Αυτογενείς συγκολλήσεις: Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο Η SMAW συγκόλληση είναι ιδιαίτερα κατάλληλη (Shielded metal arc welding, SMAW ή MMA) για εργασίες συντήρησης και επιδιόρθωσης Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Στις ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου η θερμότητα που απαιτείται για την τήξη των μεταλλικών κομματιών και του πρόσθετου υλικού (κόλλησης), παράγεται από ένα ηλεκτρικό τόξο (βολταϊκό τόξο). Το ηλεκτρικό τόξο δημιουργείται ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και το κομμάτι. Το ηλεκτρόδιο και το κομμάτι, το οποίο παίζει το ρόλο του άλλου ηλεκτροδίου, συνδέονται στα άκρα κατάλληλης ηλεκτρικής πηγής, συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος, η οποία παρέχει την ηλεκτρική ενέργεια για τη συγκόλληση.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου (συνεχ.) Κατά τη συγκόλληση τόξου αναπτύσσεται μια θερμοκρασία της τάξεως των 5500 C, υψηλή αρκετά για να λιώσει οποιοδήποτε μέταλλο. Οι περισσότερες διεργασίες τόξου χρησιμοποιούν πρόσθετο υλικό προκειμένου να αυξηθεί ο όγκος και η αντοχή της συγκόλλησης.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Βασική διαμόρφωση ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου Στην ηλεκτροσυγκόλληση τόξου κοντά στην άκρη του ηλεκτροδίου σχηματίζεται ένα λουτρό λιωμένου μετάλλου. Καθώς το ηλεκτρόδιο μετακινείται κατά μήκος της σύνδεσης, το τήγμα στερεοποιείται πίσω του, σχηματίζοντας κρυσταλλική σύνδεση.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Μηχανές παραγωγής ρεύματος συγκολλήσεως Μετασχηματιστής συγκολλήσεως Ανορθωτής συγκολλήσεως Όταν περνάει ρεύμα του δικτύου από το πρωτεύον πηνίο (πολλές σπείρες), τότε δημιουργείται εναλλασσόμενο πεδίο, το οποίο παράγει, στο δευτερεύον πηνίο (λιγότερες σπείρες), με επαγωγή, το ρεύμα συγκολλήσεως Η υψηλή τάση του δικτύου με 240 V και μικρή ένταση μετασχηματίζεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα κατάλληλο για συγκόλληση, 70 V και μεγάλη ένταση (έως 1000 Α). Μετατρέπει το εναλλασσόμενο ρεύμα που προέρχεται από το μετασχηματιστή σε συνεχές. Γεννήτρια συγκολλήσεως Παράγει συνεχές ρεύμα. Μια γεννήτρια σε μικρογραφία είναι το δυναμό των ποδηλάτων.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Τι είναι ηλεκτρικό τόξο; Ένα ηλεκτρικό τόξο είναι μια εκκένωση ηλεκτρικού ρεύματος κατά μήκος ενός κενού χώρου σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Διατηρείται λόγω του ιονισμού μιας στήλης αέρα (πλάσμα), μέσα από την οποία υπάρχει ροή ρεύματος. Προκειμένου να δημιουργηθεί το τόξο, το ηλεκτρόδιο έρχεται σε επαφή με το κομμάτι και κατόπιν πολύ γρήγορα απομακρύνεται από αυτό σε μικρή απόσταση.