balogh andrás - Ömlesztő hegesztő eljárások

Balogh A: Bevezetés 0 / 1

BEVEZETÉS

Az alkatrészek összekötésére ma rendelkezésünkre álló erő-, alak- és anyagzáró tech-nológiák közül a lágyforrasztás és a keményforrasztás ötezer éves történetével szembena hegesztés mindössze 100…150 éves múltra tekinthet vissza. Ezalatt az idő alatt azon-ban a hegesztés olyan viharos fejlődésen ment keresztül, hogy mára már az elsőszámúkötéstechnológiává nőtte ki magát.

A hegesztés valamilyen formában a feldolgozott acéltermékek 70…80 százalékátérinti, emellett egyre nagyobb részarányt képvisel a hegesztéssel gyártott könnyű és szí-nesfémtermékek mennyisége is. A műanyagok hegesztése ma már sok szempontból azalapanyagokkal egyenértékű minőséggel végezhető, sőt ma már a nem-kristályos kerá-miák (üvegek) mellett az iparilag fontosa kristályos mérnöki kerámiák hegesztésére ismegtörténtek az első sikeres lépések. Hasonló a helyzet napjaink anyagával, akompozitokkal is, amelyek feldolgozása hegesztés nélkül sok esetben elképzelhetetlen.

A hegesztés felhasználásorientált fejlődése a tömegtermelésben, a közép- és kissoro-zatokban és az egyedi gyártásban egyaránt jól alkalmazható ömlesztőhegesztések elsőd-legességét hozta magával. Bár az 1960-as években a lézersugárhegesztéssel befejeződötta közismert hegesztő eljárások felfedezése és ipari technológiává fejlesztése, az azótaeltelt évekre jellemző anyagtudományi, elektronikai, elektrotechnikai, vegyipari ésgyártástechnológiai fejlesztések, de különösen a processzortechnika (numerical control)forradalma az ismert ömlesztőhegesztő eljárások előzmény nélkülien gyors, minőségifejlődését hozta magával.

A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén a hegesztés oktatása éskutatása az első tanszékvezető, Zorkóczy Béla professzor nevével kapcsolható össze, akiidejekorán felismerte a hegesztés dinamizmusában rejlő lehetőségeket és a hegesztés ok-tatás megszervezése és oktatási színvonalának emelése mellett nagy figyelmet szenteltaz általa is magas szinten művelt metallográfia alapú elméleti kutatásoknak, ami ahegesztéselméletben az 1950-es évek végén még világszerte új koncepciónak számított.Zorkóczy professzor volt a megteremtője a magyar posztgraduális hegesztésoktatásnakis, amikor 1961-ben beindította az első magyar szakmérnök-képzést Miskolcon. A he-gesztő szakmérnöki oktatás nemzetközi elismerése az 1990-es évekre tehető, amikor(először osztrák közreműködéssel, később már önállóan) beindult és ma is folyik azeuróhegesztőmérnökök (EWE) képzése. A hallgatóknak nyújtott európai diploma idő-közben túlnőtte Európát és mára már az egész világra érvényes, ún. InternationalWelding Engineeer, IWE) diplomát ad hallgatóinak. A hegesztés rangjának elismerésétjelentette, hogy a tanszék második vezetője, professzor emeritus Romváry Pál tudomá-nyos fokozatát a hegesztés terén szerezte és utána hosszú éveken át a hegesztő közéletaktív szereplőjeként tevékenykedett.

Ez a jegyzet az EWE, IWE kurzus Ömlesztő hegesztő eljárások című tárgyához ké-szült. A tárgy alaptárgy, a szakmérnöki képzés első félévében szerepel, meglehetősennagy óraterjedelemben. Ez a relatíve nagy óraszám sem teszi azonban lehetővé, hogy atárgykör minden jelentős összefüggésére élő előadás keretében rá lehessen mutatni. Sokmás egyéb szempont mellett ez is szükségessé teszi, hogy a hallgatók az óravázlaton

Balogh A: Bevezetés 0 / 2

túlmutató, célszerűen összeválogatott anyagú és tudatosan szerkesztett jegyzetet kapja-nak kézhez. A jegyzet elolvasása nem pótolja az előadásokon való aktív részvételt, deahhoz háttéranyagként és bővítésként szolgálva jól kiegészíti azt. Megírásakor legaláb-bis ez volt a szerző elsődleges szempontja és fő törekvése.

Az Ömlesztő hegesztő eljárások c. jegyzet egy nagyobb lélegzetű Hegesztés tankönyvrészének tekinthető, ezért fejezeteinek számozása nem folytonos. A jegyzet azokat a fe-jezeteket tartalmazza, amelyek a hegesztő szakmérnöki oktatás tematikája ebben atárgykörben előír. Ezek a következők.

1. fejezet: A hegesztés, mint nemoldható kötőeljárás2. fejezet: A hegesztés energiaforrásai7. fejezet: Nemolvadó (W) elektródos ívhegesztő eljárások8. fejezet: Plazmaívhegesztés9. fejezet: Bevontelektródás kézi ívhegesztés11. fejezet: Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés12. fejezet: Fedettívű hegesztés15. fejezet: Villamos salakhegesztés16. fejezet: Lánghegesztés

A jegyzet a technika nyújtotta lehetőségeket kihasználva, a nyomdai előállítás hosszúátfutását lerövidítve elektronikus adathordozón, CD lemezen jut el az olvasóhoz. Ajegyzet a kompatibilitás és a minél problémamentesebb szövegmegjelenítés érdekébenáltalános printelhető formátumban, pdf kiterjesztéssel került a lemezre. A szövegszer-kesztés az MS Office '97 Word-jével, a táblázatok ugyanennek a programcsomagnak azExcel-jével készültek. Valamennyi ábra a szerző által rajzolt, vagy szerkesztett és wmfkiterjesztéssel, MS kompatibilisen kerültek a szövegbe. A jegyzet szkennelt ábrátegyáltalán nem tartalmaz, ami a szerzői jogvédelmen túlmenően tömörítés nélkül is mi-nimális terjedelmet tesz lehetővé.

A jegyzetmegírás segítéséért és anyagi támogatásáért köszönetet mondok dr. TiszaMiklós egyetemi tanárnak, a Mechanikai Technológiai Tanszék vezetőjének és dr. Ko-mócsin Mihály egyetemi docensnek, a hegesztő szakmérnökképzés kari és tanszéki fele-lősének. Hasznos tanácsaikért, segítségükért és jobbító szándékú kritikai észrevé-teleikért köszönet illeti a tanszék Hegesztő Szakcsoportjának eddig még nem említetttagjait: dr. Béres Lajos egyetemi docenst, dr. Pirkó József egyetemi docenst, dr. SzékelyFerenc egyetemi adjunktust és dr. Török Imre egyetemi docenst.

Szakmérnökhallgatóimnak és minden kedves olvasómnak hatékony és eredményestanulást kívánok, egyúttal arra kérem őket, hogy kritikai észrevételeikkel és egyéb ja-vaslataikkal keressenek meg személyesen, vagy juttassák el hozzám észrevételeiket le-vélben, faxon, telefonon vagy leginkább a [email protected] internet címen.

Miskolc, 2001. november 30.

Dr. Balogh Andrásokl. hegesztő szakmérnök, EWE, egyetemi docens

Balogh A.: A hegesztés, mint nemoldható kötőeljárás 1/1

1. A HEGESZTÉS, MINT NEMOLDHATÓ KÖ-TŐELJÁRÁS

A hegesztés a kötéstechnológiák egyike, a szokásos felosztásban a nem oldható kö-tőeljárások közé tartozik. A hegesztés célja két vagy több elem összekötése a lehető leg-nagyobb kötésszilárdság elérése céljából.

A hegesztés definiálása a hegesztő eljárások sokszínűsége miatt nem egyszerű. A maismert egyik legáltalánosabb definíció (amely az American Welding Society-től szárma-zik) a következő:

A hegesztés olyan oldhatatlan kötőeljárás, amelynek során a fémes vagy nemfémesanyagok elemi részeinek egyesítése megfelelő hőmérsékletre való hevítéssel történik,nyomás alkalmazásával, vagy anélkül, vagy csak nyomás alkalmazásával hevítés nélkül,hozaganyag felhasználásával, vagy anélkül.

A definícióban néhány (dőlt betűs szedéssel) megjelölt fontos kulcsszó szerepel,amelyek a hegesztés lényegére mutatnak rá.

1. A hegesztés oldhatatlan kötést eredményezA hegesztett kötés csak roncsolással szüntethető meg, reverzibilis oldás, mint pl. acsavarkötésnél, nem lehetséges.

2. A hegesztés fémes vagy nemfémes anyagoknál egyaránt létrehozhatóA hegesztés nem kapcsolható csak a fémekhez, a további anyagcsoportok (polimerek,kerámiák, kompozitok) tagjai a csoporton belül, sőt gyakran a csoportok között is he-geszthetők. Az elméleti hegeszthetőség gyakorlati megvalósíthatósága (technológiaihegeszthetőség) ugyanakkor az egyes anyagcsoportoknál különböző nehézségű.

3. A hegesztés az anyagok elemi részei között teremt kapcsolatot.A kapcsolat megfelel annak az elemi részek közötti folytonosságteremtő kapcsolat-nak, amely az alapanyag nem hegesztett részein belül létezik (1.1. táblázat).

Anyag Elemi rész Kötés

Fém (ötvözet) Atom Fémes kötés

Polimer Molekula Atomos vagy molekula kötés

Kerámia Vegyület Ionos és/vagy kovalens kötés

Kompozit Előbbi három Mátrixnak megfelelő kötés

1.1. táblázat. Különböző anyagféleségek elemi részei és ezek kapcsolatai

4. A megfelelő hőmérsékletA hegesztési folyamat maximális hőmérséklete erősen eltérő lehet az egyes anyagok-nál, sőt egy anyagcsoporton belül is. Fémeknél, vagy fém-mátrixú kompozitoknál amegfelelő hőmérséklet az anyagok megolvasztását is jelentheti, míg más esetekbenaz elemi részek kapcsolata szilárd állapotban is létrehozható. Az utóbbi esetben amegfelelő hőmérséklet az abszolút nulla foktól az olvadáspontig (likvidusz-


hőmérsékletig) terjed, és a hevítés szerepe csak az alakítási erőszükséglet csökken-tése.

5. Nyomás alkalmazásaA nyomás az összehegesztendő elemek alakításához szükséges a felületi szennyező-dés eltávolítása, az elemi részek közelítése és a rácselemek közötti megfelelő orien-táció biztosítása érdekében.

6. Hozaganyag felhasználásaA hozaganyag az összehegesztendő anyagokhoz adott, célszerűen megválasztott har-madik anyagféleség, amely rendszerint az alapanyagokkal azonos csoportba tartozik,de egyes esetekben attól eltérő is lehet. Ha hegesztéshez hozaganyagot használnak, az(ritka kivételektől eltekintve) a hegesztési folyamatban megolvad, és az alapanyagokolvadékával keveredik.

1.1. A hegesztés történeteA hegesztés viszonylag fiatal technológia, aminek az a magyarázata, hogy a szüksé-

ges koncentrált, nagy hőáramsűrűségű hőforrások a múlt század végéig nem álltak ren-delkezésre. A lágy- és keményforrasztás, mint rokontechnológia azonban már ie. 4000-3000 körül ismert volt, amit az ötvösök által készített ékszer- fegyver- éshasználatitárgy-leletek bizonyítanak.

A hegesztés fejlődése a villamosság megismerésével és az oxi-acetilén gázégő meg-alkotásával vált megalapozottá. A nagy fejlesztési eredményeket a világháborúk kény-szere és az 1960-as, 1970-es évek ipari-technikai forradalma hozta magával. Az utolsótíz évben a mikroelektronika és az informatika a hegesztőgépeket a szerszámgépekkelazonos fejlettségi szintre emelte.

A hegesztés ma a világ acéltermelésének több mint a felét érinti, ezért erre a területrehatalmas pénz- és szellemi erőforrások koncentrálódtak. A tőkebefektetések és az egyreújabb kihívásoknak megfelelni kívánó fejlesztés a garancia arra, hogy a hegesztés, mintfontos technológia továbbra is az élvonalban maradjon.

A hegesztés az egyedi gyártástól kezdve a tömeggyártásig, a civil termékektől a hadi-iparig és a termelőeszkőzöktől a fogyasztási cikkekig minden területen megtalálható. Ahegesztett termékek mérete a mikrométeres tartománytól (mikroelektronika) a többszázméteresig (repülőgép hordozó, tankhajó, offshore technika) terjed. Ma már az acélmellett a nemvasfémeket és a nemfémes anyagokat is hegesztik és ez utóbbi területentovábbi rohamos fejlődés várható.

A hegesztés fejlődését jellemző fontos dátumok és időpontok az 1.1. táblázatban ta-lálhatók.

1.2. A hegesztés osztályozásaA definícióból levezethetően a hegesztésnek két nagy csoportja létezik: a külső erő-

hatás alkalmazása nélkül, az alapanyagok megolvasztásával készített ömlesztőhegesztésés az erőhatással készített ún. sajtolóhegesztés.

A sajtolóhegesztés hevítés nélkül, vagy hevítéssel kombinálva végezhető. A lényegesmegkülönböztetés a csoporton belül annak figyelembevételével történhet, hogy az anyaghegesztés közben megolvad, vagy mindvégig szilárd fázisú marad. A hegesztés csopor-tosítását az 1.2. táblázat foglalja össze.


Év Fontos esemény a hegesztéstörténetben

1849 Első szabadalom az ívhegesztésre (Staite)

1877 Villamos ellenálláshegesztés (Thomson)

1885 Karbonelektródos ívhegesztés (Benardos)

1891 Csupaszelektródás ívhegesztés (Slavianow)

1895 Termithegesztés (Goldschmidt)

1902 Lánghegesztés acetilénnel (Fouche)

1904 Első szabadalom a bevontelektródás ívhegesztésre (Kjellberg)

1919 Első védőgázas ívhegesztés (Roberts, van Nuys)

1925 Hidrogén védőgázas ívhegesztés (Langmuir)

1926 Aktív védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés (Alexander)

1930 Első szabadalom fedettívű hegesztésre (Robinoff, Paine, Quillen)

1936 Hélium védőgázas ívhegesztés

1951 Villamos salakhegesztés (Paton Intézet)

1953 (CO2) védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés ipari alkalmazása

1956 Dörzshegesztés (Chudikow)

1957 Elektronsugaras és ultrahangos hegesztés

1958 Plazmaíves hegesztés

1961 Lézersugárhegesztés

1969 Első hegesztés a világűrben

1980 Robotizált hegesztés

1.1. táblázat. A hegesztéstörténet fontos dátumai és eseményei

Hegesztési fő-csoport

Hegesztésialcsoport

Külsősajtolóerő

Helyi hevítés maximális hő-mérséklete

Ömlesztő − Nincs Olvadáspontot meghaladja

Szilárd fázisúsajtolóhegesztés Van Olvadáspontot nem éri el

Sajtoló Folyékony fázisúsajtolóhegesztés Van Olvadáspontot meghaladja

1.2. táblázat. A hegesztés csoportosítása

A hegesztés 1.2. táblázatban bemutatott osztályozását az 1.1. ábrán Fs-T diagram-ban szemléltetjük. A sajtolóhegesztés az alapanyagok (hideg, félmeleg vagy meleg)képlékeny alakítására épül, ezért a képlékeny alakításhoz szükséges sajtolóerő nagyságaaz anyag hőmérséklettel változó alakítási szilárdságától (kf) és a hegesztendő kereszt-metszettől (Ah) függ:


F k T As f h= ⋅( ) , (1.1.)

ahol: Fs N sajtolóerő,kf MPa alakítási szilárdság,T °C hőmérséklet,Ah mm2 hegesztendő keresztmetszet.

Egységnyi keresztmetszetválasztással a sajtolóerő hőmérsékletfüggése a kf(T) függ-vény menetét követi. Az ábrából látható, hogy a hőmérséklet növelésével a sajtolóerő-szükséglet erőteljesen csökken. A szilárd fázisú sajtolóhegesztések legkedvezőbb hő-mérsékletintervalluma első közelítésben megegyezik az alapanyagok melegalakításihőközével (acéloknál 1000…1300 °C).

