Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης (Resistance Welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Resistance spot welding, RSW) Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD Τμήμα Οχημάτων, ΣΤΕΦ
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Εισαγωγή Κατά τις ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης, (Resistance Welding, RW), τα κομμάτια προς συγκόλληση πυρώνονται στη θέση συγκόλλησης με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος που διαβιβάζεται σε αυτά, ενώ ασκείται πάνω τους πίεση. Το πύρωμα των κομματιών οφείλεται σε ένα μέρος της θερμότητας (το υπόλοιπο χάνεται στο περιβάλλον), η οποία παράγεται από τη διέλευση του ρεύματος. Οι ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης χρησιμοποιούνται ευρύτατα, ιδιαίτερα στη μαζική παραγωγή. Περιορίζονται, όμως, στη συγκόλληση σχετικά λεπτών κομματιών (μέχρι 6 mm). Η ποιότητα των συγκολλήσεων είναι αρκετά καλή και σταθερή.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ταξινόμηση ηλεκτροσυγκολλήσεων αντίστασης Τις ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης τις χωρίζουμε σε: Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Spot welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής (Seam welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με προεκβολές (Projection welding) Ηλεκτροσυγκόλλησης αντίστασης κατά άκρα (Flash welding, Upset welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με ράβδο (Stud welding)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Χρήση διάφορων μεθόδων σύνδεσης σε ένα τυπικό αυτοκίνητο Soldering=κασσιτεροκόλληση, brazing=μπρουντζοκόλληση, bolting=κοχλιοσύνδεση, fasteners=συνδετήρες, spot-welding=σημειακή συγκόλληση (αντίστασης), seamwelding= συγκόλληση ραφής (αντίστασης), adhesion bonding=σύνδεση με κόλλα.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Spot welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Resistance spot welding, RSW)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Spot welding) Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση λεπτών ελασμάτων και έχει αντικαταστήσει την ήλωση Χρησιμοποιούνται δυο βαριά κωνικά ηλεκτρόδια από ειδικό κράμα χαλκού, τα οποία καταλήγουν συνήθως σε σφαιρικές επιφάνειες Τα δυο ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται για τη συγκράτηση των λεπτών ελασμάτων μαζί, καθώς και για τη διέλευση του ρεύματος διαμέσου τους Το ρεύμα ηλεκτροσυγκόλλησης διαρρέει το κύκλωμα για χρονικό διάστημα που προκαθορίζεται ανάλογα με την περίπτωση
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία (Spot welding) Μικροσκοπική δομή ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά σημεία Η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης είναι παρόμοια με την καμινοσυγκόλληση Στην καμινοσυγκόλληση, πρώτα θερμαίνουμε τα κομμάτια που πρέπει να συγκολλήσουμε, και μετά σφυρηλατούμε το ένα επάνω στο άλλο, ώστε να επιτύχουμε τη διείσδυση του ενός μέσα στα μόρια του άλλου Στη ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης επίσης θερμαίνουμε και ασκούμε πίεση, η οποία διευκολύνει τη συγκόλληση
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Θερμότητα Η θερμότητα που παράγεται από τη ροή του ρεύματος δίνεται από τη σχέση: 2 Όπου Q = I Rt Q, η θερμότητα που παράγεται σε Joules I, 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: Αντιστάσεις επαφής μεταξύ των ηλεκτροδίων και των προς συγκόλληση στοιχείων Αντίσταση επαφής μεταξύ των προς συγκόλληση στοιχείων Αντίσταση των ίδιων των στοιχείων Αντίσταση των ηλεκτροδίων
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης κατά σημεία (Spot welder) Μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης (Spot welder)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Κύκλος συγκόλλησης κατά σημεία (a) Κύκλος συγκόλλησης κατά σημεία, (b) διάγραμμα της εφαρμοζόμενης δύναμης και ρεύματος (1) τοποθέτηση των κομματιών ανάμεσα στα ηλεκτρόδια, (2) κλείσιμο των ηλεκτροδίων και άσκηση δύναμης, (3) το ρεύμα διαρρέει το κύκλωμα, (4) το ρεύμα κλείνει, (5) άνοιγμα ηλεκτροδίων.
