w spoinie różnego rodzaju wtrąceń i zanieczyszczeń. Następnym czynnikiem jest sam sprzęt używany przez spawacza. Do tego typu prac muszą to być najwyższej jakości narzędzia. W spawaniu MIG regulujemy napięcie, prąd oraz indukcyjność. Topienie łukiem elektrycznym polega na fizycznym kontakcie gorących gazów z podłożem, a grzanie odbywa się poprzez przewodnictwo cieplne i zależy od wielkości jeziorka spawalniczego i czasu przytrzymania jeziorka w danym miejscu. Do topienia służy prąd spawania, który nie zależy od przewodności cieplnej, tylko od grubości materiału. Do grzania służy napięcie, które przy spawaniu w pozycjach przymusowych metodą zwarciową dla stali nierdzewnej o małej przewodności cieplnej teoretycznie powinno wynosić 15 V, przy spawaniu stali czarnej 20 V, a przy spawaniu gołym drutem aluminium o dużej przewodności cieplnej nawet do 24 V. Tak więc: prąd spawania ustawiamy do grubości materiału, a napięcie do przewodności cieplnej materiału.
Spawanie czystym argonem możliwe jest tylko w pozycji naściennej napięciem 22,8 V +- 0,7 V. Jak widać, spawanie czystym argonem nie jest odpowiednie do spawania MIG stopów aluminium.
Przy spawaniu grubościennego aluminium w mieszance Argon-Hel w pozycji pionowej ustawiamy 22,7 V, w pozycji sufitowej ustawiamy 23,5 V, a w pozycji naściennej 24,5 V. W pionie ustawiamy prędkość podawania drutu 10m/min, a w pozycji sufitowej i naściennej 11m/min.
Przy tej samej szybkości podawania drutu, w zależności od szybkości spawania, zmienia się prąd spawania.
W pozycji naściennej, przy zmianie szybkości spawania od 4,4 – 6,3 m/min, stosunek prądu do szybkości spawania zmienia się od 37-27 A x min/m.
W pozycji sufitowej, przy zmianie szybkości spawania od 3,2-6,3m/min, stosunek prądu do prędkości spawania zmienia się od 58-29 A x min/m.
W pozycji pionowej, przy zmianie prędkości spawania 2,4-33m/min, stosunek prądu do prędkości spawania zmienia się od 73-51 A x min/m.
Zakosy w pionie są tylko o 10% większe i prawie równe wolnemu wylotowi elektrody, przy drucie o średnicy 1,2 mm, nie tłumaczy to całkowicie dużego stosunku prądu spawania (prąd topi) do prędkości spawania w pionie.
Dokładność stabilizacji prądu przy spawaniu aluminium, nawet przy spadku napięcia w sieci, nie może przekraczać więcej niż 0,5 V. Taką dokładność stabilizacji napięcia, przy polskich warunkach sieci energetycznej, najlepiej zapewniają spawarki firmy Fronius. Indukcyjność służy do regulacji odprysków i zależy od grubości drutu i pozycji spawania. Wynika z tego, że tradycyjne spawarki nie są w stanie spełnić tych warunków. Z tych powodów do spawania aluminium najlepsza jest spawarka impulsowa, a zwłaszcza z podwójnym pulsem (jeden do ogrzania i odrywania małych kropli, a drugi do zatrzymywania krystalizacji i rozbudowywania struktury na boki) /8/.
We wszelkich półautomatach spawalniczych, wyposażonych w mierniki umożliwiające odczyt prądu spawania i napięcia łuku, przystosowanych do spawania stopów aluminium (rolki, prowadnice drutu – do stopów aluminium) należy przy podajniku stosować czyściki do drutu spawalniczego. Nie mozna używać tu płynu czyszczącego. Po zakończeniu pracy drut powinniśmy wyjąć z podajnika i zabezpieczyć go w worku foliowym do następnego dnia w magazynie z materiałami spawalniczymi.

Wytyczne do spawania aluminium
W przeciwieństwie do stali, na której przy podgrzaniu tworzą się nalotowe barwy tlenkowe, pozwalające określić temperaturę podgrzania i wielkość strefy wpływu ciepła, aluminium nie zmienia barwy aż do osiągnięcia temperatury topnienia. Właściwą temperaturę miejsca spawania określa się po lustrzanym połysku tego miejsca /1/.
Przewodność cieplna, wynosząca 200 W/(m·K) (dla stali – 58 W/(m·K)), wymaga użycia skupionych źródeł ciepła.
Na skutek zbyt małej lub zbyt dużej energii liniowej, braku płyty wybiegowej lub nieszlifowania początków i zakończeń ściegów, w spoinie, a szczególnie w kraterze, mogą wystąpić pęknięcia złączy aluminiowych. W przypadku mikropęknięć i pęknięć w kraterze należy dobrać lepszej jakości stopiwo zawierające pierwiastki powodujące rozdrobnienie kryształów (stopiwa amerykańskie lub włoskie). Aluminium ma tendencję do porowatości, wywołaną różnicą rozpuszczalności wodoru w metalu ciekłym (duża rozpuszczalność wodoru) i w metalu zakrzepłym. Podczas chłodzenia wodór wydziela się w postaci pęcherzy, pogarszając własności mechaniczne złącza. Źródłem wodoru może być zarówno wilgoć z powietrza, wilgoć materiałów podstawowych, jak również tłuszcze i smary. Powodem porowatości mogą być także gazy uwięzione w czasie wytapania stopu. Duża przewodność cieplna aluminium sprawia, że ciekły metal szybko się chłodzi i rozpuszczony gaz ma zbyt mało czasu, aby się wydostać do atmosfery. Dodatek magnezu w stopach sprzyja powstawaniu większej ilości pęcherzy. Ze względu na trudności w wyprowadzeniu gazów, stosuje się podkładki ze stali nierdzewnej o małej przewodności cieplnej. Z uwagi na duży skurcz i przewodnictwo cieplne, aby uniknąć przyklejeń i pęknięć, należy grubsze blachy podgrzać palnikiem acetylenowym (ze spalania powstaje mniej pary wodnej, która mogłaby się wykraplać w rowku). Przy grubościach blach większych niż 15 mm tylko stopiwo odgazowane próżniowo (amerykańskie lub włoskie) zabezpiecza nas przed porowatością.
Projektując połączenie spawane, należy pamiętać, że spoina aluminiowa w polskich warunkach może być słabsza od materiału rodzimego, a więc i wytrzymałość konstrukcji jest przez to niższa (Rys. 3 i 4). W USA nie dopuszcza się technologii, przy której spoina jest słabsza.
Aby zniwelować ten efekt, przy spawaniu cienkich blach można zaginać brzegi, a w przypadku konstrukcji naczep samochodowych stosuje się spęczanie końców blach i spawanie dwa razy grubszego, spęczonego brzegu elementu.
Dobierając wymiary elementów, trzeba pamiętać, że brzegi elementu spawanego bez podkładki przygotowujemy bez odstępu. Wymagane jest usunięcie tlenków tuż przed spawaniem przy pomocy szczotki drucianej rotacyjnej z drutami mosiężnymi lub ręcznej z drutami mosiężnymi na stalowych trzonkach.
Dalej, konieczna jest idealna czystość hali, gdzie spawane są stopy aluminium. Co więcej, hala ta winna być przeznaczone tylko i wyłącznie do spawania aluminium. Obecność pyłów tlenków żelaza czy pyłów po żłobieniu elektropowietrznym stali jest niedopuszczalna. Stanowiska spawalnicze należy odkurzać odkurzaczami przemysłowymi raz dziennie, po zakończeniu pracy. Miejsce, gdzie spawane są elementy, czyścimy i odtłuszczamy tuż przed spawaniem. Do odtłuszczania można użyć denaturatu i czystych, białych szmat (np. starej pościeli). Szmaty po użyciu należy odkładać na tace wykonane z cienkiej blachy ze stopów aluminium lub blachy nierdzewnej. Co ważne, odtłuszczać należy przed przyklejeniem podkładki. Ubrania spawaczy powinny być czyste, rękawice nie mogą być zatłuszczone. Spawanie powinno rozpocząć się jak najszybciej po przygotowaniu brzegów do spawania, a więc transport elementów konstrukcji gotowych do spawania nie jest wskazany.
Aluminium nie zmienia barwy wraz z temperaturą. Ze względu na wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej, odkształcenia spawalnicze są duże, więc aby im zapobiec można zastosować spawanie postępowo wsteczne oraz odpowiednią kolejność spawania konstrukcji. Przy większych grubościach, w celu zmniejszenia odkształceń i unikania przyklejeń, niezbędne jest podgrzewanie acetylenem (ze spalania powstaje mniej pary wodnej niż w przypadku podgrzewania propanem). Dla przykładu pręt aluminiowy o długości 1 m podgrzany do 100 °C wydłuża się o 2,4 mm, a przy podgrzaniu do 600 °C o 17 mm. Oprócz tego aluminium przy temperaturze powyżej 500 °C ma bardzo niskie własności wytrzymałościowe. Powyższe cechy uzasadniają użycie przyrządów spawalniczych przy produkcji aluminiowych elementów spawanych.
Na aparaturę chemiczną najlepiej nadają się stopy serii 1xxx (np.1060). Na ramy, ciężarówki i samoloty – stopy serii 2xxx (np.2014). Na materiały budowlane i codziennego użytku najlepsze są stopy serii 3xxx(np. 3003), na elektrody i druty – stopy serii 4xxx (np.4043), na zbiorniki ciśnieniowe, statki czy samochody – stopy serii 5xxx (np.5083), na konstrukcje odporne na korozję – stopy serii 6xxx (np.6061); do konstrukcji lotniczych stosuje sie również stopy serii 7xxx (np.7075)/5/. Stopy aluminium podane są w tabeli 1.

