Figyelem! Ez a pdf dokumentum egyesítve tartalmazza a Gyártástechnológia c. tárgy (GE-041) tananyagát: 1. Fülöp Zsoltné Hegesztés alapjai, 2. Dr.t.n. Firstner Stevan Gyártástechnológia Forgácsolás c. munkáit.
Fülöp Zsoltné HEGESZTÉS ALAPJAI FŐISKOLAI KIADÓ
Fülöp Zsoltné főiskolai adjunktus Hegesztés alapj ai Utánnyomás Dunaújváros 2006
Lektor: Dr. Gremaperger Géza főiskolai tanár Védjegygrafika: Koffán Károly grafikus művész, fóiskolai docens Felelős kiadó: Dr. Bognár László főigazgató Kiadja a Dunaújvárosi Főiskola Kiadói Hivatala Készült: 6,7 ív teijedelemben, B/5-ös méretben Munkaszám: 3915/200l Műszaki felelős: Aszalós Lászlóné
Bevezetés A korszerű gyártástechnológiák között jelentős szerepet játszik a hegesztés, az ipar számos területén alkalmazzák mind az új termékek előállítása, mind a javítási, karbantartási munkák során. Jóllehet a xx. század fordulóján a hegesztés, mint gyártási technológia lényegében még nem létezett, új és nagy termelékenységű eljárások születtek, egyidejűleg kibővült a hegesztés alkalmazási területe is. A technológiai fejlődés irányaiból következtetni lehet arra, hogy a hegesztés és rokon technológiák részaránya a következő évtizedekben tovább fog növekedni. Jelen jegyzet a tíz évvel ezelőtt " A hegesztés alapjai" címmel megjelent jegyzet módosított kiadása. Ajegyzet átdolgozása két okból vált szükségessé: egyrészt a korszerűsített főiskolai oktatásirendszerhezkíván illeszkedni, másrészt a műszaki élet minden területén, így a hegesztés területén is megjelenő új európai EN jelzetű szabványok ismertetésével elő kívánja segíteni a naprakész felkészülést. A jegyzet elsősorban a Dunaújvárosi Főiskola gépészmérnök hallgatói részére készült, a szakmai alapozó tananyag részeként, az azonos elnevezésű kurzus szakmai anyagát, a hegesztési alapismereteket foglalja össze. A tantárgyat fakultatív kurzusként a fóiskola többi műszaki szakok diákjai is választhatják, így a jegyzetet az ő részükre is ajánljuk. Részletesen tárgyalja a jegyzet a hegesztési alapfogalmakon túl a leggyakoribb hegesztő eljárásokat, az ívhegesztések és a gázhegesztés technológiáját. A különleges, speciális alkalmazásokra alkalmas eljárások ismertetése nem része az alapismereteknek, e témát a speciális kurzusok tartalmazzák, illetve a hegesztési kézikönyvek szolgálnak bővebb leírással. A mai terméktechnológiák - így a hegesztett szerkezetek gyártása is - a minőségbiztosítási / irányítási rendszer működtetése, alkalmazása esetén garantálja egy gyártmány megfelelő piacát, így a hegesztés minőségbiztosítási kérdéseinek rövid összefoglalása is megtalálható a jegyzetben. Az utolsó fejezetben a hegesztés érvényben lévő munkabiztonsági kérdéseit is összefoglaltuk. A szakmai fejezetek után a jegyzet végén közreadjuk a felhasznált és a témához tartozó szakirodalmi kötetek, valamint a jegyzetben megemiített és ezidőben érvényes szabványok listáját is. A jegyzetet Dr. Gremsperger Géza lektorálta, értékes észrevételeiért és tanácsaiért ezúton mondok köszönetet. Dunaújváros, 2001. július. A szerző 3
1. Hegesztési alapfogalmak LL A hegesztés fogalma A hegesztés munkadarabok egyesítése hővel, nyomással vagy mindkettővel, amelynek során az anyagok természetének megfelelő fémes (kohéziós) kapcsolatjön létre. Az egyesítendő részek anyagai között molekuláris kapcsolat létesül. Molekuláris kapcsolatnak nevezzük az anyag molekuláit szilárd állapotban összetartó igen nagy erőt az ún. kohéziós erőt. A hegesztés során azonban ezt a belső erőt, az anyag felmelegítésével legyőzzük, a molekulák elmozdulnak egymáson, az anyag megolvad. Ezt a megolvadt anyagot nevezzük ömledéknek. Az egyesítendő munkadarabok molekulái egymásban elvegyü1nek Az ömledék lehűlése során az összekevert anyag megszilárdul, ismét létrejön - a korábbi szilárd állapotban meglévő - összetartó belső erő. A munkadarabok anyagát alapanyagnak, a leolvasztásra kerülő hegesztőpálcát, bevont elektródát, huzalt pedig együttesen hegesztőanyagnaknevezzük:. A megolvadt alapanyag és a leolvasztott hegesztőanyag együttesen alkotja a hegfürdőt, majd megszilárdulás után a hegesztési varratot. A hegesztés végezhető hegesztőanyaggalvagy anélkül. Ha összehasonlítjuk a hegesztést a szerkezetgyártásnál még gyakori oldható (pl. csavarozott) és roncsolással oldható / oldhatatlan (pl. szegecselt) kötésekkel, az alábbi főbb előnyeit és hátrányait említhetjülc meg: Előnyei: - az átlapolások, szegecsek, csavarok elmaradása kb.' 25%-os anyagmegtakarítást eredményez, - az illesztési helyeken a keresztmetszet nem gyengül, - a kötés szilárdsága a legnagyobb. Hátrányai:- a hegesztendő alapanyag minőségével, és hegesztés előtti előkészítésével szemben nagyobbak a lninőségi követelmények, - a helyileg korlátozott hőhatás kedvezőtlen belső feszültségeket ébreszt, defonnáció következhet be, mely a szerkezet felhasználhatóságát csökkenti, ill. melynek elkerülésére külön gondot kell fordítani. A hegeszt1ietőség figyelembevételével és a megfelelő technológiák segítségével az iparban ma már nem csak fémek:ből és ötvözeteiből készítenek hegesztett kötést, de lehetséges és esetenként alkalmazást nyer a nem fémes anyagok - üveg, műanyagok, gyanták stb. - hegesztése, sőt fémeknek nem fémes anyagokkal történő hegesztése is. Jelen jegyzetben csak a fémek ömlesztő hegesztésével foglalkozunk. L2. Hegesztőeljárásokcsoportosítása Technológiai szempontból a hegesztés célja olyan oldhatatlan kötés létrehozása két vagy több, általában fémes anyag között, amelynek tulajdonságai a kötendő anyagok tulajdonságait a lehető legjobban megközelítik (kötőhegesztés), vagy előre meglmtározottak (felralcó hegesztés). Ezenkívül még többféle szempont szerint csoportosíthatjuk a hegesztőeljárásokat. 4
