Właściwości spawanego metalu stanowią kluczowe zagadnienie w dziedzinie inżynierii materiałowej i metalurgii, gdzie procesy spawalnicze odgrywają istotną rolę w tworzeniu i naprawie konstrukcji metalowych. Trzy fundamentalne aspekty, które charakteryzują spawany metal, to wytrzymałość mechaniczna, przewodnictwo cieplne i elektryczne oraz temperatura topnienia.
Wytrzymałość mechaniczna metalu jest istotnym parametrem, który determinuje jego zdolność do utrzymania obciążeń bez trwałego zniekształcenia czy pękania. Proces spawania, zwłaszcza w przypadku wysokich temperatur, może wpływać na strukturę krystaliczną metalu, co z kolei może mieć konsekwencje dla jego wytrzymałości mechanicznej. Zatem kontrola parametrów spawalniczych staje się kluczowa dla utrzymania pożądanej wytrzymałości materiału.
Przewodnictwo cieplne i elektryczne to kolejne ważne aspekty, które mają wpływ na wybór procesu spawalniczego oraz na jakość i efektywność spoiny. Zdolność do efektywnego przewodzenia ciepła ma znaczenie przy unikaniu deformacji lub zmiany struktury metalu w obszarze spoiny. Z kolei przewodnictwo elektryczne jest istotne w procesach spawania opartych na przepływie prądu elektrycznego, takich jak spawanie łukowe.
Spawanie może zmieniać właściwości metalu, zwłaszcza jeśli jest wykonywane w wysokich temperaturach.
Trzy właściwości metali przed spawaniem:
- Temperatura topnienia
- Przewodnictwo cieplne
- Struktura krystaliczna
Temperatura topnienia metalu to krytyczny parametr, który należy uwzględnić przy doborze technologii spawania. Procesy spawalnicze mogą znacząco wpływać na temperaturę pracy metalu, co z kolei ma wpływ na jego właściwości fizyczne i chemiczne. Kontrola temperatury podczas spawania jest kluczowa, aby uniknąć niepożądanych zmian strukturalnych w metalu.
Przed przystąpieniem do spawania istotne jest zrozumienie trzech głównych właściwości metali, które są: temperatura topnienia, przewodnictwo cieplne i struktura krystaliczna. Odpowiednie uwzględnienie tych parametrów pozwala na skuteczne planowanie procesów spawalniczych oraz minimalizację niepożądanych efektów, takich jak zmiany strukturalne czy utrata właściwości mechanicznych.
Spawanie, jako proces łączenia metali, może wpływać na strukturę mikroskopową oraz właściwości mechaniczne metalu. Przebieg procesu, rodzaj używanych elektrod czy gazów osłonowych, a także temperatura spawania, stanowią kluczowe czynniki wpływające na ostateczne właściwości spoiny i spawanego metalu.
Należy jednak podkreślić, że nie wszystkie metale są podatne na spawanie, zwłaszcza te charakteryzujące się wysoką reaktywnością chemiczną. Dla takich materiałów konieczne jest zastosowanie specjalnych technik spawalniczych lub alternatywnych metod łączenia, aby uniknąć niekorzystnych zmian chemicznych w trakcie procesu.
Zrozumienie spawania metali jest jednym z filarów wiedzy potrzebnej, aby odnieść sukces jako spawacz. Każdy metal i stop metalu reaguje inaczej na ciepło i sposób, w jaki można nim manipulować. Metale rozszerzają się i miękną po podgrzaniu, co skutkuje różnymi zastosowaniami i zastosowaniami. W różny sposób reagują także na różne rodzaje stosowanych metod spawania.
Przejrzyj charakterystykę każdego metalu poniżej.
Przy wyborze metalu do spawania należy wziąć pod uwagę kilka czynników. To zawiera:
- Temperatura topnienia
- Ciągliwość : jak metal reaguje na zginanie, rozciąganie
- Przewodność elektryczna : wpływa na to, do czego można wykorzystać metal
- Wytrzymałość : jaka jest granica zerwania metalu
Rodzaje metali spawalniczych
Stal
Każdy zna wytrzymałość stali.
Jest to stop zawierający żelazo i 2% innych pierwiastków.
Stop węgla i stali jest powszechny i można go znaleźć w odmianach wysokich, niskich i średnich.
Wyższa zawartość węgla oznacza mocniejszą stal.
