Συγκολλήσεις μετάλλων

Transcript

1 Συγκόλληση τόξου με προστατευτικό αέριο Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο (Gas metal arc welding, GMAW ή MIG (Shielded metal arc welding, SMAW ή MMA) ή MAG) Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ

2 Συνδέσεις Οι βασικότεροι τρόποι σύνδεσης των μετάλλων είναι τρείς: Η ήλωση (μόνιμη σύνδεση) Η κοχλιοσύνδεση (λυόμενη σύνδεση) και Η συγκόλληση (μόνιμη σύνδεση)

3 Ήλωση (riveting)

4 Κοχλιοσύνδεση (bolting)

5 Συγκόλληση Ως συγκόλληση ορίζεται η ένωση δυο ή και περισσότερων κομματιών μετάλλου με θέρμανσή τους σε κατάλληλη θερμοκρασία ή με συμπίεσή τους ή και με τα δύο, με χρησιμοποίηση ή μη πρόσθετου υλικού, έτσι ώστε να δημιουργείται ανάμεσά τους κρυσταλλική σύνδεση. Στη συγκόλληση εάν ξεκινήσουμε από το ένα οποιοδήποτε κομμάτι προς το άλλο, διατρέχοντας και τη ζώνη συγκόλλησης (ραφή μαζί με τις γειτονικές περιοχές των συνδεόμενων κομματιών) συναντάμε κρυσταλλική δομή. Η συγκόλληση χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μόνιμων συνδέσεων. Συνήθως αποτελεί την καλύτερη μέθοδο σύνδεσης των μετάλλων.

6 Εφαρμογές συγκολλήσεων Οι εφαρμογές των συγκολλήσεων είναι πολλές και ποικίλες. Χρησιμοποιούνται στην κατασκευή αυτοκινήτων, ατράκτων αεροσκαφών, βαγονιών τρένων, πλαισίων μηχανών, επίπλων, μεταλλικών κατασκευών, δεξαμενών, ατμολεβήτων, πλοίων καθώς και σε γενικές εργασίες.

7 Χρήση διάφορων μεθόδων σύνδεσης σε ένα τυπικό αυτοκίνητο Soldering=κασσιτεροκόλληση, brazing=μπρουντζοκόλληση, bolting=κοχλιοσύνδεση, fasteners=συνδετήρες, spot-welding=σημειακή συγκόλληση (αντίστασης), seamwelding= συγκόλληση ραφής (αντίστασης), adhesion bonding=σύνδεση με κόλλα.

8 Εξέλιξη της κατεργασίας των μετάλλων Η σύνδεση των μετάλλων με συγκόλληση ξεκίνησε πολύ πριν από 3000 χρόνια. Σφυρηλασία των μετάλλων εν θερμώ ή εν ψυχρώ είχε ως αποτέλεσμα το σχηματισμό σύνδεσης.

9 Εξέλιξη της κατεργασίας των μετάλλων Ο χαλκός ήταν γνωστός πριν από το 3000 Π.Χ. Το κρατέρωμα ή μπρούντζος (κράμα χαλκού με κασσίτερο) αναπτύχθηκε μεταξύ 3000 και 2000 π.χ. Ο σίδηρος έγινε γνωστός στην Ευρώπη περίπου το 1000 π.χ. Αρκετές χιλιάδες χρόνια μετά τη χρήση του χαλκού Αντικατέστησε τον μπρούντζο, που χρησιμοποιούνταν για την κατασκευή τσιμπίδων, οπλισμού καθώς και σε άλλες εφαρμογές, μετά το 800 π.χ.

10 Εξέλιξη της κατεργασίας των μετάλλων Η κατεργασία των διάφορων μετάλλων υπήρξε διαδοχική στους μεγάλους αρχαίους πολιτισμούς. Από το χαλκό, στο μπρούντζο, ασήμι, χρυσό και σίδηρο.

11 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Συγκόλληση χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή της σιδερένιας κολώνας στους Δελφούς Ινδίας, που τοποθετήθηκε περίπου το 310 μ.χ. και ζυγίζει 5.4 τόνους. Η σιδερένια κολώνα στους Δελφούς, Ινδία.