Hegesztési mód (a hegesztés folyamata) szerint: - ömlesztő hegesztések, melyeknél az alapanyagot valamilyen hőenergia közléssel megolvasztjuk, és hozaganyag hozzáadásával/vagy anélkül hozzuk létre a hegesztési varratot, - sajtoló hegesztések, ahol az alapanyagokat nagy mechanikai energiával (felületegységre eső nagy erővel) sajtoljuk össze. Energiaforrás szerint: - villamos energia segítségével végzett eljárás (pl. ívhegesztések, plazmahegesztés), - termokémiai elven működő eljárások (pl. gázhegesztés, termithegesztés), - sugárenergia által végzett eljárások (pl. elektronsugaras ill. lézersugaras hegesztés), - villamos ellenállás elvén működő eljárások (pl. ellenáliás-hegesztések), - mechanikai energia felhasználásán alapuló eljárások (pl. sajtoló hegesztés). Varratvédelem szerint: - látható ívü hegesztési eljárások, - nem látható ívü hegesztési eljárások (pl. por alatti hegesztés). Hegesztéshez szükséges eszközrendszer, a hegesztés kivitele szerint: - kézi hegesztési eljárások, - részben gépesített hegesztő eljárások, - gépesített hegesztő eljárások. A hegesztési eljárások talán legteljesebb rendszerét az MSZ EN ISO 4063:2000 tartalmazza. Az 1.1. táblázatban a leggyakrabban használatos hegesztőeljárások szabványos jelölését mutatjuk be. A táblázatban a zárójeles elnevezések a hazai gyakorlatban leginkább ismert fogalmak... 1 1 táblázat A hegesztőeljárások besorolása és azonosító jelölése Az eljárás kódszáma A hegesztőeljárás megnevezése 1 Ivhegesztés 11 Fogyóelektródás, önvédő ívhegesztés III Fogyóelektródás ívhegesztés bevont elektródával (kézi ívhegesztés) 114 Ívhegesztés porbeles huzallal 12 Fedett ívű hegesztés 121 Fedett ívű hegesztés huzalelektródával 13 Fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés 131 Fogyóelektródás, semleges védőgázas ívhegesztés (AFI hegesztés) 135 Fogyóelektródás, aktív védőgázas ívhegesztés ( C~ hegesztés) 136 Fogyóelektródás, aktív védőgázas ívhegesztés porbeles huzallal 137 Fogyóelektródás, semleges védőgázas ívhegesztés porbeles huzallal 14 Nem fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés 141 Volfrámelektródás, védőgázas ívhegesztés ( AWI hegesztés) 15 Plazmaív-hegesztés 2 Ellenállás-hegesztés 21 Ellenállás-ponthegesztés 22 Ellenállás-vonalhegesztés 23 Ellenállás-dudorhegesztés 24 Leolvasztó tompahegesztés 25 Zömítő tompahegesztés 5
l, l. táblázat folytatása Az eljárás kódszáma A hegesztőeljárás megnevezése 3 Gázbegesztés 31 Oxigén-éghető gáz hegesztés 311 Oxigén-acetilén hegesztés 32 Levegő-éghető gáz hegesztés 4 Sajtolóhegesztés 41 Ultrahangos hegesztés 42 Dörzshegesztés 7 Egyéb hegesztési eljárásol{ 71 Aluminotermikus hegesztés ( termitbegesztés ) 72 Villamos salakhegesztés 75 Fénysugaras hegesztés 76 Elektronsugaras hegesztés 78 Csaphegesztés 9 Keményforrasztás, lá2yforrasztás és forrasztóhe2esztés E szabvány szerint jelölik a hegesztők minősítésében is a hegesztőeljárásokat, a három számjegyű kódszámokkal. Jelen jegyzet a hegesztőeljárások közül az öt leggyakoribb ömlesztő hegesztési eljárást, lnint a hegesztés alap-eljárásait tárgyalja, ezen eljárások főbb jellemzőit és alkahnazási teriuetét az alábbiakban foglaljuk össze, 111 jelű: Fogyóelektródás ívbegesztés bevont eleldródával (lcézi ívhegesztés) A legáltalánosabban használt ívhegesztő eljárás ( Ll, ábra ), melyuél a hegesztéshez szükséges energiát a hegesztő áramforrás szolgáltatja. A hegesztő árantkörben a bevont (kézi ívhegesztő) elektróda és a munkadarab között kialakuló hegesztőív ömleszti meg az elektróda végét, ill. az alapanyagokat és aldalakult hegfürdő megdennedve hegesztési varratot / kötést képez. A hegfürdő védelmére a megolvadt bevonat (salak) szolgál, Alkahnazható a műszaki kivitelezés nllnden teriuetéll, ötvözetlen, ill. ötvözött acélok és egyéb fémek hegesztésére, helyszí1ll és üzenti munkákra, minden hegesztésihelyzetben. r/ rr----!.-i ~.~ o', ;ö :~:: :;;.~...... ;:0 il;: o ;0'" 1 2 3 1.1. ábra Kézi ívhegesztés elve I 4 6 5 111---6 1 hálózati csatlakozó 2 hegesztő áramforrás 3 hegesztökábel (munkakábel) 4 áramvisszavezetö (test)kábel 5 e1ektródafogó 6 bevont elektróda 7 munkadarab
141 jelű: Volfrámelektródás, védőgázas ívhegesztés (AWI hegesztés) A kis termelékenységű eljárás során a hegesztő áramkörben a hegesztőív anagy olvadáspontú (nem olvadó) volfrámelektróda és a munkadarab között semleges védőgáz (pl. argon) védelme alatt ég ( 1.2. ábra). Kétkezes kézi eljárás, a hegesztőpálca leolvadása a varratképzést biztosítja, a hegesztőpisztoly gázterelő ruvókájából kiáramló védőgáz védi az izzó elektródát és a megömlött fémet a levegő többnyire káros hatásaitól. Alkalmazható ötvözetlen acélok, de speciális sajátossága miatt fóként ötvözött acélból és szinesfémből készült vékony lemezek és csövek hegesztésére, különösen finom munkákhoz. 4 7 9 10 1.2. ábra Voljrámelektródás, védőgázas ívhegesztés elve 8 12 l hálózati csatlakozó 2 hegesztő áramforrás 3 hegesztő kábelköteg 4 áramvisszavezető (test)kábel 5 védőgázpalack 6 védőgáztömlő 7 hegesztőpisztoly 8 hegesztőpálca 9 volfrámelektróda 10 hegesztőív II védőgázköpeny 12 munkadarab 1311135 jelií: Fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés ( AFJJCOz hegesztés) A nagy termelékenységű eljárás során a hegesztő áramkörben a hegesztőív egy huzaldobról huzalelőtoló berendezéssel előtolt huzal és a munkadarab között képződik. (1.3. ábra ). Egykezes, részben gépesített eljárás, a hegesztőhuzaihoz az áramot a hegesztőpisztolyban vezetik, így nagy leolvadási teljesítmény érhető el. Alkalmazható nagyméretű szerkezetek műhelyszerií munkáihoz, ill. robottal végzett hegesztésre, ötvözött acélhoz semleges (argon) védőgázzal, szerkezeti acélok hegesztésére aktív ( COz vagy pl. COz +Ar keverék) védőgázzal. 1.3. ábra Fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés elve l hálózati csatlakozó 2 hegesztő áramforrás 3 huzaldob 4 huzalelőtoló 5 védőgázpalack 6 hegesztőkábel 7 hegesztőhuzal 8 védőgáztömlő 9 áramvisszavezető (test)kábel 10 hegesztőpisztoly II munkadarab 7
121 jelfi: Fedett ívű hegesztés huzalelektródával A fedett ívű eljárás során a hegesztő áramkörben a hegesztőív a hegesztőhuzal és a munkadarab között fedőpor védelme alatt ég (1.4. ábra ). Ez gépesített eljárás, a hegesztőfejet gépi előtolású hegesztőkocsira szere1ik. A zárt ívkavemában jól hasznosuló hő mély beolvadást és igen nagy leolvadási teljesítményt biztosít. Alkalmazható főként nagyméretű hegesztett szerkezetek (pl. hidak, csamokok, tartályok) hosszú, főleg egyenes varratainak vízszintes, vagy enyhén (7+10 ) emelkedőhelyzetű hegesztésére. 2 3 5--- 11...-....-' '"\ \ i / l hálózati csatlakozó 2 hegesztő áramforrás 3 hegesztőkábel 4 áramvisszavezető (test)kábel 5 huzaldob 6 huzalelőtoló 7 áramátadó érintkező 8 fedöporpárna 9 salak 10 fedőpor elszívás II munkadarab 1.4. ábra Fedett ÍVű hegesztés elve 311 jelű: Oxigén-acetilén hegesztés A gázhegesztés hőforrása az éghetőgáz ( acetilén) és oxigén keverékének elégetésekor fejlődő hő ( 1.5. ábra ). Kétkezes, kis termelékenységűeljárás, a hegesztőpálca leolvadása a varratképzést biztosítja, a hegesztőpisztolyból kiáramló lánggal a hegesztendő éleket kell megömleszteni, a hegfiirdő védelme részleges. Alkalmazható ötvözetlen és gyengén ötvözött acélból készült kis átmérőjű vékonyfalú csövek és lemezek főként helyszíni hegesztésére, szerelő tevékenységhez. I 1 2 1.5. ábra Gázhegesztés elve I oxigénpalack a nyomáscsökkentővel 2 acetilénpalack a nyomáscsökkentővel 3 oxigéntömlő 4 acetiléntömlő 5 hegesztőpisztoly 6 keverőszár 7 láng 8 hegesztőpálca 9 munkadarab 8
