Διεργασίες συγκόλλησης με εστιασμένη δέσμη ενέργειας (Electron & Laser beam) (α) (β) Σύγκριση του μεγέθους της κόλλησης εκτελεσμένη (α) με δέσμη ηλεκτρονίων ή laser με αυτή της (β) συμβατικής συγκόλλησης (ηλεκτροσυγκόλληση βολφραμίου με αδρανές αέριο-tig) Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ
Συγκόλληση με εστιασμένη δέσμη ενέργειας Διεργασίες συγκόλλησης με εστιασμένη δέσμη ενέργειας Στις διεργασίες συγκόλλησης με εστιασμένη δέσμη ενέργειας, συμπεριλαμβάνονται οι τεχνικές συγκόλλησης με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding) και με ακτίνες laser (Laser beam welding), οι οποίες προτιμώνται σε εφαρμογές μαζικής παραγωγής. Οι δυο διεργασίες είναι παρόμοιες, με μόνη χαρακτηριστική διαφορά τη διαφορετική πηγή ενέργειας. Η συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων γίνεται με μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας, ενώ η συγκόλληση με ακτίνες laser γίνεται μια υψηλά εστιασμένη δέσμη ακτινών laser.
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding, EBW) Η συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (EBW) είναι μια διεργασία, που η τήξη και η σύνδεση των μεταλλικών κομματιών γίνεται με μια εστιασμένη δέσμη ηλεκτρονίων Όταν το νήμα του ηλεκτρικού πιστολιού είναι αρνητικά φορτισμένο, εκπέμπει ηλεκτρόνια τα οποία επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο Αυτά τα ηλεκτρόνια περνούν διαμέσου της ανόδου και εστιάζονται με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικού πηνίου σε μια μικρή περιοχή του μετάλλου, φ ~ 0,3-0,8 mm, αναπτύσσοντας μια υψηλή ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας, ~1010 W/m2 Η δέσμη ηλεκτρονίων έχει μεγάλη ενέργεια που μπορεί να εξατμίσει το μέταλλο και να σχηματίσει μια κοιλότητα μεγάλου βάθους και μικρού πλάτους στο μέταλλο, μέσα από την οποία μπορεί να εισχωρήσει η δέσμη
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding, EBW) Η τεχνική είναι γνωστή ως σχηματισμός "ματιού" (Keyhole=τρύπα κλειδιού) Η κοιλότητα αυτή συντηρείται με την πίεση που αναπτύσσεται από την εξάτμιση του μετάλλου και μετακινείται κατά μήκος του μετάλλου που πρόκειται να συγκολληθεί Η EBW παρουσιάζει υψηλό λόγο βάθους προς πλάτος, υψηλή αντοχή και τη δυνατότητα συγκόλλησης κομματιών μεγάλης διατομής με ένα πάσο χαμηλής θερμότητας Η EBW δεν είναι κατάλληλη για τη συγκόλληση ατελώς απαερωμένων χαλύβων, όπως οι rimmed χάλυβες, επειδή η υψηλή ταχύτητα συγκόλλησης δεν επιτρέπει την έγκαιρη διαφυγή των φυσαλίδων αερίου
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding)
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding) Η ισχύς που παράγεται στη μονάδα της επιφάνειας είναι: nee EI P= = A A Όπου n, ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων ανά δευτερόλεπτο στη δέσμη e, το φορτίο του ηλεκτρονίου, 1,6x10-19 Cb Ε, η τάση επιτάχυνσης των ηλεκτρονίων, Volts I, το ρεύμα της δέσμης, Amp, και Α, η επιφάνεια πάνω στην οποία εστιάζεται η δέσμη Η ισχύς είναι συνήθως 1-100 kw/mm2 και μπορεί να φθάσει στα 10 ΜW/mm2, ενώ η τάση κυμαίνεται 20 kv - 150 kv