Porowatość
W obszarze spoiny z aluminium łatwo powstają pęcherze, co jest wielkim problemem przy pracach spawalniczych. Główną przyczyną ich powstawania jest wodór. Ponadto szybkość krzepnięcia jest bardzo duża i dlatego uniemożliwia to wyprowadzenie powstałych pęcherzyków. Rozpuszczalność wodoru podczas krzepnięcia gwałtownie spada (zmniejsza się o 1/20), co powoduje powstawanie porów wewnątrz spoiny, a ze względu na szybkie odprowadzenie ciepła, pory te nie są w stanie wypłynąć na powierzchnię, zanim spoina zakrzepnie.
Za główną przyczynę powstawania porów uznaje się wodór z atmosfery, a także wykraplającą się z otoczenia wilgoć na drucie i materiale rodzimym. Pozostałe źródła wodoru to: ciekły roztwór wodoru w materiałach dodatkowych oraz w materiale rodzimym, przyczepione bądź wchłonięte kropelki wody, związki organiczne oraz warstwa tlenków na powierzchni materiałów dodatkowych i materiałów dodatkowych, wilgoć w osłonie gazowej, wilgoć z powietrza, która przedostała się do atmosfery łuku. Powodem porowatości mogą być także tłuszcze, smary oraz gazy zaokludowane w czasie wytapiania stopu. Dodatek magnezu w stopach sprzyja powstawaniu większej ilości pęcherzy. Rozwiązaniem tego problemu mogą być: zmniejszenie szybkości spawania, zwiększenie prądu spawania lub zwrócenie większej uwagi na przygotowanie materiałów przed spawaniem.
Innymi problemami podczas spawania aluminium są duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, a także wysokie przewodnictwo cieplne utrudniające skupienie energii.

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stopów aluminium
W tabeli 1 podano podstawowe polskie gatunki stopów aluminium. W stopach tych magnez (Mg) i mangan (Mn) poprawiają własności mechaniczne poprzez umocnienie roztworowe, a także poprawiają zdolność do umocnienia poprzez odkształcenie. Dodatek magnezu w siluminach umożliwia obróbkę cieplną odlewów poprzez utwardzanie wydzieleniowe. Przesycanie i starzenie pozwala w niektórych przypadkach podnieść granicę plastyczności prawie dwukrotnie, a wytrzymałość na rozciąganie do 30%. Wynika to z faktu tworzenia się fazy krzemu z magnezem Mg2Si o malejącej rozpuszczalności aluminium w stanie stałym.


