ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΠΒΠ ΜΕΡΟΣ Α ΧΥΤΕΥΣΗ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ

Transcript

1 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ TMHMA ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧ/ΚΩΝ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΤΕ Τηλ.: , Φαξ: , ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΔΥΤΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ: ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΠΒΠ ΜΕΡΟΣ Α ΧΥΤΕΥΣΗ - ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ 1

2 Στ. Μαρόπουλος ΚΟΖΑΝΗ Περιεχόμενα 1. ΑΣΚΗΣΗ 1: ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΤΟΞΟΥ 2. ΑΣΚΗΣΗ 2: ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΑΦΗΣ ΤΟΞΟΥ 3. ΑΣΚΗΣΗ 3: ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ - SPOT WELDING (ΗΛΕΚΤΡΟΠΟΝΤΑ) 4. ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΟΞΥΓΟΝΟΚΟΛΛΗΣΗ 5. ΑΣΚΗΣΗ 5: ΚΟΠΗ ΧΑΛΥΒΔΙΝΩΝ ΕΛΑΣΜΑΤΩΝ ΜΕ PLASMA 6. ΑΣΚΗΣΗ 6: ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΣΥΣΚΕΥΗ ΤΥΠΟΥ MIG

3 7. ΑΣΚΗΣΗ 7: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΡΑΜΑΤΟΣ (Al - Si) 8. ΑΣΚΗΣΗ 8: ΧΥΤΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΚΑΛΟΥΠΙΑ ΑΜΜΟΥ. 9. ΑΣΚΗΣΗ 9: ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΚΗ ΧΥΤΕΥΣΗ

4 ΑΣΚΗΣΗ 1 ΑΣΚΗΣΗ 1: ΗΛΕΚΤΡΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΤΟΞΟΥ Περίληψη: στην άσκηση αυτή, θα αναφερθούν όλες οι παράμετροι υπολογισμού των ηλεκτροσυγκολλήσεων τόξου, σε ευρεία κλίμακα εφαρμογών. Κατόπιν στο εργαστήριο ο σπουδαστής θα επιλέξει ελάσματα (αποθήκη υλικών εργαστηρίου), θα καθορίσει τις απαιτήσεις που προδιαγράφονται για την συγκόλλησή τους και θα την πραγματοποιήσει. Θα εξεταστεί η σωστή επιλογή των συνθηκών και όχι η ικανότητα συγκόλλησης. Θεωρητικό υπόβαθρο: Η ΜΜΑ -SMAW (Manual Metal Arc.- Shielded Metal Arc Welding) εκτελείται µε ηλεκτρόδια επενδυμένα µε ειδική πάστα. Για να εκτελεστεί συγκόλληση ΜΜΑ, πρέπει η μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης να εξασφαλίζει ότι, το τόξο της ηλεκτροσυγκόλλησης θα διαρρέεται από ρεύμα σταθερής έντασης, η οποία συμβολίζεται ως CC (= Constant Current). 4

5 εικόνα1: αριστερά η σχηματική παράσταση της διαδικασίας ηλεκτροσυγκόλλησης με τόξο. Το βολταϊκό τόξο που δημιουργείται σχηματίζει το πλάσμα στο οποίο διαμέσου της θερμότητας και της διαφοράς δυναμικού τηγμένο υλικό από το ηλεκτρόδιο μεταφέρεται στο υλικό βάσης. Στην δεξιά φωτογραφία φαίνεται μια "περαστή" ραφή. Το υλικό βάσης έχει ήδη προετοιμαστεί με σβουράκι. Ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων συγκόλλησης χρησιμοποιεί το ηλεκτρικό τόξο σαν πηγή θερμότητας, επειδή η θερμότητα του τόξου μπορεί να ελεγχθεί εύκολα. Το ηλεκτρικό τόξο είναι μία υψηλού ρεύματος και χαμηλής τάσης εκκένωση, που συντηρείται με τη βοήθεια ενός θερμικά ιονισμένου αερίου, που ονομάζεται πλάσμα. Οι συνθήκες λειτουργίας του είναι της τάξης των Α και των Volts. Το ηλεκτρικό τόξο της συγκόλλησης. Αν συνδεθούν τα άκρα μιας γεννήτριας ηλεκτρικού ρεύματος το ένα με το ηλεκτρόδιο συγκόλλησης και το άλλο με τα μέταλλα βάσης δημιουργείται μια άνοδος (+) και μια κάθοδος (-) και η δυνατότητα ανάπτυξης μεταξύ των δύο, ενός ηλεκτρικού - βολταϊκού τόξου. Αν η άνοδος και η κάθοδος έρθουν σε επαφή μεταξύ τους, θα δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό τόξο αόρατο, το οποίο θα πυρακτώσει τις επιφάνειες επαφής ανόδου και καθόδου, δηλαδή το ηλεκτρόδιο και τα συγκολλούμενα τεμάχια. Αν η απόσταση μεγαλώσει λίγο, το τόξο θα διατηρείται και τότε θα είναι ορατό. Την αρχική πυράκτωση ακολουθούν τα εξής βασικά φαινόμενα: ηλεκτρόνια της καθόδου αρνητικά φορτισμένα ελκόμενα από την άνοδο, οδηγούνται μέσα από το διάκενο που χωρίζει άνοδο και κάθοδο και προσκρούουν με μεγάλη ταχύτητα επάνω στην άνοδο την οποία πυρακτώνουν μέχρι τήξεως. Τα ηλεκτρόνια στο πέρασμά τους προς την άνοδο, προσκρούουν επίσης και επάνω στα άτομα των αερίων του διακένου (αέρα και αέρια που δημιουργούνται α πο την τήξη του ηλεκτροδίου) από τα οποία αφαιρούν ηλεκτρόνια με αποτέλεσμα τα άτομα αυτά να φορτίζονται θετικά. Έτσι τα ιονισμένα πλέον αέρια έλκονται από την κάθοδο που είναι αρνητική και την θερμαίνουν λόγω πρόσκρουσης (σε χαμηλότερη θερμοκρασία από αυτήν της ανόδου). Αν απομακρυνθούν τα δύο σώματα τότε διατηρείται το τόξο αυτό, διαμέσου του πλάσματος που δημιουργείται και το ρεύμα αυτό ονομάζεται ρεύμα συγκόλλησης. Το ρεύμα συγκόλλησης. Το ρεύμα συγκόλλησης μπορεί να είναι συνεχές ή εναλλασσόμενο, γεγονός που εξαρτάται από την γεννήτρια που το παράγει. 5

6 α) Εναλλασσόμενο ρεύμα μετασχηματιστών. Το ρεύμα αυτό εναλλάσσεται με συχνότητα 50 Hz, οπότε επηρεάζει την ομαλή πορεία του τόξου. Επίσης συμβαίνουν μικροψύξεις με την ίδια συχνότητα. Έτσι το βασικό μειονέκτημα του εναλλασσόμενου ρεύματος είναι η διατήρηση του τόξου. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίστηκε με την επένδυση των ηλεκτροδίων η οποία δημιουργεί έντονο ιονισμό και διευκολύνει την διατήρηση του τόξου. Ένας άλλος τρόπος σταθεροποίησης του τόξου είναι υψίσυχνων εναλλακτήρων συχνότητας σε 150 περιόδων. Με το εναλλασσόμενο ρεύμα αποφεύγεται το μαγνητικό φύσημα του τόξου και αυτό είναι το κυριότερο πλεονέκτημά του. β) Το συνεχές ρεύμα περιστρεφόμενης γεννήτριας: το ρεύμα αυτό έχει πάντα την ίδια φορά. Έτσι μεταξύ των πόλων αναπτύσσεται μια σημαντική διαφορά θερμοκρασίας 800 C. Πλεονέκτημα είναι η διευκόλυνση του συγκολλητή στην εργασία του, όμως είναι επικίνδυνο σε περίπτωση ηλεκτροπληξίας. Δεύτερο μειονέκτημα είναι το μαγνητικό φύσημα του τόξου με αποτέλεσμα την στρέβλωσή του. Η χρήση ανορθωτών μετριάζει το πρόβλημα αυτό. Η εκλογή του ρεύματος συγκόλλησης δεν είναι τυχαία, αλλά αποτέλεσμα μελέτης που αποβλέπει σε στόχους: Ποιοτική συγκόλληση Μειωμένο κόστος εικόνα 2: ηλεκτροσυγκολλήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος με χειροστρόφαλο ρύθμισης της έντασης. εικόνα 3: ηλεκτροσυγκολλήτρια συνεχούς ρεύματος. Διακρίνεται η πολικότητα των Στοιχεία ηλεκτροδίων ηλεκτροδίων. Ταχύτητα εκτέλεσης της ραφής κινήσεις ηλεκτροδίων μπαλανσέ 6

