Zgrzewanie metali i tworzyw sztucznych: metody, parametry oraz zastosowania technologii trwałego łączenia

Zgrzewanie metali i tworzyw sztucznych nie jest po prostu inną nazwą spawania: połączenie powstaje przez uplastycznienie stykających się powierzchni, docisk i zwykle bez dodatkowego spoiwa. Różnice między materiałami wpływają na dobór technologii — metale mogą być łączone m.in. punktowo, doczołowo lub tarciowo, a tworzywa polifuzyjnie, gorącym powietrzem albo ultradźwiękowo; o trwałości decydują zaś parametry procesu i geometria elementów.

Spis treści

Na czym polega zgrzewanie i czym różni się od spawania

Zgrzewanie to technologia trwałego łączenia elementów metalowych lub wykonanych z tworzyw sztucznych. W miejscu styku łączone powierzchnie zostają doprowadzone do stanu plastycznego, a następnie dociśnięte. W wielu przypadkach proces nie wymaga dodatkowego spoiwa.

Istotą zgrzewania jest połączenie stykających się powierzchni pod wpływem uplastycznienia i docisku. Sposób doprowadzenia ich do odpowiedniego stanu zależy od materiału i zastosowanej technologii. Przykładowo zgrzewanie oporowe wykorzystuje docisk oraz prąd elektryczny, który nagrzewa miejsce styku.

Spawanie opiera się na innej zasadzie: połączenie powstaje przez stopienie brzegów materiału, często z użyciem dodatkowego materiału spawalniczego, czyli spoiwa. W zgrzewaniu decydujące znaczenie ma natomiast uplastycznienie i dociśnięcie stykających się powierzchni, bez konieczności stosowania takiego dodatku.

Najważniejsze metody zgrzewania metali

Metody zgrzewania metali różnią się źródłem ciepła oraz sposobem wywierania nacisku.

Zgrzewanie elektryczne oporowe — elementy są dociskane, a przez miejsce styku przepływa prąd. Ciepło powstaje wskutek oporu elektrycznego materiału. Do tej grupy należą między innymi odmiany punktowa, garbowa, liniowa i doczołowa.
Zgrzewanie punktowe — elektrody dociskają łączone blachy, a miejscowo doprowadzony prąd tworzy pojedyncze zgrzeiny.
Zgrzewanie garbowe — prąd i docisk koncentrują się na specjalnie uformowanych wypukłościach, czyli garbach. Umożliwia to wykonanie kilku zgrzein podczas jednego cyklu.
Zgrzewanie doczołowe — elementy są ustawione czoło w czoło, a następnie nagrzewane i ściskane wzdłuż wspólnej osi.
Zgrzewanie tarciowe — ciepło powstaje wskutek tarcia dociśniętych do siebie powierzchni, które poruszają się względem siebie. Po ich uplastycznieniu elementy zostają połączone przez dalszy docisk.
Zgrzewanie gazowe — do nagrzewania powierzchni wykorzystuje płomień gazowy.
Zgrzewanie dyfuzyjne — połączenie powstaje wskutek oddziaływania podwyższonej temperatury i docisku, sprzyjających wzajemnemu przenikaniu się cząstek w obszarze styku.
Zgrzewanie zgniotowe — trwałe połączenie uzyskuje się przez nacisk powodujący odkształcenie i zbliżenie powierzchni elementów.
Zgrzewanie egzotermiczne — wykorzystuje reakcję egzotermiczną proszku umieszczonego w formie grafitowej. Stosuje się je między innymi do wykonywania połączeń w instalacjach uziemiających.

Metody zgrzewania tworzyw sztucznych

W przypadku tworzyw sztucznych połączenie powstaje przez miejscowe uplastycznienie strefy styku, a następnie zetknięcie i dociśnięcie elementów. Technologia nie wykorzystuje kleju ani dodatkowego spoiwa. Dobór metody zależy od rodzaju tworzywa i sposobu dostarczenia energii; opisane rozwiązania dotyczą przede wszystkim materiałów termoplastycznych.

Zgrzewanie polifuzyjne — łączone powierzchnie są miejscowo uplastyczniane, po czym zestawia się je i dociska. Połączenie powstaje bez użycia kleju i spoiwa.
Zgrzewanie gorącym powietrzem — strumień gorącego gazu ogrzewa powierzchnie przeznaczone do połączenia. Uplastycznione obszary są następnie łączone; w zależności od rozwiązania technologicznego może być stosowany także element dodatkowy.
Zgrzewanie gorącą płytą — powierzchnie są nagrzewane przez kontakt z rozgrzanym narzędziem. Po uzyskaniu stanu plastycznego narzędzie jest odsuwane, a elementy łączy się pod dociskiem.
Zgrzewanie ultradźwiękowe — fale ultradźwiękowe powodują miejscowe uplastycznienie tworzywa termoplastycznego w obszarze styku.
Zgrzewanie wibracyjne — ciepło powstaje wskutek ruchu względnego dociskanych powierzchni. Tarcie prowadzi do uplastycznienia strefy łączenia, a po zatrzymaniu ruchu elementy pozostają pod dociskiem.

Parametry wpływające na jakość i trwałość połączenia

Jakość i trwałość zgrzeiny zależą od skoordynowania ilości dostarczonego ciepła, czasu przepływu prądu, jego natężenia oraz siły docisku elektrod. Zbyt mała ilość energii może prowadzić do niedogrzania, natomiast nadmierna zwiększa ryzyko przegrzania, przepalenia lub wyprysku materiału.

