Zgrzewanie – metody, parametry i kryteria jakości łączenia metali oraz tworzyw sztucznych

W praktyce o trwałości zgrzewanego połączenia często decyduje nie sam „kontakt” elementów, lecz to, czy ich złącze przejdzie w stan plastyczny i zostanie dociśnięte w odpowiedni sposób. Zgrzewanie to trwałe łączenie części urządzeń lub konstrukcji z metalu lub tworzyw sztucznych poprzez uplastycznienie stykających się powierzchni i ich dociśnięcie; szeroko stosowane jest w przemyśle, a do łączenia metali najczęściej wykorzystuje się zgrzewanie elektryczne oporowe. W kolejnych krokach ważne stają się zarówno dobór parametrów, jak i to, jak wygląda i zachowuje się sama zgrzeina.

Zgrzewanie jako trwałe łączenie: zasada i typowe zastosowania

Zgrzewanie to technologia trwałego łączenia części urządzeń i konstrukcji wykonanych z metalu lub tworzyw sztucznych. Polega na nagrzewaniu stykających się powierzchni do stanu plastycznego i następnie dociśnięciu, dzięki czemu powstaje nierozłączne połączenie. Uplastycznieniu ulega przy tym jedynie niewielka objętość materiału na granicy styku.

W praktyce zgrzewanie pozwala łączyć elementy bez użycia dodatkowych materiałów spajających (np. spoiwa). Połączenie powstaje dzięki połączeniu efektu nagrzania w strefie styku oraz właściwego docisku przenoszącego materiał w jedno połączenie. W zależności od sposobu zgrzewania kolejność działań może być różna: czasem najpierw pojawia się docisk, a dopiero potem rozgrzanie, a w innych przypadkach odwrotnie.

Zgrzewanie ma szerokie zastosowanie w przemyśle. Do łączenia elementów metalowych najpowszechniej stosuje się zgrzewanie elektryczne oporowe. Wybrane techniki zgrzewania umożliwiają także łączenie ceramiki z metalem lub z metalami i stopami. Metoda może dotyczyć zarówno cienkich blach, jak i drutów oraz prętów.

W zależności od źródła ciepła oraz sposobu wywierania nacisku zgrzewanie dzieli się na różne rodziny metod, m.in. elektryczne oporowe, gazowe, termitowe, ogniskowe, tarciowe, indukcyjne i dyfuzyjne.

Najważniejsze metody zgrzewania metali i tworzyw oraz różnice w procesie

Zgrzewanie można porządkować według dwóch osi: skąd pochodzi ciepło oraz jak powstaje docisk (nacisk). Łatwiej rozróżnić metody „elektryczne” (ciepło powstaje w strefie styku przez prąd), rozwiązania, w których ciepło dostarczane jest z zewnątrz (np. palnik lub tarcie), oraz metody, gdzie dominuje dyfuzja lub reakcja egzotermiczna.