A bemutatott ívhegesztő eljárásoknál a varrat kialakulási körillményeinek és a varratvédelem módjainak az összehasonlításával még egyéb szempontok szerint is párhuzamot vonlmtunk, lm az 1.6. ábrát tanulmányozzuk. 111 Maghuzal Bevonat ~ Salak -ii7;~'f; Varrat ~jroul"'--""l 1.6. ábra Ívhegesztőeljárások vázlatai A vázlatok között mind az egymás mellettiekllél, 111Í.11d az egymás alattiaknál találunk közösjellelllzőket: III B 121: a varratot védő, és a lehűlési sebességet csökkentő salak szilárd anyagból (elektróda bevonatból, ill. fedőporból) alaknl ki, 141 B 135: a hegesztés során a varratvédelemhez semleges (argon) vagy aktív (széndioxid) gáz szolgál, a hegesztő hegesztőpisztollyal dolgozik, III B 141: a varratot rövid szakaszokkal készíthetik, a meghatározott hosszúságú elektróda, ill. hegesztőpálca 111Íatt, 121 B 135: a hegesztés a huzalelektróda 111Íatt gépesített, ill. részben gépesített. 1.3. Hegesztési varrat és hegesztett kötés A hegesztés során két vagy több szerkezeti részt kötünk össze hegesztési varrattal. Ezek a szerkezeti elemek a térben különbözőképpen helyezkedhetnek el, helyzetük pedig meghatározza a kötésmódot, melyet a hegesztéskor alkalmazhatunk. Hegesztési varratfajták: - tompavarrat (perem-, I, V, Y, U,) - sarokvarrat A varratfajtákon belüli változatokat a hegesztési él és illesztés, valamint az egy vagy kétoldalról végzett hegesztés határozza meg. Így lesz pl. a fél U varratból J-, a kettős fél V varratból K-varrat. A hegesztett kötés típusai: - tompakötés, ahol a hegesztendő elemek ugyanazon síkban helyezkednek el, - merőleges kötés, ahol az elemek egymásra merőlegesek és amely kötés kétirányú hőelvezetésű (sarokkötés), vagy hárolu.irányú hőelvezetésű (T kötés), - párhuzamos kötés, allol az elemek egymással párhuzamos síkban fekszenek. Megnevezhető még ún. ferde kötés is, ahol az elemek egymással tetszőleges szöget zánlllk be, melyeket az egymáshoz viszonyított lmjlásszőgűk alapján a tompa, ill. sarokkötéshez sorolunk be. 9
A hegesztési varratok és hegesztett kötések rendszerét egyoldalró1 és kétoldalról végzett hegesztési példákkal szemléltetik az 1.7. és 1.8. ábrák. Varrat EGYOLDALRÓl HEGESZTETT KÖTÉS Tompa Perem ~ f= Herótenes Sarok T Pórhuzamos l ~ it= ~ V ~ ~ ~ ~-.:::c=y ~ p --'- f---. --- U ~ ~.~ fél V ~ ~ ~ fél Y ~ ~ ~ fél U ~ P ~ Sarok ~r ~ ~ Horony ~ 1.7. ábra Példák az egyoldali hegesztésre Varrat KÉTOLDALRÓl HEGESZTETT KÖTÉS Tompa Heröleges SarDk fél V ~ P ~ fél Y ~ P P J ~ P A l ~ ---~~ V 8.. ~. y Sarok r U ~- T Párhuzamos ~ ~ Hevederes - 1.8. ábra Példák a kétoldali hegesztésre Hegesztési fogalmak és jelölések A hegesztési él a munkadarabnak a hegesztés helyéül kijelölt és a tervezett varratnak megfelelően kialakított és/vagy megmunkált felülete. Az él lehet merőleges, leélezett vagy peremezett. A megfelelően leélezett munkadarabokat hegesztés előtt illeszteni kell. Az illesztés a munkadarabok összetartozó éleinek vagy élfelületeinek beállítása hegesztéshez. Az 1.9. ábra a hegesztési él és az illesztés jellemző méreteit és einevezéseit mutatja a gyakoribb esetekre. f JL } ~ ~ ~ j!\p t 1.9. ábra Az élkialakítás és az illesztés elnevezései a - nyílásszélesség b - illesztési hézag (gyökhézag ) c - élgyök orrmagasság (gyökváll) a. - nyílásszög aj2 - leélezésí szög (élszög) k - leélezésí magasság 10
A hegesztett kötés - mint a hegesztéssel létrehozott kohéziós kapcsolat - ro részei (ld. 1.10. ábra): - a hegesztési varrat vagy pont, - a beolvadási vonal, ill. kötési övezet, - hőhatásövezet, - a hőhatástól nem befolyásolt alapanyag. Hegesztési varrat 1.10. ábra Hegesztett kötés vázlata a, b, a) ömlesztőhegesztés esetén b) sajtolóhegesztés esetén A varrat a hegesztett kötés része, a megszilárdult hegfiirdő (heganyag). A varratfém a megömlesztett alapanyagból és a hegesztőanyagból álló megdermedt hegesztési ömledék (hegfiirdő). A hőhatásövezet az alapanyag(ok)nak a hegesztés során szilárd halmazállapotban maradt azon része, amely a hegesztési hő következtében szövetszerkezeti változáson (hőkezelésen) ment keresztü1. A beolvadás mértékétől fiiggően a tompavarratok lehetnek teljes vagy nem teljes keresztmetszetűek, a sarokvarratok pedig lehetnek egyenlőszárú (szimmetrikus) vagy egyenlőt1enszárú (aszimmetrikus), megjelenésre pedig egyenes, homorú, domború felületű varratok. A sarokvarrat jellemző "a" mérete a varrat keresztmetszetének legkisebb mérete, azaz a varratba beírható egyenlőszárú derékszögű háromszög átfogójához tartozó magasság. 3 2~~ 1 G ökoldal II Az Lll. ábra mutatja a hegesztési varrat elnevezéseit tompa V-varrat, sarokvarrat, illetve a nem teljes keresztmetszetű tompavarratok, valamint peremvarrat esetére. 1.11. ábra A varrat elnevezései g - varratszélesség h - varratmagasság n - gyökvarrat magassága m - varratdudor magassága 13 - varratdudor hajlásszöge a - sarokvarrat mérete 1- gyöksor 2 - töltősor(ok) 3 - takarósor (fedősor)
A hegesztési varrat felépítése lehet egysoros vagy többsoros, ill. egy- vagy több rétegű. Az egymás melletti varratsorok varratréteget képeznek. A varratréteg kialakítható egy varratsorból, pl. lengetéssel is (ld 1.12.b. ábra). Az 1.12. ábrán a varratsorok és rétegek elhelyezkedése látható. 1 1.12. ábra Többrétegű varrat kia/alátása 2 l varratsarok 2 varratrétegek A hegesztett kötéseket különböző helyzetben (pozícióban) lehet elkészíteni. A hegesztési helyzetek jelöléseit tompavarratokra és sarokvarratokra az MSZ EN ISO 6947:2000 alapján az 1.13. ábra mutatja. pozíció TOMPA- SAROKhegesztesi helyzet varrat varrat III UJ l- Z N III '- N > FEKVÖ (vályú) ÁLLÓ PA l1ll FALMENTI ~ PC (harónt) FEJ FELETTI l FÜGGŐLEGES 88 j PE -... (jjj rq7 [F: ~ 1 fel 2 le 1.13. ábra Hegesztési helyzetek (pozíciók) A csőhegesztésnél, ha a cső rögzítve van (pl. csővezeték fektetésnél), a hegesztő a körbehegesztéskor többféle pozícióban (kényszerhelyzetben) hegeszt az 1.14. ábra szerint. A gyakorlatban a pozícióhatárokat az óra szám1apja alapján is jellemzik, pl. 12 óra - vízszintes, 6 óra - fej feletti, stb. 12