Tab. 1. Produkowane w Polsce stopy aluminium do obróbki plastycznej

Miedź (Cu) podnosi własności mechaniczne, umożliwia umocnienie wydzieleniowe, jednak obniża odporność na korozję, ciągliwość i spawalność. Dodatek miedzi zwiększa twardość i skrawalność, a także wytrzymałość w temperaturach podwyższonych. Fazą utwardzającą jest Al2Cu.
Krzem (Si) polepsza własności odlewnicze, podnosi wytrzymałość i twardość oraz znacznie zwiększa odporność na ścieranie, obniżając jednocześnie przewodnictwo i rozszerzalność cieplną, a dodany z magnezem umożliwia umocnienie wydzieleniowe. Cynk (Zn) podnosi własności wytrzymałościowe, umożliwia umocnienie wydzieleniowe, jednak może powodować korozję naprężeniową i traktowany jest jako zanieczyszczenie. Żelazo (Fe) umacnia czyste aluminium, jednak jest uważane jako zanieczyszczenie, gdyż tworzy w stopie bardzo kruche igły związku Al4Si2Fe, powodując obniżenie wytrzymałości i udarności. Dodatek manganu (Mn)lub kobaltu (Co) zwiększa dyspersję szkodliwej fazy, powodując jednocześnie zwartość kształtu jej ziaren. Chrom (Cr) podnosi odporność na korozję naprężeniową. Nikiel (Ni) podnosi własności wysokotemperaturowe. Tytan (Ti) i cyrkon (Zr) są zarodkami krzepnięcia, przez co powodują rozdrobnienie ziarna; małe ilości są stosowane w materiałach dodatkowych. Lit (Li) podnosi moduł Younga, własności wytrzymałościowe, obniża gęstość, a także umożliwia umocnienie wydzieleniowe /1/.
Do spawania konstrukcji konieczny jest wybór spawalnych stopów aluminium, np. 5085 - blachy, 6082 – profile walcowane. Konstruktorzy często popełniają tu błąd, wybierając stopy aluminium niespawalne. Przy użyciu takich stopów przy grubościach powyżej 20 mm, jedynie włoski drut SAFRA Al Mg4,5 Mn pozwala na uzyskanie spoin bez porów.
W tabeli 2 podano dobór materiałów dodatkowych do spawania aluminium. Materiały najpierw dobiera się pod względem odporności na pękanie, a następnie pod względem wytrzymałości i dostosowania do procesów przemian fazowych
Poszczególne wykresy przemian fazowych w zakresie stosowalności omówiono w poprzednim artykule /1/. Jeżeli w danym stopie jest kilka pierwiastków, to w zależności od temperatury wydzielają się fazy trudniej topliwe, a na końcu łatwo topliwe.W pewnym momencie, przy dużym skurczu wysokotemperaturowym zaczyna brakować cieczy i powstają pęknięcia krystalizacyjne. Skłonność do takich pęknięć będzie tym większa, im większy jest zakres temperatur krzepnięcia. Im więcej pierwiastków stopowych o różnych temperaturach krzepnięcia, tym większy zakres krzepnięcia i większa skłonność do pękania krystalizacyjnego. W niższych temperaturach, na skutek zmniejszenia rozpuszczalności niektórych dodatków stopowych, będą się one wydzielać i będą blokować rozrost ziaren, a tym samym będą wpływać na wzrost wytrzymałości stopu. Stopy, które mieszczą się w zakresie zmniejszania rozpuszczalności pierwiastków stopowych, mogą być obrabiane cieplnie.
Przykładowo w Federal Mogul (dawnej WSK Gorzyce), firmie będącej głównym krajowym wytwórcą tłoków, najczęściej stosowanym stopem do produkcji jest okołoeutektyczny silumin AK12 modyfikowany fosforem. Mniejsze zastosowanie mają nadeutektyczne stopy AK18 i AK20, stosowane do produkcji tłoków silników dwusuwowych. Rafinację ciekłego metalu przeprowadza się argonem, chlorem lub mieszanką tych gazów. Utwardzanie dyspersyjne stopu AK12 polega na przesycaniu w temperaturze 500±10 °C przez 3-3,5 godziny, z chłodzeniem w wodzie o temperaturze 80–100 °C,  i starzeniu w temperaturze 200±5 °C przez 6-6,5 godziny, z chłodzeniem (po starzeniu) w powietrzu. W wyniku tej obróbki twardość odlewów osiąga do 120 jednostek Brinella.
Podczas krzepnięcia tłoków wykonanych ze stopu AK12 powstaje struktura złożona z eutektyki krzemowej (α+Si), roztworu stałego α, kryształów krzemu pierwotnego oraz faz międzymetalicznych. Dopuszczalna wielkość wydzieleń krzemu pierwotnego wynosi 60 µm. Pierwsze pierścienie uszczelniające często umieszcza się we wkładkach nośnych wykonanych z żeliwa austenitycznego.

Struktura spoiny przy spawaniu aluminium
W złączu spawanym możemy wyróżnić: spoinę, strefę częściowego stopienia (SCS), strefę roztworu stałego, strefę miękką oraz materiał rodzimy (nienaruszony przez wpływ ciepła, rys 4).
Spoina ma charakter dendrytyczny. W przestrzeniach pomiędzy dendrytami znajdują się fazy niskotopliwe oraz pęcherze gazowe. W strefie roztworu stałego następuje rozpuszczenie się wydzieleń (istniejących po utwardzaniu wydzieleniowym stopu) i przesycenie roztworu skutkujące rozrostem ziarna. Strefa miękka cechuje się największym spadkiem twardości, można się więc spodziewać, że właściwości mechaniczne tutaj będą pogorszone. Stopy obrabiane cieplnie, po spawaniu i przesyceniu, mają właściwość naturalnego starzenia po procesie spawania (wydzielają się drobne fazy umacniające stop) /1/.


Rys. 3 Strefy złącza spawanego aluminiowego i rozkłady twardości dla stopów odkształconych na zimno i obrabianych cieplnie /3/, /4/

Wytrzymałość złącza aluminiowego może wynosić 50-90% wytrzymałości materiału rodzimego. Na rys. 4 schematycznie przedstawiono struktury strefy wpływu ciepła spoin stopów obrabianych i nieobrabianych cieplnie /3/. W obszarze odprężanym w temperaturze od 300 °C do 450 °C (rekrystalizacja i odbudowa struktury) występuje zmiękczenie odprężeniowe, a w wyniku wydzielania się składników stopowych wzrasta kruchość i spada odporność korozyjna.


Rys.  4  Porównanie wygląd stref obróbki spoiny na przekroju stopów obrabianych i nieobrabianych cieplnie wraz z rozkładem twardości Rockwella stopu AL.-Zn-Mg (japońskie stopy T4 i T6) /3/

Jak wynika z rysunku 4, w przypadku spawania stopu obrabianego cieplnie, zaraz po spawaniu spoina i strefa wpływu ciepła ulegają zmiękczeniu, lecz przy prawidłowym doborze stopiwa, po pewnym czasie twardość spoiny wraca do poziomu twardości materiału rodzimego. Strefa wpływu ciepła SWC stopów nie obrabianych cieplnie, utwardzanych poprzez umocnienie w roztworze stałym na skutek wydzielania się dodatków stopowych, których rozpuszczalność spada, nie wykazuje dużego spadku wytrzymałości /3/.

Wnioski:
1/ Temperaturę podgrzewania określamy po lustrzanym połysku spawanego materiału obok jeziorka spawalniczego.
2/ Duża przewodność cieplna wymaga dużego napięcia, które służy do grzania podłoża do metalicznego połysku. Ponieważ topienie odbywa się w wyniku fizycznego kontaktu gorących gazów łuku (plazma jest odpychana od materiału), to prąd spawania nie zależy od przewodności cieplnej spawanego materiału, a od grubości spawanej blachy, dochodząc do 180A. Te parametry musi zapewnić półautomat spawalniczy i mieszanka gazowa.
3/ Spawanie ciężkich konstrukcji aluminiowych o grubości powyżej 20mm wymaga czystej hali , wysokiej jakości urządzenia, drutu odgazowanego próżniowo i dużego doświadczenia spawacza pracującego małymi energiami liniowymi.
4/ Przy spawaniu aluminium, zamiast ruchów zakolowych, stosujemy ruchy posuwisto zwrotne (podłużne).

dr inż. Leszek Gardyński, Michał Adamiak,
Politechnika Lubelska
Hubert Padula, Dariusz Cyganek,
Morska Stocznia Remontowa, Świnoujście
Ryszard Jastrzębski, Krzysztof Trześniewski, Grzegorz Cios,
Instytut Łączenia Metali w Krakowie

Autorzy dziękują Janowi Borawskiemu
i Zenonowi Stadnickiemu za cenne uwagi praktyczne

