5.3. ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ Με τον όρο συγκόλληση εννοούμε γενικά την τοπική σύμφυση μετάλλων υπό υψηλή θερμοκρασία. Η σύμφυση αυτή είναι δυνατό να πραγματοποιηθεί μεταξύ ομοίων και ανόμοιων μετάλλων και με τη χρήση ή όχι πίεσης. Με τη μέθοδο της συγκόλλησης συνθέτουμε τη μορφή του αντικειμένου που επιθυμούμε συγκολλώντας κομμάτια ήδη προκατασκευασμένα. Αυτή η διεργασία έχει συνήθως σαν αποτέλεσμα την παραγωγή αντικειμένων με πολύ χαμηλότερο κόστος από τη χύτευση και με καλύτερη γενικά ποιότητα κατασκευής, ακρίβεια διαστάσεων, μηχανικές ιδιότητες, εμφάνιση κλπ. Με τον τρόπο αυτό τα προϊόντα της συγκόλλησης είναι πολλές φορές έτοιμα για την κατανάλωση, χωρίς να χρειάζονται επιπλέον μηχανουργικές επεξεργασίες. Τα πλεονεκτήματα αυτά των συγκολλήσεων έχουν προκαλέσει σε πολλές περιπτώσεις τον ανασχεδιασμό χυτών αντικειμένων και τη συγκολλητή κατασκευή τους με χαμηλότερο κόστος. Μεγάλη ώθηση στη διάδοση των συγκολλήσεων και ιδιαίτερα των ηλεκτροσυγκολλήσεων έδωσε και η επιτυχής εφαρμογή τους για τη σύνδεση ελασμάτων στη ναυπηγική και αργότερα στην αυτοκινητοβιομηχανία, αεροναυπηγική, λεβητουργία κλπ. Στην περίπτωση αυτή η συγκόλληση αντικατέστησε με επιτυχία τη σύνδεση με καρφιά ή βίδες, με σημαντικό κέρδος σε βάρος και εργατικά. Τα βασικά προβλήματα που αντιμετωπίζει ο μηχανικός κατά την παραγωγή συγκολλητών προϊόντων είναι κυρίως ο κατάλληλος σχεδιασμός του κομματιού ώστε να διευκολύνεται η συγκόλληση και η "συγκολλητότητα" του υλικού σε συνδυασμό με τα μηχανήματα συγκόλλησης που υπάρχουν. Με τον όρο συγκολλητότητα του υλικού εννοούμε την ευκολία με την οποία είναι δυνατή η συγκόλληση με τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο, και τη μηχανική και χημική συμπεριφορά της κόλλησης και του γειτονικού μετάλλου. Οι μέθοδοι συγκόλλησης που εφαρμόζονται σε ευρεία κλίμακα είναι η συγκόλληση με φλόγα αερίου, η ηλεκτροσυγκόλληση τόξου και η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης. Εκτός από τους βασικούς αυτούς τρόπους συγκόλλησης υπάρχουν και πολλοί άλλοι με ειδικότερα πεδία εφαρμογής. Αναλυτικότερα έχουμε:
(1) Συγκόλληση με Σφυρηλάτηση. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου σε διάπυρη κατάσταση έρχονται σε επαφή και συμπιέζονται ή σφυρηλατούνται με αποτέλεσμα τη συνένωση τους. (2) Συγκόλληση Θερμίτου. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου, περιβάλλονται με μείγμα οξειδίου του μετάλλου και αλουμινίου και στη συνέχεια θερμαίνονται τοπικά σε υψηλή θερμοκρασία (1100 o C για τη συγκόλληση χάλυβα). Η θέρμανση προκαλεί ανάφλεξη του μείγματος και παραγωγή υψηλών θερμοκρασιών που συντελούν στην τήξη του μετάλλου και τη συγκόλληση των κομματιών. Στην περίπτωση του σιδήρου, η χημική αντίδραση της καύσης του θερμίτη είναι: 8Al + 3Fe3O4 = 9Fe + 4Al22O3 και η παραγόμενη θερμοκρασία φθάνει τους 2800 o C. (3) Συγκόλληση Επαγωγής. Στη μέθοδο αυτή η θέρμανση του μετάλλου γίνεται τοπικά με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητών οι οποίοι δημιουργούν στη μάζα του μετάλλου δινορρεύματα. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση μετάλλων με μικρή ηλεκτρική αγωγιμότητα. (4) Σκληρή κόλληση. Στη μέθοδο αυτή τα κομμάτια του μετάλλου που πρόκειται να συγκολληθούν έρχονται σε επαφή, ενώ στην περιοχή της συγκόλλησης τοποθετείται ποσότητα κατάλληλης μεταλλικής κόλλησης, συνήθως κραμάτων χαλκού ή αργύρου. Στη συνέχεια όλο το σύστημα θερμαίνεται μέχρι του σημείου τήξης της κόλλησης η oποία ρέει και με τη βοήθεια του τριχοειδούς φαινομένου παρεμβάλλεται μεταξύ των επιφανειών του μετάλλου. Οι θερμοκρασίες τήξης της κόλλησης είναι μεταξύ 650-900 C για κράματα αργύρου και μεταξύ 900-1150 C για κράματα χαλκού. Με την ψύξη των κομματιών επέρχεται η συγκόλλησή τους. Η όλη διαδικασία πρέπει να γίνει σε κατάλληλη ατμόσφαιρα ώστε να μειωθεί ο κίνδυνος οξείδωσης του μετάλλου και της κόλλησης.
