VASTAGLEMEZEK HEGESZTÉSE

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR ANYAGSZERKEZETTANI ÉS ANYAGTECHNOLÓGIAI INTÉZET MECHANIKAI TECHNOLÓGIAI INTÉZETI TANSZÉK VASTAGLEMEZEK HEGESZTÉSE Biszku Gábor KYXMFZ 4800 VÁSÁROSNAMÉNY SZATMÁR ÚT 16

2 3 Tartalom BEVEZETÉS VASTAGLEMEZES GYÁRTMÁNYOK HEGESZTÉSÉRE ALKALMAS ELJÁRÁSOK ÉS NEHÉZSÉGEK HEGESZTŐ ELJÁRÁSOK FEDETTÍVŰ HEGESZTÉS VÉDŐGÁZAS FOGYÓELEKTRÓDÁS ÍVHEGESZTÉS FOGYÓELEKTRÓDÁS VÉDŐGÁZAS KESKENYRÉS HEGESZTÉS ELEKTORGÁZ-HEGESZTÉS VILLAMOS SALAKHEGESZTÉS A LEGALKALMASABB ELJÁRÁS KIVÁLASZTÁSA HEGESZTÉS SORÁN FELMERÜLŐ NEHÉZSÉGEK HŰLÉS KÖZBEN KIALAKULÓ KEDVEZŐTLEN SZÖVETSZERKEZET HIDEGREPEDÉS MELEG REPEDÉS RIDEGTÖRÉS RÉTEGES TÉPŐDÉS HEGESZTÉS OKOZTA FESZÜLTSÉGEK ÉS ALAKVÁLTOZÁSOK HOSSZIRÁNYÚ ZSUGORODÁS KERESZTIRÁNYÚ ZSUGORODÁS SZÖGTORZULÁS HOSSZIRÁNYÚ GÖRBÜLÉS ALAKVÁLTOZÁST CSÖKKENTŐ SZERKEZETI KIALAKÍTÁSOK ALAKVÁLTOZÁST CSÖKKENTŐ TECHNOLÓGIAI MÓDSZEREK A BELSŐ FESZÜLTSÉGEK UTÓLAGOS CSÖKKENTÉSE A GÉPALAP BEMUTATÁSA A GÉPALAPOK FUNKCIÓJA, RENDELTETÉSE A GÉPALAPOK TULAJDONSÁGAI A HEGESZTETT KÖTÉSEK JELLEMZŐI A HEGESZTETT KÖTÉSSEL SZEMBEN TÁMASZTOTT KÖVETELMÉNYEK 40

3 4 4. HEGESZTÉSTECHNOLÓGIA A HEGESZTETT KIVITELŰ GÉPALAPRA AZ ALAPANYAG VIZSGÁLATA A GÉPALAP GYÁRTÁSÁNÁL FELHASZNÁLT HEGESZTŐANYAGOK A HUZALELEKTRÓDA VÉDŐGÁZ ELŐMELEGÍTÉSI HŐMÉRSÉKLET MEGHATÁROZÁSA A GÉPALAP VÉDŐGÁZAS FOGYÓELEKTRÓDÁS ÍVHEGESZTÉSE HEGESZTÉS UTÁNI FESZÜLTSÉGCSÖKKENÉS MINŐSÉGBIZTOSÍTÁS A MINŐSÉGBIZTOSÍTÁSBAN FELHASZNÁLT SZABVÁNYOK JEGYZÉKE RONCSOLÁSMENTES VIZSGÁLATOK ÉS A VIZSGÁLATTAL FELTÁRT HIBÁK CSÖKKENTÉSÉRE SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK SZEMREVÉTELEZÉSES VIZSGÁLAT FOLYADÉKBEHATOLÁSOS, PENETRÁCIÓS VIZSGÁLAT RONCSOLÁSOS VIZSGÁLATOK ÉS A VIZSGÁLATTAL FELTÁRT HIBÁK CSÖKKENTÉSÉRE SZOLGÁLÓ ELJÁRÁSOK MAKRO VIZSGÁLAT KEMÉNYSÉGMÉRÉS ÖSSZEFOGLALÁS SUMMARY IRODALOMJEGYZÉK MELLÉKLETEK... 71

4 5 BEVEZETÉS Szakdolgozatomban a vastagfalú acélszerkezetek hegesztéséről és az azokhoz alkalmazható hegesztőeljárások ismertetéséről, a hegesztés során fellépő hegesztési nehézségekről, deformációkról, és azok csökkentésére szolgáló eljárásokról írok. Az első fejezet tartalmazza az ötvözetlen szerkezeti acélokból készült vastaglemezes gyártmányok hegesztésére szolgáló hegesztőeljárások irodalmi áttekintését. Az eljárások, amelyekről szó lesz a fedettívű hegesztés, a védőgázas fogyóelektródás hegesztés, és a villamos salakhegesztés. E fejezet kiterjed még a hegesztéstechnológiai tervezés rövid leírásával, majd ezt követően a hegesztés során fellépő hibákat, problémákat, mint a hidegrepedés, a melegrepedés,a ridegtörés és a réteges tépődés jelenségét ismertetem.. A második fejezet tartalmazza a vastaglemezekből készült hegesztett szerkezetek hegesztési alakváltozásait, mint a zsugorodás, és a vetemedés, valamint a hegesztett szerkezet belső feszültségeit és mindezek csökkentésére szolgáló módszereket és eszközöket. A harmadik fejezetben ismertetem a MEVISZ Kft.-nél készített gépalapot, és funkcióját. Általános bemutatást adok a gépalapokról és gépalapok tulajdonságairól, továbbá a gyártás során készített hegesztett varratok jellemzőiről és a hegesztett kötéssel szemben támasztott követelményeketről. A negyedik fejezetben bemutatom a hegesztett kivitelű gépalapra vonatkozó hegesztéstechnológiát. A fejezetben kitérek az alapanyagok és a hegesztőanyagok vizsgálatára. Meghatározom az előmelegítési hőmérsékletet és részletesen ismertetem a gépalap védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésének a folyamatát. A fejezet végén pedig

5 BEVEZETÉS 6 ismertetem a gépalapon végzett, a hegesztés utáni maradó feszültségek mérséklésére szolgáló vibrációs feszültségcsökkentő eljárás alkalmazását. Az ötödik fejezet tartalmazza a gyártmányra vonatkozó minőségbiztosítási eljárásokat és a felhasznált szabványok jegyzékét. Bemutatom a gépalapon elvégzett roncsolásmentes (szemrevételezés és folyadékbehatolásos) vizsgálatokkal kimutatott hibákat, valamint a két próbatest összehasonlításával, egy előmelegítéssel készült és egy technológiailag helytelen, előmelegítetlen varraton végzett roncsolásos (makrocsiszolat és Vickers keménységmérés) vizsgálattal kimutatott hibákat. Az utolsó fejezetben a szakdolgozatom összefoglalásáról, a gyártmány elkészítés közben észlelt tanulságokról, vitatható eljárásokról és azok alternatíváiról írok.