• Elektrooporowe (rezystancyjne): dwie przylegające powierzchnie są dociśnięte, a przez styk przepuszcza się prąd elektryczny. Prąd nagrzewa elementy do temperatury uplastycznienia, a po właściwym dociśnięciu powstaje złącze. W tym ujęciu wyróżnia się m.in. zgrzewanie punktowe (duże natężenie w punkcie styku i dociśnięcie elektrod) oraz zgrzewanie garbowe (wypukłości koncentrują prąd i nacisk w jednym miejscu), a także ogólnie zgrzewanie blach i doczołowe.
• Tarciowe: ciepło powstaje na skutek tarcia silnie dociśniętych powierzchni. Po nagrzaniu następuje docisk, który tworzy trwałe połączenie o dobrych właściwościach mechanicznych.
• Doczołowe: elementy łączy się czoło w czoło przez nagrzanie i osiowe ściskanie, bez zakładki materiału, co pozwala uzyskać jednolity przekrój o wysokiej wytrzymałości statycznej.
• Gazowe: ciepło pochodzi z nagrzewania palnikiem gazowym. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury elementy są łączone pod dociskiem (nacisk i temperatura nie wynikają z grzania „w styku” prądem).
• Dyfuzyjne: zamiast intensywnego, krótkiego grzania dominuje dyfundowanie cząsteczek pod warunkiem odpowiednich warunków procesu, w tym temperatury i nacisku.
• Ultradźwiękowe: łączenie następuje przez uplastycznienie i połączenie bez użycia spoiwa; metoda może dotyczyć metali, ceramiki z metalem oraz tworzyw termoplastycznych.
• Egzotermiczne (np. termitowe): ciepło pochodzi z reakcji egzotermicznej proszku zgrzewającego w formie grafitowej. Efektem są trwałe, nisko-rezystancyjne połączenia odporne na korozję, wykorzystywane m.in. w uziemieniach i ochronie odgromowej.
• Zgniotowe: łączenie odbywa się przez wywarcie bardzo dużego nacisku bez podgrzewania lub z minimalnym podgrzewaniem.

W metodach elektrooporowych ciepło powstaje w strefie styku dzięki przepływowi prądu, natomiast w metodach gazowych i doczołowych ciepło jest dostarczane głównie zewnętrznie, a dopiero potem elementy są łączone pod dociskiem.

Jak przebiega powstawanie zgrzeiny i co wpływa na jej wytrzymałość

Powstawanie zgrzeiny można opisać jako kontrolowaną sekwencję etapów: najpierw elementy są dociśnięte, następnie dochodzi do podgrzania i stopienia (lub silnego uplastycznienia) w miejscu styku przy współudziale prądu, a na końcu złącze skrzepnie w warunkach utrzymanego docisku. Trwałość powstaje wtedy, gdy właściwie ukształtuje się i ustabilizuje jądro zgrzeiny.

• Etap 1: dociśnięcie — powierzchnie są dociskane, aby zapewnić dobry kontakt w strefie styku. Od jakości tego kontaktu zależy, czy kolejne zjawiska (podgrzewanie i przemiany materiału) zachodzą w przewidywany sposób.
• Etap 2: podgrzanie i stopienie/uplastycznienie — w miejscu styku następuje podgrzanie zgrzewanych powierzchni i doprowadzenie materiału do stanu, w którym może dojść do stopienia lub wyraźnego uplastycznienia (przy zgrzewaniu z udziałem prądu).
• Etap 3: skrzepnięcie z równoczesnym dociskiem — po wytworzeniu odpowiedniego stanu plastycznego następuje zestalenie. Docisk jest utrzymywany, aby ograniczać powstawanie nieciągłości w tworzącym się połączeniu.

W centrum mechanizmu powstawania zgrzeiny znajduje się jądro zgrzeiny. Podczas podgrzewania i docisku w miejscach styku powstaje ciecz plastyczna, która wypełnia strefę kontaktu, a następnie zastygnięcie tej cieczy prowadzi do powstania trwałego połączenia.

W efekcie wytrzymałość zgrzeiny jest powiązana z tym, czy „rdzeń” złącza (jądro) uformuje się w odpowiednim zakresie i czy skrzepnięcie przebiegnie w warunkach, które nie powodują rozszczelnienia połączenia. Jako przykład mechanizmu w podobnej logice procesu można wskazać zgrzewanie tarciowe, w którym uzyskuje się połączenie bardzo dobre pod względem właściwości mechanicznych.

Ustawianie parametrów zgrzewania: temperatura, czas, nacisk oraz dobór nastaw

W zgrzewaniu punktowym dobór nastaw opiera się przede wszystkim na trzech parametrach procesu: natężeniu prądu, czasie przepływu prądu oraz siłę docisku elektrod. To one sterują ilością ciepła w strefie styku i warunkami, w jakich tworzy się jądro zgrzeiny oraz zachodzi jej skrzepnięcie. Przy ustawianiu parametrów trzeba uwzględnić także rodzaj metalu (np. stal vs aluminium) i grubość łączonych elementów.

