O jakości połączenia decyduje nie tylko sposób podgrzania materiału, lecz także docisk, czas procesu i przygotowanie stykających się powierzchni. Zgrzewanie metali oraz tworzyw sztucznych opiera się na miejscowym uplastycznieniu i połączeniu elementów, jednak konkretne metody wykorzystują różne źródła ciepła oraz odmienne warunki nacisku, co wpływa na trwałość i szczelność zgrzeiny.
Na czym polega zgrzewanie i czym różni się od spawania
Zgrzewanie to technologia trwałego łączenia elementów wykonanych z metalu lub tworzyw sztucznych. Polega na uplastycznieniu stykających się powierzchni, a następnie ich dociśnięciu. Połączenie powstaje więc w obszarze styku łączonych części.
Spawanie jest odrębną technologią łączenia. W tym przypadku połączenie powstaje w wyniku utworzenia spoiny, zwykle z udziałem stopionych brzegów łączonych elementów, a w razie potrzeby także spoiwa. W zgrzewaniu podstawą tworzenia połączenia jest natomiast docisk stykających się, uplastycznionych powierzchni.
Metody zgrzewania metali według sposobu doprowadzania ciepła i wywierania nacisku
Metody zgrzewania metali można klasyfikować według sposobu doprowadzania ciepła oraz oddziaływania mechanicznego na łączone elementy. Ciepło może być dostarczane za pomocą prądu elektrycznego, gazu lub innego źródła energii, a także powstawać wskutek tarcia albo drgań. Po nagrzaniu powierzchnie są łączone pod naciskiem.
Do metod elektrycznych należy przede wszystkim zgrzewanie oporowe, które wykorzystuje prąd elektryczny i docisk. W tej grupie mieszczą się między innymi odmiany punktowe, garbowe, liniowe i doczołowe. Do metod wykorzystujących energię elektryczną zalicza się także zgrzewanie indukcyjne, zwarciowe i iskrowe.
Osobną grupę stanowią metody, w których ciepło powstaje wskutek oddziaływania mechanicznego. W zgrzewaniu tarciowym jest ono wynikiem tarcia silnie dociśniętych powierzchni, a w zgrzewaniu ultradźwiękowym istotną rolę odgrywają drgania o wysokiej częstotliwości oraz nacisk. Zgrzewanie dyfuzyjne opiera się na dyfundowaniu cząsteczek w miejscu styku przy odpowiednich warunkach temperatury i nacisku.
W klasyfikacji uwzględnia się również metody cieplne, w których materiał nagrzewa się za pomocą gazu lub innego zewnętrznego źródła energii, a następnie łączy pod naciskiem. Szczególnym sposobem ustawienia elementów jest zgrzewanie doczołowe: części stykają się czołami, po czym są nagrzewane i ściskane osiowo.
Zgrzewanie oporowe: punktowe, garbowe i liniowe
Zgrzewanie oporowe wykorzystuje przepływ prądu przez dociskany styk. Elektrody służą jednocześnie do doprowadzania prądu i wywierania nacisku na łączone elementy. Poszczególne odmiany różnią się sposobem skupienia prądu i nacisku oraz obszarem i ciągłością powstającej zgrzeiny.
| Odmiana | Sposób oddziaływania | Charakter zgrzeiny |
|---|---|---|
| Punktowe | Elektrody dociskają warstwy w wybranym miejscu i przepuszczają przez nie prąd o dużym natężeniu. | Pojedyncze, skupione połączenia rozmieszczane w określonych punktach. |
| Garbowe | Wypukłości, czyli garby na jednej z łączonych części, skupiają prąd i nacisk. | Zgrzeiny powstające w miejscach garbów; układ może obejmować kilka punktów wykonywanych jednocześnie. |
| Liniowe | Prąd i docisk są przekazywane przez obracające się elektrody w kształcie krążków. | Połączenie ciągłe albo tworzone w postaci kolejnych, zachodzących na siebie odcinków; może być szczelne. |
Zgrzewanie tarciowe, ultradźwiękowe, dyfuzyjne i doczołowe
Te cztery metody różnią się sposobem wytwarzania ciepła oraz układem łączonych elementów. Zgrzewanie tarciowe wykorzystuje ruch względny, ultradźwiękowe — drgania, dyfuzyjne — dyfuzję zachodzącą przy odpowiedniej temperaturze i nacisku, a doczołowe — łączenie powierzchni ustawionych czoło w czoło.
| Metoda | Mechanizm | Układ łączenia |
|---|---|---|
| Tarciowe | Ciepło powstaje przez tarcie silnie dociśniętych powierzchni. | Po nagrzaniu następuje dalszy docisk, który konsoliduje połączenie. |
| Ultradźwiękowe | Drgania ultradźwiękowe oddziałują na dociskane powierzchnie. | Metoda może łączyć metale, ceramikę z metalem oraz tworzywa termoplastyczne bez spoiwa. |
| Dyfuzyjne | Wykorzystuje dyfuzję cząsteczek przy odpowiedniej temperaturze i nacisku. | Powierzchnie pozostają dociśnięte, a połączenie powstaje wskutek wzajemnego oddziaływania materiałów. |
| Doczołowe | Elementy są nagrzewane, a następnie ściskane osiowo. | Końce elementów stykają się czołami; istotne jest ich prawidłowe ustawienie i zachowanie jednolitego przekroju połączenia. |
Zgrzewanie tworzyw sztucznych: polifuzyjne, doczołowe i gorącym powietrzem
Zgrzewanie polifuzyjne polega na miejscowym uplastycznieniu łączonych elementów tworzywowych, a następnie zestawieniu ich pod dociskiem. Połączenie powstaje bez kleju i spoiwa. Metoda ta może osiągać wysoką szczelność, ale nie jest ona gwarantowana w każdym procesie.