FskN

T, oCTolv

Folyékonyfázisú(ömlesztõ)hegesztések

Szilárd fázisúhegesztések

0

Hegesztésnem

lehetséges

Ömlesztõhegesztések

Folyékonyfázisú sajtolóhegesztések

Szilárd fázisúsajtoló

hegesztések

1.1. ábra. A hegesztés főcsoportjai és a sajtolóhegesztés erőszükséglete a hőmérsékletfüggvényében

A folyékony fázisú sajtolóhegesztések erőszükségletét a fémfolyadékkal érintkezőforró anyagtérfogat alakítása határozza meg, mivel a melegalakítás a szilárd anyagra iskiterjed. Az erőszükséglet ebben az esetben is hőmérsékletfüggő.

A nagyhőmérsékletű sajtolóhegesztések erőszükségletét az alakítási sebesség ( !ϕ ) isbefolyásolja:

F a Asn m

h= ⋅ ⋅ ⋅ϕ ϕ! , (1.2.)

ahol: a erőegyüttható,ϕ valódi alakváltozás (nyúlás),n keményedési kitevő (melegalakításnál értéke egyhez közeli),m sebességkitevő.

Mivel az alakítási sebesség hegesztés közben jelentős, a !ϕ hatása nem elhanyagol-ható. Az alakítási sebességek mért adatai alapján egyes sajtolóhegesztések utolsó fázisátkovácsolásnak nevezik.


1.3. Hegesztett kötésHegesztéssel szerkezetek elemi részei (alkatrészei) között oldhatatlan kötést készíte-

nek. A legismertebb kötés keresztmetszeti képe az 1.2. ábrán látható. Ez a kételemű,egysíkú, tompavarratos kötés a legnagyobb teherbírású kötéstípus, amit a többi típussalszemben előnyben célszerű részesíteni.

A kötés központi része a varrat, amely a hozaganyag és az alapanyagok olvadékánakheterogén keverékéből dendritesen kristályosodott. A varrat két oldalán néhány mmszélességű sávban az anyag mikroszerkezete a hegesztési hőhatásra változást szenvedett,ezért ezt a részt hőhatásövezetnek nevezik. A hőhatásövezet külső határa olyan alacsonyhőmérséklet, amely alatt a hegesztési hőhatás ideje alatt változás nem következhet be; jóközelítéssel acéloknál ez 100 °C-ra tehető. A kötés határhőmérsékletnél hidegebb részétalapanyagnak nevezzük. A hegesztett kötés tulajdonságait a láncszerűen sorba kapcsoltalkotóelemek (alapanyag, hőhatásövezet, varrat) leggyengébbike határozza meg.

Hõhatásövezet Hõhatásövezet

Varrat AlapanyagAlapanyag

1.2. ábra. Tompakötés keresztmetszete és erőtanilag sorbakapcsolt részei

1.4. A hegesztés hőforrásaiMivel a hegesztések döntő hányadában az anyagokat a sajtolóerő csökkentése érde-

kében és/vagy az alapanyag megolvasztása végett hevítjük, a hegesztéshez használt hő-források a hegesztés sikerét és gazdaságosságát nagymértékben befolyásolják. A var-ratban és a hőhatásövezetben végbemenő diffúziós és egyéb folyamatok a hőmérsékletés a hőhatási idő függvényének tekinthetők, amit szintén a hőforrás hőfizikai jellemzőideterminálnak.

A hegesztés hőforrásai megfelelő koncentráltsággal és nagy hőárammal kell, hogyrendelkezzenek.

A hegesztés hőforrásai kiterjedésüket tekintve a következő csoportokba sorolhatók:

♦ pontszerű (0D) hőforrás,♦ vonalszerű (1D) hőforrás,♦ felületi (2D) hőforrás,♦ térfogati (3D) hőforrás.

A leggyakrabban használt ívhegesztő eljárások hőforrásai a pontszerű hőforrásra ha-sonlító, de véges kiterjedésű átmérővel rendelkező foltszerű (0,5D) hőforrások.


1.4.1. A foltszerű hőforrások jellemzőiAz egyfázisú hegesztő hőforrások által időegység alatt szolgáltatott hőenergiát a

hőáram fejezi ki:

Φ = ⋅ ⋅ ⋅η ϕU Iív h cos . (1.3.)

ahol: Φ W hőáram,η a hőforrás termikus hatásfoka (tájékoztató értékeit lásd az 1.3.

táblázatban),Uív V ívfeszültség,Ih A hegesztő áramerősség,ϕ ° a hegesztő áram és az ívfeszültség közötti fázisszög (egyen-

áram esetén ϕ = 0 , váltóáram esetén 0 90< < °ϕ ).

A hőforrás hőfoltátmérője (d mmh, ) annak az idealizált, állandó intenzitású, kör-keresztmetszetű hőforrásnak az átmérőjével egyezik meg, amelyen keresztül ugyanannyihőenergia áramlik, mint a valóságos, a hely függvényében változó intenzitású hőforrá-son át. Az ívhőforrás foltátmérője első közelítésben az elektróda vagy az elektródahuzalátmérőjével, sugárhegesztéseknél a sugárnyaláb átmérőjével vehető azonosnak.

A hőáram ívkeresztmetszetre vonatkoztatott fajlagos értéke a hőáramsűrűség(q W mm, / 2):

qd

dA

d

dh

= = ⋅⋅

Φ Φ42 π

. (1.4.)

A valóságos foltszerű hőforrás hőáramsűrűsége a hőforrás tengelyétől mért R távol-sággal exponenciálisan csökken. A hőáramsűrűség sugártól függő értékét a Gauss féleharanggörbe ábrázolja (1.3. ábra).

q0

q

RR φ dh

0

1.3. ábra. A hőáramsűrűség sugármenti eloszlása


A haranggörbe egyenlete a következő:

q q qk r dr

h= ⋅ = ⋅− ⋅− ⋅

0 0

42 2

2

e e (1.5.)

Az (1.5.) összefüggés azt mutatja, hogy minél kisebb a hőforrás dh hőfoltátmérője,annál meredekebben csökken a hőáramsűrűség a hőforrás tengelyvonalától távolodva ésfordítva. Más szóval azt is mondhatjuk, hogy a hőforrás foltátmérőjének csökkenésévela hőforrás koncentráltsága növekszik. A kis áramsűrűségű bevontelektródás ív példáulnagy foltátmérőjűnek, a finomcseppes anyagátvitelű védőgázas, fogyóelektródás ívhe-gesztés (VFI) íve koncentrált hőforrásnak tekinthető.

A hegesztéseket a hőáramsűrűség alapján a következő két csoportba sorolják:

♦ normál hőáramsűrűségű: q0≤10 kW/mm2,♦ nagy hőáramsűrűségű: q0>10 kW/mm2.

A hőforrás sebessége (vh, mm/s) az a relatív sebesség, amivel a hőforrás a tárgyhozképest a hegesztési irányban mozog. A hőforrás sebessége megegyezik a hegesztési se-bességgel. Álló hőforrás (ív- és ellenállásponthegesztések) esetében a hőforrás sebes-sége zérus.

A hőforrás sebességét a hegesztési gyakorlatban önkényesen 3 m/min (50 mm/s) ér-ték fölött gyorsnak, alatta normál értékűnek tekintik. Ennél precízebb az a meghatáro-zás, amikor a hőforrás sebességét a lineáris hővezetés sebességéhez hasonlítják: eszerintegy hőforrás akkor tekinthető gyorsan mozgónak, amikor a hőforrás gyorsabban mozoga hő terjedésénél, vagyis amikor a hőforrás előtt az anyag nem melegszik. Ez a határse-besség anyag és technológia-függő, ezért konkrét, minden esetre érvényes értéke nemlétezik.

A hőforrás hőáramából és mozgási sebességéből igen hasznos, összetett mérőszámotképezhetünk, amelyet vonalenergiának, fajlagos hőbevitelnek vagy lineáris energiasűrű-ségnek neveznek:

Ev

vh

=Φ

, (1.6.)

ahol: Ev, J/mm vonalenergia,vh mm/s a hőforrás haladási sebessége (hegesztési sebesség).

A vonalenergia alkalmas különböző hegesztési eljárások, és azonos eljáráson belülkülönböző technológiai variánsok összehasonlítására és igen jól használható egyes he-geszthetőségi kérdések megítéléséhez is. Sokrétű felhasználhatóságából következik egy-öntetű elfogadottsága és népszerűsége.

A különleges hőforrások a felsoroltakon túlmenő jellemzőkkel is rendelkeznek, ame-lyet az adott hegesztő eljárásra vonatkozó irodalmi források tartalmaznak. A hegesztőhőforrások mindössze néhány energiafajtát hasznosítanak. Összefoglalásuk az 1.3. táb-lázatban található.

1.5. A hegesztőeljárások a q-dh diagrambanMinden hegesztőeljárás elhelyezhető a hőforrására jellemző hőáramsűrűség-foltát-

mérő diagramban. Az 1.4. ábrában a hőáramsűrűség alsó határa 101 W/mm2, amely ér-


ték alatt a fémek nem hegeszthetők, mivel a hőenergia a hővezetés révén szétterjed azanyagban és helyi megolvadás nem következik be. A felső határ (107 W/mm2) felett azanyagok helyileg elgőzölögnek; ez a vágás-darabolás területe.

Sorszám Hegesztő hőforrás Alcsoport Heg. jellege Példa

Exoterm kémiai Égés Ömlesztő Lánghegesztés1 reakciók energiája Termitreakció Ömlesztő Termithegesztés

2Villamos ív és Ív Ömlesztő

Védőgázas,fogyóelektródásívhegesztés

Plazmaív Plazmaív Ömlesztő Plazmaívhegesztés

3 Ellenálláson

Folyékonyanyagellenállása

Ömlesztő Salakhegesztés

fejlődő hő Szilárd anyagellenállása Sajtoló

Ellenálláspont-hegesztés

4Mechanikai ener-gia Súrlódás Sajtoló Dörzshegesztés

5 SugárenergiaElektronsugárLézersugár

Fénysugár

Ömlesztő

Elektronsugárhe-gesztésLézersugárhegesztés

Fénysugárhegesztés

1.3. táblázat. A hegesztéshez használt hőforrások

lgq0

W/mm2

107

106

105

104

103

102

101

10-3 10-2 10-1 100 lgdh, mm

Nagyhõáramsûrûségûhegesztõ eljárások

Normálhõáramsûrûségûhegesztõ eljárások

A hõáramsûrûség túl nagy a hegesztéshez

A hõáramsûrûség túl alacsony a hegesztéshez

101

Lézersugár

Elektronsugár

Plazmaív

Villamos ív

Láng

1.4. ábra. Az egyes hegesztőeljárások helye a hőáramsűrűség-hőfoltátmérő diagramban


A két említett határérték között a hőforrások hőáramsűrűsége és hőfoltátmérője duplalogaritmusos koordináta rendszerben közel arányosnak vehető. A hőfoltátmérő 1 µm és10 mm között változik.

Az 1.4. ábrában egy-egy hegesztőeljárást egy ellipszissel ábrázoltuk. Az ellipszismérete az eljárás szabályozhatóságának terjedelmét jellemzi. A stabil tartomány példáulaz elektronsugárhegesztés esetében egészen nagy, a lézer- vagy a plazmaív esetében jó-val kisebb. Az ellipszisen belüli helyzet a hegesztő eljárás technológiai paramétereinekés a hegesztendő alapanyag fizikai jellemzőinek a függvénye.

A diagramban szerepeltettük a 10 kW/mm2-es elválasztó határértéket is. Fizikailagennél nagyobb hőáramsűrűségértéknél az olvasztás és elgőzölögtetés válik a hegesztésifolyamat egyik meghatározó elemévé, míg alatta az olvasztás és a hővezetés tekinthetőaz uralkodó folyamatoknak.

1.6. A hegesztőeljárások további csoportosításaAz eddigiekben a hegesztéseket az alkalmazott erőhatás, a hegesztési folyamatban el-

ért maximális hőmérséklet, illetve a hőforrás fajtája és jellemzői alapján csoportosítot-tuk. A hegesztés sokrétűsége további osztályozásokat tesz lehetővé. Mivel ezek a felosz-tások fontos alapfogalmakat is takarnak, a továbbiakban röviden összefoglaljuk ezeket.

1.6.1. Osztályozás a rendeltetés alapjánA hegesztéseket két, vagy több elem oldhatatlan kötésére használva kötőhegesztésről,

egy elem felületére egy célszerűen megválasztott anyagot felhegesztve felrakóhegesz-tésről beszélünk (1.5. ábra).

1.6.2. Gépesítettség szintje szerintA hegesztés végezhető kézzel, de a hegesztő gépek az emberi kéz munkáját helyet-

tesíthetik. A munkavégzés szerint a következő eseteket érdemes megkülönböztetni:

♦ kézi hegesztés,♦ gépi (gépesített) hegesztés,

• emberi felügyelettel (klasszikus gépi hegesztés),• mikroprocesszor felügyeletével (automatikus hegesztés).

Speciális tulajdonságú felrakott réteg

Alaptest olcsó föm(ötvözet)bõl

1.5. ábra. Felrakóhegesztéssel készített munkadarab

Kézi hegesztésre közismert példa a bevontelektródás ívhegesztés, ahol minden szük-séges főmozgást a hegesztő végez.


Gépesített hegesztéskor a főmozgás és a hozaganyag adagolása mechanizált, de abeállításokat és a korrekciókat operátor végzi.

Automatikus hegesztéskor a mechanizált hegesztésre vonatkozó információk prog-ramban tároltak, ezért az operátor szerepe legfeljebb csak a megfigyelésre és a korrek-ciós beavatkozásokra korlátozódik (hegesztő robotok).

1.6.3. Hozaganyag alkalmazása szerintAmíg az ömlesztőhegesztő eljárásoknál a hegesztő hozaganyag alkalmazása az álta-

lános, és a hozaganyag nélküli hegesztés a kivételes, addig a sajtolóhegesztéseknél ho-zaganyagot nem használnak, kivételes esetekben harmadik anyagot közbetétként szere-peltetnek a hegeszthetőségi (inkompatibilitási) problémák mérséklésére.

A hozaganyag nélküli (ún. autogén) hegesztéseknél a varrathoz szükséges anyag-mennyiséget a kötés előkészítése során kell biztosítani, egyébként a varrat felülete az iillesztési rés és a gyökoldali túlfolyás miatt óhatatlanul homorú lesz (1.6. ábra).

i > 0

1.6. ábra. Hozaganyag felhasználása nélkül készített, réssel illesztett tompakötés ke-resztmetszete

1.6.4. A környezeti atmoszféra nyomása szerintA hegesztést leggyakrabban normál nyomású levegőatmoszférában végzik, de ettől

eltérő esetek is előfordulhatnak. Korlátozást jelent, hogy egyes eljárásokhoz gázatmosz-férára mindenképpen szükség van (pl. ívhegesztések), más hőforrások viszont valami-lyen mértékű vákuumot igényelnek (elektronsugárhegesztés). A környezeti atmoszféranyomása szerint a hegesztés a következő nyomásviszonyok mellett végezhető:

♦ abszolút vákuum, p bar≈ 0 (világűr),♦ földi vákuum, p bar<<1 ,♦ légköri nyomás, p bar≈ 1 ,♦ nagynyomású tér, p bar> 1 (víz alatti hegesztés).

1.6.5. A hegfürdő és környezetének védelme szerintHegesztéskor a nagyhőmérsékletű helyeket (hegfürdő és környéke, hozaganyagvég, a

hegfürdőbe tartó cseppek, dermedő varrat) a levegő gázainak kémiai hatásától(oxidáció) és a gázelnyeléstől (hidrogén és oxigén) védeni kell. A megbízható védelem ahegesztés sikerének és a minőségnek is kulcskérdése. A hegesztés története a védelemfejlesztésének a története is egyben. A ma ismert hatékony védelmi lehetőségek a kö-vetkezők:

♦ vákuum védelem,


♦ gázvédelem,♦ salakvédelem,♦ kombinált (pl. egyidejű gáz- és salak-) védelem,♦ mechanikus védelem.

Megfelelő védelem esetén a varrat felülete még a nagy oxigén-affinitású fémek (pl.Zr, Ti) esetében is oxidmentes, a varratfém elnyelt gáztartalma alacsony, mindezek kö-vetkeztében a varrat mechanikai és esztétikai jellemzői a magas minőségi elvárásokat iskielégítik.

1.6.6. Az ISO 4063 szerintAz ISO (International Standardisation for Welding), mint az IIW (International

Institute of Welding) szabványosítási szervezete készített egy eljáráscsoportosítást és azegyes eljárásokat a géprajzi jelölés és a számítógépes adatkezelés megkönnyítéséreszámkóddal látta el. A csoportosítás nem követi az általunk is követett európai rendsze-rezést és inkább sajátságos, eklektikus amerikai nézőpontot képvisel. Az ISO csopor-tosításának fő vonásait az 1.4. táblázatban foglaltuk össze.