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (Electron beam welding) Διασπορά της δέσμης ηλεκτρονίων σε διάφορες πιέσεις περιβάλλοντος Κολλήσεις σε κομμάτι αλουμινίου 2219, πάχους 13 mm (α) Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων (EBW) και (β) συγκόλληση τόξου βολφραμίου με προστατευτικό αέριο (TIG)
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Πλεονεκτήματα Υψηλή ισχύς που μπορεί να δημιουργήσει "μάτι" ακόμη και σε τεμάχια μεγάλης διατομής Συγκόλληση μιας στρώση με υψηλή ταχύτητα Πολύ μικρή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (ΘΕΖ), χωρίς μεγάλη παραμόρφωση, εξαιτίας της χαμηλότερης εισαγόμενης ποσότητας θερμότητας ανά μονάδα μήκους από ότι στις συγκολλήσεις τόξου Μπορεί να γίνει συγκόλληση δραστικά και πυρίμαχων μετάλλων σε κενό (χωρίς μόλυνση) Η πολύ γρήγορή ψύξη προλαμβάνει το σχηματισμό χονδρόκοκκων, ψαθυρών μεσομεταλλικών ενώσεων Μπορεί να γίνει συγκόλληση ανόμοιων μετάλλων
Συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων Μειονεκτήματα Πολύ υψηλό κόστος εξοπλισμού Η απαίτηση για πολύ υψηλό κενό 10-310-6 torr. Επίσης έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι για την πραγματοποίηση της συγκόλλησης σε μέτριο κενό, 10-3-25 torr ή και σε ατμοσφαιρική πίεση, 1 atm Απαίτηση ακριβούς ευθυγράμμισης των συνδέσεων και του πιστολιού παραγωγής ηλεκτρονίων εξαιτίας του μικρού μεγέθους της δέσμης ηλεκτρονίων Μπορεί να γίνει ελλιπής συγκόλληση ανόμοιων μετάλλων λόγω της αντανάκλασης της δέσμης ηλεκτρονίων
(Laser beam welding, LBW) Η συγκόλληση με δέσμη laser (LBW) είναι μια διεργασία, που η τήξη και η σύνδεση των μεταλλικών κομματιών γίνεται με μια εστιασμένη δέσμη laser Οι ακτίνες laser είναι δέσμη φωτός πολύ μεγάλης έντασης. Οι ακτίνες laser, όπως η δέσμη ηλεκτρονίων, μπορούν να εστιασθούν σε πολύ μικρές περιοχές. Η ισχύς είναι της τάξης των 10 kw/mm2 Οι ακτίνες laser μπορεί να είναι παραχθούν από υλικά που βρίσκονται σε στερεά ή αέρια κατάσταση και αναφέρονται ως laser στερεάς κατάστασης ή αέριας κατάστασης Laser στερεάς κατάστασης: Rb - ρουμπινίου, Nd : glass νεοδυμίου : γυαλιού, Nd : YAG νεοδυμίου : υττρίου - αλουμινίου garnet (φυσικός λίθος) Laser αέριας κατάστασης: Laser CO2 Τα laser Rb - ρουμπινίου, Nd : glass νεοδυμίου : γυαλιού παράγουν υψηλή ενέργεια σε παλμούς μικρής συχνότητας, ενώ τα laser Nd : YAG και CO2 μπορούν να παράγουν συνεχή κύματα ή παλμούς μεγάλης συχνότητας
(Laser beam welding, LBW) Στις συγκολλήσεις χρησιμοποιούνται τα laser Nd : YAG και CO2 Τα laser CO2 έχουν μεγαλύτερη ισχύ από τα laser Nd : YAG Laser παράγονται όταν διεγερμένα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στις κανονικές τους ενεργειακές καταστάσεις Οι ακτίνες laser στερεάς κατάστασης, προέρχονται από προσβολή με φωτεινή δέσμη, διαφανών μονοκρυστάλλων που έχουν μεταβατικά στοιχεία σε μικρή συγκέντρωση. Τα άτομα των μεταβατικών στοιχείων διεγείρονται σε διάφορες ενεργειακές στάθμες με αποτέλεσμα την εκπομπή δευτερογενούς φωτεινής ακτινοβολίας Οι ακτίνες laser CO2 προέρχονται από τη διέγερση του αερίου από τη δημιουργία εκκένωσης λόγω της εφαρμογής ηλεκτρικού δυναμικού Το πλάσμα που σχηματίζεται (ιονισμένο αέριο) κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης μπορεί να απορροφήσει και να διασκορπίσει τη δέσμη laser, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάθους της συγκόλλησης Για την αύξηση του βάθους συγκόλλησης απαιτείται η παρουσία αδρανούς αερίου (He, Ar)