| Odmiana | Charakterystyka procesu | Najważniejsze warunki |
|---|---|---|
| Polifuzyjna | Elementy są miejscowo uplastyczniane, a następnie łączone bez kleju i spoiwa. | Zgodność tworzywa, przygotowanie powierzchni, temperatura i docisk. |
| Doczołowa | Końce elementów są ustawiane czołowo, nagrzewane, a potem dociskane do siebie. | Równe krawędzie, prawidłowe ustawienie osiowe i jednolity kontakt powierzchni. |
| Gorącym powietrzem | Strumień gorącego powietrza doprowadza obszar łączenia do stanu plastycznego. | Kontrola temperatury, przygotowanie krawędzi oraz zgodność materiałów. |
Przebieg uplastycznienia oraz warunki procesu trzeba dopasować do konkretnego tworzywa. Nie należy przenosić na tę metodę parametrów stosowanych przy zgrzewaniu metali, na przykład z użyciem urządzeń takich jak zgrzewarki oporowe, ponieważ różny jest sposób dostarczania ciepła.
Temperatura, energia, docisk i przygotowanie powierzchni jako czynniki jakości zgrzeiny
Jakość zgrzeiny nie zależy od samej temperatury. Wpływają na nią energia cieplna, czas procesu, siła docisku, właściwości i grubość łączonych elementów oraz stan ich powierzchni. W zgrzewaniu oporowym elektrody doprowadzają prąd i wywierają docisk. W miejscu styku podczas podgrzewania powstaje jądro zgrzeiny, które następnie zastyga i tworzy połączenie.
Parametry trzeba dobierać do konkretnej metody i materiału. Zbyt mała ilość wytwarzanego ciepła może nie doprowadzić do prawidłowego uplastycznienia, natomiast niewłaściwe połączenie energii, czasu i docisku może pogorszyć jakość złącza. Ustawień stosowanych w zgrzewaniu oporowym nie należy bezpośrednio przenosić na inne metody.
- Energia cieplna i temperatura – muszą umożliwić uplastycznienie obszaru styku; ich ocena zależy od materiału, jego przewodnictwa i grubości elementów.
- Czas procesu – w zgrzewaniu punktowym, razem z natężeniem prądu, wpływa na ilość dostarczanego ciepła.
- Siła docisku – elektrody powinny utrzymywać kontakt podczas podgrzewania i zastygania jądra zgrzeiny.
- Geometria i rozmieszczenie zgrzein – znaczenie mają grubość elementów oraz odległość między kolejnymi zgrzeinami.
- Stan powierzchni – zabrudzenia, nierówności lub niewłaściwe przygotowanie mogą utrudniać uzyskanie jednolitego kontaktu w miejscu łączenia.
Ocena procesu powinna obejmować cały zestaw warunków, a nie tylko temperaturę. Znaczenie mają również powtarzalność docisku, stan techniczny elektrod i urządzenia oraz zgodność łączonych materiałów.
Zastosowania zgrzewania oraz wymagania bezpieczeństwa procesu
Zgrzewanie znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, budowlanym i meblarskim, a także przy produkcji siatek i elementów konstrukcyjnych. Technologie zgrzewania egzotermicznego stosuje się przy wykonywaniu uziemień oraz ochrony odgromowej. Dobór zabezpieczeń zależy od metody i organizacji pracy.
- Ochrona oczu i twarzy – podczas procesów, którym towarzyszy promieniowanie, nie wolno patrzeć bezpośrednio na jego źródło. Trzeba używać odpowiednich okularów ochronnych, tarczy lub przyłbicy.
- Ochrona przed wysoką temperaturą – gorących elementów nie należy dotykać bez zabezpieczenia; środki ochrony osobistej trzeba dobrać do metody i organizacji pracy.
- Materiały łatwopalne – stanowisko trzeba zorganizować tak, aby materiały łatwopalne znajdowały się w bezpiecznej odległości od źródła ciepła i płomienia.
- Procesy elektryczne – wymagają przestrzegania właściwych procedur oraz stosowania ochrony przewidzianej dla pracy z urządzeniami elektrycznymi.
- Procesy gazowe – trzeba postępować zgodnie z procedurami dotyczącymi butli, palników i doprowadzania gazu, a także zapewnić bezpieczne rozmieszczenie źródeł gazu względem płomienia.
Przed rozpoczęciem pracy trzeba uwzględnić rodzaj procesu, używane materiały, źródło ciepła oraz wymagania obowiązujące na konkretnym stanowisku.
