W naszym Serwisie używamy plików cookies. Korzystając dalej z Serwisu, wyrażasz zgodę na stosowanie plików cookies zgodnie z Polityką prywatności. Wyrażenie zgody jest dobrowolne, w każdej chwili można ją cofnąć poprzez zmianę ustawień dotyczących plików „cookies” w używanej przeglądarce internetowej. Kliknij „Akceptuję”, aby ta informacja nie wyświetlała się więcej.

Stal posiada wiele właściwości sprawiających, że jest idealnym materiałem do produkcji elementów maszyn i urządzeń, a także rozmaitych konstrukcji przenoszących duże obciążenia. Jest wytrzymała na ściskanie i rozciąganie, ma odpowiednią twardość, a jednocześnie sporą sprężystość, charakteryzuje się też wysoką odpornością termiczną. Wielką zaletą stali jest również łatwość, z jaką można poddawać ją różnym rodzajom obróbki cieplnej, plastycznej lub ubytkowej. Możliwość uzyskiwania różnych stopów przez dodawanie do węgla i stali innych pierwiastków pozwala na znaczne polepszenie parametrów niezbędnych w konkretnym zastosowaniu. Choć niektóre wyroby mogą mieć strukturę monolityczną, np. jednego odlewu, to w większości przypadków poszczególne części wykonane ze stali muszą być ze sobą łączone, czy to w ramach różnych podzespołów jednego urządzenia, czy poszczególnych elementów większej konstrukcji. Wynika to zwykle zarówno z wymogów ekonomicznych – produkcja mniejszych i bardziej znormalizowanych elementów jest tańsza – jak i praktycznych – mniejsze części oznaczają niższe koszty transportu, ale też większą elastyczność i wszechstronność. Stosowane najczęściej sposoby łączenia stali obejmują kilka najpopularniejszych metod takich jak m.in. spawanie stali, stosowanie elementów złącznych, łączenie mechaniczne i chemiczne. Przyjrzyjmy się im bliżej i zobaczmy, jaka jest ich charakterystyka.

Spawanie stali oraz inne metody spajania

Spawanie stali jest jedną z metod pozwalających na spojenie materiału i utworzenie jednolitej struktury. Dzięki upłynnianiu zewnętrznej warstwy metalu daje możliwość trwałego połączenia struktur dwóch elementów na poziomie atomowym. Stal ma budowę krystaliczną, co oznacza, że jest zbudowana z usieciowanych atomów, które są rozłożone bardzo regularnie. Za sprawą oddziaływania termicznego może zajść zjawisko dyfuzji, a między atomami dwóch oddzielnych do tej pory fragmentów mogą się wytworzyć wiązania takie, jak w pozostałej części niepoddanej obróbce cieplnej.

Istnieje wiele metod spajania termicznego przy pomocy spawania. Do upłynniania materiału używa się wysokiej temperatury powstającej podczas spalania gazu lub wytwarzania łuku elektrycznego. Efekt termiczny może też być uzyskiwany w skutek wytworzenia plazmy, oddziaływania strumienia elektronów albo fotonów. W zastosowaniach przemysłowych używa się wszystkich tych metod spawania, choć niektóre z nich mają szersze zastosowania w obrębie procesów technologicznych o określonym charakterze. Spawanie laserowe jest np. zwykle wykorzystywane na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych, a przy spawaniu elementów bardziej nietypowych najczęściej używa się spawania łukiem elektrycznym np. najpopularniejszą i bardzo wszechstronną metodą MIG/MAG.

Spawanie polega na podgrzaniu powierzchni dwóch łączonych ze sobą krawędzi i ich upłynnienia, a następnie połączenia, które po ochłodzeniu staje się spoiną. Dla ułatwienia powstawania spoiny oraz dostarczenia materiału, który pomoże w wypełnieniu przestrzeni między łączonymi elementami używa się topionego w procesie spawania metalu dostarczanego w postaci pręta, drutu lub topliwej elektrody – w zależności od metody spawania.

Wielką zaletą spawania są zarówno znakomite parametry uzyskanego połączenia i jego wysoka wytrzymałość, jak i wielość złącz, jakie mogą być wykonane. Za pomocą spawania materiał może być zespajany m.in. doczołowo, narożnie, przylgowo czy krzyżowo, można także wykonywać spoiny otworowe. Co ważne, w większości metod spawania rozgrzewany materiał jest chroniony przed zanieczyszczeniami, za sprawą stosowania specjalnej osłony np. z proszku w spawaniu łukiem krytym czy też dostarczanego w spajane miejsce gazu osłonowego, np. argonu czy dwutlenku węgla w metodzie MAG.