7 Ο μοναδικός τρόπος ελέγχου της ταχύτητας ραφής είναι το μήκος της ραφής που πραγματοποιείται με την κατανάλωση του ηλεκτροδίου. Έτσι: 1. τραβηχτό κορδόνι: το μήκος της ραφής πρέπει να είναι περίπου το 0,8 του μήκος του ηλεκτροδίου που έλιωσε. (για απλά ηλεκτρόδια με βαθμό απόδοσης 100%). 2. μπαλανσέ κορδόνι: το μήκος της ραφής πρέπει να κυμαίνεται από 0,5-0,6 του μήκους του ηλεκτροδίου. Σε περιπτώσεις απόκλιση από τον άνω κανόνα: 1. κακή εμφάνιση ραφής 2. συγκόλληση με μικρή ταχύτητα προσκαλεί μεγάλη εναπόθεση, υπερθέρμανση και εξόγκωση της ραφής. 3. συγκόλληση με μεγάλη ταχύτητα προκαλεί ελαττωματική τήξη, μικρή διείσδυση, ανεπαρκή εναπόθεση κόλλησης. Επιλογή ηλεκτροδίων - τυποποίηση ηλεκτροδίων DIN B1.1 Η άνω κωδικοποίηση αναφέρεται σε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες ή ελαφρά κραματωμένους. X XX X X X Θέση 1 Θέση 2 Θέση 3 Θέση 4 Θέση 5 Θέση 1: ο κωδικός αυτός δείχνει αν το ηλεκτρόδιο φέρει επένδυση Θέση 2: ο κωδικός αυτός σύμφωνα με το πίνακα 1 δείχνει το όριο θραύσης και το όριο ελαστικότητας του ηλεκτροδίου Θέση 3: από τον πίνακα 2 δίνεται η επιμήκυνση του ηλεκτροδίου και το έργο θραύσης Θέση 4: από τον πίνακα 2 δίνεται η επιμήκυνση του ηλεκτροδίου και το έργο θραύσης σε διαφορετική θερμοκρασία Θέση 5: από τον πίνακα 3 λαμβάνεται η κλάση του ηλεκτροδίου (για ποιες θέσεις συγκόλλησης αναφέρεται το ηλεκτρόδιο) και δίνεται ο τύπος της επένδυσης. Πίνακας 1 κωδικός όριο θραύσης Όριο ελαστικότητα 43 Από 43 έως 51 kg/mm 2 36 kg/mm 2 51 Από 51 έως 65 kg/mm 2 38 kg/mm 2 Πίνακας 2 Κωδικός Μέση επιμήκυνση (%) (Μήκος L=50) Δυσθραυστότητα -28J σε θερμοκρασία ºC 0 Καμιά απαίτηση Πίνακας 3 Κωδικός Θέση συγκόλλησης ρεύμα Τύπος επένδυσης κλάση N1 1 0 Χωρίς επένδυση A1 1 5 Λεπτή, όξινη ή ουδέτερη A2 1 5 Λεπτή, όξινη ή ουδέτερη R2 1 5 Λεπτή ρουτιλίου 7

8 R3 2(1) 2 Μέσου πάχους ρουτιλίου R(C)3 1 2 Μέσου πάχους Ρουτιλίου / κυτταρίνης C4 1 0 (6) Μέσου πάχους κυτταρίνης A5 2 5 Παχιά όξινη ή ουδέτερη RR6 2 2 Παχιά ρουτιλίου RR(C)6 1 2 Παχιά ρουτιλίου / κυτταρίνης AR7 2 5 Παχιά ρουτιλίου / όξινη RR(B)7 2 5 Παχιά ρουτιλίου / βασική RR8 2 2 Παχιά ρουτιλίου BR(B)8 2 5 Παχιά ρουτιλίου / βασική B9 1 0 (6) Παχιά βασική B(R)9 1 6 Παχιά ημιβασική B (6) Παχιά βασική B(R) Παχιά ημιβασική BR11 4(3) 5 Ρουτιλίου με απόδοση 105% AR11 4(3) 5 Ρουτιλίου / όξινη 105% B12 4(3) 0 (6) Βασική με απόδοση 120% B(R)12 4(3) 0 (6) Ημιβασική με απόδοση 120% Πίνακας 4 Κωδικός Θέση συγκόλλησης 1 Συγκόλληση σε όλες τις θέσεις 2 Συγκόλληση σε όλες τις θέσεις εκτός κατεβατού 3 Συγκόλληση σόκορο, γείσο και γωνιακά σε οριζόντια θέση 4 Συγκόλληση μόνο σόκορο και γείσο σε οριζόντια θέση Εργαστηριακή δραστηριότητα: θα δοθούν σε κάθε σπουδαστή δύο ελάσματα μαλακού χάλυβα (0,15% κ.β.c), τα οποία θα συγκολληθούν και στις δυο πλευρές. Με ματσακόνι και την συρματόβουρτσα καθαρίζεται η ραφή και αφού αποφασιστεί πιο κομμάτι (από κάθε ομάδα) είναι καλύτερο λειαίνεται στον τροχό για μεταλλογραφία (που θα γίνει στην άσκηση 2). Ελάσματα 1 ο 2 ο Υλικό Πάχος ελάσματος Όριο θραύσης υλικού Θέση συγκόλλησης Μήκος συγκόλλησης Προεργασία (τρόχισμα, καθαρισμός με χημικά, συρματόβουρτσα) Τύπος ηλεκτροδίο υ βάσει DIN 1913 Μηχανή συγκόλλησης (εναλλασσόμεν ου / συνεχούς Ρεύμα συγκόλλησ ης Περάσματα ραφών για την ολοκλήρωσ Πάχος ηλεκτροδίο υ Ταχύτητα συγκόλλησ ης Αριθμός ηλεκτροδί ων που θα χρειαστούν 8

9 - B1.1 ρεύματος) η της συγκόλλησ ης 2,5 mm Tips and tricks: Σε περιπτώσεις που πρέπει να συγκολληθούν ελάσματα μεγάλου μήκους θα πρέπει να συγκρατηθούν με πονταρίσματα. Έτσι συγκρατούνται τα ελάσματα σε προσωρινές θέσεις, ώστε μέχρι να ολοκληρωθεί η συγκόλληση να μην μετακινούνται τα ελάσματα. Αν θα πρέπει να γίνουν συγκολλήσεις αντικριστές σε γειτονικές θέσεις, θα πρέπει να γίνονται εναλλάξ, ώστε να μην παραμορφώνεται το συγκολλημένο τεμάχιο, λόγω εσωτερικών απομενουσών τάσεων. Όταν συγκολλούνται κλειστά δοχεία πρέπει να λαμβάνονται πάντα υπόψη εκτονωτικές οπές. Η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί διόγκωση του εσώκλειστου αέρα με αποτέλεσμα την έκρηξη του δοχείου. 9

10 ΑΣΚΗΣΗ 2 ΑΣΚΗΣΗ 2: ΜΕΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΡΑΦΗΣ ΤΟΞΟΥ Περίληψη: στην εργασία αυτή, αφού έχει πραγματοποιηθεί επιτυχώς η ηλεκτροσυγκόλληση τόξου, μεταξύ δυο ελασμάτων (άσκηση 1) χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδιο επενδυμένο με βόρακα, θα εξεταστεί μεταλλογραφικά η δομή της συγκόλλησης, σε στερεοσκόπιο (x 40) και σε οπτικό μικροσκόπιο (x1000). Θα ακολουθήσουν σκληρομετρήσεις ξεκινώντας πάνω από την ραφή συγκόλλησης και καταλήγοντας σε ένα έλασμα. 10