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Κύκλος συγκόλλησης κατά σημεία Διαδοχικά βήματα στη συγκόλληση αντίστασης κατά σημεία Τα δυο ηλεκτρόδια συνδέονται στο δευτερεύον κύκλωμα του μετασχηματιστή που μετατρέπει την ισχύ του δικτύου, υψηλή τάση-χαμηλό ρεύμα, σε ισχύ υψηλού ρεύματος-χαμηλής τάσης
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Πλεονεκτήματα &μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα: Δεν απαιτείται η χρήση πρόσθετου υλικού Υψηλοί ρυθμοί παραγωγής Εύκολη μηχανοποίηση και αυτοματοποίηση Απαιτείται χαμηλότερη επιδεξιότητα χειριστή από ότι στην συγκόλληση τόξου Υψηλή απόδοση της ενέργειας που χρησιμοποιείται Περιορισμένη παραμόρφωση των κομματιών Μειονεκτήματα: Υψηλό αρχικό κόστος εξοπλισμού Η εφαρμογή των περισσότερων διεργασιών συγκόλλησης με αντίσταση περιορίζονται σε συνδέσεις επικάλυψης Η αντοχή των συγκολλήσεων είναι μικρότερη από ότι στις άλλες μεθόδους συγκόλλησης, με αποτέλεσμα να είναι κατάλληλη μόνο για συγκεκριμένες εφαρμογές
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Εφαρμογές Χρησιμοποιείται για τη σύνδεση λεπτών ελασμάτων, μέσω μιας σειράς σημειακών συγκολλήσεων Χρησιμοποιείται εκτεταμένα στη βιομηχανία αυτοκινήτων, ηλεκτρικών συσκευών, μεταλλικών επίπλων και άλλων προϊόντων που κατασκευάζονται από ελάσματα μετάλλου Ένα τυπικό αμάξωμα αυτοκινήτου έχει ~ 10,000 σημειακές συγκολλήσεις, που εκτελούνται από βιομηχανικά ρομπότ Η ετήσια παραγωγή αυτοκινήτων στον κόσμο ανέρχεται σε δεκάδες εκατομμύρια μονάδες Για τη συγκόλληση ανοξείδωτων χαλύβων αναπτύχθηκε μια ειδική διεργασία σημειακής συγκόλλησης, που καλείται shot welding
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής (Seam welding) Συνεχής ραφή Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής (Resistance seam welding, RSEW) Συγκολλήσεις κατά σημείο
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής (Seam welding) Στην ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής τα ηλεκτρόδια έχουν μορφή δίσκων και περιστρέφονται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα, ενώ συγχρόνως πιέζονται στα προς συγκόλληση ελάσματα, τα οποία μετακινούνται και συγκολλούνται κατά μια γραμμή (ραφή) Η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης ραφής βρίσκει εφαρμογή όπου απαιτείται στεγανότητα της σύνδεσης ή μεγάλος ρυθμός παραγωγής Το ρεύμα είναι δυνατόν να διαρρέει το ηλεκτρικό κύκλωμα είτε συνεχώς, οπότε επιτυγχάνεται συνεχής ραφή, είτε διακεκομμένα, οπότε έχουμε μια συνεχή σειρά από υπερκαλυπτόμενες συνήθως συγκολλήσεις κατά σημείο
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Εφαρμογές Οι συνδέσεις που κατασκευάζονται είναι στεγανές σε αέρια και υγρά Δεξαμενές καυσίμων Εξατμίσεις αυτοκινήτων Ποικίλα δοχεία που κατασκευάζονται με χρήση μεταλλικών ελασμάτων