Zgrzewanie, lutowanie i klejenie stali

Poza spawaniem do łączenia metali są wykorzystywane również inne metody spajania. Stosunkowo popularne i często używane w procesach technologicznych związanych z produkcją wyrobów z metalu jest zgrzewanie. W takim przypadku materiał jest poddawany połączonemu oddziaływaniu termicznemu i mechanicznemu. Przy zgrzewaniu dwa elementy stalowe są do siebie dociskane elektrodami. Wytworzeniu wysokiej temperatury towarzyszy silny nacisk, który ułatwia dyfuzję atomów i łączenie ze sobą dwóch struktur. W przypadku zgrzewania do spoiny nie jest wprowadzany dodatkowy materiał tak jak przy spawaniu. Zgrzewanie ma kilka odmian ze względu na sposoby wykorzystywane przy dostarczaniu niezbędnej energii. Bardzo popularne jest zgrzewanie oporowe – punktowe, liniowe lub garbowe. Stosunkowo często korzysta się ze zgrzewania doczołowego i dyfuzyjnego, wykorzystywane są metody ultradźwiękowe, wybuchowe lub tarciowe.

Sposobem na trwałe połączenie metalu jest także lutowanie. W takim przypadku nie następuje upłynnienie łączonego materiału, a złącze wytwarza się za sprawą adhezji i dyfuzji między lutem a metalem. Rozgrzany lut rozpływa się po powierzchni, a jego warstwa wytwarza silne napięcie powierzchniowe oraz częściowo również wnika w szczeliny i nierówności powierzchni.

Bardzo podobne do lutowania jest działanie klejów. W takim przypadku również decydujące znaczenie ma powstająca siła adhezji oraz wnikanie użytej substancji w mikroszczeliny metalu. Siła połączenia wykonanego za pomocą kleju zależy od napięcia powierzchniowego powstającego między warstwą materiału a naniesioną powłoką, a także siłami kohezji, czyli wzajemnego przyciągania między cząsteczkami substancji tworzących klej.

Łączenie metalu za pomocą elementów złącznych

Najstarszą metodą łączenia stali jest stosowanie różnego rodzaju elementów złącznych. Za ich pomocą tworzy się połączenia mechaniczne, a ich trwałość zależy od wytrzymałości zastosowanego elementu. Tradycyjnym sposobem łączenia ze sobą stali było nitowanie, które do dziś nierozerwalnie kojarzy się z rozmaitymi konstrukcjami stalowymi powstającymi od połowy XIX wieku – nie tylko słynną wieżą Eiffla, ale również z niezliczonymi mostami i wiaduktami, czy szkieletami pierwszych drapaczy chmur.

Łączenie metalu za pomocą nitowania wymaga przygotowania dwóch otworów, w których umieszcza się nit. Może on mieć postać jednolitego elementu albo składać się z dwóch części, które są łączone na wcisk. W przypadku nitów jednoczęściowych przełożony przez dwie warstwy materiału trzon jest zakuwany, czyli odkształcany plastycznie w taki sposób, że całość zostaje unieruchomiona, chroniąc nit przed wypadnięciem. Możliwe jest jednak również nitowanie bezpośrednie, w którym nie używa się nitu, a odkształceniu ulega fragment jednego z łączonych materiałów przechodzący przez otwór wykonany w powierzchni drugiego. Podstawowym ograniczeniem nitowania jest to, że można z niego korzystać tylko przy stosunkowo dużych i płaskich powierzchniach. Warto jednak pamiętać, że nitowanie nie odeszło do lamusa i wciąż jest stosowane, m.in. w przemyśle stoczniowym, lotniczym oraz kosmicznym.

Najszerszą kategorią możliwych sposobów łączenia metalu jest używanie elementów złącznych, za pomocą których można wykonywać połączenia rozłączne, czyli takie, które w razie potrzeby można łatwo zdemontować. Najbardziej uniwersalne są połączenia gwintowane. Stosuje się je zarówno do łączenia podzespołów różnych maszyn i urządzeń, jak i wznoszenia wszelkiego rodzaju konstrukcji, od wsporników i szkieletów dla różnych struktur, np. zbiorników, kominów czy rurociągów, aż po schodnie czy pomosty. Niezwykle często połączenia gwintowe są używane do mocowania konstrukcji stalowych do podłoża.

Połączenie gwintowe utrzymuje elementy dzięki pojawiającemu się w gwincie momentowi tarcia, czyli oddziaływaniu między powierzchniami zwojów śruby i nakrętki albo samym materiałem, w który wkręcono dany element. Połączenia tego rodzaju najczęściej są wykonywane za pomocą śrub z nakrętkami lub wkrętów. Pierwsze rozwiązanie jest wykorzystywane tam, gdzie połączenie najprawdopodobniej będzie często demontowane oraz w przypadkach, gdy musi przenosić większe obciążenia. Śruby i nakrętki są dostępne z różnymi gwintami i w rozmaitych rozmiarach, w przypadku standardowych gwintów metrycznych będzie to od M 0,25 (czyli średnicy ¼ mm) aż po M 210, czyli 21 cm.

Inne metody łączenia metalu, np. za pomocą kołków, sworzni czy wypustów albo klinów są używane głównie w konstrukcjach różnych maszyn i urządzeń. Popularnym rodzajem połączenie jest także połączenie pasowane, gdzie dwa elementy mają ten sam wymiar – jeden wewnętrzny, a drugi zewnętrzny. W ten sposób montowane są w gniazdach i na wałkach wszelkiego rodzaju łożyska.