11 Θεωρητικό υπόβαθρο: κατά την συγκόλληση δύο μεταλλικών ελασμάτων, η κρυσταλλική δομή των συγκολλημένων κομματιών στη θερμικά επηρεασμένη ζώνη (ΘΕΖ), όπως φαίνεται και στο σχήμα (1), έχει αλλάξει. Το είδος και η έκταση της αλλαγής στην εσωτερική δομή των μετάλλων, στην περιοχή της ζώνης συγκόλλησης, εξαρτάται από το είδος των μετάλλων, από τη θερμοκρασία και την ταχύτητα συγκόλλησης. (α) Σχήμα 1: (α) κρυσταλλικής σύνδεσης δύο μεταλλικών κομματιών, κατά τη συγκόλληση καθώς και η λεγόμενη ζώνη συγκόλλησης ή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη, που συμβολίζεται ως ΘΕΖ. (β) η θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη συγκόλλησης και η μεταβολή στην κρυσταλλική δομή. Επίσης, εκτός από την αλλαγή στην δομή των υλικών, που έχουν συγκολληθεί, υπάρχει και το ενδεχόμενο εμφάνισης ατελειών, οι οποίες είναι ορατές με γυμνό μάτι, είτε έχουν μικρή διάσταση και χρειάζεται κάποιο εποπτικό όργανο ή τεχνική (NDT). Εργαστηριακή δραστηριότητα: Από την εργαστηριακή άσκηση 1, είναι γνωστή πλέον, η διαδικασία ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου, με την χρήση αναλώσιμου επενδυμένου ηλεκτροδίου, με επικάλυψη. 1. με το ματσακόνι (σφύρα: έχουσα δυο κοπτικές πλευρές) θα απομακρυνθεί ο βόρακας (παχύ σκούρο επικαλυπτικό στρώμα σκουριάς και οξειδίων), μέχρι να εμφανιστεί η μεταλλική όψη της συγκόλλησης. (β) 11

12 2. με το σβουράκι (λειαντικός τροχός χειρός) θα λειανθεί η επιφάνεια, όσο το δυνατόν πιο επίπεδα και αδιατάρακτα γίνεται. Προσοχή σε τοπικές υπερθερμάνσεις που αλλοιώνουν την δομή του υλικού (μαυρίζει τοπικά). 3. με το μεταλλικό βουρτσάκι θα καθαριστεί η επιφάνεια. 4. με το στερρεοσκόπιο ή ένα μεγεθυντικό φακό θα εξεταστεί η από την πάνω πλευρά η συγκόλληση ως προς: ρωγμές, πόρους, εγκλείσματα σκουριάς ή άλλων υλικών. Θα ληφθούν αντιπροσωπευτικές φωτογραφίες. το φορητό στερεοσκόπιο (x40) και το φορητό οπτικό μικροσκόπιο (x100) 5. Λείανση προετοιμασία για μεταλλογραφικό έλεγχο: η προετοιμασία γίνεται λειαίνοντας τα δοκίμια με λειαντικά χαρτιά. Για διευκόλυνση της διαδικασίας χρησιμοποιούνται οι λειαντικοί δίσκοι που υπάρχουν στο εργαστήριο. 12

13 grid 200 grid 600 grid 800 πάστα Λείανση γίνεται μέχρι να φύγουν όλες οι γραμμές από την επιφάνεια. Με ειδικό πανί, χωρίς νερό, σε χαμηλές στροφές, τοποθετείται αλουμινόπαστα ή διαμαντόπαστα και στιλβώνεται απαλά το δοκίμιο. Πρέπει να είναι τόσο καλή η στίλβωση ώστε το δοκίμιο να είναι καθρέπτης. Ακολουθεί χημική προσβολή των λειασμένων πλέον δοκιμίων. Το χημικό διάλυμα λέγεται Nital και είναι 2% κ.ο. νιτρικό οξύ μέσα σε αλκοόλη. Η προσβολή γίνεται βαπτίζοντας το κάθε δοκίμιο στο Nital για 15 sec. Κατόπιν πλένεται επιμελώς σε νερό, ξεπλένεται με αλκοόλη και στεγνώνεται με αερόθερμο πιστόλι αέρος. Δεν πρέπει να ακουμπήσει γυμνό χέρι στην επιφάνεια 6. Μεταλλογραφία δομής: Αφού πραγματοποιηθούν οι διαδικασίες προετοιμασίας για μεταλλογραφικό έλεγχο, το δοκίμιο τοποθετείται στο μικροσκόπιο, στην ειδική θέση δοκιμίου, αφού πρώτα οριζοντιωθεί με την ειδική συσκευή. Με συνδυασμό μεγεθυντικών φακών και κατάλληλου φωτισμού, θα γίνει χρήση λογισμικού software στον υπολογιστή για λήψη φωτογραφιών της μικροδομής. Η μέγιστη μεγέθυνση που μπορεί να δώσει το μικροσκόπιο είναι x

14 Οπτικό μικροσκόπιο Πρέσα οριζοντίωσης δειγμάτων 7. Σκληρομέτρηση: στο σκληρόμετρο του εργαστηρίου, υπό την καθοδήγηση του προσωπικού του εργαστηρίου θα γίνουν σκληρομετρήσεις, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αποτελέσματα: θα πρέπει να γίνει σύνταξη ενός report, στο οποίο θα φαίνονται φωτογραφίες δοκιμίων πριν και μετά την συγκόλληση. Θα αναγράφονται οι διαστάσεις τους, οι συνθήκες και οι παράμετροι συγκόλλησης. Επίσης θα παρατίθενται φωτογραφίες από το μικροσκόπιο, των ατελειών και των μεταβολών της δομής. Τέλος θα συνταχθεί ένα διάγραμμα, όπου θα φαίνεται η μεταβολή των σκληρομετρήσεων σε σχέση με την απόσταση από το κέντρο της ραφής, ώστε να γίνει συσχετισμός σκληρότητας και δομής. 14

15 ΑΣΚΗΣΗ 3 ΑΣΚΗΣΗ 3: ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΣΥΓΟΛΛΗΣΗ - SPOT WELDING (ΗΛΕΚΤΡΟΠΟΝΤΑ) 15

16 Περίληψη: στην εργασία αυτή θα γίνει συγκόλληση χαλύβδινων ελασμάτων (μαύρη λαμαρίνα μαλακού χάλυβα 0,02% κ.β. C) με την συσκευή spot welding. Θα εξεταστεί σε στερεοσκόπιο (x 40 και x100), η μακροδομή των επιφανειών. Κατόπιν διάφορα τμήματα του ελάσματος θα λειανθούν επιφανειακά και θα προετοιμαστούν για μεταλλογραφική ανάλυση. Τέλος μετρήσεις σκληρότητας θα υποδείξουν την επίδραση της μεταβολής της δομής σε σχέση με την αντοχή του υλικού. Θεωρητικό υπόβαθρο: Οι μέθοδοι της συγκόλλησης αντίστασης απαιτούν συνδυασμό θερμότητας και πίεσης για την σύνδεση δύο στοιχείων. Η θερμότητα τήξης προέρχεται από την αντίσταση των δύο στοιχείων στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Τα προς συγκόλληση στοιχεία αποτελούν τμήμα του δευτερεύοντος κυκλώματος ενός μετασχηματιστή πού μετατρέπει την ισχύ του δικτύου (υψηλή τάση - χαμηλό ρεύμα), σε ισχύ υψηλού ρεύματος και χαμηλής τάσης. Η θερμότητα που παράγεται από τη ροή του ρεύματος δίνεται από την σχέση: H 2 I Rt όπου Η: η θερμότητα που παράγεται σε joules Ι: το ηλεκτρικό ρεύμα σε amperes R: η αντίσταση σε Ohms T: ο χρόνος ροής του ρεύματος σε sec Τόσο το ρεύμα όσο και ο χρόνος μπορούν να μετρηθούν εύκολα. Η αντίσταση όμως είναι δύσκολο να μετρηθεί λόγω της σύνθετης μορφής της. Η αντίσταση π.χ. στη συγκόλληση αντίστασης κατά σημεία, είναι η συνισταμένη των παρακάτω αντιστάσεων: 1. Αντιστάσεις επαφής μεταξύ των ηλεκτροδίων και των προς συγκόλληση στοιχείων. 2. Αντίσταση επαφής μεταξύ των προς συγκόλληση στοιχείων. 3. Αντίσταση των ιδίων των στοιχείων. 4. Αντίσταση των ηλεκτροδίων. Η αντίσταση επαφής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις συνθήκες της επιφάνειας. Ταυτόχρονα είναι συνάρτηση των αντιστάσεων των υλικών της επαφής και μεταβάλλεται αντιστρόφως ανάλογα με την πίεση που ασκείται. Εργαστηριακή δραστηριότητα: 16