12 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Η τεχνική της συγκόλλησης με σφυρηλασία σημείωσε πρόοδο κατά το Μεσαίωνα, σύμφωνα με την οποία οι σιδεράδες χτυπούσαν το θερμό μέταλλο διαδοχικά, μέχρι να γίνει σύνδεση. Το 1540, ο Vannoccio Biringuccio δημοσίευσε τη De la pirotechnia, η οποία περιλάμβανε περιγραφή της διεργασίας της σφυρηλασίας. Οι τεχνίτες της Αναγέννησης ήταν επιδέξιοι σε αυτήν την τεχνική, και η χρήση της διευρύνθηκε τους επόμενους αιώνες.

13 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Η τεχνική της συγκόλλησης μετασχηματίσθηκε τον 19ο αιώνα. Το 1802, ο Ρώσος επιστήμονας Vasili Petrov ανακάλυψε το ηλεκτρικό τόξο και στη συνέχεια πρότεινε πιθανές εφαρμογές του, περιλαμβανομένης της συγκόλλησης. Η ασετιλίνη ανακαλύφθηκε το 1836, από τον Edmund Davy, αλλά η χρήση της στις συγκολλήσεις έγινε δυνατή μόνο περίπου το 1900, όταν αναπτύχθηκε κατάλληλος καυστήρας. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν άλλες μέθοδοι όπως: Ηλεκτρικό τόξο με ηλεκτρόδιο γραφίτη Συγκόλληση εναλλασσόμενου ρεύματος Συγκόλληση με ηλεκτρική αντίσταση Οξυγονοκόλληση

14 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Στις αρχές του αιώνα η συγκόλληση χρησιμοποιείται ως μέσο σύνδεσης κατασκευαστικών στοιχείων. Κατασκευή πρώτου καυστήρα ασετιλίνης οξυγόνου. Χρησιμοποίηση συγκόλλησης ηλεκτρικού τόξου στις ΗΠΑ περίπου το Οι συγκολλήσεις έχουν μικρότερη αντοχή από το μέταλλο, λόγω της χρήσης γυμνών ηλεκτροδίων. Το τόξο συγκόλλησης δεν είναι σταθερό

15 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Παρά τα προβλήματα από το 1920 εμφανίζονται οι πρώτες κατασκευές στη ναυπηγική και στην υπόλοιπη βιομηχανία, όπου η συμμετοχή των συγκολλητών κατασκευών στη συνολική ποσότητα των συνδέσεων είναι σημαντική. Ταυτόχρονα έρευνα πάνω στα ηλεκτρόδια είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή ηλεκτροδίων με επένδυση και βελτίωση του σύρματος στον πυρήνα.

16 Εξέλιξη των συγκολλήσεων Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο Εξελίχθηκε γρήγορα λόγω της κατασκευής ηλεκτροδίων με επένδυση και βελτίωση του σύρματος πυρήνα. Σήμερα αποκαλείται χειρωνακτική συγκόλληση με επενδυμένα ηλεκτρόδια (shielded metal arc welding - SMAW). Ανάπτυξη των ακτίνων Χ Κατέστησε δυνατή την εξέταση της εσωτερικής ποιότητας των συγκολλητών συνδέσεων

17 Πολυστρωματικές συγκολλήσεις Η δυνατότητα κατασκευής πολυστρωματικών συγκολλήσεων, όπως αυτή της φωτογραφίας, σε πλάκες και σε σωλήνες συνέβαλλε στην ανάπτυξη της βιομηχανίας. Οι συγκολλήσεις έχουν ωραία και ομοιόμορφη εμφάνιση. Pass 1 Pass 2 Pass 3

18 Κατάταξη των συγκολλήσεων Συγκολλήσεις τήξης Τα υλικά θερμαίνονται στη θέση συνδέσεως, έως ότου γίνουν ρευστά και επιτρέπουν έτσι τη σύνδεση μετά τη στερεοποίηση του τήγματος. Παραδείγματα: Συγκολλήσεις αερίων (οξυγονοσυγκολλήσεις), Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Συγκολλήσεις στερεάς φάσης ή πίεσης Τα υλικά θερμαίνονται στη θέση συγκολλήσεως, έως ότου γίνουν εύπλαστα και κατόπιν συμπιέζονται. Παραδείγματα: Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης

19 Συγκολλήσεις τήξης Οι συγκολλήσεις τήξης γίνονται: Με τήξη στη θέση συγκόλλησης και των δυο κομματιών που πρόκειται να ενωθούν. Τα κομμάτια πρέπει να είναι από μέταλλο ή κράμα της ίδιας ή παρόμοιας χημικής σύνθεσης. Με τήξη και των δυο κομματιών, όπως προηγουμένως, αλλά με σύγχρονη τήξη και τρίτου πρόσθετου συγκολλητικού υλικού, το οποίο ονομάζεται κόλληση. Η κόλληση έχει την ίδια ή παρόμοια χημική σύνθεση με τα συγκολλούμενα υλικά. Με τήξη μόνο της κόλλησης. Η κόλληση είναι υλικό εντελώς διαφορετικό από το υλικό των κομματιών προς συγκόλληση και έχει οπωσδήποτε χαμηλότερο σημείο τήξης από αυτά. Τα κομμάτια είναι δυνατό να είναι από το ίδιο ή και από διαφορετικό υλικό.

20 Συγκολλήσεις πίεσης Οι συγκολλήσεις πίεσης γίνονται με θέρμανση των κομματιών στη θέση συγκόλλησης σε θερμοκρασία χαμηλότερη του σημείου τήξης του υλικού και με άσκηση επάνω τους ισχυρής πίεσης. Με πίεση είναι δυνατή και η συγκόλληση ψυχρών κομματιών.

21 Διάκριση των συγκολλήσεων τήξης Οι συγκολλήσεις τήξης, ανάλογα με τη φύση του συγκολλητικού υλικού, διακρίνονται σε: Αυτογενείς, όπου η κόλληση και τα συγκολλούμενα τεμάχια είναι από αυτό ή παρόμοιο υλικό. Ετερογενείς, όπου το υλικό κόλλησης των δυο τεμαχίων είναι διαφορετικό.

22 Μηχανισμός αυτογενών συγκολλήσεων Στις αυτογενείς συγκολλήσεις το τήγμα αποψυχόμενο στερεοποιείται και πραγματοποιείται η κρυσταλλική σύνδεση των κομματιών, οπότε κόλληση και μέταλλο κομματιών γίνονται ένα «σώμα» Για να γίνει το πύρωμα των κομματιών και της κόλλησης σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες τήξης χρειάζεται να προσδώσουμε σημαντική ποσότητα θερμότητας στη θέση της συγκόλλησης. Η θερμότητα προσδίδεται βασικά είτε με καύση κατάλληλου αερίου είτε προέρχεται από ηλεκτρική ενέργεια.

23 Μηχανισμός ετερογενών συγκολλήσεων Τα κομμάτια προς συγκόλληση θερμαίνονται σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο τήξης τους, υψηλότερη όμως από το σημείο τήξης της κόλλησης. Στη θερμοκρασία αυτή η κόλληση λιώνει και λεπτόρρευστη όπως είναι απλώνεται στις επιφάνειες που θα συγκολληθούν. Η κρυσταλλική σύνδεση επιτυγχάνεται με τη στερεοποίηση ενός κράματος που σχηματίζεται από τα στοιχεία της κόλλησης και των κομματιών σε περιορισμένη περιοχή των επιφανειών συγκόλλησης. Η σύνδεση ενισχύεται και με μηχανικό δεσμό, που οφείλεται στη διείσδυση της ρευστής κόλλησης μέσα στους πόρους των επιφανειών συγκόλλησης. Βασική προϋπόθεση για την εκτέλεση μιας ετερογενούς συγκόλλησης είναι η απόλυτη καθαρότητα των επιφανειών συγκόλλησης των κομματιών, από το λεπτό στρώμα οξειδίων που σχηματίζονται πάνω στις μεταλλικές επιφάνειες, ιδιαίτερα όταν πυρώνονται. Η παρουσία των οξειδίων εμποδίζει την πραγματοποίηση του μηχανισμού της ετερογενούς συγκόλλησης.

