Συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με προστατευτικό αέριο (GMAW)

Transcript

1 Συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με προστατευτικό αέριο (GMAW) Συγκόλληση τόξου με προστατευτικό αέριο (Gas metal arc welding, GMAW, Metal inert gas, MIG και Metal active gas, MAG) Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ

2 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Εισαγωγή Η συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με προστατευτικό αέριο (Gas metal arc welding, GMAW), είναι μια διεργασία η οποία χρησιμοποιεί ένα συνεχώς τροφοδοτούμενο σύρμα ως ηλεκτρόδιο και ένα αέριο προστασίας. Όταν το αέριο προστασίας είναι αδρανές αέριο (Ar, He) χρησιμοποιείται ο όρος συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με αδρανές αέριο (Metal inert gas, MIG). Στην περίπτωση χρησιμοποίησης φθηνότερων αερίων ή μειγμάτων αερίων (π.χ. CO2) χρησιμοποιείται ο όρος συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με ενεργό αέριο (Metal active gas, MAG). Παράγονται ραφές υψηλής ποιότητας. Η απόδοση της μεθόδου είναι πολύ υψηλή.

3 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Σχηματική διάταξη εγκατάστασης για συγκόλληση MIG, MAG

4 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Σχηματική διάταξη εγκατάστασης για συγκόλληση MIG, MAG (συνέχ.) (καρούλι)

5 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Συγκόλληση MIG, MAG Στη μέθοδο MIG τα αδρανή αέρια τα οποία χρησιμοποιούνται είναι το αργό, Ar και το ήλιο, He. Ar, He ή μείγματα Ar (25%), He (75%) χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση ελαφρών και μη σιδηρούχων μετάλλων (κυρίως Al) καθώς επίσης για ανοξείδωτους και κραματοχάλυβες Αν και τα αδρανή αέρια είναι ακριβά, με τη χρήση τους επιτυγχάνονται πολύ καλά αποτελέσματα για τη συγκόλληση ιδίως μέσου και μεγάλου πάχους ελασμάτων Στη μέθοδο MAG, χρησιμοποιούνται μη αδρανή αέρια, όπως CO2 ή μείγματα αερίων Η μέθοδος MAG χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση ανθρακούχων και χαμηλής κραμάτωσης χαλύβων. Εφαρμόζεται σε αμαξώματα για τη συγκόλληση λεπτών ελασμάτων

6 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Προστατευτικά αέρια Το Ar είναι βαρύτερο και προσφέρει μεγαλύτερη προστασία από το He. Επίσης είναι φθηνότερο.

7 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Τύποι μεταφοράς μετάλλου Η βασική διεργασία ηλεκτροσυγκόλλησης με προστατευτικό αέριο περιλαμβάνει τρείς διακριτές τεχνικές μεταφοράς του λιωμένου μετάλλου από την άκρη του ηλεκτροδίου στο λουτρό τήγματος Μεταφορά με τη μορφή σταγόνων (globular transfer) Μεταφορά με τη μορφή ψεκασμού (spray transfer) Μεταφορά με βραχυκύκλωση τόξου (short-circuit transfer)

8 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Μεταφορά υπό τη μορφή σταγόνων Οι σταγόνες μετάλλου ταξιδεύουν κατά μήκος του κενού, το οποίο γεφυρώνει το τόξο, κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Οι σταγόνες μετάλλου έχουν μεγαλύτερη διάμετρο από τη διάμετρο του σύρματος Υπάρχει πιτσίλισμα Η συγκόλληση είναι πιο αποτελεσματική σε επίπεδη θέση (flat position) Μικρή ένταση ρεύματος συγκόλλησης (180Α)

9 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Μεταφορά υπό τη μορφή ψεκασμού Λαμβάνει χώρα πάνω από ένα κρίσιμο επίπεδο έντασης ρεύματος ( Α) Μικρές σταγόνες μετάλλου ταξιδεύουν κατά μήκος του κενού χώρου, κάτω από την επίδραση του ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, με πολύ μεγαλύτερη συχνότητα και ταχύτητα από ότι οι σταγόνες στην περίπτωση του σφαιρικού μοντέλου (globular mode) Χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση μεγάλου πάχους ελασμάτων. Ακόμη είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για συγκολλήσεις σε επίπεδη θέση, λόγω του μεγάλου λουτρού τήγματος Περισσότερο σταθερή και απουσία πιτσιλίσματος