6 7 1. VASTAGLEMEZES GYÁRTMÁNYOK HEGESZTÉSÉRE ALKALMAS ELJÁRÁSOK ÉS NEHÉZSÉGEK A hegesztett szerkezeteket általában úgy tervezik, hogy a megkövetelt élettartamuk alatt feladatukat pontosan teljesítsék, ugyanakkor pedig a legkisebb gyártási költségráfordítással lehessen azokat elkészíteni. A szerkezet tervezésekor tehát elsősorban a működőképességüket, azután pedig a gyártásukkor és üzemeltetésükkor felmerült költségeket kell figyelembe venni mindenkor a lehető legnagyobb gazdaságosságra törekedve. Mindezekhez ismernünk kell a különféle gyártástechnológiákat, hegesztett alkatrészek tervezésekor pedig természetesen a hegesztés különféle eljárásait, hogy már a tervezés kezdeti szakaszában kiválaszthassuk a legmegfelelőbb hegesztési módszert, amely nemcsak az elkészíthetőséget, hanem a legolcsóbb gyártási eljárást is biztosítja. A hegesztési eljárás megválasztásakor főleg a következőkre kell figyelmet fordítani: milyen üzemi viszonyok között fog dolgozni a szerkezet; a szerkezet fontossága az üzemben; a szerkezet anyaga; a gyártandó szerkezetek száma; a rendelkezésre álló gyártóberendezések és eszközök; a szerkezet gyártásával összefüggő gazdaságossági kérdések. Külön ki kell itt térnünk a hegesztett szerkezet anyagára, amely acél vagy nemvasfém lehet. A leggyakrabban használatos anyag az acél. A különféle acélok nemcsak a hegesztéstechnológiát befolyásolják, hanem a szerkezet hőkezelésének, előmelegítésének szükségességét és módját is. Az anyag helyes megválasztása szorosan összefügg a hegesztés egyéb kérdéseivel és nem szabad azoktól függetlenül bármilyen anyagot alkalmazni. A gyártandó szerkezetek száma is nagymértékben befolyásolja a hegesztési eljárás megválasztását, főleg a hozzá szükséges egyedi célgépek és szerszámok gazdaságossága tekintetében. A gyártandó darabszám gyakran eldöntheti, hogy ívhegesztéssel vagy ellenálláshegesztést válasszunk-e. A szerkezet anyagául szavatolt hegeszthetőségű anyagot válasszunk. A gépiparban a szerkezetek általában statikus és dinamikus igénybevételeknek vannak alávetve.

7 8 Dinamikus igénybevételre a nagyobb szilárdságú anyag nem a legmegfelelőbb, mivel a nagyobb szakítószilárdságú acél fáradási határának aránya a szakítószilárdsághoz kisebb, mint a lágyabb acéloké. A bemetszési hatás is annyival kedvezőtlenebb, amennyivel az acél keményebbek, a nagyobb szilárdságú acélok tehát e hatásra érzékenyebbek. A nagyobb szilárdságú acélokból készített egyes szerkezetek nagyobb fáradási határát, csak megfelelő minőségű elektródákkal hegesztett tökéletes tompavarratokkal biztosíthatjuk. Ha nagy bemetszési hatásoknak kitett kapcsolatokról van szó, pl. sarokvarratok esetén, akkor a legnagyobb szilárdságú anyaggal is ugyanolyan vagy kisebb eredő fáradási határ érhető el, mint a 370 MPa szakítószilárdságú acélokkal. Csak nagy állandó terheléskor mutatkozik az alapanyag nagyobb szilárdsága a szerkezetek váltakozó igénybevételére is előnyösnek [6] HEGESZTŐ ELJÁRÁSOK A fejezet első részében a vastaglemezes gyártmányok hegesztésére alkalmas hegesztőeljárásokról adok vázlatot, melynek célja az adott eljárás alapvető működésének leírása. Az eljárások, amelyekről a továbbiakban szó esik: fedettívű hegesztés (számkód: 12*); védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés (számkód: 13*); villamos salakhegesztés (számkód: 72*); elektrogáz-hegesztés (számkód: 73*); A helyes szemlélet szerint a kohászat különböző célokra alkalmas anyagokat állít elő. Ezek egy része olyan, hogy hegesztése iparilag nem, vagy csak nehezen oldható meg, vagy drága technológiát igényel. Az ilyen anyagokat hegesztett szerkezetekbe beépíteni nem szabad. Ebbe a csoportba tartoznak azok az anyagok, amelyek vegyi összetételük miatt meleg- vagy hidegrepedésre hajlamosak. A fejezet második felében ezekről a jelenségekről bővebben írok FEDETTÍVŰ HEGESZTÉS A fedőpor alatti hegesztés gondolata már viszonylag régi, de gyakorlati alkalmazása a nagyfokú automatizálási igény miatt, csak a második világháború idején terjedt el. Lényege, hogy az automatikus előtolású huzalelektróda előtt egy tölcsér kb. 30 mm

8 9 vastagságban egy megfelelő összetételű fedőport szór le, s a villamos ív, valamint a varrat a fedőpor alatt, a fedőporból képződő salak alatt jön létre. A védelmet biztosító fedőpor réteg kémhatását tekintve lehet, savas, bázikus vagy semleges a felhasználási területtől függően. A hegesztés után visszamaradó varraton a hegesztőpor gőzéből és cseppfolyóssá vált anyagából egy salakréteg képződik, míg a salak fölött szemcsésen maradt porréteget egy elszívóberendezés eltávolítja (1. ábra). 1. ábra: Fedettívű hegesztés elve [2] 1. Huzalelektróda, 2. Egyengető görgősor, 3. Előtoló görgők, 4. Hegesztőkábel, 5. Áram átadó, 7. Áramátadó csúszó érintkező, 8. Huzalelektróda, 9. Fedőpor, 10. Áram visszavezető kábel, 11. Szűrőbetét, 12. Fedőpor tartály, 13. Fedőpor elszívó cső, 14. Fedőpor adagoló cső, 15. Megdermedt salak, 16. Megdermedt varrat, 17. Munkadarab A fedőpor és salakja ugyanazokat a feladatokat látják el, mint az elektródabevonat, de összetétele olyan, hogy hőhatásra főleg csak gőz termelődik, mert a gázképződés az adott esetben a varrat szennyeződéséhez vezethet. A hegesztőhuzal általában 2-8 mm átmérőjű erősen mangántartalmú, vékony rézfüsttel bevont acélhuzal, ami egy dobra van felcsévélve és egy motor folyamatosan tolja előre. A

9 10 rézbevonat a vékony csúszóérintkezők miatt szükséges, nehogy az esetleges felületi korrózió elektromosan szigetelje. A csekély rézmennyiség hegesztés közben elpárolog, és nem szennyezi a varratot. A fedőpor alatti hegesztéshez alkalmazott hegesztőáram nagysága A tartományban található, ahol is a gyakorlatban egyenáramot alkalmaznak a 600A-es tartományig, egyenes és váltakozó áramot a A-es tartományban, és jellemzően váltakozó áramot az 1000A feletti tartományokban. A nagy áramerősség miatt a fedőpor alatti hegesztés mélybeolvadású varratokat eredményez és igen termelékeny. A mély beolvadás következményeként csökken a leélezésre fordítandó munka, valamint a vastag lemezek kötéséhez szükséges varratrétegek száma. Fedőpor alatti hegesztéssel csak vízszintes (PA) vagy közel vízszintes (PB) varratok készíthetőek. Az automaták beállítása csak hosszú varratok esetén kifizetendő. A hegfürdő nagy térfogata elősegíti a ridegebb szövetelemek kialakulását és a szennyezők kiválását, ami miatt csak kis szennyeződésű és kis karbontartalmú acéloknál alkalmazható az eljárás. Gazdaságosan csak nagy sorozatban gyártott alkatrészeknél alkalmazható, ahol jellemző, hogy a munkadarabok geometriai kialakítása hasonló vagy azonos, így kedvező hegesztési eredmények érhetőek el, sorozatgyártás spirálvarratos csöveknél, tartályok kör és hosszvarratainál, de abban az esetben is gazdaságosan alkalmazható, ha nagyszámú és nagytömegű varratokat kell készítenünk. Munka közben a hegesztőhuzal előretolását egy elektromotor végzi, amit az ív hossza automatikusan vezérel. Ha ugyanis az ív hossza megváltozik, megváltozik az ellenállás és a feszültség is, s a feszültségváltozásnak megfelelően a motor vagy gyorsabban, vagy lassabban forog. Ez a külső szabályozás, ez kisebb áramsűrűségeknél, nagyobb huzalátmérőknél van, A/mm 2 között, de nagyobb áramerősségeknél, kisebb huzalátmérőknél A/mm 2 már belső szabályozás van. Por alatti hegesztés berendezései általában teljesen automatizáltak. Az automatizált gépek lehetnek álló vagy mozgó szerkezetűek. Az álló szerkezetűnél hegesztés közben a munkadarab mozog, mint pl. a legtöbb spirálvarratos csövet gyártó gépsor. A mozgó automaták egy kocsira vannak szerelve, ami vagy közvetlenül a munkadarabon, vagy egy kényszerpályán halad a varratkészítés során. Ebből adódik, hogy ennek az eljárásnak a helyigénye lényegesen nagyobb, mint más kézi eljárásoké. Ezek a gépek alkalmasak arra, hogy egyszerre 2 vagy több huzallal is dolgozzanak. A leolvasztási teljesítmény nemcsak a több huzallal, hanem azok előmelegítésével is növelhetőek.

