Spawanie i zgrzewanie

Przez spawanie oraz zgrzewanie rozumiemy łączenie kawałków metalu przy pomocy obróbki cieplnej. Powierzchnie metali rozgrzewa się na tyle, by uległy one nadtopieniu, następnie łączy je razem. Gdy usuwamy źródła ciepła następuje stygnięcie metali i w wyniku zestalenia się łączą się ze sobą trwale. Terminem spawanie określamy proces, w którym jedynie łączymy ze sobą dwa kawałki metalu. W przypadku zaś, gdy kawałki metalu wprzód rozgrzane dodatkowo ściskamy, to wówczas mówimy o zgrzewaniu. Spawając metale możemy jednocześnie nakładać na nie dodatkową warstwę, czyli spoiwo, choć nie jest to zawsze konieczne.

Techniki spawania oraz zgrzewania znane były już cywilizacjom starożytnym - wykorzystywana było ona wówczas do wyrobu metalowych ozdób oraz wielu praktycznych narzędzi. Wśród najwcześniejszych wyrobów otrzymanych techniką spawania i zgrzewania wymienić można ozdobną płytę wykonaną z miedzi prawdopodobnie na przełomie IV i III wieku przed naszą erą. W starożytności, oraz w wielu późniejszych epokach, spawanie i zgrzewanie wykorzystywano głownie do wyrobu mieczy oraz innych broni. Wykonywane one były z rozżarzonych kawałków żelaza kując je dopóki nie uzyskano trwałego połączenia między nimi. Proces taki nazywamy zgrzewaniem kuźniczym i pozwalał on na wytwarzanie materiałów, które mogły wytrzymać nawet bardzo mocne uderzenia. Tę technikę spawania - ze względu na swoją prostotę i skuteczność - wykorzystuje się niekiedy nawet w dzisiejszych czasach.

Spawanie gazowe

Technologia spawania gazowego polega na wykorzystywaniu wysokiej temperatury płomienia wytworzonego w wyniku spalania gazowej mieszanki acetylenu bądź też propanu oraz tlenu. Gaz spawalniczy (czyli acetylen lub propan) i tlen trzymane są w osobnych butlach pod wysokim ciśnieniem. Następnie oba te gazy miesza się i zapala - uzyskujemy wówczas temperaturę przekraczającą nawet 3000 stopni Celsjusza. Wystarcza ona w zupełności do stopienia stali i wielu materiałów z jakimi spotykamy się na co dzień. Podczas spawania nagrzewa się również specjalny drucik, który w wyniku topienia się pokrywa spawany materiał i w ten sposób wzmacnia go dodatkowo.

Czasem zespawane elementy przycina się na wymiar zaraz po ich złączeniu. Palniki acetylenowe które używane są w spawaniu można z powodzeniem wykorzystywać również do cięcia materiałów, szczególnie zaś stali oraz żeliwa. Gdy jednak spawamy materiały, np. żelazo, musimy zdawać sobie sprawę z tego, że w podwyższonej temperaturze materiał ten reaguje z tlenem obecnym w powietrzu i powstają pewne ilości tlenku żelaza. Dzięki jednak temu, że gaz spawalniczy wylatuje z panika pod bardzo wysokim ciśnieniem potrafi on wydmuchać z miejsca spawania powstający tam tlenek. Prze to uzyskiwany spaw jest stosunkowo czysty (czyli nie zawiera zbyt wielu tlenków).

Lutowanie

Palniki gazowe wykorzystuje się także w lutowaniu. Proces ten polega na łączeniu dwóch metali poprzez nagrzanie je do temperatury około 400 stopni Celsjusza i jednoczesne zalewanie spoinę (czyli miejsce gdzie łączymy te metale) jakimś nieżelaznym metalem, choćby cyną czy srebrem. W procesie lutowania łączone kawałki materiałów nie nadtapia się - topimy jedynie lut (czyli właśnie wspomniany nieżelazny metal), którego stopienie nie wymaga zbyt wysokich temperatur.

Lutuje się najczęściej przy pomocy gazowego palnika podobnego to używanych w spawaniu gazowym. Często stosuje się lut będący stopem opartym na srebrze - zwłaszcza w produkcji wyrobów ze srebra, oraz gdy łącząc dwa metale chcemy uzyskać mocne i odporne na zniszczenia mechaniczne połączenie. Wykorzystywane najczęściej srebrne luty zawierają od 10 do nawet 80% srebra oraz miedź (od 15 do 50%) i cynk (od 5 do 40%). Skład lutów zależy od ich przeznaczenia. Takie stopy mają temperaturę topnienia zawartą między 700 a 900 stopniami Celsjusza - jest to parokrotnie więcej niż stopy z cyny, które topią się w temperaturze już 200 stopni Celsjusza.