1.7. A hegesztés rokoneljárásaiA hegesztés rokoneljárásai a kötőhegesztés vagy a felrakóhegesztés funkcióját a he-

gesztéstől eltérő alapelven valósítják meg.

A kötőhegesztés rokoneljárásai a következők:

♦ keményforrasztás,♦ lágyforrasztás,♦ ragasztás.

Mindhárom felsorolt eljárás az ún. szilárd-folyékony kötések csoportjába tartozik,mivel kötőfunkciójukat az alapanyagok megolvasztása nélkül, de a hozaganyag megol-vasztásával fejtik ki.

A felrakóhegesztés rokoneljárása:

♦ termikus szórás.Egyes vélemények szerint a termikus vágások is rokoneljárások, bár azok éppen nem

az anyagok kötését, hanem a szétválasztását valósítják meg.

1.7.1. KeményforrasztásAz időszámítás előtt kb. 3 ezer évvel már ismert keményforrasztás (Brazing): az

anyagok hőközléssel végzett oldhatatlan kötése az alapanyag megolvasztása nélkül, de amindig használt, az alapanyagénál alacsonyabb olvadáspontú forraszanyag megolvasztá-sával (ún. szilárd-folyékony kötés). A forrasz megolvadása után diffúziós kötés jön létreaz alapanyaggal.


Főcsoport Csoport Alcsoport1. Ívhegesztés 11. Nyílt ív

12. Fedettív13. Fogyóelektródás,gázvédelmű hegesztés

14. Nemolvadó elektród15. Plazmaív

111. BKI114. PSI12. FH131. MIG135. MAG136. MAG, (porbeles huzal)137. MIG (porbeles huzal)141. SWI15. PIH

2. Ellenálláshegesztés 21. Ellenállás-ponthegesztés22. Ellenállás-vonalhegesztés23. Ellenállás-dudorhegesztés24. Leolvasztótompahegesztés26. Zömítő tompahegesztés

3. Lánghegesztés 31. 311. Oxi-acetilén LH4. Sajtolóhegesztés 41. Ultrahangos hegesztés

42. Dörzshegesztés43. Kovácshegesztés44.45. Diffúziós hegesztés46.47. Sajtoló lánghegesztés48. Hidegsajtoló hegesztés

5.6.7. Egyéb hegesztő eljárások 71. Termithegesztés

72. Villamos salakhegesztés73. Elektrogázhegesztés74. Indukciós hegesztés75. Fénysugárhegesztés

76. Elektronsugárhegesztés77.78.Csaphegesztés

751. LSH752. FSH

781. Ívcsaphegesztés8.9. Forrasztások 91. Keményforrasztás (KF)

92.93.94. Lágyforrasztás (LF)95.96.97. Forrasztóhegesztés (FH)

912. KF lánggal

941. LF lánggal

1.4. táblázat: A hegesztő és hegesztésrokon eljárások osztályozása és számkódja az ISO4063 szerint

A keményforrasztott kötések hozaganyaga 450 °C-nál magasabb olvadásponttal ren-delkező ötvözet. Sokféle forraszanyag ismert, amelyekre az 1.5. táblázatban adunk pél-dákat. A forraszanyagok sokféle formában (pálca, huzal, gyűrű, fólia, alakos forrasz)kaphatók. A felületi feszültséget csökkentő folyasztószerek, amelyek másik fontos sze-repe az oxideltávolítás és az újraoxidálódás megelőzése, külön por vagy paszta formájá-


ban, vagy a forraszanyag külső felületére felhordva, esetleg furatában elhelyezve, portöl-tetként nyernek alkalmazást.

Alapanyag Forraszanyag Forrasztási hőköz

Alumínium és ötvözetei Al-Si ötvözet 570…620

Magnéziumötvözetek Mg-Al ötvözet 580…625

Réz és ötvözetei Cu-Sn ötvözet (ónbronz) 700…925

Ötvözetek néhány könnyűfém(Al és Mg) kivételével

Ag és Cu ötvözetekCu-Sn ötvözet (ónbronz)

620…1150

Fe, Ni és Co bázisú ötvözetek Au 900…1100

Austenites acélok Ni-Ag ötvözet 925…1200

1.4. táblázat. Tipikus forraszanyagok különféle ötvözetekhez

A keményforrasztott kötések nagyobb felületet és a kapilláris erők növelése érdeké-ben igen vékony (0,025…0,25 mm) illesztési rést és forraszréteget igényelnek, ezért alegelterjedtebb kötéstípus az átlapolt kötés, amire egy cső-cső kapcsolat esetében az 1.7.ábra mutat jellegzetes példát.

Forrasz

1.7. ábra. Tipikus kötésalak keményforrasztáshoz

1.7.2. LágyforrasztásLágyforrasztásról (Soldering) olyan forrasztások esetében beszélhetünk, ha a forrasz-

anyag olvadáspontja kisebb, mint 450 °C. A legismertebb lágyforraszok ónbázisúak(első alkalmazás kb. ie. 3500…3000 év). A lágyforrasztást ma elsősorban a gyenge-áramú elektronika alkalmazza, mint az alapanyagot kímélő, de fémes kapcsolatot léte-sítő kötéstechnológiát. A lágyforrasztott kötések mechanikai teherbírása alacsony, de azalkalmazások jelentős részében nem is ez, hanem a jó villamos-vezetőképesség az el-érendő cél.

A lágyforraszok legismertebb típusa az eutektikus Sn-Pb ötvözet ( %)Sneut = 63 , de akötésszilárdság javításához vagy más különleges tulajdonság eléréséhez Sn-Zn, Pb-Ag,Cd-Ag, Zn-Al ötvözeteket is kifejlesztettek. A lágyforrasztáshoz folyasztószereket kellhasználni. A legismertebbek ezek közül a cink-ammónium-klorid, a különféle gyantákés szervetlen savak.

Mivel a forraszanyag mindkét forrasztásnál jóval lágyabb, mint az alapanyag, a for-raszréteg vastagságát csökkenteni kell. Az 1.8. ábra szerint elsősorban a néhány mikro-méter vastagságú forraszoktól várható jelentős nyírószilárdság.


A forraszréteg vastagsága, mm

A k

öté

s nyí

rósz

ilárd

sága, M

Pa

A forraszanyag nyírószilárdsága

1.8. ábra. A forrasztott kötések szilárdsága a forraszréteg vastagságának függvényében

1.7.3. RagasztásA ragasztás (Adhesive Bonding) olyan kötőeljárás, amelyben a kötendő felületek közé

helyezett ragasztóanyag megszilárdulás után az elemek között adhéziós kötést hoz létre.A mai követelményeknek megfelelő, vékony rétegű, jól kivitelezett ragasztott kötések (amásodik világháborútól felgyorsított fejlesztésük következtében) egyre jobb mechanikaijellemzőkkel rendelkeznek.

A ma ismert ragasztók alapvetően három csoportba tartoznak:

♦ természetes ragasztók (gumioldat, szójaliszt, állati eredetű anyagok),♦ szervetlen ragasztók (nátrium-szilikát [vízüveg], magnézium-oxy-klorid),♦ szintetikus, szerves ragasztók (hőre lágyuló és hőre keményedő polimerek).

A ragasztott kötések nagy hátránya, hogy üzemi hőmérsékletük a ragasztó keménye-dési hőmérséklete által determináltan erősen korlátozott (20…200 °C). A tipikus ragasz-tott kötések nyomásnak, nyírásnak jól, húzásnak, hajlításnak rosszul állnak ellent.

A ragasztástechnológia az acélok hegesztéséhez viszonyítottan nagy technológiai fe-gyelmet igénylő, korlátozottan alkalmazható, viszonylag drága eljárás. A felületelőké-szítés eredménye (érdesség, tisztaság) az eljárás sikerét döntő módon befolyásolja.

1.8.4. Termikus szórásFelrakóhegesztéskor kevés (szilárd fázisú) hegesztő eljárástól eltekintve az alaptest

felülete megolvad és összekeveredik az olvadt heganyaggal. Az eljáráscsoportnak szá-mos korlátja van, amelyek feloldására fejlesztették ki a termikus szórásokat.

A termikus szórás (Thermal Spray) olyan eljárások gyűjtőneve, amelyben igen apróraporlasztott folyadékcseppeket, illetve teljesen vagy részlegesen megolvasztott finomszemcséket szórnak (röpítenek) rá a bevonandó felületre. A szórt anyag nem csak fémlehet, hanem kerámia, polimer vagy kompozit. (A régebbi fémszórás elnevezés teljesenelavultnak tekintendő).


Az alaptest és a felszórt réteg közötti kötés mechanikus és diffúziós jegyeket egya-ránt tartalmaz, ezért a kötésszilárdság az alaptest és a réteg anyagának, valamint a tech-nológia függvényében az általános néhány MPa-tól akár a különleges esetekre jellemzőtöbbszáz MPa-ig terjedhet. A kötésszilárdság korlátozza a mechanikai igénybevételt,ami kisebb kötésszilárdságoknál csak nyomó- vagy nyíró lehet.

A termikus szórás célja, hogy elkopott alkatrészek méreteit az alaptesttel azonosanyag felszórásával helyreállítsa, illetve, hogy szerkezeti acél alaptestre különleges tu-lajdonságú (kopásálló, hőálló, korrózióálló, jó villamos vezető, stb.) réteganyagot vi-gyen fel.

Lényegét tekintve a termikus szórás a réteges kompozitok előállításának egyik lehet-séges technológiája (1.9. ábra).

Alaptest

Felszórt szemcsePórus Salak

1.9. ábra. Termikus szórással kezelt darab keresztmetszete

A termikus szórás a felrakóhegesztésnél sokszorta költségesebb technológia, ezért al-kalmazása csak olyan esetekben tekinthető gazdaságosnak, amikor vele különleges, másmódon nem előállítható alkatrésztulajdonságok érhetők el.

Balogh A.: A hegesztés energiaforrásai 2/1

2. A HEGESZTÉS ENERGIAFORRÁSAI

Elméletileg valamennyi koncentrált energiaforrás alkalmas hegesztésre, közülük az 1.fejezetben felsoroltuk azokat, amelyeket a mai hegesztőeljárások hasznosítanak.Hőáramsűrűségük, kezelhetőségük és fajlagos költségük alapján napjainkban két hőfor-rást tekintünk meghatározónak: a villamos ívet és a szilárd fázisú fém villamos ellenál-lásán fejlődő (Joule) hőt.

2.1. A hőforrások hegesztésre való alkalmasságaA hőforrások valamilyen kiinduló energiafajtát hőenergiává alakítanak, amellyel a

hegesztés során az alapanyag és (ha van) a hozaganyag hevíthető. A hegesztésre való al-kalmasság egyik ismertetője a termikus hatásfok. A villamos ív, amely alapvető hőfor-rásnak számít, viszonylag jó hatásfokkal jellemezhető (2.1. táblázat).

Hegesztő eljárás Termikus hatásfok, η t

Semlegesgázvédelmű, W elektródos ív-hegesztés (SWI) 0,60…0,70

Bevontelektródás kézi ívhegesztés (BKI) Bázikus bevonat: 0,80Rutilos bevonat: 0,90

Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés(VFI)

Nemesgáz: 0,70-0,80Aktív gáz: 0,80-0,90

Fedettívű hegesztés (FH) 0,95…1,00

2.1. táblázat. A legfontosabb ömlesztőhegesztő-eljárások termikus hatásfoka kalorimet-rikus mérések alapján

2.2. A villamos ívA villamos ív az áramvezetés különleges formája, amely ionizált gázokból és (fém)-

gőzökből álló áramvezető csatornában, nagy hőmérsékleten alakul ki (a magas hőmér-sékletet az ív ellenállásán hővé alakuló villamos energia okozza).

A villamos ív gázközegben szilárd és/vagy folyékony elektródok/elektródák közötttartósan fenntartott ívkisülés.

A villamos ív definíciójában szereplő, dőltbetűs szavak fontos meghatározói az ívbenvégbemenő fizikai és egyéb folyamatoknak. A definícióhoz hasonlóan a továbbiakban ismegkülönböztetjük az elektród és az elektróda fogalmakat: az elektród a hegesztés soránnem olvadó, nem fogyó anyagot, az elektróda leolvadó, a hegesztés során elhasználódó,fogyó anyagot jelöli. Elektród az SWI hegesztés volfrámja, vagy az ellenálláspont-hegesztésnél alkalmazott árambevezető, elektróda a bevonatos és a csupasz huzal for-májú hozaganyag, ha egyik végén hegesztés közben ívtalppont helyezkedik el.


2.2.1. ÍvkisülésAz ívkisülés gázközegben lejátszódó villamos jelenség, amelynek során valamilyen

belső vagy külső hatásra az elektródok közötti tér villamos vezetővé válik, ezzel létrejöna gázközegen keresztüli töltésáramlás szükséges feltétele. A meghatározó töltéshordo-zók az ionok, amelyek keletkezésüket és megszűnésüket illetően dinamikus egyensúly-ban vannak.

A töltéshordozók létrejöttének folyamatát ionizációnak nevezzük. Az ionok keletke-zéséhez szükséges energia erőteljesen függ a gázközeg összetételétől és a gázközeg ál-lapottényezőitől (hőmérséklet és nyomás).

2.2.2. Az ívkisülés tartósságaAmennyiben a töltéshordozók keletkezése (ionizáció, elektronemisszió) és megszű-

nése (ionrekombináció, elektronelnyelés) közötti egyensúly nem áll fenn, a folyamatnem önfenntartó. A villamos szikra vagy a villám a másodperc töredéke alatt zajlik le,azt követően azonnal megszűnik. Az ilyen kisülések hegesztési célra alkalmatlanok.

2.2.3. GázközegIonok kis mennyiségben az elektródok elgőzölgése révén az ívtérbe kerülő fémgő-

zökből is keletkezhetnek, de döntő hányaduk az elektródok közötti térben elhelyezkedőgázokból jön létre, ezért gázközeg nélkül hegesztésre alkalmas ívet létrehozni ésfenntartani nem lehet.

A hegesztőív legkézenfekvőbb gáza a levegő lehetne, amely jól ionizálható komponen-seket (nitrogén, oxigén, hidrogén, nemesgázok) tartalmaz. Mivel a levegő alkotói a fé-mekkel negatív eredményű kölcsönhatásokba (kémiai reakció, oldódás) lépnek,jelenlétük a hegesztéskor nem kívánatos. Hegesztési célra legideálisabbnak anemesgázok (Ar, He) tekinthetők, amelyek a technikai fémekkel sem reakcióba nemlépnek, sem bennük nem oldódnak. Magas előállítási költségük miatt gyakran olcsóbbgázokkal helyettesítik őket, még akkor is, ha a nemkívánatos aktivitásuk semlegesítésérekülön intézkedéseket kell tenni (pl. dezoxidens elemek és nitridképzők hegfűrdőbejuttatása). Az ívtérben tehát a következő anyagok ionizálása lehetséges:

♦ fémgőzök az alapanyagból és a hegesztőanyagból,♦ nemesgázok,♦ aktív gázok.

2.2.4. IonizációAz ionizációs folyamatban semleges atomokból elektronleadással pozitív ionok,

elektronbefogadással negatív ionok képződnek. Az elektronok a külső elektronpályákróltávoznak, vagy az ionizációs folyamatban oda kerülnek.

Ar Ar e0 → ++ − (2.1.)

F e F0 + →− − (2.2.)

A folyamat endoterm (külső energiaforrást igényel) és reverzibilis (a rekombinációbekövetkezik, ha annak energiakritériuma teljesül). Az ionizáció energiakritériuma a kö-vetkező egyenlettel jellemezhető:

E U ei i= ⋅ , (2.3.)

ahol: Ei eV az elsődleges ionizáció energiaszükséglete,


Ui V ionizációs potenciál,

e0 az elektron töltése (1 59 10 19, ⋅ − C ).A többszörös (másodlagos, harmadlagos stb.) ionizáció szintén lehetséges, de mivel

itt a kiinduló részecske is már töltéssel rendelkezik, az energiaigény nagyobb. A továb-biakban ionizáció alatt mindig elsődleges ionizációt fogunk érteni.

