Μεταλλουργία συγκόλλησης

Συγκόλληση, τεχνική που χρησιμοποιείται για την ένωση μεταλλικών εξαρτημάτων συνήθως μέσω της εφαρμογής θερμότητας. Αυτή η τεχνική ανακαλύφθηκε κατά την προσπάθεια χειρισμού του σιδήρου σε χρήσιμα σχήματα. Οι λεπίδες συγκόλλησης αναπτύχθηκαν την 1η χιλιετία, με τις πιο γνωστές να παράγονται από αραβικά πανοπλία στη Δαμασκό της Συρίας. Η διαδικασία εξαερώσεως σιδήρου για την παραγωγή σκληρού χάλυβα ήταν γνωστή αυτή τη στιγμή, αλλά ο προκύπτων χάλυβας ήταν πολύ εύθραυστος. Η τεχνική συγκόλλησης - η οποία περιελάμβανε σχετικά μαλακό και σκληρό σίδερο με επίστρωση με υλικό υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, ακολουθούμενη από σφυρηλάτηση σφυριού - παρήγαγε μια δυνατή, σκληρή λεπίδα.

Στη σύγχρονη εποχή, η βελτίωση των τεχνικών κατασκευής σιδήρου, ιδίως η εισαγωγή χυτοσιδήρου, η περιορισμένη συγκόλληση στον σιδηρουργό και τον κοσμηματοπώλη. Άλλες τεχνικές σύνδεσης, όπως στερέωση με μπουλόνια ή πριτσίνια, εφαρμόστηκαν ευρέως σε νέα προϊόντα, από γέφυρες και σιδηροδρομικούς κινητήρες έως σκεύη κουζίνας.

Οι σύγχρονες διεργασίες συγκόλλησης σύντηξης είναι μια αύξηση της ανάγκης για επίτευξη συνεχούς συνδέσμου σε μεγάλες χαλύβδινες πλάκες. Το πριτσίνισμα είχε αποδειχθεί ότι έχει μειονεκτήματα, ειδικά για ένα κλειστό δοχείο όπως ο λέβητας. Η συγκόλληση με αέριο, η συγκόλληση με τόξο και η συγκόλληση αντίστασης εμφανίστηκαν στο τέλος του 19ου αιώνα. Η πρώτη πραγματική προσπάθεια υιοθέτησης διεργασιών συγκόλλησης σε ευρεία κλίμακα έγινε κατά τη διάρκεια του Α 'Παγκοσμίου Πολέμου. Μέχρι το 1916 η διαδικασία οξυακετυλενίου αναπτύχθηκε καλά και οι τεχνικές συγκόλλησης που χρησιμοποιήθηκαν τότε χρησιμοποιούνται ακόμη. Οι κύριες βελτιώσεις έκτοτε ήταν στον εξοπλισμό και την ασφάλεια. Η συγκόλληση με τόξο, χρησιμοποιώντας ένα αναλώσιμο ηλεκτρόδιο, εισήχθη επίσης σε αυτήν την περίοδο, αλλά τα γυμνά σύρματα που χρησιμοποιήθηκαν αρχικά παρήγαγαν εύθραυστες συγκολλήσεις. Βρέθηκε μια λύση τυλίγοντας το γυμνό σύρμα με αμίαντο και ένα πλεγμένο σύρμα αλουμινίου. Το σύγχρονο ηλεκτρόδιο, που εισήχθη το 1907, αποτελείται από ένα γυμνό σύρμα με περίπλοκη επίστρωση ορυκτών και μετάλλων. Η συγκόλληση με τόξο δεν χρησιμοποιήθηκε καθολικά μέχρι τον Β 'Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν η επείγουσα ανάγκη για ταχεία κατασκευαστικά μέσα για ναυτιλία, σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, μεταφορές και κατασκευές ώθησε το απαραίτητο αναπτυξιακό έργο.

Η συγκόλληση αντίστασης, που εφευρέθηκε το 1877 από τον Elihu Thomson, έγινε αποδεκτή πολύ πριν από τη συγκόλληση τόξου για την ένωση πλακών και ραφών του φύλλου. Η συγκόλληση με άκρη για την κατασκευή αλυσίδων και τη σύνδεση ράβδων και ράβδων αναπτύχθηκε κατά τη δεκαετία του 1920. Στη δεκαετία του 1940, εισήχθη η διαδικασία αδρανούς βολφραμίου, χρησιμοποιώντας ένα μη αναλώσιμο ηλεκτρόδιο βολφραμίου για την εκτέλεση συγκολλήσεων σύντηξης. Το 1948 μια νέα διαδικασία με θωράκιση αερίου χρησιμοποίησε ένα ηλεκτρόδιο σύρματος που καταναλώθηκε στη συγκόλληση. Πιο πρόσφατα, έχουν αναπτυχθεί συγκόλληση με δέσμη ηλεκτρονίων, συγκόλληση με λέιζερ και διάφορες διαδικασίες στερεάς φάσης όπως συγκόλληση διάχυσης, συγκόλληση τριβής και σύνδεση υπερήχων.

