Argon-védőgázas fogyóelektródos ívhegesztés (AFI)

A röviden AFI-hegesztésnek nevezett eljárás során a hegesztőív a folyamatosan előrehaladó hegesztőhuzal és a munkadarab között ég. A hegesztőhuzalt két görgő tolja előre, amelyeket a huzalelőtoló hajtószerkezete mozgat. A hegesztőhuzalt a hegesztőpisztoly huzalbevezető tömlőjén keresztül vezetik a hegesztés helyére. Az áramot réz érintkezőcső vezeti a huzalhoz (2.54. ábra).
 
                         

                                            2.54. ábra

AFI-hegesztéskor egyenárammal dolgoznak. Legtöbb esetben fordított polaritást alkalmaznak. Más esetben az ív stabilitása csökken, a fröcskölési veszteség pedig növekszik. Az elektródról leváló cseppek mérete és átlaghőmérséklete, az elektródhuzal és a védőgáz minőségének, az áramerősségnek és az ívfeszültségnek a függvénye. A hegesztőívben a fém átvitele a munkadarabra a hegesztőhuzal nagy áramterhelése miatt permetszerűen megy végbe. Permetszerű anyagátvitelkor az ív stabilitása, a varratképzés és a varrat minősége javul.

Az AFI-eljárás gazdaságosabb, mint az AWI-eljárás, mert vele nagyobb hegesztési sebességgel lehet dolgozni. A hegfürdőt argongáz védi a levegő oxidáló hatásától. Hegesztő áramforrásként az áramátalakítók és az egyenirányítók egyformán alkalmasak. Az egyenirányítók közül azok az előnyösek, amelyek a CO2-védőgázas és az AFI-hegesztéshez egyaránt beváltak.

AFI-hegesztéshez zsírtalanított, száraz, tiszta, főleg hántolt felületű, dobra tekercselt huzal használható. A használatosabb huzalátmérők: 0,8; 1,2; 2,0 és 2,4 mm (vastaghuzal hegesztéshez 4,0; 4,8 és 5,6 mm).

Az áramerősség kritikus értéke a folyékony fém felületi feszültségének a függvénye: a felületi feszültséggel arányosan növekszik, ezzel a csepp mérete növekszik. A felületi feszültség az ívatmoszféra összetételével változtatható, pl. az argonhoz nitrogént, illetve hidrogént keverve a hegesztőáram kritikus értéke és a felületi feszültség egyaránt növekszik. Az argonhoz oxigént vagy CO2 gázt keverve mindkettő csökken.

Fogyóelektródos hegesztéskor az egyik legfontosabb feladat az ívhossz állandó értéken tartása. Az ív stabilitása legkedvezőbb a vízszinteshez közelálló statikus jelleggörbéjű áramforrások alkalmazásakor.

CO2 védő gázas fogyóelektródos ívhegesztés

Ezt az eljárást elsősorban ötvözetlen és gyengén ötvözött szerkezeti acélok egyesítésére használják. A CO2 védőgáz alkalmazásakor problémát jelent, hogy a CO2 gáz szénmonoxidra és oxigénre bomlik, ezért jelentős oxidációval kell számolnunk. Az elektródhuzalba ezért dezoxidáló elemeket (mangánt és szilíciumot) kell ötvözni.

A védőgáz áramlási viszonyai lehetővé tehetik a levegő bejutását még nyugodt környezetben is, néhány m/s sebességű légmozgás pedig a védőgázt elfújja, ezért a hegesztést védett helyen kell elvégezni.

Egyes kutatók kísérletei szerint a CO2-gázba kevert oxigén ötvözetlen acélok hegesztésekor előnyös lehet a kiégési veszteség növekedése ellenére, mert a nagyobb salakmennyiség szebb felületet eredményez, növeli a beolvadási mélységet és a teljesítményt, csökkenti a fröcskölési veszteséget, csökkenti a varrat nitrogén- és hidrogéntartalmát, csökkenti a varrat melegrepedési hajlamát.

Hidrogén védő gázas ívhegesztés

A hidrogén védőgázas ívhegesztést Langmuir fedezte fel, s a külföldi szóhasználatból átvett kifejezéssel arcatom-hegesztésnek is szokás nevezni.

