Zestaw nr 25
1. Rozkład temperatur w łuku
Najczęściej wykorzystywanym źródłem ciepła w spawalnictwie jest łuk elektryczny, który jest wyładowaniem elektrycznym w atmosferze zjonizowanych gazów i par metali np. podczas spawania metodami TIG, MIG, MAG, plazmowo. W niektórych metodach mogą w łuku występować również cząsteczki żużli i topników, np. w spawaniu elektrodami otulonymi, pod topnikiem, drutami proszkowymi.
Zasadniczym zadaniem łuku spawalniczego jest topienie materiału spawanego i spoiwa. Łuk ten może się jarzyć między:
1. dwiema elektrodami nietopliwymi (spawanie łukowo-wodorowe, tzw. atomowe);
2. elektrodą nietopliwą i materiałem spawanym (spawanie T1G);
3. elektrodą topliwą i materiałem spawanym (spawanie elektrodą otuloną, MIG/MAG, łukiem krytym);
4. łączonymi materiałami (zgrzewanie łukiem wirującym).
Rysunek 1 .Gęstości mocy .q max i średnica plamki grzewczej D źródła dla różnych spawalniczych źródeł ciepła i ich mocy.
WL - wiązka laserowa,
SP - strumień plazmy niskotemperaturowej,
WE - wiązka elektronów,
ŁE - łuk elektryczny (elektroda otulona, TIG, MIG, MAG),
PA - płomień acetylenowy
Rysunek 2 Wpływ wybranych źródeł ciepła o różnej gęstości mocy na: temperaturę źródła, głębokość wtopienia g, szerokość stopionego metalu d i strefę wpływu ciepła (SWC) s (rysunek poglądowy).
Łuk spawalniczy jest zwykle utrzymywany między elektrodą a spawanym przedmiotem. Niezależnie od biegunowości jest on węższy przy elektrodzie i rozszerza się w kierunku materiału spawanego. Słup łuku jest elektrycznie obojętny. Temperatura łuku jest najwyższa w miejscu jego maksymalnej koncentracji. Temperatura w łuku plazmowym TIG, który jest silnię zawężony mechanicznie (w dyszy) i elektromagnetycznie, może przekroczyć nawet 20 000°C przy wysokim natężeniu prądu i gdy jarzy się on w gazach trudno jonizujących się, np. w helu. Gdy łuk jarzy się w łatwiej jonizujących się gazach (Ar, C02, H2) i w obecności par pierwiastków alkalicznych o niskim potencjale jonizacyjnym, np. przy spawaniu elektrodami otulonymi, temperatura słupa łuku niezawężonego wynosi około 3000-6000°C.
Gęstości strumieni energii cieplnej stosowanych w technologiach spawalniczych mieszczą się zwykle w granicach 104-108 kW/m2, chociaż w przypadku wiązki elektronowej i promieniowania laserowego gęstość ta może być większa. Energia cieplna rozkłada się na nagrzewanej powierzchni, o promieniu r, według krzywej Gaussa:
q = qmexV(-kr2)
gdzie: k - współczynnik koncentracji, qm - energia cieplna w środku nagrzewanej plamki.
Rysunek 3 Rozkład energii strumienia ciepła na nagrzanej powierzchni.
Ilość ciepła wydzielanego na anodzie jest większa niż na katodzie. Jeżeli biegunem dodatnim jest elektroda topliwa, to wydajność jej stapiania (również temperatura) jest wyższa niż przy biegunowości ujemnej, a głębokość wtopienia w spawany materiał jest umiarkowana. Elektrody nietopliwej (metoda TIG) podłączonej do bieguna dodatniego nie można obciążać dużym natężeniem prądu w obawie przed zbyt szybkim jej zniszczeniem na skutek intensywnego nagrzewania, zatem wydajność spawania jest niska. Podczas spawania prądem przemiennym rozkład ciepła i temperatury w łuku są zrównoważone.