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Τι είναι ηλεκτρικό τόξο; (συνέχ.) Κατά την επαφή (α), ηλεκτρόνια απομακρύνονται από την πυρωμένη κάθοδο (αρνητικός πόλος) και κατευθύνονται με μεγάλη ταχύτητα προς την άνοδο (θετικός πόλος). Κατά τη διαδρομή αυτή τα ηλεκτρόνια προσκρούουν στα μόρια του αέρα, τα οποία διασπώνται σε ηλεκτρόνια και θετικά ιόντα. Με αυτόν τον τρόπο ο αέρας γίνεται αγώγιμος (β). Από τη σύγκρουση των ηλεκτρονίων στην άνοδο και των θετικών ιόντων στην κάθοδο δημιουργείται θερμότητα (γ). Επειδή τα ηλεκτρόνια προσκρούουν με μεγαλύτερη ταχύτητα στην άνοδο, από την ταχύτητα των θετικών ιόντων στην κάθοδο, η άνοδος θερμαίνεται πολύ περισσότερο (άνοδος ~4200 C και κάθοδος ~3500 C). Αν η απόσταση μεταξύ ηλεκτροδίου και αντικειμένου αυξηθεί το τόξο διακόπτεται. Επίσης, με εναλλασσόμενοι ρεύμα, επειδή η φορά του ρεύματος συνεχώς μεταβάλλεται, δε μπορεί να σχηματιστεί τόξο. Ωστόσο με επενδεδυμένα ηλεκτρόδια ή αέρια προστασίας, υπάρχει επαρκής ιονισμός, ώστε να μη διακόπτεται το τόξο.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Εκτροπή του ηλεκτρικού τόξου ("φύσημα") Κατά τη συγκόλληση σε κορυφές, σε ακμές, σε γωνίες και κατά τη χρησιμοποίηση μηχανών συνεχούς ρεύματος, μπορεί να γίνει εκτροπή του ηλεκτρικού τόξου, σε βαθμό που να εμποδίζεται η συγκόλληση. Το φαινόμενο καλείται "φύσημα" και οφείλεται στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται λόγω της ροής ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ ανόδου και καθόδου. Όταν το ηλεκτρόδιο είναι κάθετο προς το αντικείμενο, τότε οι μαγνητικές γραμμές του πεδίου εκτοπίζονται προς την κορυφή. Στη θέση αλλαγής της κατεύθυνσης μπορεί να γίνει εκτροπή του τόξου. Τα φύσημα μπορεί να μειωθεί με κλίση του ηλεκτροδίου, με μετατόπιση της επαφής του πόλου στο αντικείμενο, με αλλαγή της φοράς συγκολλήσεως ή με χρήση δυο σφιγκτήρων για τους πόλους.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Πηγή ρεύματος στη συγκόλληση τόξου Επίδραση της πολικότητας και του τύπου του ρεύματος στη ραφή συγκόλλησης (a) DC ρεύμα (συνεχές) με κανονική πολικότητα (b) DC ρεύμα (συνεχές) με αντίστροφη πολικότητα (c) AC ρεύμα (εναλλασσόμενο)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Ταξινόμηση συγκολλήσεων τόξου Χειρωνακτική συγκόλληση τόξου με επενδεδυμένα ηλεκτρόδια (Shielded metal arc welding-smaw) Επίσης "stick" ή χειρωνακτική συγκόλληση τόξου (Manual metal arc welding-mma) Απλή, κοινή διεργασία Με τηκόμενο, επενδεδυμένο ηλεκτρόδιο Συγκόλληση βολφραμίου-προστατευτικού αερίου (Gas tungsten arc welding-gtaw) Επίσης βολφραμίου-αδρανούς αερίου (Tungsten inert gas TIG) Μη τηκόμενο ηλεκτρόδιο βολφραμίου Με προστασία αδρανούς αερίου (π.χ. αργό) Η ραφή είναι ομοιόμορφη και ακριβής Πρόσθετο υλικό προστίθεται από τα πλάγια
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Ταξινόμηση συγκολλήσεων τόξου Συγκόλληση μεταλλικού ηλεκτροδίου -προστατευτικού αερίου (Gas metal arc welding-gmaw) Επίσης μεταλλικού ηλεκτροδίου-αδρανούς αερίου (Metal inert gas-mig) ή μεταλλικού ηλεκτροδίου-ενεργού αερίου (Metal active gas-mag) Με γυμνό συρμάτινο ηλεκτρόδιο Με προστατευτικό αέριο Συχνά αυτοματοποιημένη Συγκόλληση τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (Flux cored arc welding-fcaw) Όμοια της GMAW Ηλεκτρόδιο σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος Με ή χωρίς προστασία αερίου