                             


                                                    2.55. ábra

Az eljárás elvi alapja különbözik a többi védő gázas ívhegesztési eljárástól (2.55. ábra). Az ív két wolfram pálca között ég. Az ív hőmérsékletén a molekuláris hidrogén atomos hidrogénné esik szét, majd pedig a hidegebb részeken az atomos hidrogén ismét molekuláris hidrogénné alakul. Az első folyamat hő fogyasztó, a második pedig hő leadó. A hegesztés tehát tulajdonképpen az atomos hidrogén molekuláris hidrogénné való visszaalakulásakor fejlődő hővel történik. Az arcatom-eljárásban tehát a hőhatás közvetve, az ív hőhatása révén létesül, a hegesztés helyét pedig körülveszi a hidrogén gázatmoszféra.

Az arcatom-hegesztés munkamenete hasonló a gázhegesztéshez. A varrat feltöltéséhez itt is az alapanyaghoz hasonló összetételű hegesztőpálca szükséges. Mivel a hidrogénív erősen redukáló hatású, nemcsak megakadályozza az oxidálódást, hanem a nagyobb karbontartalmú acélok hegesztésekor a karbontartalom csökkenését idézi elő. Kisebb karbontartalmú acélok esetében ez a jelenség nem okoz nehézséget. Ezért általában a szerkezeti anyagokat saját anyagukkal közelítőleg megegyező összetételű hegesztőpálcával szokás hegeszteni. A nagyobb karbontartalmú alapanyag hegesztéséhez azonban az alapanyag karbontartalmánál nagyobb karbontartalmú hegesztőpálcát kell alkalmazni. Az eljárás hátránya az, hogy egyes fémek hegesztésekor a varrat könnyen porózussá válhat. Ennek az az oka, hogy ezek a fémek folyékony állapotukban nagymennyiségű hidrogént képesek oldani. Ezért az eljárás nem alkalmas pl. nikkel vagy nagy nikkeltartalmú króm-nikkel acélok hegesztésére. Alkalmatlan a réz és a rézötvözetek hegesztésére is, mert a technikai minőségű vörösrézben mindig jelenlévő oxigén miatt hidrogénbetegség lép fel.


 
Salakhegesztés

A salakhegesztés a fedett ívű hegesztés függőleges változatából fejlődött ki. A hegesztés mindkét eljárásban ívkeltéssel kezdődik. Fedett ívű hegesztéskor ez az ív folyamatosan ég a fedőporral fedett térben, salakhegesztéskor a fedőpor megolvadását követően az ív kialszik (a salak villamos ellenállása kisebb, mint az ívé). A hegesztő áramkör az elektródhuzalon, a salakfürdőn, a fémfürdőn, ill. az alapanyagon át záródik. Salakhegesztéskor tehát a salakon, mint villamos ellenálláson fejlődő Joule-hő szolgál hőforrásul. Az elektródhuzal és az alapanyag homlokfelületeinek megolvasztását egyaránt a nagy hőmérsékletű salakfürdő biztosítja.
A salakhegesztéshez használt fedőpornak az alábbi tulajdonságokkal kell rendelkeznie: megfelelő villamos ellenállás ill. vezetőképesség, nagy forráspont, minimális gázképződés, mérsékelt ívstabilizáló hatás.
Salakhegesztéskor a fedő porfogyasztás a leolvasztott elektródfém tömegének kb. 5%-a. Ebből következik, hogy a fedőpor megolvasztására fordított hőenergia kedvezően kicsi, viszont ezzel párhuzamosan kedvezőtlenül csökken az ötvözés lehetősége is.
A hegesztendő tárgy vastagságától függően a hegesztő berendezés kétféle lehet:
álló helyzetű, egy (kör keresztmetszetű) elektródos berendezés (2.56/a. ábra), 
lengetett, három (kör keresztmetszetű) elektródos berendezés (2.56/b. ábra).

                   


2.56. ábra1 elektródahuzal, 2 huzaladagoló görgők, 3 áramvezető, 4 összekötendő lemezek, 5 vízzel hűtött csúszó rézzsaluk, 6 salakfürdő, 7 fémfürdő, 8 hegvarrat. 


A salakhegesztő berendezések egy része alkalmas szalagelektród leolvasztására is. A salak- és fémfürdő elfolyását az összekötésre kerülő munkadarabok felületéhez szorított, vízhűtéses csúszó rézzsalukkal akadályozzák meg. Salakhegesztéssel függőleges, vagy a függőlegestől maximum 30°-kal eltérő dőlésszögű tárgyak hegeszthetők. Alkalmas ez a módszer továbbá a hegesztőfej alatt forgathatóan elhelyezett hengeres tárgyak varratainak egyetlen rétegben való elkészítésére.