24 Μηχανισμός συγκολλήσεων πίεσης Στις συγκολλήσεις πίεσης τα κομμάτια πυρώνονται στη θέση συγκόλλησης σε θερμοκρασία κατώτερη από το σημείο τήξης του μετάλλου και ταυτόχρονα πιέζονται ισχυρά, χωρίς να προστίθεται συγκολλητικό υλικό. Σε αυτή την υψηλή θερμοκρασία σε συνδυασμό με την πίεση (σφυροκόπημα ή κατάλληλη πρέσα), τα οξείδια που σχηματίζονται στις επιφάνειες συγκόλλησης, καταστρέφονται και εκδιώκονται. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται κρυσταλλική σύνδεση των κομματιών.

25 Θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (ΘΕΖ) Στην περιοχή της σύνδεσης μπορεί να αναγνωριστεί ένας αριθμός διακριτών ζωνών: Το μέταλλο βάσης Το μέταλλο συγκόλλησης και Η περιοχή σύντηξης (μέταλλο βάσης + διάχυση μετάλλου συγκόλλησης). θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη, ΘΕΖ (Heat affected zone, ΗΑΖ). Λόγω της θέρμανσης της σε υψηλές θερμοκρασίες υφίσταται μεταβολές στη δομή και τις ιδιότητές της. Οι συγκολλήσεις με δέσμη λέιζερ (laser) και δέσμη ηλεκτρονίων έχουν ως αποτέλεσμα τον περιορισμό της ΘΕΖ. Σχηματική αναπαράσταση των ζωνών μιας τυπική συγκόλλησης σύντηξης.

26 Ταξινόμηση μεθόδων συγκόλλησης (i). Συγκολλήσεις τόξου (Arc Welding) Τόξου γραφίτη (Carbon arc) Τόξου μετάλλου (Metal arc) Μετάλλου - προστατευτικού αερίου (Metal inert gas) Βολφραμίου-προστατευτικού αερίου (Tungsten inert gas) Τόξου πλάσματος (Plasma arc) Με βυθιζόμενο τόξο (Submerged arc) Ηλεκτροσκωριακή (Electro-slag) (ii). Συγκολλήσεις αερίου (Gas Welding) Οξυγόνου - Ασετιλίνης Αέρα - Ασετιλίνης Οξυγόνου - Υδρογόνου (iii). Συγκολλήσεις αντίστασης (Resistance Welding) Κατά άκρα (Butt) Κατά σημεία (Spot) Ραφής (Seam) Με προεκβολές (Projection) Με πρόσκρουση (Percussion) (iv). Θερμιτοσυγκόλληση (Thermit Welding) (v). Συγκολλήσεις πίεσης (Solid State Welding) Με Με Με Με τριβή (Friction) υπερήχους (Ultrasonic) διάχυση (Diffusion) έκρηξη (Explosive) (vi). Νεώτερες μέθοδοι συγκόλλησης Με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron-beam) Με laser (Laser) (vii). ΚασσιτεροκολλήσειςΜπρουντζοκολλήσεις (Soldering-Brazing) (viii).εργασίες συναφείς με τις συγκολλήσεις Οξυγονοκοπή (Oxy-acetylene cutting) Κοπή ηλεκτρικού τόξου (Arc cutting) Hard facing

27 Συγκόλληση τόξου βολφραμίου (TIG) Συγκόλληση αλουμινίου που έγινε με τη μέθοδο TIG (Tungsten Inert Gas). Η συγκόλληση του αλουμινίου δεν αποτελεί πλέον πρόβλημα και πραγματοποιείται με την ίδια ευκολία με τις συγκολλήσεις χάλυβα.