17 1. Ελάσματα: κάθε σπουδαστής παίρνει δυο ελάσματα με μήκος 20 cm και πλάτος 1,5 cm το καθένα. 2. και βρίσκουμε τον μέσο όρο. 3. Η συσκευή της ηλεκτροπόντας είναι συνδεδεμένη με το δίκτυο νερού του εργαστηρίου. Πρέπει πρώτα να ανοιχτεί η βάνα (πίσω από την συσκευή), ώστε η συσκευή να αρχίσει να τροφοδοτείται με νερό. 4. Από τον κεντρικό πίνακα ανοίγει η συσκευή. Παρόντος του υπεύθυνου εργαστηρίου ανοίγει η ηλεκτροπόντα. Οι ρυθμίσεις της μηχανής δεν πειράζονται. 5. Τα ελάσματα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο παράλληλα, στο κάτω ηλεκτρόδιο της μηχανής. Με το πόδι πιέζεται ο μοχλοβραχίονας (στο μπροστινό κάτω μέρος της μηχανής). Ακαριαία τα μέταλλα πυρακτώνονται και συγκολλούνται. Ο χρόνος της διαδικασίας ορίζεται από δοκιμές στα ελάσματα. Πραγματοποιούνται 4 με 5 συγκολλήσεις σε ισομήκη τμήματα, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 6. Μετράμε την σκληρότητα πάνω στην πόντα και καθώς απομακρυνόμαστε από αυτήν. 7. Γίνεται διάγραμμα μεταβολής της σκληρότητας σε σχέση με την απόσταση από το κέντρο της πόντας. Το διάγραμμα που θα πρέπει να προκύψει, είναι της μορφής: 17

18 8. Κόβουμε το δοκίμιο για μεταλλογραφική εξέταση αφού προηγουμένως το εγκιβωτίσουμε σε βακελίτη, ώστε να είναι εύκολος ο χειρισμός του στους λειαντικούς δίσκους. Η διαδικασία της λείανσης είναι η ίδια με αυτήν της άσκησης 2. Το έλασμα που θα εξεταστεί φαίνεται στην κάτω εικόνα: 9. Ακολουθεί ο έλεγχος στο οπτικό μικροσκόπιο, ώστε να συσχετιστεί η μεταβολή της δομής με την σκληρότητα του συγκολλημένου συστήματος. Οι εικόνες που θα φαίνονται στο μικροσκόπιο θα πρέπει να είναι παρόμοιες με αυτές που δίνονται κάτω, όπου είναι ευδιάκριτη η μεταβολής της δομής. Αποτελέσματα: θα πρέπει να γίνει σύνταξη ενός report, στο οποίο: 1) θα φαίνονται φωτογραφίες δοκιμίων πριν και μετά την συγκόλληση 2) θα παρατίθενται όλα τα διαγράμματα που έγιναν σε αντιστοιχία με την σωστή φωτογραφία ή σχήμα 3) θα παρατίθενται φωτογραφίες από το μικροσκόπιο των ατελειών και των μεταβολών της δομής (μεταβολής του σχήματος των κόκκων). Κάθε φωτογραφία από κάτω θα πρέπει να έχει λεζάντα που να εξηγεί τι ακριβώς δείχνει. 18

19 ΑΣΚΗΣΗ 4 ΑΣΚΗΣΗ 4 : ΟΞΥΓΟΝΟΚΟΛΛΗΣΗ Περίληψη: στην εργασία αυτή θα γίνει συγκόλληση μεταλλικών ελασμάτων με χρήση οξυγόνου ασετιλίνης. Θα εξεταστεί σε στερεοσκόπιο (x 40 και x100) η 19

20 μακροδομή της συγκόλλησης (ακριβώς πάνω στην επιφάνεια). Κατόπιν ακολουθώντας τα βήματα προετοιμασίας για μεταλλογραφική ανάλυση, θα ληφθεί το καταλληλότερο δοκίμιο για να προετοιμαστεί για μεταλλογραφική εξέταση (μικροδομή). Θεωρητικό υπόβαθρο: η φλόγα που παράγεται από την καύση μίγματος οξυγόνου ασετιλίνης φτάνει στους 3480 ο C. Είναι πολύ σημαντική η ποσότητα της ενέργειας, που παράγεται από αυτήν την καύση, τέτοια που είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν συγκολλήσεις, όσο και κοπές μετάλλων. Το οξυγόνο είναι ένα αέριο μη δηλητηριώδες, ικανό να βοηθήσει στην τέλεια καύση της ασετιλίνης. Η ασετιλίνη αποτελεί το καύσιμο υλικό. Αποθηκεύεται σε ειδικές φιάλες κίτρινου χρώματος, στις οποίες η πίεση δεν υπερβαίνει τις 18 ατμόσφαιρες. (η ασετιλίνη στις φιάλες είναι διαλυμένη μέσα σε μεγάλη ποσότητα ακετόνης και όλο αυτό το μίγμα υγρών υπό πίεση, συγκρατείται από ελαφρόπετρα και επεξεργασμένο ξυλάνθρακα, όπως ένα σφουγγάρι κρατά το νερό). Ανοίγοντας τις ασφαλιστικές βαλβίδες μανοεκτονωτών τα αέρια βγαίνουν με μεγάλη ταχύτητα και πίεση στο περιβάλλον. Ο καυστήρας είναι το εξάρτημα, στο οποίο γίνεται η ανάμιξη των αερίων (οξυγόνο και ασετιλίνης). Φέρει ρυθμιστικούς κοχλίες που ρυθμίζουν τόσο την πίεση, όσο και την ροή των αερίων (ταχύτητα) Βέβαια η ρύθμιση των πιέσεων στα αέρια γίνεται ξεχωριστά από τους μανοεκτονωτές τις κάθε φιάλης, πριν τα αέρια αναμιχθούν στον καυστήρα. Υπάρχουν δύο είδη καυστήρων: α) ο καυστήρας κοπής και ο καυστήρας συγκόλλησης. ΠΡΟΣΟΧΗ η ρύθμιση της πίεσης κατά την έξοδο της ασετιλίνης, από το τελευταίο μανόμετρο της συνδεσμολογίας, δεν πρέπει να ξεπερνάει την 1,5 ατμόσφαιρα. Δηλαδή η ασετιλίνη δεν πρέπει να βγαίνει στο περιβάλλον σε πίεση μεγαλύτερη από την 1,5 ατμόσφαιρα. Είναι εκρηκτική. Ο καυστήρας συγκόλλησης φέρει δυο ρυθμιστικούς κοχλίες με τους οποίους ρυθμίζεται η πίεση και συνεπώς η ροή του κάθε αερίου, λίγο πριν αυτά αναμιχθούν. Ο καυστήρας κοπής φέρει αυτούς τους δυο κοχλίες, αλλά έχει και έναν επιπλέον διακόπτη (που συνδέεται χωριστά με το οξυγόνο και μπορεί να έχει ξεχωριστό ρυθμιστή πίεσης), που όταν αυτός ανοίξει, τα προϊόντα της καύσης συμπαρασύρονται 20

21 από το επιπλέον οξυγόνο μεγαλύτερης πίεσης και να απομακρύνει τα λειωμένα μέταλλα από την επιφάνεια κοπής. Καυστήρας συγκόλλησης Καυστήρας κοπής Οι συνδέσεις πρέπει να ελέγχονται ως εξής : 1. η διαρροή οξυγόνου ακούγεται, μια και το αέριο αυτό είναι αποθηκευμένο υπό πίεση. 2. η διαρροή ασετιλίνης διαπιστώνεται από τη μυρωδιά. 3. και στις δύο περιπτώσεις η διαρροή μπορεί να γίνει αντιληπτή με τη χρήση σαπουνάδας πάνω στις συνδέσεις. Αν δημιουργούνται φυσαλίδες, σημαίνει πως υπάρχει διαρροή κάποιου αερίου. Μέτρα ασφαλείας σχετικά µε τις φιάλες (Ο-Α): 1. Οι φιάλες (Ο-Α) πρέπει να στερεώνονται σε τοίχο και να ασφαλίζονται µε αλυσίδες, ή άλλο κατάλληλο µέσο. Με τον ίδιο τρόπο θα πρέπει να στερεώνονται κατά τη μετακίνησή τους πάνω σε αυτοκίνητο. 2. Η μετακίνηση των φιαλών (Ο-Α) δεν πρέπει ποτέ να γίνεται µε κύλιση σε οριζόντια θέση πάνω στο δάπεδο. Θα πρέπει πάντα να τοποθετούνται πάνω σε ειδικό καρότσι μετακίνησης φιαλών. 3. Οι φιάλες δεν πρέπει να εκτίθενται στον ήλιο ή κοντά σε άλλες πηγές θερμότητας, διότι η πίεση στο εσωτερικό των φιαλών αυξάνεται πολύ και μπορεί να προκληθεί ατύχημα. 4. Οι φιάλες ασετιλίνης δεν επιτρέπεται να χρησιμοποιούνται σε οριζόντια θέση (στο δάπεδο), γιατί το διαλυτικό υγρό (ακετόνη) φεύγει από τη φιάλη και παρασύρεται προς τον καυστήρα µε κίνδυνο ατυχήματος. 5. Στους χώρους εργασίας θα πρέπει να υπάρχουν µόνο οι απαραίτητες φιάλες. Η αποθήκευση φιαλών µε αέρια (Ο-Α) θα πρέπει να γίνεται µόνο σε ειδικούς χώρους κατάλληλα διαμορφωμένους και µε όλα τα προβλεπόμενα μέτρα ασφαλείας. 6. Κατά τη μεταφορά και τη φύλαξη των φιαλών θα πρέπει να τοποθετούνται τα χαλύβδινα προστατευτικά καλύμματά τους. 21