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με προεκβολές (Projection welding) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με προεκβολές (Resistance projection weldingrpw): (1) ξεκίνημα της διεργασίας, επαφή ανάμεσα στα μεταλλικά κομμάτια στα σημεία των προεκβολών (2) όταν το ρεύμα διαρρέει το κύκλωμα, πυρώνεται η περιοχή συγκόλλησης (weld nuggets) όπως και στη ηλεκτροσυγκόλληση κατά σημεία στην περιοχή των προεκβολών
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με προεκβολές (Projection welding) Είναι μια παραλλαγή της ηλεκτροσυγκόλλησης αντίστασης κατά σημεία Η ροή του ρεύματος και η θέρμανση που προκύπτει εντοπίζονται στις προεκβολές που κάνουμε πριν από τη συγκόλληση στο ένα κομμάτι Χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση χονδρών κομματιών, όπου η ηλεκτροσυγκόλληση κατά σημεία θα απαιτούσε πολύ ισχυρά ρεύματα και υψηλές πιέσεις Ακόμη επειδή τα ηλεκτρόδια έχουν μεγάλη επιφάνεια επαφής, η εμφάνιση της κόλλησης είναι αρκετά καλή
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Εφαρμογές Με την ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με προεκβολές μπορεί να συγκολληθούν παξιμάδια και κοχλίες σε ελάσματα και πλάκες Επίσης μπορεί να κατασκευασθούν μεταλλικά καλάθια, σχάρες φούρνων και καροτσάκια αγοράς αγαθών (shopping)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Διάκριση ηλεκτροσυγκόλλησης κατά άκρα (Flash & Upset welding) Η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά άκρα χρησιμοποιείται στη σύνδεση ράβδων, σωλήνων, μορφοδοκών, ελασμάτων κ.α. από χάλυβα ή μη σιδηρούχα μέταλλα ή κράματα στη εν σειρά παραγωγή. Ανάλογα με τον τρόπο συγκόλλησης η ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης διακρίνεται ως εξής: Ηλεκτροσυγκόλληση κατά άκρα με τόξο (Flash welding) Απλή ηλεκτροσυγκόλληση κατά άκρα (Upset welding)
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά άκρα με τόξο (Flash welding) (a) Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά άκρα (Flash-welding process for endto-end welding) για τη σύνδεση ράβδων, σωλήνων, μορφοδοκών, ελασμάτων κ.α. (b) & (c) Τυπικά εξαρτήματα που κατασκευάζονται με ηλεκτροσυγκόλληση κατά άκρα (d) Οδηγίες σχεδιασμού των άκρων συγκόλλησης
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης κατά άκρα με τόξο (Flash welding) Τα δυο προς συγκόλληση κομμάτια συγκρατούνται στερεά στις σιαγόνες της ειδικής μηχανής (η μια κινητή και η άλλη σταθερή) Οι επιφάνειες συγκόλλησης φέρονται πολύ κοντά και κατόπιν εφαρμόζεται όση ηλεκτρική τάση απαιτείται, ώστε να ανάψει ηλεκτρικό τόξο ανάμεσα στα κομμάτια Τα κομμάτια πλησιάζουν, το τόξο διατηρείται μέχρι που τα κομμάτια έρχονται σε επαφή. Στη θέση αυτή τα κομμάτια θα πρέπει να έχουν θερμανθεί όσο χρειάζεται Λίγο πριν σβήσει το τόξο αρχίζει η άσκηση πίεσης και τα κομμάτια διεισδύουν το ένα μέσα στο άλλο Μόλις η διείσδυση προχωρήσει όσο έχουμε ρυθμίσει τη μηχανή, διακόπτουμε το ρεύμα και η συγκόλληση έχει πραγματοποιηθεί