A kémiai elemek ionizációjához szükséges energia a rendszámmal összefüggő elekt-ronszerkezettől függ. A minél nagyobb a rendszám, annál kisebb az ionizációs energiatétel csak tendenciaszerűen jellemzi a valós viszonyokat, mivel az ionizáció során akülső héjon található elektronok száma is lényeges. A periódusos rendszer azonos osz-lopában található elemek közül legnehezebben a telitett külső héjas nemesgázok ioni-zálhatók, legkönnyebben azok az elemek, ahol a telítettséghez (a nemesgáz-konfiguráci-óhoz) egy elektron hiányzik vagy egy elektrontöbblet van (2.1. ábra).

A hegesztőív gázainak és fémgőzeinek ionizációs potenciálja különböző, az interval-lum a céziumhoz (Cs) tartozó legkisebb értéktől (3,89 V) a héliumot (He) jellemző leg-nagyobb értékig (24,59 V) terjed. A hegesztéskor meghatározó szerepet játszó elemekionizációs potenciálját a 2.2. táblázatban foglaltuk össze.

Ioniz

áci

ós

pote

nci

ál,

V

Rendszám

He

Li

H

Na

Ne

K

Ar

Kr

CsRb

Xe Rn

2.1. ábra. Az elsődleges ionizációs potenciál és a rendszám összefüggése

Az ionizáció energiaszükségletét külső sugárzással (fotoionizáció), a hőmérséklet nö-velésével (termikus ionizáció), vagy felgyorsított elektronok becsapódásakor átadott ki-netikus energiával (ütközési ionizáció) lehet fedezni. Ionizáció akkor következik be, ha aközölt energia nagyobb az ionizáció energiaigényénél:

h e Ui⋅ ≥ ⋅ν 0 , (2.4.)

3

20k T e Ui⋅ ≥ ⋅ , (2.5.)

1

22

0m v e Ue e i⋅ ≥ ⋅ , (2.6.)

ahol: h Planck féle állandó,ν Hz a sugárzás frekvenciája,k Boltzmann állandó,T K a gáz hőmérséklete,


me g az elektron tömege,ve m/s az elektron sebessége.

A hegesztéshez használt villamos ívben a legfontosabb a hőmérséklet szerepe, má-sodlagos forrásként az ütközési ionizáció jelölhető meg.

Gázok Ionizációspotenciál, V

Fémek Ionizációspotenciál, V

Nemfémek Ionizációspotenciál, V

He 24,59 W 7,98 F 16,90Ar 15,76 Fe 7,87 C 11,26H2 15,43 Ni 7,64 B 8,30H 13,59 Mg 7,65 Si 8,15N2 15,58 Mn 7,40N 14,53 Cr 6,77O2 12,07 Ca 6,11O 13,62 Al 5,99

CO2 13,77 Ba 5,21CO 14,1 Na 5,14

K 4,34Cs 3,89

2.2. táblázat. Kémiai elemek és vegyületek ionizációs potenciálja

Az ionizált gázt plazmának nevezik. Az elméleti plazmában minden részecske (atom,molekula) ionizálódott, a technológiai plazmában (plazmaív plazmája) és a villamos ívplazmájában az ionokon kívül semleges részecskék is találhatók. Az ionizáció mértékeaz ív fontos jellemzője, mert ettől függ az ív ellenállása, hőmérséklete, áramsűrűsége,hőáramsűrűsége és foltátmérője. Definíciója:

dn

ni

i= ⋅0

100 % (2.7.)

ahol: di, % az ionizáció foka,ni, db az ionok száma,n0, db az összes atom és molekula együttes száma az ionizáció előtt.

Ha az ionizáció foka 40 %, az azt jelenti , hogy minden eredeti 100 atom és molekulaközül 40 ionizálódott és 60 töltésnélküli maradt. Csak az elsődleges ionizációt tekintve,az elektronok száma azonos a pozitív ionokéval. A hegesztőívben és a plazmaívben azionizáció foka eltérő, az ívben 30…40 %, a plazmaívben ennek hozzávetőlegesen a dup-lája.

Az ionizáció és a rekombináció az ív állandósult állapotában kiegyenlíti egymást,ezért az ívben dinamikus egyensúly valósul meg. Hegesztésre az átmeneti állapotok (pl.ívgyújtás, ívoltási szakasz) nem alkalmasak. Mivel a villamos ívoszlopban a pozitív és anegatív töltések száma statisztikusan egyenlő, a villamos ív kifelé villamosan semle-gesnek tekinthető. A semlegesség nem áll fenn az elektródok közvetlen közelében, aholvalamelyik töltés túlsúlyba kerül és ún. tértöltés keletkezik.


2.2.5. Az ív hosszanti szerkezeteA villamos ív minden esetben szilárd vagy folyékony állapotú elektródok között ég.

A két elektróda közötti részt ívköznek, más szóval ívtérnek nevezzük. A 2.2. ábrán isláthatóan a villamos ív hosszirányban három jól elkülönülő részre osztható:

♦ katódövezet,♦ ívoszlop,♦ anódövezet.

+

-

ÍvoszlopKatódövezet Anódövezet

2.2 ábra. A villamos ív részei

Az ív és az elektróda érintkezési felületét az ív talpfoltjának (kevésbé precízentalppontjának) nevezik. Az ív éghet két elektród között (közvetett vagy indirekt ív) vagyegy elektród és a munkadarab között (közvetlen vagy direkt ív). Hegesztésre jobbhatásfoka miatt az utóbbi terjedt el.

A villamos ív hossztengelye menti potenciáleloszlása nem egyenletes, mivel a tértöl-tésekkel rendelkező keskeny sávok lekűzdése nagy energiát igényel, ezért ott a potenci-álváltozás is nagyobb (2.3. ábra).

U

lív

Uk

Uio

Ua

Uív

2.3. ábra. A villamos ív hosszanti potenciáleleoszlása


2.2.5.1. ÍvoszlopAz ív legnagyobb kiterjedésű része az ívoszlop, amelyben a villamos térerősség ál-

landónak tekinthető. Az ívoszlopban az ív normál fogyasztóként viselkedik, amely azOhm törvényt követi. Tértöltés nincs, a pozitív és a negatív töltések dinamikus egyen-súlyban vannak. Az ívoszlop Uio feszültségesése ennek megfelelően csak az ívoszlop liohosszától függ:

UU

llio io= ⋅

∂∂

. (2.8.)

A 2.8. összefüggés szerint az ívoszlop hosszának növelésével nő a fenntartáshozszükséges feszültség nagysága. A jelenség az ív külső felületének növelésével és a felü-letarányos hűléssel együttjáró töltéshordozó-veszteséggel (ionrekombináció) magyaráz-ható.

A feszültséggradiens az ívoszlopban átlagos körülmények között 1…3 V/mm-re te-hető, ami azt jelenti, hogy egy 4 mm-es ívoszlop feszültségesése 4…12 V közötti.

Ha az ívoszlop hosszát folyamatosan csökkentjük, akkor azt tapasztaljuk, hogy a fe-szültség nem zérushoz, hanem egy 10…20 V közötti U0 feszültséghez tart, ahogy az. a2.3. ábrán is látható. Ezek szerint a villamos ív feszültségesése a következő alakban ír-ható fel:

U U Ul

lív ív≅ + ⋅0∂∂

, (2.9.)

ahol: Uív V ívfeszültség,U0 V nulla ívoszlop-hosszúsághoz tartozó feszültség,l mm az ív tengelyével egybeeső koordináta.

Az U0 feszültség a villamos tértöltésekkel összefüggő Uk katódesés és Ua anódesésösszege.

2.2.5.2. KatódövezetA negatív elektróda, a katód felületének szűk környezetében a pozitív ionok túlsúlya

miatt pozitív tértöltés alakul ki, amelynek legyőzésére igen nagy, mintegy 106 V mm/térerősségre van szükség. A katódövezet ívtengely irányú mérete 10 5− mm-re (10 nm)tehető. A két számérték szorzata alapján a katódesés nagysága a 10 V nagyságrendbenmozog (10…17 V). Egyes nézetek szerint a katódesés megközelítőleg a gázközeg ioni-zációs potenciáljával azonos értékű.

2.2.5.3. AnódövezetA pozitív elektróda, az anód felületének szűk környezetében az elektronok túlsúlya

miatt negatív tértöltés alakul ki, amelynek legyőzésére becslések szerint 105 V mm/ tér-erősségre van szükség. Az anódövezet ívtengely irányú mérete 10 4− mm-re (100 nm) te-hető. A két számérték szorzata alapján a katódesés nagysága szintén a 10 V nagyság-rendben mozog, de értéke kisebb, mint a katódesésé (6…12 V).


2.2.6. Az ívfeszültség nagyságaA katódesés és az anódesés összege egyenlő a (2.9.) összefüggésben szereplő kons-

tans feszültséggel, vagyis az ívfeszültség:

U U U Ul

lív k a ív≅ + + ⋅∂∂

, (2.10.)

A (2.10.) összefüggés alapján arra a fontos következtetésre juthatunk, hogy az ív lét-rehozásához egy minimális feszültség (a katód- és anódesés összege) szükséges, ezentúlmenően az ívfeszültség az ívhossz lineáris függvénye.

Legyen egy bevontelektródás ívhegesztési példában a katódesés 12 V, az anódesés8V, az ívoszlop feszültséggradiense 2,0 V/mm és hegesszünk a 4 mm átmérőjű elekt-ródára megengedett maximális 4 mm-es ívhosszal. A becsült ívfeszültség:

U U U Ul

l Vív k a ív≅ + + ⋅ = + + ⋅ =∂∂

12 8 2 4 28 .

Összehasonlításul ugyanerre az esetre 150 A hegesztőáramot beállítva abevontelektródás ívhegesztésre szabványosított feszültségegyenes képlete (2.11.) alap-ján:

U Iív h≅ + ⋅20 0 04, , (2.11.)

U Vív ≅ + ⋅ = + =20 0 04 150 20 6 26, .

A 26 és a 28 V között az eltérés nem nagy, a felvettnél rövidebb ívhossz alkalmazásaesetén az egyezés egészen jó. A 2 V-nyi eltérésnél az elektródabevonat összetételének(vagyis az ívtér ionizációs potenciáljának) szerepe jóval nagyobb lehet. Ez az oka annak,hogy a különböző elektródabevonat-típusokkal különböző feszültségintervallumokbanlehet optimálisan hegeszteni (2.4. ábra).

Nagyteljesítményû

Cellulóz

Rutilos

Bázikus

Uív

I, A

V

20

0

44

600

2.4. ábra. Különböző típusú elektródabevonatokhoz ajánlott feszültségtartományok(ESAB diagram)


2.2.7. Összefüggés az ívfeszültség és a hegesztő áramerősség között: astatikus ívjelleggörbe

A villamos ív (adott határokon belül) különböző áramerősség és ívfeszültség-tarto-mányokban egyaránt fenntartható. A feszültség-áramerősség görbét az ív statikus jelleg-görbéjének, más szóval karakterisztikájának nevezik. A statikus ívkarakterisztika isme-rete fontos információ a hegesztőmérnök, a hegesztőgépgyártó és a hozaganyagelőállítószámára.

A 2.5. ábrán bemutatott ívjelleggörbének több azonosító adata van. A teljes egyér-telműség kedvéért a következő adatok ismeretére van szükség:

♦ katód anyaga,♦ katód geometriája és méretei,♦ anód anyaga,♦ anód geometriája és méretei,♦ elektródok hűtése,♦ elektródok távolsága (ívhossz),♦ ívatmoszféra összetétele,♦ ívatmoszféra nyomása,♦ áramfolytonosság,♦ áramnem,♦ polaritás (egyenáram esetén),♦ az impulzus jellemzői (nem folytonos ív esetén),♦ áramerősség.

I. IV.III.II.

I, A

UívV

Ik0 Ik1 Ik2

2.5. ábra. A hegesztőív statikus jelleggörbéje

A különböző elektród(a)méretű hegesztőívek összehasonlíthatósága érdekében a J(A/mm2) áramsűrűség bevezetése szükséges:

JI

A

I

d

h

e

h

e

= =⋅

⋅

42 π

. (2.12.)

A hegesztőív statikus jelleggörbéjén az áramsűrűségnek megfelelően négy jellegzetesszakasz különíthető el (2.5. ábra).


2.2.7.1. Kis áramsűrűségű (eső) szakasz

A kis áramsűrűségű ( J A mm< 5 2/ ) szakaszra az jellemző, hogy az áramerősségnövelésével az ionizáció intenzívebbé válik, a töltéshordozók számának gyors növeke-désével az ív vezetőképessége javul. A változó (csökkenő) ívellenállás miatt az Ohmtörvény nem érvényes. Egy-két kisebb jelentőségű kivételtől eltekintve a villamos ív esőszakaszát hegesztésre nem használják.

2.2.7.2. Közepes áramsűrűségű (közel vízszintes) szakasz

A közepes áramsűrűségű (5 1002 2A mm J A mm/ /≤ ≤ ) szakaszban az áramerősségnövelésével az ívoszlop átmérője közel lineárisan növekszik, ezért az ívoszlopon belülifeszültségesés (a katód-, valamint az anódesés állandósága miatt az ívfeszültség) állandómarad. Az áramerősség nagyságát a hegesztő áramforrás beállítása határozza meg. Aközepes áramerősségű szakaszt főleg a kézi hegesztő eljárások (BKI, SWI) és a vastagelektródahuzalos kézi vagy gépi eljárások (FH) használják.

2.2.7.3. Nagy áramsűrűségű (emelkedő) szakaszAmikor az ív talpfelületei kitöltik az elektród(a) teljes homlokkeresztmetszetét, az

áramerősség növelésével az ívoszlop átmérője nem képes tovább növekedni, a villamosív ellenállása állandóvá válik és az ív ettől kezdve úgy viselkedik, mint egy hatásos(ohmikus) ellenállást tartalmazó fogyasztó: követi az Ohm törvényt. Az emelkedő sza-kaszban (100 3002 2A mm J A mm/ /≤ ≤ ) nagyobb áramerősséghez nagyobb feszült-ségesés tartozik.

2.2.7.4. Igen nagy áramsűrűségű (forgóíves) szakaszBizonyos (szigorú) feltételek teljesedése esetén a villamos ív az igen nagy áramsűrű-

ségű tartományban ( J A mm> 300 2/ ) is fenntartható. Lassított felvételekkel bizonyítot-ták, hogy az ív a rajta átfolyó áram mágneses hatására a leolvadó elektróda végén elhe-lyezkedő folyadékkal egyetemben forgómozgást végez. Az 1990-es években ezt az ív-szakaszt is sikerült gyakorlati célú hegesztésre felhasználni (forgóíves VFI, T.I.M.E.védőgázkeverék, különlegesen nagysebességű huzalelőtoló).

2.2.8. A technológiai jellemzők hatása az ívkarakterisztikáraA korábbiakban bemutattuk, hogy a villamos ív létesítésének és fenntartásának kö-

rülményei milyen tényezőktől függenek. A felsorolt tényezők közül a hegesztés végre-hajtását illetően a következőkben röviden részletezett jellemzők tekinthetők lényeges-nek.

2.2.8.1. Az ívhossz hatásaA 2.2.6. pontban láttuk, hogy az ívfeszültség az ívhossz lineáris függvénye: hosszabb

ívhez nagyobb ívfeszültség tartozik, rövidebbhez kisebb. A 2.6. ábra azt mutatja, hogynagyobb ívhossz esetén az ívjelleggörbe felfelé, a nagyobb ívfeszültségek felé, míg ki-sebb ívhossz esetén lefelé, a kisebb ívfeszültségek felé tolódik el.

Azt a leghosszabb ívhosszúságot, amellyel még az ív fenntartható, de amelynél kisséhosszabb ívköznél az ív megszakad, szakadási ívhossznak (lsz) nevezzük. A szakadásiívhossz elsősorban a hozaganyag jellemzője, de nagyságát a hegesztés további paramé-terei és az áramforrás tulajdonságai is befolyásolják. A szakadási ívhossz általában 10…


30 mm között változik, de egyéb megfontolásból a hegesztést ennél jóval alacsonyabb(1…5 mm) ívhosszúsággal ajánlatos végezni.

I, A

UívV

lív2 > l ív1

l ív1 = const.