Przy zastosowaniu jako osłony łuku gazu podlegającego dysocjacji w wysokiej temperaturze, np. dwutlenku węgla występuje dodatkowe wydzielanie ciepła. Stopień dysocjacji C02 zależy od temperatury, przy czym w temperaturze 2000 K wynosi 6,65%, a w temperaturze 5000 K - 100%. W słupie łuku, gdzie temperatura wynosi ponad 5200 K, następuje dysocjacja C02 na CO + O i pobieranie przy tym pewnych ilości ciepła. W strefie przy-katodowej nad spawanym metalem w temperaturze ok. 2300 K następuje utlenienie CO według reakcji CO + O = C02, a wydzielone przy tej reakcji ciepło powiększa ilość ciepła w strefie przykatodowej. Powoduje to zwiększenie prędkości topienia materiału spawanego i zwiększenie głębokości wtopienia.
Hel dodany do argonu podnosi temperaturę łuku spawalniczego – posiada większy od argonu współczynnik przewodnictwa cieplnego.
2. Spawanie tytanu
Własności tytanu
Tytan i jego stopy wyróżniają się przede wszystkim:
Wysoką wytrzymałością na rozciąganie, zarówno w temperaturze otoczenia, jak i w temperaturach podwyższonych (aż do temperatur 500- 600°C) przy stosunkowo małym ciężarze właściwym (Re stopów wynosi ok. 900-1300 MPa, natomiast Rm - ok. 1000-1400 MPa) i stosunkowo duża plastyczność
(A5 = 9 - 18%, zależnie od obróbki cieplnej).
Własności mechaniczne tytanu zależą jednakże w bardzo dużym stopniu od jego czystości. Zmiany własności mechanicznych wywołują nawet setne części procenta niektórych zanieczyszczeń.
Wysoka odporność na korozję chemiczną, która dorównuje, a w wielu przypadkach przewyższa odporność korozyjną austenitycznych stali nierdzewnych. Tytan jest całkowicie odporny na działanie wody morskiej oraz chlorków, wykazuje również dużą odporność na działanie wody królewskiej, kwasu azotowego, większości kwasów organicznych, rozcieńczonych kwasów siarkowego i solnego, a także niektórych ciekłych metali i stopów (ołowiu cyny bizmutu). Tytan nie jest natomiast odporny na działanie kwasu fluorowodorowego i fosforowego, stężonego kwasu solnego (powyżej 5%), stężonego kwasu siarkowego, stężonych kwasów organicznych i stężonych roztworów alkalicznych oraz ciekłego aluminium i cynku.
Stopy tytanu
Techniczny tytan w temperaturze pokojowej posiada strukturę α-fazy o sieci heksagonalnej, trwały do 882°C;
Od temperatury 882°C tytana przyjmuje strukturę β-fazy o sieci regularnej przestrzennie centrowanej.
Grupy stopów:
Stopy α (stabilizatorami α -fazy są: aluminium, cyna, cyrkon);
Stopy β (stabilizatorami β -fazy są: mangan, molibden, wanad, chrom i in.),
Inne: (α+ β), pseudo- α, pseudo- β.
Stopy zawierają od kilku do kilkunastu procent dodatków.
Stopy jednofazowe a nie są obrabiane cieplnie, natomiast dwufazowe (α+ β), i jednofazowe metastabilne stopy β można przesycać i sztucznie starzyć w celu podwyższenia właściwości mechanicznych.
Dobre wyniki spawania uzyskuje się przy spawaniu stopów jednofazowych jednoimiennych (a + a lub β+β). Stopy dwufazowe (a + β) są źle spawalne, podobnie jak spawanie ze sobą stopów a i β.
Zakres zastosowań tytanu i jego stopów obejmuje przede wszystkim takie dziedziny jak: rzemysł chemiczny, przemysł lotniczy, energetyka jądrowa, przemysł obronny.
Trudności przy spawaniu tytan
Podstawowe utrudnienie związanym ze spawaniem tytanu to: wysoka aktywność chemiczna tytanu przy wysokich temperaturach, szczególnie w stanie płynnym, w stosunku do gazów: tlenu, azotu i wodoru oraz oddziały...
Weld1