10 11 Az eljárás előnyeinél nemcsak a leolvasztási teljesítményt kell megemlítenünk, hanem azt is, hogy a többe hegesztő eljáráshoz képest akár kétszer nagyobb hegesztési sebesség is elérhető, valamint egyenletes és jó minőségű hegesztett kötést biztosít [3]. Általában elmondható, hogy a következőekben felsorolt anyagok mindenféle nehézség nélkül hegeszthetők a fedettívű eljárással: ötvözetlen szerkezeti és gyengén ötvözött acélok, közepes karbontartalmú acélok, ausztenites korrózióálló acélok. Kielégítően hegeszthetők a következő anyagok: ferrites és martenzites korrózióálló acélok, nagyszilárdságú acélok, hőálló és melegszilárd acélok, nikkel- és nagy nikkeltartalmú ötvözetek. Nehezen hegeszthetőek az alábbi anyagok: magnézium és ötvözetei titán és ötvözetei. Ezen eljárás jellemzőik miatt a felhasználási területeik: hajóépítés csőgyártás darugyártás hídelem gyártás tartóelemek gyártása VÉDŐGÁZAS FOGYÓELEKTRÓDÁS ÍVHEGESZTÉS A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésre jellemző, hogy a hegesztő ív a fedettívű hegesztéssel szemben szabad szemmel is látható, az ív védelmét ezen eljárásban semleges vagy aktív gázatmoszféra biztosítja, ahol az ív egyik pólusa maga a munkadarab, míg a másik a leolvadó hozaganyag (2. ábra). A hozaganyag munkadarabba jutását ebben az esetben is egy előtoló motor végzi. A hegesztő eljárások körében ez a legelterjedtebb, felhasználási aránya eléri a 60%-ot. Széleskörű elterjedésének oka, hogy magas leolvasztási teljesítménnyel rendelkezik, jól automatizálható, gépesíthető, széleskörű védőgáz és hozaganyag választékkal rendelkezik, bármilyen hegesztési pozícióban

11 12 alkalmazható, valamint gyengén, közepesen és erősen ötvözött acélok mellett, több nemvas fém is hegeszthető ezzel az eljárással. A hegesztett kötés létrehozásához az U, v huzal, L, l ki, v heg paraméterek együttes beállításával hozható létre. A hegesztéshez szükséges áramerőség (I) értékét a huzalelőtolási sebesség (v huzal ) változtatásával lehet állítani, míg a folyamat alatt az állandó ívhosszt lapos áramforrás jelleggörbe alkalmazásával belső szabályozás segítségével érhetjük el. 2. ábra: Védőgázas ívhegesztés elve [2] 1. Munkadarab, 2. Gázfúvóka, 3. Védőgáz, 4. Árambevezető hüvely, 5. Huzalelektróda, 6. Hegesztőív, 7. Varrat Hegesztés során egy vagy több, az elektróda és a munkadarab között égőív hatására alakul ki a hegfürdő. A hegesztés során az alapanyag 500 C fölé hevülő anyagtérfogatát, valamint a hegesztőívet, és az huzalelektródát is védeni kell a levegő káros hatásától, mely feladatot a pisztolyból áramló védőgáz valósítja meg. Ha semleges védőgázas változatról beszélünk (MIG), létezik tömör huzalos változat (131), és porbeles változat (137). Aktív védőgázas változat esetében (MAG) pedig lehet tömör elektródás (135), és porbeles huzal (136) (3. ábra). A portöltetű huzal belsejében rutilos, bázikus vagy fémpor (138) töltet található [2]. 3. ábra: Porbeles huzal keresztmetszeti kialakításai [4]

12 13 Az eljárás előnyei: termelékenység növelhető, széles körű vegyi összetétel, illesztési hézag eltérésére kevésbé érzékeny kis energiafelhasználással hegeszthető kisebb fröcskölés a képződött salakréteg leköti az oxigént és a nitrogént, stabil hegesztőívet biztosít. A hegesztőív lehet vezéreletlen, valamint vezérelt impulzus ív. Az eljárás hozaganyag átvitele lehet rövidzárás esetén- cseppmentes, valamint lehet cseppes, ennek a hozaganyag átviteli módnak több változata is létezik: nagycseppes rövidzárlatos hagyományos finomcseppes tervezhető finomcseppes folyadékhidas forgóíves A hegesztéshez alkalmazott védőgáz összetétele befolyásolja a cseppátmenetet. Nagycseppes átmenet CO 2 -t vagy döntően széndioxidot tartalmazó védőgáz alkalmazásával lehetséges, finomcseppes átmenethez Ar-t, He-t, illetve nagyrészt ezeket az elemeket keverve tartalmazó védőgázokkal lehet elérni. A hagyományos finomcseppes átmenethez a kritikus áramsűrűség (150 A/mm 2 ) elérése mellett Ar tartalmú, vagy nagyrészt Ar-t tartalmazó védőgáz szükséges. A forgóíves cseppátmenethez legalább 30 % He tartalmú védőgázt alkalmaznak, a kritikus áramsűrűség elérése mellett. Jellemző az eljárásra, hogy az erősen oxidáló védőgáz keverék alkalmazása esetén számolni kell azzal, hogy jelentős lehet az ötvöző kiégés. Ez a jelenség nemcsak az oxidáló védőgáz alkalmazása mellett jelenhet meg, hanem cseppes fémátvitel esetén is, ahol az ívfeszültség növelésével nő az ívhossz, és ezzel együtt a kiégési veszteség. Ezen veszteségek pótlása miatt a huzalelektródához mangánt és szilíciumot adagolunk. További jellemzője az eljárásnak, hogy aktív védőgázban (CO 2 -t és O 2 -t tartalmaz) a munkadarab és a védőgáz karbon tartalma a bekövetkező reakció során a 0,1 0,15%-ra áll be. Ez azt jelenti, hogy ha a huzalelektróda karbontartalma nem éri el a 0,1%-ot akkor a karbon egy része az ívben kiég.

