Inżynieria materiałowa połączeń spawanych - ebook

WSTĘP

Konstrukcje inżynierskie: mosty, wysokie budynki, ropo- i gazociągi, centra magazynowe i handlowe, pojazdy do transportu ciężkich ładunków, okręty, platformy wiertnicze i wydobywcze ropy i gazu ziemnego, kotły energetyczne, aparatura i instalacje w zakładach chemicznych i petrochemicznych składają się z wielu elementów i podzespołów wytworzonych z metali (głównie ze stali) i połączonych w procesie spawania. W konstrukcjach tych, podobnie jak w większości innych konstrukcji przenoszących obciążenia mechaniczne i cieplne, podstawowymi parametrami charakteryzującymi ich materiały są właściwości mechaniczne. Zwykle stosowanymi przez projektantów i konstruktorów kryteriami doboru materiałów w procesie projektowania tych konstrukcji nośnych są wciąż ich granica plastyczności lub wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na pękanie.

Relacje pomiędzy składem chemicznym stopów metali a ich procesami wytwarzania, mikrostrukturą i właściwościami fizycznymi, chemicznymi i mechanicznymi są dobrze poznane. Stąd wiele technik wytwarzania elementów metalowych konstrukcji cechuje się możliwością kształtowania mikrostruktury zapewniającej optymalne ich właściwości użytkowe – dużą granicę plastyczności i wystarczającą odporność na pękanie. W procesach wytwarzania połączeń tych elementów w podzespoły i zespoły konstrukcyjne, najczęściej poprzez spawanie, występuje jednak konieczność nagrzewania krawędzi łączonych elementów do temperatury ich topnienia. Dlatego w połączeniach spawanych wyraźnie makroskopowo wyodrębniona jest spoina, która uzyskana jest ze stopionych krawędzi materiału spawanego oraz zwykle spoiwa. Mikrostruktura spoiny jest charakterystyczna dla odlewu po szybkiej jego krystalizacji. W złączu spawanym oprócz spoiny wyodrębnia się także strefę wpływu ciepła oraz materiał elementów spawanych. Stąd w złączach spawanych występuje duża zmiana mikrostruktury oraz niejednorodność składu chemicznego. Powoduje to równie gwałtowne zmiany ich właściwości mechanicznych, także zmniejszenie odporności na korozję, ze względu na wytworzoną w nich zarówno niejednorodność składu chemicznego, jak również mikrostruktury oraz występujące naprężenia własne.

W większości konstrukcji metalowych, zgodnie z „teorią łańcucha”, o jej zdolności do przenoszenia obciążeń zewnętrznych decyduje najsłabsze „ogniwo”. Stąd poznanie zależności pomiędzy składem chemicznym a mikrostrukturą materiału spawanego oraz spoiny, także warunkami procesu spawania i mikrostrukturą złącza jest niezbędne do uzyskania połączenia spawanego zapewniającego optymalne właściwości użytkowe podzespołu konstrukcji lub pełnej konstrukcji.

Przedstawione opracowanie ma na celu w sposób przystępny scharakteryzować rezultaty prowadzonej analizy w zakresie ustalenia wpływu składu chemicznego spawalnych stopów metali, procesów ich wytwarzania i kształtowania na ich mikrostrukturę, a przez to na właściwości użytkowe uzyskanych wyrobów. Rozważania ograniczono, ze względu na zakres opracowania, do podstawowych i najczęściej spawalnych stopów: stali niestopowej i niskostopowej, stali odpornej na korozję oraz stopów aluminium i nadstopów niklu. Scharakteryzowane zagadnienia w treści podręcznika wyodrębniono w pięciu głównych jego częściach.

Rozdziały pierwszy, drugi i trzeci dotyczą wprowadzenia do tematyki procesów łączenia elementów metalowych, również określenia reakcji chemicznych występujących w procesach spawania.

W rozdziale czwartym omówiono zagadnienia kształtowania mikrostruktury metali w głównych procesach ich wytwarzania oraz mechanizmy ich umocnienia – także ich wpływ na właściwości wytrzymałościowe i plastyczne wyrobów. Przedstawiono podstawowe wykresy fazowe stopów metali. Rozpatrzono zarodkowanie i wzrost w procesie krystalizacji ciekłego metalu. Również opisano główne techniki wytwarzania półwyrobów i wyrobów metalowych – procesy odlewnicze oraz procesy odkształceniowe, także przemiany i zmiany fazowe zachodzące w wyrobach kształtowanych na gorąco. Szczególnie uwzględniono wpływ rodzaju materiału i warunków realizacji procesów wytwarzania na mikrostrukturę wyrobów.

W rozdziałach piątym, szóstym i siódmym wyodrębniono główne grupy stali i stopów aluminium stosowanych na konstrukcje spawane: stal niestopową i niskostopową o podwyższonej wytrzymałości i do pracy w podwyższonej temperaturze oraz stal odporną na korozję – ferrytyczną, austenityczną, martenzytyczną i ferrytyczno-martenzytyczną. Omówiono wykresy fazowe Fe-Cr i Fe-Ni oraz Fe-Cr-Ni. Scharakteryzowano kruchość 475 stali oraz spowodowaną fazą σ. W tej części opracowania przedstawiono również mechanizmy korozji stali uczulonej odpornej na korozję z uwzględnieniem mikrostruktury złącza spawanego. Podano przykłady stopów Al stosowanych na konstrukcje spawane. Skomentowano procesy wydzieleniowe prowadzące do umocnienia stopów Al i nadstopów Ni.