Literatura:
/1/ R. Jastrzębski , G. Cios , L. Gardyński : „Wprowadzenie do metalurgii spawania aluminium i jego stopów” Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie 9/2012
/2/ L.A. Dobrzański „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”
/3/ Japan Welding Society: „Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze”, wydawnictwo Sanpō, 2008.
/4/ Japan Welding Society: „Metalurgia Spawania” wydawnictwo Sanpō, 1978
/5/ G. Padula, R. Jastrzębski, J. Nowacki , Z. Latała: Decodificación de los conocimientos prácticos como un paso más hacia la creación de software de apoyo para el análisis microscópico cualitativo de las juntas. Materiały konferencyjne EUROJOIN 6, Santiago de Compostela
/6/ Gardyński L.: „Odporność na pękanie zmęczeniowe materiałów stosowanych na tłoki. Cz. I Materiały stosowane na tłoki”. Samochody Specjalne, nr 4/2003
/7/ Gardyński L.: „Odporność na pękanie zmęczeniowe materiałów stosowanych na tłoki. Cz. II Badania odporności materiału tłoka na zmęczenie cieplne”. Samochody Specjalne, nr 5/2003
/8/ A. Jastrzębski, E. Tasak: Wpływ pulsacji łuku MIG na strukturę spoin stopów aluminium, Przegląd spawalnictwa 7/2009

Opublikowano: 22 października 2012

Pamiętam, jak wożono kiedyś z jednego zakładu do drugiego boki karoserii jednym samochodem, a drzwi drugim. Później ktoś wpadł na pomysł, aby drzwi włożyć w boki i przewieźć wszystkie te elementy jednym samochodem... Najprostsze rzeczy są najtrudniejsze.

Dariusz Matuszek

Budowa zwykłej skrzyni drewnianej wydaje się bardzo prosta. Wystarczy wziąć klika desek o odpowiedniej długości i złożyć. Czy na pewno? Spróbujmy przeanalizować tylko samo dno skrzyni.
Dno złożone jest z desek ułożonych obok siebie - w przypadku, gdy długość dna L jest równa iloczynowi liczby całkowitej (i + j) i szerokości deski b, wszystko jest bardzo proste. Co zrobić jednak, gdy musimy użyć węższej deski bw, np. o połowie szerokości?
Nie możemy jej dać z boku dna, ponieważ ulegnie ona uszkodzeniu. Najlepiej dać ją do środka. Proszę zobaczyć na rysunek 1.


Rys. 1

Chciałbym pokazać jak w programie CAD 3D utworzyć dno skrzyni dla dowolnych wymiarów tak, aby powyższe założenia były zawsze spełnione.

Dane wstępne:

• długość dna L,
• szerokość zwykłej deski b;

Do wyznaczenia:

• ilość desek i, j
• oraz szerokość węższej deski bw.

Dane do wyznaczenia zostały nieco ograniczone, docelowo trzeba jednak utworzyć całe zestawienie materiałów skrzyni oraz rysunki wykonawcze wszystkich elementów. Oczywiście po zmianie danych wstępnych wszystkie dane wynikowe powinny zostać automatycznie odświeżone. Jednak na potrzeby artykułu ograniczę się tylko do wyznaczenia ilości desek i szerokości deski środkowej.
Tok myślenia pokażę w programie KOMPAS-3D. Oczywiście wszystkie operacje będzie można powtórzyć w dowolnym oprogramowaniu CAD 3D.
Program posiada kilka trybów pracy, wymienię tylko dwa potrzebne dla nas:

• praca w „modelu” – tworzymy pojedynczy element,
• praca w „złożeniu” – składamy pojedyncze elementy nadając więzy położenia.

Rys. 2

Dno skrzyni utworzymy w złożeniu, a poszczególne deski w modelu, jako części.
Wystarczy nam wykonać model tylko jednej deski, którą później zapiszemy jako szablon. Następnie wczytujemy szablon i zapisujemy go pod nazwą deska, oraz wykonujemy to samo do drugiej deski (węższej) nazywając plik deskaw.
Tworzymy złożenie i wstawiamy dwie zwykłe deski o szerokości b. Posłużą nam one jako skrajne elementy dna skrzyni – zewnętrzna odległość pomiędzy nimi będzie równa długości L.
Następnie wybieramy skrajną deskę i tworzymy szyk do środka, i to samo wykonujemy z drugą skrajną deską. Dokładnymi wymiarami nie musimy się na razie przejmować. Rysunek 3 przedstawia złożenie ze skrajnymi deskami oraz wykonanym szykiem do środka.


Rys. 3

Myślę, że teraz nadszedł dobry czas na utworzenie zależności. KOMPAS-3D ma bardzo przydatną cechę. Jeśli wyświetlimy drzewko parametrów i wpiszemy przy wybranym parametrze literę, to zostanie ona wyeksponowana na samej górze, wraz z przypisaną wartością. Każda utworzona operacja udostępnia swoje parametry w tym drzewie, więc mamy z tego poziomu dostęp do całego modelu i złożenia. W drzewie parametrów możemy również używać wielu predefiniowanych funkcji, które wykorzystamy w naszym przypadku.
Wyliczymy teraz całkowitą liczbę desek ij



gdzie:
ij – całkowita liczba desek,
FLOOR – funkcja matematyczna programu KOMPAS-3D pozwalająca na zaokrąglenie w dół do wartości całkowitej,
L, b – długość dna skrzyni i szerokość deski (Rysunek nr 1).
Następnie wyliczymy ilość desek po lewej stronie i oraz po prawej stronie j.



Funkcja CEIL służy do zaokrąglenia w górę do wartości całkowitej.
Zapewne pierwszą myślą po zobaczeniu wzoru na j będzie „A nie prościej tak”:



Sprawdźmy, czy aby na pewno. Jeśli dno skrzyni ma 1000 mm, a deska 100 mm to powinniśmy użyć 10 desek. Wyliczone i będzie równało się 5, a wartość j wyliczylibyśmy jako 6... Tak więc lepiej pozostać przy pierwotnych wzorach, z zaokrągleniem w dół i w górę.
Wyliczymy teraz szerokość deski węższej, znajdującej się w środku.



Mamy już wszystkie potrzebne wymiary desek, odległość powtórzeń szyku ustawiamy na szerokość deski b. Jeszcze tylko mała uwaga. Po wstawieniu do złożenia węższej deski odległość powinniśmy ustalić w stosunku do skrajnej deski, a nie do elementów szyku, ponieważ zmiana ilości desek (spowodowana np. zmianą wielkości dna) spowoduje utratę więzu.
Wprowadzamy w drzewie parametrów wyliczone wartości i dno skrzyni powinno wyglądać jak na rysunku 4.


Rys. 4

Teraz po zmianie parametru L lub b, dno zostanie automatyczne przebudowane, ale wąska deska zawsze będzie w środku.
Wszystko wygląda już logicznie, ale natrafiamy na pewien problem. Jeśli wąska deska nie występuje (bw=0) to powinniśmy wyłączyć element w złożeniu, aby nie generował błędów, oraz aby nie pokazywał się w zestawieniu materiałów.


Rys. 5

Każdy element złożenia możemy włączyć lub wyłączyć, poprzez zmianę jednego parametru – nazwijmy go W. Zmienna W przyjmuje dwie wartości:
0 - kiedy element jest włączony,
1  - gdy jest wyłączony.