13 14 Ezen eljárásnak a hegesztési technológiájának a megtervezésének első lépése, hogy a hegesztendő alapanyaghoz a legmegfelelőbb hozaganyagot és védőgázt ki kell választani. Második lépésként a termelékenység növelése érdekében kiválasztjuk a huzalelektróda átmérőjét, valamint a hozzá használandó feszültséget és hegesztőáramot, majd amikor ezeket a paramétereket megismertük, meghatározhatjuk a védőgáz fogyasztási értékét és a hegesztési sebességet. Mindezekből eldönthetjük, hogy az adott eljárás megfelel-e a termelékenységi szintnek [3] FOGYÓELEKTRÓDÁS VÉDŐGÁZAS KESKENYRÉS HEGESZTÉS A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés egyik speciális eljárása a keskenyrés hegesztés, amelyet a vastag lemezek gazdaságos hegesztése érdekében fejlesztettek ki. A gazdaságosságát a kis réssel és kis leélezési szöggel készült varrat adja, amivel kevesebb hozaganyag szükséges és a varratok száma is csökkenthető, tehát a hegesztési idő és az energia felhasználása is kevesebb. A felhasznált huzalelektróda szerint megkülönböztetünk vastag-, illetve vékony huzalt. A vékonyhuzalos hegesztéskor a huzalelektróda ferde irányban hagyja el a hegesztőfejet, ezzel lehetővé teszi az alapanyag kedvező beolvadását és csökkenti is az összeolvadási hiány lehetőségét. Egyfejes eljárással vályúhelyzetben az első varratsor felrakását követően a hegesztőfej nem tér vissza a varratsor kiindulási pontjához, hanem a fej 180 -os fordításával, a lemez másik oldalán, az első varratsor végénél visszafelé kezdi a varrat lerakását (4. ábra). Létezik kettős hegesztőfejjel ellátott hegesztő berendezés, amellyel a hegesztési idő lényegesen csökkenthető. Ezzel az eljárással viszont a varratok készítése egy irányban történik, ellentétben az egyfejessel, csak itt a két fej egymás mögött helyezkedik el.

14 15 4. ábra: Vékonyhuzalos keskenyréshegesztés [2] A vékonyhuzalos keskenyrés hegesztéssel szinte minden helyzetben lehet hegeszteni, addig a vastaghuzalos eljárással megközelítőleg csak függőleges helyzetben. Előnyt jelent viszont, hogy amíg a vékony huzallal egymás mellé két réteget helyeztünk fel, addig a vastag huzallal ez egy rétegben is megoldható 8 10 mm- es résben, ennek köszönhetően viszont a hegesztés egyszerűbb és a sebesség is növelhető (5. ábra). Nehezíti a varrat elfogadható minőségű elkészítését a hozaganyag kedvezőtlen helyzete, amely növeli a porozitás veszélyét. További gondot okoz a hegesztés elkészítésében, hogy a lemezek pontos illesztést igényelnek, hogy ebben az illesztési résben a hegesztőfej ne akadjon meg, mivel a hegesztőfej elmozdulásai összeolvadási hibát eredményezhetnek, ebből adódóan gondos pozícionálást kell végezni a hegesztés megkezdése előtt. 5. ábra: Vastaghuzalos keskenyréshegesztés [2]

15 16 Az eljárás hegesztőárama az idő függvényében lehet pulzáló, vagy állandó. Az állandó áramú eljárás teljesítménye viszonylag nagy, nagyobb hegfürdővel és létidővel. A pulzáló áramú változat teljesítménye kisebb, a hegfürdő és a létidő is kisebb, ennek köszönheti, hogy bármilyen hegesztési helyzetben alkalmazható [2]. A hegesztett varratban előforduló gyakran jelentkező hibák és okai: Hosszirányú repedés: A mély beolvadású varratok hegesztésénél az alapanyag nagy karbon-tartalma, a melegrepedési hajlama, továbbá a kedvezőtlen varratalak okozza. A megszűntetésének módja: Kisebb áramerősséggel készített, többrétegű varrat alkalmazása, viszont ezzel a hegesztési idő lényegesen megnövekszik. Gázporozitás: A nem megfelelően kiválasztott munkakörnyezet. amelyek kihatással lehetnek a védőgáz áramlására, továbbá a nem megfelelően megválasztott fúvóka távolsága és helyzete, továbbá az elszennyeződött fúvóka. A megszűntetésének módja: A fúvóka távolságának helyes megválasztása és tisztítása, a gázellátó rendszert folyamatos karbantartása és a munkakörnyezet huzatának csökkentése. Összeolvadási hiányok: A túl nagy tömegű, nagy térfogatú, a hegesztési iránnyal megegyező irányba folyó hegfürdőnél, a rossz technológiai beállításoknál, a helytelen hegesztőpisztoly tartásával és a hideg varratkezdésnél fordulhat elő. A megszűntetésének módja: A technológiai paraméterek helyes megválasztása, és a hegesztőpisztoly megfelelő tartásával. Nem megfelelő gyökbeolvadás: Okozója lehet a gyenge fűzővarrat, mely az illesztési hézag összehúzódását okozhatja, a kis nyúlású leélezési szög, a nagy gyökszalag magasság. Ez a probléma főleg csövek összehegesztésénél jelentkezik. A megszűntetésének módja: Megfelelő élelőkészítéssel, és fűzővarrat megválasztással.

16 17 Salakcsík: A kis hegesztési feszültséggel való gyökhegesztés a forrása, mely domború gyökvarratot eredményez, ezért rendszerint a gyökvarrat feletti rétegben találjuk meg. A megszűntetésének módja: A domború varrat síkba köszörülésével [4] ELEKTORGÁZ-HEGESZTÉS Elektrogáz-hegesztéskor az összehegeszetndő felületek élei között lévő folyékony nagyméretű és tömegű hegfürdőt és a huzalelekrtódát rézgyámok tartják, amelyen keresztül jut a varrathoz a védőgáz. A varratot a folyamatosan előretolt huzalelektróda és a folyékony hegfürdő között égő ív hőjével hozzák létre. Ebből következik, hogy az eljárás pozíciója kötött. A leolvasztott hozaganyag mennyiségével, nő a hegfürdő magassága és a varrat kialakítása folyamatos. A rézgyámnak olyan sebességgel kell emelkednie, hogy az követni tudja a hegfürdő emelkedését, ebben az eljárásban ezt a sebességet nevezzük hegesztési sebességnek (6. ábra). Védőgázként CO 2 vagy Ar-CO 2 gázkeverék használható, a hozaganyag átmérője 1,6 3,2 mm átmérőjű tömör vagy porbeles huzalelektróda. A védőgázas fogyóelektródás ívhegesztéshez használt tömör huzalelektródákat ennél az eljárásnál is lehet alkalmazni, amelyeket könnyen be lehet szerezni, hátrányuk viszont, hogy erősen fröcskölnek. Ennek elkerülése érdekében gyakran alkalmaznak porbeles huzalt, amely nem fröcsköl annyira és a varrat kötési tulajdonsága is és a varrat szívóssága is kedvezőbb. A hegesztési hézagot itt a lehető legkisebbre kell választani. Az ívfeszültséget pedig úgy kell beállítani, hogy a beolvadás mélysége elérje a 3 4 mm-t. Az eljárással hegeszthető anyagok jellemzően a gyengén ötvözött szerkezeti acélok és az erősen ötvözött szerkezeti acélok, valamint a megfelelő védőgáz kombináció és hozaganyag esetén a Cr és a CrNi ötvözésű acélok és Al ötvözetek. Az eljárással leggyakrabban tompa kötés készíthető., de sarokkötéseket is előállíthatnak vele. A gazdaságos falvastagság tartomány mm, melyet több huzal egyidejű alkalmazásával lehet elérni [2].

17 18 6. ábra: Elektrogáz-hegesztés elve [2] 1. Kezdő lemez, 2. Varrat oldaltartók, 3. Varrat, 4. Vízhűtés bevezető csatlakozó, 5. Vízhűtés kivezető csatlakozó, 6. Védőgáz csatlakozó, 7. Rézzsámoly, 8. Hegfürdő, 9. Munkadarab, 10. Kifutó lemezek, 11. Áramátadó hüvely 12. Huzalelektróda A hegesztési sebességet növelni lehet a hegesztő áram növelésével, mellyel ugyan a varrat hamarabb fog elkészülni, viszont a beolvadási mélysége lényegesen lecsökken. A feszültség növelésével viszont a beolvadási mélységet tudjuk növelni, mely mellet a hegesztési sebesség változatlan marad. A legkedvezőbb hegesztés eléréséhez a hegesztési hézagot a lehető legkisebbre kell korlátozni, ennek a hegesztőgép huzalvezető szerkezete szab határt, az áramerősséget viszont a legnagyobb értékre kell beállítani, ami a huzalelektródára jellemző legnagyobb érték [3]. Az eljárás előnyei: nagy termelékenység; a varrat elkészítése olcsó a gyorsasága és egyszerűsége révén a varrathibák általában szemrevételezéssel is megállapíthatóak a kötések egyetlen műveletben elkészíthetőek. élelőkészítés nem szükséges. Az eljárás korlátai: csak függőleges helyzet; drága berendezés; alkalmazása 20 mm anyagvastagság felett gazdaságos; acélszerkezetek gyártásakor gazdaságos.