W rozdziałach ósmym i dziewiątym scharakteryzowano połączenia spawane oraz rozcieńczanie spoiwa przez materiał spawany. Wyodrębniono makroskopowe i mikroskopowe strefy złącza spawanego. Wskazano na występujące przemiany fazowe ciekły metal – ciało stałe w procesie krystalizacji spoiny. Poddano analizie mikrostrukturę strefy wpływu ciepła. Określono strefę wpływu ciepła połączenia spawanego stali niskostopowej i niestopowej oraz stali o średniej zawartości węgla, także stali odpornej na korozję austenitycznej oraz stopów aluminium i nadstopów niklu.

Rozdziały dziesiąty i jedenasty dotyczą z kolei kształtowania mikrostruktury spoiny i powstawania pęknięć w złączach spawanych. Wyjaśniono podstawy krystalizacji ciekłego metalu spoiny w procesach spawania – rozdział pierwiastków rozpuszczonych na froncie krystalizacji oraz wpływ szybkości dyfuzji pierwiastka rozpuszczonego w ciekłym metalu i w tworzącym się roztworze stałym na niejednorodność składu chemicznego w spoinie. Scharakteryzowano mikrostrukturę spoiny i wskazano na powstającą w spoinie: makro- i mikrosegregację, wzrost ziarn oraz na zależność kształtu ziarn od parametrów procesu spawania. Przedstawiono wpływ przechłodzenia stężeniowego na kształtowanie mikrostruktury spoiny oraz wskazano na rolę parametrów procesu spawania na kształt frontu krystalizacji. Omówiono w tej części opracowania (rozdz. 11) tendencję do powstawania pęknięć w złączach spawanych charakterystycznych dla unikatowych warunków procesu krystalizacji ciekłego metalu spoiny. Wyodrębniono w spoinie pęknięcia gorące – krystalizacyjne i likwacyjne – powstające w końcowym stadium jej krystalizacji oraz pęknięcia cieplne tworzące się już całkowicie w stanie stałym materiału spoiny. Spośród pęknięć cieplnych rozpatrzono: pęknięcia powstające w zakresie zmniejszonej plastyczności, pęknięcia ponownego nagrzewania oraz pęknięcia starzeniowo-odkształceniowe. Szczególną uwagę zwrócono na pęknięcia zimne tworzące się głównie w stali i powodowane przez wodór. Wskazano na szczególny wpływ wodoru w stali oraz rolę usztywnienia złączy w spawanych konstrukcjach w zapobieganiu powstawaniu pęknięć zimnych. Uwzględniono także tworzenie się pęknięć w heterogenicznych połączeniach spawanych.

Autorzy serdecznie dziękują Recenzentom Panom Profesorom: Jarosławowi Mizerze i Jerzemu Nowackiemu za rzeczowe i wnikliwe recenzje, które nadały końcowy układ treści niniejszej książce. Kierujemy również wyrazy wdzięczności dla wszystkich osób z Katedry Inżynierii Powierzchni i Analiz Materiałów Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH, które umożliwiły prowadzenie badań i pomogły w realizacji tej pracy.WYKAZ UŻYWANYCH SKRÓTÓW

A – austenit

C₀ – skład stopu rozpatrywanego

CCC ‒ (ang. copper contamination cracking) pęknięcia spowodowane miedzią

CE – skład eutektyczny

CMT – (ang. cold metal transfer) przenoszenie zimnego metalu)

CSM – rozpuszczalność pierwiastka stopowego w roztworze stałym w temperaturze eutektycznej

CTP – czas-temperatura-przemiana (ang. time temperature transformation)

DCEN – (ang. direct current electrode negative) prąd stały elektroda ujemna

DCEP – (ang. direct current electrode positive) prąd stały elektroda dodatnia

DDC – (ang. ductility-dip cracking) pęknięcia w zakresie zmniejszonej plastyczności

DL – współczynnik dyfuzji pierwiastka rozpuszczonego w ciekłym metalu

DZSWC – drobnoziarnista SWC (ang. fine-grained HAZ)

EBW – (ang. electron beam welding) spawanie wiązką elektronów

ESW – (ang. electroslag welding) spawanie elektrożużlowe

F – ferryt

FCAW – (ang. flux cored arc welding) spawanie łukowe drutem rdzeniowym (proszkowym)

fE – zawartość względna eutektyki

FN – (ang. ferryte number) liczba ferrytu

fS – zawartość względna ciała stałego

G – gradient temperatury ciekłego metalu na froncie krystalizacji

GMAW – (ang. gas metal arc welding) spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazowej

GP – Guiniera-Prestona strefa

GTAW – (ang. gas tungsten arc welding) spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazowej

GZSWC – gruboziarnista SWC (ang. coarse-grained HAZ)

HZ – heksagonalna zwarta (ang. hexagonal close-packed)

k – równowagowy współczynnik rozdziału (podziału)

L – stan ciekły (metal ciekły)

LBW – (ang. laser beam welding) spawanie laserowe

M – martenzyt

Mf – temperatura końca przemiany martenzytycznej

MKSWC – międzykrytyczna SWC (ang. intercritical HAZ)

Ms – temperatura początku przemiany martenzytycznej

OAW – (ang. oxy-acetylene welding) spawanie gazowe

PAW – (ang. plasma arc welding) spawanie plazmowe

PC – przemiana w warunkach chłodzenia ciągłego (ang. continuous-cooling, CC)

PI – przemiana izotermiczna (ang. isothermal transformation, IT)

PWHT – (ang. post weld heat tratment) obróbka cieplna po spawaniu

R – prędkość krystalizacji

RPC – regularna przestrzennie centrowana (ang. body centered cubic, bcc)

RSC – regularna ściennie centrowana (ang. face centered cubic, fcc)

RSWC – rzeczywista strefa wpływu ciepła (ang. true heat-affected zone, T-HAZ)