2.6. ábra. Az ívhossz hatása a hegesztőív statikus jelleggörbéjére

2.2.8.2. Az elektród(a)átmérő hatásaA W elektród, a bevonatos elektróda vagy a huzalelektróda átmérője befolyásolja az

ív talpfoltjának lehetséges legnagyobb átmérőjét, ezen keresztül az ív viselkedését a telí-tett (vízszintes, emelkedő és forgóíves) karakterisztika szakaszokban. A 2.7. ábra sze-rint kisebb átmérő esetén az ívkarakterisztika gyorsabban emelkedik, mivel azonos mér-tékű töltéshordozó-növekedéshez nagyobb áramsűrűségnövekedés tartozik. Az ívkarak-terisztika meredekebb emelkedése nagyobb ívfeszültségű hegesztést eredményez, ami azív-hőforrás hőáramát és hőáramsűrűségét növelve a hegesztés teljesítményét is fokozza.

I, A

UívV

Φd 2 > Φd1

Φd1 = const.

2.7. ábra. Az elektród(a) átmérő befolyása a hegesztőív statikus jelleggörbéjére

A hegesztési gyakorlatban a bemutatott jelenséget a vékonyhuzalos hegesztés előny-ben részesítésével és a nemolvadó W elektród végének kúposra köszörülésével(kihegyezésével) igyekeznek hasznosítani. (A W elektród teljes hosszúságra kiterjedőátmérőjét áramterhelhetőségi-hűtési okokból nem lehet csökkenteni).


2.2.8.3. A polaritás hatása egyenáramú hegesztésnélFizikai kísérletekben a villamos ívet nemesgázban, két jól hűtött W elektród között

hozzák létre, mivel így a vizsgálatok jól reprodukálható, állandósult körülmények kö-zött, hosszabb ídőn keresztül kényelmesen végezhetők. A hegesztőív ennél sokkal bo-nyolultabb viszonyok között ég. Egyenáramú (Direct Current: DC) hegesztésnél a po-laritás azért lényeges, mert a katód és az anód anyaga, alakja, mérete, hőmérséklete, fe-lületi szennyezettsége erősen eltérő.

Vegyük azt az esetet, amikor Ar gázban, kihegyezett W elektród és fémtiszta acélle-mez között ég az ív (AWI hegesztés). Amikor a W elektród a negatív pólusra van kötve(Direct Current Electrode Negative: DCEN), akkor a kistömegű, ezért nagyobb hőmér-sékletű, jó emitternek számító, kihegyezett elektród emittálja az ütközési ionizációhoznélkülözhetetlen elektronokat, az ív keltéséhez és fenntartásához a körülmények ideá-lisak. Ez az ún. egyenes polaritás esete. Az egyenes polaritáshoz alacsonyabb ívfeszült-ség tartozik (2.8. ábra).

Fordított polaritáskor (Direct Current Electrode Positive: DCEP) a hidegebb, rosz-szabb emitter acél a katód, ahol az ív talppontja is esetleges helyzetű. Ekkor az ív fenn-tartásához nagyobb energiabefektetésre, következésképpen azonos áramerősség elérésé-hez nagyobb ívfeszültségre van szükség.

I, A

UívV

DCEP

DCEN

2.8. ábra. A polaritás hatása az egyenáramú ArWI ív statikus jelleggörbéjére

Váltakozóáramú (Alternating Current: AC) ív esetén a polaritás félperiódusonkéntváltozik, vagyis az Európában szokásos 50 Hz-es hálózat esetén másodpercenkéntszázszor. Az ívkarakterisztika hozzávetőlegesen a DCEN és DCEP közötti sáv közepénhelyezkedik el. A váltakozóáramú ív félperiódusonkénti kialvása, majd kis szünet utániújragyulladása a hegesztési folyamatra nézve kedvezőtlen és csak különlegesen indokoltesetben (mint például az alumínium hegesztése) kerül alkalmazásra.

A polaritás jelentősen befolyásolja az elektródokat hevítő hőenergia nagyságát. A kételektród közül az anód jóval gyorsabban hevül, mint a katód, és ez az eltérés az áram-erősség növelésével erősödik (2.9. ábra). Ez a jelenség arra ösztönzi a felhasználót,hogy ArWI hegesztéskor a hegesztendő tárgyat anódként kapcsolja az áramkörbe, amiegyúttal a W elektród hőterhelésének mérséklődéséből kifolyólag az áramterhelhetőség,illetőleg az élettartam növekedéséhez vezet.


Váltakozóáramú ív esetén a két elektród hőterhelése közel azonos. A csak közelítően(nem teljesen) azonos hőterhelés oka, hogy a két félperiódus időtartama között eltolódáskövetkezik be, mivel a DCEN polaritás mellett az ív hamarabb meggyullad, és későbbalszik ki, mint a DCEP polaritásnál (lásd a 7. fejezetet).

DCEN AC DCEP

30%

70%

70%

30%

50%

50%

- +

+ -

W W W

2.9. ábra. Az áramnem és polaritás hatása az egyenáramú ArWI ív végpontjain fejlődőhőenergiára

2.2.8.4. A gázközeg hatása egyenáramú SWI hegesztésnélSWI-nél a gázatmoszféra közel száz százalékban nemesgáz atomokat és ionokat tar-

talmaz, ezért az ívkarakterisztika azonos egyéb körülmények mellett az adott gázt jel-lemzi. Ar gáz használatakor (európai gyakorlat) az ív kis feszültséggel tartható fenn, mi-vel az Ar gáz ionozációs potenciálja (Ui=15,76 V) viszonylag alacsony.

Ar helyett az Európában mintegy háromszor drágább He-ot alkalmazva (amerikaigyakorlat, ott az árak közel azonosak) az ívfeszültség közel duplájára növekszik. A je-lenség oka a He nagyobb (Ui=24,59 V) ionizációs potenciálja. Ar és He keverékével akét szélső érték között tetszőleges ívkarakterisztika beállítható, amit a hegesztési gya-korlatban egyre több esetben alkalmaznak is. Az 1990-es években szabadalmaztatottT.I.M.E. négykomponenses védőgázkeverék jelentős He tartalmával nagy leolvasztásiteljesítmény elérésére ad lehetőséget. A természetben kis mennyiségben előfordulótovábbi nemesgázok (Ne, Kr, Xe) viselkedése az Ar-hoz közelálló (2.10. ábra).

2.2.9. A villamos ív átlagos hőmérséklete és hőmérsékleteloszlásaA villamos ív átlagos hőmérsékletét először kalorimetrikus méréssel állapították

meg. Úgy találták, hogy az átlagos ívhőmérséklet az ívtér gázösszetétele (ionizációsenergiaszükséglete), az ionizáció mértéke és az ív átmérője szerint 5000 és 30000 °Cközött változik. Az alacsony ionizációs potenciálú BKI ív hőmérséklete az alsó határközelében van, Ar gázban az ívhőmérséklet nagyobb és még tovább növelhető He védő-gáz felhasználásával. Az ionizáció mértékének növelése és egyúttal az ívoszlop átmérő-jének csökkentése a plazmaívre jellemző magas hőmérsékleteket (15000…40000 °C)eredményezi.


Áramerõsség, A

Ívfe

szül

tség

,V

0 100 200 300 4000

5

10

15

20

25

30

35

40

He

NeAr

Kr Xe

2.10. ábra. A védőgáz hatása az ívkarakterisztikára (DCEN)

Korszerű mérési módszerekkel a villamos ív hőmérsékleteloszlása is feltérképezhető.Az ívben a legnagyobb hőmérséklet az ívtengelyben uralkodik, ahol az ionizáció foka alegmagasabb és ez a tengelytől radiális irányban távolodva exponenciálisan csökken(2.11. ábra). Főleg egyenáramú hegesztésnél a hőmérséklet axiális irányban is változik,pl. magasabb a W elektród csúcsánál, mint a munkadarab felületén. Ez elsősorban a hű-lési viszonyok különbözőségével áll összefüggésben.

DCEN

W18000 oC

16000 oC14000 oC

12000 oC

11000 oC10000 oC

Cu

2.11. ábra. Az ArWI ív hőtérképe hűtött rézlemez hegesztésekor (Ih=200 A, Uív=12V,lív=5 mm)

2.2.10. A villamos ív sugárzásaAz ív hőforrás termikus hatásfokának egyik lényeges befolyásolója a sugárzási vesz-

teség. Az ívtér atomjai gerjesztett állapotának megszűnése és az ionrekombináció su-gárkvantumok kibocsátását eredményezi. A sugárzás főleg az ívtér gázatmoszférájánakösszetételétől, az ív hőmérsékletétől és az ív külső felületének nagyságától függ.

A sugárzás spektrumanalízissel feltérképezhető frekvenciatérképe szerint infravörös,látható és ultraibolya sugarakat egyaránt tartalmaz. Az ív sugárzása a hegesztő egészsé-gére ártalmas, ezért megfelelő védőeszközök (zárt, sűrűszövésű, vagy bőr védőöltözék,szemvédő fényszűrő, védőkesztyű) használata a hegesztési munkáknál elengedhetetlen.


2.2.11. A villamos ív és a mágneses tér kölcsönhatásaA villamos ívben töltéshordozók áramlanak, hétköznapi értelemben nagy áramerős-

ségű (50…2000 A) áram folyik. Az áram mágneses térrel eltéríthető.

A mágneses teret néhány esetben szándékosan hozzák létre elekromágnes segítségé-vel, esetleg erős permanens mágnesekkel. A szándékosan létesített mágneses térrel azívet az optikai lencsékhez hasonlóan koncentrálják vagy a kívánt irányba eltérítik.

Jóval gyakoribb az az eset, amikor az ívet szándékunktól független mágneses erőkbefolyásolják. Ilyen mágneses erőt hoz létre maga a hegesztő áram is, mivel a fizikábólismert módon az árammal átjárt vezető mágneses tere kölcsönhatásba lép magával a lét-rehozó árammal is (2.12. ábra).

2.12. ábra. A villamos ív elhajlása a hegesztőáram keltette mágneses tér következtében

A mágnestér okozta ívelhajlás (közönséges nevén ívfúvás) azért jön létre, mert amágnesmező a villamos ívet eltéríti a tengelyvonaltól, ezért a hegesztési munkát nagyonmegnehezíti.

A mágneses fúvóhatás kiküszöbölésének leghatékonyabb módja a váltakozó áramhasználata, mivel a mágnestér gyors irányváltozásait a villamos ív nem képes követni.Hegesztési szempontból a váltakozó áramú ív használata nem előnyös; ennek okaira a2.2.8.3. pontban mutattunk rá.

A mágneses ívelhajlás ismeretében a hegesztők olyan fogásokat alkalmaznak,amellyel a nem kívánt hatásokat mérsékelhetik. Ezek közül néhány felsorolásszerűen:

♦ rövid ív használata,♦ alacsony áramerősség alkalmazása,♦ speciális elektródatartás és -vezetés,♦ valamelyik hegesztőkábel rácsavarása a hegesztendő munkadarabra,♦ a munkadarabkábel helyes csatlakoztatása és áthelyezése egy-egy varrat elkészí-

tése után,♦ többpontos munkadarabkábel-csatlakoztatás speciális csatlakozóval.

2.2.12. A villamos ív hőárama és hőáramsűrűségeA villamos ív hőáramát az (1.3.) összefüggéssel számíthatjuk. Vegyünk egy gyakor-

lati esetet, amely de=1,2 mm-es tömör huzalos, kevertvédőgázas VFI hegesztésre vonat-


kozik. Legyen a hegesztő áram (DC) erőssége Ih=250 A, az ívfeszültség Uív=26V. Atermikus hatásfok a 2.1. táblázat alapján ηt=0,8.

Az ív hőárama:

Φ ==== ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ °°°° ====η ϕU I Wív h cos , cos0 8 26 250 0 5 200 .

A hőáramsűrűség maximuma (a df foltátmérőt az elektródahuzal átmérőjével azo-nosítva):

qd

W

mmf0 2 2 2

4 4 5 200

1 24 598= ⋅

⋅= ⋅

⋅≅Φ

π π,.

A közölt számpéldában szereplő villamos ívet néhány kW hőáram és néhány ezerW/mm2-es hőáramsűrűség jellemzi. A hőáramsűrűség az ívre jellemző tartomány felsőrészében helyezkedik el, de nem éri el a nagy hőáramsűrűségű megkülönböztető meg-nevezéshez szükséges 10 kW/mm2-es alsó határértékét.

2.3. Szilárdfázisú anyag villamos ellenállásán fejlődő hőA Joule-Lenz törvény értelmében a szilárd fázisú villamos vezetőt a rajta átfolyó

áram teljes térfogatában hevíti:

E I t R t dtt

th= ⋅ ⋅

=! ( ) ( )2

0

, (2.13.)

ahol: E, J a villamos ellenálláson fejlődő energia,I A az ellenálláson átfolyó áram erőssége,R Ω az ellenállás nagysága,t s idő,th s hegesztési idő.

A hegesztésben szerepet játszó villamos ellenállás alapjában kétféle lehet:

♦ vezető belső ellenállása,♦ vezetők érintkezési ellenállása.

2.3.1. A vezető belső ellenállásaA fémek villamos ellenállása a szabadelektronok számával és mozgási lehetőségével

kapcsolatos. Az ismert képlet szerint az A keresztmetszetű, l hosszúságú vezető villa-mos ellenállása:

Rl

A= ⋅ρ (2.14.)

ahol: ρ Ω.mm a vezető anyagának fajlagos ellenállása,l mm a vezető hossza,A mm2 a vezető keresztmetszete.

Az anyagok fajlagos ellenállása különböző. Néhány, a hegesztési gyakorlatban fontosszerepet játszó fém(ötvözet) szobahőmérsékleti villamos ellenálása a 2.3 táblázatban ta-lálható.


Fém(ötvözet) Rendszám Fajlagos ellenállás T=20 °°°°C-onµµµµΩΩΩΩ.mm

Vas 26 0,90…1,00Alumínium 13 0,27…0.28Réz 29 0,17…0,18Nikkel 28 0,74…0,90Ötvözetlen szerkezeti acél 1,20…1,50Austenites CrNi acél 7,00…7,50NiCr ellenállásötvözet 10,0…11,0

2.3. táblázat. Néhány technikai fém(ötvözet) fajlagos villamos ellenállása szobahőmér-sékleten

A rácsszerkezettel szoros összefüggésben lévő fajlagos ellenállás a hőmérséklet függ-vénye: minél nagyobb a hőmérséklet, annál nagyobb a fajlagos ellenállás. Anemferromágneses anyagok (Al, Cu, austenites acél) esetében a fajlagos ellenállás a hő-mérséklettel másodfokú függvény szerint növekszik:

ρ ρ β βT T T= ⋅ + ⋅ + ⋅0 1 221( ), (2.15.)

ahol: ρT Ωmm a fajlagos ellenállás T hőmérsékleten,ρ0 Ωmm a fajlagos ellenállás szobahőmérsékleten,β1, β2 a fajlagos ellenállás hőmérséklettényezői,T °C hőmérséklet.

Lágyacélok esetén a β1 tényező értéke hozzávetőlegesen 0,004 1/°C. Vannak olyanfémötvözetek, amelyek ellenállása a hőmérséklettel alig változik.

Ferromágneses anyagok fajlagos ellenállása a bemutatottól eltérő, szintén nemlineárishőmérsékletfüggést mutat, amit az allotróp átalakulással rendelkező fémeknél és ötvöze-teknél (pl. a vasötvözeteknél) a fázisátalakulások is bonyolítanak (2.13. ábra).

0 200 400 600 800 1000 1200 14000

20

40

60

80

100

120

140

Hõmérséklet, oC

Fa

jlag

os

elle

ná

llás,

µΩ

. cm

Austenites acél

Ferrit

-per

lites a

cél

2.13. ábra. A fajlagos villamos ellenállás hőmérsékletfüggése


2.3.2. Érintkezési (átmeneti) ellenállásÖsszenyomott felületeken áthaladó áram az érintkezési helyen feszültségesést okoz,

vagyis a nem tökéletes érintkezés ellenállásként szerepel. Az érintkezési, vagy más né-ven átmeneti ellenállás a körülményektől függően jóval szélesebb sávban változik, minta vezetők belső ellenállása.

A kontaktusok fémes érintkezési felülete adott anyagpárosításnál az érdességtől, azérdességet deformáció révén megváltoztatni képes összeszorító erőtől és hőmérséklettől,valamint a felületi szennyezés jellegétől és vastagságától függ leginkább.

A 2.14. ábra a hőmérséklet és a felületeket összeszorító erő érintkezési ellenállásragyakorolt hatását mutatja be. Az Re érintkezési ellenállás nagysága néhány µΩ-tól a mΩ-os nagyságrendig terjed. Különösen nagy a reveréteggel borított (melegen hengerelt)termékek érintkezési ellenállása. A felületi szennyezés erős befolyása miatt reprodukál-ható hegesztett kötéseket csak tisztított felületeten lehet készíteni.