(5) Μαλακή κόλληση. Με τη μέθοδοο αυτή η κόλληση πραγματοποιείται με την τήξη κατάλληλων κομματιών μολύβδου με χαμηλό σημείο τήξης. Η θερμότητα της τήξης προέρχεται συνήθως από ηλεκτρική αντίσταση ή φλόγα αερίου. Στη συνέχεια θα εξετάσουμε σε κάποια έκταση τους βασικούς τρόπους συγκόλλησης που εφαρμόζονται σε μεγάλη βιομηχανική κλίμακα, τα προβλήματά τους και τους λόγους εμφάνισής τους, και ορισμένα στοιχεία σχετικά με τις χρησιμοποιούμενες διατάξεις, μεθόδους και μηχανές. Το σημείο πάντως που πρέπει ιδιαίτερα να τονισθεί είναι ότι οι συγκολλήσεις είναι ένα πολύ εκτεταμένο κεφάλαιο με πολλά θεωρητικά και εμπειρικά στοιχεία, τεχνικούς κανονισμούς κ.ά., και δεν είναι δυνατή η κάλυψήτου σε ένα σχετικά περιορισμένο χώρο. 5.3..1. Ηλεκτροσυγκόλληση Τόξου. Στη μέθοδο αυτή συγκόλλησης, η θερμότητα που απαιτείται για την τήξη του μετάλλου παρέχεται από ηλεκτρικό τόξο που δημιουργείτ ται μεταξύ του κομματιού που θα κολληθεί και του ηλεκτροδίου, ή μεταξύ δύο ηλεκτροδίων. Η θερμότητα αυτή προκαλεί την τήξη του μετάλλου των κομματιών αφ' ενός και του ηλεκτροδίου ή κατάλληλου σύρματος μεταλλικής κόλλησης αφ' ετέρου και την τελική συνένωση. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις κατατάσσονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους. Έτσι διακρίνουμε τις ηλεκτροσυγκολλήσεις συνεχούς και εναλλασσόμενου ρεύματος. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις συνεχούς ρεύματος χωρίζονται στις συγκολλήσεις με θετικό ή αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα κυριότερα χαρακτηριστικά των συγκολλήσεων αυτών παρουσιάζονται στο σχήμα 73. Σχήμα 73
Με τη σύνδεση του συνηθισμένου τύπου ηλεκτροδίων στον αρνητικό πόλο της πηγής συνεχούς ρεύματος, το κομμάτι γίνεται θερμότερο από το ηλεκτρόδιο λόγω της πρόσπτωσης των ηλεκτρονίων. Έτσι επιτυγχάνεται μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης μετάλλου, ενώ αντίστοιχα είναι μικρό το πλάτος της κόλλησης. Αντίστροφα, για την περίπτωση του θετικού ηλεκτροδίου, το ηλεκτρόδιο είναι θερμότερο, με αποτέλεσμα να έχουμε μικρό βάθος και μεγάλη έκταση στην κόλληση. Με την πηγή εναλλασσομένου ρεύματος έχουμε μία ενδιάμεση κατάσταση επειδή τα ηλεκτρόνια παλινδρομούν μεταξύ ηλεκτροδίου και κομματιού. Αύξηση της διείσδυσης της κόλλησης επιτυγχάνεται και με την αύξηση της τάσης η οποία ουσιαστικά αυξάνει την ισχύ του ηλεκτρικού τόξου. Γενικά η μεγάλη διείσδυση είναι επιθυμητή στη συγκόλληση αντικειμένων μεγάλου πάχους. Κατά τη συγκόλληση, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που δημιουργούνται, αυξάνεται ο ρυθμός οξείδωσης και εναζώτωσης, από το οξυγόνο και το άζωτο της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα τη μείωση της ολκιμότητας, την αύξηση της σκληρότητας και ευθραυστότητας του μετάλλου και γενικά μείωση της μηχανικής αντοχής της κόλλησης. Σε ορισμένες δε περιπτώσεις, όπως του αλουμινίου, ανοξείδωτου χάλυβα, τιτανίου κλπ. η συγκόλληση με τις συνθήκες αυτές είναι αδύνατη. Για την αποφυγή των φαινομένων αυτών χρησιμοποιούνται διάφορα προστατευτικά μέτρα όπως, η εμβάπτιση του ηλεκτροδίου σε κατάλληλες ουσίες, η χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων με επικάλυψη, η χρήση ευγενών αερίων όπως το ήλιο και το αργό, ή ενεργών αερίων όπως το υδρογόνο. Όλες αυτές οι μέθοδοι έχουν σαν σκοπό την απομόνωση της περιοχής της κόλλησης από τον ατμοσφαιρικό αέρα και την αναγωγή τυχόν οξειδίων που δημιουργούνται. Τέλος, σε ειδικές περιπτώσεις εξαιρετικά ευαίσθητων μετάλλων είναι δυνατή και η συγκόλληση σε κενό αέρος. Τα φυσικά και χημικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της κόλλησης είναι πολύπλοκα και εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως, το είδος του μετάλλου και του κομματιού, το είδος του υλικού του ηλεκτροδίου, η τάση της πηγής, το συλλίπασμα, το χρησιμοποιούμενο χημικό περιβάλλον κ.