(Laser beam welding)
(Laser beam welding)
(Laser beam welding)
(Laser beam welding) shielding gas nozzle (optional) Laser beam Plasma plume Molten material workpiece motion Keyhole welding
(Laser beam welding) CO2 χαλύβδινου ελάσματος Α633 πάχους 13 mm. Διεργασίες τήξης της επιφάνειας έχουν ως αποτέλεσμα την πλήρη διείσδυση των ακτινών laser Υψηλή αντανακλαστικότητα μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στη συγκόλληση με ακτίνες laser Τροποποίηση της επιφάνειας, π.χ. τράχυνση, οξείδωση και επικάλυψη μπορεί να μειώσει σημαντικά την αντανακλαστικότητα Η δέσμη laser μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με συγκόλληση τόξου, όπως GMAW για την επίτευξη μεγαλύτερης διείσδυσης
Πλεονεκτήματα Επιτυγχάνονται συγκολλήσεις μεγάλου βάθους και μικρού πλάτους σε υψηλή ταχύτητα συγκόλλησης Μικρή θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (ΘΕΖ) Μικρή παραμόρφωση Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συγκόλληση ανόμοιων μετάλλων ποικίλου μεγέθους
Μειονεκτήματα Πολύ υψηλή αντανακλαστικότητα της δέσμης laser από τη μεταλλική επιφάνεια Υψηλό κόστος εξοπλισμού Απαιτείται ακριβής ευθυγράμμιση της σύνδεσης και της δέσμης laser
Εστίαση των ακτινών laser Θερμική κατεργασία Επιφανειακή κατεργασία Συγκόλληση Κοπή
Συγκόλληση ακτινών laser στην αυτοκινητοβιοηχανία Εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία περιλαμβάνουν συγκόλληση εξαρτημάτων, 3D αμαξωμάτων και Tailored blanks Η VW χρησιμοποιεί περισσότερες από 200 γραμμές laser, η Jaguar (Castle Bromwich) 1, η Nissan (Sunderland) 2 γραμμές
Συγκόλληση ακτινών laser στην ναυπηγική Χρήση ενός fiber laser 10 kw στην κατασκευή πλοίων Υβριδικό σύστημα συγκόλλησης με laser
Σημειακές συγκολλήσεις και μικροσυγκολλήσεις Εργαλεία επιδιόρθωσης καλουπιών Ιατρικές συσκευές σημειακές συγκολλήσεις μεγέθους 400µm σε ορθοδοντικά σιδεράκια Αισθητήρες Κεφαλές Διαβάσματος/Γραφής Ξυράφι ξυριστικών
Άλλες εφαρμογές των συγκολλήσεων laser Κύρια χαρακτηριστικά της κοπής με laser: Εφαρμογή σε μια μεγάλη ποικιλία υλικών Στενή ζώνη κοπής Μη ύπαρξη επαφής Καλή ποιότητα άκρων (τετράγωνα, καθαρά και χωρίς γρέζια) Πολύ στενή ΘΕΖ, χαμηλή εισροή θερμότητας Πολύ υψηλή επαναληψιμότηατα και ακρίβεια Στην πραγματικότητα μπορεί να κοπεί οποιοδήποτε υλικό
Εξελίξεις στις συγκολλήσεις laser Υβριδική συγκόλληση Συνδυασμός συγκόλλησης τόξου και ακτινών laser Κατάλληλη στην περίπτωση κακής συναρμογής Το πρόσθετο υλικό μπορεί να τροποποιήσει το μέταλλο συγκόλλησης Καλύτερα αποτελέσματα από τα αναμενόμενα
Συγκόλληση πλάσματος Συγκόλληση πλάσματος (Plasma arc welding, PAW) Η συγκόλληση τόξου πλάσματος (PAW) είναι μια διεργασία, που η τήξη και η σύνδεση των μεταλλικών κομματιών γίνεται με ένα εστιασμένο τόξο, που αναπτύσσεται μεταξύ ενός ηλεκτροδίου βολφραμίου και των μεταλλικών κομματιών Με την ονομασία πλάσμα εννοούμε την ατμόσφαιρα ιονισμένου αερίου με υψηλή θερμοκρασία, αποτελούμενη από θετικά ιόντα και ηλεκτρόνια, που σχηματίζουν τη στήλη του ηλεκτρικού τόξου, η οποία άγει το ρεύμα Η PAW είναι παρόμοια διεργασία με τη συγκόλληση τόξου βολφραμίου (GTAW), με τη διαφορά ότι χρησιμοποιείται ένα αέριο ακροφυσίου (orifice gas) και ένα προστατευτικό αέριο (shielding gas) Ο εστιασμός του τόξου οφείλεται στη δράση ενός ακροφυσίου στένωσης αερίου Το ηλεκτρόδιο βολφραμίου βρίσκεται στο εσωτερικό του ακροφυσίου και το άναμμα του τόξου επιτυγχάνεται με τη βοήθεια ξεχωριστή πηγής ρεύματος υψηλής συχνότητας, μεταξύ της άκρης του ηλεκτροδίου και του ακροφυσίου. Η ψύξη του ακροφυσίου γίνεται με την κυκλοφορία νερού Κατόπιν το τόξο μεταφέρεται μεταξύ της άκρης του ηλεκτροδίου και του μεταλλικού κομματιού