Inną metodą lutowania jest rozgrzewanie łączonych części oraz stopu lutowniczego w odpowiednim piecu elektrycznym albo też gazowym. Możemy również lutować materiały zanurzając je wspólnie z lutem w roztopionej soli. We wszystkich metodach lutowania zasadniczą kwestią jest jednak utrzymanie bardzo wysokiej, można rzecz wręcz idealnej, czystości łączonych materiałów. Powierzchnie lutowanych kawałków należy najpierw oczyścić przede wszystkim ze wszelkich tlenków oraz nalotów wapiennych. Oczyszczone w ten sposób powierzchnie pokrywa się następnie cienką warstwą tzw. topnika - jej zadanie polega na niedopuszczeniu do utlenienia się tej powierzchni podczas lutowania. Jedynym z najpopularniejszych, a zarazem najstarszych, topników jest uwodniony czteroboran sodowy, czyli boraks.

Spawanie łukowe

Gdy ciepło jest wytworzone w łuku elektrycznym, który powstaje między elektrodą a łączonymi kawałkami, to wówczas mówimy o spawaniu łukowym. Łuk to wyładowanie elektrycznym w gazie którego energia, wyzwalająca się w tym procesie, powoduje jego rozrzedzenie. Wskutek tego gaz przemieszcza się w górę, co z kolei powoduje wyginanie obszaru w którym następuje wyładowanie także ku górze. Wyginanie to obserwujemy w postaci łuku, i od tego też powstała nazwa tego zjawiska. W spawaniu łukowym aby doszło do wytworzenia łuku elektrycznego konieczne są dwa bieguny - jeden dodatni, drugi ujemny. Spawane metale stanowią w tym wypadku anodą i są połączone z dodatnim biegunem. Katoda to źródło elektronów i stanowi ona elektrodę spawarki. Elektroda ta połączona jest podczas spawania z ujemnym biegunem, czyli z agregatem spawalniczym, Energia łuku powstaje w wyniku przepływu między katodą i anodą strumienia ładunków (są nimi elektrony) o bardzo dużej gęstości. Wówczas gaz w łuku nagrzewa się do ogromnej temperatury sięgającej nawet 20000 stopni Celsjusza - zazwyczaj jednak temperatura nie przekracza 6000 stopni Celsjusza.

Do zasilania używa się zarówno prądu stałego jak i zmiennego. Typowa elektroda zbudowana jest z rdzenia składającego się z kolei z drutu spawalniczego, który pokryty jest warstwą topnika. Długość tego drutu wynosi od 35 do 45 cm. Spawanie łukowe odbywa się następująco: włączając agregat spawalniczy musimy następnie podłączyć elektrodę oraz spawany element do źródła napięcia - wówczas w obwodzie będzie płynął prąd elektryczny o wysokim natężeniu. W kolejnym etapie należy możliwie delikatnie rozdzielić elektrody (czyli anodę i katodę), wskutek czego pojawi się między nimi łuk elektryczny. Ogromna temperatura tego łuku roztopi łączone kawałki metalu oraz końcówki obu elektrod. Z kolei topnik oraz spoiwo metalowe osiądą na spawanych ze sobą elementach.

Sprzęt potrzebny w spawaniu łukowym - w odróżnieniu od tego stosowanego w spawaniu gazowym - możemy łatwo przenosić i jego kolejną zaletą jest fakt, że jest on stosunkowo niedrogi. Musimy się jednak liczyć z tym, że elektrody potrafią się niekiedy szybko zużywać, co powoduje konieczność ich częstej wymiany.

Spawanie z użyciem gazów obojętnych

Spawanie w specjalnej osłonie obojętnych gazów jest dużo wygodniejsze niż wspomniane wcześniej spawanie łukowe. Nie używa się tu elektrody składającej się z drutu i topnika, lecz elektrodę którą stanowi sam tylko z drut - jest on podawany podczas spawania ze specjalnej szpuli. Konstrukcja wygląda tak, że drut jest zamocowany w uchwycie dookoła którego nadmuchiwany jest obojętny gaz podawany z butli wysokociśnieniowych.

Zadaniem gaz jest ochrona spoiny przez utlenieniem w atmosferze. Drut jest tu połączony z biegunem dodatnim agregatu, czyli stanowi anodę. Podczas wyładowań większość energii przenosi się na drut, co oczywiście powoduje jego szybkie topnienie i przeniesienie go na łączone kawałki metalu. Bardzo ważną rzeczą jest tu natężenie prądu płynące w łuku. Gdy natężenie to przekroczy wartość 30 amperów stopione krople gorącego metalu przez tzw. siły magnetohydrodynamiczne w kierunku spawanego obszaru. Siły magnetohydrodynamiczne powstają na skutek oddziaływania między poruszającymi się z dużymi prędkościami naładowanymi cząsteczkami i powstałym polem magnetycznym. Oddziaływania takie są dużo silniejsze od oddziaływań typu grawitacyjnego, stąd też możemy spawać nawet wówczas, gdy elektroda znajduje się poniżej spawanych elementów.