ά. Όλοι αυτοί οι παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπόψη για να προκύψει μια παραδεκτή συγκόλληση. Για το σκοπό αυτό υπάρχουν λεπτομερείς προδιαγραφές των συνθηκών κόλλησης για κάθε τύπο κράματος και οι τρόποι ελέγχου ανάλογα με τους κανονισμούς που ισχύουν για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Κατά τη συγκόλληση, μετά το προκαταρκτικό στάδιο της έναυσης του ηλεκτρικού τόξου, δημιουργείται στην επιφάνεια του μετάλλου ένα ρυάκι λιωμένου υλικού, το οποίο ο τεχνίτης κατευθύνει με τη βοήθεια του ηλεκτροδίου κατά την επιθυμητή
διεύθυνση. Η όλη διαδικασία απαιτεί επιδεξιότητα. Το σχήμα 74 δείχνει τέσσερις βασικούς τύπους κόλλησης με αναλώσιμα ή όχι ηλεκτρόδια. τους Σχήμα 74 Η πιο συνηθισμένη μέθοδος συγκόλλησης είναι η περίπτωση (α) με αναλώσιμο ηλεκτρόδιο. Το ηλεκτρόδιο είναι συνήθως κατασκευασμένο από μέταλλο παρόμοιο με του κομματιού, και υπό την επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών του τόξου τήκεται και παρέχει την ποσότητα του μετάλλου που χρειάζεται για την κόλληση. Συχνά, τα ηλεκτρόδια είναι καλυμμένα με κατάλληλο συλλίπασμα το οποίο, αφού λιώσει με το μέταλλο, δημιουργεί ένα επιφανειακό στρώμα που προστατεύει την κόλληση από την οξείδωση. Στην περίπτωση (β) το ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από άτηκτο υλικό γραφίτη ή βολφράμιο και χρησιμοποιείται μόνο για την παραγωγή του τόξου, το μέταλλο της κόλλησης παρέχεται από άλλη ράβδο ή σύρμα. Στις περιπτώσεις (γ) και (δ), το τόξο δημιουργείται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων, αναλώσιμων ή άτηκτων αντίστοιχα. Οι περιπτώσεις αυτές σπάνια χρησιμοποιούνται σε βιομηχανική κλίμακα, σε συγκολλήσεις κυρίως κραμάτων αλουμινίου. Η ηλεκτρική ισχύς του τόξου παρέχεται συνήθως από μετασχηματιστή, ανορθωτή, ή γεννήτρια με τάση 60-300V, η τάση αυτή κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης μειώνεται σε 20-40V. Το ρεύμα έχει ένταση 20-500Α ανάλογα με το μέγεθος του ηλεκτροδίου, το πάχος του μετάλλου και την ταχύτητα προώθησης του ηλεκτροδίου. Ο ηλεκτροσυγκολλητής έχει τη δυνατότηταα ρύθμισης του ρεύματος και της ταχύτητας του ηλεκτροδίου. Για μεγάλες ραφές ευθύγραμμου σχήματος
χρησιμοποιούνται αυτόματες μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης οι οποίες διατηρούν την τάση, την ένταση του ρεύματος, και την ταχύτητα προώθησης του ηλεκτροδίου στις προκαθορισμένες από τον χειριστή τιμές. Για την επιτυχία της ηλεκτροσυγκόλλησης είναι απαραίτητη η κατάλληλη μηχανουργική επεξεργασία της περιοχής των κομματιών που θα συγκολληθούν. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες μορφές παρουσιάζονται στο σχήμα 75. Σχήμα 75 Για την καλύτερη διείσδυση του μετάλλου είναι απαραίτητο να υπάρχει το κενό g που συνήθως κυμαίνεται από 1.5-5 mm ανάλογα με το πάχος του ελάσματος. Επίσης, για την αποφυγή κενών στη συγκόλληση, η γωνία θ κατασκευάζεται μεταξύ 60-90. Κατά τη συγκόλληση ελασμάτων μεγάλου πάχους είναι προτιμότερη η χρησιμοποίησηη ηλεκτροδίων μικρής διαμέτρου και πολλών διαδοχικών επιστρώσεων. Η χρησιμοποίηση ηλεκτροδίων μεγάλης διαμέτρου βελτιώνει πολύ την ταχύτητα της συγκόλλησης αλλά αυξάνει την πιθανότητα δημιουργίας κενών. Το σχήμα 76 δείχνει τα διαδοχικά στρώματα κόλλησης για συγκολλήσεις ελασμάτων μεγάλου πάχους ώστε να επιτευχθεί η απαραίτητη μηχανική αντοχή.