22 Προσοχή: 1. Μετά τη σύνδεση οποιουδήποτε εξαρτήματος της συσκευής οξυγόνου - ασετιλίνης, είναι απαραίτητος ο έλεγχος διαρροών µε σαπουνοδιάλυµα (µε τους σωλήνες υπό πίεση). 2. Απαγορεύεται αυστηρά να λαδώνετε ή να τοποθετείτε γράσο στα σπειρώματα των συνδέσεων των εξαρτημάτων της συσκευής (Ο-Α). Υπάρχει κίνδυνος έκρηξης. 3. Οι σωλήνες οξυγόνου και ασετιλίνης θα πρέπει να ελέγχονται συχνά για σχισμές ή πρόωρες φθορές και να αντικαθίστανται, όταν η κατάστασή τους δεν εμπνέει εμπιστοσύνη. Εργαστηριακή δραστηριότητα: θα γίνει διαχωρισμός σε 3 ομάδες. Θα δοθούν πλακίδια για συγκόλληση, από μαλακό χάλυβα. Κάθε ομάδα κολλά 3 4 και επιλέγεται το καλύτερο για μεταλλογραφία. Αποτελέσματα: θα πρέπει να εξοικειωθούν οι σπουδαστές με την χρήση των συσκευών. Επίσης θα πρέπει να ανιχνευτούν οι επιφάνειες για ρωγμές, εγκλείσματα βρωμιάς ή σκουριών και διαστασιακές αποκλίσεις. 22

23 ΑΣΚΗΣΗ 5 ΑΣΚΗΣΗ 5: ΚΟΠΗ ΧΑΛΥΒΔΙΝΩΝ ΕΛΑΣΜΑΤΩΝ ΜΕ PLASMA Περίληψη: στην εργασία αυτή θα γίνει κοπή χαλύβδινων ελασμάτων με την συσκευή πλάσματος. Θα εξεταστεί σε στερεοσκόπιο (x 40) ή σε φορητό οπτικό μικροσκόπιο (x100), η δομή της κομμένης επιφανείας. Κατόπιν ακολουθώντας τα βήματα προετοιμασίας για μεταλλογραφική ανάλυση, θα ληφθεί δοκίμιο που θα προετοιμαστεί για το σκοπό αυτό. Θεωρητικό υπόβαθρο: 23

24 Με τον όρο πλάσμα εννοούνται ιονισμένα αέρια, σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση. Το πλάσμα του τόξου λαμβάνει τη μορφή μιας πολύ στενής δέσμης (πλασματική δέσμη) που καταλήγει σε διάμετρο μόλις 1-2 mm, αναπτύσσοντας πολύ υψηλή θερμοκρασία. Χρησιμοποιείται τόσο σε κοπής όσο και σε συγκόλληση μετάλλων. Η αρχή λειτουργίας όμως είναι η ίδια. Ένα αέριο σε υψηλή πίεση, το οποίο έχει καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και ιονίζεται εύκολα, διοχετεύεται σε ειδικό στόμιο δύο πόλων υψηλού ρεύματος, που απέχουν λίγο μεταξύ τους. Όταν το αέριο, περνώντας μεταξύ των πολλών αέριο, λόγω αγωγιμότητας αφήσει να περάσει το ρεύμα έναρξης σπινθήρα τότε αμέσως όλο το ρεύμα της μηχανής ακολουθεί την πορεία του, δημιουργείται σπινθήρας εκκενώσεως και το αέριο πλέον βρίσκεται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. εικόνα 1: το ακροφύσιο (στόμιο εκροής) της συσκευής κοπής ή συγκόλλησης με πλάσμα Επειδή το στόμιο έχει και εξωτερικό αυλό ροής αερίου, που δεν περνάει διαμέσου των δυο πόλων το αέριο εκείνο δεν ιονίζεται αλλά παίζει τον ρόλο του προστατευτικού αερίου που προστατεύει την πλασματική δέσμη. Υπάρχει περίπτωση να είναι και διαφορετικό αέριο, αδρανές. Τα χαρακτηριστικά του πλάσματος είναι τα εξής: Η θερμοκρασία του πλάσματος είναι πολύ υψηλή. Αν η δέσμη μένει ακίνητη, μπορεί να φθάσει ακόμη και τους C, µε αποτέλεσμα την ταχύτερη τήξη ή εναπόθεση μετάλλου. Το στενό και μακρύ τόξο επιτρέπει στον ηλεκτροσυγκολλητή να βλέπει πολύ καλύτερα το σημείο της κοπής ή συγκόλλησης. Εργαστηριακή δραστηριότητα: Θα γίνει χρήση του εξοπλισμού του εργαστηρίου χυτεύσεων - συγκολλήσεων. Η συσκευή κοπής πλάσματος λειτουργεί με ατμοσφαιρικό αέρα υπό πίεση. Θα επιλεχθούν ελάσματα από την αποθήκη υλικών και θα κοπούν. Κατόπιν: 1. θα τεθεί σε λειτουργία το κομπρεσέρ του εργαστηρίου. 2. θα συνδεθεί με τον πλαστικό σωλήνα πίεσης, η συσκευή πλάσματος με το δίκτυο πίεσης του εργαστηρίου. 3. Η τσιμπίδα της συσκευής (σώμα) θα γαντζωθεί στην τράπεζα εργασιών. Εκεί δηλαδή που θα γίνουν οι κοπές και θα γειωθεί με την συσκευή. 4. Προσοχή: πρέπει να φοράτε πλαστικά υποδήματα, προστατευτική ποδιά και γάντια ασφαλείας. Όχι επιπόλαιες κινήσεις. 5. Θα ανοιχτεί ο διακόπτης λειτουργίας της συσκευής. Η συσκευή είναι έτοιμη. 24

25 6. θα συγκρατηθεί η λαμαρίνα καλά πάνω στην τράπεζα εργασιών (να μην κινείται σχεδόν καθόλου). Θα χαραχθεί με κιμωλία η όδευση κοπής. Κατόπιν μετακινούμε το έλασμα σε νέα θέση ώστε κάτω από την όδευση κοπής να μην υπάρχει κανένα εμπόδιο (να είναι, με άλλα λόγια, ελεύθερο στον αέρα), ώστε να διευκολυνθεί η ροή του λειωμένου μετάλλου και για να μην καταστραφεί η τράπεζα εργασιών. 7. Η κοπή γίνεται ως εξής: πιέζεται το μπουτόν ρεύματος που είναι στην λαβή του ακροφυσίου. Με λίγη πίεση πατάμε το ακροφύσιο πάνω στο μέταλλο μέχρι να σχηματιστεί ο σπινθήρας και να δημιουργηθεί το πλάσμα. Ταυτόχρονα ακούγεται ένας μακρόσυρτος ήχος, σφυρίγματος, που είναι η έξοδος του πεπιεσμένου αέρα από το στόμιο. Έτσι απομακρύνουμε το στόμιο αργά σε μικρή απόσταση από το έλασμα, ώστε να μην σβήσει το πλάσμα και να μπορούμε να ακολουθούμε την όδευση κοπής χωρίς τριβές και εμπόδια από την επιφάνεια. Παρατηρούμε ότι από την κάτω πλευρά του ελάσματος ρέει το λειωμένο μέταλλο με την μορφή σταγονιδίων που διασκορπίζονται. 8. Με το στερεοσκόπιο, ή ένα μεγεθυντικό φακό, θα εξεταστεί η κοπή ως προς : ρωγμές, πόρους, εγκλείσματα σκουριάς ή άλλων υλικών. Θα ληφθούν αντιπροσωπευτικές φωτογραφίες. το φορητό στερεοσκόπιο (x40) και το φορητό οπτικό μικροσκόπιο (x100) 25