Jako gazów obojętne stosuje się gazy szlachetne (takie jak argon i hel oraz ich mieszaninę) oraz dwutlenku węgla. Większą czystość wykończenia spawanych powierzchni uzyskamy stosując gazy szlachetne, mają one jednak tę wadę że są stosunkowo drogie. Nie musimy jednak stosować kosztownych gazów szlachetnych do uzyskania w miarę dobrego wykończenia - wystarczy, że zastąpimy prostą elektrodę wykonaną z drutu elektrodą w formie metalowej rurki w środku wypełnioną odpowiednim topikiem. Elektrody takie zależnie od ich składu możemy stosować wraz z dwutlenkiem węgla lub niekiedy nawet bez żadnych gazów ochronnych. Elektrody w postaci metalowej rurki wypełnionej topnikiem pozwalają uzyskiwać większe tempo osadzania spoiny na spawanych elementach przy jednoczesnym mniejszym wydatkowaniu ciepła - wiąże się z tym również mniejsze ryzyko powstania odkształceń w spawanych częściach. Kolejną zaletą stosowania tego typu elektrod jest to, że możemy pracować nawet w odsłoniętych miejscach i bez użycia gazów jako osłony.

Elektroda metalowa jest również stosowana w spawaniu łukiem krytym (czyli pod topnikiem). Głowice spawalnicze mocuje się wówczas w specjalnie skonstruowanej kratce. Warstwa topnika jest umieszczana na spawanej powierzchni przy pomocy zamontowanego tuż przed elektrodą podajnika. Łuk elektryczny powstaje wtedy pod odpowiednią warstwą ochronną.

Zgrzewanie

Terminem zgrzewanie określamy technikę łączenia materiałów przy wykorzystaniu działania takich czynników jak temperatura i ciśnienie. Jednym z rodzajów z jest zgrzewanie cierne - pociera się zgrzewane elementy o siebie, w wyniku czego elementy nagrzewają się i w ten sposób trwale łączą ze sobą. Tą metodę zgrzewania wykorzystuje się przy łączeniu rur i wałków. Inną, podobną techniką jest zgrzewanie wybuchowe. Tu również wytwarza się wysoką temperaturę poprzez zamianę energii mechanicznej w energię cieplną - przykładem może być uderzenie ciężkim młotem o łączone elementy. Technikę tą nie należy jednak mylić z tradycyjnym kuciem metali - w tej tradycyjnej technice używanej przez kowali uderza się młotem w już uprzednio nagrzany kawałek metalu.

Zgrzewanie często stosuje się w łączeniu różnych tworzyw sztucznych. W tym przypadku do rozgrzania łączonych elementów stosuje się czasem ultradźwięki. Najważniejszą i najczęściej stosowaną techniką zgrzewania jest jednak zgrzewanie oporowe.

Zgrzewanie oporowe

W zgrzewaniu oporowym ciepło konieczne do rozgrzania łączonych elementów jest wytwarzane wskutek przepływu prądu elektrycznego o wysokim natężeniu. Podczas przepływu prądu opór materiału powoduje jego nagrzanie do określonych temperatur. Pręty które używa się elektrody i przez które następuje przepływ prądu nagrzewa się tylko w obszarze gdzie stykają się ze łączonymi elementami.

W zgrzewaniu nie stosuje się ani dodatkowego spoiwa, ani żadnego topika, czy też gazu ochronnego. Jest to duża zaleta tej metody. Jednak w zgrzewaniu konieczne jest zapewnienie odpowiednich zasilaczy, które muszą generować prąd o olbrzymim natężeniu sięgającym do 50 tysięcy amperów - są to gigantyczne wielkości. Rzecz jasna nie zawsze musimy wytwarzać takie prądy.

Spawanie przy pomocy lasera

Specjalne sprawy wykonuje się przy pomocy wiązki odpowiedniego lasera, na przykład lasera rubinowego. Ten typ laser wysyła (emituje) impulsy światła koloru czerwonego. Moc impulsów emitowanych przez ten typ lasera może sięgać niekiedy dziesiątek megawatów (czyli 10 000 000 watów). Impulsy tego rodzaju są bardzo krótkie. Laser rubinowy jest wykorzystywany w precyzyjnym spawaniu miniaturowych elementów. Dzięki stosowaniu lasera mamy możliwość spawać elementy znajdujące się w aparaturze próżniowej. Wówczas promień laser przechodzi przenika do środka przez szklaną ścianę komory. Spawanie laserem jest proste, gdy impulsy lasera są widzialne dla człowieka. W tym przypadku wspomniany laser rubinowy zastąpiono już prawie całkowicie przez sprawniejszy i mniejszy zarazem laser neodymowo-jagowy (NdYAG - skrót pochodzi od nazw Nd - neodym, Y - itr, A - aluminium, G - granat).