• Utrzymuj dobry kontakt elektryczny — przed zgrzewaniem usuń z powierzchni tlenki, oleje i inne zanieczyszczenia.
• Ułóż blachy na zakładkę — maksymalnie do trzech warstw; przy różnej grubości cieńsze elementy ułóż zgodnie z zasadą (dla 3 blach cieńsza w środku, dla 2 blach cieńsza na górze).
• Dobieraj nastawy do materiału i grubości — przy materiałach podatnych na hartowanie rozważ „miękkie” parametry (niższe wartości i dłuższy czas), a w produkcji wielkoseryjnej stosuj „sztywniejsze” parametry (większe natężenie, siła i krótszy czas).
• Zachowuj położenie zgrzein — utrzymuj odpowiednie odstępy między zgrzeinami i umieszczaj je w właściwej odległości od krawędzi.
• Kontroluj elektrody — zapewnij odpowiednią średnicę i stan elektrod; kontroluj zużycie i regularnie je wymieniaj, a w razie potrzeby stosuj ochronne rozwiązania między elektrodami a materiałem.
• Utrzymaj docisk po wyłączeniu prądu — po impulsie zachowaj czas docisku, aby metaliczne jądro zdążyło się ustabilizować i uzyskać trwałe połączenie.

Jeśli pracujesz z konkretnymi zgrzewarkami, ich możliwości mogą wpływać na sposób ustawiania procesu i powtarzalność parametrów. Zgrzewarki oporowe wykorzystywane w zgrzewaniu punktowym to często zgrzewarki oporowe, dobierane m.in. pod grubość łączonych elementów.

Zgrzewarki punktowe są urządzeniami o mocy od 25 do 80 kVA do zgrzewów punktowych o grubości do 8 mm. W zastosowaniach przemysłowych spotyka się też zgrzewarki automatyczne o mocy 260 kVA do produkcji siatek oraz zgrzewarki doczołowe o mocy 7 kVA do zgrzewania drutów o średnicy od 4 do 14 mm.

Kryteria jakości zgrzeiny: szczelność, zgodność materiałowa i właściwości mechaniczne

Kryteria jakości zgrzeiny ocenia się pod kątem spełnienia wymagań funkcjonalnych i trwałościowych: szczelności, zgodności materiałowej oraz oczekiwanych właściwości mechanicznych w warunkach pracy. W praktyce oznacza to weryfikację skutków doboru parametrów procesu i tego, jak połączenie zostało ukształtowane w strefie styku.

• Ukształtowanie zgrzeiny — w zgrzewaniu punktowym właściwy kształt połączenia jest istotnym wskaźnikiem jakości; wiąże się bezpośrednio z tym, czy zgrzeina została prawidłowo uformowana w strefie styku.
• Szczelność zgrzewu — kryterium ma znaczenie tam, gdzie złącze musi być szczelne. Przykładowo zgrzewanie polifuzyjne jest znane z osiągania wysokiej szczelności połączenia.
• Zgodność materiałowa — w przypadku stopów o różnych składach chemicznych zgrzewanie w stanie plastycznym jest możliwe tylko wtedy, gdy tworzą one roztwory stałe lub wchodzą w związki chemiczne. Jeśli nie zachodzi taka zgodność na poziomie metalurgicznym, złącze może nie spełnić wymagań niezawodności, nawet gdy proces jest poprawnie prowadzony.
• Właściwości mechaniczne — ocena dotyczy tego, czy złącze przenosi obciążenia w sposób przewidywalny. Przykładowo zgrzewanie tarciowe daje połączenie o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych.
• Niezawodność wynikająca z parametrów — na trwałość i wytrzymałość wpływa to, jak zgrzewanie „zadziałało” w strefie styku. Siła docisku, ilość wytwarzanego ciepła, odległość między zgrzeinami oraz grubość łączonych elementów wpływają na kształt i jednorodność połączenia.
• Właściwości użytkowe związane ze środowiskiem pracy — w wybranych zastosowaniach kryterium jakości może obejmować również odporność na środowisko. W zgrzewaniu egzotermicznym powstaje trwałe, nisko-rezystancyjne połączenie odporne na korozję (w kontekście uziemień i ochrony odgromowej).