26 Συνήθως μετά την κοπή με πλάσμα η επιφάνεια της κοπής δεν έχει παράλληλες ακμές αλλά, όπως φαίνεται και στην εικόνα που ακολουθεί παρουσιάζεται μια λοξότητα (φαινόμενο Bevel angle). Αυτό είναι αποτέλεσμα της ακίδος του πλάσματος που έχει κωνική μορφή. 9. Θα εξαχθεί ένα μικρό δείγμα για ελέγχους σε σημεία δίπλα στην κοπή για ανίχνευση μεταβολών της δομής. 10. Οπτική μικροσκοπία. Θα ακολουθηθούν τα βήματα προετοιμασίας δοκιμίων για μεταλλογραφικό έλεγχο όπως στην άσκηση 2. Όπως φαίνεται και στην άνω εικόνα η δομή του χάλυβα έχει μεταβληθεί κοντά στην περιοχή της κοπής. Αυτό σημαίνει ότι το υλικό αλλάζει τις ιδιότητές του. Πρέπει να γίνει αντιληπτό ότι οι παράμετροι για την κοπή αυτή, είναι πολλοί και πρέπει να ρυθμίζονται, κάθε ένας ξεχωριστά, για την λήψη ενός ικανοποιητικού τελικού αποτελέσματος. Συνεπώς τα ελάσματα που έχουν κοπεί δεν παρουσιάζουν διαστασιακή ακρίβεια. Αποτελέσματα: 26

27 Θα πρέπει να γίνει σύνταξη ενός report, στο οποίο θα φαίνονται φωτογραφίες δοκιμίων πριν και μετά την κοπή. Θα παρατίθενται φωτογραφίες από το στερεοσκόπιο ή τα μικροσκόπια των ατελειών και των μεταβολών της δομής (μεταβολής του σχήματος των κόκκων). Κάθε φωτογραφία από κάτω θα πρέπει να έχει λεζάντα που να εξηγεί τι ακριβώς δείχνει. ΑΣΚΗΣΗ 6 27

28 ΑΣΚΗΣΗ 6: ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΜΕ ΣΥΣΚΕΥΗ ΤΥΠΟΥ MIG Περίληψη: Σ αυτή τη μέθοδο συγκόλλησης το ηλεκτρικό τόξο και το λιωμένο μέταλλο είναι μονωμένα από τον ατμοσφαιρικό αέρα με ένα στρώμα αδρανούς αερίου. To αέριο αυτό εξασφαλίζει πλήρη προστασία οξείδωσης από τον ατμοσφαιρικό αέρα, χωρίς τα μειονεκτήματα των άλλων μεθόδων, που χρησιμοποιούνται γι' αυτό το σκοπό (επένδυση ηλεκτροδίων). Θεωρητικό μέρος: Η μέθοδος που θα εξεταστεί στο εργαστήριο λέγεται MIG, από τα αρχικά των λέξεων Metal, Inert, Gas. Κατά τη μέθοδο αυτή το ηλεκτρόδιο με μορφή σύρματος ξεκινάει από ένα τύμπανο όπου είναι τυλιγμένο σε κουλούρα, περνάει μέσα από τη συσκευή ελέγχου τροφοδοσίας του σύρματος που συνήθως βρίσκεται πάνω από τη μηχανή συγκολλήσεως και καταλήγει μέσω της βαλβίδας στο ακροφύσιο. Στην επαφή του με το βασικό μέταλλο δημιουργεί τόξο, λιώνει και δημιουργεί τη ραφή. Παράλληλα με την προώθηση του σύρματος, στο ακροφύσιο φθάνει προστατευτικό αέριο, που κρατάει μακριά από το τόξο (και το λιωμένο μέταλλο) τον ατμοσφαιρικό αέρα, ενώ παράλληλά ψύχει ομαλά τη ραφή. Με τη μέθοδο MIG μπορούμε να πραγματοποιήσουμε εύκολα και με πολύ καλά αποτελέσματα συγκολλήσεις οι οποίες, με άλλες μεθόδους, είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν. Η μέθοδος αυτή προτιμάται για τη συγκόλληση αλουμινίου και 28

29 άλλων μη σιδηρούχων μετάλλων. Για τη συγκόλληση συνήθων χαλύβων χρησιμοποιούμε αντί καθαρό αργό, μείγμα αργού και άλλων αερίων των οποίων το κόστος είναι μειωμένο σημαντικά, σε σχέση με το καθαρό αργό. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η κατανάλωση των αερίων κυμαίνεται σε υψηλά ποσοστά (15 έως 20 lt/min) και γι' αυτό το λόγο το κόστος είναι σημαντικό. Βασικό μέταλλο Συσκευή τροφοδοσίας σύρματος Λαβίδα Σύρμα. ηλεκτροδίου Σώμα Φιάλη προστατευτικού αερίου Σχήμα 1: Διάγραμμα λειτουργίας της μεθόδου ηλεκτροσυγκολλήσεως τόξου με προστατευτικό αέριο και καταναλισκόμενο ηλεκτρόδιο, ΜIG Η συγκόλληση με αργό εφαρμόζεται σε όλα τα μέταλλα και κυρίως στους ειδικούς και ανοξείδωτους χάλυβες, στα ελαφρά μέταλλα και κράματα, στο χαλκό, στο νικέλιο και στα κράματά τους, καθώς και σε γεμίσματα με ειδικά υλικά, όπως με στελίτη, κρινίτη κ.α. Η συγκόλληση με αδρανές αέριο και ειδικότερα με αργό παρουσιάζει, σε σχέση με τα άλλα είδη συγκολλήσεων, πολλά πλεονεκτήματα από τα οποία τα κυριότερα είναι: Σταθερό και πολύ ομαλό ηλεκτρικό τόξο. Ήρεμο λουτρό τήξης, που δίνει ωραία εμφάνιση στη ραφή συγκόλλησης, επιτρέποντας παράλληλα τη συγκόλληση σε όλες τις θέσεις. Κορδόνια συγκόλλησης συμπαγή, χωρίς φυσαλίδες και με υψηλά μηχανικά χαρακτηριστικά. Μηδενική απώλεια πρόσθετων στοιχείων. Η απώλεια αυτή οφείλεται στην εξάτμιση των πρόσθετων στοιχείων, που στη συγκόλληση με οξυγονοασετυλίνη είναι σημαντική. Μικρές θερμικές απώλειες και παραμορφώσεις των κομματιών, επειδή η θέρμανση είναι περιορισμένη σε πολύ μικρή και συγκεκριμένη περιοχή. Αποφυγή εγκλεισμών πάστας. 29

30 Έλλειψη διαβρώσεων, κυρίως στις συγκολλήσεις ελαφρών κραμάτων, στα οποία για να πραγματοποιήσουμε τη συγκόλληση με άλλες μεθόδους, χρησιμοποιούμε αποξειδωτικά υλικά. Ευχέρεια ελέγχου του λουτρού τήξης, από το συγκολλητή. Απουσία καπνών και επιβλαβών αναθυμιάσεων Ευκολία συγκόλλησης με αυτόματες μηχανές. Πειραματικό μέρος: Στο εργαστηριακό τμήμα της άσκησης συγκόλλησης με MIG, θα σχηματιστεί μια ομάδα σπουδαστών. Στην συσκευή που βρίσκεται στο εργαστήριο, θα γίνει επίδειξη της λειτουργίας της, των ικανοτήτων της και των ρυθμίσεών της, από το προσωπικό του εργαστηρίου. Αφού επιλέξετε τις ρυθμίσεις που είναι επαρκείς για την συγκόλληση, θα ακολουθήσει πρακτική εφαρμογή, όπου θα συγκολληθούν μεταλλικά (χαλύβδινα) πλακίδια. Κατόπιν θα επιλεχθεί το καλύτερο και θα προετοιμαστεί, σύμφωνα με τις ενέργειες που παρουσιάζονται στην άσκηση 2, για μεταλλογραφικό έλεγχο της ραφής. Αποτελέσματα: Θα γίνει η σύνταξη μιας τεχνικής έκθεσης, όπου θα παρουσιάζεται η συσκευή, τα επιμέρους συστήματά της και οι λειτουργίες τους. Τέλος θα παρουσιαστούν οι φωτογραφίες της μεταλλογραφικής δομής, που θα ληφθούν από το οπτικό μικροσκόπιο και θα εξηγηθούν οι μεταβολές της. 30