Vízszinte'IPA) 1.14. ábra Hegesztési helyzetek rögzített vízszintes tengelyű cső hegesztése esetén. Fej fele Ili IPEI A hegesztett varratokat a műszaki rajzokon egyértelműen jelölni kell. A rajzjelekkel való ábrázolás feladata, hogy lehetőleg minden szükséges utasítást adjon meg a hegesztési varratokra úgy, hogy a rajzot ne kelljen még további megjegyzésekkel bővíteni. A hegesztett kötés rajzjele az MSZ EN 22553:98 szabvány szerint nyilas mutatóvonalból, folyamatos referenciavonalból, szaggatott azonosító vonalból és a varrat jeiéből áll (1.15.ábra). Ha a varratjel a szaggatott vonalon helyezkedik el, akkor a hegesztett kötés az ellentétes oldalon van, mint ahová a nyil mutat. A nyilas mutatóvonal elhelyezésére mutat példákat az 1.16. ábra. Kapcsolbctb felület 1.15. ábra A hegesztett kötésekjelölése műszaki rqjzon 1 - nyilas mutatóvonal 2a- referenciavonal 2b - azonosító vonal 3 - varrat jel 1.16. ábra A nyilas mutatávonal elhelyezése A hegesztési varrat jele alapjelből és kiegészítő jelből áll. Az alapjeleket és értelmezésüket ez egyoldali varratok esetére az 1.2. táblázat foglalja össze, az 1.3. táblázatban pedig a kiegészítő jelek alkalmazására található nenány szemléltető példa. A kétoldali varratoknál a referenciavonal mindkét oldalára kerülnek varratjelek. 13
1.2. táblázat. A hegesztett kötések alapjelei Mognev_ Ab_lAlI ~ajzlol 1. Felperemezell lemezek hilzötll lompavbmll P"...mllalTal (USA). (Avarrata peremkozt lcltlll1l) ~...J\... 2. Egyoldalllompa I varml ~ lj 3. Egyoldali lampa V varrol ~ V 4. Egyoldali lampa 1/2 V varrot ~ V 5. Egyoldali tompa Y varrn! ~ y 6. Egyoldali tompa 112 V VBrrol 7. SDrazdm,.::;:- ~ r' Egyoldali tompa U varrat p4rhuzamos vagy l"iula ~ y (fertle) oldelekhoz 8. Egyolclali lampa J (112 ul varrni ~ J-I 9. Gyölwtánhegeszten tompavanal Hátoldali varral ~ <;;:;::7 10. Sarokverra! 11. Horonyvanal 12. Ponthegeszt8s., pontvarrut ~ ~.~ ~ II ~ O ~ 13. Vonalhegesztés. vonalvarrat ~ ::@= ~ 14. MeredekfeJü lampa V varrol ~ V 14
1. 3. táblázat. A hegesztett kötések láegészítőjelei Megnevezés Ábrázolás Ralzjel Sik felülelo lompavarrat ~ V,... Domború tompa keuős V varrat (X varrat) ~... X Homorú sarokvarrat ~ ~ Lemunkáll gyökutánhegeszteu V varrat y varrat gyökutánhegesztéssel ~ ~ I ~ :b I Sik felületo lemunkált V varrat ~ ~ V Sarokvarral éles átmenet nélkül ~ ~ Minden egyes hegesztési jelet mérettel is el kell látni, melynél az a szabály, hogy a varrat méretet a jel bal oldalára, a varrat hosszát pedig a jobb oldalára kell inri. Kiegészítő utasítás is kerülhet a nyilas mutatóvonal töréspon~ára, ez lehet a körbemenő varrat jelölése, valamint a helyszíni szerelési varrat jele, ezenkívül a referenciavonal végén lévő villa két ága közé írhatunk technológiai adatot is, pl. a hegesztőeljárás kódszámát. Az 1.17. ábrán látható két példa a teljes jelölési rendszerről. 268300~11 11) r-~or:..435 b) 1.17. ábra Példák hegesztett kötésjelölésére a) helyszíni tompavarrat esetén b) körbehegesztett sarokvarrat esetén. 15
1.4. A hegesztett kötés kialakulása ömlesztő hegesztéskor a hegesztés helyét - eljárásonként eltérő nagyságú - hő éri. Minden hegesztő energiaforrás legfőbb jellemzője a hasznos hőteljesítmény, azaz a hőforrás által a mullkadarabbal időegység alatt közölt hőenergia. A munkadarab felületének azta részét, amelyen a hőforrás energiaáramánaknagy része kiválik, hőfoltnak nevezzük. A felületi energiaforrások összpontosíthatósága, koncentrálhatósága, energiasűrűsége különböző. Az 1.18. ábrán a görbék szélességéből látható, mekkora területre összpontosíthatjuk a hőenergiát, a görbék magasságából pedig az összpontosított hőellergia nagyságáról nyerhetünk képet. A AI! ~ : \.! i 0\ i '--4-1!]!1 Ol Cl el 1.18. ábra Összpontosítottfrlüleli energiaforrások a) láng, b) plazmasugár, c) ív, d) elektronsugár, e) lézersugár. Az egyes hegesztőeljárások összpontosított, felületegységre eső hőteljesítményét teljesitménysíírííségnek nevezzük, dimenziója KW/cm 2 A teljesítméllysűrűség befolyásolja a folyékony és szilárd fázisban végbemellő folyamatok sebességét, valamint a varrat aiaigát és a hegesztéskor fellépő alakváltozásokat. Jelentős hatással vanteháta varratfémfizikai és kémiai, valamint a hőhatásövezetbell kialakuló szövetszerkezet tulajdonságaira és a hegesztett szerkezet vagy szerkezeti elem méret és alakpolltosságáia. Az egyes hegesztőeljárások teljesítménysűrűségét mutatja az 1.19. ábra. (; 10 la la ~ ~ N 1rf '"... '" r-y cll '" -2 N '" cll '" ol cll ol cll ol 3: e "' cll -.f!..c.>::... 10 cll '-----' oc..c N c:>.<!: N '" e cll N ol 10 3 <:> -Cll ol c:> ~!2.....c cll a: II '".. -:::I ~... ~ '" I _:::I 10 2 -c:>,.., '" :i ol cl I -< :::I til C til-eu cll -lu c... ol GI ~ 10 D o ON.. til..c -in ~ g:. ~ lu cll GI -iii = LLi ol:: -J ~ 0,1 1930 1950 1950 1955 1%2 1968 Az eljárlís bevezetési éve Az ábrán jelöltük laz eljárások bevezetésének évét is. 1.19. ábra Az ömlesztőhegesztőeljárások teljesitménysííríísége 16
A hegesztési hőfolyamatot az időegység alatti, illetve az egységnyi sebességgel bevitt hőmennyiséggellehetjellemezni. A villamos energiával keltett hő nagysága: Q = 1') U. I. t [ J ] az egységnyi idő alatt bevitt hőmermyiség: q = Q/t = 1') U. I [ J/s] az egységnyi varratszakaszra bevitt hőmermyiség, azaz a szakaszenergia, vagy más néven jeglagos hőbevitel: q U I -=11- [J/m; kj/mm] ahol: v u hegesztő feszültség [ V ], I hegesztő áramerősség[ A ], t - hegesztési idő [ s ], v- hegesztési sebesség [mis], 1'] - h6hasznosítási tényező (hatásfok) v pl. I Ilhegesztésnél 135 hegesztésnél 141 hegesztésnél 121 hegesztésnél 311 hegesztésnél 1] = 0,73-0,80 1'] = 0,75-0,87 1'] = 0,42-0,68 1] = 0,90-0,98 1] =0,15-0,35 A fajlagos hőbevitel értékeit az egyes hegesztőeljárásokra az 1.20. ábra szemlélteti. 2,...---r 5,0 ~Ii 4,5 l...--.j 40 l/l l/l '.1!! crl> ;'5 3,2 ~ N l/l li! cll ] cll ol 3JJ 2,5 <- l/l ol cll c "> l/l.. oc ol.. 2,5 :f oc c li: l/l,q 1.20. ábra l/l ti 2p ol e 'o zp cl c'" :f cll l/l oc u ~ f'l:i N ol Az ömlesztőhegesztő l/l 1,5 cll.! x cll ol ol ~.~ lp.. ol ii:i~.9 oc :e.. oc N ;E' q5 -., :iij.., szakaszenergiája O.:J 0,1 "" If ~ "ll a:... o eu oc.. 1,0.. Ol eljárásokjeglagas hőbevitele, o A bevitt hő és a hasznosított hő viszonya eljárásonként változik (ez adja az 1']-t). A gázhegesztéskor és a bevontelektródás kézi ívhegesztéskor az ívben fejlődött hő nagy része veszteségként elvész a munkadarab hővezetése, a sugárzás és a fröcskölés következtében. A bevontelektródás ívhegesztés esetén pl. a hő kb. 15%-a fordítódik a bevonat, ill. a maghuzal megömlesztésére, 10%-a az alapanyag megolvasztására. Ezzel szemben a fedettívű hegesztéskor a hőveszteség minimális (kb. 5%). A hegesztés helyén bevitt hő terjedését egy acélanyag esetén - mozgó hőforrásként tekintve - az 1.21. ábra mutatja axonometrikus (1.21.a. ábra) és nézeti (1.21.b. ábra) képen. Az x tengelyre merőleges t-y síkban a hőmérséklet Gauss-eloszlás szerint változik. Az y tengelyre merőlegesen, a t-x síkban a O pont előtt (a hegesztés irányában) a hőmérsékletgradiens igen meredek, a O ponttól távolodva "-x" irányában exponenciálisan csökken. Az azonos hőmérsékletű pontokat összekötő hőmérsékletgötbék (izotermák) alakját az alapanyag minősége, vastagsága, a hegesztés sebessége, a hegesztőeljárás, tehát a szakaszenergia befolyásolja. 17