Συγκόλληση πλάσματος Συγκόλληση πλάσματος (Plasma arc welding)
Συγκόλληση πλάσματος Συγκόλληση πλάσματος (Plasma arc welding)
Συγκόλληση πλάσματος Σχηματισμός ματιού (Keyholing) a) b) c) d) e) Δέσμη υψηλής ενέργειας σχηματίζει λουτρό λιωμένου μετάλλου στην επιφάνεια Το λιωμένο μέταλλο αρχίζει να εξατμίζεται, με συνέπεια το σχηματισμό κρατήρα, που επιτρέπει την περαιτέρω διείσδυση Η τάση ατμών εξαναγκάζει το λιωμένο υλικό να μεταφέρεται στις πλευρές του κρατήρα και η διείσδυση συνεχίζεται Η δέσμη ενέργειας βγαίνει από την άλλη πλευρά της σύνδεσης, σχηματίζοντας "μάτι" με πλευρές λιωμένου μετάλλου, οι οποίες συγκρατούνται από την τάση ατμών και την επιφανειακή τάση Τα υπό συγκόλληση κομμάτια μετακινούνται σε σχέση με τη δέσμη, με συνέπεια το λιώσιμο νέου υλικού και τη ψύξη και στερεοποίηση του προγενέστερου νέου υλικού
Συγκόλληση πλάσματος Σχηματισμός ματιού (Keyholing) Ο σχηματισμός "ματιού" είναι μια ένδειξη πλήρους διείσδυσης, που επιτρέπει τη συγκόλληση με υψηλή ταχύτητα (για πάχος 2.56.4 mm) Απαιτείται κατάλληλος συνδυασμός ροής αερίου ακροφυσίου, ταχύτητας μετακίνησης μεταλλικού κομματιού και έντασης ρεύματος συγκόλλησης Το πλασμικό τόξο συνήθως μοιάζει με ποτήρι κρασιού Σύγκριση του μήκους του τόξου στη συγκόλληση πλάσματος (PAW) και στη συγκόλληση βολφραμίου (GTAW)
Συγκόλληση πλάσματος Πλεονεκτήματα Το ηλεκτρόδιο βρίσκεται στο εσωτερικό του ακροφυσίου και συνεπώς δεν υπάρχει μόλυνση του μετάλλου της κόλλησης Μικρότερη ευαισθησία στη μεταβολή του μήκους τόξου Πλήρης διείσδυση Υψηλή ταχύτητα διείσδυσης
Συγκόλληση πλάσματος Μειονεκτήματα Μεγαλύτερη πολυπλοκότητα Ανάγκη ακριβέστερης προετοιμασίας των συγκολλούμενων εξαρτημάτων Απαιτείται κατάλληλη διαμόρφωση της άκρης του ηλεκτροδίου, ακριβέστερη τοποθέτηση των υπό συγκόλληση κομματιών και επιλογή κατάλληλου ακροφυσίου Ο εξοπλισμός είναι ακριβότερος
Θερμιτοσυγκόλληση Θερμιτοσυγκόλληση (Thermit welding, TW) Η θερμιτοσυγκόλληση (TW) είναι μια διεργασία στην οποία η θερμότητα που απαιτείται για τη συγκόλληση προέρχεται από τη χημική αντίδραση του θερμίτη Θερμίτης = μίγμα αργιλίου, Al (μικροί κόκκοι) και κονιοποιημένου οξειδίου του σιδήρου, Fe3O4, το οποίο θερμαινόμενο αντιδρά χημικώς και δίνει μια μεγάλη ποσότητα θερμότητας και ελεύθερο σίδηρο (εξώθερμη αντίδραση) Μια τυπική αντίδραση είναι η ακόλουθη: 3Fe3O4 + 8 Al 9 Fe + 4 Al2O3 Το πρόσθετο υλικό προέρχεται από το λιωμένο μέταλλο Η διεργασία αν και χρησιμοποιείται για τη σύνδεση μεταλλικών κομματιών, έχει περισσότερες ομοιότητες με τη χύτευση από ότι με τη συγκόλληση
Θερμιτοσυγκόλληση Θερμιτοσυγκόλληση (Thermit welding, TW) Θερμιτοσυγκόλληση: (1) Έναυση του θερμίτη (2) υπέρθερμο μέταλλο ρέει στο καλούπι (3) το μέταλλο στερεοποιείται με αποτέλεσμα το σχηματισμό συγκολλητής σύνδεσης.
