ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5.1 ΤΟΠΙΚΑ ΘΕΡΜΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5.1 ΤΟΠΙΚΑ ΘΕΡΜΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ Υπό το γενικό αυτό τίτλο περιλαμβάνονται κατεργασίες μετάλλων κατά τις οποίες ο κύριος όγκος του υλικού βρίσκεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τοπικά δε από χημικά ή φυσικά αίτια αναπτύσσονται υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως ανώτερες του σημείου τήξεως του μετάλλου. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν κυρίως η κοπή μετάλλου με φλόγα ακετυλενίου ή υδρογόνου, η συγκόλληση με ακετυλένιο ή υδρογόνο, οι διάφοροι τύποι ηλεκτροσυγκολλήσεων, η συγκόλληση και η κοπή με πλάσμα, ακτίνα ηλεκτρονίων ή ακτίνες laser και η μέθοδος κοπής με ηλεκτρικό σπινθήρα. Πολλές από αυτές τις μεθόδους είναι αρκετά παλιές, ενώ άλλες αποτελούν την τελευταία λέξη της τεχνολογίας των κατασκευών. Γενικά οι εφαρμογές των τοπικά θερμών κατεργασιών εκτείνονται από την κατασκευή πλοίων και οχημάτων έως την παραγωγή μικροκυκλωμάτων υπολογιστών και διαστημικών σταθμών. Κάθε μια από τις μεθόδους αυτές και ιδίως οι συγκολλήσεις έχουν αποκτήσει ιδιαίτερη σημασία στη σύγχρονη τεχνολογία και αποτελούν σημαντικότατους τομείς της. Στη συνέχεια θα εξεταστούν περιληπτικά τα κυριότερα χαρακτηριστικά των μεθόδων αυτών και οι κυριότερες εφαρμογές τους. Συνηθισμένο πρόβλημα των τοπικά θερμών κατεργασιών είναι οι τοπικά υψηλές θερμικές τάσεις που δημιουργούνται κατά την απόψυξη των προϊόντων στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι τάσεις αυτές σε πολλές περιπτώσεις, εάν δεν ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα για την αντιμετώπιση τους, είναι δυνατόν να οδηγήσουν και σε θραύση του αντικειμένου. Δευτερεύοντα προβλήματα των μεθόδων αυτών κατεργασίας είναι η τοπική αλλοίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του αντικειμένου, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών, καθώς και η επιφανειακή μεταβολή της χημικής σύστασης του μετάλλου λόγω των χημικών αντιδράσεων με το οξυγόνο και το άζωτο της ατμόσφαιρας. Τα προβλήματα αυτά είναι δυνατόν να αντιμετωπισθούν με θερμική κατεργασία και χημική προστασία αντίστοιχα.

2 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Κοπή οξυγόνου Η κοπή με φλόγα οξυγόνου συνίσταται στην υπό υψηλή θερμοκρασία (3500 ο C) θέρμανση και οξείδωση του μετάλλου από ρεύμα οξυγόνου. Για την ανάπτυξη των υψηλών αυτών θερμοκρασιών χρησιμοποιείται σαν καύσιμο αέριο το υδρογόνο, το ακετυλένιο, το φωταέριο, τα αέρια κλάσματα του πετρελαίου ή το φυσικό αέριο. Τα αέρια αυτά όπως και το οξυγόνο παράγονται βιομηχανικά και διοχετεύονται στην κατανάλωση υπό πίεση μέσα σε φιάλες (βλέπε σχήμα 72). Για την κοπή μετάλλων, το οξυγόνο και το καύσιμο αέριο αναμειγνύονται και διοχετεύονται σε ένα κατάλληλο ακροφύσιο όπου και αναφλέγονται. Το ρεύμα του φλεγόμενου αερίου κατευθύνεται στο σημείο του μετάλλου πού θέλουμε να αρχίσει η κοπή, το οποίο και θερμαίνουμε. Η θέρμανση του μετάλλου μέχρι μια κατάλληλη θερμοκρασία, πού για το σίδηρο είναι οι 800 ο C περίπου, προκαλεί αύξηση του ρυθμού οξείδωσης μέχρι του σημείου, η παραγόμενη θερμότητα από την καύση του μετάλλου, να είναι αρκετή για να διατηρήσει την φλόγα. Σχήμα 72 Από το σημείο αυτό, για τη συνέχιση της κοπής χρειάζεται μόνο η παροχή οξυγόνου. Κατά την κοπή, το μέταλλο που έρχεται σε επαφή με τη δέσμη οξυγόνου καίγεται και η θερμότητα της καύσης χρησιμοποιείται για την προθέρμανση και τήξη των γειτονικών στρωμάτων του μετάλλου. Το καιγόμενο μέταλλο παρασύρεται από τη δέσμη του οξυγόνου. Με τον τρόπο αυτό, το οξυγόνο πού απαιτείται για την κοπή 1kg Fe δεν είναι το θεωρητικά απαιτούμενο ποσό των 10ft 3, αλλά κατά 10-20% μικρότερο. Το οξυγόνο πού χρησιμοποιείται για την κοπή πρέπει να είναι μεγάλης καθαρότητας (99,5%) γιατί οι διάφορες προσμίξεις μειώνουν την απόδοση αισθητά. Έτσι οξυγόνο καθαρότητας 85% δεν κόβει το χάλυβα. Για εργασίες με μικρή ακρίβεια η φλόγα του οξυγόνου καθοδηγείται από το χέρι του τεχνίτη. Στις περιπτώσεις που χρειάζεται μεγάλη ακρίβεια ή ταυτόχρονη παραγωγή πολλών κομματιών, είναι δυνατή η χρησιμοποίηση μηχανών με μηχανική προώθηση της φλόγας. Σήμερα υπάρχουν μηχανές, οι οποίες είναι σε θέση να χειρίζονται συγχρόνως 12 φλόγες και να κατεργάζονται φύλλα λαμαρίνας πλάτους 3.5m και απεριόριστου μήκους. Το μέγιστο πάχος μετάλλου που είναι κατεργάσιμο με φλόγα οξυγόνου είναι της τάξης του 1m! Στην περίπτωση, αυτή