Docisk elektrod stabilizuje strefę styku i wpływa na przebieg nagrzewania. Po podgrzaniu materiałów powinien być utrzymany podczas zastygania uplastycznionego obszaru. W tych warunkach powstaje jądro zgrzeiny, którego wielkość i ciągłość mają znaczenie dla wytrzymałości oraz szczelności połączenia.

Natężenie i czas przepływu prądu — wspólnie wpływają na ilość dostarczonego ciepła; wymagają doboru do grubości i charakterystyki łączonych elementów.
Siła docisku elektrod — wpływa na warunki styku, formowanie jądra zgrzeiny i powtarzalność procesu.
Grubość elementów — oddziałuje na przebieg nagrzewania; duża różnica grubości utrudnia równomierne utworzenie połączenia.
Osiowanie — przesunięcie elementów lub elektrod może zmienić położenie i kształt strefy zgrzewania, obniżając powtarzalność.
Odległość między zgrzeinami — zbyt małe odstępy mogą zaburzać przepływ prądu i pogarszać jakość kolejnych połączeń.

Kontrola parametrów powinna obejmować powtarzalność całego cyklu oraz stan powierzchni roboczych elektrod. Ustawienia należy oceniać w odniesieniu do wymaganej wytrzymałości, szczelności i geometrii konkretnego złącza.

Dobór metody zgrzewania do materiału i geometrii elementów

Dobór metody zgrzewania wymaga uwzględnienia nie tylko rodzaju materiału, lecz także jego przewodnictwa, podatności na uplastycznienie, zgodności łączonych składów oraz grubości elementów. Stal i aluminium wymagają precyzyjnego dopasowania parametrów technicznych, a łączenie stopów o różnych składach chemicznych jest możliwe w określonych układach, gdy tworzą roztwory stałe lub wchodzą w związki chemiczne.

Geometria elementów decyduje o możliwości prawidłowego doprowadzenia energii i docisku do strefy połączenia. Elementy łączone czołowo wymagają ustawienia powierzchni oraz zachowania osiowości; w takim układzie stosuje się zgrzewanie doczołowe. Warstwy blach lub siatek łączy się z reguły punktowo, jeśli ich układ umożliwia stabilne przyłożenie elektrod. W przypadku tworzyw należy dobrać metodę przeznaczoną do danej grupy materiałowej, na przykład zgrzewanie polifuzyjne.

Materiał i jego odmiana — przeanalizuj przewodnictwo, podatność na uplastycznienie oraz zgodność łączonych składów; sama nazwa materiału nie wystarcza do ustalenia technologii.
Grubość i jej różnice — przy zgrzewaniu punktowym elementy nie powinny znacząco różnić się grubością; stosunek najgrubszego do najcieńszego elementu nie powinien przekraczać 1:3.
Forma oraz dostęp do złącza — uwzględnij, czy elementy są płaskie, rurowe, siatkowe lub łączone czołowo, a także czy elektrody albo narzędzie mogą dosięgnąć właściwej strefy.
Rodzaj połączenia — połączenie punktowe służy do łączenia warstw materiału, doczołowe elementów stykających się czołami, a metoda dla tworzywa powinna uwzględniać jego uplastycznianie.
Wymagana szczelność i wytrzymałość — kryteria te wpływają na rozmieszczenie zgrzein i wybór technologii, ale wymagają oceny razem z materiałem, grubością oraz geometrią.

Przed wyborem technologii należy więc określić materiał, grubości, kształt, dostęp narzędzia i funkcję złącza. Dopiero na tej podstawie można zastosować zgrzewanie oporowe, doczołowe, punktowe albo metodę przeznaczoną do tworzyw.

Zastosowania zgrzewania oraz zasady bezpiecznej pracy

Zgrzewanie znajduje zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, między innymi przy łączeniu blach karoserii, elementów konstrukcyjnych i wzmocnień. W produkcji konstrukcji metalowych oraz siatek służy do łączenia drutów, prętów, profili i innych elementów o regularnej geometrii. Technologia jest wykorzystywana również w branży meblarskiej, na przykład przy wytwarzaniu metalowych stelaży i komponentów wyposażenia.

W instalacjach energetycznych zgrzewanie egzotermiczne stosuje się przy wykonywaniu uziemień oraz instalacji ochrony odgromowej. Zakres zastosowań obejmuje także wybrane konstrukcje i urządzenia wykorzystywane w energetyce.

Bezpieczeństwo pracy zależy od rodzaju procesu, użytych materiałów i organizacji stanowiska. Przy zgrzewaniu elektrycznym i gazowym trzeba przestrzegać procedur właściwych dla danego procesu. Podstawowe zasady obejmują:

ochronę oczu i twarzy — stosowanie odpowiednich okularów ochronnych oraz, gdy wymaga tego proces, osłony twarzy ograniczającej narażenie na promieniowanie i odpryski;
kontrolę otoczenia — materiały łatwopalne powinny znajdować się w bezpiecznej odległości od miejsca pracy;
przygotowanie stanowiska — przed uruchomieniem urządzeń należy sprawdzić, czy obszar pracy nie stwarza dodatkowego zagrożenia dla operatora ani osób postronnych.