10 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Μεταφορά με βραχυκύκλωση τόξου Σταγόνες λιωμένου μετάλλου μεταφέρονται από τη άκρη του ηλεκτροδίου στο λουτρό τήγματος, όταν αυτό ακουμπά την επιφάνεια του λουτρού (short-circuit) Απαιτεί πολύ χαμηλής έντασης ρεύμα και μικρή διάμετρο σύρματος, παράγοντας μικρό λουτρό τήγματος, οποίο στερεοποιείται γρήγορα. Αυτό είναι επιθυμητό για τη συγκόλληση λεπτών τμημάτων σε όλες τις θέσεις συγκόλλησης, καθώς επίσης και υλικών μεγάλου πάχους σε κατακόρυφη και υπεράνω θέσεις

11 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Πλεονεκτήματα Είναι πολύ καθαρή μέθοδος, λόγω της χρήσης προστατευτικού αερίου Επιτυγχάνονται πολύ υψηλότεροι ρυθμοί απόθεσης Μπορούν να συγκολληθούν μεγαλύτερου πάχους ελάσματα με υψηλότερες ταχύτητες Μπορεί να χρησιμοποιηθεί διεργασία διπλού σύρματος προκειμένου να αυξηθεί ακόμη περισσότερο ο ρυθμός απόθεσης Το γεγονός ότι το τόξο είναι μικρού μήκους και σταθερό, καθιστά ευκολότερη τη συγκόλληση (δεν απαιτείται ιδιαίτερη δεξιοτεχνία)

12 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Πλεονεκτήματα (συνέχ.) Μεγάλα κενά μπορούν να γεμισθούν ή να γεφυρωθούν με ευκολία Μπορεί να γίνει συγκόλληση σε όλες τις θέσεις Δεν απαιτείται αφαίρεση σκουριάς Παράγονται ραφές υψηλής ποιότητας Υπάρχει μικρότερη επίδραση στη δομή των υπό συγκόλληση μεταλλικών κομματιών

13 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Μειονεκτήματα Επειδή το πιστόλι ηλεκτροσυγκόλλησης με προστατευτικό αέριο είναι αρκετά ογκώδες, είναι δύσκολο να φτάσει σε μικρές επιφάνειες και γωνίες.

14 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Τύπος εισχώρησης της κόλλησης Τριχοειδής τύπος εισχώρησης, capillary (nipple) penetration type

15 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Εξοπλισμός GMAW Ο εξοπλισμός αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία Λαβίδα ηλεκτροδίου (πιστόλι) και βοηθητικά εξαρτήματα Συσκευή τροφοδοσίας και ελέγχου του σύρματος Μηχανή συγκόλλησης Η συγκόλληση GMAW εκτελείται ως ημιαυτόματη μηχανοποιημένη, ως αυτόματη ή ως ρομποτική

16 WIRE CONTROL & WIRE FEED MOTOR POWER SOURCE

17 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Λαβίδα ηλεκτροδίου και βοηθητικά εξαρτήματα Η λαβίδα (πιστόλι) οδηγεί το σύρμα και το αέριο προστασίας στην περιοχή συγκόλλησης Τα κύρια μέρη μιας λαβίδας είναι: το ακροφύσιο προστατευτικού αερίου, το άκρο επαφής, ο διαχυτήρας αερίου και ο σωλήνας οδηγήσεως σύρματος

18 GAS DIFFUSER NOZZLE TRIGGER CONTACT TIP INSTALLED COMPONENTS

19 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Συσκευή τροφοδοσίας και ελέγχου του σύρματος Η κύρια λειτουργία της είναι έλξη του σύρματος από το καρούλι και η τροφοδοσία του στο πιστόλι συγκόλλησης Ελέγχει την ταχύτητα τροφοδοσίας του σύρματος, το ξεκίνημα και το σταμάτημα Η ταχύτητα τροφοδοσίας του σύρματος ρυθμίζει την ένταση του ρεύματος συγκόλλησης