Ηλεκτροσυγκολλήσεις τόξου Ταξινόμηση συγκολλήσεων τόξου Άλλες Εμβαπτιζόμενη συγκόλληση (Submerged arc welding-saw) Συγκόλληση πλάσματος (Plasma arc welding-paw) Συγκόλληση κάτω από το νερό
Χειρωνακτική συγκόλληση τόξου με επενδεδυμένα ηλεκτρόδια (SMAW) Από τους δυο ακροδέκτες του μετασχηματιστή ή της γεννήτριας συνεχούς ρεύματος, το ισχυρό ρεύμα που χρειάζεται για την ηλεκτροσυγκόλληση προσάγεται με δυο χονδρούς αγωγούς (καλώδια) στη λαβίδα του ηλεκτροδίου και στο σφιγκτήρα. Σε κατάλληλη υποδοχή της λαβίδας προσαρμόζεται και συγκρατείται το ηλεκτρόδιο. Με το σφιγκτήρα συνδέουμε το καλώδιο επιστροφής με το τραπέζι Σχηματική παράσταση μιας εγκατάστασης εργασίας ή με τα κομμάτια που ηλεκτροσυγκολλήσεως με ηλεκτρόδιο. πρόκειται να συγκολλήσουμε. Έτσι κλείνει το κύκλωμα και μπορεί να ανάψει και να διατηρηθεί το τόξο
Το ηλεκτρόδιο Είναι αναλώσιμο-λιώνει κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης Αποτελείται από δυο μέρη Πυρήνα (μεταλλικός) Επένδυση Metal filler = μέταλλο Flux = επένδυση Άγει το ρεύμα συγκόλλησης Γίνεται μέρος της κόλλησης Παράγει το προστατευτικό αέριο Μπορεί να έχει πρόσθετα μεταλλικά στοιχεία Σχηματίζει σκουριά Γυμνά ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται μόνο σε ελάχιστες περιπτώσεις
Λειτουργία του επενδεδυμένου ηλεκτροδίου Η επένδυση του ηλεκτροδίου περιέχει κατάλληλες ουσίες, έτσι ώστε να μπορεί να επιτύχει τα παρακάτω: Σχηματισμό προστατευτικής στρώσης από σκουριά (κρούστα), που επιπλέει. Δημιουργία προστατευτικού μανδύα από αέρια. Διάλυση οξειδίων ή άλλων ακαθαρσιών που τυχόν υπάρχουν στο τήγμα. Ιονισμό της ατμόσφαιρας που βρίσκεται ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και στο κομμάτι, ώστε να διευκολύνεται το άναμμα και η συντήρηση σταθερού ηλεκτρικού τόξου. Μη σχηματισμό φυσαλίδων μέσα στο συγκόλλημα. Σχηματισμός φυσαλίδων έχει ως επακόλουθο μείωση της μηχανικής αντοχής της συγκόλλησης Ο μανδύας από αέρια και η στρώση από σκουριά προφυλάσσουν τις επιφάνειες από οξείδωση. Επίσης η στρώση σκουριάς παρέχει στο τήγμα θερμική μόνωση. Η στερεοποίηση του τήγματος γίνεται αργότερα και έτσι δίνεται χρόνος σε τυχόν διαλυμένα μέσα σε αυτό αέρια ή ακαθαρσίες να απομακρυνθούν.
Τήξη ηλεκτροδίου ράβδου 1 Travel direction 4 1 = επενδεδυμένο μεταλλικό ηλεκτρόδιο 2 = τόξο 3 = λουτρό λιωμένου μετάλλου 4 = προστατευτικό αέριο 5 = κόλληση 6 = στρώση σκουριάς 6 3 2 5
Το τόξο Συγκόλληση με πολύ μεγάλο μήκος τόξου Μήκος τόξου είναι η απόσταση που το τόξο γεφυρώνει από το άκρο του ηλεκτροδίου έως το αντικείμενο ή το λουτρό λιωμένου μετάλλου. Για να διατηρήσουμε σταθερό μήκος τόξου, το ηλεκτρόδιο πρέπει να χαμηλώνει συνεχώς. Περιορισμένη περιοχή μεταβολής του μήκους τόξου προκειμένου να παραμείνει σταθερό.