31 ΑΣΚΗΣΗ 7 31

32 ΑΣΚΗΣΗ 7: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΡΑΜΑΤΟΣ (Al - Si) Περίληψη: στην άσκηση αυτή, θα επιχειρηθεί από τους σπουδαστές η παρασκευή ενός κράματος, με ανάμειξη των συστατικών του στοιχείων. Κατόπιν αυτό θα χυτευθεί σε ειδικό καλούπι. Έτσι δίνεται η ευκαιρία να εξεταστεί: η μέθοδος κραματοποίησης, η τελική δομή του και οι συστολοδιαστολές του. Θα αναφερθούν όλες οι παράμετροι υπολογισμού των ποσοτήτων του κάθε συστατικού στοιχείου, θα εξηγηθούν και θα αναλυθούν. Θεωρητικό υπόβαθρο: τα μέταλλα που βγαίνουν μέσα από την γη (στα μεταλλεία) σπάνια χρησιμοποιούνται καθαρά ατόφια, για εμπορικούς σκοπούς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι ιδιότητές τους, μερικές φορές χρειάζονται βελτίωση, ενώ τις περισσότερες φορές η προσθήκη κάποιων κραματικών στοιχείων βελτιστοποιεί τις αποδόσεις τους: στην μηχανική τους συμπεριφορά. Πολλοί οικονομικοί παράγοντες συνεισφέρουν σε επιλογές κραμάτων και όχι μετάλλων (π.χ. χαμηλότερες θερμοκρασίες τήξης, από την αξία του κάθε συστατικού κ.α.) αλλά και κατά την ανακύκλωση παλιών μεταλλικών υλικών, δύσκολα γίνεται ο διαχωρισμός τους, στα αρχικά συστατικά στοιχεία, ενώ ευκολότερα γίνεται σύνθεση νέων κραμάτων με απλή προσθήκη ενός μόνο συστατικού, που επικρατεί και εξευγενίζει το σκραπ. Βέβαια το ποιο συστατικό στοιχείο θα επιλεχθεί για να σχηματίσει το κράμα και με τι ποσοστό αυτό θα μετάσχει στην μίξη δεν γίνεται τυχαία. Τα κάθε στοιχείο έχει τις δικές του ιδιότητες. Ο τρόπος παρασκευής του κράματος επηρεάζεται από τα στοιχεία και τις ποσότητες αυτών. Έτσι υπάρχουν ειδικά διαγράμματα, που από τα οποία γνωστοποιείται ο τρόπος παρασκευής τους (σχέση στοιχείο Α με στοιχείο Β, φάσεις, συστάσεις και θερμοκρασίες). Επίσης υπάρχουν επιπλέον διαγράμματα τα οποία 32

33 ανάλογα με τα κραματικά στοιχεία που επικρατούν στην σύσταση, γνωστοποιούν τις δευτερογενείς κατεργασίες που επιδέχονται τα κράματα για βελτίωση των ιδιοτήτων τους. Εργαστηριακή δραστηριότητα: Στο εργαστήριο θα παρασκευαστούν: τρία κράματα αλουμινίου (Al) - πυριτίου (Si). Το 1 ο κράμα θα έχει σύσταση 11,8%, το 2 ο 5% και το 3 ο 15 % σε πυρίτιο. Η επιλογή τους δεν είναι τυχαία, διότι αυτά τα κράματα χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην αεροπορική βιομηχανία και την αυτοκινητοβιομηχανία. Επίσης με την προσθήκη και άλλων μετάλλων μέσα τους, μετατρέπονται σε κράματα του αλουμινίου που επιδέχονται σκλήρυνση (δευτερογενή κατεργασία). Το 1 ο κράμα λέγεται και ευτηκτηκό, διότι στην σύσταση αυτή λειώνει πιο εύκολα. Αυτό φαίνεται και στο διάγραμμα φάσεων, όπου η σύσταση αυτή έχει την απευθείας μεταβολή του υλικού από την στερεή στην υγρή κατάσταση. Το 2 ο κράμα με την 5% σύσταση κατά βάρος σε Si λέγεται υποευτηκτηκό και το 3 ο με την 15% κ.β. σύσταση σε Si λέγεται υπερυτηκτηκό. Όσο περισσότερο πυρίτιο έχει το κράμα τόσο σκληρότερο είναι, άρα και μεγαλύτερη αντοχή παρουσιάζει. Όμως όπως θα αποδειχθεί στο μικροσκόπιο η δομή του κάθε κράματος είναι διαφορετική και αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την επιδεκτικότητα σε δευτερογενών κατεργασιών, οι οποίες θα προσδώσουν στο κράμα και άλλες επιθυμητές ιδιότητες. Έτσι και τα 3 είδη είναι χρήσιμα στην βιομηχανία. εικόνα 1: Διάγραμμα φάσεων Το πυρίτιο από μόνο του έχει θερμοκρασία τήξης 1400 o C, ενώ το αλουμίνιο έχει θερμοκρασία τήξης κοντά στους 800 o C. Που σημαίνει ότι για να τηχθούν και τα δυο 33

34 υλικά θα πρέπει στον φούρνο να αναπτυχθεί ικανή θερμοκρασία, πάνω από την θερμοκρασία τήξης του πιο σταθερού υλικού δηλ του πυριτίου (δηλ πάνω από 1400 o C ). Έτσι και το πυρίτιο και το αλουμίνιο θα τηχθούν και θα αναμιχθούν μεταξύ τους. Όμως ενεργειακά αυτό είναι ασύμφορο και ενεργοβόρο. Για να αναμιχθεί το αλουμίνιο με το πυρίτιο και να κραματοποιηθούν υπάρχει ένα τέχνασμα: Στη θερμοκρασία που λειώνει το αλουμίνιο τοποθετείται σκόνη ή κομμάτια μικρών διαστάσεων καθαρού πυριτίου. Συνεχόμενα το μίγμα στερεών και υγρού αναδεύεται με αναδευτήρα. Έτσι το πυρίτιο ενώνεται επιφανειακά με το αλουμίνιο, αντιδρά δηλαδή το Al με την εξωτερική επιφανειακή στοιβάδα του Si, ενώνονται με χημικό δεσμό και απομακρύνονται τα δύο αυτά μέταλλα που ενώθηκαν, από το στερεό στο υγρό. Άρα αλλάζει και το πυρίτιο φάση σε χαμηλή θερμοκρασία πέραν αυτής των 1400 o C. Η διαδικασία ολοκληρώνεται όταν μέσα στον μποτά δεν υπάρχει καθόλου στερεό υπόλειμμα. Όταν ολοκληρωθεί η ανάμιξη των δυο μετάλλων τα κράματα θα μπουν για λίγο στον φούρνο ώστε να ανακτήσουν τη θερμότητα που έχασαν και μετά τα χυτεύουμε σε καλούπια. Μετά την στερεοποίηση λαμβάνεται ένα κομμάτι από το κάθε κράμα και προετοιμάζεται για μεταλλογραφικό έλεγχο, σύμφωνα με τις ενέργειες της άσκησης 2. Προσοχή: η χημική προσβολή των λειασμένων πλέον δοκιμίων, γίνεται με συγκεκριμένο χημικό διάλυμα, που λέγεται Κέλερ. Επίσης στο σκληρόμετρο του εργαστηρίου θα μετρηθεί η σκληρότητά τους με την μέθοδο RB. Αποτελέσματα: Αφού ληφθούν φωτογραφίες από όλα τα στάδια παρασκευής του κάθε κράματος, θα συνταχθεί τεχνική έκθεση που θα συνοδεύονται με σχόλια και εξηγήσεις. Οι μετρήσεις θα τοποθετηθούν σε πίνακα και με αυτά θα εκτιμηθεί το τελικό υλικό που παρασκευάστηκε στο εργαστήριο. Η δομή του κάθε κράματος που θα φαίνεται στο οπτικό μικροσκόπιο θα πρέπει να είναι μία από αυτή που φαίνεται στις φωτογραφίες που ακολουθούν (όσο περισσότερο αλουμίνιο περιέχεται μέσα στο κράμα τόσο μεγαλύτεροι είναι οι δενδρίτες που περιέχει και τόσο μικρότερη σκληρότητα παρουσιάζει). 34