S – stan stały (metal w stanie stałym)

SAC – (ang. strain-age cracking) pęknięcia starzeniowo-odkształceniowe

SAW – (ang. submerged arc welding) spawanie łukiem krytym

SCS – strefa częściowego stopienia (ang. partially melted zone, PMZ)

SMAW – (ang. shielded metal arc welding) spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną

SN – strefa niezmieszana (ang. unmixed zone, UMZ)

SP – strefa przejściowa (ang. transition zone, TZ)

SWC – strefa wpływu ciepła (ang. heat affected zone, HAZ)

SZ – strefa zmieszania (ang. composite zone, CZ)

TE – temperatura eutektyczna

TL – temperatura likwidus

TPSK – temperatura przejścia w stan kruchy (ang. impact transition temperature, ITT)

TS – temperatura solidus

Tt – temperatura bezwzględna topnienia (w kelwinach)1. WPROWADZENIE

Duże konstrukcje, m.in. mostów, statków, platform wiertniczych i wysokich budynków, składają się z wielu połączonych z sobą elementów metalowych. Również maszyny i urządzenia oraz konstrukcje o małych rozmiarach i złożonych kształtach, szczególnie wówczas, gdy poszczególne ich elementy, podzespoły i zespoły spełniają różne funkcje, składają się zwykle z połączonych z sobą elementów. Coraz częściej łączone z sobą są także elementy konstrukcji, maszyn, urządzeń i instalacji, które ze względu na wymaganą od nich funkcjonalność są wytwarzane nie tylko z materiałów tej samej grupy (rodziny, klasy), na przykład metali, ale również z materiałów różnych grup, na przykład metali i ceramiki lub wytwarzanych z nich kompozytów. Łączone elementy cechuje ponadto różny ich stan obróbki plastycznej i cieplnej.

W technice stosuje się zwykle następujące rodzaje połączeń elementów konstrukcji: mechaniczne – rozłączne, oraz klejone (adhezyjne), zgrzewane, lutowane i spawane – nierozłączne (rys. 1.1).

Połączenia mechaniczne i klejone zwykle nie powodują zmiany mikrostruktury materiałów elementów łączonych. Dlatego są preferowane do łączenia elementów z różnych grup materiałów, na przykład metali z polimerami, lub do łączenia kompozytów o osnowie metalicznej (skłonnej do przemian i zmian fazowych) z kompozytami o osnowie polimerowej (skłonnej do polimeryzacji). Połączenia elementów: zgrzewane, lutowane i spawane są natomiast połączeniami trwałymi. Do wytworzenia połączenia zgrzewanego nie stosuje się materiału dodatkowego – spoiwa. Wykonanie złącza lutowanego wymaga wprowadzenia materiału dodatkowego – spoiwa, określanego lutem. Temperatura topnienia tego rodzaju spoiwa jest niższa w porównaniu z temperaturą topnienia elementów lutowanych. Stąd podczas procesu lutowania ich warstwy wierzchnie – powierzchnie elementów łączonych, nie ulegają stopieniu. Dlatego do temperatury lutowania może być nagrzewany cały wyrób lub tylko jego fragment wokół wytwarzanego złącza.

Temperatura procesów spawania jest wyższa w porównaniu z temperaturą topnienia elementów spajanych. Dlatego podczas spawania nagrzewany jest i ulega stopieniu tylko fragment objętości

Rysunek 1.1.

Podstawowe metody połączenia elementów w wyroby: a) mechaniczne, b) klejone, c) lutowane, d) spawane, e) zgrzewane dyfuzyjne

materiału elementów łączonych przylegający do wytwarzanego złącza. Proces spawania jest prowadzony zwykle ze spoiwem i tylko niekiedy bez spoiwa.

W procesach zgrzewania, lutowania i spawania wytwarzane są silne wiązania chemiczne między atomami materiałów elementów łączonych lub materiałów elementów łączonych i spoiwa. Poszczególne grupy materiałów inżynierskich różnią się rodzajem wiązań chemicznych pomiędzy ich atomami. Wiązania między atomami w metalach mają charakter metaliczny, w ceramikach i szkłach – kowalencyjny i jonowy, przy czym to samo wiązanie jest częściowo jonowe i częściowo kowalencyjne. W polimerach natomiast wiązania mają charakter – kowalencyjny i wtórny (często wodorowy), przy czym jedne wiązania są kowalencyjne, a inne wtórne. Różny charakter wiązań międzyatomowych w poszczególnych grupach materiałów wywiera podstawowy wpływ nie tylko na właściwości chemiczne, fizyczne i mechaniczne materiałów, ale także na zdolność elementów wytworzonych z tych materiałów do trwałego łączenia.

Głównym celem procesów spajania jest wytwarzanie trwałych połączeń o właściwościach wytrzymałościowych takich samych lub zbliżonych do właściwości materiałów spajanych. Połączenie cechujące się takimi właściwościami tworzy się tylko wówczas, gdy pomiędzy atomami powierzchni łączonych elementów powstaną silne wiązania chemiczne. Takie silne wiązania tworzą się łatwo tylko między atomami metali. Ponieważ ich wiązania metaliczne nie są wiązaniami kierunkowymi – elektrony wartościowości atomów metalu tworzą „gaz elektronowy” obejmujący całą jego objętość. Warunkiem koniecznym i wystarczającym do utworzenia wiązania metalicznego, także wytworzenia trwałego połączenia, jest więc tylko konieczność zbliżenia atomów metalu na odległość oddziaływania sił międzyatomowych. Stąd procesy zgrzewania, lutowania i spawania są stosowane przede wszystkim do wytworzenia połączeń elementów metalowych.

