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 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 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.

Zastosowanie połączeń spawanych

Przed przystąpieniem do opisu zastosowania połączeń spawalnych warto napisać co to jest w  spawanie, a ogólniej mówiąc co to jest spawalnictwo.

Spawalnictwo jako dział technologii łączenia obejmujący procesy spajania, tj. trwałego łączenia metali oraz procesy pokrewne wykorzystujące urządzenia spawalnicze do inny celów ( np. do ciecia, metalizowania)

Spawanie konstrukcyjne elementów maszyn są najbardziej popularne wśród połączeń nierozłącznych, ponieważ są tanie, proste i umożliwiają osiągniecie znacznych oszczędności w porównaniu z innymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Połączenia spawane zastępują elementy o dużych gabarytach, których odlewanie lub kucie jest kłopotliwe ze względów technologicznych. W stosunku do odlewów żeliwnych uzyskuje się mniejszy ciężar konstrukcji. W porównaniu z konstrukcjami nitowanymi oszczędności materiału sięgają 20 %. W obu przypadkach dalsze oszczędności uzyskuje się na robociźnie. Spawanie jest procesem o małej pracochłonności, umożliwia łączenie części różnymi metodami, a także łączenie ścianek różnej grubości. Ponadto niektóre zalety spawania powodują stały wzrost liczby konstrukcji spawanych. Konstrukcje spawane wypierają również nitowane blachownice i zbiorniki ciśnieniowe, niektóre odlewane korpusy obrabiarek itd. Wśród metod spawania możemy wyróżnić: gazowe, łukowe, atomowe, plazmowe, elektronowe, laserowe oraz spawanie tworzyw termoplastycznych w strumieniu gorącego powietrza