Βασικές αρχές συγκόλλησης

Μια συγκόλληση μπορεί να οριστεί ως συνένωση μετάλλων που παράγονται με θέρμανση σε κατάλληλη θερμοκρασία με ή χωρίς την εφαρμογή πίεσης, και με ή χωρίς τη χρήση υλικού πλήρωσης.

Κατά τη συγκόλληση με σύντηξη, μια πηγή θερμότητας παράγει επαρκή θερμότητα για να δημιουργήσει και να διατηρήσει τηγμένη μεταλλική δεξαμενή του απαιτούμενου μεγέθους. Η θερμότητα μπορεί να τροφοδοτείται από ηλεκτρισμό ή από φλόγα αερίου. Η συγκόλληση με ηλεκτρική αντίσταση μπορεί να θεωρηθεί συγκόλληση σύντηξης επειδή σχηματίζεται κάποιο λιωμένο μέταλλο.

Οι διεργασίες στερεάς φάσης παράγουν συγκολλήσεις χωρίς τήξη του βασικού υλικού και χωρίς την προσθήκη μέταλλο πλήρωσης. Χρησιμοποιείται πάντα πίεση και γενικά παρέχεται θερμότητα. Η θερμική τριβή αναπτύσσεται σε υπερήχους και ένωση τριβής, και η θέρμανση του κλιβάνου χρησιμοποιείται συνήθως στη σύνδεση διάχυσης.

Το ηλεκτρικό τόξο που χρησιμοποιείται στη συγκόλληση είναι μια υψηλή, χαμηλής τάσης εκφόρτιση γενικά στην περιοχή 10-2.000 αμπέρ στα 10-50 βολτ. Μια στήλη τόξου είναι περίπλοκη, αλλά, σε γενικές γραμμές, αποτελείται από μια κάθοδο που εκπέμπει ηλεκτρόνια, πλάσμα αερίου για τρέχουσα αγωγιμότητα, και μια περιοχή ανόδου που γίνεται συγκριτικά θερμότερη από την κάθοδο λόγω βομβαρδισμού ηλεκτρονίων. Συνήθως χρησιμοποιείται ένα τόξο συνεχούς ρεύματος (DC), αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόξα εναλλασσόμενου ρεύματος (AC).

Η συνολική εισροή ενέργειας σε όλες τις διαδικασίες συγκόλλησης υπερβαίνει εκείνη που απαιτείται για την παραγωγή ενός συνδέσμου, διότι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά όλη η παραγόμενη θερμότητα. Η αποτελεσματικότητα κυμαίνεται από 60 έως 90 τοις εκατό, ανάλογα με τη διαδικασία. ορισμένες ειδικές διαδικασίες αποκλίνουν από αυτό το σχήμα. Η θερμότητα χάνεται με αγωγή μέσω του βασικού μετάλλου και με ακτινοβολία στο περιβάλλον.

Τα περισσότερα μέταλλα, όταν θερμαίνονται, αντιδρούν με την ατμόσφαιρα ή άλλα κοντινά μέταλλα. Αυτές οι αντιδράσεις μπορεί να είναι εξαιρετικά επιζήμιες για τις ιδιότητες μιας συγκολλημένης άρθρωσης. Τα περισσότερα μέταλλα, για παράδειγμα, οξειδώνονται γρήγορα όταν λιώσουν. Ένα στρώμα οξειδίου μπορεί να αποτρέψει τη σωστή σύνδεση του μετάλλου. Σταγονίδια λειωμένου μετάλλου επικαλυμμένα με οξείδιο παγιδεύονται στη συγκόλληση και κάνουν την άρθρωση εύθραυστη. Ορισμένα πολύτιμα υλικά που προστίθενται για συγκεκριμένες ιδιότητες αντιδρούν τόσο γρήγορα στην έκθεση στον αέρα που το εναποτιθέμενο μέταλλο δεν έχει την ίδια σύνθεση με την αρχικά. Αυτά τα προβλήματα οδήγησαν στη χρήση ροών και αδρανούς ατμόσφαιρας.

Στην συγκόλληση με σύντηξη, η ροή έχει προστατευτικό ρόλο στη διευκόλυνση μιας ελεγχόμενης αντίδρασης του μετάλλου και στη συνέχεια στην πρόληψη της οξείδωσης σχηματίζοντας μια κουβέρτα πάνω από το λιωμένο υλικό. Οι ροές μπορεί να είναι ενεργές και να βοηθούν στη διαδικασία ή ανενεργές και απλώς προστατεύουν τις επιφάνειες κατά τη σύνδεση.