Re!

T oC0

Fe növekszik

2.14. ábra. Az érintkezési ellenállás változása a hőmérséklet és a felületeket összeszo-rító Fe erő függvényében

2.3.3. Az ellenállásponthegesztés energiaforrásaEllenállásponthegesztésnél vékony lemezek átlapolt kötését hengeres elektródokon

átfolyó áram felhasználásával végzik. A rézötvözetből készült (tehát jó villamosvezető)elektródokat a kN-os nagyságrendű Fe elektróderő szorítja a lemezekhez. Az össze-szorítás után az áramkörben th ideig nagy-áramerősségű, kisfeszültségű áram folyik,amely az egyes ellenállásokon hőt fejleszt. Az eljárás sikerének feltétele, hogy a kívánthegesztési helyen a hegesztéshez elégséges hőenergia fejlődjön, emellett más ellenál-lások ne hevüljenek túlzott mértékben.

Teljesen hasonló elven, de eltérő geometria mellett valósítható meg rúdanyagokellenálláshevítése, amelynek részleteire itt nem térünk ki.

Az ellenálláshőforrás annyiban különbözik a villamos ívtől, hogy a villamos energiaéppen a legmegfelelőbb helyen, magában a hegesztendő darabban, ott is a kívánt térfo-gatban alakul át hőenergiává. A hőforrás ennélfogva térfogati hőforrásként kezelendő.

A 2.15. ábra a ponthegesztőgép szekunder körében levő ellenállásokat mutatja. Azellenállások közül az R1, R2, R3 és R5 vezetők belső ellenállása, az R4 és R6 átmenetiellenállás.


Fe

Fe

AC380 VR1

R2

R2R3

R3

R4

R4

R5

R5R6

2.15. ábra. Az ellenállásponthegesztőgép szekunder körében található ellenállások vé-konylemezek átlapolt kötéseinek hegesztésekor

Az ellenállások megnevezése és relatív nagysága a 2.4. táblázatban található. A sze-kunder kör Re eredő ellenállása ezek összege:

R Re ii

==∑

1

6(2.16.)

Az ellenállások összegzésekor a 2.4. táblázatban közölt relatív értéke miatt az R1 ésR2 ellenállások figyelmen kívül hagyhatók. Az R3 ellenálláson fejlődő hő az elektródáthevíti, a fejlődő hő elvonásáról vízhűtés gondoskodik. Az elektród vízhűtésével, a tárgy-és az elektródfelszín tisztaságával, simaságával és kellő összeszorításával védekezünkaz ellen, hogy az R4 átmeneti ellenállás nagyra nőjön, különben az elektród a lemezhezhegedne, mint az durva hibás technológia mellett egyébként be is következik.

Az ellenállásjele)

Az ellenállás megnevezéseAz ellenállás relatív

nagysága

R1A transzformátor szekunder tekercsé-nek ellenállása

igen kicsi

R2Nagykeresztmetszetű rézvezető a sze-kunder tekercs és az elektród között

igen kicsi

R3 Az elektród ellenállása kicsi

R4Érintkezési ellenállás a lemez és azelektród között

közepes

R5A lemez ellenállása (hengeres rész azelektródok között)

nagy

R6Érintkezési ellenállás az összehegesz-tendő lemezek között

legnagyobb

2.4. táblázat. Az ellenállásponthegesztés jellegzetes ellenállásai


A hegesztés szempontjából hasznos ellenállások (R5 és R6) a legnagyobbak. Az ösz-szes befolyásoló tényezőt (közöttük elsősorban a felületi állapotot és az összeszorítóerőt) úgy kell beállítani, hogy ez a relatív nagyság-sorrend fennmaradhasson.

Ha a nagyon kis értékű R1, R2 és a kis R3 ellenállásokat elhanyagoljuk és az R4 el-lenállást tudatosan korlátozzuk, akkor az Re eredő ellenállás a következő alakúra egy-szerűsödik:

R R Re ≅ +5 6 . (2.17.)

Az R5 ellenállás azzal a közelítő feltételezéssel számítható, hogy az összeszorított le-mezeken csak az elektródátmérő által meghatározott hengeres térfogaton folyik áram(2.16. ábra). Az ábra jelöléseivel:

Rs

de5 2

4≅ ⋅ ⋅⋅

ρπ

. (2.18.)

A hegesztési folyamat közben a hőmérséklet exponenciális jelleggel növekszik. Ahőmérséklet növekedése az R5 ellenállásra a 2.13. ábrának megfelelően növelő hatássalvan.

R5

φ de

s

R sde

5 24= ⋅

⋅ρ

π

2.16. ábra. Az R5 ellenállás meghatározása

Az R6 érintkezési ellenállás szobahőmérsékleten nagy értékű, a hőmérséklet növeke-désével azonban a képlékeny alakváltozás feltételei javulnak, a makrokiemelkedések fo-kozatosan deformálódnak, a szennyezők összetöredeznek, egy részük elgőzölög, ennekkövetkeztében az érintkezés egyre jobb lesz és az R6 ellenállás értéke gyorsan csökken.

A 2.17. ábra szemléletesen mutatja a két ellenállás értékének hőmérsékletnövekedésokozta változási tendenciáját. A folyamat kezdetén kisebb R5 értéke a hőmérséklettelnő, a kezdetben jelentős R6 nagysága gyorsan csökken. A két ellenállás eredője maxi-mumos görbét ad ugyan, de a két ellentétes változási tendencia nagyjából kiegyenlítiegymást, ezért a teljes hegesztési folyamatban az eredő ellenállás azonos nagyságrendjeközelítőleg fenntartható.


T oC

RΩ

R6

R5

R5 + R6

2.17. ábra. A hőforrás hőáramát meghatározó ellenállások változása a hegesztési fo-lyamatra jellemző hőmérsékletnövekedés közben

2.3.4. Az ellenálláshegesztés energiaforrásának hőárama és hőáram-sűrűsége

Az ellenálláshegesztés hőáramát az ellenállásokon átfolyó áram villamos teljesítmé-nyével azonosíthatjuk, mivel az energiaátalakulás hatásfoka egyhez közeli:

Φ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅U I I Rcos cosϕ ϕ2 (2.19.)

Vegyük azt az egyszerű esetet, amikor s=2 mm-es acéllemezeket de=7 mm-eselektródával hegesztünk, I2=10 kA, U2=10 V, cosϕ=0,5 adatokkal. A (2.18.) egyenlettelszámolva:

Φ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =U I Wcos ,ϕ 10 10 000 0 5 50 000 .

A villamos kör átlagos eredő ellenállása:

RI

me =⋅

=⋅

= = =Φ Ω Ω2 2

50 000

10 000 0 50 001 1 1000

cos ,,

ϕµΩ .

Az elektródátmérőre vonatkoztatott hőáramsűrűség:

qd

W

mme0 2 2 2

4 4 50 000

71 299= ⋅

⋅= ⋅

⋅≅Φ

π π

A közölt egyszerű számpélda szerint az ellenálláshegesztésnél (rövid ideig) néhány-szor 10 kW hőárammal és néhány száz, vagy ezer µΩ nagyságrendű eredő ellenállássallehet számolni. A hőáramsűrűség nagyságrendje megfelel az ívhőforrás közepes és felsőtartományának, de nem éri el a nagy hőáramsűrűségű megkülönböztető megnevezéshezszükséges 10 kW/mm2-es alsó határértékét.

Balogh A.: A hegesztés hőfolyamatai 3/1

3. A HEGESZTÉS HŐFOLYAMATAI

A 3. fejezetben alkalmazott jelölésekT hőmérséklet a P(x,y,z) pontban, °C ,

T0 kezdeti (szoba- vagy előmelegítési) hőmérséklet, °C ,

Φ hőáram, W ,

λ hővezetési tényező, W

mm K⋅,

R 3D helyvektor, mm ,

r 2D helyvektor, mm,

vh hegesztési sebesség, mm

s ,

Ev vonalenergia, ( )Evvh

= Φ,

J

mm,

a diffuzivitás ( )acp

=⋅

λρ

,mm

s

2,

x a hőforrás haladási irányával egybeeső koordináta, mm

y a hőforrás haladási irányára merőleges koordináta, mm,

z a munkadarab normálisával egybeeső koordináta, mm,

s falvastagság, mm,

sh1 határfalvastagság a 2D és a 2,5D modell között, mm,

sh2 határfalvastagság a 2,5D és a 3D modell között, mm,

K0(u) módosított, nullarendű, másodfajú Bessel függvény,

u a Bessel függvény argumentuma,ν konvekciós függvény,

α f konvekciós együttható, W

mm C2⋅°,

η termikus hatásfok,

U hegesztési feszültség, V,

I hegesztő áramerősség, A,

ϕ a hegesztési feszültség és a hegesztő áram közötti fázisszög, radián,

t2D a -x tengely pontjainak hűlésideje 850 °C-ról 500 °C-ra a vékonylemez mo-dellben, s,


t2,5D a negatív x tengely pontjainak hűlésideje 850 °C-ról 500 °C-ra aközépvastag lemezekre, s,

t3D a negatív x tengely pontjainak hűlésideje 850 °C-ról 500 °C-ra a nagytestmodellben, s

w hűléssebesség, °C

s.

A hegesztés definiciójában láttuk, hogy egy hegesztő eljárást (a hideghegesztést) ki-véve valamennyi estben az alapanyagot valamilyen hőforrással hevítik. A hevítési fo-lyamatban kulcsszerepet tölt be a hőforrás, amelynek hőárama (teljesítménye), de főleghőáramsűrűsége (koncentráltsága) meghatározza a hegesztés teljesítményét és ahegesztendő anyag befolyásolásán keresztül a készítendő varrat minőségét. Régi törek-vés irányul arra, hogy a hőforrásból a hegesztendő anyagba átszármaztatott hőmennyiségokozta metallográfiai és egyéb változások nyomon követésére egy jól használhatóhőterjedési elmélettel rendelkezzünk.

A hővezetés differenciálegyenletének hegesztésre alkalmazható megoldását 1935-benRosenthal és 1947-ben Rykalin publikálta. A két elmélet között nagy a hasonlóság, ko-rábbi összehasonlító munkájukban szerzők az elméletek között több azonosságot is ki-mutattak. A két egyenértékű modell közül nyugat-Európában és Amerikában aRosenthal, közép- és kelet-Európában és a szovjet utódállamokban a Rykalin egyenlete-ket oktatják és használják. Napjainkban a két elmélet fejlesztése a számítástechnikafejlődése és a végeselemes analízis elterjedése révén új lendületet kapott.

3.1. ModellalkotásMivel a hegesztést meghatározó fő körülmények rendkívül változatosak, a hőter-

jedési esetek leírására a hőforrások és a hegesztendő tárgyak jellegzetességei alapjánkülönböző modelleket kell képezni.

A hőforrások térbeli kiterjedése alapján a következő lehetőségeink vannak (N1):

♦ pontszerű (0D) hőforrás,♦ vonalszerű (1D) hőforrás,♦ foltszerű (2D) hőforrás,♦ volumetrikus (3D) hőforrás.

A hőforrások haladási sebességét illetően a következő esetekkel kell számolni (N2):

♦ álló hőforrás,♦ lassan mozgó hőforrás,♦ gyorsan mozgó hőforrás.

A hőforrás sebessége viszonylagos, mivel azt a hővezetés sebességéhez kell ha-sonlítani: amennyiben a hőforrás gyorsabban mozog, mint ahogy a hő terjed a hőforráshaladási irányában, úgy gyors, ellenkező esetben lassú hőforrásról beszélünk (máskéntfogalmazva: a gyors hőforrás előtt nincs melegedés, a lassú előtt van).


A hegesztendő tárgy a hőforráshoz hasonlóan nagy változatosságot mutat. A tárgyakteljes körű leírására a következő geometriai alakzatokat és aleseteket kell figyelembevenni (N3):

♦ félvégtelen (nagyméretű) tárgy (3D),♦ vastag lemez (3D),♦ középvastag (normál) lemez (2,5D),♦ vékony lemez (2D),♦ rúd (1D).

Ha valamennyi esetet figyelembe vesszük és közülük nincsenek egymást kizáró ese-tek, abban az esetben a lehetséges modellek száma:

N N N Nm = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ =1 2 3 4 3 5 60 . (3.1.)

3.2. A gyakorlat szempontjából legfontosabb modellekEbből a hatvan modellből a témával foglakozó kutatók eddig három modellra fordí-

tottak megkülönböztetett figyelmet:

1. nagyméretű tárgy, lassan mozgó, pontszerű hőforrás (a következőkben a rö-vidségre való törekvés miatt nevezzük 3D, vagy nagytest-modellnek),

2. vékony lemez, lassan mozgó, pontszerű hőforrás (a következőkben 2D, vagy vé-konylemez-modell).

3. középvastag lemez, lassan mozgó, pontszerű hőforrás (a következőkben 2,5D,vagy középvastaglemez-modell).

A hőfolyamatok leírására egységes koordináta rendszert használnak, amelyben ahőforrás a tárgy felszínén elhelyezkedő x tengely irányában halad egyenletes v sebesség-gel, az y és a z tengely az x tengelyre merőleges, olyan irányítottsággal, hogy jobbsodrá-sú rendszert alkossanak és a pozitív z tengely az anyagba irányuljon (3.1. ábra).

s

xy

z

3.1. ábra. A különféle testmodellek egységes koordináta rendszere

3.2.1. A nagytest-modellA nagytest-modell levezetésekor tett egyszerűsítő feltételek az irodalomban rész-

letesen megtalálhatók, ezért ezek ismertetésére ezen a helyen nem térünk ki. A


hővezetés domináns szerepe mellett a csekély jelentőségű felületi hőátadás (konvekció)a nagytest-modellnél elhanyagolható. A számításra alkalmas összefüggés állandósultállapotot feltételezve (a hőtranziens jelenségek csak a hegesztés első és utolsó egy-kétmásodpercére korlátozódnak, vagyis arra az időre, amikor a varratszélesség még válto-zik):

T TR

v

ah x R

= +⋅ ⋅ ⋅

⋅−

⋅⋅ +

0 22Φ

π λe

( ), (3.2)

R x y z= + +2 2 2 . (3.3)

3.2.2. A vékonylemez-modellA vékonylemez modellnél a hővezetés meghatározó jellege elvész, a nagyobb fe-

lület/térfogat viszony miatt a konvekció szerepe felértékelődik. A kis vastagságirányúméret miatt a z irányú hőmérsékletváltozás elhanyagolható, ezért a helykoordináta isegyszerűsödik:

r x y= +2 2 . (3.4)

A vékonylemez-modell állandósult állapotát leíró hőmérsékletfüggvény a következőalakú:

T Ts

v r

a

v x

ah

h= +⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ − ⋅⋅

− ⋅⋅

0 02 22Φ

π λνe K ( ), (3.5)

νλ α

ρ= +

⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅1

82

f

h pv c s( )(3.6)

A vékonylemez modell használatát (a pontos számításokat és a függvényművele-teket) a Bessel függvény nagyon megnehezíti, ezért számos törekvés irányult arra, hogya K0(u) függvényt egyszerűbben kezelhető és differenciálható függvényekkel közelítsék.Maga Rosenthal is javasolt erre a célra exponenciális helyettesítő függvényt.

3.2.3. A két modellt elválasztó határfalvastagágA nagytest-modell és a vékonylemez-modell adott érvényességi tartománnyal ren-

delkezik. A két modell alkalmazhatósági tartományát elválasztó ún. határfalvastagságot(shat) az x tengely (varratközépvonal a tárgy felületén) hűléssebességének vagy hűlésiidejének (t8.5-5) egyenlőségi feltételéből számíthatjuk:

sv c T Thath p

=⋅ ⋅ ⋅ −

+−

!"#

$%&

Φ2

1

500

1

8500 0ρ(3.7)

A lemezmodell mindaddig érvényes, amíg az x tengelyen elhelyezkedő pontok hűlésiideje nagyobb, minta nagytest-modellre érvényes konstans hűlésidő (3.1. ábra).


5 15 25 35 450 10 20 30 40 50Plate thickness, mm

5

15

25

35

0

10

20

30

40

Coo

ling

time

from

850

°C to

500

°C, s

slim

2D 3D

3.1. ábra. A határfalvastagság értelmezése a hűlési idő alapján

A (7) összefüggés szerint az shat határfalvastagság a hegesztendő anyag azonosságamellett a technológiai paraméterektől függ, vagyis nem tekinthető állandó értéknek.Szerkezeti acél alapanyag esetére érvényes shat határfalvastagságnak a hegesztésrejellemző vonalenergiától és az előmelegítési időtől való függését a 3.2. ábrán mutatjukbe.