3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 69 βέβαια η ακρίβεια κατεργασίας και η ποιότητα επιφάνειας είναι χαμηλές. Γενικά, η ποιότητα κοπής είναι ιδιαίτερα ικανοποιητική για πάχη μέχρι 20mm. Η ταχύτητα κοπής του μετάλλου εξαρτάται κυρίως από το πάχος του, το υλικό, τη διάμετρο του ακροφυσίου, το καύσιμο αέριο και το είδος πρόωσης μηχανική ή όχι τής φλόγας. Τυπικές τιμές δίνονται στον πίνακα 7 για σίδερο και φλόγα ακετυλενίου. Η ποιότητα και η ταχύτητα κοπής είναι δυνατό να βελτιωθούν, εάν πριν την κοπή το μέταλλο προθερμανθεί, αυτό είναι ιδιαίτερα επιθυμητό για την κοπή χαλύβων. Η προθέρμανση είναι απαραίτητη επίσης για την κοπή κομματιών μεγάλου πάχους, της τάξης των 500mm και άνω. Οι συνηθισμένες θερμοκρασίες προθέρμανσης του χάλυβα κυμαίνονται από o C ανάλογα με τη σύσταση του κράματος. Η περιοχή της τομής με φλόγα οξυγόνου υφίσταται τοπική σκλήρυνση και λόγω της τοπικής θέρμανσης αναπτύσσονται κατά την ψύξη θερμικές εσωτερικές τάσεις. Για την απαλοιφή των τάσεων αυτών και την εξάλειψη της σκληρότητας συνήθως την κοπή χάλυβα με οξυγόνο ακολουθεί ανόπτηση του κομματιού. Πίνακας 7. Χαρακτηριστικά κοπής μετάλλου με φλόγα οξυγόνου Πρόωση τεχνίτου. Πάχος μετάλλου (mm) Ταχύτητα mm/min Διάμετρος ακροφυσίου(mm) Πρόωση μηχανική Πάχος μετάλλου (mm) Ταχύτητα mm/min Διάμετρος ακροφυσίου(mm) Για τη βελτίωση της ταχύτητας κοπής για πάχη μέχρι 150mm είναι δυνατή η χρησιμοποίηση, ειδικών ακροφυσίων υψηλής ταχύτητας οξυγόνου με τα οποία επιτυγχάνεται και μείωση της κατανάλωσης οξυγόνου. Οι αντίστοιχες τιμές είναι: Πάχος μετάλλου (mm) Ταχύτητα mm/min Διάμετρος ακροφυσίου(mm)

4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 70 Η κοπή με οξυγόνο μπορεί να μειονεκτεί από άποψη ποιότητας επιφάνειας και ακρίβειας διαστάσεων, αλλά πλεονεκτεί σαφώς από άποψη δυνατοτήτων κοπής κομματιών μεγάλου πάχους και παραγωγικότητα. Ενδεικτικό είναι το παράδειγμα διαμόρφωσης οδοντωτού τροχού πάχους 250mm η οποία απαιτεί περίπου 5 εργατοώρες συγκρινόμενη με 2 εβδομάδες εργατοωρών πού απαιτεί η χύτευση του τροχού αυτού. Τέλος με τη φλόγα οξυγόνου είναι δυνατή επίσης και η ταχεία αφαίρεση μετάλλου εάν η φλόγα προσβάλει την επιφάνεια του μετάλλου υπό γωνία. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η προκαταρκτική αφαίρεση υλικού για τη δημιουργία αυλακών. Η εργασία αυτή στην πλάνη θα απαιτούσε πολύ μεγαλύτερο χρόνο και κόστος εργαλείων Συγκολλήσεις Με τον όρο συγκόλληση εννοούμε γενικά την τοπική σύμφυση μετάλλων υπό υψηλή θερμοκρασία. Η σύμφυση αυτή είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί μεταξύ ομοίων και ανόμοιων μετάλλων και με τη χρήση ή όχι πίεσης. Με τη μέθοδο τής συγκόλλησης συνθέτουμε τη μορφή του αντικειμένου πού επιθυμούμε συγκολλώντας κομμάτια ήδη προκατασκευασμένα. Αυτή η διεργασία έχει συνήθως σαν αποτέλεσμα την παραγωγή αντικειμένων με πολύ χαμηλότερο κόστος από τη χύτευση και με καλύτερη γενικά ποιότητα κατασκευής, ακρίβεια διαστάσεων, μηχανικές ιδιότητες, εμφάνιση κλπ. Με τον τρόπο αυτό τα προϊόντα της συγκόλλησης είναι πολλές φορές έτοιμα για την κατανάλωση, χωρίς να χρειάζονται επιπλέον μηχανουργικές επεξεργασίες. Τα πλεονεκτήματα αυτά των συγκολλήσεων έχουν προκαλέσει σε πολλές περιπτώσεις τον ανασχεδιασμό χυτών αντικειμένων και τη συγκολλητή κατασκευή τους με χαμηλότερο κόστος. Μεγάλη ώθηση στη διάδοση των συγκολλήσεων και ιδιαίτερα των ηλεκτροσυγκολλήσεων έδωσε και η επιτυχής εφαρμογή τους για τη σύνδεση ελασμάτων στη ναυπηγική και αργότερα στην αυτοκινητοβιομηχανία, αεροναυπηγική, λεβητουργία κλπ. Στην περίπτωση αυτή η συγκόλληση αντικατέστησε με επιτυχία την σύνδεση με καρφιά ή βίδες, με σημαντικό κέρδος σε βάρος και εργατικά. Τα βασικά προβλήματα πού αντιμετωπίζει ο μηχανικός κατά την παραγωγή συγκολλητών προϊόντων είναι κυρίως ο κατάλληλος σχεδιασμός του κομματιού ώστε να διευκολύνεται η συγκόλληση και η "συγκολλητότητα" του υλικού σε συνδυασμό με τα μηχανήματα συγκόλλησης πού υπάρχουν. Με τον όρο συγκολλητότητα του υλικού εννοούμε την ευκολία με την όποια είναι δυνατή η συγκόλληση με τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο, και τη μηχανική και χημική συμπεριφορά της κόλλησης και του γειτονικού μετάλλου. Οι μέθοδοι συγκόλλησης που εφαρμόζονται σε ευρεία κλίμακα είναι η συγκόλληση με φλόγα αερίου, η ηλεκτροσυγκόλληση τόξου και η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης. Εκτός από τους βασικούς αυτούς τρόπους συγκόλλησης υπάρχουν και πολλοί άλλοι με ειδικότερα πεδία εφαρμογής. Αναλυτικότερα έχουμε:

5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 71 (1) Συγκόλληση με Σφυρηλάτηση. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου σε διάπυρη κατάσταση έρχονται σε επαφή και συμπιέζονται ή σφυρηλατούνται με αποτέλεσμα τη συνένωση τους. (2) Συγκόλληση Θερμίτου. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου, περιβάλλονται με μείγμα οξειδίου του μετάλλου και αλουμινίου και στη συνέχεια θερμαίνονται τοπικά σε υψηλή θερμοκρασία (1100 o C για τη συγκόλληση χάλυβα). Η θέρμανση προκαλεί ανάφλεξη του μείγματος και παραγωγή υψηλών θερμοκρασιών πού συντελούν στην τήξη του μετάλλου και τη συγκόλληση των κομματιών. Στην περίπτωση του σιδήρου, η χημική αντίδραση της καύσης του θερμίτη είναι: 8Al + 3Fe + O 3O4 = 9Fe 4Al22 3 και η παραγόμενη θερμοκρασία φθάνει τους 2800 o C. (3) Συγκόλληση Επαγωγής. Στη μέθοδο αυτή ηθέρμανση του μετάλλου γίνεται τοπικά με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητών οι οποίοι δημιουργούν στη μάζα του μετάλλου δινορρεύματα. H μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση μετάλλων με μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. (4) Σκληρή κόλληση. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου πού πρόκειται να συγκολληθούν έρχονται σε επαφή, ενώ στην περιοχή της συγκόλλησης τοποθετείται ποσότητα κατάλληλης μεταλλικής κόλλησης, συνήθως κραμάτων χαλκού ή αργύρου. Στη συνέχεια; oλο το σύστημα θερμαίνεται μέχρι του σημείου τήξης της κόλλησης η oποία ρέει και με τη βοήθεια του τριχοειδούς φαινομένου παρεμβάλλεται μεταξύ των επιφανειών του μετάλλου. Οι θερμοκρασίες τήξης της κόλλησης είναι μεταξύ C για κράματα αργύρου και μεταξύ C για κράματα χαλκού. Με την ψύξη των κομματιών επέρχεται η συγκόλληση τους. Η όλη διαδικασία πρέπει να γίνει σε κατάλληλη ατμόσφαιρα ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος οξείδωσης του μετάλλου και της κόλλησης. (5) Μαλακή κόλληση. Με τη μέθοδο αυτή η κόλληση πραγματοποιείται με την τήξη κατάλληλων κομματιών μολύβδου με χαμηλό σημείο τήξης. Η θερμότητα της τήξης προέρχεται συνήθως από ηλεκτρική αντίσταση ή φλόγα αερίου. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε σε κάποια έκταση τους βασικούς τρόπους συγκόλλησης που εφαρμόζονται σε μεγάλη βιομηχανική κλίμακα, τα προβλήματα τους και τους λόγους εμφάνισης τους, και ορισμένα στοιχεία σχετικά με τις χρησιμοποιούμενες διατάξεις, μεθόδους και μηχανές. Το σημείο πάντως που πρέπει ιδιαίτερα να τονισθεί είναι ότι οι συγκολλήσεις είναι ένα πολύ εκτεταμένο κεφάλαιο με πολλά θεωρητικά και εμπειρικά στοιχεία, τεχνικούς κανονισμούς κ.ά., και δεν είναι δυνατή η κάλυψη του σε ένα σχετικά περιορισμένο χώρο.

6 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Ηλεκτροσυγκόλληση Τόξου. Στη μέθοδο αυτή συγκόλλησης, η θερμότητα που απαιτείται για την τήξη του μετάλλου παρέχεται από ηλεκτρικό τόξο που δημιουργείται μεταξύ του κομματιού που θα κολληθεί και του ηλεκτροδίου, ή μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Η θερμότητα αυτή προκαλεί την τήξη του μετάλλου των κομματιών αφ' ενός και του ηλεκτροδίου ή καταλλήλου σύρματος μεταλλικής κόλλησης αφ' ετέρου και την τελική συνένωση. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Έτσι διακρίνουμε τις ηλεκτροσυγκολλήσεις συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις συνεχούς ρεύματος χωρίζονται στις συγκολλήσεις με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των συγκολλήσεων αυτών παρουσιάζονται στο σχήμα 73. Σχήμα 73 Με τη σύνδεση του συνηθισμένου τύπου ηλεκτροδίων στον αρνητικό πόλο της πηγής συνεχούς ρεύματος, το κομμάτι γίνεται θερμότερο από το ηλεκτρόδιο λόγω της πρόσπτωσης των ηλεκτρονίων. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης μετάλλου, ενώ αντίστοιχα είναι μικρό το πλάτος της κόλλησης. Αντίστροφα, για την περίπτωση του θετικού ηλεκτροδίου, το ηλεκτρόδιο είναι θερμότερο, με αποτέλεσμα να έχουμε μικρό βάθος και μεγάλη έκταση στην κόλληση. Με την πηγή εναλλασσομένου ρεύματος έχουμε μία ενδιάμεση κατάσταση επειδή τα ηλεκτρόνια παλινδρομούν μεταξύ ηλεκτροδίου και κομματιού. Αύξηση της διείσδυσης της κόλλησης επιτυγχάνεται και με την αύξηση της τάσης η οποία ουσιαστικά αυξάνει την ισχύ του ηλεκτρικού τόξου. Γενικά η μεγάλη διείσδυση είναι επιθυμητή στη συγκόλληση αντικειμένων μεγάλου πάχους. Κατά τη συγκόλληση, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών πού δημιουργούνται, αυξάνεται ο ρυθμός οξείδωσης και εναζώτωσης, από το οξυγόνο και άζωτο της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα τη μείωση της ολκιμότητας, την αύξηση της σκληρότητας και ευθραυστότητας του μετάλλου και γενικά μείωση της μηχανικής αντοχής της κόλλησης. Σε ορισμένες δε περιπτώσεις, όπως του αλουμινίου, ανοξείδωτου χάλυβα, τιτανίου κλπ. η συγκόλληση με τις συνθήκες αυτές είναι αδύνατη. Για την αποφυγή των φαινομένων αυτών χρησιμοποιούνται διάφορα προστατευτικά μέτρα όπως, η εμβάπτιση του ηλεκτροδίου σε κατάλληλες ουσίες, η χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων με επικάλυψη, η χρήση ευγενών αερίων όπως το ήλιο και το αργό, ή ενεργών αερίων όπως το υδρογόνο. Όλες αυτές οι μέθοδοι έχουν σαν σκοπό την απομόνωση της περιοχής της κόλλησης από τον ατμοσφαιρικό αέρα και την αναγωγή τυχόν οξειδίων πού δημιουργούνται. Τέλος, σε ειδικές περιπτώσεις εξαιρετικά ευαίσθητων μετάλλων είναι δυνατή και η συγκόλληση σε κενό αέρος. Τα