Οι αδρανείς ατμόσφαιρες παίζουν προστατευτικό ρόλο παρόμοιο με αυτόν των ροών. Σε συγκολλημένο με αέριο μεταλλικό τόξο και προστατευμένο με αέριο βολφραμίου τόξο, ένα αδρανές αέριο - συνήθως αργόν - ρέει από έναν δακτύλιο που περιβάλλει τον φακό σε ένα συνεχές ρεύμα, μετατοπίζοντας τον αέρα από γύρω από το τόξο. Το αέριο δεν αντιδρά χημικά με το μέταλλο αλλά απλώς το προστατεύει από την επαφή με το οξυγόνο στον αέρα.

Η μεταλλουργία της μεταλλικής σύνδεσης είναι σημαντική για τις λειτουργικές δυνατότητες του συνδέσμου. Η συγκόλληση τόξου απεικονίζει όλα τα βασικά χαρακτηριστικά μιας άρθρωσης. Τρεις ζώνες προκύπτουν από τη διέλευση ενός τόξου συγκόλλησης: (1) το μέταλλο συγκόλλησης ή η ζώνη σύντηξης, (2) η ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα και (3) η μη επηρεασμένη ζώνη. Το μέταλλο συγκόλλησης είναι το τμήμα του συνδέσμου που έχει λιώσει κατά τη συγκόλληση. Η θερμαινόμενη ζώνη είναι μια περιοχή δίπλα στο μέταλλο συγκόλλησης που δεν έχει συγκολληθεί αλλά έχει υποστεί αλλαγή στη μικροδομή ή στις μηχανικές ιδιότητες λόγω της θερμότητας της συγκόλλησης. Το μη επηρεασμένο υλικό είναι αυτό που δεν θερμάνθηκε επαρκώς για να αλλάξει τις ιδιότητές του.

Η σύνθεση συγκόλλησης-μετάλλου και οι συνθήκες υπό τις οποίες παγώνει (στερεοποιείται) επηρεάζουν σημαντικά την ικανότητα του συνδέσμου να ικανοποιεί τις απαιτήσεις συντήρησης. Στη συγκόλληση τόξου, το μέταλλο συγκόλλησης περιλαμβάνει υλικό πλήρωσης συν το βασικό μέταλλο που έχει λιώσει. Αφού περάσει το τόξο, γίνεται γρήγορη ψύξη του μετάλλου συγκόλλησης. Μια μονόπλευρη συγκόλληση έχει μια χυτή δομή με κολόνες που εκτείνονται από την άκρη της λειωμένης δεξαμενής έως το κέντρο της συγκόλλησης. Σε μια συγκόλληση πολλαπλών μεγεθών, αυτή η χυτή δομή μπορεί να τροποποιηθεί, ανάλογα με το συγκεκριμένο μέταλλο που συγκολλάται.

Το βασικό μέταλλο που βρίσκεται δίπλα στη συγκόλληση, ή στη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα, υπόκειται σε μια σειρά κύκλων θερμοκρασίας και η αλλαγή της δομής του σχετίζεται άμεσα με τη μέγιστη θερμοκρασία σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο, το χρόνο έκθεσης και τους ρυθμούς ψύξης. Οι τύποι των βασικών μετάλλων είναι πάρα πολλοί για να συζητηθούν εδώ, αλλά μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τρεις κατηγορίες: (1) υλικά που δεν επηρεάζονται από τη θερμότητα συγκόλλησης, (2) υλικά που έχουν σκληρυνθεί από δομικές αλλαγές, (3) υλικά που έχουν σκληρυνθεί με διαδικασίες καθίζησης.

Η συγκόλληση παράγει τάσεις στα υλικά. Αυτές οι δυνάμεις προκαλούνται από συστολή του μετάλλου συγκόλλησης και από διαστολή και, στη συνέχεια, συστολή της ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα. Το μη θερμαινόμενο μέταλλο επιβάλλει συγκράτηση στα παραπάνω, και καθώς κυριαρχεί η συστολή, το μέταλλο συγκόλλησης δεν μπορεί να συστέλλεται ελεύθερα και δημιουργείται μια τάση στην άρθρωση. Αυτό είναι γενικά γνωστό ως υπολειμματική τάση και για ορισμένες κρίσιμες εφαρμογές πρέπει να αφαιρεθεί με θερμική επεξεργασία ολόκληρης της κατασκευής. Η υπολειμματική τάση είναι αναπόφευκτη σε όλες τις συγκολλημένες κατασκευές, και εάν δεν ελεγχθεί, θα υποστεί κάμψη ή παραμόρφωση της συγκόλλησης. Ο έλεγχος ασκείται με τεχνική συγκόλλησης, jigs και φωτιστικά, διαδικασίες κατασκευής και τελική θερμική επεξεργασία.

Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία διαδικασιών συγκόλλησης. Αρκετά από τα πιο σημαντικά συζητούνται παρακάτω.