Σχήμα 76 Μεγάλη σημασία για την επιτυχία της συγκόλλησης έχει και η σχετική θέση της ραφής ως προς το ηλεκτρόδιο. Απλούστερη και ευκολότερη είναι η συγκόλλησηη με τα ελάσματα οριζόντια κάτω από το ηλεκτρόδιο. Δυσκολία παρουσιάζει η συγκόλληση κατακόρυφων ελασμάτων και ιδίως η συγκόλληση με οριζόντια τα ελάσματα πάνω από το ηλεκτρόδιο, εξ αιτίας της ροής του μετάλλου λόγω βαρύτητας. Στο σχήμα 777 παρουσιάζονται οι βασικές μορφές συγκολλήσεων πολλές από τις περιπτώσεις αυτές δεν είναι απαραίτητη η μηχανουργική επεξεργασία των ελασμάτων. ελασμάτων. Σε προκαταρκτική
Σχήμα 77 Ενδιαφέρον παρουσιάζει η μελέτη των συγκολλήσεων από άποψη μηχανικής αντοχής σε διάφορους τύπους καταπονήσεωνν συγκριτικά με το κόστος κατασκευής. Σχετικά κατατοπιστικός είναι και ο συγκριτικός πίνακας 8 με ορισμένους βασικούς τύπους συγκόλλησης. Στον πίνακα αυτό είναι εμφανής η ανάγκη της μηχανουργικής διαμόρφωσης των προς συγκόλληση κομματιών, καθώς και τα δυσμενή αποτελέσματα της ελλειπούς διείσδυσης του μετάλλου της συγκόλλησης, ιδίως για δυναμικά φορτία. Η μηχανουργική κατεργασίαα επιβαρύνει σημαντικά το συνολικό κόστος παραγωγής, αλλά είναι απαραίτητη εάν είναι επιθυμητό η συγκόλληση να έχει το 100% της αντοχής των συγκολλούμενων ελασμάτων.
Πίνακας 8. Βασικοί τύποι συγκόλλησης
Εκτός από τα πιθανά κενά, οξειδώσεις κ.λ.π. η συγκόλληση παρουσιάζει επίσης και το πρόβλημα των θερμικών τάσεων το οποίο έχει σημαντική επίδραση στη δυναμική αντοχή του υλικού και στην ακρίβεια διαστάσεων. Το φαινόμενο των θερμικών τάσεων, είναι αναπόσπαστο στοιχείο των τοπικά θερμών κατεργασιών, λόγω ακριβώς της φύσης των κατεργασιών αυτών, αλλά στην περίπτωση των ηλεκτροσυγκολλήσεων γίνεται κρίσιμο. Οι θερμικές τάσεις δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της απόψυξης της συγκόλλησης, λόγω των διαφορετικών ποσοστών συστολής των διαφόρων τμημάτων της ραφής τα οποία βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι τάσεις αυτές στις συνηθισμένες περιπτώσεις προστίθενται, στα λοιπά φορτία που επιβαρύνουν τη συγκόλληση μειώνοντας έτσι τη μηχανική αντοχή. Εάν όμως δε ληφθούν μέτρα για την αποφυγή τους είναι δυνατό να οδηγήσουν στη ρηγμάτωση του υλικού, δημιουργία μικρορωγμών ή στην αλλοίωση του σχήματος των ελασμάτων. Οι εσωτερικές θερμικές τάσεις είναι δυνατό να μειωθούν με τον
κατάλληλο σχεδιασμό του κομματιού, με την προσεκτική εκτέλεση της συγκόλλησης ή με τη θερμική κατεργασία του κομματιού. Η θερμική κατεργασία πραγματοποιείται σε κατάλληλες καμίνους με θερμοκρασία 650 C περίπου για το χάλυβα και διαρκεί συνήθως μερικές ώρες. Η μείωση των τάσεων κατά τη θερμική κατεργασία είναι ιδιαίτερα αισθητή κατά την πρώτη ώρα. Έτσι π.χ. για εσωτερικές τάσεις 2000at μετά την πρώτη ώρα, έχουμε μείωση στις 400at και κατά τη δεύτερη ώρα στις 300at. Η τελική τιμή της εσωτερικής τάσης μετά από άπειρο χρόνο παραμονής (θεωρητικά) στην κάμινο είναι 200at. Γενικά πάντως, οι θερμικές κατεργασίες είναι αρκετά δαπανηρές και χρησιμοποιούνται για συγκολλήσεις μεγάλων απαιτήσεων και μέταλλα που παρουσιάζουν δυσκολίες στην κόλληση, όπως τα κράματα χάλυβα με μεγάλες περιεκτικότητες Cr, Ni, Mo κ.λ.π. τα κράματα αλουμινίου κ.ά. Στις συνηθισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιείται απλή θέρμανση της περιοχής της συγκόλλησης σε φλόγα οξυγόνου. Κλείνοντας το κεφάλαιο των ηλεκτροσυγκολλήσεων τόξου θα πρέπει να αναφερθούν και δύο σχετικά νέες μέθοδοι συγκόλλησης οι οποίες δεν μπορούν να θεωρηθούν σαν καθαρά ηλεκτοσυγκολλήσεις τόξου. 1. Στην πρώτη μέθοδο, η θερμότητα τήξης του ηλεκτροδίου και του ελάσματος προέρχεται αφ' ενός μεν από τη θερμότητα του τόξου μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ελάσματος, αφ' ετέρου δε από τη θερμότητα που παράγεται κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος από το ρευστό μέταλλο. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται συγκόλληση βυθισμένου τόξου και συνίσταται στη βύθιση του ηλεκτροδίου στο ρευστό μέταλλο μετά την αρχική τήξη ικανοποιητικής ποσότητας κόλλησης. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει το πλεονέκτημα της χρησιμοποίησης μεγάλης έντασης ρεύματος, η οποία επιτρέπει τη χρήση μεγάλων ηλεκτροδίων και την ανάπτυξη μεγάλων ταχυτήτων πρόωσης. 2. Η δεύτερη μέθοδος, που ονομάζεται συγκόλληση ατομικού υδρογόνου συνίσταται στη χρησιμοποίηση του ηλεκτρικού τόξου για τη διάσπαση του μοριακού υδρογόνου σε ατομικό. Το ατομικό υδρογόνο υπό μορφή δέσμης προσπίπτει στην επιφάνεια του μετάλλου απελευθερώνοντας το συνολικό του θερμικό και χημικό δυναμικό, μετατρεπόμενο σε μοριακό. Η θερμότητα αυτή που παράγεται χρησιμοποιείται για την τήξη του μετάλλου και της κόλλησης, ενώ το υδρογόνο χρησιμεύει και για την προστασία της συγκόλλησης από την οξείδωση. Η μέθοδος του ατομικού υδρογόνου χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση κραμάτων χάλυβα, νικελίου και αλουμινίου.
5.3..2. Συγκολλήσεις Οξυγόνου. Στις συγκολλήσεις οξυγόνου, η θερμότητα που χρειάζεται για την τήξη και τη συνένωση του μετάλλου με την κόλληση προέρχεται από την καύση ακετυλενίου, υδρογόνου ή αερίων υδρογονανθράκων. Το καύσιμο αέριο αναμειγνύεται στις κατάλληλες αναλογίες με το οξυγόνο και αναφλέγεται στο στόμιο κατάλληλου ακροφυσίου. Το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο αέριο είναι το ακετυλένιο το oποίο παράγει φλόγα θερμοκρασίας έως 2800 o C. Το αέριο αυτό με κατάλληλη ρύθμιση των αναλογιών με το οξυγόνο έχει τη δυνατότητα παραγωγής αναγωγικής ή οξειδωτικής φλόγας. Συνήθως η χρησιμοποιούμενη φλόγα συγκόλλησης είναι ουδέτερη ή ελαφρά αναγωγική, για τον περιορισμό της οξείδωσης του μετάλλου. Ειδικά για τις συγκολλήσεις ορειχάλκου χρησιμοποιείται η οξειδωτική φλόγα.. Η συγκόλλησηη με οξυγόνο χρησιμοποιεί κυρίως γυμνά σύρματα κόλλησης ιδίως για τις συγκολλήσεις των μαλακών χαλύβων. Ειδικά συλλιπάσματα χρησιμοποιούνται για την συγκόλληση του ανοξείδωτου χάλυβα και των μη σιδηρούχων μετάλλων εκτός του χαλκού. Πολλά από τα συλλιπάσματα που χρησιμοποιούνται για τη συγκόλληση του αλουμινίου και του μαγνησίου περιέχουν φθορίδια και απαιτούν την καλή εξαέρωση του χώρου γιατί είναι δηλητηριώδη. Σχήμα 78 Κατά τη συγκόλληση χρησιμοποιούνται δύο είδη κατεύθυνσης της φλόγας, προς το διάκενο ή προς τη ραφή, όπως δείχνει το σχήμα 78. Στη πρώτη περίπτωση η φλόγα είναι τοποθετημένη υπό γωνία 45 ο περίπου πάνω από τη ραφή, ενώ αντίστοιχα το σύρμα της κόλλησης βρίσκεται πάνω από το διάκενο. Η μέθοδος αυτή δημιουργεί μικρότερη ποσότητα λιωμένου μετάλλου και παράγει ομαλότερη κόλληση. Αντίθετα η δεύτερη μέθοδος με τη φλόγα κατευθυνόμενη προς τη ραφή δημιουργεί μεγαλύτερη ποσότητα λιωμένου μετάλλου και χρησιμοποιείται για την κόλληση ελασμάτων πάχους μεγαλύτερου από 3 mm. Η συγκόλληση οξυγόνου χρησιμοποιείται και για
κολλήσεις με συμπίεση των κομματιών. Με τη μέθοδοο αυτή, τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν θερμαίνονται με τη φλόγα οξυγόνου και στη συνέχεια συμπιέζονται με μεγάλη δύναμη. Ο συνδυασμός συμπίεσης και υψηλής θερμοκρασίας δημιουργεί ικανοποιητικές συγκολλήσεις μεγάλων κομματιών, αν και παρουσιάζει το μειονέκτημα της μεγάλης παραμόρφωσης των κομματιών στην περιοχή της ραφής. 5.3..3. Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης. Στη μέθοδο αυτή, η θερμότητα τήξης προέρχεται από την ηλεκτρική αντίσταση του μετάλλου στο σημείο συγκόλλησης. Το χρησιμοποιούμενο ρεύμα είναι στο 30% των περιπτώσεων εναλλασσόμενο υψηλής έντασης η οποία κυμαίνεται από 100-100.000 Α ανάλογα με το μέγεθος του αντικειμένου. Ανάλογα με τη μορφή της συγκόλλησης και τη χρησιμοποιούμενη μέθοδο, οι συγκολλήσεις ηλεκτρικής αντίστασης διακρίνονται αναστροφής. σε κολλήσεις κηλίδας (πόντας), ραφής,, προεξοχής, τόξου και Τα βασικά αυτά είδη συγκολλήσεων παρουσιάζονται στο επόμενο σχήμα 79, Σχήμα 79