z =ÖUandó x y z= álla ndd A hegeszt' es iránya y=óuondó... t,o( 0,6 600 Dan 1 1400 1200 ~ ~~ 2!6 i- 1000 Z.4 800 3,6 600 400 6 cm cm O ;6 H 'fo '~ 200-24-22-20 -18-16-1~-1Z -10-8- -4 - O-y y/cm -5 4 2-24-22-20 -18-16 -14-12 -10-8 -6-4 -2 C 2 y -X ~ o... 25-6 cm -4-2!L.-x 2 Ir x = óllandó o t ( b J ~~ - - '0 2 4 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 O Y cm 1.21. ábra Hőmérsékleteloszlása hőforrás környezetében a) térbeli képen b) nézeti képen 18
A hegesztéskor bevitt hő hatására az alapanyag megömlik, és a hegesztőeljárástól, a hegesztés paramétereitől, stb. fiiggően kialakul a hegfiirdő, amely megszi1árdulva képezi a varratoí. Az 1.22. ábra a hegfiirdő kialakulását mutatja bevontelektródás kézi ívhegesztéskor. A hőforrás hatására az alapanyag "b" szélességben és,,h" mélységben megömlik (területe Ameg), az elektróda leolvadása után,,tn" magasságú varratdudor alakul ki (területe Ale). A hegfiirdő,,l" hosszúságú és "b" szélességű, ellipszishez hasonlító alakú. Az ív a folyékony fiirdőt a haladási irányhoz képest hátranyomja, és itt az ív környezetében kráter képződik, amely a lehűlés után pl. a varratvégeken megdermed és feszültséggyüjtő hely lesz. A hegfiirdő az eljárástól fiiggően különböző ideig van megömlött állapotban. A folyékony állapotban eltöltött idő a hegfiirdő létideje. Alétidő 0,02 + 30 sec között változhat, és fiigg a hőbevitel nagyságától, a hőelvezetés feltételeitől, a hőforrás sebességétől. A hegesztés irónya 1.22. ábra A hegfürdő kialakulása kézi ívhegesztéskor A hegesztés teljes kristályosodási folyamatát ömlesztő hegesztésnél az 1.23. ábra szemlélteti: A hőközlés (Q) hatására először a fém krisztallitjai (szemcséi) a kiinduló mérethez (1.23.a. ábra) viszonyítva megnőnek (1.23.b. és 1.23.c. ábra). A szemcsenövekedés a hőmérsékletnövekedéssel exponenciálisan arányos. A szemcsék a legnagyobb méretüket a szolidusz hőmérsékletén érik el, amely fölött megkezdődik az olvadás. A hőmérsékletnek a likvidusz hőmérsékletig való növelésével egy meghatározott zónán belül - homogén halmazállapotú fémömlede'k, folyékony varratfém, a hegfiirdő jön létre. Az ömledéket a nagyméretű, részben megolvadt szemcsék határolják (1.23.d. ábra). Q. -- 1.23. ábra A hegesztett kötés kialakulása ömlesztő hegesztésnél 19
A hőközlés megszüutetése után a hőelvezetés és a hősugárzás hatására az ömledék hőmérséklete csökken. A hőmérséklet csökkenése során, elérve a likvidusz hőmérsékletet, megkezdődik az ömledék megdermedése. A megdermedés az ömledékben rendezetlenül elhelyezkedő atomoknak a részben megolvadt krisztallitokra való ráépülésével indul meg (1.23.e. ábra), és kohéziós kapcsolat kezd kialakulni. Az összehegesztendő anyagok az ömledékből képződő varratfémmel a kristályszerkezetnek tökéletesen megfelelően épülnek össze. Az olvadási határ (az összeépülés-, a kapcsolódás helye) ezért mikroszkópon sem található meg. A megdermedés tehát - az összehegesztendőanyagok intenzív hőelvonása következtében - egy ideig a részben megolvadt krisztallitokra való rákristályosodással (kristályosodási csírák) megy végbe. Idővel a hőmérséklet kiegyeniítődése következtében csökken a hőelvonás intenzitása, ezért a varratömledék középső részén is megkezdődik a krisztallitok képződése. A kristályosodás befejezésekor a varratömledékből ún. szilárd varratfém (hegesztési varrat) alakul ki, mely biztosítja a két anyag közötti kohéziós kapcsolatot. A hőhatásövezet szövetszerkezete Az alapanyag hőhatásövezetbe eső anyagrészeinek átkristályosodása és lehűlése során kialakult szövetszerkezet és az ahhoz tartozó szilárdsági tulajdonságok attól fiiggenek, hogy az illető anyagrész milyen hőmérsékletre hevült fel hegesztés közben. A hőhatásövezet egyes körzeteinek a kiindulási állapothoz képest megváltozott mechanikai és kémiai tulajdonságai döntően befolyásolják a kötés teherviselőképességét, ezért a hőhatásövezet egyes sávjait közelebbről kell megvizsgálnunk. A hőhatásövezetben végbemenő szövetszerkezeti változások miatt vizsgálják az acél un. hegeszthetőségét, és a vizsgálatához célszerű felhasználni a hőforrás által létrehozott, a varratra merőleges hőmérsékleteloszlás görbéjét és a vas-szén állapotábra acélokra vonatkozó bal oldalát (1.24. ábra). A vizsgálathoz a hegesztett szerkezeteknél napjainkban leggyakrabban felhasznált, az 1.24.b. ábrán pontvonallal jelzett összetételű kis C-tartalmú (ötvözetlen), jól hegeszthetőacélt választottunk. A hőhatásövezet szélessége hegesztőeljárástól, hőbeviteltől, kötéstípustól fiiggően nebány mm-től 30-50 mm-ig terjedhet, egyrétegű varratra vonatkoztatva a hőhatásövezet szerkezete az alábbi elhatárolható sávokra / övezetekre tagozható: A varrat övezete (l) a hegesztéskor teljesen, ill. részben megömlött, a hegesztőanyaggal keveredett zóna. Kémiai összetétele és szerkezete a varratban oldott ötvöző- és szennyező elemek eltérő diffiíziója következtében különbözik az alapanyagétól A kötés minőségét döntően befolyásolja a varrat övezetének szerkezete, tulajdonsága. A varratfém mindig öntött szerkezetű, s jelentősen durvább szemcséjű és zárványosabb, mint az alapanyag, a zárványok megjelenési formája és eloszlása is kedvezőtlenebb. A varrat közepén dúsuló, pl alacsony olvadáspontú szennyezők növelik a melegrepedési hajlamot. A túlhevített (durvaszemcsés) övezet (2) az 1100-1400 oc közé felhevült rész. Ötvözetlen acéloknál ez pl. durva, nagy szemcséjű ausztenites lesz. Ezen a hőmérsékleten az ausztenit a jelenlévő karbidokat, nitrideket stb. oldja. A túlhevített övezetből való lehűléskor az átkristályosodáshoz kevés kristálycsíra áll rendelkezésre, ennek következtében durva szekunder fázisok jönnek létre a lehűlési sebességtől fiiggően, amelyek szilárdsági tulajdonságai kedvezőtlenek lesznek. 20