Zapiszmy warunek: jeśli szerokość deski bw jest większa od zera to parametr W ma być równy zero, a jeśli bw=0 to W=1 (szerokość deski = 0, element wyłączony). Utworzymy więc dwie dodatkowe zmienne w programie p=0 i f=1. Możemy już zapisać powyższy warunek:



Jeśli bw≠0 to przyjęta zostanie wartość p=0, a jeśli bw=0 to przyjęta zostanie wartość f=1.
Jeśli Państwa program nie pozwala na zapisywanie warunków logicznych, proponuję użyć funkcji cos(x) z zaokrągleniem w dół. Trzeba tylko pamiętać aby zastosować funkcję bezwzględną i uważać na okresowość.


Rys. 6

W zasadzie można jeszcze opisać tworzenie ścian oraz wieka skrzyni. Celem jest utworzenie skrzyni w taki sposób, aby zmieniając tylko gabaryty skrzyni oraz rodzaje desek uzyskać natychmiast rysunki wykonawcze oraz pełne zestawienie materiałów skrzyni.



Rys. 7

Można to bez problemu uzyskać, jednak myślę, że lektura takiego opisu byłoby nużąca i powielałby poprzednie informacje.
Na koniec, zamieszczam jeden z rysunków utworzonych automatycznie, wraz z zestawieniem materiałów, oraz model skrzyni.


Dariusz Matuszek

artykuł pochodzi z wydania Wrzesień 9 (60) 2012

Opublikowano: 24 września 2012

W cyklu kilku artykułów przedstawimy sposób projektowania konstrukcji urządzenia roboczego – kosiarki – od podstaw do (oczywiście nieco uproszczonego) modelu finalnego, w programie Solid Edge. W pierwszej części zajmiemy się konstrukcją nośną, czyli ramą pojazdu.

Bernard Pacula

Pracę należy rozpocząć od zaplanowania struktury konstrukcji, czyli odpowiedniego rozplanowania złożeń i podzespołów. Ramę można wykonać zarówno jako oddzielne złożenie i wstawić do głównego złożenia urządzenia, jak i zrobić jej szkic na najwyższym poziomie struktury, a samą konstrukcję wykonać w podzespole. Oczywiście, można całe złożenie zrobić na jednym poziomie i wszystkie składniki wiązać jedynie odpowiednimi relacjami, jednakże takie podejście może spowodować zarówno nadmierne zaciemnienie struktury, jak również utrudnić lub wręcz, w niektórych przypadkach, uniemożliwić pracę grupową kilku konstruktorów nad takim projektem. Wynika to z faktu, iż konstruktor otwierając złożenie blokuje je automatycznie do zapisu dla innych osób. Oczywiście, jeśli złożenie zawiera podzespoły, to mogą być one modyfikowane przez inne osoby, ale nie można dodawać składników do głównego poziomu.
Niezależnie od wybranej metody, na początku należy wybrać szablon złożenia, do rozpoczęcia pracy (w wersjach programu wcześniejszych niż ST dostępne jest jedynie modelowanie sekwencyjne – tradycyjne, a w najnowszych wersjach jest jeden szablon, gdyż oba środowiska pracy, sekwencyjne i synchroniczne, zostały połączone). W celu zachowania kompatybilności naszego projektu ze starszymi wersjami wykorzystywać będziemy sekwencyjne metody projektowania, przy czym tam, gdzie będzie warto wykonać element lub modyfikacje metodą synchroniczną, będzie to również wyjaśnione.
Tworzenie ramy można wykonać zarówno jako wyciągnięcia poszczególnych profili wzdłuż ścieżek definiujących gabaryt (np. w konfiguracji Design&Drafting), jak również w module do tworzenia konstrukcji ramowych, co będzie wykorzystane w naszym przykładzie.


Rys. 1

Mając już przygotowane środowisko utworzymy profil, który będzie służył jako podstawa tworzenia ramy. Po wybraniu polecenia Szkic należy wskazać, na której płaszczyźnie układu ma być on umieszczony. Stosując ustawienie, w którym podstawą jest płaszczyzna XY, a oś Z jest skierowana w górę, wybieramy płaszczyznę XY. W celu narysowania profilu należy skorzystać z polecenia rysowania linii oraz tworzenia relacji, by uzyskać profil jak na rysunku 1.
Ważną kwestią jest odpowiednie użycie relacji geometrycznych oraz wymiarów, by w pełni zdefiniować zarys profilu, jaki ma być wykonany. Jeśli relacje nie zostaną poprawnie nadane, może zdarzyć się, iż podczas modyfikacji wymiarów geometria może znacznie zmienić swój kształt. Stąd też trzeba relacje nadawać zanim wstawione zostaną wymiary, lub przynajmniej przed ich modyfikacją. Po odpowiednim ustawieniu wymiarów można zakończyć tworzenie profilu poprzez wybranie polecenia Zamknij szkic. Teraz można przystąpić do tworzenia składników przestrzennych ramy. W tym celu należy wybrać z menu Narzędzia -> Środowiska -> Rama. Po tym nastąpi automatyczne przejście do specjalizowanego środowiska służącego projektowaniu konstrukcji ramowych. W środowisku tym można również tworzyć szkice z wykorzystaniem dostępnych poleceń, jednakże chcąc ułatwić sobie możliwość sterowania zmiennymi i powiązaniami pomiędzy elementami i szkicem, na podstawie którego powstała rama, lepiej jest wykonać szkic bezpośrednio w środowisku złożenia. W celu utworzenia geometrii na podstawie narysowanego szkicu należy wybrać polecenie Narzędzia główne -> Rama -> Konstrukcje ramowe. W oknie opcji jakie pojawiły się po wybraniu tego polecenia, można ustawić wszystkie ważne parametry. W przypadku ramy, gdzie elementy są łączone, można ustalić sposób połączenia pomiędzy elementami.


Rys. 2

Możliwe warianty to przycięcie skośne pod kątem 45 stopni oraz połączenie doczołowe z wyborem elementu który ma być dociągany do drugiego. W sytuacji, gdy ze szkicu nie zawierającego zaokrągleń w narożach ma powstać jednolity element gięty, można podać promień gięcia, jakim to wygięcie ma zostać wykonane. Kolejnymi wariantami są: możliwość rozciągnięcia komponentu ramy poza zarys profilu o określoną długość, w celu samodzielnego wykonania przycięcia, oraz pozostawienie lic bez obróbki (Rys. 2).
W wykorzystywanym przykładzie wybrany zostanie wariant Doczołowo 2. Posiadając zainstalowaną bibliotekę Standard Parts można wybrać rodzaj profilu z biblioteki lub skorzystać z opcji wskazania na dysku komponentu, który będzie tworzył profil ramy. W tym przypadku skorzystamy z profilu kwadratowego, więc łatwo będzie zachować idealne przyleganie jednego składnika ramy do drugiego, jednakże w sytuacji, gdy profile są otwarte, można zastosować opcję Dopasowanie w połączeniach bez ścięć ukośnych, gdyż wtedy oba profile zostaną do siebie idealnie dopasowane i odpowiednio przycięte. Domyślnym folderem, gdzie program szuka profili, w sytuacji gdy nie ma wybierać ich z biblioteki Standard Parts, jest folder Frames. Jeśli jakiegoś profilu nie ma w dostępnej bazie, to można stworzyć własny profil, a następnie, wykorzystując makro FrameComponentsUtility, stworzyć własną bibliotekę kształtów. W tym przypadku zastosowany zostanie profil 50x50x4. W pierwszym kroku wskazujemy belkę oraz oba ramiona. Po zaakceptowaniu utworzona zostanie konstrukcja ramy (Rys. 3).