Λουτρό λιωμένου μετάλλου Καθώς ο μεταλλικός πυρήνας της ράβδου, τα συλλιπάσματα (επένδυση), και τα μεταλλικά κομμάτια θερμαίνονται και λιώνουν, σχηματίζουν μια λιμνούλα λιωμένου μετάλλου, η οποία καλείται λουτρό κόλλησης (weld puddle) Το λουτρό λιωμένου μετάλλου είναι αυτό που ο συγκολλητής παρακολουθεί και χειρίζεται κατά τη συγκόλληση 1/8 E6013 σε 125 Amps AC
Αέριο προστασίας Shielding Gas 4 3 2 Το αέριο προστασίας προστατεύει το λουτρό λιωμένου μετάλλου από την ατμόσφαιρα, ενώ ταυτόχρονα σταθεροποιεί το τόξο. Καθώς η επένδυση του ηλεκτροδίου λιώνει σχηματίζεται το αέριο προστασίας. Το αέριο προστασίας είναι μίγμα Η2, CO, H2O και CO2 Προστατεύει το λουτρό του λιωμένου μετάλλου από την ατμόσφαιρα. Προλαμβάνοντας την μόλυνση της κόλλησης από την ατμόσφαιρα.
Κόλληση Καθώς το λουτρό του λιωμένου μετάλλου στερεοποιείται, σχηματίζεται η σύνδεση μεταξύ των δυο κομματιών του βασικού μετάλλου. Όταν η συγκόλληση εκτελείται σωστά, τότε η αντοχή της είναι μεγαλύτερη από την αντοχή του βασικού μετάλλου.
Κρούστα Η σκουριά σχηματίζεται από το συνδυασμό των συλλιπασμάτων (επένδυση) και των ακαθαρσιών του βασικού μετάλλου. Η σκουριά επιπλέει στην επιφάνεια της κόλλησης. Η σκουριά στερεοποιείται γρήγορα σχηματίζοντας ένα στρώμα επικάλυψης (κρούστα). Η σκουριά επίσης μειώνει το ρυθμό ψύξης της κόλλησης. Η κρούστα μπορεί να απομακρυνθεί με τη βοήθεια συρμάτινης βούρτσας. Ο εικονιζόμενος συγκολλητής απομακρύνει τη σκουριά από την κόλληση κατά τη διάρκεια επισκευής σιδηρογραμμών.
Έναρξη τόξου Το άναμμα του τόξου επιτυγχάνεται με μια από τις παρακάτω τεχνικές: Άναμμα με ξύσιμο (όπως ένα σπίρτο) Άναμμα με κτύπημα
Γωνία συγκόλλησης 90 Η γωνία συγκόλλησης είναι η γωνία ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και το κομμάτι Η γωνία συγκόλλησης μπορεί να μεταβάλλεται σε σχέση με τη θέση συγκόλλησης
Γωνία προώθησης 20-30 Συχνά καλείται γωνία οδήγησης Η γωνία οδήγησης είναι η γωνία ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και σε ένα επίπεδο κάθετο στον άξονα της ραφής
Μήκος τόξου Μετά το άναμμα του τόξου, διατήρησε μια απόσταση ~ 3 mm (1/8 ) ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο και στο κομμάτι Εάν το τόξο είναι πολύ μικρό, τότε το ηλεκτρόδιο θα κολλήσει στο κομμάτι Αν το τόξο είναι μακρύ, τότε μπορεί να υπάρξει πιτσίλισμα, σχηματισμός κοιλώματος χωρίς κόλληση (undercut) και σχηματισμός πορώδους Arc Length = 1/8
Ταχύτητα συγκόλλησης Εάν η ταχύτητα προώθησης του ηλεκτροδίου είναι Πολύ μεγάλη, τότε η ραφή είναι κυρτή (convex) Πολύ μικρή, τότε η ραφή είναι πλατιά με πλεόνασμα κόλλησης Η ταχύτητα προώθησης του ηλεκτροδίου επηρεάζει το σχήμα της ραφής.