2p (% a, 1.24. ábra Kis széntartalmú acél hegesztésekor kialakuló hőhatás övezetek A tűs alakban kiváló ferrit (widmannsuitteni szövetszerkezet) csökkenti a kötés képlékenységét, szívósságát. A túlhevített övezetben gyakran felkeményedés is létrejön, ezérttörekedni kell arra, hogyez a zóna minél keskenyebb legyen. A normalizálási (finomszemcsés) övezet (3) hőmérséklet-tartománya az A 3 és 1100 oc közötti érték. Itt finomszemcsés ausztenites fázis alakul ki, amelyben a karbidok, nitridek, stb. lehü1éskor kedvező csíraképződési feltételeket jelentenek, s az ausztenitből keletkező átalakulási termékek is finomszemcsések lesznek. Részben átkristályosodott övezet (4). Az Al és A 3 hőmérsékletek közé felhevült hőhatásövezetben csak részben következik be átkristályosodás. A lehűléskor az ausztenit visszaalakul perlitté, ill. gyors hűtéskor martenzitté, ami a szívósságot, az alakváltozó képességet csökkenti. Újrakristályosodási övezet (5). Általános jellemzőként és pl. a nemesített acéloknál az Al alatti hőmérsékletre való felhevítés megeresztési folyamatot jelent, s így a szilárdsági értékek az alapanyaghoz képest csökkennek ebben az övezetben. Ha a munkadarabot hegesztés előtt hidegen alakították, az 500 oc és az Al hőmérsékletek közötti tartományba felhevült zóna újrakristályosodik. Ez a kritikus alakítási fok (3-7- 5%) esetén jelentős szemcsedurvulástjelenthet. Kéktörékenység övezete (6). A 100-7- 500 oc - ra felhevült részekben általában szívósságcsökkenés nemjelentkezik. Öregedésrehajlamos acéloknál, ha előzetesenaz acélt hidegen alakították, akkor a 250-7- 280 oc közötti tartományban mesterséges öregedési folyamat megy végbe. Az előbbiekben kifejtettek tehát egyrétegű varratra vonatkoztak. Többrétegű hegesztésnél eltérés abból adódik, hogy a felül elhelyezkedő rétegek felrakásakor az alul elhelyezkedő varratsorok és azok környéke sajátos hőkezelésen megy át. Ennek eredményeképpen az egyes övezetek határvonala kevésbé éles, az I, 2, 3 övezet általában finomszemcsés, ezért általában a varrat kielégítő képlékenységgel és szívóssággal rendelkezik. 21
2. HEGESZTŐELJÁRÁSOK Ebben a fejezetben az ömlesztő hegesztő eljárások közül a hegesztett szerkezeteket gyártó üzemekben leggyakrabban alkalmazott ötféle módjának a technológiájával foglalkozunk, amelyek gyakorlati kivitelezése nagymértékben a képzett hegesztőszakmunkások hozzáértésén múlik. Az 1.2. fejezetben már röviden ismertetett eljárások részletezését tárgyaljuk az alábbi sorrendben: 111 jelű: Fogyóelektródás ívhegesztés bevont elektródával (kézi ívhegesztés ) 141 jelű: Volftámelektródás, védőgázas ívhegesztés ( AWI hegesztés) 131/135 jelű: Fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés (AFI/C0 2 hegesztés) 121 jelű: Fedett ívű hegesztés huzalelektródával (FI hegesztés) 311 jelű: Oxigén-acetilén hegesztés (gázhegesztés) 2.1. Fogyóelektródás ívhegesztés bevont elektródával A 111 jelű eljárás a legáltalánosabban használt ívhegesztő eljárás, melyet a hazai gyakorlatban elfogadottan,,kézi ívhegesztés"-nek vagy "bevont elektródás kézi ívhegesztés"-nek neveznek. A bevont elektródás ívhegesztés nyitott ívű eljárás (ld. 1.6. ábra), vagyis hegesztés közben az ív látható, így a varratképzés folyamatát figyelemmel lehet kísérni. Hőforrása a villamos ívben koncentrált nagy energia. Az ív hőmérséklete 4000-5000 OK nagyságú. A varratot a hő hatására megolvadó alapanyagszélek és az elektróda anyagának egybeolvadása létesíti. Az eljárás egyszeru elvi elrendezését a 2.1. ábra vázlata mutatja. A hegesztéshez szükséges egy megfelelő áramforrás (Á), az áramvezető kábelek, a csatlakozó elemek és az elektródafogó. munkaklíbel (hegesztóktíb el) 2.1. ábra Bevont elektródás kézi ívhegesztés elvi vázlata = bevont elektróda Áramforrásként meredeken eső statikus karakterisztikával rendelkező (ld. 2.1.2. pont) hegesztő generátor, egyenirányító vagy transzformátor használható. Ezen áramforrások közös jellemzője, hogy a hegesztéshez szükséges áramerősség beállításával a feszültség adódik, tehát csak egy paramétert, az áramerősségetkell beállítani. Az áramforrásokat az 22
elektródafogóval hajlékony, jól szigetelt rézkábel köti össze, melyek vegel keményforrasztással rögzítettek. A kábel sodrott (többeres, hajlékony) keresztmetszetét a tartósan megengedett áramerősségfigyelembevételével kell megválaszta1ú (pl. 100 + 350 A áramerősséghez 25 + 150 mm z kábelkeresztmetszet szükséges). Az elektródafogó feladata az áramforrás áramát a legkisebb veszteséggel továbbítani az elektródára. Az elektródafogó elektródával érintkező részét az átmeneti ellenállás csökkentésére rézötvözetből készítik, az elektróda megfogására rugós vagy emelő rendszerű kézi működtetésű szorítást alkalmaznak. Az elektródafogó áramütés ellen szigetelt. A bevont elektródás kézi ívhegesztés széles körű felhasználása almak tulajdonítható, hogy nem kíván bonyolult berendezést, csaknem minden acél és fémötvözet hegesztésére alkalmas elektróda és kipróbált technológia rendelkezésre áll, tetszőleges térbeli helyzetű varratok hossz és vastagság korlátozás nélkül elkészítlletők. Az eljárás nem termelékeny, és a varrat minőségét szubjektív tényezők is igen befolyásoljál(, alkalmazása rohamosan csökken. A hegesztőív fogalma 2.1.1. A hegesztőív villamos jellemzői A hegesztőív szilárd (vagy cseppfolyós) halmazállapotú fémek között gázközegben végbemenő hosszantartó elektromos kisülés. Az ív létrejöhet: -leolvadó fémelektróda és a munkadarab között (kézi hegesztés), -nemleolvadó fémelektróda (volfrám) és a munkadarab között (AWI hegesztés), - leolvadó huzal, vagy szalagelektróda és a munkadarab között (COz védőgázas, ill. fedettívű hegesztés). Az ív éghet: - a bevonatból fejlődő gázok (kézi hegesztés) védelme alatt, - fedőpor (fedettívíí hegesztés) védelme alatt, - semleges védőgáz (pl. argon) (AWI és AFI hegesztés) védelme alatt, - aktiv védőgáz (pl. COz vagy kevert gáz) védelme alatt. A hegesztőív kialakulását, ill. az allyagátmenet folyamatát és kísérő jelenségeit a bevont elektródás kézi ívhegesztés példáján keresztül részletesen tárgyaljul(, s a többi ívhegesztési eljárásnál erre már nem térünk ki. Az ív keletkezése A villalnos ív rendkívül rövid idő alatt képes a fémek olvadáspontjánál nagyobb hőmérsékletet előállítani. A koncentrált hőhatású villamos ív kialakulásában két :fizikai folyamat játszik szerepet, a termikus elektronemisszió és az ütközési iolúzáció. 23