Rys. 3

Po zakończeniu tej operacji na drzewku złożenia powstanie grupa Komponenty konstrukcji ramowej, a w niej będzie utworzona Rama z nadanym kolejnym numerem konstrukcji ramowej. Jeśli podczas tworzenia ramy został popełniony błąd i należy go poprawić lub zmodyfikować istniejącą ramę, należy wskazać pozycję Rama oraz po kliknięciu prawym klawiszem myszki wybrać Edytuj definicję. W takiej sytuacji nastąpi powrót do menu tworzenia ramy i będzie możliwa zmiana – czy to profilu, z jakiego powstała konstrukcja, czy też wskazania punktu, który definiuje miejsce w jakim profil styka się (lub nie) z szkicem bazowym. Po wykonaniu niezbędnych modyfikacji zamykamy środowisko tworzenia ram poprzez wybranie polecenia Zamknij Konstrukcje ramowe i tym samym wracamy do środowiska złożenia. W kolejnym kroku dodamy tulejki, w których zamocowane będą koła przednie kosiarki. Można je wstawić jako gotowe elementy lub wykonać w kontekście złożenia. Wybierzmy wariant drugi i utwórzmy tulejkę, która będzie przyspawana do ramy (Rys. 4).


Rys. 4

W tym celu należy wybrać polecenie Narzędzia główne -> Montaż -> Utwórz część w kontekście złożenia. W oknie dialogowym, które pojawia się po wybraniu tego polecenia należy wybrać szablon według którego zostanie utworzony nowy plik. Może to być część, element blaszany lub złożenie/złożenie spawane. W tym przypadku należy wskazać szablon części, wpisać nazwę tego pliku, podać lokalizację, gdzie ma on zostać zapisany, oraz wybrać metodę umieszczenia początku układu współrzędnych. Do wyboru są trzy opcje. Pierwsza – Zgodnie z układem współrzędnych złożenia umieszcza początek układu współrzędnych tam, gdzie jest początek głównego złożenia (to ustawienie jest zawsze używane tam, gdzie pracuje się w globalnym układzie współrzędnych – np. w branży motoryzacyjnej, w układzie współrzędnych pojazdu). Drugi tryb – Według danych graficznych polega na wskazaniu myszką punktu gdzie będzie początek układu współrzędnych oraz wskazania odpowiednio kierunków dwóch osi. Wariant ten umożliwia utworzenie nachylonego (obróconego) i/lub przesuniętego układu współrzędnych.

Trzeci wariant – Odsunięcie od początku układu złożenia umożliwia odsunięcie się od początku globalnego układu o pewne wartości, lecz zawsze zachowana jest równoległość płaszczyzn odniesienia. W naszym przypadku wybierzmy pierwszy wariant oraz przycisk Utwórz i edytuj.
W zależności od trybu i szablonu, jaki został wybrany można tulejkę tworzyć za pomocą technologii sekwencyjnej lub synchronicznej. Teraz wykorzystana zostanie technologia synchroniczna, która jest dużo efektywniejsza w przypadku prostych elementów lub ich modyfikacji. Po wybraniu polecenia rysowania okręgu z menu Narzędzia główne -> Rysowanie należy zablokować płaszczyznę, na której ma być umieszczony szkic. Po najechaniu na wybraną płaszczyznę zostanie ona podświetlona na żółto (Rys. 5) i w tym momencie należy wcisnąć przycisk F3 na klawiaturze.


Rys. 5

Po wykonaniu tej czynności można wybrać polecenie Widok szkicu lub wcisnąć kombinację klawiszy CTRL+H i w rzucie płaszczyzny, na której pracujemy narysować profil tulei. Należy utworzyć okrąg oraz wykonać jego odsunięcie na odległość grubości ścianki. Po podaniu odległości od osi belki profil jest gotowy do nadania mu trzeciego wymiaru (Rys. 6).


Rys. 6

Po wskazaniu obszaru pomiędzy okręgami pojawia się strzałka definiująca kierunek dodawania materiału. Na pasku operacji należy włączyć przycisk Symetria, kliknąć jedną ze strzałek i rozciągnąć tak, by wymiar wysokości miał odpowiedni wymiar, i zaakceptować (Rys. 7).


Rys. 7

Podobnie wykonujemy podcięcie na pierścienie rysując okrąg o średnicy 50 mm i wycinając nim podcięcie na głębokość 20 mm symetrycznie z obu stron, oraz wykonujemy fazowanie krawędzi, wykorzystując polecenie Narzędzia główne -> Bryły -> Faza – równe cofnięcia. Mając już gotową tulejkę należy dopasować do niej profil ramy, gdyż pomiędzy nimi występuje kolizja, o czym można się przekonać przeprowadzając analizę kolizji. Aby było to możliwe musimy opuścić edycję części i powrócić do złożenia. Gdy już aktualnym środowiskiem jest główne złożenie należy wybrać polecenie Kontrola -> Ocena -> Sprawdź kolizje. Następnie, po pojawieniu się paska polecenia, wybrać ikonę Opcje kolizji i dalej – odpowiedni tryb, jaki jest potrzebny. Najczęściej używa się sprawdzenia Zestawu 1 w stosunku do wszystkich innych części w zespole, lecz jeśli zespół jest bardzo duży, a nie wszystkie części będą kolidować, to można zaznaczyć aby kolizja była sprawdzana w stosunku do części widocznych (i ukryć te, gdzie kolizji nie będzie) lub wybrać opcję  sprawdzania zestawu w stosunku do siebie (zaznaczone elementy sprawdzałyby kolizje wobec siebie samych). Tutaj też można wybrać taki tryb i wskazać belkę poprzeczną i tuleję na jej końcu. Po wykonaniu tej operacji widać wyraźnie, iż kolizja występuje (Rys.8).


Rys. 8

W tej sytuacji należy podciąć belkę, aby była dopasowana do tulejki. Istnieje kilka możliwych rozwiązań takiego problemu, tutaj zastosujemy wycięcie z poziomu złożenia. Aby wykonać to wycięcie wybieramy polecenie Operacje -> Operacje w złożeniach -> Wycięcie. W oknie, które się pojawi, można zdecydować czy operacja ma być przeprowadzona tylko w złożeniu czy także w częściach, a więc czy będzie widoczna również w plikach części czy tylko w dokumentacji robionej z pliku złożenia. Wybierając Twórz operacje w złożeniu, klikamy na powierzchni górnej belki i za pomocą polecenia Narzędzia główne -> Rysowanie -> Wykorzystaj rzutujemy tworzącą tulejki. Po akceptacji szkicu zaznaczamy, aby wycięcie miało rozciągnięcie


Rys. 9

Przez wszystkie i kierujemy je w stronę materiału belki. Wybieramy, które elementy mają być przecinane (odznaczamy tulejkę) i akceptujemy operację. Po jej zakończeniu mamy przyciętą i gotową do spawania belkę (Rys. 9).