Γέμισμα του κρατήρα Στο τέλος της ραφής, ο συγκολλητής πρέπει να "σπάσει" το τόξο, το οποίο δημιουργεί ένα κρατήρα Πρέπει να κάνε μια μικρή στάση ή ένα μικρό βήμα προς τα πίσω, έτσι ώστε να γεμίσει ο κρατήρας Μεγάλοι κρατήρες μπορεί να δημιουργήσουν ρωγμές
Συνεχίζοντας μια ραφή Παρακάτω παρουσιάζεται η σωστή τακτική για την επανεκκίνηση της συγκόλλησης: 1. Άναψε το τόξο σε αυτό το σημείο 2. Μετακίνησε το ηλεκτρόδιο στην άκρη του κρατήρα 3. Επανέλαβε την προώθηση του ηλεκτροδίου
Επίδραση της θερμότητας στο σχήμα του λουτρού τήγματος Ηλεκτρόδια μεγάλης διαμέτρου μπορεί να προκαλέσουν υπερθέρμανση Στρογγυλεμένες άκρες της ραφής υποδηλώνουν ομοιόμορφη ψύξη Εάν τα άκρα είναι έχουν γωνίες, τότε η κόλληση ψύχεται πολύ αργά Υπερβολική θέρμανση μπορεί να προκαλέσει διάτρηση λόγω καψίματος Πλάκα ψύξης: μεγάλο κομμάτι πλάκας που απορροφά την περίσσεια θερμότητας
Επίδραση της θερμότητας στο σχήμα του λουτρού τήγματος Επίδραση του ποσού της θερμότητας στο σχήμα του λουτρού λιωμένου μετάλλου.
Ελαττώματα ηλεκτροσυγκολλήσεων Τομές συγκολλήσεων, οι οποίες έχουν προσβληθεί με νιτρικό οξύ προκειμένου να φανεί το βάθος διείσδυσης
Ασφάλεια
Πλεονεκτήματα Χαμηλό αρχικό κόστος Φορητός εξοπλισμός Εύκολη χρήση σε εξωτερικούς χώρους Κατάλληλη για εργασίες συντήρησης και συγκόλλησης Δυνατότητα συγκόλλησης σε όλες τις θέσεις Εύκολη η αλλαγή κατά τη συγκόλληση μεταξύ διαφορετικών βασικών μετάλλων
Μειονεκτήματα Ο ρυθμός απόθεσης της κόλλησης έχει όρια, επειδή η επένδυση του ηλεκτροδίου τείνει να υπερθερμαίνεται και να αποκολλάται Δυσκολία στη συγκόλληση πολύ λεπτών μετάλλων Συχνές επανεκκινήσεις Το ηλεκτρόδιο έχει μήκος ~ 35 mm, γεγονός που απαιτεί τη συχνή αλλαγή του, με συνέπεια τη μείωση του συνολικού ρυθμού παραγωγής. Απαιτείται μεγαλύτερη επιδεξιότητα για ηλεκτροσυγκόλληση με το χέρι από ότι με άλλες διεργασίες συγκόλλησης. Δεν παρέχεται ικανοποιητική προστασία για τη συγκόλληση μετάλλων όπως αλουμινίου και τιτανίου
Θέσεις συγκόλλησης
Ταξινόμηση ηλεκτροδίων Τα επενδεδυμένα ηλεκτρόδια ταξινομούνται σε σχέση με τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά τους, σύμφωνα με το EN 499, ως ακολούθως: Α Β C R RA RB RC RR S όξινη επένδυση βασική επένδυση κυτταρινούχο επένδυση ρουτιλική επένδυση όξινη ρουτιλική επένδυση βασική ρουτιλική επένδυση κυτταρινούχο ρουτιλική επένδυση κυτταρινούχο παχιά επένδυση άλλοι τύποι