Az tv keltése úgy kezdődik, hogy először az áramkörbe kapcsolt pólusokat rövidre zárják (az elektródát a munkadarabhoz érintik, a feszültség értéke O). Ekkor a zárt áramkörben megindul az áram. A rövidzárási áram a pólusok érintkezési helyén - ahol a legnagyobb az ellenállás - az érintkező fémfelületeket izzásig felhevíti. Ennek hatására létrejön a termikus elektronemisszió, vagyis a negatív pólusból (katód) elektronok lépnek ki és "elektronfelhő" alakjában azt körülveszik. Ha az elektróda kismértékü elhúzása révén az áramkört megszakítják, ezek az elektronok a pólusok közötti feszültségkülönbség hatására igen nagy sebességgel vándorolni kezdenek a pozitív pólus (anód) felé. A nagy sebességgel repülő elektronok útközben a környező levegő vagy egyéb gáz molekuláival ütközve, azokat pozitív (+) és negatív (-) töltésű részekre bontják, vagyis ionizálják. Ez a folyamat az ütközési ionizáció, amelynek révén elegendő számú elektron keletkezik a pólusok közötti térben és így az áramkör nem szakad meg az elektróda elhúzása ellenére sem (ld. 2.2 ábra), tehát az áram fennmarad. 2.2. ábra A villamos ív kat:ffi:'d elektroda i _ I. ~4 ~1 \\ r'~"i@ (negativ pólus) CA) atom, C--) elektron, Az ívben tehát elektron-ionvándorlás megy végbe. Az égő ívben mozgó elektronok óriási sebességgel csapódnak be az anód felületére, a mozgási energiájuk hőenergiává alakul, az anód erősen felhevül (kb. 4200 OC-ra). A pozitív töltésű ionok viszont a katód felületére ütközve fejlesztenek meleget, így a katód is állandó izzásban van (kb. 3600 oc), ami a folyamatos elektronkibocsátáshoz (termikus elektronemisszió) feltétlenül szükséges. A termikus elektronemisszió a katód legmelegebb helyéről indul ki. Az elektronok kilépési helye a katódfolt. Ha a negatív pólus a hegesztőelektródán van, akkor a katódfolt relatíve mindig helyben marad, ha viszont az alapanyagra kötik, akkor az elektróda továbbmozdítása miatt az ionütközés mindig más helyen következik be, a katódfolt tehát vándorolni kényszerül. Ehhez járul még, hogy a nagyobb tömegű alapanyag, az anód, a hőt gyorsabban elvezeti. Ha tehát az előzőhöz viszonyítva fordított a helyzet, és alapanyag a katód, a katódfolt hőmérséklete kisebb, az elektronáramlás gyengébb, az ív könnyen megszakad, beolvadási hibák keletkezhetnek. Egyenáramú áramforrás esetében az elektródák polaritása nem változik, váltakozó áram használatánál azonban a pozitív és negatív pólus helye a periódusszámnak megfelelően kétszeresen cserélődik. Ez azt jelenti, hogy az ív is annyiszor elalszik és újra kigyullad másodpercenként, amennyi a periódusszám. Mivel váltakozó áramnál a polaritás folyton változik, a katód kisebb hőmérsékletű mint az anód, az ionizáció gyengébb, az ív nyugtalan, már csak azért is, mert a feszültség és az áramerősségis állandóan változik. Egyenes polaritásnak nevezik azt a kapcsolást, amikor a negatív pólus (katód) a hegesztőelektródán van. A katódfolt ekkor relatíve helyben marad, tehát az ív stabil. Az egyenáramú egyenes polaritás jele: =/- Fordított polaritásnál az elektróda a pozitív, a negatív pólus az alapanyagra kerül. A katódfolt kisebb hőmérsékletű és vándorolni kényszerül, az ív nyugtalan, könnyen megszakad. Az egyenáramú fordított polaritás jele: =/+ C+) ion 24
Statikus ívjelleggörbe A hegesztőíven keresztül záródik a hegesztőáramkör, és az ív villamos vezetőként viselkedik. Meg kell azonban jegyezni, hogy az ív villamos tulajdonságai sok tekintetben eltérnek a fémvezetők elektromos tulajdonságaitól. Az ívben mért feszültségesés nagysága az ívhossz mentén változik. A viszonyokat vázlatosan a 2.3. ábra muta1ja. A pólusok (anód/katód) közelében a feszültségesés lényegesen nagyobb, mint az ívoszlop középső részében. A katódnál mérhető feszültségesés a katódesés Uk érte'ke - fémelektródák használatát feltételezve - általában 12 + 16 V. Az anódesés nagysága U a = 6 + 10 V. Az ívoszlop belsejében a feszültségváltozás Uo = 2 + 4 V nagyságú. A teljes ívfeszültség a három feszültségesés összege. 8 u Uo Ua "J(-----r--=:t-t-t--y-l- U[V ] 2.3. ábra Az ívfeszültség változása az ív hossza mentén l [mm] Az ívben koncentrált nagy energia az ív talppon1jánál részben hő formájában jelentkezik. Az ívoszlopban a hőmérséklet eloszlása nem egyenletes (az ívoszlop tengelyében, az ún. "plazmacsatornában" a hőmérséklet eléri a 12000 + 15000 OC-ot is), azonban a levegőatmoszférában fémelektródák között égő ív átlagos hőmérsékletének 4000 + 5000 oc értéket lehet tekinteni. Az ív hőmérsékletét befolyásolja az íven átfolyt áram nagysága, valamint az ívatmoszférábanjelenlévőközegek (levegő, védőgáz, fedőpor stb.) is. Ha a hegesztőívben - állandó "1" ívhosszúságot beállítva - mérik az ívfeszültséget, ami különböző nagyságú hegesztőáram átviteléhez szükséges - adódik az ív jelleggörbéje. Az ívjelleggörbe (karakterisztika) tehát az ívben uralkodó feszültség - áramerősség viszonyokat mutatja. Az ív meggyújtásához nagyobb, un. ívgyujtási feszültség szükséges, az égő ív fenntartásához kisebb ívfeszültség is elegendő. Az ív hőtartalmamechanikus eredetű, az elektronok és ionok ütközéséből származik. Ez adja a magyarázatát az ívben uralkodó különleges feszültségviszonyoknak, amelyek a fémes vezetés esetére érvényes Ohm-törvénnyel ellentétesek. Az Ohm-törvény U=I R [V=A n] szerint ugyanis nagyobb áramerősség fenntartásához nagyobb feszültség kell, ezzel szemben az ívnél nagyobb áramerősség esetében az ívfeszültség kisebb. A jelenség magyarázata az, hogy nagyobb áramerősség hatására a katód jobban felmelegszik, ezzel együtt megnő az elektronemisszió és szükségszeruen az ionizáció foka is, ami az ívoszlop vezetőképességének a javulását eredményezi. 25