Bernard Pacula

artykuł pochodzi z wydania Lipiec/sierpień 7 (58) 2012

Opublikowano: 27 sierpnia 2012

Przemysłowe spawanie TIG wymaga aby rysy szlifierskie na elektrodzie wolframowej były wzdłużne (nie rozbijały strumienia plazmy), argon był klasy czystości 4,5 (99,995% Ar), drut był odgazowany próżniowo (litera W zamiast G w oznaczeniu /4/) i aby uchwyt był zaopatrzony w tzw. sitko, czyli w soczewkę do przepływu laminarnego.

Ryszard Jastrzębski

Aby obniżyć temperaturę jeziorka i uniknąć przegrzania materiału należy zaopatrzyć spawarkę do TIG-u w woltomierz i pilnować aby napięcie nie przekraczało 8V. Jest to dosyć trudne, gdyż większość spawaczy utrzymuje wielkość łuku przy którym napięcie jest równe 15V. Należy spawaną stal zabezpieczyć przed kontaktem z czarną stalą, opiłkami z szlifowania czarnej, szczotkami i młotkami ze stali czarnej. Nie należy szlifować tarczami korundowymi i nie należy czyścić powierzchni szlifierkami (naprężenia szlifierskie), tylko lamelkami z papieru ściernego.
Rury powinny być „zadeklowane” np. wypraskami z papieru wodnego, a do środka powinien być wprowadzony gaz formujący. Przepływ tego gazu (w l/min) powinien być równy średnicy rury (w cm). Przepływ argonu powinien być wyliczony ze wzoru V_osł= 7 l/min x I/90A, gdzie I jest prądem spawania. W przypadku fazowania grubszych rur szczelina powinna być zaklejona taśmą aluminiową.

Spawanie rurek cienkościennych ze stali kwasoodpornych metodą TIG
W przypadku spawania rur cienkościennych (do 3 mm grubości) sczepiamy w trzech punktach bez szczeliny, na styk. Długość sczepów: trzy grubości, a odległość miedzy sczepami dziesięć-piętnaście grubości. Pierwszą warstwę wykonujemy bez dodatku stopiwa, a przetopienie ścianek kontrolujemy obniżaniem się jeziorka (rys 2). Drugą warstwę uszczelniającą wykonujemy w rowku powstałym po ułożeniu pierwszej warstwy, tak aby zakończenia ściegów były poprzesuwane. Jeżeli rura nie przenosi dużych ciśnień to spoina może być jednościegowa. W tym przypadku zakończenie ściegu musi zachodzić na rozpoczęcie, o 12 mm.


Rys. 2 Metoda kręcenia - technika spawania cienkościennych rur kwasoodpornych do celów spożywczych w pozycji przymusowej PH

Wykonanie idealnych przetopów na rurach nierdzewnych, o grubości od 1 do 2 milimetrów, wymaga trzymania końca elektrody wolframowej w tym samym miejscu, i przeginania uchwytu w kierunku obu złączonych blach naprzemiennie (rys. 2).
Równowagę sił napięcia powierzchniowego regulujemy strużką ciekłego metalu spływającego z końca drutu do elektrody i obniżającego temperaturę małego jeziorka spawalniczego (rys. 2).
Takie prowadzenie uchwytu ułatwia oparcie dyszy o rurę i obtaczanie jej po rurze w lewo i w prawo.

W przypadku spawania cienkościennych rur kwasoodpornych bez szczeliny (na styk) drut jest zawsze styczny do rury. Do celów spożywczych przetop musi być gładki, a jego jakość powinna być dokumentowana przez filmowanie endoskopem. Walidacja w przemyśle farmaceutycznym wymaga automatów do spawania orbitalnego. Z takiego automatu otrzymuje się wydruk parametrów spawania.

Tab. 1 Dobór materiałów dodatkowych do spawania stali austenitycznych /7/

Wykonanie przetopu rur grubościennych metodą TIG
Rury o grubości powyżej 3 mm powinny być fazowane i sczepiane jak na rysunku 4c. Spoiny sczepne powinny mieć po obu stronach oczka. Do środka rury powinien być wprowadzony gaz formujący. Szczelina powinna być zaklejona taśmą.


Rys. 4 Definicje, przygotowanie brzegów i kąty ustawienia palnika /8/

Wykonywanie przetopu grubościennych rur austenitycznych metodą TIG polega na przepychaniu ciśnieniem łuku kropli na drugą stronę i docieraniu gorących gazów w łuku do krawędzi od strony grani, co możemy obserwować świeceniem gorących gazów po drugiej stronie blachy i pogłosem w rurze, wywołanym przeciskaniem się gorących gazów łuku elektrycznego przez szczelinę.
Podczas wykonywania przetopu TIG, spawacz zagłębia koniec drutu w rowku na tyle głęboko, aby nie zasłaniał krawędzi. W przeciwnym razie strumień plazmy łukowej będzie rozbijał się na drucie i uniemożliwi dotarcie gorących gazów do topionych krawędzi.
Dotarcie gorących gazów do krawędzi od środka rury może być utrudnione przez kroplę ciekłego metalu, większą od szczeliny (szczelina mniejsza od średnicy drutu, gazy rozbijają się na kropli metalu; rys. 5c) lub zbyt płytko zagłębiony w szczelinie koniec drutu spawalniczego (gazy łuku rozbijają się na drucie; rys. 5d). Inną przyczyną braku przetopu może być zbyt duża długość łuku spawalniczego.