Często rozwiązania konstrukcyjne wymagają wprowadzenia połączeń elementów metalowych z elementami ceramicznymi lub szklanymi. Połączenia takie są zwykle wytwarzane w procesie lutowania. Występuje wtedy jednak konieczność, przed ich wytworzeniem, metalizowania powierzchni łączonej elementu niemetalicznego. W procesie metalizowania osadzane są na tych powierzchniach warstwy o właściwościach materiałów metalicznych. Czynnikiem utrudniającym proces spajania metali z ceramiką i szkłem jest również ich wrodzona kruchość, także różne wartości ich współczynnika rozszerzalności cieplnej – zwykle znacznie mniejsze dla ceramiki i szkła niż dla metali.

W zależności od techniki wytwarzania połączeń elementów konstrukcji wyodrębnić można ich charakterystyczne cechy.

Połączenia mechaniczne

Zespolenie elementów następuje bez nagrzewania ich powierzchni styku. Do wytworzenia tego połączenia stosowane są elementy zaciskowe zwykle w postaci nitów lub śrub. Często w procesach łączenia zaciskowego występuje także lokalne odkształcenie plastyczne elementów łączonych. Charakterystycznymi cechami połączeń mechanicznych są m.in.:

• Brak zwykle nagrzewania elementów tworzących połączenie – wyjątkiem jest nitowanie szczelne. Nity bezpośrednio przed ich użyciem są nagrzewane i zmniejszają następnie swoją długość spowodowaną skurczem cieplnym podczas ich stygnięcia, po wykonaniu łba nita. Dociskają więc jednocześnie do siebie powierzchnie łączonych elementów i zapewniają ich szczelne połączenie. Nitowanie stosowano szczególnie szeroko na początku XX wieku m.in. w przemyśle okrętowym do łączenia blach stalowych kadłubów statków. Od kilku dziesiątek lat do łączenia blach okrętowych, także innych elementów konstrukcji stalowych, powszechnie stosowane jest spawanie.

• Wytworzone połączenia mechaniczne często prowadzą do wystąpienia lokalnych naprężeń, a także do ich koncentracji w połączeniu. Dlatego zwykle wymagają zwiększenia grubości łączonych elementów w strefie ich połączenia lub zastosowania innego sposobu jego wzmocnienia. Powodują więc wzrost masy konstrukcji oraz także często konieczność ograniczenia kształtu możliwych połączeń. Kształt tych połączeń ogranicza także konieczność dostępu do takiego połączenia z obu stron łączonych elementów,

• Konieczne jest przygotowania elementów łączonych najczęściej w procesie obróbki skrawaniem, na przykład wywiercenia otworów, wykonania gwintu lub frezowania i ukosowania łączonych powierzchni elementów.

• Dobór sposobu wykonania i kształt połączenia silnie zależy od warunków jego eksploatacji w elementach konstrukcji. Na przykład projektowane połączenie mechaniczne może akomodować różnice w wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej łączonych elementów.

• Przewodność elektryczna i cieplna połączenia jest funkcją efektywnej powierzchni styku w połączeniu – zależy od wielu czynników, także od siły docisku i rodzaju materiałów łączonych. Podczas eksploatacji przewodność elektryczna i cieplna połączenia ulega zwykle zmianie.

Połączenia klejone

Spoiwem w tych połączeniach są polimery, najczęściej z dodatkiem różnych modyfikatorów. Reakcje chemiczne zachodzące w procesie klejenia prowadzą zwykle do tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy klejem a łączonymi elementami. Wiązania wodorowe są znacznie słabsze w porównaniu z wiązaniem metalicznym. Stąd zdolność połączeń klejonych do przenoszenia obciążeń mechanicznych jest zdecydowanie mniejsza. Ponadto połączenia klejone tracą szybko swoje właściwości wytrzymałościowe z podwyższeniem temperatury.

Powierzchnie elementów łączonych pozostają w stanie niezmienionym podczas klejenia, ponieważ proces ten jest realizowany we względnie niskiej temperaturze. Jednocześnie materiał elementów klejonych nie ulega rozpuszczaniu się w kleju. Oddziaływanie kleju z materiałem podłoża sprowadza się więc tylko do utworzenia wiązań wodorowych pomiędzy elementami łączonymi a klejem.

Charakterystycznymi cechami połączeń klejonych są:

• Małe naprężenia wytwarzane w złączu – proces jest prowadzony we względnie niskiej temperaturze. Ponadto stałe sprężystości kleju są także znacznie mniejsze w porównaniu ze stałymi sprężystości elementów łączonych.

• Możliwość stosowania wielu sposobów utwardzania kleju podczas wytwarzania połączeń klejonych, zarówno w temperaturze pokojowej, jak również w temperaturze podwyższonej.

• Kształt i wymiary łączonych elementów nie są czynnikami ograniczającymi połączenia klejone – ograniczenia dotyczą natomiast ich powierzchni łączonych. Do uzyskania silnego połączenia wymagane są duże rozmiary powierzchni przylegania i mała ich odległość – wąska szczelina pomiędzy elementami łączonymi.

• Mała zdolność połączenia do przenoszenia obciążeń powodujących odrywanie jego elementów (zdzierających). Dlatego klejenie jest często stosowane w połączeniu z nitowaniem, na przykład elementy konstrukcji poszycia kadłubów samolotów ze stopów aluminium i tytanu są zwykle łączone przez klejenie i wzmacniane nitowaniem.

• Trwałość i właściwości mechaniczne połączenia klejonego zależą silnie od czystości i stanu przygotowania łączonych powierzchni, także od atmosfery środowiska podczas ich eksploatacji. Kleje są bowiem wrażliwe na środowisko wodne oraz zawierające substancje organiczne.