7 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 73 φυσικά και χημικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της κόλλησης είναι πολύπλοκα και εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως, το είδος του μετάλλου και του κομματιού, το είδος του υλικού του ηλεκτροδίου, η τάση της πηγής, το συλλίπασμα, το χρησιμοποιούμενο χημικό περιβάλλον κ.ά. Όλοι αυτοί οι παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπ' όψιν για να προκύψει μία παραδεκτή συγκόλληση. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν λεπτομερείς προδιαγραφές των συνθηκών κόλλησης για κάθε τύπο κράματος και οι τρόποι ελέγχου ανάλογα με τους κανονισμούς πού ισχύουν για την συγκεκριμένη εφαρμογή. Κατά τη συγκόλληση, μετά το προκαταρκτικό στάδιο της έναυσης του ηλεκτρικού τόξου, δημιουργείται στην επιφάνεια του μετάλλου ένα ρυάκι λιωμένου υλικού, το οποίο ο τεχνίτης κατευθύνει με τη βοήθεια του ηλεκτροδίου κατά την επιθυμητή διεύθυνση. Η όλη διαδικασία απαιτεί επιδεξιότητα. Το σχήμα 74 δείχνει τους τέσσερις βασικούς τύπους κόλλησης με αναλώσιμα ή όχι ηλεκτρόδια. Σχήμα 74 Η πιο συνηθισμένη μέθοδος συγκόλλησης είναι η περίπτωση (α) με αναλώσιμο ηλεκτρόδιο. Το ηλεκτρόδιο είναι συνήθως κατασκευασμένο από μέταλλο παρόμοιο με του κομματιού, και υπό την επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών του τόξου τήκεται και παρέχει την ποσότητα του μετάλλου πού χρειάζεται για την κόλληση. Συχνά, τα ηλεκτρόδια είναι καλυμμένα με κατάλληλο συλλίπασμα το όποιο, αφού λιώσει με το μέταλλο, δημιουργεί ένα επιφανειακό στρώμα πού προστατεύει την κόλληση από την οξείδωση. Στην περίπτωση (β) το ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από άτηκτο υλικό γραφίτη ή βολφράμιο και χρησιμοποιείται μόνο για την παραγωγή του τόξου, το μέταλλο της κόλλησης παρέχεται από άλλη ράβδο ή σύρμα. Στις περιπτώσεις (γ) και (δ), το τόξο δημιουργείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, αναλώσιμων ή άτηκτων αντίστοιχα. Οι περιπτώσεις αυτές σπάνια χρησιμοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα, σε συγκολλήσεις κυρίως κραμάτων αλουμινίου. Η ηλεκτρική ισχύς του τόξου παρέχεται συνήθως από μετασχηματιστή, ανορθωτή, ή γεννήτρια με τάση V, η τάση αυτή κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης μειώνεται σε 20-40V. Το ρεύμα έχει ένταση Α ανάλογα με το μέγεθος του ηλεκτροδίου, το πάχος του μετάλλου και την ταχύτητα προωθήσεως του ηλεκτροδίου. Ο ηλεκτροσυγκολλητής έχει τη δυνατότητα ρύθμισης του ρεύματος και της ταχύτητας του ηλεκτροδίου.

8 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 74 Για μεγάλες ραφές ευθύγραμμου σχήματος χρησιμοποιούνται αυτόματες μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης οι οποίες διατηρούν την τάση, την ένταση του ρεύματος, και την ταχύτητα προώθησης του ηλεκτροδίου στις προκαθορισμένες από τον χειριστή τιμές. Για την επιτυχία της ηλεκτροσυγκόλλησης είναι απαραίτητη η κατάλληλη μηχανουργική επεξεργασία της περιοχής των κομματιών πού θα συγκολληθούν. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μορφές παρουσιάζονται στο σχήμα 75. Σχήμα 75 Για την καλύτερη διείσδυση του μετάλλου είναι απαραίτητο να υπάρχει το κενό g πού συνήθως κυμαίνεται από mm ανάλογα με το πάχος του ελάσματος. Επίσης, για την αποφυγή κενών στη συγκόλληση, η γωνία θ κατασκευάζεται μεταξύ Κατά τη συγκόλληση ελασμάτων μεγάλου πάχους είναι προτιμότερη η χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων μικρής διαμέτρου και πολλών διαδοχικών επιστρώσεων. Η χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων μεγάλες διαμέτρου βελτιώνει πολύ την ταχύτητα της συγκόλλησης αλλά αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας κενών. Το σχήμα 76 δείχνει τα διαδοχικά στρώματα κόλλησης για συγκολλήσεις ελασμάτων μεγάλου πάχους ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη μηχανική αντοχή. Σχήμα 76 Μεγάλη σημασία για την επιτυχία της συγκόλλησης έχει και η σχετική θέση της ραφής ως προς το ηλεκτρόδιο. Απλούστερη και ευκολότερη είναι η συγκόλληση με τα ελάσματα οριζόντια κάτω από το ηλεκτρόδιο. Δυσκολία παρουσιάζει η συγκόλληση κατακόρυφων ελασμάτων και ιδίως η συγκόλληση

9 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 75 με οριζόντια τα ελάσματα πάνω από το ηλεκτρόδιο, εξ αιτίας της ροής του μετάλλου λόγω βαρύτητας. Στο σχήμα 77 παρουσιάζονται οι βασικές μορφές συγκολλήσεων ελασμάτων. Σε πολλές από τις περιπτώσεις αυτές δεν είναι απαραίτητη η προκαταρκτική μηχανουργική επεξεργασία των ελασμάτων. Σχήμα 77 Ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη των συγκολλήσεων από άποψη μηχανικής αντοχής σε διάφορους τύπους καταπονήσεων συγκριτικά με το κόστος κατασκευής. Σχετικά κατατοπιστικός είναι και ο συγκριτικός πίνακας 8 με ορισμένους βασικούς τύπους συγκόλλησης. Στον πίνακα αυτό είναι εμφανής η ανάγκη της μηχανουργικής διαμόρφωσης των προς συγκόλληση κομματιών, καθώς και τα δυσμενή αποτελέσματα της ελλειπούς διείσδυσης του μετάλλου της συγκόλλησης, ιδίως για δυναμικά φορτία. Η μηχανουργική κατεργασία επιβαρύνει σημαντικά το συνολικό κόστος παραγωγής, αλλά είναι απαραίτητη εάν είναι επιθυμητό η συγκόλληση να έχει το 100% της αντοχής των συγκολλούμενων ελασμάτων.

10 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 76 Πίνακας 8. Βασικοί τύποι συγκόλλησης