Rys. 5

Jak widać na rysunku 5e i 5f przy zbyt wąskiej szczelinie i zbyt długim łuku występuje zbyt duże wypełnienie rowka spawalniczego. Świadczy to o braku przetopu, a przyczynę tego możemy zidentyfikować po szerokości pierwszej warstwy. Gdy szerokość przetopu jest mała – przyczyną braku przetopienia krawędzi jest zbyt wąska szczelina (rys. 5e), a gdy szerokość przetopu jest duża – przyczyną jest zbyt długi łuk elektryczny (duże napięcie, rys. 5f).
Wykonywanie spoin w pozycji PC rur o pionowej osi wymaga aby drut był styczny, a palnik prostopadły do rury.
Kąty ustawienia uchwytu wg Instytutu Hobarta i drutu w pozycji PH podaje rysunek 4d. W przypadku grubych blach wystarczy przesuwać łuk elektryczny po drucie i skupić się na topieniu drutu, i jego kontakcie z jeziorkiem spawalniczym w gardzieli rowka. Należy pamiętać aby koniec drutu dotykał jeziorka w jego przedniej części, był odpowiednio zagłębiony i nie zasłaniał krawędzi.
Oderwanie końca drutu od jeziorka powoduje nierówności przetopu niedopuszczalne w przypadku rur nierdzewnych przemysłu spożywczego.
W przypadku rur austenitycznych grubościennych w pozycji PH (dawniej PF, oś rury pozioma) aby wykonać wypukły przetop w suficie należy wsadzać drut do rury od góry przez szczelinę (rys. 4c) tak, aby kropla topionego metalu spływała do jeziorka spawalniczego od środka rury. Drut w pozycji pionowej jest styczny, a palnik prostopadły do powierzchni rury, a od położenia „na godzinie dziewiątej” w celu zmniejszenia składowej prostopadłej ciśnienia łuku uchwyt przeginamy w kierunku drutu (spawanie TIG w lewo).
Jednak lepszym sposobem robienia przetopu jest wkładanie drutu do jeziorka od środka rury i obserwacja przez szczelinę. Jeżeli gazy łuku elektrycznego przetopią drut to przetopią też wszystko po drodze, łącznie z krawędziami. Kropla wpadając do jeziorka od środka z góry opiera się o krzepnący metal przetopu. Dzięki temu przetop w suficie jest wypukły, a nie obwisły (zaniżony). W przypadku gdy rury są zbyt blisko (np. przy komorze) tę technikę stosuje się również w pozycji naściennej PC. Wtedy fabryczny uchwyt należy tak przerobić aby dysza była prostopadła do rękojeści (rys. 4c).
W przypadku stali nierdzewnej należy w folii aluminiowej zaklejającej rowek zrobić drutem dwa otwory: jeden do obserwacji, a drugi do wsunięcia drutu w szczelinę. I tu tak samo, gdy koniec drutu zostanie przetopiony to gazy łuku przetopią wszystko po drodze, w tym ostre krawędzie rowka. Aby łuk elektryczny natarł na ściankę rury pod kątem 60 stopni gwarantującym wtopienie kąt pomiędzy rękojeścią palnika TIG a dyszą powinien wynosić 90 stopni. Nie może to być typowy fabryczny uchwyt TIG.
Po wykonaniu przetopu należy usunąć jego ewentualne wady. Na końcach wyciętego przetopu należy zrobić wejścia w kształcie dopasowanego do rowka „ptasiego pióra”. Wycięcie powinno sięgać dnem do najbardziej wystającej części ściegu przetopowego. Pory usuwamy szlifierką do miejsca gdzie zaczęło porować. O zaporowaniu świadczą iskry podczas spawania. Układanie ściegu naprawczego przetopu zaczynamy 12 mm wcześniej i kończymy 12 mm za wycięciem tak aby nie było śladu rozpoczynania i kończenia spawania.

Wykonywanie ściegów wypełniających rur grubościennych ze stali kwasoodpornych metodą TIG
Po przetopie należy brzeszczotem z piły ramowej skruszyć szkliwo z tlenków. Warstwa przetopowa TIG jest zbyt cienka aby położyć wypełnienie bez przyklejeń metodą MAG. Dlatego po przetopie należy obowiązkowo położyć wypełnienie metodą TIG.
Przed wykonaniem drugiego ściegu należy schłodzić rurę sprężonym powietrzem i uważać, aby prąd nie był zbyt duży.
Należy pilnować, żeby temperatura międzyściegowa nie przekraczała 200 °C (norma EN 1011 podaje temperaturę międzyściegową 150 °C). Inaczej następny ścieg spłynie, a przetop zostanie zassany. Lico rur grubościennych ze stali nierdzewnej w pozycji PH (w starej normie PF) wykonujemy dodając drutu po bokach i przemieszczając jeziorko spawalnicze od lewej do prawej strony (rys. 6).


Rys. 6

Dodawanie drutu w środku prowadzi do podtopień. Po wyciągnięciu drutu z osłony gazowej należy obciąć zakrzepnięta kroplę. Lico możemy też wykonać wielościegowo metodą TIG (rys. 5), wypełniać metodą MIG drutem pełnym (98%Ar+2%O₂) lub MAG drutem proszkowym (80%Ar+20%CO₂). Wykonanie wielościegowe lica metodą TIG zabezpiecza nas przed rozrostem ziarna uaktywnieniem termicznym korozji i pękaniem na brzegu spoiny.
W pozycji PC lico wykonujemy dodając i topiąc drut przy górnej krawędzi. Po nagrzaniu i zwilżeniu górnej ścianki ściągamy stopiony metal do dolnej krawędzi przez ruch palnika i jeziorka spawalniczego w dół (rys. 5g). W przypadku szerszego lica rur ze stali 316 lico wykonujemy wielościegowo wąskimi ściegami.

Częstotliwość prądu w spawaniu TIG stali nierdzewnych
Spawanie orbitalne wymaga źródła impulsowego. Urządzenia do spawania TIG mają do wyboru trzy częstotliwości impulsowania prądu: małą, średnią i wysoką. Bardzo niska częstotliwość służy do spawania rury cienkiej z grubą. Przy małym prądzie przesuwamy łuk do cienkiej rury, a przy dużym prądzie przesuwamy łuk do grubego materiału. Średnia częstotliwość służy do formowania łuski i rozbudowywania kryształów słupkowych na boki (stopiwa podajemy podczas prądu bazy). Prąd bazy ustawiamy tak by nie topił drutu. Bardzo dużą częstotliwość stosujemy do spawania bardzo cienkich rur.

Wnioski
a/ Problemy w spawaniu stali kwasoodpornej wynikają z niskiej przewodności cieplnej, z przegrzewaniem jeziorka spawalniczego, z brakiem osłony gazowej grani.
b/ Dodawanie stopiwa i skracanie łuku elektrycznego obniża temperaturę jeziorka.
c/ Topienie podłoża następuje w wyniku fizycznego kontaktu gorących gazów przepływających na skutek róznicy temperatur, wywołanego przeływem jonów w łuku elektrycznym.
d/ Nagrzewanie podłoża do temperatury zwilżalności następuje w wyniku przewodnictwa cieplnego pomiędzy jeziorkiem spawalniczym, a podłożem i zależy od wielkości jeziorka (długości łuku elektrycznego i napięcia łuku) oraz od czasu grzania.
e/ Aby przeciwdziałać odbarwieniu powierzchni stali austenitycznej należy tak skrócić łuk elektryczny, aby napięcie spadło do 8V.

Ryszard Jastrzębski

Instytut Łączenia Metali, Kraków

Literatura:
/1/ ”The Procedure Handbook of Arc Welding, The Lincoln Electric Company, Cleveland, Ohio, XIV ed., 2000
/2/ R. Jastrzębski, M. Filipek , M. Cenin, J. Kniaź , T. Filipek M. Jaworski: “Principes fondamentaux de L’apprentissage par penser inconsciente” . 2 Parte : “Methodologie apliquee a la formation praktique. Pospectives des techniques de stimulation tactiles”. Soudage at Techniques Cinnexes, Nr 11/12 2004
/3/ R. Jastrzębski, H. Padula , Krzysztof, A. Jastrzębski: Steering algorithms of the root pass and the face for pressure high strength carbon steels and stainless steel pipes using the flux cored welding wire. EUROJOIN 2006 conferencia EWF, 28-30.06.2006, str. 363-373
/4/ R. Jastrzębski: „Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, wrzesień 2010, str. 52-61
/5/ R. Jastrzębski: Metalurgia spawania, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, październik 2010, str. 52-61
/6/ R. Jastrzębski: „Robotyka i mechatronika spawania stopów aluminium”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, styczeń-luty 2011, str. 14-23
/7/ R. Jastrzębski: „Mechatronika spawania”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, grudzień 2010 str. 38-47
/8/ Hobart Institute of Welding Technology: Gas Tungsten Arc Welding