• Niska temperatura eksploatacji wyrobów klejonych (do 250°C), ponieważ siła wiązań wodorowych zmniejsza się szybko z podwyższeniem temperatury > temperatury pokojowej.

• Mała przewodność prądu elektrycznego i ciepła połączeń klejonych – polimery są bowiem izolatorami elektrycznymi i cieplnymi. Przewodność elektryczną i cieplną połączenia można zwiększyć przez dodanie do kleju cząstek materiałów metalicznych. Powoduje to jednak najczęściej osłabienie połączenia klejonego.

Dynamiczny rozwój chemii polimerów doprowadził do opracowania i wdrożenia do produkcji klejów do specjalistycznego zastosowania, zapewniających określone właściwości wytrzymałościowe połączeń klejonych. Wciąż jednak ze względu na to, że kleje są substancjami organicznymi, połączenia klejone szybko tracą swoje właściwości użytkowe z podwyższeniem temperatury.

Połączenia lutowane

Warunkiem koniecznym uzyskania złącza lutowanego dobrej jakości jest utworzenie wiązań metalicznych pomiędzy atomami lutu (spoiwa) a atomami powierzchni łączonych. Wiązania takie tworzą się tylko wówczas, gdy powierzchnie łączone są metalicznie czyste i są zwilżane przez lut, który także jest metalem.

Metale, z wyjątkiem złota i platynowców, tworzą łatwo tlenki. W atmosferze powietrza na powierzchni metalu wytwarza się więc szybko cienka warstwa tlenków (ceramika). Warstwa tlenków utrudnia lub uniemożliwia zwilżanie powierzchni metalu przez spoiwo. Procesy lutowania prowadzi się najczęściej w atmosferze powietrza. Konieczne jest więc oczyszczenie powierzchni łączonych z tlenków i innych zanieczyszczeń oraz utrzymanie ich w stanie metalicznie czystym podczas procesu lutowania. Stąd do uzyskania dobrej jakości połączenia lutowanego powszechnie stosowane są topniki.

W procesie lutowania spoiwo w stanie ciekłym zwilża metalicznie czyste powierzchnie łączone oraz powoduje rozpuszczanie się w ciekłym lucie atomów z łączonych powierzchni elementów. Powierzchnie łączone ulegają więc erozji, natomiast spoiwo zmienia swój skład. Głębokość erozji podłoża nie przekracza zwykle 100 μm. Oddziaływanie wzajemne między atomami metalu lutowanego i lutu powoduje natomiast powstawanie między nimi wiązań metalicznych – silnego połączenia metalicznego.

Spoiwo podczas procesu lutowania wskutek działania sił kapilarnych wypełnia szczelinę lutowniczą – przestrzeń utworzoną przez powierzchnie elementów łączonych. Siły kapilarne w procesie lutowania powinny zapewnić wciągnięcie ciekłego lutu w szczelinę nawet przeciw sile grawitacji. Powinny także spowodować usunięcie ze szczeliny lutowniczej resztek topnika i produktów reakcji topnika z tlenkami pokrywającymi łączone powierzchnie. Siły kapilarne muszą więc być większe niż siły grawitacji oraz siły oporu stawiane przez resztki topnika i produktów reakcji topnika z tlenkami. Spełnienie tego warunku zapewnia określona szerokość szczeliny w temperaturze lutowania – zwykle w zakresie 0,05‒0,12 mm. Ponadto powierzchnie elementów łączonych tworzących tę szczelinę powinny także zachować równoległość względem siebie – stałą szerokość szczeliny na głębokości połączenia.

Ze względu na temperaturę procesu lutowania wyróżnia się lutowanie miękkie i twarde. Lutowanie jest twardym, gdy temperatura topnienia lutu jest wyższa niż 450°C, natomiast lutowanie jest miękkim, jeżeli jego temperatura topnienia jest niższa niż 450°C. Luty miękkie są najczęściej stopami eutektycznymi, natomiast luty twarde są zwykle stopami pierwiastków o nieograniczonej rozpuszczalności wzajemnej, m.in.: Cu-Ni, Ag-Au, Ag-Pd i Ag-Au-Pd. Efektem oddziaływania lutu twardego w stanie ciekłym z materiałem lutowanym jest zwykle tworzenie się roztworu. Oddziaływanie lutu miękkiego w stanie ciekłym z materiałem lutowanym prowadzi natomiast najczęściej do powstawania na ich granicy fazy międzymetalicznej. Luty miękkie są zwykle stosowane do wytwarzania połączeń elektrycznych ze względu na zapewnienie dobrej przewodności elektrycznej, natomiast luty twarde do łączenia elementów konstrukcyjnych – uzyskanie dobrych właściwości mechanicznych.

Podwyższenie temperatury lutowania powoduje wzrost intensywności procesów aktywowanych cieplnie. Dlatego oddziaływanie lutu miękkiego z materiałem lutowanym podczas wypełniania przez niego szczeliny lutowniczej, ze względu na niską temperaturę tego procesu, prowadzi do erozji jego warstwy wierzchniej o małej grubości – kilku mikrometrów. Luty twarde natomiast cechuje znacznie wyższa zarówno temperatura topnienia, jak również temperatura realizacji procesu. Powodują więc zwykle erozję warstwy wierzchniej materiału lutowanego na znacznie większej jej głębokości – dziesiątków mikrometrów. Większa intensywność oddziaływania ciekłego lutu z materiałem lutowanym prowadzi także do dużej zmiany składu lutu oraz równocześnie do zmiany jego lepkości i zwilżalności powierzchni szczeliny, a w efekcie do dużej zmiany właściwości użytkowych złącza.