11 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 77 Εκτός από τα πιθανά κενά, οξειδώσεις κ.λ.π. η συγκόλληση παρουσιάζει επίσης και το πρόβλημα των θερμικών τάσεων το οποίο έχει σημαντική επίδραση στη δυναμική αντοχή του υλικού και στην ακρίβεια διαστάσεων. Το φαινόμενο των θερμικών τάσεων, είναι αναπόσπαστο στοιχείο των τοπικά θερμών κατεργασιών, λόγω ακριβώς της φύσεως των κατεργασιών αυτών, αλλά στην περίπτωση των ηλεκτροσυγκολλήσεων γίνεται κρίσιμο. Οι θερμικές τάσεις δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της απόψυξης της συγκόλλησης, λόγω των διαφορετικών ποσοστών συστολής των διαφόρων τμημάτων της ραφής τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι τάσεις αυτές στις συνηθισμένες περιπτώσεις προστίθενται, στα λοιπά φορτία που επιβαρύνουν τη συγκόλληση μειώνοντας έτσι τη μηχανική αντοχή. Εάν όμως δεν ληφθούν μέτρα για την αποφυγή τους είναι δυνατό να οδηγήσουν στη ρηγμάτωση του υλικού, δημιουργία μικρορωγμών ή στην αλλοίωση του σχήματος των ελασμάτων. Οι εσωτερικές θερμικές τάσεις είναι δυνατό να μειωθούν με τον κατάλληλο σχεδιασμό του κομματιού, με την προσεκτική εκτέλεση της συγκόλλησης ή με την θερμική κατεργασία του κομματιού. Η θερμική κατεργασία πραγματοποιείται σε κατάλληλες καμίνους με θερμοκρασία 650 C περίπου για το χάλυβα και διαρκεί συνήθως μερικές ώρες. Η μείωση των τάσεων κατά τη θερμική κατεργασία είναι ιδιαίτερα αισθητή κατά την πρώτη ώρα. Έτσι π.χ. για εσωτερικές τάσεις 2000at μετά την πρώτη ώρα, έχουμε μείωση στις 400at και κατά τη δεύτερη ώρα στις 300at. Η τελική τιμή της εσωτερικής τάσης μετά από άπειρο χρόνο παραμονής (θεωρητικά) στην κάμινο είναι 200at. Γενικά πάντως, οι θερμικές κατεργασίες είναι αρκετά δαπανηρές και χρησιμοποιούνται για συγκολλήσεις μεγάλων απαιτήσεων και μέταλλα που παρουσιάζουν δυσκολίες στην κόλληση, όπως τα κράματα χάλυβα με μεγάλες περιεκτικότητες Cr, Ni, Mo κ.λ.π. τα κράματα αλουμινίου κ.ά. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιείται απλή θέρμανση της περιοχής της συγκόλλησης σε φλόγα οξυγόνου. Κλείνοντας το κεφάλαιο των ηλεκτροσυγκολλήσεων τόξου θα πρέπει να αναφερθούν και δύο σχετικά νέες μέθοδοι συγκόλλησης οι οποίες δεν μπορούν να θεωρηθούν σαν καθαρά ηλεκτοσυγκολλήσεις τόξου. 1. Στην πρώτη μέθοδο, η θερμότητα τήξης του ηλεκτροδίου και του ελάσματος προέρχεται αφ' ενός μεν από τη θερμότητα του τόξου μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ελάσματος, αφ' ετέρου δε από τη θερμότητα πού παράγεται κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος από το ρευστό μέταλλο. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται συγκόλληση βυθισμένου τόξου και συνίσταται στη βύθιση του ηλεκτροδίου στο ρευστό μέταλλο μετά την αρχική τήξη ικανοποιητικής ποσότητας κόλλησης. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει το πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης μεγάλης έντασης ρεύματος, η οποία επιτρέπει τη χρήση μεγάλων ηλεκτροδίων και την ανάπτυξη μεγάλων ταχυτήτων πρόωσης. 2. Η δεύτερη μέθοδος, πού ονομάζεται συγκόλληση ατομικού υδρογόνου συνίσταται στη χρησιμοποίηση του ηλεκτρικού τόξου για τη διάσπαση του μοριακού υδρογόνου σε ατομικό. Το ατομικό υδρογόνο υπό μορφή δέσμης προσπίπτει στην επιφάνεια του μετάλλου απελευθερώνοντας το συνολικό του θερμικό και χημικό δυναμικό, μετατρεπόμενο σε μοριακό. Η θερμότητα αυτή που παράγεται χρησιμοποιείται για την τήξη του μετάλλου και της κόλλησης, ενώ το υδρογόνο χρησιμεύει και για την προστασία της συγκόλλησης από την

12 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 78 οξείδωση. Η μέθοδος του ατομικού υδρογόνου χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση κραμάτων χάλυβα, νικελίου και αλουμινίου Συγκολλήσεις Οξυγόνου. Στις συγκολλήσεις οξυγόνου, η θερμότητα που χρειάζεται για την τήξη και τη συνένωση του μετάλλου με την κόλληση προέρχεται από την καύση ακετυλενίου, υδρογόνου ή αερίων υδρογονανθράκων. Το καύσιμο αέριο αναμειγνύεται στις κατάλληλες αναλογίες με το οξυγόνο και αναφλέγεται στο στόμιο κατάλληλου ακροφυσίου. Το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο αέριο είναι το ακετυλένιο το oποίο παράγει φλόγα θερμοκρασίας έως 2800 o C. Το αέριο αυτό με κατάλληλη ρύθμιση των αναλογιών με το οξυγόνο έχει τη δυνατότητα παραγωγής αναγωγικής ή οξειδωτικής φλόγας. Συνήθως η χρησιμοποιούμενη φλόγα συγκόλλησης είναι ουδέτερη ή ελαφρά αναγωγική, για τον περιορισμό της οξείδωσης του μετάλλου. Ειδικά για τις συγκολλήσεις ορειχάλκου χρησιμοποιείται η οξειδωτική φλόγα. Η συγκόλληση με οξυγόνο χρησιμοποιεί κυρίως γυμνά σύρματα κόλλησης ιδίως για τις συγκολλήσεις των μαλακών χαλύβων. Ειδικά συλλιπάσματα χρησιμοποιούνται για την συγκόλληση του ανοξείδωτου χάλυβα και των μη σιδηρούχων μετάλλων εκτός του χαλκού. Πολλά από τα συλλιπάσματα πού χρησιμοποιούνται για την συγκόλληση του αλουμινίου και του μαγνησίου περιέχουν φθορίδια και απαιτούν την καλή εξαέρωση του χώρου γιατί είναι δηλητηριώδη. Σχήμα 78 Κατά τη συγκόλληση χρησιμοποιούνται δύο είδη κατεύθυνσης της φλόγας, προς το διάκενο ή προς τη ραφή, όπως δείχνει το σχήμα 78. Στη πρώτη περίπτωση η φλόγα είναι τοποθετημένη υπό γωνία 45 ο περίπου πάνω από τη ραφή, ενώ αντίστοιχα το σύρμα της κόλλησης βρίσκεται πάνω από το διάκενο. Η μέθοδος αυτή δημιουργεί μικρότερη ποσότητα λιωμένου μετάλλου και παράγει ομαλότερη κόλληση. Αντίθετα η δεύτερη μέθοδος με τη φλόγα κατευθυνόμενη προς τη ραφή δημιουργεί μεγαλύτερη ποσότητα λιωμένου μετάλλου και χρησιμοποιείται για την κόλληση ελασμάτων πάχους μεγαλύτερου από 3 mm. H συγκόλληση οξυγόνου χρησιμοποιείται και για κολλήσεις με συμπίεση των κομματιών. Με τη μέθοδο αυτή, τα κομμάτια πού πρόκειται να συγκολληθούν θερμαίνονται με τη φλόγα οξυγόνου και στη συνέχεια συμπιέζονται με μεγάλη δύναμη. Ο συνδυασμός συμπίεσης και υψηλής θερμοκρασίας δημιουργεί ικανοποιητικές συγκολλήσεις μεγάλων κομματιών, αν και παρουσιάζει το μειονέκτημα της μεγάλης παραμόρφωσης των κομματιών στην περιοχή της ραφής.