Salakhegesztéskor a hevítés és a hűtés sebessége két nagyságrenddel kisebb, mint ívhegesztéskor, így az edződés veszélye erősen csökken, a szemcsedurvulás veszélye viszont növekszik. A hegvarrat kívánt kémiai összetételét (ötvözését) ötvözött elektródhuzallal lehet biztosítani. A nagytömegű hegfürdő lassú dermedése elősegíti a nemfémes anyagok és gázok kiválását a folyékony fémből, ezáltal nagyon tiszta, nagy képlékenységű, szívós hegvarratot lehet előállítani.

A salakhegesztés fajlagos energiafelhasználása nagyon kedvező, a leolvasztási tényező kb. kétszer akkora, mint a fedettívű hegesztéskor. További előny, hogy a lemezeket nem kell leélezni, az illesztési hézag az anyagvastagságtól függetlenül 20-30 mm közé választható, így lényegesen csökken az elektródhuzal felhasználása.

Az elektrosalakos hegesztési technológia kötő- és felrakó hegesztésre egyaránt alkalmas. Kovácsolt, hengerelt és öntött darabok egymás között különösebb nehézség nélkül egyesíthetők.


 
Elektronsugaras hegesztés

Az elektronsugaras hegesztés alapja: a mintegy 105 km/s sebességre gyorsított elektronok ütközésekor (lefékezésekor) a kinetikai energia hővé alakul, és helyileg megolvasztja a munkadarabot. Az ilyen nagy sebesség eléréséhez az elektronokat 10-2...10-3 Pa nyomású légritkított térben 20...150 kV feszültséggel gyorsítják.

                          


                                       2.57. ábra

A hegesztő berendezés elvi vázlatát a 2.57. ábra szemlélteti. A termikus elektronemissziót az izzó 1 wolfram katód szolgáltatja, amelyet 2 gyűrűs kiképzésű elektród vesz körül. Ez alatt helyezkedik el a központi furattal ellátott 3 tárcsaszerű anód. A gyűrűs katód feladata a 4 elektronsugár szabályozása és modulálása az impulzusgenerátor által szolgáltatott nagyfeszültséggel. A katód és az anód közötti nagy feszültség az elektronokat gyorsítja, az egyenárammal táplált 5 szabályozó tekercsek mágneses tere a sugarat az elektronágyú tengelyének az irányába tereli. A 6 diafragma formálja, a 7 mágneslencse a 8 munkadarab felületére koncentrálja az elektronsugarat. A 9 eltérítő tekerccsel az elektronsugár a munkadarab felületén elmozdítható. A munkadarabot a villanymotorral hajtott 10 asztalra lehet felerősíteni. Az elektronsugár átmérője 2...0,002 mm, a fajlagos teljesítmény 0,15...0,5 kW/mm2 között változtatható.

Ilyen nagyságrendű energiakoncentráció hatására a hevített pont hőmérséklete elérheti az anyag forráspontját. Ezt használják ki pl. a zafír, a rubin, a gyémánt és a keményüveg fúrására. Az elhanyagolható méretű keskeny hőhatásövezet miatt kedvezően alakul a munkadarab elhúzódása. A nagy energiasűrűség keskeny és mély varratok előállítását teszi lehetővé. Az elektronsugaras hegesztés gyakorlatilag minden anyag egyesítésére alkalmas, beleértve a különleges anyagokat és azok tetszés szerinti párosítását is.


 
Lézersugaras hegesztés

A lézersugaras hegesztéshez szilárdtest-lézereket alkalmaznak. A lézerek működési elve az anyagok felépítésének kvantummechanikai modelljével magyarázható. A szilárdtest-lézer olyan fényforrás, amely nagy energiájú fényimpulzusokat bocsát ki. A lézerhatás úgy jelentkezik, hogy a nagy intenzitású fény formájában kapott energiát a rubin rezonátorba sugározzák, a besugárzott fény egy csekély részét a rezonátor egy rövid időre elnyeli, és nagy energiájú impulzusként újra kisugározza. A klasszikus szilárdtest-lézer rubinkristályos lézer, amelyben a rubin krómot is tartalmazó alumíniumoxid kristály. A króm aránya 1 :1000.