18 VILLAMOS SALAKHEGESZTÉS A villamos salakhegesztés, az előző elektrogáz hegesztéshez hasonlóan alulról felfelé történi, csak itt a hegfürdő védelmét nem gáz, hanem salak látja el (7. ábra). A varrat elkészítéséhez szükséges hőt az olvadt salakfürdőn átfolyó áram Joule-hője állítja elő. A folyamat a huzalelektróda előretolásával kezdődik, amely a munkadarabon ívet gyújt. A ív hatására az előre a résbe adagolt por megolvad, és villamosan vezetővé válik. A munkadarabokat nagy mm illesztési hézaggal állítják össze, a lemezélek közé egy vagy több huzal vagy szalag nyúlik be. Az ív kioltásakor az áram a salakon keresztül záródik, ezzel tovább fenntartva az ömlesztés folyamatát. A hegesztőáram a huzalelektródán és az olvadt salakon át a munkadarabon keresztül záródik. A hozaganyag és alapanyag megolvasztásán kívül a salak feladata, hogy megvédje a hegfürdőt a levegőtől. Az olvadt hegfürdő a huzalelektróda előtolási sebességével arányosan emelkedik. Az elektrogáz hegesztéshez hasonlóan hűtött részgyámok tartják a hegfürdőt az oldalirányú kifolyás ellen védve, csak itt a hegfürdő védelmét nem a védőgáz biztosítja, hanem a salak. A két eljárás viszont megegyezik abban, hogy csak függőleges, vagy megközelítően függőleges (PF) helyzetben alkalmazható [2]. 7. ábra: Villamos salakhegesztés elve [2] 1. Kezdő lemez, 2. Varrat oldaltartók, 3. Varrat, 4. Vízhűtéssel ellátott rézzsámoly, 5. Salak és hegfürdő, 6. Munkadarab, 7. Kifutó lemezek, 8. Áramátadó hüvely, 9. Huzalelektróda

19 20 A folyékony salak hőforrás energiájának mintegy 50 %-a az alapanyagot, 20 %-a a hozaganyagot hevíti, a fennmaradó 25 % pedig a rézzsaluk hevítésére és a környezet melegítésére fordítódó energiaveszteség. A salakfürdővel szomszédos lemezélek maximális hőmérséklete C, vagyis a lemezélek beolvadnak a hegfürdőbe. A lemezélekhez hasonlóan a hozaganyag is megolvad és a fajsúlykülönbség miatt a salakfürdő alján fémfürdő alakul ki. A hegfürdő így a két alapanyag megolvadt részéből és a leolvadó hozaganyagból áll össze. Hegesztés során a megolvadt salakfürdő kis mértékben csökken, ez pótolni szükséges. A nagy tömegű hegfürdő miatt a varrat létideje igen nagy. Az eljárásnak különböző változatai is léteznek, amelyeket a felhasznált huzalelektróda típusa szerint különböztetünk meg, miszerint lehet egy, vagy több huzalelektródás ill. lemezelektródás változat. A salakhegesztéssel készített kötések legfontosabb tulajdonsága a beolvadási mélység, a varrat formatényezője, valamint a hőhatásövezet szélessége. A feszültség értékével lehet szabályozni a fémfürdő szélességét, míg az áramerősséggel a beolvadási mélységet. E két tényező adja meg a varrat formatényezőjét, mely a kötés repedékenysége miatt igen jelentős. A hegesztőáram erősségét a az elektróda mérete, az előtolási sebesség, és a száraz kinyúlás határozza meg. A száraz huzalelektróda kinyúlás növelésével a hegesztőáram, beolvadási mélység, a salakfürdő hőmérséklete és a fémfürdő hőmérséklete is csökken. Vigyázni kell arra, hogy a huzal ne érintkezzen a részgyámmal, mert ív kisülés létesül, ami robbanásszerű fröcsköléshez vezet. Az illesztési hézag csökkentésével növekszik a hegesztés sebessége, azonban a jelentős csökkenés esetén speciális fedőport kell alkalmaznunk a megfelelő paraméterek beállítása mellett. Az eljáráshoz alkalmazott huzalelektróda jellemzően 2 4 mm-es átmérő tartományban mozog, amelyet fedett ívű hegesztéshez gyártottak, tömör vagy porbeles huzal. Az egyszerre alkalmazott huzalok számát a hegesztési hézag határozza meg [3]. Az eljárás előnyei: nagy termelékenység, minimális élelőkészítés, automatizálható, a varrat jó tulajdonságokkal rendelkezik, a fedettívű hegesztéshez képest lényegesen kevesebb fedőpor felhasználás. Az eljárás korlátai: korlátozott hegesztési pozíció, nagy helyigényű berendezés,

20 21 a hegömledék durva szerkezete miatt utóhőkezelést igényel, széles hőhatásövezet A LEGALKALMASABB ELJÁRÁS KIVÁLASZTÁSA A legmegfelelőbb eljárás kiválasztásához több szempont figyelembevétele fontos ahhoz, hogy helyesen válasszunk. Ismernünk kell a hegesztendő anyag minőségét, a felhasználandó anyagok vastagságát, a termék alakját, darabszámát, a rendelkezésre álló technológiát, a helyszínt és minden olyan paramétert, amely a termék gyártása során gondot okozna. A következő táblázatban láthatóak az előzőekben említett eljárások varrathossz és falvastagság szerint csoportosítva. Varrathossz / Falvastagság <1m 1-2 m 2-10 m >10 m 0,5-5 mm VFI VFI VFI VFI 5-10 mm VFI, FH VFI, FH VFI, FH VFI, FH mm VFI, FH, EGH VFI, FH, EGH VFI, FH, EGH VFI, FH mm VFI, FH VFI, FH, EGH, VSH VFI, FH, EGH, VSH VFI, FH >40 mm FH, EGH, VSH FH, EGH, VSH FH, EGH, VSH 1. táblázat: Az eljárások csoportosítása varrathossz és falvastagság szerint [8] FH A hegesztőeljárás kiválasztásakor egy termékre nem feltétlenül egy eljárást kell választanunk, alkalmaznunk. Előfordulhat, hogy a hegesztési helyzet, hozzáférhetőség vagy az automatizálhatóság miatt, az eljárások kombinációja bizonyul a legjobbnak. Törekedni kell a kiváló minőségű varrat elérésére, a leggazdaságosabb eljárás elkészítésével. A táblázatban szereplő betűjelek az egyes eljárások rövidítéséből keletkeznek, ennek megfelelően:

21 22 EGH: Elektrogáz hegesztés, FH: Fedettívű hegesztés, VFI: Védőgázas fogyóelektródás ívhegesztés, VSH: Villamos salakhegesztés. A táblázat alapján megállapíthatjuk, hogy a nagyvastagságú anyagokból készült termékekhez leggyakrabban a védőgázas fogyóelektródás ívhegesztést és a fedettívű hegesztést alkalmazzák. A következő táblázatban az adott hegesztőeljárások csoportosítása látható a hegesztési vastagság, a védelem típusai, a hegesztési pozíció, a hegeszthető anyagminőség és a gépesíthetőségi szempontok szerint. Hegesztő eljárás VFI Vastagság Védelem Pozíció 0,5-40 mm Gáz Bármely (PA-tól PG-ig) FH 5-50 mm Salak PA - PB EGH mm Gáz PF VSH mm (1 huzal) mm (több huzal) Salak PF Hegeszthető anyagminőség Legtöbb acéltípus, Öv, Al, Cu, Ni Legtöbb acéltípus (mikro/gyengén ötvözött, korrózióálló), Ni Ötvözetlen szerkezeti acél, Cr-, CrNi ötvözésű korrózióálló szerkezeti acél, Al ötvözet Kis C tartalmú szerkezeti acélok, nagy szilárdságú gyengén ötvözött acélok, közepes C tartalmú nemesíthető acélok, egyes korrózióálló acélok Gépesíthetőség szerint Automatizálható, Robotizálható, Gépiesíthető, Kézi Automatizálható, Gépiesíthető, Kézi Automatizálható Automatizálható 2. táblázat: Az eljárások csoportosítása anyagvastagság, védelem, hegesztési helyzet, anyagminőség és gépesíthetőség szerint [8]

22 HEGESZTÉS SORÁN FELMERÜLŐ NEHÉZSÉGEK Szerkezeti acélok hegesztésénél az első lépés az alapanyag vizsgálata, kémiai és mechanikai tulajdonságainak megismerése. Ezen ismeretek birtokában kiválaszthatjuk a már az előző fejezetben említett hegesztőeljárások valamelyikét. A varrat mechanikai tulajdonságainak tervezésénél, annak folyáshatárának vagy szakítószilárdságának várható értéke meghaladhatja (overmatching), azonos lehet (matching), vagy alacsonyabb lehet, mint az alapanyagé, ezt a szilárdsági követelmények határozzák meg. Az alapanyag összetétele és anyagvastagság alapján, ha szükséges előmelegítési hőmérséklet meghatározása, az edződés és repedésképződés elkerülése végett. A szerkezeti acélok karbon tartalma nem haladhatja meg a 0,2 %-ot, a kisebb szilárdságú acélok szilíciumot csak kis mértékben, míg a nagyobb szilárdságú acélokban maximum 0,55 %-ot tartalmaznak [1] HŰLÉS KÖZBEN KIALAKULÓ KEDVEZŐTLEN SZÖVETSZERKEZET A hegesztő eljárásokban szinte kivétel nélkül az alapanyagot hőforrással hevítik. A hevítés folyamatában kulcsszerepet tölt be a hőforrás, amelynek hőárama, de főleg hőáramsűrűsége meghatározza a hegesztés teljesítményét és a hegesztendő anyag befolyásolásán keresztül a készítendő varrat minőségét. Mivel a hegesztést meghatározó fő körülmények rendkívül sokfélék lehetnek, a hőterjedési esetek leírására a hőforrások és a hegesztendő tárgy jellegzetességei alapján különböző modelleket lehet képezni, a hőforrások kiterjedése alapján, amelyek lehetnek; 0 D (pontszerű), 1 D (rúd alakú), 2 D (foltszerű), 3 D (vastag lemez) hőforrásokat. Látható, hogy a vastag lemezeknél mind a három irányba terjedő hővezetés közül egyik sem elhanyagolható (8. ábra).

23 24 8. ábra: Lemezvastagság és hővezetési függvény Az alábbi diagramban látható, hogy a 3 D-s hővezetésű vastag lemezek hűlési ideje jelentősen kisebb, mint a vékony, ill. a középvastag lemezeké. A C hőmérséklet tartományban való gyors lehűlés rideg, kemény, kis alakváltozó képességű szövetet eredményez, mely a varrat dermedése során a zsugorodást nem képes elviselni és repedés kialakulását eredményezheti [2] HIDEGREPEDÉS Az alacsony karbon tartalmú acélokban a hidrogén nagyobb kárt okozhat, mint az ausztenites szövetszerkezetűben. A hidrogén környezeti hőmérsékleten diffúzióképes, és ha a megömlött varrat gyorsan hűl le, akkor a hidrogén az oldatban marad, nem tud kiválni. Túltelített szilárd oldat jön létre. A koncentrációkülönbség miatt a szilárd oldatban maradt hidrogén atom a kisebb koncentrációjú hely felé diffundál. Ezek a hidrogén atomok a rácshézagokban foglalnak helyet és akár a molekulává is egyesülhetnek ezzel meggátolva a további hidrogén atomok diffúzióját. A diszlokációk mozgását gátolja a hidrogén és ezért az anyagot elridegíti. A hőmérséklet nagyban befolyásolja a hidrogén diffúziójának sebességét, ezért abban az esetben, ha a hegesztett anyag magas hőmérsékletre hevül, és erről a hőmérsékletről lassan hűl le, a hidrogén atomok jelentős része eltávozik az anyagból, ezáltal nem fenyeget repedésveszéllyel, illetve elridegedéssel. Vastagfalú acélszerkezetek hegesztéséhez alkalmazott villamos salakhegesztés során jellemző a nagy tömegű, magas hőmérsékletű, lassan hűlő hegömledék, mely a hegesztett tárgyban oldott hidrogén diffúziójának sebességére kedvező hatással van, elegendő idő áll rendelkezésre a

24 25 hidrogén kiváláshoz. Ezzel szemben az elektronsugaras-hegesztésnél -melyet szintén alkalmaznak vastagfalú gyártmányok hegesztéséhez- létrejövő keskeny, mély hegömledék gyors lehűlésének következtében jelentős mennyiségű hidrogén az oldatban marad, nem tud diffúzióval kiválni, és ridegíti az anyagot, amely legrosszabb esetben töréshez vezethet [3] MELEG REPEDÉS Meleg repedés akkor keletkezik, amikor a vastag lemezek hegesztésekor a hegfürdő dermedése eléri az utolsó fázist. A szerkezeti acélok kristályosodási repedékenységét a C, S, és P elemek segítik elő, ezek a vasnál alacsonyabb olvadáspontú vegyületeket hoznak létre (pl.: FeS, (FeMn)S olvadásponja 1195 ºC), rosszabb esetben a vassal kettős, hármas eutektikumot alkothatnak, melyek olvadáspontja még alacsonyabb [2]. Dermedés során ezek a vegyületek a szemcsék határán még folyékony állapotban vannak, míg a varratfém többi része már megszilárdult, és a zsugorodásból származó húzófeszültség hatására a szemcsehatáron lévő eutektikum rétegben repedés keletkezhet, és a további dermedés során visszafordíthatatlanul megmarad. Az alacsony olvadáspontú szennyezők mellett fontos szerepet játszik a kristályosodási repedés kialakulásában a terhelésre merőleges síkban lévő összefüggő szemcsehatár megléte, mely szoros kapcsolatban áll a varrat kedvezőtlen Ψ belső formatényezőjével. Ilyen kedvezőtlen formatényező keskeny és mély varratok kialakulásánál jellemző (pl.: fedettívű hegesztésnél). 9. ábra: Dendriták növekedése, és a belső formatényező összefüggése