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Απλή ηλεκτροσυγκόλληση κατά άκρα (Upset welding) Τα κομμάτια τοποθετούνται στις σιαγόνες της μηχανής, έτσι ώστε οι επιφάνειες συγκόλλησης να βρίσκονται απέναντι η μια στην άλλη και να πιέζονται Η πίεση που απαιτείται για τη συγκόλληση εφαρμόζεται πριν αρχίσει η ροή του ηλεκτρικού ρεύματος στο κύκλωμα και διατηρείται για λίγο ακόμα χρόνο μετά το κλείσιμο του κυκλώματος Το διερχόμενο ρεύμα προκαλεί πύρωμα των κομματιών τα οποία διεισδύουν το ένα μέσα στο άλλο κατά προκαθορισμένο διάστημα, το οποίο έχουμε προηγουμένως ρυθμίσει στη μηχανή. Όταν ολοκληρωθεί η διείσδυση το ρεύμα διακόπτεται και η συγκόλληση έχει γίνει Οι προς συγκόλληση επιφάνειες θα πρέπει να είναι καλά καθαρισμένες, παράλληλες και αρκετά καλά λειασμένες
Ηλεκτροσυγκολλήσεις αντίστασης Ηλεκτροσυγκόλληση αντίστασης με πρόβολο (Stud welding) Συγκόλληση μικρών εξαρτημάτων ή ράβδων με σπείρωμα, τα οποία λειτουργούν ως ηλεκτρόδια Επίσης καλείται συγκόλληση τόξου με πρόβολο (Stud arc welding) Υπάρχει επίσης και φορητός εξοπλισμός ηλεκτροσυγκόλλησης με πρόβολο Στάδια της διεργασίας ηλεκτροσυγκόλλησης αντίστασης με πρόβολο, που χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση στελεχών, ράβδων με σπείρωμα και ποικιλόμορφων συνδέσμων σε μεταλλικές πλάκες
Διεργασίες συγκόλλησης στερεάς κατάστασης (Solid state welding processes) Συγκόλληση με τριβή (Friction welding, FSW) Συγκόλληση με τριβή (Friction welding) Συγκόλληση τριβής με αδράνεια (Inertia friction welding) Συγκόλληση τριβής με περιστροφή (Friction stir welding) Συγκόλληση με υπερήχους (Ultrasonic welding, USW) Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) Συγκόλληση διάχυσης (Diffusion welding, DFW)
Διεργασίες συγκόλλησης στερεάς κατάστασης (Solid state welding processes) Στις διεργασίες συγκόλλησης στερεάς κατάστασης (συγκόλληση με τριβή, συγκόλληση με υπερήχους, συγκόλληση με έκρηξη, συγκόλληση με διάχυση), η συγκόλληση πραγματοποιείται όταν δυο εξαιρετικά καθαρές επιφάνειες έλθουν τόσο κοντά, ώστε να αναπτυχθεί ένας δεσμός μεταξύ τους Από τις παραπάνω μεθόδους οι τρεις πρώτες, θεωρούνται από πολλούς, ότι περιέχουν κάποια τοπική τήξη Ανεξάρτητα από την ύπαρξη ή όχι τήξης, οι τρεις αυτές τεχνικές περιέχουν κάποια μορφή μηχανικής κίνησης που παρέχει την ενέργεια για τη συγκόλληση Οι μέθοδοι αυτοί θεωρούνται, πολλές φορές, ότι αποτελούν ξεχωριστή κατηγορία ενεργειακών πηγών, των μηχανικών πηγών για συγκόλληση