28 Συγκόλληση τόξου με προστατευτικό αέριο (GMAW or MIG or MAG) Συγκεντρώνει μεγάλο ποσό θερμότητας σε συγκεκριμένο σημείο Παράγει Μικρές θερμικάεπηρεαζόμενες ζώνες (ΘΕΖ) Narrow bead width Διείσδυση σε μεγάλο βάθος Υψηλή ταχύτητα συγκόλλησης Τώρα χρησιμοποιείται σε όλες τις βιομηχανίες. Σήμερα περισσότερες από 70% των συγκολλήσεων πραγματοποιείται με αυτή τη μέθοδο.

29 Συγκολλήσεις σε ασυνήθιστες συνθήκες Συγκολλήσεις σε εξωτερικό περιβάλλον Συγκολλήσεις κάτω από το νερό Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο (Shielded metal arc welding, SMAW ή MMA) αποτελεί την πιο κοινή τεχνική Συγκόλληση με προστατευτικό αέριο δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν λόγων των απρόβλεπτων συνθηκών Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο Συγκόλληση πλοίων, θαλάσσιων πλατφορμών, υποθαλάσσιων σωλήνων Συγκολλήσεις σε κενό (διάστημα) Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο Συγκόλληση πλάσματος Συγκόλληση δέσμης ηλεκτρονίων Συγκόλληση κάτω από το νερό

30 Βιομηχανικές ανάγκες Περισσότερες από 90 τεχνικές συγκόλλησης. Ανάγκη για νέες και ακόμη καλύτερες μηχανές συγκόλλησης, αέρια, φλόγιστρα, ηλεκτρόδια, διεργασίες και τεχνολογία. Συνεχής έρευνα για νέα μέταλλα διεξάγεται από τις βιομηχανίες αυτοκινήτου, πλοίων, διαστήματος και πυρηνικής ενέργειας. Οι ανάγκες προάγουν την έρευνα στις συγκολλήσεις.

31 Οργανισμοί τυποποίησης συγκολλήσεων Ελληνικός Οργανισμός Τυποποίησης (ΕΛΟΤ) Ευρωπαϊκή Επιτροπή Τυποποίησης (European committee for Standardization-CEN) International Standards Organization (ISO) American National Standards Institute (ANSI) American Petroleum Institute (API) American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Welding Society (AWS) American Bureau of Shipping (ABS) Παρέχουν οδηγίες και πρότυπα για τις διεργασίες συγκόλλησης

32 Συγκολλήσεις τόξου και αερίου Οι συγκολλητές πρέπει να έχουν σχεδόν πλήρη έλεγχο της διεργασίας Πρέπει να γνωρίζουν τις ιδιότητες των μετάλλων που πρόκειται να συγκολληθούν, ποια διεργασία πρέπει να χρησιμοποιήσουν, πώς να σχεδιάσουν, να μετρήσουν και να εκτελέσουν τη συγκόλληση

33 Συγκολλήσεις αντίστασης Περιλαμβάνουν τη σημειακή συγκόλληση (συγκόλληση πόντας), συγκόλληση ραφής καθώς και άλλες παρόμοιες τεχνικές συγκόλλησης που εκτελούνται με μηχανές Οι συγκολλητές (χειριστές) συνήθως εκπαιδεύονται στο χώρο εργασίας

34 Θέσεις συγκόλλησης Overhead Vertical General Electric Corp. Επίσης επίπεδη και οριζόντια θέση

35 Έλεγχος με μαγνητικά σωματίδια Ο έλεγχος των συγκολλήσεων πιστοποιεί την αρτιότητά τους

36 Παραδείγματα συγκολλήσεων Creating Art! Enrique Vega

37 Ο master συγκολλητής Μπορεί να συγκολλήσει όλες τις ομάδες χαλύβων και τα κράματά τους Επιπλέον αλουμίνιο, νικέλιο, τιτάνιο, ζιρκόνιο καθώς και τα κράματά τους Παράγει συγκολλήσεις υψηλής ποιότητας Οι συγκολλήσεις του ανταποκρίνονται στις ανάγκες της εκάστοτε εργασίας Ντελικάτη συγκόλληση χρυσού και ασημιού έως Συγκόλληση δοχείων πίεσης με πάχος τοιχώματος 10 εκατοστών