W ocenie jakości uwzględnia się powiązanie wyników z konkretnym zastosowaniem: typowe wskaźniki obejmują szczelność, zgodność materiałową i właściwości mechaniczne, a dodatkowo — tam gdzie ma to znaczenie — parametry użytkowe wynikające z zastosowanej metody.

Bezpieczeństwo pracy i najczęstsze przyczyny wad zgrzewów

Bezpieczeństwo podczas zgrzewania jest częścią kontroli procesu: wpływa na to, czy praca przebiega bez narażenia na promieniowanie i bez ryzyka pożaru lub oparzeń. Przy zgrzewaniu elektrycznym w łuku mogą powstawać promienie widzialne i niewidzialne (cieplne oraz ultrafioletowe), które mogą uszkadzać oczy — dlatego nie należy patrzeć bezpośrednio na łuk i trzeba stosować przyłbicę lub specjalne okulary ochronne.

Przy zgrzewaniu gazowym ograniczenie ryzyka pożaru i oparzeń obejmuje m.in. obecność w pobliżu naczynie z wodą do chłodzenia palnika oraz odległość co najmniej 1 m między butlami a płomieniem (wymóg organizacyjny). Nie należy stosować smaru ani oliwy przy częściach palników i zaworów, a wylot końcówki palnika czyści się wyłącznie zwęglonym drewnem. Ponadto prace wykonuje się w odległości co najmniej 5 m od materiałów łatwopalnych.

Środki ochrony osobistej dobiera się do rodzaju pracy: okulary ochronne lub przyłbica/tarcza — w zależności od wykonywanych czynności i warunków na stanowisku.

Wady zgrzewów zwykle wynikają z odchyleń od warunków, w których połączenie ma osiągnąć właściwy stan w strefie styku. Najczęściej problemem jest brak prawidłowego uplastycznienia, błędy w docisku/osiowaniu oraz nieprawidłowe parametry procesu, co przekłada się na gorszą trwałość i nieprawidłowe ukształtowanie zgrzeiny.

• Siła docisku — zbyt mały lub źle przenoszony docisk może skutkować brakiem jednorodnego połączenia w strefie styku.
• Ilość wytwarzanego ciepła — gdy dostarczone ciepło nie doprowadza do wymaganego stanu uplastycznienia, zgrzeina nie uformuje się prawidłowo.
• Odległość między zgrzeinami — odchylenia wpływają na wzajemne oddziaływanie cieplne i sposób formowania zgrzeiny.
• Grubość łączonych elementów — w procesach zgrzewania istotna jest relacja grubości; obowiązuje stosunek maksymalnie 1:3 dla łączonych elementów.
• Parametry zgrzewania punktowego — o ukształtowaniu zgrzeiny decydują m.in. czas przepływu prądu, natężenie prądu oraz siła docisku elektrod; rozjazd tych nastaw względem założeń może prowadzić do wad.
• Docisk i osiowanie — błędy w dopasowaniu elementów lub sposobie dociśnięcia mogą uniemożliwić uzyskanie prawidłowego kontaktu, co przejawia się odchyleniami w ukształtowaniu połączenia.

Jeśli pracujesz z zgrzewarkami oporowymi, wady jakości często mają związek z warunkami wykonania i nastawami: gdy zgrzew nie osiąga właściwego ukształtowania, sprawdza się docisk, ilość ciepła oraz parametry punktowe (czas i natężenie prądu, siła docisku elektrod), uwzględniając przy tym bezpieczeństwo stanowiska i procedury.