Επένδυση ηλεκτροδίου Aέριο προστασίας: Προστασία από την οξείδωση: Παρέχει αντιοξειδωτικα και ενώσεις για την αποξείδωση και τον καθαρισμό της συγκόλλησης. Επίσης, η στερεή σκουριά (κρούστα) που σχηματίζεται προστατεύει τη συγκόλληση από την οξείδωση. Σταθεροποίηση τόξου: επένδυση κυτταρίνης (C6H10O5)x, παράγει αέριο μίγμα Η2, CO, H2O και CO2 Επένδυση ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3), χαμηλή περιεκτικότητα σε υδρογόνο, χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση χαλύβων, οι οποίοι είναι ευαίσθητοι στη ψαθυροποίηση υδρογόνου, όπως οι χάλυβες υψηλής αντοχής Επένδυση ρουτιλίου (TiO2) Επιτυγχάνεται με την παροχή χημικών ενώσεων όπως οξαλικό κάλιο και ανθρακικό λίθιο. Αυτές διασπώνται σε ιόντα μέσα στο τόξο οι οποίες, οι οποίες αυξάνουν την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Προσθήκη μετάλλου: Παρέχει κραματικά στοιχεία (για τον έλεγχο της σύστασης) και σκόνη μετάλλου (αυξάνει το ρυθμό απόθεσης) στο λουτρό τήγματος
Τυποποίηση των χαρακτηριστικών των ηλεκτροδίων
Κατάταξη των ηλεκτροδίων
Επιλογή ηλεκτροδίων και έντασης ρεύματος
Διαφορετικά σχέδια κίνησης του ηλεκτροδίου
Διαφορετικά σχέδια κίνησης του ηλεκτροδίου
Διαφορετικά σχέδια κίνησης του ηλεκτροδίου
Διαφορετικά σχέδια κίνησης του ηλεκτροδίου
Διαφορετικά σχέδια κίνησης του ηλεκτροδίου
Άσκηση 1 Objective: To run a straight bead on flat plate and to fill the crater Good Poor (παρά πολύ ρεύμα)
Άσκηση 2 Objective: To run a bead with the whip technique
Άσκηση 3 Objective: To build a pad
Άσκηση 4 Objective: To make a fillet weld on a lap joint in the horizontal position (AWS Position 2F)
Άσκηση 5 Objective: To make a fillet weld on a tee joint in the horizontal position (AWS Position 2F)
Άσκηση 6 Objective: To make a fillet weld on a tee joint in the horizontal position (AWS Position 2F)
Άσκηση 7 Objective: To make a three pass fillet weld on a tee joint in the horizontal position (AWS Position 2F)
Άσκηση 8 Objective: To make a fillet weld on a lap joint in the vertical position welding down (AWS Position 3FD)
Άσκηση 9 Objective: To make a fillet weld on a tee joint in the vertical position welding down (AWS Position 3FD)
Άσκηση 10 Objective: To make a fillet weld on a lap joint in the overhead position (AWS Position 4F)
Άσκηση 11 Objective: To make a fillet weld on a tee joint in the overhead position (AWS Position 4F)
Άσκηση 12 Objective: To make a single pass fillet weld on a tee joint in the vertical position welding up (AWS Position 3F)
Άσκηση 13 Objective: To make a three pass fillet weld on a tee joint in the vertical position welding up (AWS Position 3F)
Άσκηση 14 Objective: To make a single pass fillet weld on a tee joint in the vertical position welding up (AWS Position 3F)
Άσκηση 15 Objective: To make a three pass fillet weld on a tee joint in the vertical position welding up (AWS Position 3F)