13 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης. Στη μέθοδο αυτή, η θερμότητα τήξης προέρχεται από την ηλεκτρική αντίσταση του μετάλλου στο σημείο συγκόλλησης. Το χρησιμοποιούμενο ρεύμα είναι στο 30% των περιπτώσεων εναλλασσόμενο υψηλής έντασης η οποία κυμαίνεται από Α ανάλογα με το μέγεθος του αντικειμένου. Ανάλογα με τη μορφή της συγκόλλησης και τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο, οι συγκολλήσεις ηλεκτρικής αντίστασης διακρίνονται σε κολλήσεις κηλίδας (πόντας), ραφής, προεξοχής, τόξου και αναστροφής. Τα βασικά αυτά είδη συγκολλήσεων παρουσιάζονται στο επόμενο σχήμα 79, Σχήμα 79 Τις μεθόδους αυτές θα εξετάσουμε στη συνέχεια με κάποια λεπτομέρεια Κόλληση Κηλίδας (πόντας). Στη μέθοδο αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 80, ελάσματα που θέλουμε να κολληθούν επικαλύπτονται στο σημείο της ραφής και τοποθετούνται ανάμεσα από δύο ηλεκτρόδια (1). Στη συνέχεια τα ηλεκτρόδια αυτά συμπιέζουν το μέταλλο (2) και διοχετεύουν ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα (3). Το ρεύμα αυτό προκαλεί λόγω της ηλεκτρικής αντίστασης του μετάλλου τοπική υπερθέρμανση. Η υπερθέρμανση αυτή δημιουργεί περαιτέρω μείωση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας κ.ο.κ. με τελική τοπική τήξη, κυρίως στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο ελασμάτων (4). Το ρεύμα στη συνέχεια διακόπτεται ενώ η συμπίεση των ηλεκτροδίων παραμένει μέχρι την ψύξη της κόλλησης, οπότε τα ηλεκτρόδια αποσύρονται (5). Η όλη διαδικασία είναι πλήρης αυτοματοποιημένη και ο χειριστής απλώς τοποθετεί τα ελάσματα στο κατάλληλο σημείο και πιέζει τον διακόπτη έναρξης της συγκόλλησης.

14 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 80 Σχήμα 80 Το σχήμα 81 δείχνει έναν αρκετά διαδεδομένο τύπο μηχανής ηλεκτροσυγκόλλησης. Η μηχανή, αυτή τροφοδοτείται με ρεύμα από το δίκτυο μέσω μετασχηματιστή. Το ρεύμα αυτό είναι ρυθμιζόμενης έντασης και μέσω ενός κατάλληλου χρονοδιακόπτη και σερβομηχανισμού συνδυάζεται με τις διάφορες φάσεις λειτουργίας της μηχανής. Τα ηλεκτρόδια της μηχανής είναι συνήθως ψυχόμενα με εσωτερικό κύκλωμα νερού και έχουν διάφορα σχήματα ανάλογα με τη μορφή των ελασμάτων πού θα κολληθούν. Μερικές από τις χρησιμοποιούμενες διατάξεις παρουσιάζονται στο σχήμα 82. Από το σχήμα αυτό είναι σαφές ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία διατάξεων ηλεκτροδίων η οποία επιτρέπει την παραγωγή ελασμάτων διαφόρων διατομών (σχήμα 83). Η μεγάλη αυτή ελευθερία στην μορφή των κατασκευών είναι ίσως το βασικό πλεονέκτημα της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας ιδιαίτερα εάν ληφθεί υπ' όψιν και η δυνατότητα χρησιμοποίησης φορητών συσκευών ηλεκτροσυγκόλλησης (σχήμα 84). Για τη βελτίωση της παραγωγικότητας είναι δυνατή η χρησιμοποίηση μηχανών ηλεκτροσυγκόλλησης με πολλαπλά ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρόδια αυτά συνήθως είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή παράλληλα.

15 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 81 Σχήμα 81

16 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 82 Σχήμα 82 Σχήμα 83

17 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 83 Σχήμα 84 Κατά τη συγκόλληση ελασμάτων με τη μέθοδο της πόντας πρέπει να δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στον καθορισμό της πορείας του ρεύματος. Έτσι, στο παράδειγμα του σχήματος 85, η περίπτωση (Βδεξιά)) δεν θα αποδώσει ικανοποιητική συγκόλληση γιατί το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος θα ακολουθήσει την οδό της μικρότερης αντίστασης.

18 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 84 Σχήμα 85 Η μέθοδος της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα γιατί συνδυάζει πολύ υψηλή παραγωγικότητα και ομοιομορφία προϊόντων με μειωμένες απαιτήσεις επιδεξιότητας εκ μέρους του τεχνίτη. Η μέθοδος επίσης προσφέρεται για ημιαυτόματη ή πλήρους αυτοματοποιημένη παραγωγή. Κλασικό παράδειγμα μαζικής εφαρμογής της μεθόδου είναι η κατασκευή του αμαξώματος των αυτοκινήτων με τη χρησιμοποίηση ειδικών αυτοματοποιημένων μηχανών με ικανότητα χιλιάδων συγκολλήσεων το δευτερόλεπτο (σχήμα 86). Οι μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδων χρειάζονται για τη λειτουργία τους παροχή νερού και πεπιεσμένου αέρα και γενικά απαιτούν βιομηχανική υποδομή και μεγάλη παραγωγή. Σχήμα 86

19 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Ηλεκτροσυγκόλληση Ραφής Για την αύξηση της παραγωγικότητας των ηλεκτροσυγκολλήσεων αντικειμένων μεγάλου μήκους, σωλήνων, ελασμάτων κλπ. χρησιμοποιείται η μέθοδος της ραφής. Η μέθοδος αυτή αντί των συνηθισμένων ηλεκτροδίων χρησιμοποιεί δύο τροχούς περιστρεφόμενους με αντίθετη φορά μεταξύ των όποιων συμπιέζονται τα συγκολλούμενα ελάσματα. Στους τροχούς αυτούς διοχετεύεται το ρεύμα της συγκόλλησης. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η δημιουργία συνεχούς ή διακοπτόμενης ευθύγραμμης ραφής, όπως δείχνει το σχήμα 87. Η μέθοδος της ραφής παρουσιάζει, σημαντικές ομοιότητες με την μέθοδο της κηλίδας και χρησιμοποιείται ιδιαίτερα για την παραγωγή αεροστεγών συγκολλήσεων. Με τις δύο αυτές μεθόδους είναι δυνατή η συγκόλληση και ανόμοιων μετάλλων με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Σχήμα 87 Οι συνηθισμένες μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης ραφής παρουσιάζουν την διάταξη του σχήματος 88. Σχήμα 88