Az ív ilyen "rendellenes", az Ohm-törvénytől eltérő viselkedése a viszonylag kisebb áramterhelések esetében igaz. Ha az áramterhelés nagy, vagyis az ívoszlop keresztmetszetén nagy áramok folynak, nagy az áramsűrűség i =lia [A/mm 2 J, akkor az ív ellenállása a fémes vezetőhöz hasonlóvá válik. Ennek megfelelőena 2.4. ábrán bemutatott ívjelleggörbén három jellegzetes szakasz található (az ív jelleggörbéje és a hegesztőeljárások is egymással kapcsolatban vannak ): " II I IV aromerosseg ív óromsürüség 2.4. ábra Az ív statikusjelleggörbéje I ív lal i ív IA/llIm 2 l - f. eső szalcaszban a feszültség a növekvő áramerősséggel hiperbolikus fiiggvény szerint csökken. Ez a szakasz nem stabil, nem használjuk, n. közel vízszintes szakaszt alkalmazzuk a kézi, az AWI, és a fedettívű (vastag huzalos) hegesztésekhez, - m. emelkedő szakaszt alkalmazzuk a fogyóelektródás védőgázas és a fedettívű (vékony huzalos) hegesztésekhez. Az ív fenntartásához szükséges feszültség értéke az ív hosszúságától is fiigg: az ív hosszabbodásával arányosan növekszik, rövidülésével - az elektródák anyagától, a környező gázatmoszféra anyagától és nyomásától fiiggően - bizonyos határig csökken. Az ív jelleggörbe tehát növekvő ívhosszúságok esetében (ld. 2.4. ábrán lz > l,) felfelé, csökkenő ívhossznállefelé eltolódik. Az ívhegesztés ömlesztő folyamata A bevontelektródás kézi ívhegesztéskor végbemenő folyamatot a 2.5. ábra szemlélteti. Az ömlesztő folyamat három jellegzetes fázisból tevődik össze: - üresjárat - ívgyújtás (rövidzárás, ívkeltés) - leolvadás, anyagátvitel Az üresjárási állapotban hegesztést még nem végeznek, a hegesztő áramforrás bekapcsolt állapotban, terhelés nélkül üresen jár. Pólusai között mérhető az U ü - üresjárati feszültség, melynek értéke áramforrástól fiiggően 45 + 80 V, és 1=0 [A J. Az ívgyújtási :fiízisban először a hideg munkadarabon a rövidzárás során végbemegy az ívgyújtási folyamat, majd utána az ívkeltés, ami az előmelegedett elektróda végének a munkadarabtól való eltávolítását jelenti a stabil ívhossznak megfelelőtávolságra. 26
Üresjárat Rövidzárlat ívkelms Rövidzárlat ív keltés 1 2 3 4 3 UfVl Uo I----~ l [AJ I- d Iz liv t [S] 2 3: 41 3 : 4l 3 14: t[sl 2.5. ábra A bevont elektródás kézi ívhegesztés ömlesztőfolyamata egyenes polaritásnál A rövidzáráskor a feszültség nullára esik le, az áramerősség hirtelen megnövekszik. Először felveszi legnagyobb ld értékét, de az áramforrás dinamikus tulajdonságának megfelelően igen hamar lecsökken a tartós rövidzárási áramerősség értékére lz-re. Eközben a katód és az anód hőmérséklete gyorsan emelkedik olyan nagyságúra, amely az elektronemisszióhoz szükséges (felső határ az acélolvadáspontja). Az ívkeltés során az előmelegedett elektródát eltávolítjuk az alapanyagtól a stabil ívhossznak megfelelő távolságra, mely általában az elektróda átmérőnek felel meg, de pl. bázikus bevonatú kézi ívhegesztő elektródánál annak a fele. Az ívkeltés fázisában az áramerősség lecsökken a beáuításnak megfelelő értékre, mely az elektróda átmérőtől, a bevonat típusától ( pl. bázikus, savas, rutilos, ld. később ), a polaritástól stb. fiiggően lív = SO + 300 A. Az ívfeszültség az ívjelleggörbének megfelelő U ív = 20 + 35 V értéket veszi fel. Az ömlesztő folyamatnak ebben, a harmadik fázisában több hatás is jelentkezik egyidőben. A villamos ívnek, mint koncentrált hőforrásnak a hatására forró, hígfolyós hegfiirdő keletkezik az anyag felületén az anódfolt körül, és az elektróda csúcsa is megolvad. Az elektróda csúcsán megolvadt anyagrészre hat a felszíni feszültség, amely a megolvadt részt gömbösre alakítja és a maghuzalhoz tapasztja. A túlhevült cseppben fejlődő gázok és a hegesztési helyzettől fiiggő gravitációs erő annak anyagát a maghuzal 27
végéről leszakítani törekednek. Az elektródán átfolyó hegesztő áram a huzal körül mágneses teret létesít, melynek erővonalairövidülni igyekeznek, a megolvadt cseppanyagot elvékonyítják és az elektróda hegyéről el akarják távolítani. Ezt a hatást nevezik Pinch-effiktusnak (pinch = angolul szűkítés). Jelentős szerepe van a fémátvitelben a gravitációs erőn (súlyerőn) kívül a csepp és a munkadarab közötti tömegvonzásból származó erőnek, ill. a bevonatból és a túlhevítésből származó gázerőknek is. A gázerők különösen a kényszerhelyzetben végzett hegesztéskor kedvezőek, segítik a fém ömledékbe águtását. A leolvadás, a cseppre ható többféle erő eredményeként finom, permetszerű vagy durva nagycseppes lehet. A kialakuló cseppek az ívet kioltják, s rövidzárlat keletkezik, valahányszor egy-egy csepp leolvad. Az ívhegesztés ömlesztő folyamatában tehát rövidzárlat - ívkeltés - leolvadás folyamatok váltják egymást. A bázikus bevonatú elektródával végzett hegesztésnél, pl. a rövidzárlati idő kb. los, az ívégés ideje 200 -;. 300 s. Mágneses fúvóhatás A hegesztőív oszlopa mozgó áramvezető, amelynek alakja és helyzete a mágneses mező(tér) hatására megváltozhat. Az ívoszlop és a hegesztő áramkör mágneses terének kölcsönhatása, az ív környezetében lévő erővonalak eltérő sűrűsége következtében kitéríti az ívoszlopot az elektróda tengelyvonalából. Ezt a jelenséget nevezzük mágneses fúvóhatásnak. (2.6. ábra) ~. ), 2.6. ábra A mágneses júvóhatás kialakulása A mágneses fúv6hatás egyenárammal végzett hegesztésnél jelentkezik, különösen a varratok végén (2.7. a. ábra), sarokvarratok kezdésénél (2.7. b. ábra), ill. nagyobb anyag II...1 I ~i.~ l.fi /.. I \\ i \.. 'f I vastagodások (2.7. c. ábra) esetén. villamos ívelhajlása (lebegő/instabilív )folytán gyakran keletkeznek hegesztési hibák, pl. egyenetlen varratfelület, szél- A ~~ b, beégés, stb. 3, c, 2.7. ábra A mágneses erővonalak elhelyezkedése 28
A mágneses fúvóhatást csökkenteni lehet: egyenáram helyett váltakozó árammal való hegesztéssel, az áramerősségcsökkentésével, rövid ív tartásával, a fűzések számának növelésével, az elektróda megfelelő irányú bedöntésével (ld. 2.7.a. ábra) az áramvisszavezetőkábel gyakori áthelyezésével (pl. csavaros testkábel-csatlakozó helyett mágneslap alkalmazásával), az áramvisszavezetőkábel kétoldali bekötésével (2.8. ábra) stb. 2.8. ábra Példa a mágnesesfúvóhatás csökkentésére 2.1.2. Ívhegesztő áramforrások A bevontelektródás kézi ívhegesztéshez szükséges energiát villamos áramforrás szolgáltatja. Az ívhegesztő áramforrások olyan energia átalakítók, amelyek a hegesztési feladattól fiiggően egyenáramú vagy váltakozó áramú ív létrehozását és fenntartását folyamatosan biztosítják. A hegesztőív különleges feszültség-, és áramviszonyai, valamint az ívben lezajló anyagátvitel miatt a hegesztő áramforrásoknak különleges igényeket kell kielégíteniük. Az ívhegesztő áramforrásokkal szemben támasztott követelmények technológiai és általános szempontokat tartalmaznak. Technológiai követelmények: - megfelelő áramerősség- és feszültségtartományban működjön, - ne legyen érzékeny rövidzárlatra, hálózati feszültségingadozásra, - az áramerősség széles tartományban fokozatmentesen állítható legyen, - megfelelő dinamikai tuiajdonsággal rendelkezzen. Általános követelmények: - könnyen kezelhető legyen, - jó hatásfokú legyen, - hosszú élettartamú, minimális szervízigényű legyen, - kis mérettel és tömeggel rendelkezzen, - ergonómiai és munkavédelmi szempontból is megfelelő legyen. 29