Z podwyższeniem temperatury procesu lutowania zwiększa się również reaktywność atmosfery otoczenia. Wzrasta więc szybkość utleniania się metalu w atmosferze powietrza, ale jednocześnie zwiększa się zdolność czyszcząca atmosfery redukcyjnej. Dlatego podwyższenie temperatury procesu lutowania wymagana zwykle wprowadzenia większej masy topnika dla wytworzenia złącza o wymaganych właściwościach użytkowych.

Do cech charakterystycznych połączeń lutowanych należy m.in.:

• Konieczność nagrzewania w procesie lutowania spoiwa (lutu) i powierzchni łączonych do temperatury wyższej od temperatury topnienia lutu.

• Temperatura eksploatacji wyrobów lutowanych jest zwykle niższa niż temperatura topnienia lutu.

• Utworzenie wiązań metalicznych pomiędzy atomami powierzchni łączonych i lutu jest możliwe tylko wówczas, gdy powierzchnie łączone podczas wypełniania szczeliny lutowniczej przez lut są metalicznie czyste i są przez niego zwilżane. Uzyskanie dużej czystości powierzchni łączenia oraz ich utrzymanie w takim stanie do wypełnienia szczeliny lutowniczej przez lut zapewnia zwykle topnik. Stosowanie topnika w procesie lutowania jest jednak uciążliwe. Także jego pozostałości po lutowaniu są zwykle silnie korozyjne – również ich usuwanie jest niekiedy trudne.

• Kształt połączenia lutowanego i wyrobów zależy zarówno od materiału wyrobu i spoiwa, jak również od spełnienia wymagań użytkowych, m.in.: szczelności, zdolności do przenoszenia obciążeń cieplnych i mechanicznych oraz uzyskania wymaganej tolerancji wymiarowej. Połączenia lutowane można stosować do wyrobów o złożonych kształtach, a także do połączenia elementów o dużej grubości z elementami cienkimi.

• Możliwość wytwarzania połączeń w wyrobach o złożonych kształtach z małą zmianą ich kształtu i wymiarów, także połączeń o dużej wytrzymałości zmęczeniowej i dobrej odporności na szok cieplny i zmęczenie cieplne.

• Dobre właściwości wytrzymałościowe złącza zapewnia przede wszystkim prawidłowy dobór szerokości szczeliny lutowniczej oraz jej dokładne wypełnienie przez spoiwo, także uniemożliwienie tworzenia się kruchej fazy międzymetalicznej na granicy lutu z elementami łączonymi.

• Możliwość uzyskania właściwości fizycznych i chemicznych złącza takich samych lub zbliżonych do właściwości materiału elementów łączonych, a niekiedy nawet większych. Stabilność cieplna połączeń lutowanych, także ich temperatura eksploatacji jest jednak zwykle niższa niż elementów łączonych.

Procesy lutowania można stosować do szerokiego zakresu materiałów, m.in.: metali, szkła, ceramiki, polimerów i kompozytów. Dla wielu materiałów jednak, a szczególnie polimerowych i ceramicznych, konieczne jest metalizowanie łączonych powierzchni przed lutowaniem.

Procesy lutowania, szczególnie piecowe, są w pełni regulowane i podlegają ciągłej kontroli. Umożliwiają jednocześnie wytwarzanie w tym samym czasie setek, a nawet tysięcy połączeń, na przykład połączeń elektrycznych w obwodach scalonych lub połączeń szczelnych w produkcji chłodnic samochodowych i innych wymienników ciepła, także w produkcji masowej wyrobów o małych rozmiarach.

Połączenia zgrzewane

Cechują się najczęściej brakiem topienia się elementów w strefie ich łączenia lub gdy topienie się tych elementów występuje, jest jednak silnie zlokalizowane i dotyczy niewielkiej objętości materiału. Stąd zmiany mikrostruktury materiałów elementów łączonych w procesie zgrzewania są zwykle małe i silnie ograniczone objętościowo. Procesy zgrzewania wyróżniają się natomiast dużą różnorodnością sposobów wytwarzania połączenia i występowaniem wielu zjawisk podczas ich realizacji.

Wyodrębnia się dwie główne grupy tych procesów: zgrzewanie oporowe (rezystancyjne) i zgrzewanie w stanie stałym. W procesach zgrzewania oporowego wyróżnia się zgrzewanie: punktowe, garbowe, liniowe (na zakładkę i doczołowe) oraz doczołowe iskrowe i zwarciowe. W grupie procesów zgrzewania w stanie stałym natomiast wyróżnia się zgrzewanie: tarciowe, tarciowe z mieszaniem metalu, wybuchowe, ultradźwiękowe, magnetyczne, dyfuzyjne i odkształceniowe.

Połączenie – spojenie łączonych elementów w procesach zgrzewania następuje bez udziału spoiwa i topnika. Dlatego w celu uzyskania dobrej jakości złącza zgrzewanego powierzchnie spajane należy, przed procesem lub podczas procesu, oczyścić z zanieczyszczeń i warstwy tlenków. Utrudniają one bowiem uzyskanie dobrego kontaktu pomiędzy łączonymi elementami. Tylko ich czyste powierzchnie umożliwiają utworzenie się silnych wiązań metalicznych między atomami metali z powierzchni łączonych. Sposób usuwania zanieczyszczeń i warstwy tlenków z tych powierzchni zależy od stosowanego procesu zgrzewania. Również wymagania odnośnie do czystości i stanu przygotowania powierzchni łączonych zależą od rodzaju procesu zgrzewania.

Zgrzewanie oporowe obejmuje grupę procesów zgrzewania, w których opór elektryczny stawiany przepływającemu prądowi przez elementy zgrzewane, a szczególnie przez ich powierzchnie styku w obszarze kształtowanego połączenia, prowadzi do wytworzenia się ciepła Joule’a.