Συγκόλληση με τριβή (Friction welding) Η συγκόλληση με τριβή είναι μια μηχανική διεργασία στερεάς κατάστασης στην οποία η θερμότητα που παράγεται με τριβή χρησιμοποιείται για το σχηματισμό υψηλά ολοκληρωμένης σύνδεσης ανάμεσα σε όμοια ή διαφορετικά μέταλλα Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κυκλικές και ορθογώνιες διατομές
Εφαρμογές Στρόβιλος υπερπληρώσεως (turbocharger)
Εφαρμογές Συγκρότημα άξονα και φτερωτής τουρμπίνας
Εφαρμογές/Περιορισμοί Εφαρμογές: Άξονες και σωληνωτά εξαρτήματα Βιομηχανίες: αυτοκινήτων, αεροσκαφών, γεωργικού εξοπλισμού, πετρελαίου και φυσικού αερίου Περιορισμοί: Τουλάχιστον ένα μέρος πρέπει να μπορεί να περιστρέφεται Το υλικό της διόγκωσης πρέπει συνήθως να αφαιρείται στο τέλος της διεργασίας Η διείσδυση του ενός στοιχείου μέσα στο άλλο μειώνει το μήκος τους, παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά το σχεδιασμό του προϊόντος
Συγκόλληση με τριβή (Friction welding) Στην τεχνική αυτή η θερμική ενέργεια παράγεται στη διεπιφάνεια των στοιχείων, όταν το ένα περιστρέφεται σε σχέση με το άλλο και οι επιφάνειές τους είναι σε επαφή Στη διάρκεια της κίνησης εφαρμόζεται μια συμπιεστική τάση κάθετη στη διεπιφάνεια Το περιστρεφόμενο στοιχείο πρέπει να είναι συμμετρικό σε σχέση με τον άξονα περιστροφής, ενώ το ακίνητο μπορεί να έχει οποιοδήποτε σχήμα Η θερμότητα που αναπτύσσεται εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής και την πίεση που εφαρμόζεται Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια είναι πάντοτε μικρότερη από το σημείο τήξης Οι ταχύτητες θέρμανσης και ψύξης είναι αρκετά χαμηλές έτσι ώστε να μην εμφανίζονται τα διάφορα μεταλλουργικά προβλήματα που πολλές φορές προκύπτουν από το θερμικό κύκλο Για το λόγο αυτό η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για τη σύνδεση διαφορετικών μετάλλων Το πλάτος της θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης κυμαίνεται από μια γραμμή που δε μπορεί να ανιχνευθεί καλά, μέχρι ένα πλάτος που ανιχνεύεται εύκολα
Συγκόλληση τριβής με αδράνεια (Inertia friction welding) Η ενέργεια που απαιτείται για τη συγκόλληση βασικά προέρχεται από την αποθηκευμένη περιστροφική κινητική ενέργεια της μηχανής συγκόλλησης Ένα στοιχείο προσαρμόζεται στο σφόνδυλο (βαρύς περιστροφικός τροχός - flywheel) και το άλλο περιορίζεται από περιστροφή Ο σφόνδυλος επιταχύνεται με έναν κινητήρα σε μια προκαθορισμένη περιστροφική ταχύτητα, αποθηκεύοντας ενέργεια Ο κινητήρας ελευθερώνεται και τα στοιχεία φέρονται σε επαφή για να παραχθεί η επιθυμητή σύνδεση λόγω τριβής