25 26 Hegesztés során a kristályosodás a folyékony hegfürdő és szilárd alapanyag határfelületénél kezdődik, és az intenzív hőelvonás irányába halad, azaz a felületre merőlegesen. Kristályosodás során a dermedő ömledék szennyezőkben dúsul, melyet a kristályosodási front maga előtt tol, és ez a szennyezőkben feldúsult szakasz dermed utoljára. Ez a terület a varrat többi részéhez képest fokozottabb hajlandóságot mutat a kristályosodási repedékenység kialakulására. A nagy, összefüggő szemcsehatár mentén szennyezőkben dúsult anyagtérfogatban, az arra merőleges terhelés fellépése során repedés keletkezik, és terjed tovább a varratban. Ilyen terhelés lehet a hegesztést követően a varrat dermedése során fellépő zsugorodásból származó húzófeszültség [8] RIDEGTÖRÉS A ridegtörés elsősorban a hegesztett acélszerkezeteket, azon belül is a vastaglemezekből készülő, alacsony hőmérsékleten is üzemelő szerkezeteket veszélyezteti, mint például a hidak, daruk, tartályok stb. A ridegtörés igen veszélyes, sok esetben katasztrofális következményekkel járó jelenség, folyamata hasonló az üvegtáblák ütés hatására bekövetkező töréséhez. A repedést, illetve a törést nem előzi meg sem maradó nyúlás, sem pedig kontrakciós jelenség. A törés felülete durva szemcsézetű és fémes csillogású. Ridegtörést befolyásoló tényezők a hőmérséklet, az igénybevétel sebessége, és a feszültségállapot. Az anyagvastagság, amely a többtengelyű feszültség állapot kialakulásának okozója lehet a varratok közelében, befolyásolja az anyag ridegtörési érzékenységét, olyan irányban, hogy az anyagvastagság növekedésével a ridegtörési veszély is növekszik, illetve a nagy szerkezeteknél jellemző a jelentős mennyiségű tárolt rugalmas energia, mely alacsony hőmérséklettel párosulva szintén segíti a ridegtörés képződés lehetőségét. A nagyvastagságú lemezek hegesztése során jellemző a nagy térfogatú hegömledék lassú dermedése, és a széles, szemcsedurvult hőhatásövezet, mely az acél szívóssági tulajdonságait (pl.: átmeneti hőmérséklet növekszik, ennek hatására már magasabb hőmérsékleten is bekövetkezik a ridegtörés) rontja, ezzel tovább növelve a ridegtörés kialakulásának veszélyét. A ridegtörés bekövetkezése az anyag mérhető folyáshatáránál kisebb feszültségszinten is végbemehet, a képlékeny töréssel ellentétben, minden előzetes figyelmeztető jelenség (képlékeny alakváltozás) nélkül, és ebben rejlik a legnagyobb veszélye [8].

26 RÉTEGES TÉPŐDÉS A réteges tépődés csak melegen hengerelt lemezeknél fordul elő. Nincs olyan acéltípus, amely érzékeny a réteges tépődésre, de olyan kis keresztirányú kontrakcióra képes acélok, amelyekben nagy mennyiségben van jelen hengerelt, elnyúlt szulfid, vagy oxidzárvány, érzékenyebbek rá. A réteges tépődés jellegzetessége, hogy T-kötéseknél és sarokvarratoknál fordul elő ez alapanyagban, általában a beolvadási határral és az alapanyag felületével párhuzamosan. 10. ábra: Réteges tépődés T-kötéseknél Ez a fajta törés a hegesztett kötésekben, azon belül a hőhatásövezetben megjelenő apró repedéseknek az összeszakadásával jön létre. A repedés érzékenysége csökkenthető kis kéntartalmú anyagok felhasználásával, továbbá az alapanyagra jutó húzó igénybevétel csökkentésével, a helyes konstrukciós kialakításával. A konstrukciós kialakítást tekintve lehetőleg úgy kell tervezni, a szerkezetet, hogy azoknak kötései két oldalról hozzáférhetőek legyenek, ezáltal kétoldali varrat alkalmazásával csökkentve a varratra jutó húzó igénybevételt. A repedékenység csökkentésének további eszközei: A hegesztett kötésre jutó hő okozta alakváltozások csökkentéséve, a hegesztéstechnológia helyes megválasztásával: a teljes beolvadású T-kötésekben gyakran előfordul ez a hiba, ezért ha lehetséges használjunk helyette kétoldali sarokvarratot (11. ábra)

27 ábra nagy, egy oldalról hegesztett varrat helyett, célszerű kisebb, két oldalról hegesztett sarokvarratot használni (12. ábra) 12. ábra tépődésre érzékeny lemez felhegesztése egy alacsonyabb szilárdságú varratfémmel (13. ábra) 13. ábra Különösen repedésveszélyes helynek számítanak azok az esetek, amikor a lemez síkjára merőleges helyzetű hegesztett kötések kiváltotta húzófeszültség lép fel. Ha a hegesztés hatására keletkező igénybevétel meghaladja a termék alakváltozó képességét, akkor a hegesztéskor repedés, a külső terhelés vagy üzemszerű használat esetén pedig törés következik be (14. ábra). Az ilyen repedés javítására nincs lehetőség [9].

28 ábra 2. HEGESZTÉS OKOZTA FESZÜLTSÉGEK ÉS ALAKVÁLTOZÁSOK A hőenergia felhasználásával készített hegesztett kötésekben és környezetükben a hőfolyamat következményeként alakváltozás lép fel, és az anyagban ún. belső maradó feszültségek keletkeznek, ha a munkadarab hőtágulása akadályba ütközik. A belső feszültségek keletkezésének okai lehetnek: hegesztési hőhatás; hegesztési erőhatás, vagy a készülék reaktív ereje; szövetszerkezeti változások. Hegesztéskor az anyagot általában ömlesztik. Az ömlesztéshez használt hő egy része a munkadarabban szétterjed és felhevíti az anyagot. Hegesztéskor a kötés és a környezete a kiindulási hőmérséklettől az olvadási hőmérsékletig a teljes hőmérsékleti skálát átfogja, ez az ún. hőhatásövezet. A hőhatásövezetben szövetszerkezeti változások és hőtágulási jelenségek együttesen következnek be. Az ömlesztőhegesztés tehát mind a munkadarab, méretében és anyagának szerkezetében változást okoz. A hő hatására az anyag tágul, sőt megömlik, de a táguló anyagrészt körbeveszi az anyag fel nem hevített nagyobbik része, megakadályozva az alakváltozást. A hegesztéskor bevitt hőenergia a felhevült összefüggő anyag méretét csak egy határig tudja növelni, mert hideg, merev anyagrészbe ütközve a folyamat megáll és a felhevített anyag zömül. Minél kisebb a fajlagos hőenergia, annál több idő szükséges ahhoz, hogy az alapanyag megömöljék. A hőenergia jelentős része ezért főleg a hővezetés következtében az anyag

29 30 belső részébe jut, mielőtt a kötés helyén a hegfürdő kialakulhatna, és ott hő okozta elmozdulást idéz elő. A hőforrás tovahaladtával azonban a hőátadás következtében rögtön megkezdődik a lehűlés. A kitágult anyag kezd összehúzódni, de a részben zömült anyag az eredeti méretét már nem tudja felvenni. A hűlés folytatódik, de a két anyagrészt már a hegesztési varrat kapcsolja össze, gátolva a szabad alakváltozást. Így a zsugorodási, hűlési folyamatot mindig belső feszültségek kialakulása kíséri. Minél kisebb intenzítású a hőközlés, annál nagyobb zsugorodással és belső feszültség keletkezésével kell számolni. Így a nagy energiasűrűséget használó hegesztési eljárásokat kisebb zsugorodás és vetemedés kíséri, de a hegesztési feszültségek itt is kialakulhatnak. A hőközlésen kívül az anyag minőségétől, hőfizikai jellemzőitől is függ a zsugorodás és a belső feszültségek kialakulása. A hegesztett szerkezetek alakváltozását és belső feszültségét meghatározott értéken belül kell tartani. A belső feszültségek értéke ugyanis elérheti az anyag folyáshatárát. A hegesztett szerkezetekben gyártási okokból is származhatnak feszültségek, amelyek külső terhelés nélküli esetekben is a varratokat terhelik. Nehezen észlelhetők, körülményesen mérhetők és a külső feszültségekhez hozzáadódva váratlan töréseket és egyéb tönkremeneteli jelenségeket okozhatnak. A hegesztési belső feszültségek további megmunkálás során felszabadulnak, és a munkadarabot deformálhatják. A hegesztett kötés irányát tekintve megkülönböztetünk hossz-, kereszt- és vastagságirányú visszamaradó hegesztési alakváltozásokat. Az excentikusan elhelyezkedő kötések az egyszerű alakváltozáson kívül, (pl. hosszváltozás) görbületet kihajlást, szögalakváltozást is okoznak. A hegesztési vetemedés és feszültség egymással szoros kapcsolatban van. A hegesztéssel járó hőhatás okozta fajlagos alakváltozások mind a varratfémben, mind a varrat környezetében az alapanyagban keletkeznek. A hevítés során az alakváltozást képlékeny zömítődés kíséri. Ezek az alakváltozások feszültségeket ébresztenek, a reakciójukként keletkező belső erők pedig kihajlást, görbülést, elcsavarodást, zsugorodást okoznak. Ezeket az alakváltozásokat nevezzük vetemedésnek. A vetemedés mértékét elsősorban a hegesztési eljárás és a varrat méretei határozzák meg. [7]:

30 HOSSZIRÁNYÚ ZSUGORODÁS A tompavarratok hosszirányú zsugorodásának mértéke a varrat hosszának kb. ezredrésze, ami sokkal kisebb, mint a keresztirányú zsugorodás.a sarokvarratok hosszirányú zsugorodásának mértéke a gátló keresztmetszettő függ. A zsugorodás mértéke annál kisebb, minél szélesebb, ill. minél vastagabb lemezből készült a munkadarab. A zsugorodás empirikus eljárással számítható, méretenkénti értéke, a varratkeresztmetszet és a gátló keresztmetszet hányadosának kb. 25-szöröse (15. ábra). Csökkentési lehetőség: A hosszirányú alakváltozás jellemzőinek kiszámítására megadott képletek alkalmasak annak eldöntésére, hogy a hosszirányú alakváltozást milyen tervezői és gyártói kivitelezési módszerrel lehet mérsékelni, mint például a varratszélesség és a hőbevitel csökkentésével, valamint a szelvényterület növelésével [4]. 15. ábra: Hosszirányú zsugorodás 2.2. KERESZTIRÁNYÚ ZSUGORODÁS A hosszirányú alakváltozáshoz hasonlóan a hegesztési hőbevitel hatására az anyag keresztirányban is változtatja alakját és méretét. Az alakváltozások ezen fajtáját sok körülmény befolyásolja, ezért közvetlen elméleti kiszámításuk nem lehetséges (16. ábra). A tompavarratok keresztirányú zsugorodása nem egyenletes. Ennek két oka van: 1) hegesztés közben elfordulás következik be, amelynek értéke a hőbevitel és a fűzővarratok elhelyezése és száma befolyásolja. 2) a mindig jelen lévő, meghatározott mértékű gátolás.

31 32 A keresztirányú zsugorodás mértéke függ a merevség mértékétől, ha ez nagy, akkor a vetemedés kicsi. Ha a hőhatásövezet egyenletes szélességű, akkor a hegesztési sebességnek a keresztirányú zsugorodásra nincs döntő hatása. A keresztirányú zsugorodás kialakulása függ: az alapanyag hőtágulásától, az alapanyag járulékos hődeformációjától, a varratfém hő okozta kontrakciójától. A keresztirányú zsugorodásban alapvető szerepe az alapanyag zsugorodásának van ennek mértéke kb. 90 %, mivel hegesztéskor ez kitágul és a varratfém dermedésekor zsugorodni kényszerül ezért a varratfémre kb. 10% jut. Zsugorodás tehát csak akkor következik be, amikor a hegesztett kötés viszonylag már kis hőmérsékletre hűl le. Minél vastagabb az alapanyag, annál kisebb a keresztirányú zsugorodás. A keresztirányú zsugorodás nő a varratkeresztmetszet, ill. a varrat egységnyi hosszára jutó varrattömeg függvényében, több varratsor esetében azonban a zsugorodás kisebb lehet. Csökkentési lehetőség: Ha a munkadarabot a hegesztéshez befogjuk, akkor a vetemedés mértéke 30 %-kal csökken a szabad zsugorodáshoz képest. A hegesztés okozta fezültség azonban növekszik [4]. 16. ábra: Keresztirányú zsugorodás 2.3. SZÖGTORZULÁS A tompavarratok szögtorzulása akkor következik be, ha a varratkeresztmetszet aszimmetrikus. A vetemedés az első és az utolsó varrat hegesztése során kicsi, a többi varratsor esetében nagy (17. ábra). Ellenkező értékű a változás a gyökoldalon készített varrat esetén. A maradó alakváltozások a két oldalon készített varratok tömegével arányos. A sarokvarratok szögtorzulása különösen bordázott lemezek gyártásakor okoz gondot, mert a síkjából kihajlítja a lemezt. A kétirányú kihajlást számítással igen nehéz

32 33 meghatározni, ezért analitikus módon általában csak az x irányú kihajlást szokták vizsgálni. A kihajlás mértéke függ a lemezvastagságtól, a merevítők egymástól mért távolságától és a varratmérettől. A síkból való kihajlás csökkenti a bordázott lemez kihajlási szilárdságát. A kezdeti alakváltozás és a hegesztési feszültségek együttesen okozzák a bordázott lemezek hullámosodását. Csökkentési lehetőség: Az üzemi gyakorlatban közismert módszernek számít az adott hegesztési munkarendhez tartozó keresztirányú szögelfordulás megmérése és kompenzálása a korona oldallal ellentétes irányú előhajlítással, valamint keretben, a munkadarab befogásával történő hegesztéssel. Ezekkel a módszerekkel a vetemedés értéke 30 %-kal csökkenthető a szabadzsugorodáshoz képest, viszont a hegesztés okozta feszültség növekszik [4]. 17. ábra: Szögtorzulás 2.4. HOSSZIRÁNYÚ GÖRBÜLÉS Azokban az esetekben, amikor a zsugorodás iránya nem esik a hegesztett szerkezet vagy szerkezeti elem semleges tengelyébe, akkor ívelt vetemedés keletkezik. Az ilyen alakváltozást különösen T és I tartók gyártásakor jelentkezik (18. ábra). A hegesztést követő zsugorítóerő az anyagvastagság négyzetével, a görbülettel szembeni állás pedig a vastagság harmadik hatványával arányos. Ezért a görbület egyenes arányban nő az anyagvastagság csökkenésével. Ez azt jelenti, hogy számos esetben ez az alakhiba az anyag vastagságának növelésével csökkenthető, ill. megszűntethető. Többsoros varratok esetében nagyobb mértékű deformációra lehet számítani.

33 34 Csökkentési lehetőség: a hegesztést megszakításokkal végzik, az alakváltozás csökken, mivel a rövid szakaszon kialakuló hegesztési feszültségek nem érnek el nagy értéket [4]. 18. ábra: Görbület 2.5. ALAKVÁLTOZÁST CSÖKKENTŐ SZERKEZETI KIALAKÍTÁSOK A vetemedés esélyét még a tervezés és a gyártás megkezdése előtt a minimálisra lehet csökkenteni, a követező eljárásokkal: minél kevesebb hegesztési varrat, megfelelő lemezvastagság, lemezeken merevítések alkalmazása, a varratokat célszerű a szelvény semleges szálában vagy annak környezetében elhelyezni. [4] 2.6. ALAKVÁLTOZÁST CSÖKKENTŐ TECHNOLÓGIAI MÓDSZEREK a varrat tömege minél kisebb legyen, ha lehet, X varratot készítsünk V varrat helyett, mereven rögzítsük a munkadarabot készülékben, az esetleges megelőző gyártás során kialakult belső feszültségeket hegesztés előtt szüntessük meg,