Stal jest wszechstronna i można ją stosować w dowolnym procesie spawania. Miejsca spawania wymagają oczyszczenia.
Z drugiej strony może rdzewieć i łuszczyć się w wyniku utleniania.
Stal nierdzewna
W przeciwieństwie do zwykłej stali, stal nierdzewna jest odporna na korozję i higieniczna.
Osiąga się to poprzez dodanie 10% do 30% chromu do innych pierwiastków, takich jak żelazo. Dostępny jest również stop niklu.
Stal nierdzewna jest spawana za pomocą spawania łukowego (TIG, MIG lub MMA).
Wadą jest wyższy koszt.
Aluminium
Podobnie jak stal nierdzewna, aluminium nie jest tak korozyjne jak inne metale.
Jest lżejszy od stali nierdzewnej. Do spawania stosuje się czyste aluminium i jego stopy.
Stopy obejmują:
- stop miedzi/aluminium
- stop manganu
- Stop cynkowy
Jeśli chodzi o spawanie aluminium , istnieje kilka możliwości.
Spawanie aluminium metodą TIG (TIG) jest preferowaną metodą spawania łukowego, ponieważ zapewnia najlepsze wyniki.
Można również spawać aluminium metodą GMAW (MIG) i uzyskać dobre wyniki.
Spawanie aluminium metodą stick jest stosowane tylko w przypadku mniejszych projektów.
Proces rozpoczyna się od wyboru projektu złącza dla metali nieszlachetnych (trójnik, zakład, krawędź, narożnik lub styk).
Miedź
Wśród metali spawalniczych miedź jest popularna ze względu na przewodność elektryczną, przewodność cieplną, odporność na korozję, wygląd i odporność na zużycie.
Aby można go było nazwać miedzią, zawartość miedzi musi wynosić co najmniej 99,3%.
Procesy stosowane w spawaniu obejmują spawanie, lutowanie twarde i lutowanie. Istnieje wiele rodzajów stopów miedzi:
- miedź-nikiel-cynk (zwany srebrem niklowym)
- Miedź niklowa
- miedź-krzem (zwany brązem krzemowym)
- stop miedzi i aluminium (brąz aluminiowy)
- miedź-cyna
- miedź-cynk (znany również jako mosiądz)
- stopy o wysokiej zawartości miedzi (do 5% stopu)
Miedź jest spawana za pomocą spawania łukiem gazowo-wolframowym ( TIG ) i spawania łukiem gazowo-metalowym.
Niektórzy spawacze będą stosować ręczne spawanie łukiem metalowym, ale może to skutkować gorszą jakością.
Podczas spawania miedzi konstrukcje złączy są szersze niż zalecane dla stali. Gazem osłonowym miedzi jest argon spawalniczy.
Miejsca spoin oczyścić szczotką drucianą z brązu, a następnie odtłuścić. Powstające tlenki należy usunąć po spawaniu.
Miedź jest wstępnie podgrzewana, jednak stopy miedzi nie wymagają wstępnego podgrzewania ze względu na wysoki poziom przewodności cieplnej.
Żeliwo
Jeśli chodzi o spawanie metali, stal niskowęglowa jest łatwiejsza do spawania niż żeliwo.
Żeliwo ma wyższą zawartość węgla i krzemu i nie jest tak plastyczne.
Podczas spawania żeliwa należy oczyścić powierzchnię, aby usunąć wrośnięty smar i olej. Wszystkie pęknięcia należy zeszlifować lub spiłować.
Żeliwo jest spawane metodą spawania acetylenowo-tlenowego .
Stopy niklu
Niklowe metale spawalnicze występują w postaci kilku stopów. Obejmują one:
- Stop niklu 141: Używany do spawania obudowy i obróbki plastycznej czystego niklu (nikiel 200 i 201). Służy również do łączenia niklu ze stalą.
- Stop niklu 61: Taki sam jak powyżej.
- Stop niklowo-miedziany 190: Do spawania ze sobą lub ze stali.
- Stop niklu i miedzi 60: Używany do spawania ze sobą.
Magnez
Stopy magnezu są lekkie (2/3 aluminium), pochłaniają wibracje i są łatwe w odlewaniu. Ma temperaturę topnienia zbliżoną do aluminium i jest spawany w podobny sposób.