A 3.2. ábra szerint a vonalenergia hatása a lineárisnál gyengébb (degresszív para-bola), az előmelegítési hőmérsékleté a lineárisnál erősebb (progresszív). Ahatárfalvastagság értékei a gyakorlatban leginkább előforduló vonalenergia-tarto-mányban 25 mm alatti, és előmelegítést alkalmazva sem haladja meg az 50 mm-t. A 10…30 mm lemezvastagságtartományban a végtelen nagyságú z tengely irányú hővezetésa gyakorlati tapasztalatoknak erősen ellentmond, ezért a kétdimenziós hővezetés modellebben a falvastagság-intervallumban nem tartható.

3.2.4. A középvastag lemezek problémájaA gyakorlatban leggyakrabban középvastag lemezeket kell hegeszteni. Erre a tárgy-

méretre sem a konvekciót figyelmen kívül hagyó nagytest-modell, sem a végtelen nagyvastagságirányú hővezetési tényezővel (λ z) operáló vékonylemez-modell nem adkielégítően pontos megoldást. A modellalkotás problémája, hogy a középvastag leme-zeknél háromdimenziós hővezetés egészül ki felületi hőátadással, vagyis teoretikusan,első közelítésben egyik fizikai jelenség sem hanyagolható el.


0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000

Linear energy, J/mm

0

10

20

30

40

50Li

mit

thic

knes

s, m

m

T0=20°C

T0=200°CT0=400°C

3.2. ábra. A határfalvastagság változása a vonalenergia és az előmelegítési hőmérsékletfüggvényében

Az előzőkből egyenesen következik, hogy olyan modellt kell alkotni, amely a há-romdimenziós hővezetés mellett a konvekciót sem hagyja figyelmen kívül.

Induljunk ki Rosenthal egyszerűsítéséből, amelynek során a (3.5) összefüggésbenszereplő Bessel függvényt exponenciális függvénnyel helyettesítette:

T Ts

a

v rh

v

ax rh

= +⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅⋅

⋅−

⋅+

0 22Φ

π λπ

e( )

. (3.8)

Az egyszerűsített Rosenthal modell hiányossága, hogy elhanyagolja a konvekciót,ennek ellenére a konvekciót is figyelembe vevő, Bessel függvényes Rykalin féle hő-mérsékletekkel a legkisebb falvastagságokat (s<5 mm) kivéve meglepően jó egyezéstmutat (3.3. ábra). Ebből arra lehet klövetkeztetni, hogy az s>5 mm tartományban azegyszerűsített Rosenthal hőmérsékletfüggvény alkalmas a középvastag lemezekre érvé-nyes hőmodell leszármaztatására.


0 10 20 30 40 50

Plate thickness, mm

0

250

500

750

1000

1250

1500Te

mpe

ratu

re, °

C2D-Rykalin

2.5D-Kirk2.5D-Balogh

2D-Rosenthal, m.

Tmelt

3D-Rykalin

3.3. ábra. A különböző modellek hőmérsékleteinek összefüggése a lemezvastagság-gal, Ev=1250 J/mm vonalenergia mellett, a P0(-25, 10, 0) pontban

A középvastag lemezmodell származtatásakor figyelembe kell venni a véges nagysá-gú, és a másik két főiránnyal azonos értékű z irányú hővezetést ( )λ λ λ λz x y= = =és az ebből következő 3D helyvektort (R). A nagytest- és a vékonylemez-modell közöttifolyamatos átmenet biztosítására a nagytest modellre kidolgozott összefüggésbe a fal-vastagság valamilyen függvényét kell bevezetni..

A szerzőtől származó középvastag lemezmodell (ún. 2.5D modell) ezek után akövetkező alakú:

T Tk s

a

v RsB h

v

ax Rh

= +⋅ ⋅

⋅ ⋅⋅

⋅−

⋅+

0 22Φ

λπ

(ln )e

( ), (3.9)

ksB = ⋅20

10 2π

(ln ). (3.10)

A hőmérsékletfüggvény illesztésére a ksB korrekciós tényező szolgál. A (3.10) sze-rinti korrekciós tényező biztosítja, hogy a hőmérsékletek s=10 mm esetén megegyeznekaz egyszerűsített 2D-s modellekre jellemző értékekkel (3.3. ábra).

Mivel a középvastag lemezmodell tartalmazza a 2D modellre jellemző s falvas-tagságot és a 3D modellre jellemző háromdimenziós hővezetést (R helyvektor), a mo-dellt 2,5D modellnek nevezzük. A (3.9) és a (3.10) összefüggésekkel adott ún. 2,5Dmodell hőmérsékletmezeje a lemezvastagságtól és a z irányú koordinátától is függ, ezérta 3.3. ábrából jól láthatóan egy adott vonalenergiánál a hőmérsékletek a nagytest- és a


lemezmodellt jellemző értékek közé esnek. Ezen túlmenően az egyenlet a hely-idő ko-ordinátákra érzékeny és ezért alkalmasabb a hegesztés fizikai és dinamikai jellemzőinekleírására, mint a korábbi összefüggések.


5

15

25

35

0

10

20

30

40

Coo

ling

time

from

850

°C to

500

°C, s 2D-Rykalin

2.5D-Kirk2.5D-Balogh3D-Rykalin

3.4. ábra. A hűlésidő és a lemezvastagság összefüggése a különböző modelleknél aze(x, 0, 0) egyenesen (a varrat szimmetriavonalán, a lemez felső síkjában)

A 3.3. ábra jól szemlélteti, hogy a (11) egyenlettel számított hőmérsékletgörbes=10 mm falvastagság felett a Kirk féle 2.5D modell görbéje alatt, s< 10 mm-tarto-mányban a Kirk görbe fölött halad, és ez utóbbi falvastagságtartományban a hőmérsékletigen jól egyezik a Rosenthal féle egyszerűsített 2D modell által előre jelzett értékekkel.

A 3.4. ábra bizonyítja, hogy a modellalkotáskor kitűzött célt sikerült elérni, mivel ahűlésidők (és így a hűléssebességek is) jó átmenetet adnak a 2D és 3D modell között.

A Balogh féle 2.5D modell alkalmazási tartománya a hőmérsékletgörbe 2D és 3Dmodellek hőmérsékletgörbéivel alkotott metszéspontjai (a bemutatott példábansh1=10,00 mm és sh2=27,69 mm) által határolt falvastagságintervallum (3.5. ábra). Bára metszéspontok az anyag fizikai jellemzőitől és a hegesztés adataitól függenek, az ér-vényességi tartomány a gyakorlati esetekben 5…10 mm alsó határtól 20…30 mm felsőhatárig terjedőnek prognosztizálható, ami valóban a középvastag lemezek területe.



5

15

25

35

0

10

20

30

40

Coo

ling

time

from

850

°C to

500

°C, s 2D-Rykalin

2.5D-Balogh

3D-Rykalin

sh1 sh22D 2.5D 3D

3.5. ábra. A 2D, a 2.5D és a 3D modell érvényességi területe Ev=1250 J/mm vonal-energia mellett, szerkezeti acélon

A 2D modellek analízise megmutatta, hogy a felületi hőátadás csak a vékony(s<5 mm) falvastagságoknál szignifikáns, ennél nagyobb falvastagságoknál a Rosenthalféle, a konvekciót elhanyagoló (közelítő) képlet csaknem azonos eredményt ad az ere-deti 2D modellel. Ennek az eredménynek a birtokában lehetséges volt a szerző általmegalkotott 2.5D modelleket a Rosenthal féle közelítő függvényre alapozni.

3.3. A középvastag modell jellemzőiA zömében exportra dolgozó hazai hegesztőiparban jól érzékelhető trend a nagyszi-

lárdságú alapanyagok, illetve a középvastag és a vastag lemezek részarányának növe-kedése. Mind a két trend hegeszthetőségi nehézségeket valószínűsít. Ha ehhez hozzá-vesszük, hogy a rendszerint közeli vállalási határidők miatt a hegesztőmérnöknek csakrövid idő áll rendelkezésre a hegesztési terv és a megfelelő WPS-ek kidolgozásához,akkor nem vitatható, hogy egyre nagyobb szükség van/lesz mindenki által használható,közérthető számítógépes háttér alkalmazására. Ehhez a hardver eszközök csaknem min-denütt rendelkezésre állnak, a piacon egyre jobb szoftver kapható és gyorsuló ütembenfolyik a fejlesztésük. A számítógép nyújtotta előnyök kiaknázása azon fog múlni, hogy ahegesztőmérnökök rendelkeznek-e a munkájukat megkönnyítő, jobbító és gyorsító szá-mítógépes módszerek elsajátítására és alkalmazására kellő elszántsággal és akarattal.

A nagyszilárdságú (Rp>355 MPa) és a középvastag (első közelítésben s=10…30),illetve vastag (s>30 mm) acéllemezek hegesztésekor a hidegrepedés elkerülésének főösszetevőit (edződés, diffúzióképes hidrogéntartalom, alakváltozási gátlások) a szakmaielőírások igyekeznek számszerűsíteni. A szakirodalomban, hegesztési szabályzatokban,kódokban és szabványokban számos adatot találhatunk a hidrogénnel és az alakváltozásigátlásokkal kapcsolatban. Az alapanyaggal leginkább összefüggő problémát, a felkemé-nyedés megfelelő keretek között tartását a hőfolyamatok követésével lehetséges kikü-szöbölni.


3.3.1. A hegesztett kötés felkeményedésének korlátozásaAz MSZ EN 288-3 sz. szabvány egyértelműen rendelkezik az egy- és többrétegű,

hőkezelt vagy hőkezelés nélküli hegesztett kötésekben megengedhető maximális ke-ménységekről. Az ott megadott értékek szakmai szempontból megalapozottnak tekint-hetők és megfelelően pontosítják az egykori (és a maga idejében progresszív) MSZ 6280szabvány hegesztési mellékletének adatait. A keménységkorlátozásokat úgy kell tekin-teni, mint a hidegrepedés elkerülésének szükséges, és ezért mindenképpen betartandó,de nem elégséges feltételét.

Egy adott vegyi összetételű acélból gyártandó, előírt méretű és alakú hegesztett szer-kezet maximális keménysége a hőbeviteltől és az anyag fizikai jellemzői által meg-határozott hőterjedési folyamatoktól, illetve az ezek végtermékeként előálló legnagyobbhűlési sebességtől függ. A hűlési sebesség és a keménység (pontosabban a keménységreszignifikáns hatással levő szövetszerkezet) között a folyamatos hűlésre érvényes átala-kulási diagramok (általános C görbék, hegesztési C görbék) teremtenek kapcsolatot. Hatehát pontosan ismerjük az alapanyag C görbéjét és a kötés kritikus helyein fellépőhűléssebességet, akkor a várható keménységet költséges és időigényes előkísérletek nél-kül is meg tudjuk határozni. Ennek a tevékenységnek két oldala van: az átalakulási diag-ramok pontosítása és a hegesztett kötés hűlési viszonyainak valósághű meghatározása.Szerző jelen munkájával ez utóbbi tevékenység javításához kíván hozzájárulni.

3.3.2. A hűléssebesség meghatározásának jelenlegi lehetőségeiJelen ismereteink szerint a hűléssebesség kistehetetlenségű eszközöket felhasználó

mérésösszeállítással, vagy számítással határozható meg. A fejlett műszaki kultúrájú or-szágok által diktált trend szerint a számítógépes szimuláció részaránya a technológiaifolyamatok tervezésében erőteljesen növekszik, és a kísérleteket egyre inkább csak aszimulációs eredmények ellenőrzésére használják, illetve fogják alkalmazni a jövőben.

A hűléssebesség számításos meghatározására a hegesztési hőfolyamatok modellezéserévén nyílik lehetőség. A körülményeket számbavevő elemzésünk szerint mintegy hat-van modellel lehet a hegesztési folyamatokat leírni.

A hűléssebesség analitikusan is áttekinthető számítására olyan közismert képletekállnak rendelkezésünkre, amelyek a hőmérsékletfüggvények bonyodalmakat okozó tag-függvényeit (exponenciális és Bessel függvények) kiküszöbölő feltevésekkel állíthatókelő. Ilyen feltevés, hogy az 1. ábrán bemutatott koordináta rendszerben a varrat tárgyfel-színi szimmetriatengelyén, a hőforrás mögött vizsgálják a hűléssebességet.

A nagytest modellre érvényes hűléssebesség ennek megfelelően a negatív x tengelyen(y=z=0; x<0) a következő:

wE

T TDv

3 022= − ⋅ ⋅ ⋅ −π λ ' ( . (1)

Ugyanezen az elven elvégzett levezetés a vékonylemez modell negatív x tengelyénekhűléssebességére (Rosenthal közelítésének felhasználásával) az alábbi összefüggésteredményezi:


wc s

ET TD

p

v2

2

2 032

= −⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ −π λ ρ ' ( . (2)

A számítás eredménye természetesen tájékoztató, mert nem a hőhatásövezet varrattalhatáros legkritikusabb helyén számolja a hűlési sebességet, hanem abban a varratban,amely döntő hányadban a hegesztés követelményeit az alapanyagénál sokkal inkább fi-gyelembe vevő hegesztőanyagból jön létre. Az (1) és a (2) összefüggés azonban felülrőlhatárolja a varratmenti zóna hűléssebességét, ezért a változók hatásait tükröző elemzé-sek és számítások céljaira továbbra is jól megfelelőnek tartjuk. Pontosabb számítások-hoz, így a technológiatervező programokban és szakértői interaktív rendszerekbenazonban a pontosabb megoldásokat kell előnyben részesíteni, akár létezik analitikusmegoldás, akár nem.

4. A középvastag lemezek problémájaA gyakorlatban leggyakrabban középvastag lemezeket kell hegeszteni. Erre a tárgy-

méretre sem a konvekciót figyelmen kívül hagyó nagytest-modell, sem a végtelen nagyvastagságirányú hővezetési tényezővel (λ z) operáló vékonylemez-modell nem ad ki-elégítően pontos megoldást [4]. A modellalkotás problémája, hogy a középvastag le-mezeknél háromdimenziós hővezetés egészül ki felületi hőátadással, vagyis első kö-zelítésben egyik fizikai jelenség sem hanyagolható el.

Induljunk ki a vékonylemez-modell állandósult állapotát leíró hőmérsékletfüggvényma ismert legpontosabb alakjából [2, 3]:

T Ts

v r

a

v x

ah

h= +⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅ − ⋅⋅

− ⋅⋅

0 02 22Φ

π λνe K ( ), (3)

ahol:

νλ α

ρ= +

⋅ ⋅

⋅ ⋅ ⋅1

82

f

h pv c s( ). (4)

Az egyszerűbb kezelhetőség érdekében Rosenthal a (3) összefüggésben szereplőBessel függvényt exponenciális függvénnyel helyettesítette [2]:

T Ts

a

v rh

v

ax rh

= +⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅⋅

⋅−

⋅+

0 22Φ

π λπ

e( )

. (5)

A hőáram kiszámítása villamos ív hőforrás esetére, általánosan:

Φ = ⋅ ⋅ ⋅η ϕU I cos( ) (6)

Az egyszerűsített Rosenthal modell hiányossága, hogy elhanyagolja a konvekciót,ennek ellenére a konvekciót is figyelembe vevő, Bessel függvényes Rykalin féle hő-mérsékletekkel a legkisebb falvastagságokat (s<5 mm) kivéve meglepően jó egyezéstmutat (2. ábra). Ebből arra következtünk, hogy az s>5 mm tartományban az egysze-


rűsített Rosenthal hőmérsékletfüggvény alkalmas a középvastag lemezekre érvényeshőmodell leszármaztatására.