20 WIRE FEEDER (ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟ ΣΥΡΜΑΤΟΣ)

21

22 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Μηχανή συγκόλλησης Σχεδόν όλες οι διεργασίες συγκόλλησης GMAW διενεργούνται με συνεχές ρεύμα και αντίστροφη πολικότητα, γνωστό ως DCEP Ο θετικός πόλος (+) συνδέεται με το ηλεκτρόδιο (λαβίδα) Ο αρνητικός πόλος (-) συνδέεται με το μεταλλικό κομμάτι Διατηρεί μια σχετικά σταθερή τάση τόξου (22-30 V). Η απαιτούμενη τάση ανάμματος του τόξου είναι ~70 V Τάση τόξου είναι η τάση ανάμεσα στην άκρη του σύρματος και το μεταλλικό κομμάτι Η συγκόλληση με παλμικό ρεύμα διευκολύνει τη μείωση του κρίσιμου ρεύματος σε σχέση με τη συγκόλληση με σταθερό συνεχές ρεύμα, με θετικό πόλο στο ηλεκτρόδιο

23 POSITIVE TERMINAL NEGATIVE TERMINAL

24 Ηλεκτροσυγκολλήσεις με προστατευτικό αέριο Αέριο προστασίας Σκοπός των προστατευτικών αερίων είναι η προστασία των υπό συγκόλληση κομματιών από το οξυγόνο της ατμόσφαιρας Το αέριο μπορεί να είναι αδρανές, δραστικό ή μείγμα και των δυο Η ροή του αερίου είναι μεταξύ m3/h Αργόν, ήλιο και διοξείδιο του άνθρακα είναι τα τρία κύρια αέρι που χρησιμοποιούνται στη συγκόλληση GMAW

25 FLOW METER CFH PRESSURE ADJUSTMENT KNOB CYLCINDER PRESSURE GAUGE

26 Ηλεκτροσυγκόλληση σύρματος με πυρήνα Συγκόλληση τόξου σύρματος μεσυλλιπάσματος πυρήνα συλλιπάσματος (FCAW) Η συγκόλληση τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (FCAW - flux-cored arc welding), είναι μια παραλλαγή της ηλεκτροσυγκόλλησης με το χέρι (SMAW-shielded metal arc welding), για την αποφυγή των περιορισμών των ηλεκτροδίων υπό μορφή ράβδου Το ηλεκτρόδιο είναι ένα συνεχές σύρμα με πυρήνα συλλιπάσματος και άλλων συστατικών (π.χ. κραματικών στοιχείων) Δυο είδη: Αυτοπροστατευόμενη FCAW-ο πυρήνας περιέχει συστατικά που παράγουν προστατευτικά αέρια Με προστασία αερίου FCAW-χρησιμοποιείται εξωτερικό αέριο προστασίας

27 Ηλεκτροσυγκόλληση σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος Συγκόλληση τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (FCAW) Σχηματική παράσταση της συγκόλλησης τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (Flux cored arc welding-fcaw). Αυτή η διεργασία είναι ίδια με τη συγκόλληση τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με προστασία αερίου (SMAW).

28 Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση (Submerged arc welding, SAW) Η συγκόλληση με βυθιζόμενο τόξο (SAW) είναι μια υψηλής απόδοσης διεργασία, στην οποία το αναμμένο τόξο βρίσκεται κάτω από ένα στρώμα συλλιπάσματος Επειδή το βυθιζόμενο τόξο δεν είναι φανερό, δεν παράγεται σχεδόν καθόλου καπνός με αποτέλεσμα τη μεγάλη βελτίωση των συνθηκών εργασίας Το συλλίπασμα τροφοδοτείται από μια χοάνη, η οποία ταξιδεύει μαζί με το πιστόλι συγκόλλησης Δεν απαιτείται η χρησιμοποίηση προστατευτικού αερίου, επειδή το λιωμένο μέταλλο διαχωρίζεται από τον αέρα με το υγρό στρώμα σκουριάς και το συλλίπασμα υπό μορφή σκόνης

29 Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση Σχηματική διάταξη εγκατάστασης για εμβαπτιζόμενη συγκόλληση

30 Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση Σχηματική διάταξη εγκατάστασης για εμβαπτιζόμενη συγκόλληση

31 Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση Πλεονεκτήματα Παράγονται καθαρές ραφές λόγω της προστατευτικής και καθαριστικής δράσης της σκουριάς Επειδή το τόξο είναι εμβαπτιζόμενο, απώλεια θερμότητας και πιτσίλισμα εξαφανίζονται Στη σκόνη συλλιπάσματος μπορούν να προστεθούν κραματικά στοιχεία και μεταλλική σκόνη για τον έλεγχο της σύστασης και αύξησης του ρυθμού απόθεσης αντίστοιχα Ο ρυθμός απόθεσης μπορεί να αυξηθεί χρησιμοποιώντας δυο ηλεκτρόδια (in tandem) Στη βιομηχανία χρησιμοποιούνται ειδικά για τη συγκόλληση τεμαχίων μεγάλου πάχους και στην κατασκευή δοχείων πίεσης.