20 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 86 Σχήμα 89 Οι μηχανές αυτές έχουν δυνατότητα εναλλαγής τροχών, ανάλογα με την επιθυμητή μορφή του υπό κατασκευή αντικειμένου (σχήμα 89). Στα σχήματα 90 και 91 παρουσιάζονται ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποίησης ηλεκτροσυγκόλλησης ραφής. Σχήμα 90

21 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 87 Σχήμα 91 Στον πίνακα 9 παρουσιάζονται τα συνηθέστερα βιομηχανικά μέταλλα και οι αντίστοιχες ποιότητες συγκολλήσεων για όλους τους μεταξύ τους δυνατούς συνδυασμούς. Πίνακας 9. Μέταλλα και ποιότητες συγκολλήσεων

22 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 88 Στον πίνακα αυτό το γράμμα Α συμβολίζει εξαιρετική συγκόλληση, το Β καλή, το C μέτρια, το D κακή, το Ε πολύ κακή, και το F απραγματοποίητη. Γενικά οι μέθοδοι της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας και ραφής παρουσιάζουν διαρκώς και μεγαλύτερη διάδοση, με τη δημιουργία πιο εξειδικευμένων μηχανών πολλαπλών συγκολλήσεων, με ισχυρότερα ρεύματα και μεγαλύτερα ηλεκτρόδια Ηλεκτροσυγκόλληση Προεξοχής. Με τη μέθοδο αυτή, στο έλασμα στα σημεία συγκόλλησης κατασκευάζονται προεξοχές. Κατά την δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος από τα σημεία της προεξοχής δημιουργείται τοπικά τήξη και συγκόλληση του υλικού. Οι βασικές φάσεις της μεθόδου αυτής παρουσιάζονται στο σχήμα 92. Σχήμα 92 Βασική προϋπόθεση, για τη χρησιμοποίηση, της μεθόδου είναι η σχετικά μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα του μετάλλου. Έτσι δεν είναι δυνατή με τη μέθοδο αυτή η συγκόλληση του χαλκού, του αλουμινίου και των κραμάτων τους. Στο σχήμα 93 δίδονται μερικά παραδείγματα χρησιμοποίησης της μεθόδου αυτής, η οποία γενικά παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα ιδίως στη συγκόλληση αντικειμένων μεγάλου πάχους, όπου οι δύο προηγούμενες μέθοδοι δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν.

23 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 89 Σχήμα 93

24 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Ηλεκτροσυγκόλληση λάμψης και αναστροφής. Οι δύο αυτές μέθοδοι παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες, τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν αποτελούν και τα ηλεκτρόδια. Τα κομμάτια αυτά έρχονται σε επαφή με αποτέλεσμα τη θέρμανσή τους έως το σημείο τήξης στην περιοχή πού εφάπτονται. Οι βασικές διαφορές των δύο μεθόδων παρουσιάζονται στα σχήματα 94 και 95. Σχήμα 94 Στην περίπτωση της ηλεκτροσυγκόλλησης λάμψης τα δύο κομμάτια θερμαίνονται λόγω του ηλεκτρικού τόξου που δημιουργείται μεταξύ τους. Το τόξο αυτό προκαλεί μία ισχυρή λάμψη, από την οποία προέρχεται και η ονομασία της μεθόδου, και τοπική τήξη του υλικού. Τη στιγμή αυτή διακόπτεται το ρεύμα και τα δύο κομμάτια συμπιέζονται ισχυρά. Μετά τη συγκόλληση και ψύξη του συγκολλημένου κομματιού, η παραμορφωμένη περιοχή κατεργάζεται μηχανουργικά. Στην περίπτωση της συγκόλλησης αναστροφής, τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν έρχονται σε επαφή, υπό υψηλή πίεση, κατόπιν διοχετεύεται το ηλεκτρικό ρεύμα το οποίο λόγω της υψηλής αντίστασης στα σημεία επαφής προκαλεί τοπικά θέρμανση και τήξη του υλικού. Λόγω της υψηλής πίεσης που εξασκείται στα δύο κομμάτια, επέρχεται η συγκόλληση τους. Μετά την ψύξη του συγκολλημένου κομματιού επακολουθεί μηχανουργική επεξεργασία του σημείου της συγκόλλησης. Η διαφορά μεταξύ των δύο αυτών μεθόδων βρίσκεται στο μηχανισμό παραγωγής της θερμότητας τήξης του μετάλλου, πού στη μεν περίπτωση της ηλεκτροσυγκόλλησης λάμψης είναι το ηλεκτρικό τόξο, στη δε περίπτωση της αναστροφής είναι η ηλεκτρική αντίσταση.

25 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 91 Σχήμα 95 Με τους τρόπους αυτούς είναι δυνατή η συγκόλληση όλων των βιομηχανικών μετάλλων ακόμη και ανόμοιων. Ιδιαίτερα διαδεδομένη είναι η μέθοδος της ηλεκτροσυγκόλλησης λάμψης επειδή παρουσιάζει σημαντικά οικονομικά και τεχνολογικά πλεονεκτήματα. Πράγματι, η ηλεκτροσυγκόλληση λάμψης παρουσιάζει: 1. Μεγαλύτερη μηχανική αντοχή. 2. Μικρότερη παραμόρφωση στην περιοχή της συγκόλλησης. 3. Μικρότερη μηχανουργική προετοιμασία των προς συγκόλληση κομματιών. 4. Μικρότερη ηλεκτρική κατανάλωση. 5. Μεγαλύτερη ταχύτητα συγκόλλησης. 6. Καλύτερη συγκόλληση ανομοιογενών μετάλλων. Στο σχήμα 96 παρουσιάζονται μερικές περιπτώσεις ηλεκτροσυγκολλήσεων κορμού, με λάμψη και αναστροφή. Βασική προϋπόθεση για την επιτυχία των συγκολλήσεων αυτών είναι οι προς συγκόλληση επιφάνειες να είναι κατά προσέγγιση ίσες. Διαφορετικά η παραγόμενη θερμότητα διαφεύγει μέσω του μεγαλύτερου κομματιού το όποιο έτσι δεν έχει τη δυνατότητα να φθάσει το σημείο τήξης (σχήμα 97).