Zwykle zgrzewaniem oporowym łączone są dwie blachy na zakładkę. Prąd elektryczny do wytwarzanego złącza doprowadzany jest wówczas przez dwie elektrody, jednocześnie dociskające spajane blachy do siebie. Docisk wywierany przez elektrody zapewnia uzyskanie określonego oporu elektrycznego na granicy styku zgrzewanych elementów. Umożliwia także utrzymanie ciekłego metalu w wytwarzanej zgrzeinie i uzyskanie wymaganego jej kształtu i rozmiarów, jak również dobrych właściwości użytkowych złącza. Aby zapewnić stały opór elektryczny na całej powierzchni tworzącego się złącza, niezbędny do uzyskania prawidłowego spojenia elementów, łączone powierzchnie powinny być wolne od zanieczyszczeń i warstwy tlenku.

W procesie zgrzewania oporowego występuje zwykle stopienie się tylko pewnej małej objętości metalu na granicy styku łączonych elementów. Topienie się materiału nie jest jednak zawsze konieczne. Prawidłowe połączenie zgrzewane można uzyskać już tylko przez nagrzanie materiału do wysokiej temperatury i jego zmiękczenie oraz wywieranie dużego docisku przez elektrody. Podkreślić należy, że złącza zgrzewane uzyskane bez stopienia się określonej objętości metalu cechują się mniejszą wytrzymałością w porównaniu z połączeniami wykonanymi ze stopieniem się metalu.

W złączu zgrzewanym, w którym podczas jego wytwarzania stopieniu uległa pewna objętość metalu, wyróżnia się: jądro zgrzeiny o mikrostrukturze odlewu po jego szybkiej krystalizacji oraz wąską strefę wpływu ciepła ze względu na szczególnie krótki czas tego procesu.

Zgrzewanie w stanie stałym to proces, w którym do utworzenia złącza zgrzewanego wystarczy tylko odpowiednio duży docisk elementów spajanych do siebie. Inne czynniki m.in.: energia cieplna, drgania ultradźwiękowe lub przemieszczanie się elementów łączonych względem siebie tylko przyspieszają proces zgrzewania. Dlatego proste zgrzewanie odkształceniowe sprowadza się do dociśnięcia elementów, aby spowodować odkształcenie plastyczne ich materiału w obszarze połączenia. Odkształcenie metalu spowodowane siłą docisku prowadzi do rozrywania i kruszenia się warstwy tlenków na powierzchniach łączonych oraz wciskania się metalu w szczeliny utworzone w popękanej warstwie tlenku. Spełnione są więc warunki tworzenia się wiązań metalicznych pomiędzy atomami metalu ze stykających się i dociskanych przeciwpowierzchni. Ten proces zgrzewania charakteryzuje się występowaniem dużych naprężeń normalnych na granicy styku spajanych elementów oraz krótkim czasem procesu. Łączone elementy przed zgrzewaniem mogą być zimne lub gorące – nagrzane do określonej temperatury.

W procesie zgrzewania odkształceniowego elementy spajane są zwykle dociskane do siebie za pomocą walców lub wybuchowo. Zgrzewanie odkształceniowe jest szczególnie efektywne w wytwarzaniu połączeń materiałów o różnych właściwościach. Szczególnie silne połączenie zgrzewane uzyskuje się wówczas, gdy warstwa tlenku na powierzchni materiału miękkiego jest twarda i krucha, natomiast na materiale o dużej twardości ta warstwa ma twardość mniejszą. Mniejsza twardość warstwy tlenku, na podłożu materiału twardszego, sprzyja jej kruszeniu się podczas zgrzewania. Duże odkształcanie się materiału miękkiego w procesie zgrzewania prowadzi natomiast do szybkiego pękania warstwy tlenku na jego powierzchni oraz powoduje odsłanianie się czystego metalu. Wówczas zbliżenie się atomów metalu z przeciwpowierzchni zgrzewanych elementów na odległość oddziaływania sił chemicznych powoduje utworzenie silnych wiązań metalicznych. Na przykład warstwa tlenku na powierzchni aluminium cechującego się małą twardością spełnia warunek czynnika twardości względem warstwy tlenków na podłożu większości innych metali o wyraźnie większej twardości w porównaniu z aluminium. Dlatego proces zgrzewania Al z innymi metalami występuje przy mniejszym ich odkształceniu plastycznym w porównaniu z odkształceniem koniecznym do zgrzewania wyłącznie elementów aluminiowych.

W procesie zgrzewania tarciowego elementy zgrzewane są dociskane do siebie i jednocześnie są przemieszczane względem siebie. Stąd występująca siła tarcia oraz odkształcanie się warstwy wierzchniej w obszarze styku elementów zgrzewanych powodują: pękanie, rozrywanie i kruszenie się warstwy tlenków na tych przylegających powierzchniach. Spełnione są więc warunki umożliwiające zbliżenie się atomów metalu ze zgrzewanych przeciwpowierzchni na odległość oddziaływania wiązań metalicznych.

Przemieszczanie się elementów zgrzewanych względem siebie podczas procesu zgrzewania tarciowego realizowane jest najczęściej poprzez ich ruch obrotowy lub posuwisto-zwrotny.

Proces zgrzewania dyfuzyjnego wymagana szczególnie małej chropowatości i dużej czystości powierzchni spajanych, a zwłaszcza ich dokładnego przylegania umożliwiającego bezpośrednie stykanie się metalicznych powierzchni łączonych elementów. Zgrzewane elementy są wygrzewane w wysokiej temperaturze przez czas niezbędny do dyfuzyjnego usunięcia pustek z granicy ich styku. Zwykle temperatura podczas procesu zgrzewania dyfuzyjnego wynosi ok. 0,7Tt, natomiast czas wygrzewania w tej temperaturze wynosi wiele godzin. Dlatego proces zgrzewania dyfuzyjnego jest realizowany w próżni lub atmosferze regulowanej. Powierzchnie zgrzewane powinny być także wystarczająco czyste, gdyż zanieczyszczenia i tlenki utrudniają dyfuzyjne przemieszczania się atomów łączonych metali.

