Operator zgrzewarki przy pracyWiększość produktów, począwszy od nieskomplikowanych zabawek, przez zaawansowane układy elektroniczne, a na wielkogabarytowym sprzęcie skończywszy, zawiera w sobie połączenia materiałowe. Dzięki spojeniom, często różnych materiałów, przedmioty mogą spełniać swoją funkcję użytkową. Niniejszy artykuł pozwoli nam zapoznać się z wybranymi metodami spajania, tj. zgrzewanie i lutowanie.

Technologie procesów łączenia materiałów

Spajanie opiera się o łączenie różnych elementów materiałowych w konstrukcyjną całość. W ramach tego działania mogą powstać połączenia rozłączne i nierozłączne. Spojenia rozłączne cechują się możliwością rozmontowania (demontaż nie powoduje uszkodzeń materiałów lub łączników). Wśród połączeń rozłącznych, można wyodrębnić następujące ich rodzaje:

  • wciskowe,
  • wpustowe,
  • wielowypustowe,
  • klinowe,
  • kółkowe,
  • Sworzniowe,
  • gwintowe.

Z kolei, cechą połączeń nierozłącznych jest fakt, iż nie można rozdzielić poszczególnych komponentów składowych połączenia bez uszczerbku konstrukcyjnego dla nich samych. Dotyczy to zarówno elementów łączonych, jak i elementu łączącego. Natomiast, w obrębie procesów związanych z tworzeniem połączeń nierozłącznych, wyróżnia się takie grupy jak: spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie i nitowanie.

Krótko i zwięźle o spawaniu, klejeniu i nitowaniu

Najkrócej rzecz ujmując, spawanie polega na łączeniu elementów, w drodze ich nagrzania i uzyskania stopnienia w miejscu połączenia. Odbywa się to z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa. Jeśli chodzi o klejenie, wiąże się ono z umieszczeniem warstwy kleju, czyli niemetalicznej substancji o właściwościach adhezyjnych (zapewniających przyleganie i przyczepność), pomiędzy powierzchniami łączonymi. Rodzaj kleju często decyduje o wytrzymałości, niezawodności i trwałości złącza, tj. o odporności połączenia na działanie wysokiej temperatury oraz jego sprężystości. Nitowanie to tworzenie złącz nitowych przy pomocy tzw. nitów, na zimno lub na gorąco. Ten rodzaj technologii opiera się o działanie mechaniczne i wykorzystuje siłę tarcia oraz właściwości geometrii poszczególnych elementów mającego powstać złącza. Jednakże, w niniejszym artykule, skoncentrujemy się na zgrzewaniu i lutowaniu.

Zgrzewanie

Operator spawarki przy pracyW przypadku zgrzewania, spajanie materiałów odbywa się na drodze doprowadzenia energii cieplnej oraz przyłożenia siły docisku. Ten proces nie wykorzystuje spoiwa. W zgrzewaniu, w miejscu styku powierzchni materiałów, strefy uplastyczniają się, niekiedy nawet do stanu ciekłego. Siła docisku to czynnik decydujący o uzyskaniu odpowiedniego połączenia. Metody zgrzewania różnią się między sobą i te różnice sprowadzają się m.in. do rodzaju wykorzystanej energii, sposobu jej doprowadzenia w miejsce łączenia oraz sposobu wywierania nacisku.

Metody zgrzewania

Wśród metod zgrzewania wyróżniają się szczególnie:

  • zgrzewanie elektryczne oporowe angażuje łączone elementy do obwodu elektrycznego; w oparciu o prawo Joule’a-Lenza, wytwarzane na skutek przepływu prądu ciepło, kumuluje się w miejscach o najwyższej oporności elektrycznej; najlepsze efekty są do uzyskania przy wysokim natężeniu prądu i krótkim czasie jego przepływu,
  • zgrzewanie elektryczne doczołowe, w tej technice zgrzewania, połączenie powstaje na skutek wywarcia nacisku na materiały przyłożone do siebie czołowo oraz nagrzania miejsca styku prądem,
  • zgrzewanie dyfuzyjne charakteryzuje się stałym stanem skupienia materiałów w czasie trwania procesu – materiał zostaje ocieplony do temperatury niższej niż wartość jego solidusu; to zgrzewanie wykorzystuje adhezję i dyfuzję (rozproszenie i przemieszanie się różnych cząsteczek); prowadzi się je w komorach próżniowych, bądź w warunkach atmosfery ochronnej,
  • zgrzewanie wybuchowe – tutaj połączenie elementów jest powodowane zarówno przez siłę docisku, przyłożoną w sposób dynamiczny do łączonych elementów, jak i miejscową eksplozję materiału wybuchowego,
  • zgrzewanie tarciowe i zgrzewanie zgniotowe – wzajemne pocierające się materiały wytwarzają ciepło na ich styku; proces warunkują dwa czynniki: temperatura niższa niż solidus materiałów oraz dyfuzja cząsteczek,
  • zgrzewanie ultradźwiękowe – połączenie elementów następuje w drodze uzyskania drgań mechanicznych o danej amplitudzie i częstotliwości oraz w wyniku nacisku i otrzymanej w ten sposób energii cieplnej; w tej metodzie zastosowanie ma przetwornik energii elektrycznej na mechaniczną oraz tzw. trzpień drgający (umożliwia ukierunkowanie drgań na łączone elementy),

Lutowanie

Połączenie lutowane - przykład1Lutowanie charakteryzuje się tym, iż połączenie materiałów następuje pod wpływem energii cieplnej, z zachowaniem stanu stałego tych materiałów oraz z wykorzystaniem metalowego spoiwa, tzw. lutu. Topnienie lutowia musi następować w temperaturze niższej od temperatury lutowanych elementów, najczęściej metalowych lub ceramicznych. Lut zwilża powierzchnie materiałów, rozchodzi się po nich oraz wnika w ich pory. Po wystygnięciu, okazuje się, że w miejscu połączenia powstały wiązania międzycząsteczkowe (na drodze adsorpcji, różnokierunkowej dyfuzji, a także tworzenia faz międzymetalicznych).

Rodzaje i metody lutowania

Rodzaje procesu lutowania to:

  • miękkie – spoiwo ma temperaturę topnienia do 450 stopni Celsjusza,
  • twarde – spoiwo ma temperaturę topnienia ponad 450 stopni Celsjusza,
  • wysokotemperaturowe – spoiwo ma temperaturę ponad 1000 stopni Celsjusza.

Znane metody lutowań to:

  • za pomocą lutownicy, dedykowanego lutowaniu narzędzia,
  • piecowe, przeprowadzane w warunkach próżniowych, w atmosferze gazów obojętnych lub odtleniających, bądź z wykorzystaniem topników (związki redukujące udział substancji niemetalicznych z powierzchni elementów),
  • kąpielowe, w kąpielach topnikowych, solonych, upłynnionych lutach,
  • indukcyjne, wykorzystuje rodzaj nagrzewania indukcyjnego,
  • płomieniowe – metodą nagrzewania złącza jest tutaj płomień gazowy,
  • mikrofalowe – wykorzystuje technologię mikrofali jako źródło ciepła,
  • strumieniem gorących gazów, przeprowadzane z użyciem palników gazowych, lamp i dmuchawek lutowniczych
  • elektryczne oporowe i indukcyjne.

Podsumowanie metod spajania

Spajanie materiałów to dziedzina, którą, interesują się zarówno nauka, technika, jak i biznes (przemysł). Różne środowiska rozwijają ją i współpracują ze sobą w celu maksymalizacji opłacalności, efektywności procesów i jakości połączeń. Wspomniane opłacalność, efektywność i jakość w omawianym zakresie, przekładają się na produkty i ich wartość dla odbiorców i konsumentów.