26 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 92 Σχήμα 96 Σχήμα 97

27 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 93 Γενικά οι μέθοδοι ηλεκτροσυγκολλήσεων που εξετάσαμε προσφέρουν στο μηχανικό μεγάλες δυνατότητες και ελευθέρια σχεδιασμού των επιθυμητών αντικειμένων. Από τα παραδείγματα του σχήματος 98 είναι φανερό ότι οι ηλεκτροσυγκολλήσεις είναι μερικοί μόνο τρόποι σύνδεσης αντικειμένων. Το κόστος παραγωγής και οι συνθήκες λειτουργίας του αντικειμένου θα καθορίσουν σε κάθε περίπτωση την πιο ικανοποιητική μέθοδο σύνδεσης. Σχήμα Ειδικοί μέθοδοι συγκόλλησης Όπλο πλάσματος. Όπως είναι γνωστό το πλάσμα είναι μία κατάσταση της ύλης σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες της τάξης των C. Στις θερμοκρασίες αυτές τα διάφορα υλικά βρίσκονται στη αέρια κατάσταση. Για την παραγωγή του πλάσματος χρησιμοποιείται η αρχή του ηλεκτρικού τόξου. Η χρησιμοποιούμενη διάταξη παρουσιάζεται στο σχήμα 99. Σχήμα 99

28 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 94 Το ηλεκτρικό τόξο δημιουργείται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων (+,-) τα οποία ψύχονται εσωτερικά με νερό. Στο χώρο μεταξύ αυτών των ηλεκτροδίων διοχετεύεται η κύρια παροχή αερίου συνήθως αργού ή αζώτου. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μία δέσμη αερίου υψηλής θερμοκρασίας σε κατάσταση ιονισμού. Το ηλεκτρόδιο περιβάλλεται από ένα κέλυφος ηλεκτρικά μονωμένο. Στο χώρο μεταξύ των δύο διοχετεύεται η δευτερεύουσα παροχή αερίου, η οποία συμπαρασύρει και το μέταλλο της κόλλησης σε μορφή σκόνης. Το μέταλλο αυτό ερχόμενο σε επαφή με την κύρια δέσμη του ιονισμένου αερίου τήκεται, ιονίζεται και εκτοξεύεται με μεγάλη ταχύτητα από το στόμιο του όπλου. Για τη συγκράτηση της δέσμης του πλάσματος χρησιμοποιείται το κέλυφος, στο οποίο διοχετεύεται αέριο προστασίας. Το όπλο πλάσματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά δύο κυρίως τρόπους: α. Για την κοπή και συγκόλληση υλικών. Στην περίπτωση αυτή διακόπτεται η δευτερεύουσα παροχή αερίου οπότε από το όπλο εκτοξεύεται μόνο θερμό αέριο, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συγκόλληση ή κοπή. β. Για την επιμετάλλευση υλικών. Στην περίπτωση αυτή με τη δευτερεύουσα παροχή αερίου εκτοξεύεται μικρή ποσότητα μετάλλου η όποια επικολλάται στο αντικείμενο μπροστά στο στόμιο του όπλου. Με το όπλο πλάσματος είναι δυνατή η δημιουργία υψηλής ποιότητας επιμεταλλώσεων σε μέταλλα ή κεραμικά και η συγκόλληση διστήκτων μετάλλων. Παράδειγμα κατασκευής με όπλο πλάσματος αποτελεί η ξυριστική μηχανή περιορισμένης χρήσης του σχήματος 100. Σχήμα 100

29 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι Συγκόλληση ακτίνας ηλεκτρονίων. Στη μέθοδο αυτή η θερμότητα τήξης προέρχεται από τη μετατροπή σε θερμότητα της κινητικής ενέργειας δέσμης ηλεκτρονίων. Η δέσμη ηλεκτρονίων παράγεται από την υψηλή διαφορά δυναμικού μεταξύ της θερμαινόμενης καθόδου και του προς συγκόλληση αντικειμένου. Το κενό αυτό δημιουργεί ιδανικές συνθήκες συγκόλλησης για μέταλλα όπως το βολφράμιο, το βηρύλλιο, το τιτάνιο, το μολυβδαίνιο κ.ά. τα οποία είναι πολύ δύσκολο να συγκολληθούν με άλλες μεθόδους. Πάντως η απαιτούμενη εγκατάσταση είναι πολύπλοκη και η διαδικασία συγκόλλησης δαπανηρή ώστε να δικαιολογείται η χρησιμοποίηση της δέσμης ηλεκτρονίων για τη συγκόλληση αντικειμένων που δεν είναι πραγματοποιήσιμη με άλλη μέθοδο. Οι χρησιμοποιούμενες τάσεις είναι της τάξης των V Συγκόλληση ακτίνας Laser Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί για την τήξη του μετάλλου την ακτίνα πού παράγεται από laser CO 2. Το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται σε μείγμα με He, N 2 με αναλογίες CO 2 4.5%, N %, Ηe 82% περίπου. Τα αέρια αυτά λαμβάνονται συνήθως από φιάλες πεπιεσμένων αερίων και αναμειγνύονται πριν από την είσοδο τους στην κοιλότητα του laser. Η κοιλότητα αυτή λόγω των υψηλών θερμοκρασιών πού αναπτύσσονται στο εσωτερικό της, ψύχεται εξωτερικά από κλειστό κύκλωμα απιονισμένου νερού. Η ακτινοβολία του CO 2 laser εκπέμπεται σε. μήκος κύματος 10.6 μm και αποτελεί μία συγκεντρωμένη πηγή ενέργειας υπό την μορφή παράλληλης δέσμης. Εδώ η δέσμη αυτή διαστάσεων π.χ. 10mm εάν εστιασθεί με κατάλληλο σύστημα φακών είναι δυνατόν να έχουμε συγκέντρωση ενεργείας πού ξεπερνά τα 15 ΜW/cm 2. Η ισοδύναμη θερμοκρασία της ακτίνας laser ξεπερνά τους C. Από τα στοιχεία αυτά είναι σαφές ότι η ακτίνα laser είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί σε μεγάλο πλήθος εφαρμογών κοπής, συγκόλλησης, διάτρησης πού απαιτούν μεγάλη ακρίβεια όπως, η κοπή κρυστάλλων η συγκόλληση επαφών μικροκυκλωμάτων, η χάραξη κ.α. Τυπικές τιμές της κατεργασίας με ακτίνα CO 2 laser ισχύος 1000W, και υλικό Α1 2 O 3 είναι: Κοπή 5 mm/sec για πάχος 0.63 μμ. Διάτρηση 5 mm/sec Χάραξη 80 mm/sec Οι συσκευές βιομηχανικών laser είναι συνήθως εφοδιασμένες με μονάδα αριθμητικού ελέγχου (υπολογιστή) με την οποία επιτυγχάνεται ο έλεγχος της θέσης της ακτίνας. Οι εφαρμογές πού αναφέρθηκαν δεν εξαντλούν τις δυνατότητες της ακτίνας laser. Το όλο πεδίο είναι ανοικτό στην έρευνα και πολύ σύντομα αναμένονται και νέες τεχνολογικές εφαρμογές. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η προσπάθεια εφαρμογής της ακτίνας laser για τη συγκόλληση κοινών ελασμάτων (σχήμα 101). Γενικά πάντως λόγω του μικρού βαθμού απόδοσης του συστήματος laser που σήμερα φθάνει το 15% και του μεγάλου κόστους των συσκευών, η ακτίνα laser χρησιμοποιείται σε ειδικές περιπτώσεις που οι αντίστοιχες κατεργασίες δεν είναι δυνατές με άλλη μέθοδο.

30 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Ι 96 Σχήμα 101