Συγκόλληση τριβής με αδράνεια (Inertia friction welding) Οι επιφάνειες τρίβονται μεταξύ τους κάτω από πίεση παράγοντας θερμότητα στη διεπιφάνεια συγκόλλησης Η ταχύτητα του σφονδύλου μειώνεται και τελικά σταματά, όταν όλη η αποθηκευμένη κινητική ενέργεια έχει χρησιμοποιηθεί Πριν σταματήσει η περιστροφή του σφονδύλου μπορεί να εφαρμοσθεί δύναμη σφυρηλάτησης
Συγκόλληση τριβής ορθογώνιων διατομών (Friction welding for rectangular sections) Συγκόλληση τριβής ορθογώνιων διατομών διατομών Διεργασία συγκόλλησης τριβής Μικροδομή συγκόλλησης τριβής Η θερμότητα που παράγεται λόγω της τριβής των δυο κινούμενων στοιχείων, έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία μιας κιονικής μικροδομής όπως φαίνεται στην παραπάνω μικροφωτογραφία
Συγκόλληση τριβής με περιστροφή (Friction stir welding) Η συγκόλληση τριβής με περιστροφή είναι μια διεργασία στερεάς κατάστασης, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για τη συγκόλληση του αλουμινίου Σε αυτή την τεχνική μια περιστρεφόμενη κυλινδρική κεφαλή σταδιακά βυθίζεται κατά μήκος της γραμμής συγκόλλησης δυο ελασμάτων ή πλακών, για την επίτευξη μετωπικής συγκόλλησης (but joint) Η θερμότητα συγκόλλησης παράγεται από την τριβή της κεφαλής με τα μεταλλικά κομμάτια
Συγκόλληση τριβής με περιστροφή (Friction stir welding) Υψηλό κόστος των μηχανών συγκόλλησης Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη συγκόλληση ανόμοιων μετάλλων Πρόκληση πολύ μικρών διαταραχών Περιορίζεται σε μη κυλινδρικά και μη σύνθετα κομμάτια
Συγκόλληση με υπερήχους (Ultrasonic welding, USW) Η συγκόλληση με υπερήχους συνδυάζει πίεση και παλμικές κινήσεις υψηλής συχνότητας Χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση στοιχείων που το ένα τουλάχιστον έχει πάχος φύλλου Η πίεση εφαρμόζεται στις δυο πλευρές των στοιχείων, όταν ένα υδραυλικό πιστόνι πιέζει τα στοιχεία αυτά επάνω σε ένα άκρο, που καθώς πάλλεται μεταδίδει την παλμική ενέργεια στα στοιχεία Αυτή η παλμική διατμητική τάση οδηγεί σε τοπική ολίσθηση και πλαστική παραμόρφωση τις επιφάνειες επαφής, με αποτέλεσμα την καταστροφή των επιφανειακών φιλμ και την άμεση επαφή των δυο μετάλλων Στη συνέχεια δημιουργείται ένας δεσμός μεταξύ των στοιχείων χωρίς να προκληθεί τήξη Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στις επιφάνειες είναι αρκετά χαμηλότερη από Tm
Συγκόλληση με υπερήχους (Ultrasonic welding, USW) Η ακουστική ενέργεια που χρειάζεται για τη συγκόλληση ενός υλικού αυξάνει με τη σκληρότητα και το πάχος του υλικού Η ενέργεια, για την περίπτωση σημειακής συγκόλλησης με υπερήχους, δίνεται από την εμπειρική εξίσωση 3/ 2 3/ 2 a Όπου E = 63H t Εα, η ακουστική ενέργεια, joules H, η σκληρότητα σε Vickers t, το πάχος του υλικού που είναι σε επαφή με το άκρο που μεταδίδει τους υπερήχους, inches Η εξίσωση αυτή ισχύει με καλή προσέγγιση για ορισμένα κοινά μέταλλα, όπως χάλυβας, αλουμίνιο, νικέλιο, χαλκό και για πάχος μέχρι 0.81 mm. Για άλλα μέταλλα η σχέση δε δίνει τόσο καλά αποτελέσματα