Podczas mielenia magnezu należy pamiętać, że wióry są łatwopalne (nie używaj wody do gaszenia płomieni). Metal jest spawany spawarką Tig.
Właściwości metali
WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE NIEKTÓRYCH STOPÓW
| STOP | GĘSTOŚĆ
(gr/cm3) |
TEMPERATURA TOPNIENIA
(C) |
WYTRZYMAŁOŚĆ NA ROZCIĄGANIE
(N/mm2) |
| Stal | 7,7 – 7,85 | 1450 – 1520 | 340 – 1800 |
| Żeliwo szare | 7.1 – 7.3 | 1150 – 1250 | 150 – 400 |
| Austenityczna stal nierdzewna | 7,8 – 7,9 | 1440 – 1460 | 600 – 800 |
| Stopy magnezu | 1,8 – 1,83 | 590 – 650 | 180 – 300 |
| Stopy Al | 2,6 – 2,85 | 570 – 655 | 100 – 400 |
| Stopy cynku | 5,7 – 7,2 | 380 – 420 | 140 – 300 |
| Mosiądz | 8.25 | 900 – 950 | 250 – 600 |
| Brązowy | 8,56 – 8,9 | 880 – 1040 | 200 – 300 |
WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE NIEKTÓRYCH ELEMENTÓW
| ELEMENT | SYMBOL | GĘSTOŚĆ
(gr/cm3) |
TEMPERATURA TOPNIENIA
(C) |
TEMPERATURA WRZENIA
(C) |
ELEMENT | SYMBOL | GĘSTOŚĆ
(gr/cm3) |
TEMPERATURA TOPNIENIA
(C) |
TEMPERATURA WRZENIA
(C) |
| Aluminium | Glin | 2.7 | 660 | 2060 | Rtęć | Hg | 13.55 | -38,87 | 357 |
| Antymon | Sb | 6,62 | 630,5 | 1440 | Molibden | Pon | 10.2 | 2625 | 4800 |
| Beryl | Być | 1,82 | 1280 | 2770 | Nikiel | Ni | 8,90 | 1455 | 2730 |
| Bizmut | Bł | 9,8 | 271,3 | 1420 | Paladium | Rocznie | 12 | 1554 | 4000 |
| Bor | B | 3.3 | 2300 | 2550 | Fosfor | P | 1,82 | 44 | 282 |
| Kadm | Płyta CD | 8,65 | 321 | 765 | Platyna | Pt | 21.45 | 1773,5 | 4410 |
| Węgiel | C | 3,51 | 3500 | – | Srebro | Ag | 10.49 | 960,5 | 2210 |
| Chrom | Kr | 7.19 | 1890 | 2500 | Krzemionka | Si | 2.33 | 1430 | 2300 |
| Kobalt | Współ | 8.9 | 1495 | 2900 | Stront | senior | 2.6 | 770 | 1380 |
| Miedź | Cu | 8,96 | 1083 | 2600 | Siarka | S | 2.05 | 112,8 | 444,6 |
| Złoto | Au | 19.32 | 1063 | 2970 | Tantal | Ta | 16.6 | 3000 | 5300 |
| Ind | W | 7.306 | 156 | 2075 | Cyna | sen | 7.298 | 231,9 | 2270 |
| Iryd | Ir | 22,5 | 2454 | 5300 | Tytan | Ti | 4,54 | 1730 | – |
| Żelazo | Fe | 7,87 | 1539 | 2740 | Wolfram | W | 19.3 | 3410 | 5930 |
| Ołów | Pb | 11.34 | 327,4 | 1740 | Wanad | V | 6 | 1735 | 3400 |
| Lit | Li | 0,53 | 186 | 1370 | Cynk | Zn | 7.136 | 419,5 | 906 |
| Magnez | Mg | 1,74 | 650 | 1110 | Cyrkon | Zr | 6.5 | 1750 | 2900 |
| Mangan | Mn | 7.43 | 1245 | 2150 |
Podsumowując, ogólne właściwości metali, takie jak przewodnictwo cieplne i elektryczne, połysk, elastyczność, ciągliwość oraz wysoka temperatura topnienia, stanowią podstawę do zrozumienia i efektywnego zarządzania procesami spawalniczymi. Współczesna inżynieria materiałowa kładzie duży nacisk na precyzyjną kontrolę tych właściwości w celu osiągnięcia spójnych, trwałych i wysokowydajnych połączeń metalicznych.