Τις μεθόδους αυτές θα εξετάσουμε στη συνέχεια με κάποια λεπτομέρεια. 5.3. 3.1. Κόλληση Κηλίδας (πόντας). Στη μέθοδο αυτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 80, ελάσματα που θέλουμε να κολληθούν επικαλύπτονται στο σημείο της ραφής και τοποθετούνται ανάμεσα από δύο ηλεκτρόδια (1). Στη συνέχεια τα ηλεκτρόδια αυτά συμπιέζουν το μέταλλο (2) και διοχετεύουν ισχυρό ηλεκτρικό ρεύμα (3). Το ρεύμα αυτό προκαλεί λόγω της ηλεκτρικής αντίστασης του μετάλλου τοπική υπερθέρμανση. Η υπερθέρμανση αυτή δημιουργεί περαιτέρω μείωση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας κ.ο.κ. με τελική τοπική τήξη, κυρίως στη διαχωριστική επιφάνεια των δύο ελασμάτων (4). Το ρεύμα στη συνέχεια διακόπτεται ενώ η συμπίεση των ηλεκτροδίων παραμένει μέχρι την ψύξη της κόλλησης, οπότε τα ηλεκτρόδια αποσύρονται (5). Η όλη διαδικασία είναι πλήρης αυτοματοποιημένη και ο χειριστής απλώς τοποθετεί τα ελάσματα στο κατάλληλο σημείο και πιέζει το διακόπτη έναρξης της συγκόλλησης. Σχήμα 80
Το σχήμα 81 δείχνει έναν αρκετά διαδεδομένο τύπο μηχανής ηλεκτροσυγκόλλησης. Η μηχανή, αυτή τροφοδοτείται με ρεύμα από το δίκτυο μέσω μετασχηματιστή. Το ρεύμα αυτό είναι ρυθμιζόμενης έντασης και μέσω ενός κατάλληλου χρονοδιακόπτη και σερβομηχανισμού συνδυάζεται με τις διάφορες φάσεις λειτουργίας της μηχανής. Τα ηλεκτρόδια της μηχανής είναι συνήθως ψυχόμενα με εσωτερικό κύκλωμα νερού και έχουν διάφορα σχήματα ανάλογα με τη μορφή των ελασμάτων που θα κολληθούν. Μερικές από τις χρησιμοποιούμενες διατάξεις παρουσιάζονται στο σχήμα 82. Από το σχήμα αυτό είναι σαφές ότι υπάρχει μεγάλη ποικιλία διατάξεων ηλεκτροδίων η οποία επιτρέπει την παραγωγή ελασμάτων διαφόρων διατομών (σχήμα 83). Η μεγάλη αυτή ελευθερία στη μορφή των κατασκευών είναι ίσως το βασικό πλεονέκτημα της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας ιδιαίτερα εάν ληφθεί υπόψη και η δυνατότητα χρησιμοποίησης φορητών συσκευών ηλεκτροσυγκόλλησης (σχήμα 84). Για τη βελτίωση της παραγωγικότητας είναι δυνατή η χρησιμοποίηση μηχανών ηλεκτροσυγκόλλησης με πολλαπλά ηλεκτρόδια. Τα ηλεκτρόδια αυτά συνήθως είναι συνδεδεμένα σε σειρά ή παράλληλα.
Σχήμα 81
Σχήμα 82 Σχήμα 83
Σχήμα 84
Κατά τη συγκόλληση ελασμάτων με τη μέθοδο της πόντας πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στον καθορισμό της πορείας του ρεύματος. Έτσι, στο παράδειγμα του σχήματος 85, η περίπτωση (Β-δεξιά) δε θα αποδώσει ικανοποιητική συγκόλληση γιατί το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος θα ακολουθήσει την οδό της μικρότερης αντίστασης. Σχήμα 85 Η μέθοδος της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα γιατί συνδυάζει πολύ υψηλή παραγωγικότητα και ομοιομορφία προϊόντωνν με μειωμένες απαιτήσεις επιδεξιότητας εκ μέρους του τεχνίτη. Η μέθοδος επίσης προσφέρεται για ημιαυτόματη ή πλήρως αυτοματοποιημένη παραγωγή. Κλασικό παράδειγμα μαζικής εφαρμογής της μεθόδου είναι η κατασκευή του αμαξώματος των αυτοκινήτων με τη χρησιμοποίηση ειδικών αυτοματοποιημένων μηχανών με ικανότητα χιλιάδων συγκολλήσεων το δευτερόλεπτο (σχήμα 86) ). Οι μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδων χρειάζονται για τη λειτουργία τους παροχή νερού και πεπιεσμένου αέρα και γενικά απαιτούν βιομηχανική υποδομή και μεγάλη παραγωγή.