                    


                                             2.58. ábra

A lézersugaras hegesztő berendezés elvi működését a 2.58. ábra szemlélteti. Az energiát kondenzátortelep szolgáltatja. A lézer magva a rubinkristály rezonátor. A villanólámpa csiga vagy rúd alakú. A hatásfok növelésére a lézert hűteni kell (levegővel, vízzel, folyékony nitrogénnel). A rezonátorból kilépő lézersugarat optikailag igen kis átmérőre fókuszolják, ezzel válik nagy intenzitásúvá, így gyakorlatilag minden fém megömleszthető. A megömlesztett felületi réteg hőmérséklete nem haladhatja meg a hegesztett fém forráspontját, ami a legtöbb esetben 105...106 W/cm2 teljesítménysűrűséggel érhető el, tehát messze a lézerrel elérhető maximum alatt. Ha az intenzitás túl naggyá válik, akkor hegesztés helyett fúrás jön létre. A különféle hegesztési eljárások teljesítmény sűrűségének az összehasonlítását tartalmazza a 2.59. ábra.
         
 

2.59. ábra1 ívhegesztés, 2 CO2-védőgázas hegesztés, 3 plazmaív-hegesztés, 4 elektronsugár-hegesztés, 5 lézerhegesztés


A lézerberendezés az energia átalakítóból, az áramelosztóból, a kondenzátorokkal ellátott asztalból és a sztereoszkopikus mikroszkópból áll (2.60. ábra). Az 1 fénykamra belsejében található a 2 rubinkristály. A kristállyal párhuzamosan helyezkedik el a 3 impulzuslámpa, amelynek a végéhez nagyfeszültséget kapcsolnak. A fénykamra belsejének felülete polírozott, így fényvisszaverő. A rubinkristályt a kamrába juttatott sűrített levegővel hűtik. A rubinkristály által kibocsátott sugár formálását, és a hegesztés helyére irányítását szolgáló optikai rendszer a 4 prizmából, lencsékből és 5 cserélhető objektívekből áll. A sugár irányítását speciális optikai berendezés segíti, amely 6 fényforrásból, 7 prizmából és 8 kondenzátor lencséből áll. A 9 sztereoszkopikus mikroszkóp a hegesztési hely szemmel követésére szolgál. A 10 zárszerkezet a hegesztő szemét védi, mivel a fényimpulzus idejére az elektromágnes a szemlencsét automatikusan elfedi.

                
                                                  2.60. ábra



A lézersugaras hegesztés elsősorban vékonyabb anyagok hegesztésére alkalmas, főleg ponthegesztésre, vagy pontsorok készítésére. Nagy előny, hogy a hegesztőkészülék és a munkadarab között nincs szükség közvetlen érintkezésre, ezért a lézerhegesztés jól használható ott, ahol a mechanikus alakváltozásokat vagy a kémiai szennyeződéseket mindenáron el kell kerülni.

Lézerhegesztéskor 10...100-szor nagyobb a megömlött fém dermedési sebessége, mint más hegesztési eljárásnál. A fémek szemcseszerkezetük szerint különbözőképpen reagálnak erre a rendkívül gyors dermedésre. Az alumínium-ötvözetek, a wolfram és a molibdén például hajlamos a repedésre. A lézerhegesztés alapesetei a huzal-huzal, huzal-lemez és a lemez-lemez kötések. Ezért termoelemek, tranzisztorok, vezetéklapok, szigetelt huzalok, relétekercsek, elektronikus érzékelők stb. hegesztéséhez jól alkalmazható.


 
Plazmasugaras hegesztés

A plazmasugár nagy energiatartalmú ionizált elemi részecskék áram. A hegesztésen kívül vágáshoz, felületbevonáshoz és hőkezeléshez használható. A plazmasugarat a 2.61. ábrán vázolt fúvókában állítják elő. A plazmasugár kialakulásának előfeltétele a villamos ív, amely a pisztoly szerkezeti kialakításától függően keletkezhet a wolfram-katód és az anódként kapcsolt munkadarab között (a) ábra), vagy a wolfram-katód és az anódként kialakított fúvóka között (b) ábra).

                            


                                                2.61. ábra

Plazmasugár akkor keletkezik, ha a villamos ívet normál állapotához képest egy lényegesen szűkebb csatornán, a fúvókán való áthaladásra kényszerítjük. A plazmaképző és a vágógáz molekulái az ív hőhatására disszociálnak, az atomok külső elektronhéjáról elektronok szakadnak le, azaz a gáz ionizálódik. A gáz hevítésére, disszociációjára és ionizációjára fordított igen jelentős hőmennyiség a visszaalakulás (rekombináció) során ismét felszabadul. A gázok előbb említett változásait térfoga tnövekedés, ill. ennek hiányában nyomásnövekedés kíséri. Mivel a fúvókában a térfogat nem növelhető, a nyomásnövekedés a plazmasugarat a vízzel hűtött fúvókán át, a hangsebességet meghaladó sebességű áramlásra kényszeríti. A plazmasugár hőmérséklete 10000...30000 °C között változhat. Plazmasugár létesítéséhez semleges és aktív gázokat használnak (pl. Ar, Ar + H2, Ar + N2, H2 + N2, levegő).