Συγκόλληση με υπερήχους (Ultrasonic welding, USW) Συγκόλληση με υπερήχους: (1) γενική διάταξη για συγκόλληση επικάλυψης (lap joint) (2) περιοχή συγκόλλησης
Εφαρμογές συγκολλήσεων με υπερήχους Άκρα καλωδίων και συνδεσμολογίες στη βιομηχανία ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών Αντικαθιστά την κασσιτεροκόλληση (soldering) Συναρμολόγηση πλαισίων αποτελούμενων από φύλλα αλουμινίου Συγκόλληση των σωλήνων στα φύλλα στους ηλιακούς συλλέκτες Συναρμολόγηση μικρών εξαρτημάτων στην αυτοκινητοβιομηχανία Γενικά η εφαρμογή τους περιορίζεται σε συνδέσεις επικάλυψης μαλακών υλικών, όπως αλουμινίου και χαλκού
Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) Στην εκρηκτική συγκόλληση η σύνδεση δυο μεταλλικών επιφανειών προκαλείται από την ενέργεια της έκρηξης κάποιας εκρηκτικής ύλης Η ενέργεια της έκρηξης προσδίδει υψηλή ταχύτητα στο ένα από τα δυο στοιχεία συγκόλλησης με συνέπεια τη σύγκρουσή του με το ακίνητο στοιχείο Κατά τη σύγκρουση με το ακίνητο στοιχείο, η κινητική ενέργεια του κινούμενου στοιχείου απελευθερώνεται σαν συμπιεστική τάση στην επιφάνεια των δυο στοιχείων Η πίεση είναι της τάξης χιλιάδων MPa Στη διάρκεια της εκρηκτικής συγκόλλησης τα επιφανειακά στρώματα τήκονται και προκαλούν την ένωση των δυο στοιχείων Στη συνέχεια εκτοξεύονται έξω από την διεπιφάνεια παρασύροντας και τα επιφανειακά οξείδια, με αποτέλεσμα οι επιφάνειες στη ραφή να είναι εξαιρετικά καθαρές και απαλλαγμένες από οξείδια Το τελικό αποτέλεσμα της διεργασίας είναι συγκόλληση χωρίς θερμικά επηρεασμένη ζώνη (ΘΕΖ)
Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) Εκρηκτική συγκόλληση: (1) παράλληλη διάταξη πριν την έκρηξη και (2) κατά την έκρηξη
Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) Η εκρηκτική συγκόλληση συχνά χρησιμοποιείται για τη σύνδεση δυο ανόμοιων μετάλλων και ιδιαίτερα για την κάλυψη ενός μετάλλου μεγάλης επιφάνειας με ένα άλλο (cladding)
Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) (β) (α) Τομές συγκολλήσεων με έκρηξη: (α) τιτάνιο επάνω σε χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και (β) Incoloy 800 (iron-nickel base alloy) επάνω σε χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Οι κυματοειδείς διεπιφάνειες βελτιώνουν την αντοχή της σύνδεσης σε διάτμηση. Η διεπιφάνεια που σχηματίζουν ορισμένα μέταλλα, όπως το ταντάλιο και το βανάδιο, είναι πολύ λιγότερο κυματοειδής. Εάν δυο μέταλλα έχουν μικρή μεταλλουργική συμβατότητα, τότε μπορεί να προστεθεί ένα ενδιάμεσο στρώμα, το οποίο είναι συμβατό και με τα δυο μέταλλα.