Proces zgrzewania dyfuzyjnego różni się zdecydowanie od pozostałych procesów zgrzewania. Przede wszystkim ze względu na jego wysoką temperaturę i długi jego czas. Wyróżnia ten proces także konieczność nagrzewania całych elementów łączonych. Stąd zachodzące zmiany mikrostruktury materiałów zgrzewanych są wyjątkowo duże. Dlatego obróbka cieplna wyrobów po zgrzewaniu dyfuzyjnym nie jest wymagana wyłącznie wtedy, gdy są one wykonane z czystych technicznie metali i stopów umocnionych roztworowo.

Cechy charakterystyczne procesów zgrzewania:

• Połączenie zgrzewane uzyskuje się bez spoiwa.

• Temperatura nagrzewania warstwy wierzchniej zgrzewanych elementów w strefie spajania – zgrzeiny jest zwykle niższa w porównaniu z ich temperaturą topnienia.

• Czas procesu zgrzewania oporowego oraz odkształceniowego, a szczególnie wybuchowego i tarciowego jest krótki (< 1 s), natomiast czas zgrzewania dyfuzyjnego jest znacznie większy (zwykle od kilku do kilkunastu godzin).

• Dopuszczalna temperatura pracy wyrobów zgrzewanych może być nawet wyższa w porównaniu z temperaturą zgrzewania ich elementów.

• Możliwość wytwarzania połączeń elementów wykonanych tylko z materiału o określonych właściwościach mechanicznych lub dyfuzyjnych.

• Połączenie zgrzewane cechuje najmniejsza wymagana tolerancja niedokładności dopasowania względem siebie powierzchni łączonych ze wszystkich procesów spajania (nie dotyczy to złączy dyfuzyjnych).

• Wymagana jest szczególnie wysoka czystość powierzchni łączonych, ponieważ zgrzewanie jest procesem beztopnikowym.

• Właściwości złącza zgrzewanego mogą tylko nieznacznie różnić się od właściwości materiałów elementów zgrzewanych.

Połączenia spawane

W procesach spawania wytwarzane są połączenia elementów przez stopienie materiału ich krawędzi i zwykle spoiwa w objętości kształtowanej spoiny. Nagrzewanie krawędzi spajanych elementów i spoiwa jest prowadzone za pomocą skoncentrowanego i ukierunkowanego źródła ciepła. Zwykle jest nim: łuk elektryczny, wiązka lasera, wiązka elektronów lub płomień spalanego gazu. Spoiwo w procesie spawania jest stosowane wówczas, gdy elementy łączone mają dużą grubość lub gdy w strefie ich łączenia brak dokładnego styku ich powierzchni.

W celu zapewnienia całkowitego stopienia spoiwa w procesie spawania jego temperatura topnienia jest zwykle nieco niższa w porównaniu z temperaturą topnienia materiału łączonych elementów.

Szczelina między powierzchniami łączonymi, w procesie spawania ze spoiwem, cechuje się znacznie większą szerokością w porównaniu ze szczeliną w połączeniach lutowanych. Także zmiana składu spoiwa, spowodowana jego rozcieńczeniem przez materiał spawany, jest znacznie większa w połączeniach spawanych.

Charakterystyczne cechy procesu spawania:

• Nagrzewanie się materiału zarówno elementów spajanych w objętości wytwarzanej spoiny, jak również spoiwa przebiega z dużą szybkością. Równie duża jest szybkość ich chłodzenia po spawaniu.

• Brak możliwości wytworzenia połączenia spawanego elementów wykonanych z metali cechujących się dużą różnicą ich temperatury topnienia.

• Połączenie spawane można wykonać tylko przy dostępie skoncentrowanego źródła ciepła do kształtowanej spoiny.

• Właściwości mechaniczne połączeń spawanych są zwykle mniejsze niż materiału spawanego – dotyczy to szczególnie ich wytrzymałości zmęczeniowej. Przyczyną jest m.in. wytworzona mikrostruktura złącza w procesie spawania. Mikrostruktura spoiny jest kształtowana w procesie krystalizacji w warunkach dużej szybkości chłodzenia. Jest więc typowa dla odlewu po szybkiej krystalizacji o znacznej niejednorodności składu chemicznego. Materiały spawane są natomiast najczęściej w stanie obrobionym plastycznie i cechują się mikrostrukturą drobnoziarnistą i jednorodnym składem. Duża zmienność mikrostruktury złącza spawanego jest także spowodowana występowaniem znacznego gradientu temperatury nagrzewania się materiału podczas procesu spawania. Na jego właściwości wpływa także duża chropowatość powierzchni spoiny oraz obecność koncentratorów naprężeń.

• Charakterystyczny cykl nagrzewania i chłodzenia, wyróżniający procesy spawania, prowadzi zwykle do zmiany mikrostruktury materiałów elementów spawanych wokół spoiny w większej makroobjętości. Oddziałuje ona zwykle silnie na właściwości złącza spawanego i jest określana strefą wpływu ciepła (SWC).

• Warunki cieplne podczas procesu spawania prowadzą zwykle do zmiany kształtu wyrobów spawanych. Przyczyną jest przede wszystkim duży gradient temperatury cechujący procesy spawania z zastosowaniem skoncentrowanego źródła ciepła.