A plazmahegesztés és az AWI-hegesztés között ez idő szerint nem lehet éles határvonalat húzni. Vannak ugyanis olyan automatikus AWI-hegesztőégők, amelyek beszűkített ívvel dolgoznak. Az AWI-hegesztéshez használt áramforrások és kapcsolók használatosak a plazmahegesztéshez is. A plazmahegesztés általában ugyanolyan feladatok megoldására alkalmas, mint az AWI-hegesztés, néhány esetben azonban kedvezőbb, főleg csövek hegesztésekor. Nagyon jól bevált a nemrozsdásodó acélok hegesztésére. Kötő- és felrakóhegesztésre egyaránt alkalmas. A plazmasugár előnyösen használható fémporok felrakbhegesztésekor (pl. wolframkarbid és más nagy olvadáspontú ötvözetek), mivel kis rétegvastagság mellett közel nullára csökkenthető a felrakott rétegben az alapanyag hányada.

A plazmasugár további felhasználási területe a fémszórás (bevonatolás) és a fémgőzölés (vékonyréteg technika).

Plazmavágáskor az anyag megolvasztását, részbeni elgőzölögtetését és az olvadt anyag eltávolítását a nagyhőmérsékletű és nagysebességű gázsugár végzi. Plazmasugárral a legkülönfélébb fémek és ötvözeteik, valamint nemfémes anyagok is vághatók. Az átvágható vastagság elsősorban az anyag minőségének és a berendezés teljesítményének a függvénye.
Az AWI-hegesztéssel ellentétben plazmaív-hegesztéskor az ív alakja megközelítően hengeres. Ezáltal az áramsűrűség a távolság megváltozásakor is állandó marad, tehát a plazmahegesztés kevésbé érzékeny a pisztolytávolság változásra, mint az AWI-hegesztés.
Plazmasugárral 104...105 W/cm2 teljesítménysűrűség érhető el. A hengeres alakú, szűkített ív a munkadarabot keresztülszúrja. A felolvasztott anyagot az ív mozgási energiája félrenyomja, így egy kis átmérőjű lyuk keletkezik, amely a hegesztés továbbhaladásával együtt vándorol. A folyékony fém a felületi feszültség hatására a plazmaív mögött ismét összezárul, és varratot alkot. Ezt a jelenséget nevezik kulcslyuk-hatásnak. A plazmaív mozgási energiájának akkorának kell lennie, hogy az átlyukasztás megtörténjék, de a megömlesztett anyag ne sodródjék ki a hézagból. Ha a hegesztés gyökében anyag csepeg le, a varrat szabálytalan lesz.

A plazmahegesztés előnyei más hegesztési eljárásokkal szemben:
a megnövelt energiakoncentráció következtében a hő bevitel kevesebb, ezért vékony lemezek hegesztésekor kisebb lesz a vetemedés, csökken a hegesztés utáni egyengetési munka; 
a nagy energiakoncentráció miatt a varratszélesség-varratmélység viszonya kisebb, mint más eljárások esetén; 
a plazmaív majdnem hengeres alakjának a következményeként jó az ívstabilitás, ezért pontatlanul illesztett darabok is jól hegeszthetők. Az alaplyuk létrejötte lehetővé teszi 13 mm vastag lemezek tompaillesztésű egyoldalú hegesztését; 
a kulcslyukhatás lehetővé teszi az áthegesztés és a gyökkialakítás egyértelmű ellenőrzését; 
a kulcslyukhatás következményeként olyan kötésfajták készíthetők, amelyek más ívhegesztési eljárással nem lehetségesek; 
a plazmaív-hegesztés sebessége az AWI-hegesztésénél nagyobb; 
ha jól illeszthetők a hegesztendő lemezek, a nagy hő tágulású anyagok (króm-nikkelacél) hegesztőanyag nélkül hegeszthetők.

Más hegesztési eljárásokkal szembeni hátrányaként a nagyobb berendezési költségeket kell megemlíteni.

---

Oldal: Hegesztés III
Gépészeti k ö t é s e k - © 2008 - 2024 - gepeszet.hupont.hu

A Hupont.hu weboldal szerkesztő segítségével készült. Itt Önnek is lehetséges a weboldal készítés.

ÁSZF | Adatvédelmi Nyilatkozat