32 Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση Μειονεκτήματα Δεν μπορεί να γίνει συγκόλληση σε κυκλική θέση (σωλήνες) Παροχή μεγάλου ποσού θερμότητας μπορεί να μειώσει την ποιότητα των ραφών και να αυξήσει τις δομικές διαταραχές των μεταλλικών κομματιών

33 Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση (Electroslag welding, ESW) Η ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση (ESW) είναι μια διεργασία, κατά την οποία τα υπό συγκόλληση μεταλλικά κομμάτια θερμαίνονται από ένα λουτρό λιωμένης σκουριάς, που βρίσκεται σε ένα οριοθετημένο χώρο ανάμεσα στα μεταλλικά κομμάτια Το λουτρό λιωμένου μετάλλου καλύπτεται από ρευστή σκουριά και κινείται προς τα επάνω, καθώς η συγκόλληση προχωρά Η θέση συγκόλλησης είναι κλειστή με χάλκινα επικαλύμματα, ψυχόμενα με νερό Σε αυτό τον οριοθετημένο χώρο τροφοδοτείται το σύρμα ηλεκτροδίου και προσάγεται σε μικρές μερίδες το συλλίπασμα Αρχικά προστίθεται το συλλίπασμα και κατόπιν λιώνει από τη θερμότητα που παράγει το τόξο Όταν η λιωμένη σκουριά φθάσει την άκρη του ηλεκτροδίου, το τόξο σβήνει Κατόπιν η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα από την ηλεκτρική αντίσταση της ρευστής σκουριάς και συνεπώς η λιωμένη σκουριά παίζει το ρόλο της πηγής θερμότητας Το τόξο χρησιμοποιείται μόνο για την εκκίνηση της διεργασίας

34 Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση (Electroslag welding)

35 Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση (Electroslag welding)

36 Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση Πλεονεκτήματα Εξαιρετικά υψηλό ρυθμό απόθεσης Η συγκόλληση επιτυγχάνεται με ένα μόνο πέρασμα, ανεξάρτητα από το πάχος των κομματιών Δεν υπάρχουν γωνιακές διαταραχές, λόγω της συμμετρίας της κόλλησης

37 Ηλεκτροσκωριακή συγκόλληση Μειονεκτήματα Πολύ υψηλή ποσότητα θερμότητας η ποιότητα της συγκόλλησης μπορεί να μειωθεί, λόγω της αύξησης του μεγέθους των κόκκων στη ζώνη τήξης ή στη θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (ΘΕΖ) Περιορίζεται αποκλειστικά σε κατακόρυφη θέση, λόγω του πολύ μεγάλου λουτρού κόλλησης Κατακόρυφη τομή ηλεκτροσκωριακής συγκόλλησης σε κομμάτι χάλυβα πάχους 70 mm

38 Ηλεκτροσυγκόλληση με μόνωση αερίου Ηλεκτροσυγκόλληση με προστασία αερίου (Electrogas welding, EGW) Χρησιμοποιείται ένα συνεχώς τροφοδοτούμενο ηλεκτρόδιο, το οποίο είτε είναι σύρμα με πυρήνα συλλιπάσματος, είτε γυμνό σύρμα με εξωτερική τροφοδοσία προστατευτικού αερίου. Επίσης υπάρχουν μεταλλικά επικαλύμματα, τα οποία περιορίζουν το λιωμένο μέταλλο Όταν χρησιμοποιείται σύρμα με πυρήνα συλλιπάσματος και δεν υπάρχει παροχή εξωτερικού αερίου, τότε αποτελεί μια ειδική περίπτωση αυτοπροστατευόμενης συγκόλλησης τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (FCAW) Όταν χρησιμοποιείται γυμνό σύρμα με προστατευτικό αέριο από εξωτερική πηγή, τότε αποτελεί μια ειδική περίπτωση συγκόλλησης τόξου μεταλλικού ηλεκτροδίου με προστατευτικό αέριο (GMAW).

39 Ηλεκτροσυγκόλληση με μόνωση αερίου Ηλεκτροσυγκόλληση με προστασία αερίου (Electrogas welding) Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτροσυγκόλλησης με προστασία αερίου