Σχήμα 86 5.3.3.2. Ηλεκτροσυγκόλληση Ραφής. Για την αύξηση της παραγωγικότητας των ηλεκτροσυγκολλήσεων αντικειμένων μεγάλου μήκους, σωλήνων, ελασμάτων κλπ. χρησιμοποιείται η μέθοδος της ραφής. Η μέθοδος αυτή αντί των συνηθισμένων ηλεκτροδίων χρησιμοποιεί δύο τροχούς περιστρεφόμενους με αντίθετη φορά μεταξύ των οποίων συμπιέζονται τα συγκολλούμενα ελάσματα. Στους τροχούς αυτούς διοχετεύεται το ρεύμα της συγκόλλησης. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η δημιουργία συνεχούς ή διακοπτόμενης ευθύγραμμης ραφής, όπως δείχνει το σχήμα 87. Η μέθοδος της ραφής παρουσιάζει, σημαντικές ομοιότητες με τη μέθοδο της κηλίδας και χρησιμοποιείται ιδιαίτερα για την παραγωγή αεροστεγών συγκολλήσεων. Με τις δύο αυτές μεθόδους είναι δυνατή η συγκόλληση και ανόμοιων μετάλλων με ικανοποιητικά αποτελέσματα.
Σχήμα 87 Οι συνηθισμένες μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης ραφής παρουσιάζουν την διάταξη του σχήματος 88. Σχήμα 88
Σχήμα 89 Οι μηχανές αυτές έχουν δυνατότηταα εναλλαγής τροχών, ανάλογα με την επιθυμητή μορφή του υπό κατασκευή αντικειμένου (σχήμα 89). Στα σχήματα 90 και 91 παρουσιάζονται ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποίησης ηλεκτροσυγκόλλησης ραφής. Σχήμα 90
Σχήμα 91 Στον πίνακα 9 παρουσιάζονται τα συνηθέστερα βιομηχανικά μέταλλα και οι αντίστοιχες ποιότητες συγκολλήσεων για όλους τους μεταξύ τους δυνατούς συνδυασμούς. Πίνακας 9. Μέταλλα και ποιότητες συγκολλήσεων Αλουμ. Αν. Κρατέ- Χαλκός Γαλβ. Χάλυβα Μολύβι Monel Νικέλιο Ni Λευκοσ. Ψευδάρ. Ορείχ. Χάλυβα ρωμα Σίδηρος ς chrome ς Αλουμίνιο Β Ε D E C D E D D D C C C Αν. Χάλυβας F A E E B A F C C C B F D
Κρατέρωμα D E C D D D F C C C D E C Χαλκός E E D F E E E D D D E E C Γαλβ. Σίδηρος C B D E B B D C C C B C D Χάλυβας D A D E B A E C C C B F C Μολύβι E F F E D E C E E E ---- C E Monel D C C D C C E A B B C F C Νικέλιο D C C D C C E B A B C F C Ni chrome D C C D C C E B B A C F D Λευκοσ. C B D E B B ---- C C C C C D Ψευδάργυρος C F E E C F C F F F C C D Ορείχαλκος C D C C D D E C C D D D B Στον πίνακα αυτό το γράμμα Α συμβολίζει εξαιρετική συγκόλληση, το Β καλή, το C μέτρια, το D κακή, το Ε πολύ κακή, και το F απραγματοποίητη. Γενικά οι μέθοδοι της ηλεκτροσυγκόλλησης κηλίδας και ραφής παρουσιάζουν διαρκώς και μεγαλύτερη διάδοση, με τη δημιουργία πιο εξειδικευμένων μηχανών πολλαπλών συγκολλήσεων, με ισχυρότερα ρεύματα και μεγαλύτερα ηλεκτρόδια. 5.3.3.3. Ηλεκτροσυγκόλληση Προεξοχής. Με τη μέθοδο αυτή, στο έλασμα στα σημεία συγκόλλησης κατασκευάζονται προεξοχές. Κατά τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος από τα σημεία της προεξοχής δημιουργείται τοπικά τήξη και συγκόλληση του υλικού. Οι βασικές φάσεις της μεθόδου αυτής παρουσιάζονται στο σχήμα 92.