Εκρηκτική συγκόλληση (Explosion welding, EXW) Για να πραγματοποιηθεί συγκόλληση με έκρηξη, η ταχύτητα της έκρηξης πρέπει να είναι μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου στα υπό συγκόλληση υλικά Όταν η ταχύτητα της έκρηξης είναι μικρότερη από την ταχύτητα του ήχου στο μέταλλο, η πίεση που παράγεται στο μέταλλο από την εκτόνωση των αερίων προχωρεί γρηγορότερα από την έκρηξη. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αποφυγή δημιουργίας κρουστικού κύματος Για παράδειγμα, ταχύτητα έκρηξης 2500 m/s, ταχύτητα ήχου στο χάλυβα 5000 m/s, η ταχύτητα με την οποία το ένα στοιχείο συγκρούεται με το άλλο είναι της τάξης 150-300 m/s Ραφή συγκόλλησης μετά τη ξαφνική διακοπή της εκρηκτικής συγκόλλησης
Συγκόλληση διάχυσης (Diffusion welding, DFW) Στη μέθοδο αυτή η σύνδεση των επιφανειών επιτυγχάνεται με την εφαρμογή πίεσης σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες Στη διάρκεια της συγκόλλησης το υλικό δεν τήκεται, ενώ συμβαίνει μια περιορισμένη μακροσκοπική παραμόρφωση Στη διάρκεια της θέρμανσης, η ενέργεια των ατόμων του μετάλλου αυξάνει, με συνέπεια τη μεταφορά ατόμων κατά μήκος της αρχικής διεπιφάνειας και τη δημιουργία δεσμού Τα οξείδια της επιφάνειας που εμποδίζουν τη διάχυση, διασπώνται μετά από κάποιο χρονικό διάστημα Αν χρησιμοποιηθεί πρόσθετο μέταλλο, τότε αυτό δεν πρέπει να τήκεται για να υφίσταται συγκόλληση διάχυσης Ο σκοπός του πρόσθετου μετάλλου είναι να βοηθήσει στη σύνδεση των στοιχείων, με την εξάλειψη των κενών που υπάρχουν όταν δυο τραχιές επιφάνειες έρχονται σε επαφή. Μπορεί επίσης να διαχυθεί στο βασικό μέταλλο και να δημιουργήσει μια ένωση με καλές ιδιότητες Συχνά χρησιμοποιείται στην αεροναυπηγική και στην αεροδιαστημική
Άλλες διεργασίες στερεάς κατάστασης Συγκόλληση με σφυρηλάτηση (Forge welding) Συγκόλληση με έλαση (Roll welding) Συγκόλληση με έλαση εν ψυχρώ (Cold roll welding) Συγκόλληση με έλαση εν θερμώ (Hot roll welding)
Συγκόλληση με σφυρηλάτηση (Forge welding) Διεργασία συγκόλλησης στην οποία τα υπό συγκόλληση κομμάτια θερμαίνονται σε κατάλληλη περιοχή θερμοκρασιών, έως ότου πυρωθούν και στη συνέχεια σφυρηλατούνται μαζί με σφυριά ή παρόμοια μέσα, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σύνδεσή τους Ιστορική είναι η σημασία της τεχνικής στην ανάπτυξη της κατασκευαστικής τεχνολογίας Η διεργασία χρονολογείται από περίπου το 1000 BC, όταν οι σιδηρουργοί επιχειρούσαν να συγκολλήσουν δυο κομμάτια μετάλλου Σήμερα έχει μικρή εμπορική σημασία, αν και χρησιμοποιούνται παραλλαγές της μεθόδου
Συγκόλληση με έλαση (Roll welding) Ή συγκόλληση με έλαση είναι μια διεργασία συγκόλλησης στερεάς κατάστασης, στην οποία η πίεση, που προκαλεί τη σύνδεση, εφαρμόζεται με χρήση κυλίνδρων, με ή χωρίς την εφαρμογή εξωτερικής θερμότητας Αποτελεί παραλλαγή είτε της μεθόδου συγκόλλησης με σφυρηλάτηση είτε της ψυχρής συγκόλλησης, εξαρτώμενη από τη θέρμανση ή μη των κομματιών πριν τη διεργασία Εάν δεν παρέχεται εξωτερική θερμότητα, καλείται συγκόλληση με έλαση εν ψυχρώ (cold roll welding) Εάν παρέχεται θερμότητα, καλείται συγκόλληση με έλαση εν θερμώ (hot roll welding)
Συγκόλληση με έλαση (Roll welding) Σχηματική αναπαράσταση συγκόλλησης με έλαση Συγκόλληση με έλαση ή διάστρωση (cladding)
Εφαρμογές Κάλυψη ανθρακούχων χαλύβων ή χαλύβων χαμηλής κραμάτωσης με ανοξείδωτο χάλυβα για αύξηση της αντοχής στη διάβρωση Διμεταλλικά ελάσματα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας Νομίσματα τύπου "σάντουιτς"