Θερμιτοσυγκόλληση Εφαρμογές θερμιτοσυγκόλλησης Συγκόλληση των σιδηροτροχιών τρένων Επιδιόρθωση των ρωγμών σε μεγάλα χυτά και σφυρήλατα κομμάτια Η επιφάνεια συγκόλλησης είναι συχνά αρκετά με συνέπεια να μην απαιτείται φινίρισμα
Συγκολλήσεις μετάλλων Μέθοδοι σύνδεσης των μετάλλων (Συγκολλήσεις τήξης) (Άλλες τεχνικές σύνδεσης) (Συγκολλήσεις αερίου) (Οξυγονοκόλληση) (Συγκολλήσεις τόξου) (Κοχλιοσύνδεση) (Ήλωση) (Μπρουντζοκόλληση) (Κασσιτεροκόλληση) (Σύνδεση με κόλλα) (Συγκολλήσεις με εστιασμένη δέσμη ενέργειας) (Συγκολλήσεις τριβής)
Συγκολλήσεις μετάλλων Ταξινόμηση μεθόδων συγκόλλησης (i). Συγκολλήσεις τόξου (Arc Welding) Τόξου γραφίτη (Carbon arc) Τόξου μετάλλου (Metal arc, SMAW) Μετάλλου - προστατευτικού αερίου (Metal inert gas, MIG, GMAW) Βολφραμίου-προστατευτικού αερίου (Tungsten inert gas, TIG, GTAW) Τόξου σύρματος με πυρήνα συλλιπάσματος (Flux cored arc welding, FCAW) Τόξου πλάσματος (Plasma arc, PAW) Με βυθιζόμενο τόξο (Submerged arc, SAW) Ηλεκτροσκωριακή (Electro-slag, ESW) (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-beam) (vii). ΚασσιτεροκολλήσειςΜπρουντζοκολλήσεις (Soldering-Brazing) (viii).εργασίες συναφείς με τις συγκολλήσεις Οξυγονοκοπή (Oxy-acetylene cutting) Κοπή ηλεκτρικού τόξου (Arc cutting) Hard facing
Συγκολλήσεις μετάλλων Ο ρόλος της πηγής θερμότητας στη συγκόλληση Ο τρόπος μετάδοσης της θερμότητας είναι σημαντικός για μια συγκόλληση Για παράδειγμα, στη μέθοδο GTAW με μια πηγή 1,5 kw, το τόξο συγκεντρώνεται σε μια περιοχή διαμέτρου 6 mm και μπορεί πού εύκολα να παράγει λουτρό (τηγμένο μέταλλο). Αντίθετα ένα πιστολάκι μαλλιών ίδιας ισχύος, 1,5 kw, μπορεί απλά να θερμάνει το έλασμα, χωρίς να προκαλέσει τήξη Καθώς η απόδοση της πηγής θερμότητας αυξάνεται, η απαιτούμενη θερμότητα για τη τήξη του μεταλλικού κομματιού μειώνεται Μεταβολή της θερμότητας που εισάγεται στο έλασμα σε σχέση με την απόδοση της πηγής (power density) Απόδοση της πηγής θερμότητας- Power density Μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης Μεγαλύτερες ταχύτητες Καλύτερη ποιότητα συγκόλλησης Λιγότερα προβλήματα στο έλασμα
Συγκολλήσεις μετάλλων Ο ρόλος της πηγής θερμότητας στη συγκόλληση Μεταβολή της αντοχής σε σχέση με την εισροή θερμότητας ανά μονάδα μήκους της συγκόλλησης και ανά μονάδα πάχους του ελάσματος Σύγκριση της γωνιακής παραμόρφωσης ελάσματος μεταξύ των μεθόδων συγκόλλησης EBW και GTAW Εισροή θερμότητας Εισροή θερμότητας Αντοχή συγκόλλησης Παραμορφώσεις στο έλασμα
Συγκολλήσεις τήξης Διεργασίες συγκόλλησης και υλικά
Συγκολλήσεις τήξης Σύγκριση του ρυθμού εναπόθεσης μεταξύ διαφορετικών διεργασιών συγκόλλησης τόξου
Συγκολλήσεις τήξης Γενικά χαρακτηριστικά των συγκολλήσεων τήξης
Διάφοροι μέθοδοι σύνδεσης Σύγκριση διάφορων μεθόδων σύνδεσης