Σχήμα 92 Βασική προϋπόθεση, για τη χρησιμοποίηση, της μεθόδου είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα του μετάλλου. Έτσι δεν είναι δυνατή με τη συγκόλληση του χαλκού, του αλουμινίου και των κραμάτων τους. σχετικά μικρή μέθοδο αυτή η Στο σχήμα 93 οποία γενικά δίδονται μερικά παραδείγματα χρησιμοποίησης της μεθόδου αυτής, η παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα ιδίως στη συγκόλληση
αντικειμένων μεγάλου πάχους, όπου οι δύο προηγούμενες μέθοδοι δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν.
Σχήμα 93 5.3. 3.4. Ηλεκτροσυγκόλληση λάμψης και αναστροφής. Οι δύο αυτές μέθοδοι παρουσιάζουν πολλές ομοιότητες, τα κομμάτια που πρόκειται να συγκολληθούν αποτελούν και τα ηλεκτρόδια. Τα κομμάτια αυτά έρχονται σε επαφή με αποτέλεσμα τη θέρμανσή τους έως το σημείο τήξης στην περιοχή που εφάπτονται. Οι βασικές διαφορές των δύο μεθόδων παρουσιάζονται στα σχήματα 94 και 95.
Σχήμα 94 Στην περίπτωση της ηλεκτροσυγκόλλησης λάμψης τα δύο κομμάτια θερμαίνονται λόγω του ηλεκτρικού τόξου που δημιουργείται μεταξύ τους. Το τόξο αυτό προκαλεί μία ισχυρή λάμψη, από την οποία προέρχεται και η ονομασία της μεθόδου, και τοπική τήξη του υλικού. Τη στιγμή αυτή διακόπτεται το ρεύμα και τα δύο κομμάτια συμπιέζονται ισχυρά. Μετά τη συγκόλληση και ψύξη του συγκολλημένου κομματιού, η παραμορφωμένη περιοχή κατεργάζεται μηχανουργικά. Στην περίπτωση της συγκόλλησης αναστροφής, τα κομμάτια που πρόκειταιι να συγκολληθούν έρχονται σε επαφή,, υπό υψηλή πίεση, κατόπιν διοχετεύεται το ηλεκτρικό ρεύμα το οποίοο λόγω της υψηλής αντίστασης στα σημεία επαφής προκαλεί τοπικά θέρμανση και τήξη του υλικού. Λόγω της υψηλής πίεσης που εξασκείται στα δύο κομμάτια, επέρχεται η συγκόλληση τους. Μετά την ψύξη του συγκολλημένου κομματιού επακολουθεί μηχανουργική επεξεργασία του σημείου της συγκόλλησης. Η διαφορά μεταξύ των δύο αυτών μεθόδων βρίσκεται στο μηχανισμό παραγωγής της θερμότητας τήξης του μετάλλου, που στη μεν περίπτωση της ηλεκτροσυγκόλλησης
λάμψης είναι το ηλεκτρικό τόξο, ηλεκτρική αντίσταση. στη δε περίπτωση της αναστροφής είναι η Σχήμα 95 Με τους τρόπους αυτούς είναι δυνατή η συγκόλληση όλων των βιομηχανικών μετάλλων ακόμη και ανόμοιων. Ιδιαίτερα διαδεδομένη είναι η μέθοδος της ηλεκτροσυγκόλλησης λάμψης επειδή παρουσιάζει σημαντικά οικονομικά και τεχνολογικά πλεονεκτήματα. Πράγματι, η ηλεκτροσυγκόλληση λάμψης παρουσιάζει: 1. Μεγαλύτερη μηχανική αντοχή. 2. Μικρότερη παραμόρφωση στην περιοχή της συγκόλλησης. 3. Μικρότερη μηχανουργική προετοιμασία των προς συγκόλληση κομματιών.
4. Μικρότερη ηλεκτρική κατανάλωση. 5. Μεγαλύτερη ταχύτητα συγκόλλησης. 6. Καλύτερη συγκόλληση ανομοιογενών μετάλλων. Στο σχήμα 96 παρουσιάζονται μερικές περιπτώσεις ηλεκτροσυγκολλήσεων κορμού, με λάμψη και αναστροφή.. Βασική προϋπόθεση για την επιτυχία των συγκολλήσε εων αυτών είναι οι προς συγκόλληση επιφάνειες να είναι κατά προσέγγιση ίσες. Διαφορετικά η παραγόμενη θερμότητα διαφεύγει μέσω του μεγαλύτερου κομματιού το οποίο έτσι δεν έχει τη δυνατότητα να φθάσει το σημείο τήξης (σχήμα 97). Σχήμα 96
Σχήμα 97 Γενικά οι μέθοδοι ηλεκτροσυγκολλήσεων που εξετάσαμε προσφέρουν στο μηχανικό μεγάλες δυνατότητες και ελευθέρια σχεδιασμού των επιθυμητών αντικειμένων. Από τα παραδείγματα του σχήματος 98 είναι φανερό ότι οι ηλεκτροσυγκολλήσεις είναι μερικοί μόνο τρόποι σύνδεσης αντικειμένων. Το κόστος παραγωγής και οι συνθήκες λειτουργίας του αντικειμένου θα καθορίσουν σε κάθε περίπτωση την πιο ικανοποιητική μέθοδο σύνδεσης.
Σχήμα 98