35 35

36 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΑΣΚΗΣΗ 8: ΧΥΤΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΚΑΛΟΥΠΙΑ ΑΜΜΟΥ. Περίληψη: στην άσκηση αυτή θα επιχειρηθεί από τους σπουδαστές του εργαστηρίου η κατασκευή ομοιωμάτων αντικειμένων μέσα στα οποία θα χυτευθεί λειωμένο μέταλλο με σκοπό να αποκτήσει την μορφή του ομοιώματος. Θα γίνει εξ ολοκλήρου χρήση του εξοπλισμού του εργαστηρίου. Θεωρητικό υπόβαθρο: Η πρώτη μορφή χύτευσης από τα αρχαία χρόνια ήταν η τήξη ενός μετάλλου ή κράματος και η χύτευσή του σε καλούπι από πέτρες ή άμμο. Έτσι οι τεχνίτες εκείνης της εποχής σκάλιζαν στην πέτρα το σχήμα του αντικειμένου που ήθελαν (π.χ. αιχμές τόξων και δοράτων) και κατόπιν έριχναν το υγρό μέταλλο μέσα του. Αφού αυτό στερεοποιούταν, τότε το αντικείμενο το εξήγαγαν από το καλούπι (ή αλλιώς τύπος) το λείαιναν και το χρησιμοποιούσαν. Αργότερα με την πάροδο των χρόνων, επειδή η ανάγκη για πιο πολύπλοκή μορφή μεταλλικών αντικειμένων (σκαλιστές πόρπες ή ξίφη με διακοσμητικά στοιχεία πάνω τους) μεγάλωνε, κατασκεύασαν καλούπια από μίγματα άμμων και χωμάτων. Αυτές τις άμμους τις έδιναν το επιθυμητό σχήμα και αφού τις έψηναν (κάτι σαν πήλινα καλούπια) τότε μέσα τους χύτευαν. Έτσι κάπως γίνεται και μέχρι σήμερα για κατασκευές απλών μεταλλικών στοιχείων. Βέβαια τα μεταλλικά αυτά στοιχεία δεν προορίζονται για εξιδανικευμένες 36

37 κατασκευές διότι μέσα τους περιέχουν αρκετές ατέλειες στην δομή του μετάλλου όπως ρωγμές εγκλείσματα βρωμιών και σκουριών, δεν έχουν καλή διαστατική ακρίβεια. Εργαστηριακή δραστηριότητα: Στο εργαστήριο θα χρησιμοποιηθεί ο εξοπλισμός του εργαστηρίου χυτεύσεων και συγκολλήσεων. είναι ένα εκπαιδευτικό βαλιτσάκι μέσα στο οποίο περιέχονται το δοχείο στο οποίο θα τηχθεί το μέταλλο, τα καλούπια μέσα στα οποία θα τοποθετηθεί η άμμος και θα συμπιεστεί με ειδικά βαρίδια. Επίσης υπάρχουν ειδικές λαβίδες για χαράξεις των οχετών του τηγμένου μετάλλου και βουρτσάκια μικρά και μεγάλα για καθαρισμό των τελικών εξωτερικών επιφανειών του καλουπιού από άμμο. Το αντικείμενο που θα κατασκευαστεί είναι μια μεταλλική διαστολική σωλήνα ύδρευσης. Τα χαρακτηριστικά της είναι ότι έχει δυο φλάντζες μία μικρή και μια μεγάλη, με ομόκεντρες τις οπές τους. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται το σχήμα του τύπου που υπάρχει έτοιμο ήδη στο εργαστήριο. Η εσωτερική οπή της σωλήνας θα γίνει πρώτα και ξεχωριστά. Στην εικόνα που ακολουθεί φαίνεται το καλούπι μέσα στ οποίο τοποθετείται η άμμος και συμπιέζεται. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η συμπίεση της άμμου πρέπει να γίνεται προσεκτικά με πολλαπλά χτυπήματα με τις πλαστικές βαριοπούλες. Έτσι όταν αφαιρεθεί το καλούπι η άμμος κρατά το σχήμα της. 37

38 Αφού συμπιεστεί και η άμμος από το υπόλοιπο καλούπι και αφαιρεθούν οι τύποι τότε γίνεται η σύνθεση των δυο καλουπιών από άμμο όπως ακριβώς φαίνεται στην κάτω φωτογραφία. Στην φάση αυτή χρειάζεται υπομονή και σταθερό χέρι γιατί υπάρχει περίπτωση να τοποθετηθεί στραβά το ένα καλούπι μέσα στο άλλο. Με την ολοκλήρωση των κοχλιοσυνδέσεων περιμετρικά από το σετ καλουπιών τότε με προσοχή και αργά χυτεύεται το τηγμένο μέταλλο με τον τρόπο που υποδεικνύεται στην εικόνα που ακολουθεί. Τελικά το προϊόν που λαμβάνεται είναι αυτό που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εδώ φαίνονται οι οχετοί πλήρωσης του καλουπιού με το μέταλλο. Αυτοί πρέπει να απομακρυνθούν με κοπτικό τροχό (σβουράκι). 38

39 Συμπεράσματα: Από την άνω εργαστηριακή άσκηση θα αξιολογηθούν: η σωστή επιλογή των παραμέτρων χύτευσης, η ικανότητα πραγματοποίησης καλουπιών, η ποιότητα της επιφάνειας και η διαστατική ακρίβεια της συναρμογής των καλουπιών. 39

40 ΑΣΚΗΣΗ 9 ΑΣΚΗΣΗ 9: ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΚΗ ΧΥΤΕΥΣΗ Περίληψη: Στην εργαστηριακά αυτή άσκηση θα γίνει επίδειξη της διαδικασίας φυγοκεντρικής χύτευσης. Θα χρησιμοποιηθεί ο εξοπλισμός του εργαστηρίου χυτεύσεων - συγκολλήσεων. Θεωρητικό υπόβαθρο: Η φυγοκεντρική χύτευση είναι ένας πολύ ειδικός τύπος χυτεύσεων. Τα προϊόντα που παράγονται με την μέθοδο αυτήν έχουν πολλά σχήματα αλλά κυρίως σε υλικά που είναι συμμετρικά και η μια τους διάσταση (αυτήν που είναι παράλληλη με τον άξονα συμμετρίας) είναι αρκετά μεγάλη. Τέτοια αντικείμενα είναι οι σωλήνες, 40

41 Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι πολλά το κυριότερο είναι ότι μπορεί να κατασκευαστεί υλικό με συνεχόμενη χύτευση, δηλαδή η μια άκρη του μπορεί να είναι στερεοποιημένη και από την άλλη να κολλά συνεχώς νέο υλικό. Επίσης λόγω του φυγοκεντρικού πολλές ατέλειες εξαφανίζονται διότι το τηγμένο μέταλλο συμπιέζεται. 41

42 Τα χαρακτηριστικά των φυγοκεντρικών χυτεύσεων είναι πολυπαραμετρικά. Το τελικό αποτέλεσμα εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής, από την ακτίνα και την μάζα του υλικού που περιστρέφεται, από την ρευστότητα του μετάλλου στην υγρή του κατάσταση, από την θερμοκρασία που φτάνει το μέταλλο πριν χυτευθεί, από το υλικό και την θερμοκρασία και την ύπαρξη επικαλύψεων στο καλούπι από τον χρόνο στερεοποίησης κ.α. Επίσης η πολυπλοκότητα του αντικειμένου που επιχειρείται να παρασκευαστεί συνηγορεί στην αναρίθμηση όλων των παραπάνω παραμέτρων. Πειραματική διαδικασία: Θα χρησιμοποιηθεί από το προσωπικό του εργαστηρίου και μόνο η συσκευή φυγοκεντρικής χύτευσης. Το μέταλλο είναι εδικό κράμα με χαμηλό σημείο τήξης το 42

43 οποίο θερμαίνεται σε ειδική χύτρα. Με ειδική κουτάλα λαμβάνεται ικανή ποσότητα λειωμένου μετάλλου και διοχετεύεται από το στόμιο στο καλούπι το οποίο περιστρέφεται με συγκεκριμένες στροφές ανά λεπτό. Επίσης από το ίδιο τηγμένο υλικό θα ληφθεί με την κουτάλα χύτευσης, μια ικανή ποσότητα, ώστε να εξεταστεί η ρευστότητα του κράματος στο σπιράλ τεστ (ειδικό λαστιχένιο, κεραμικό ή μεταλλικό καλούπι) το οποίο πρώτα έχει επαλειφθεί με ειδική αντικολλητική πάστα. Το καλούπι αυτό έχει σχήμα σπιράλ με τυποποιημένες διαστάσεις και έτσι με τον τρόπο αυτό εξετάζεται η ρευστότητά του. Αποτελέσματα: Το τελικό προϊόν θα πρέπει να έχει καλή διαστατική ακρίβεια, όχι πόρους και ατέλειες. Επίσης στο σπιράλ τεστ μέτρησης ρευστότητας θα μετρηθεί το μήκος που διανύθηκε μέχρι να στερεοποιηθεί το υλικό. Αυτό το μήκος είναι μέτρο σύγκρισης, για την ικανότητα του κράματος να παραμένει ρευστό μέσα στο καλούπι. 43