0 5 10 15 20 25 30Lemezvastagság, mm

12.5

37.5

62.5

0.0

25.0

50.0

75.0

Hőm

érsé

klet

külö

nbsé

g, °

C

deltaT=T Rhosenthal egyszerűsített - T Rykalin2D

2. ábra. A teljes és a közelítő függvénnyel számított hőmérsékletek különbsége a 2Dmodellre. Ev=1250 J/mm

5. Új 2,5D modell középvastag lemezek állandósult hőmér-sékleteinek számítására

A 2D-s vékonylemez modell és a 3D nagytest modell közötti átmeneti sávban he-lyezkednek el a középvastag lemezek, amelyekre az előzőkben részletezett okokból egyúj, ún. 2,5D modell megalkotása vált szükségessé. A modell egyesíti a vékonylemezekfalvastagságfüggését a nagytest modellre jellemző háromdimenziós hővezetéssel. Amodell kidolgozásánál figyelembe vettük a CREAME projekt keretében velünk együtt-működő partnerünk, a University of Bath kutatóinak munkásságát [5, 6, 7]. Az új 2,5Dmodell állandósult hőmérsékletek számítására alkalmas összefüggése a következő:

T Tk s

a

v RsB h

v

ax Rh

= +⋅ ⋅

⋅ ⋅⋅

⋅−

⋅+

0 22Φ

λπ

(ln )e

( ), (7)

ksB = ⋅20

10 2π

(ln ). (8)

A (7) összefüggés három tagfüggvény szorzatából áll. Az első függvény a nevezőbena lemezvastagság logaritmusának négyzetét tartalmazza, ami jelentősen eltér a vé-konylemez modellre jellemző 1/s értéktől. A második és a harmadik tagfüggvény első-sorban a hőforrás haladási sebességének bonyolult hatását és a vizsgált pont hőforrástólmért távolságát fejezi ki és az első részhez hasonlóan az anyagra jellemző fizikai té-nyezőket tartalmaz.


A ksB illesztési tényező biztosítja, hogy s=10 mm lemezvastagságnál a 2,5D modellugyanazt a hőmérsékletet eredményezze, mint az (5) jelű, Rosenthal féle egyszerűsítettfüggvény és csak jelentéktelen különbség legyen a pontos 2D modellel számított ered-ményhez képest (3. ábra).

6. Hűléssebesség az új 2,5D modellbenA (7) összefüggéssel adott hőmérsékletfüggvény a valós (pozitív) lemezvastagság-

tartományban folytonos és differenciálható, ezért a közvetett differenciálási szabályokszerint a hűléssebesség meghatározható:

wT

t

T

x

x

t= = ⋅∂

∂∂∂

∂∂

. (9)

Figyelembe véve, hogy konstans hőforrássebességnél v x th = ∂ ∂/ , a hűléssebességszámítóképlete a 2,5D modellre:

wk c s T T

ED

sB p

v2 5

2 40

3

22,

ln= −

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ −

⋅ ⋅

λ ρ

π

' ( ' (. (10)

0 10 20 30 40 50Lemezvastagság, mm

0

250

500

750

1000

1250

1500

Hőm

érsé

klet

, °C

2D-Rykalin

2.5D-Balogh

2D-Rosenthal, m.

Tolv

3D-Rykalin

3. ábra. A 2D, 2,5D és a 3D modellekkel számított hőmérsékletek és a lemezvastagságösszefüggése szerkezeti acélokra. (Ev=1250 J/mm, T0=20 °C.)

A (10) összefüggés szerint a középvastag lemezek T hőmérsékleten számított hűlés-sebessége egyenesen arányos az anyag hőfizikai jellemzőivel, a T hőmérséklet és a kez-deti hőmérséklet különbségének köbével, a lemezvastagság természetes logaritmusánaknegyedik hatványával és fordítottan a vonalenergia négyzetével. A gyakorlati tapaszta-latokkal megegyezően ez azt jelenti, hogy a varrat középvonala annál gyorsabban hűl,minél nagyobb a falvastagság (4. ábra), illetve minél kisebb a kezdeti hőmérséklet és avonalenergia.



-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Hűl

ési s

ebes

ség

500

°C-o

n, °

C/s

Balogh 2.5DRykalin 2.5DRykalin 3D

4. ábra. A hűléssebesség és a lemezvastagság összefüggése szerkezeti acélokra(Ev=1250 J/mm, T1=500 °C, T0=20 °C)

A 4. ábra kezdeti szakaszát érdemes felnagyítani annak érdekében, hogy megítél-hessük, vajon az új modell milyen közelítést ad a vékonylemez tartományban. Az 5. áb-ra szerint az eltérések az adott esetben jelentéktelenek, ami az új 2,5D modell jóságáttámasztja alá, az azonban feltétlen figyelmet érdemel, hogy a két görbének az adott fal-vastagság - intervallumban két metszéspontja van.


-10

-8

-6

-4

-2

0

Hűl

ésse

bess

ég 5

00 °

C-o

n, °

C/s

Balogh 2,5DRykalin 2DRykalin 3D

5. ábra. A hűléssebességek a vékonylemez-tartományban. A jellemző adatok meg-egyeznek a 4. ábrán feltüntetettekkel


A (10) összefüggés lehetővé teszi tetszőleges T hőmérsékleten meghatározni a hő-forrás mögötti varratvonal hűléssebességét. Számítógépes programok céljaira ugyanak-kor olyan numerikus megoldást dolgoztunk ki, amely a munkadarab tetszőleges pont-jában képes a hűléssebességet az adott T hőmérséklethez rendelni.

7. Hűlésidő az új 2,5D modellbenSzámítógép nélküli gyorselemzésekhez az átalakulási diagramokba egyszerűen beje-

lölhető hűlésidőket célszerű használni. Ilyen kiválasztási technikákat az MSZ 6280anyagszabvány hegesztési függelékéhez hasonlóan más irodalmi forrásokban is talál-hatunk.

A két kitüntetett hőmérséklet (többnyire az Ac3=850 °C és a C görbék orrpont-hőmérséklete Tnp=500 °C) közötti hűlésidő a hűléssebességek integrálközépértékébőlszámítható a következő módon:

tdT

wD2 5850

500

, = ) (11)

Behelyettesítve a (10) egyenlettel adott hűléssebesség - összefüggést, az integráláselvégzése után a következő végeredményt kapjuk:

tE

k c s T TD

v

sB p2 5

2

2 41

500 02

1

850 02,

ln= ⋅

⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅

−−

−

*

+,,,

-

.///( ) ( )

πλ ρ ( )

. (12)

A hűléssebességet befolyásoló vonalenergia és falvastagság hatását szerkezeti acélokesetére a 6. és a 7. ábrán mutatjuk be . A 6. ábra előmelegítés nélküli esetre (T0=20 °C), a 7. ábra az MSZ EN 288-3 sz. szabvány szerinti 1, 2 és 3. anyagcsoportokkallefedett acélok hegesztéséhez ajánlott legmagasabb előmelegítési hőmérsékletre(T0=150 °C) [8] vonatkozik. A két diagram közötti interpolációval tetszőleges közbensőelőmelegítési hőmérsékletekre is meghatározható tájékoztató hűléssebesség. A két ábrá-ban szereplő vonalenergia-tartomány a legszélesebb körben használt hegesztő eljárások(AWI, BKI, VFI, FH) leggyakrabban használt értékeit fedi le, ezért a gyakorlati munká-ban jól használható.


5 15 25 35 45 5510 20 30 40 50Lemezvastagság, mm

-100

-80

-60

-40

-20

0

Hűl

ésse

bess

ég, °

C/s

2D

2,5D

3Dsh2

sh1

20001500

500

750

Ev=2500 J/mm

12501000

6. ábra. A hűléssebességek a középvastaglemez-tartományban, különféle vonalener-giáknál (T1=500 °C, T0=20 °C).

Az ábrából jól látható módon a középvastag lemezek tartományát kéthatárfalvastagság, a 2D és a 2,5D modellek közötti konstans sh1 (az ábrán függőlegesvonal s=10 mm-nél) és a 2,5D és a 3D modell közötti, az Ev vonalenergiával növekvőértékű sh2 falvastagság határolja. A határfalvastagságok összefüggése (a levezetésekmellőzésével) a következő:

s mm konstah1 = =10 ns, (13)

sE

k c T Th

v

sB p2

2

24

2 1

500 0

1

850 0= ⋅ ⋅

⋅ ⋅ −+

−

!"#

$%&

*

+,,

-

.//( ) ( )exp

πρ

. (14)


5 15 25 35 45 55 6510 20 30 40 50 60 70Lemezvastagság, mm

-50

-40

-30

-20

-10

0

Hűl

ésse

bess

ég, °

C/s

2D2,5D

3Dsh2

sh1

20001500

1000

500750

Ev=2500 J/mm

1250

7. ábra. A hűléssebességek a középvastaglemez-tartományban, különféle vonalener-giáknál (T1=500 °C, T0=150 °C).

A (10) összefüggés és ennek grafikus megjelenítése (6. és 7. ábra) szemléletesenmutatja, hogy a középvastag lemezek és a nagyméretű tárgyak (vagyis a 2,5D és a 3Dmodell) közötti határfalvastagság elsősorban a vonalenergia és az előmelegítési hő-mérséklet függvénye, vagyis teoretikusan nem középvastag lemezekről, hanemközépvastagként viselkedő lemezekről lenne helyes beszélni. Amikor hegesztéskor le-mezvastagságot említünk, erre a szemléletmódra célszerű gondolni.

A középvastag lemezekre vonatkozó elmélet és hűléssebesség nomogramok közrea-dásakor emlékeztetni szeretnénk a tisztelt olvasót arra, hogy a hidegrepedés-veszély ér-tékelésekor a gyorsabb hűléshez tartozó szövetszerkezetváltozás okozta felkeményedésmellett a további rizikófaktorokat (diffúzióképes H tartalom és a szerkezet szabad alak-változásának korlátozottsága (merevség) is figyelembe kell venni.

8. KövetkeztetésekA 355 MPa-nál nagyobb folyáshatárú (normalizált, termomechanikusan kezelt, vagy

nemesített finomszemcsés) acéloknál minden esetben, a 355 MPa-os folyáshatárú acélokhegesztésénél gyakorta a hidegrepedések megelőzése a technológiatervezés sarokpontja.A hidegrepedési érzékenységet fokozó felkeményedési folyamat szövetszerkezetieredetű, amelynek ismeretéhez egyfelől a hagyományos vagy a hegesztési átalakulási di-agramok, másfelől a hűléssebesség ismerete szükséges.

A hegesztési gyakorlatban előforduló acélok nagyon gyakran az ún. középvastag-lemezek közé tartoznak, vagy helyesebben fogalmazva középvastag lemezként visel-kednek. Az erre az esetre kidolgozott új, ún. 2,5D modell analitikus megoldást kínál afelkeményedés előrejelzéséhez a szokásos varratközépvonalra egyszerűsített kézi szá-


mításokhoz, illetve tetszőleges térbeli pontban érvényes, számítógépes, numerikus fel-dolgozáshoz.

A közölt nomogramok különböző vonalenergiák és előmelegítési hőmérsékletekesetére (a lemezvastagság függvényében) adják meg az 500 °C-ra érvényes hűléssebes-séget, amit a hegesztő szakemberek a mindennapi munkájukban közvetlenül felhasz-nálhatnak.

Balogh, A.: A hozaganyag hevítése, megolvasztása és átvitele a hegfürdőbe 4/1

4. A HOZAGANYAG HEVÍTÉSE, MEGOL-VASZTÁSA ÉS ÁTVITELE A HEGFÜRDŐBE

Az ömlesztőhegesztés varratai kevés kivételtől eltekintve az alapanyag és a hozag-anyag olvadékának keverékéből kristályosodnak. A hegesztési munkákban az alapanyagáltalában adott, de a hozaganyagot a hegesztő szakember választhatja meg, és ezzel ked-vező irányban befolyásolhatja a varrat összetételét és tulajdonságait.

A hozaganyagoknak a hegesztő eljáráshoz igazodva a következő megjelenési formáiismertek:

♦ pálca,♦ bevonatos elektróda,♦ huzal,♦ huzalelektróda,♦ szalag,♦ szalagelektróda,♦ por,♦ vezetőcső,♦ beolvadó betét,♦ egyéb (kisjelentőségű).

A hazai kereskedelmi cégek eladási adatai szerint az 1995…2000 években a hozag-anyagokon belül a tömör és porbeles huzalok együttes részaránya mintegy 50 %-os, abevonatos elektródáké 45 %-os, a pálcáké 2 %-os volt, míg a fennmaradó hányadon atöbbi hozaganyag együttesen osztozott. A hozaganyag-felhasználás nemzetközi trendjeszerint a következő években a huzalok (ezen belül különösen a porbeles huzalok) meny-nyiségének növekedése és a bevonatos elektródák felhasználásának további csökkenésevárható.

4.1. A hozaganyagok hevítéseA hozaganyagot a hegesztés hőforrása hevíti. A hőforrásnak a hozaganyagot az olva-

dáspontja fölé kell hevítenie ahhoz, hogy annak anyaga cseppalakban vagy egyéb módona hegfürdőbe kerüljön. A hozaganyagok hevítése több, egymástól lényegesen különbözőelven lehetséges, aszerint, hogy a hőforrás hője hogyan és hol hevíti a hozaganyagot.

4.1.1. A pálca és huzal hevítéseA pálca egy átmérőcsaládnak megfelelő vastagságú, de konstans hosszméretű (Ma-

gyarországon 1 m hosszúságú) huzaldarab, ami nem része a villamos áramkörnek ésamit többnyire kézzel adagolnak az ívbe (SWI) vagy a lángba (LH, keményforrasztás).(A képzetlenebb hegesztők gyakran keverik a pálca és a bevonatos elektróda megneve-zéseket).

A pálca egyik végét a hőforrás energiája a hőforrást körülvevő gázközeg konvekciójaés a sugárzás révén hevíti. A hő a pálcában hővezetéssel (a pálca anyagától függő sebes-séggel), de meglehetősen lassan terjed a pálca másik vége felé (4.1. ábra).


A pálca hevített vége a hőtől megolvad, rajta a súlyerő, a felületi feszültség, és a hő-forrás gázainak vagy gázvédelmének fúvó hatása miatt cseppek képződnek, amelyek le-válva a hegfürdőbe hullanak. A cseppek méretét a felsorolt erőhatások határozzák meg.

lr

TTlikvT00Hõforrás

4.1. ábra: A pálca hevítése

A pálcás hozaganyagú hegesztéseknél (LH, SWI) a pálca huzallal helyettesíthető,ilyenkor egyszerűen huzalról és nem huzalelektródáról beszélünk, mivel ekkor a huzal-nak csak a töltőanyag funkcióját használjuk, de nem kötjük be az áramkörbe. A hegesz-tőhuzal hevítése a pálcával azonosan megy végbe.

4.1.2. A bevonatos elektróda hevítéseA bevonatos elektróda egy szabványosított átmérősornak megfelelő vastagságú, rövid

(200, 250, 300, 350 vagy 450 mm hosszúságú) huzaldarab, amelynek külső felületénminden esetben döntően nemfémes (kerámia) bevonat található, amelyet extrudálássalvisznek fel a maghuzalra. A nevéből adódóan a bevonatos elektróda a villamos áramkörrésze és a hegesztési folyamatban leolvad.

A bevonatos elektróda végét a villamos ív konvekció és sugárzás révén hevíti. Ezt ahőközlést egy másik hevítési mód egészíti ki: az elektródán átfolyó hegesztőáram Joulehője. Mivel a fejlődő Joule hő a (2.13.) egyenlet szerint az idő függvénye, az elektródaegy adott, az ívtől távoli pontjának hőmérséklete az idő függvénye lesz. A Joule hő eb-ben az esetben hasznosnak tekinthető, mivel az elektróda teljes tömegét még az ívközeliállapot előtt előmelegíti.

A (4.2. ábra) három különböző időben mutatja a bevonatos elektróda hosszantihőmérsékleteloszlását: az elektróda egynegyedének, felének és háromnegyedének leol-vadása után.

Az ábrasor jól mutatja, hogy az elektróda (szemben a pálcával, amit a hegesztők csu-pasz kézzel adagolnak) minden pontja több száz fokra, sokszor vörösízzásig felhevül,ezért kézzel nem tanácsos megérinteni. Az erőteljes felhevülést az elektródabevonatnakleválás nélkül kell elviselnie; a fém maghuzal és a kerámia bevonat nagyon eltérőhőtágulási együtthatójára gondolva ennek biztosítása nem is kis feladat az elektródagyá-rak számára.

Az elektróda befogási végének melegedése az elektródabefogóra is káros hatást gya-korol.


lr

TTlikvT00

Hõforrás

4.2. ábra. A bevonatos elektróda hevítése

Az elektróda ívvel hevített végére a pálcánál felsorolt erőkön kívül még a külső ésbelső gázerők, valamint a hegesztőáram okozta (radiális és axiális irányú) elektromágne-ses erők hatnak. A cseppleválás az erők erdőjének irányába történik. Kívánatos és sze-rencsés esetben a cseppek a hegfürdőbe hullanak, de egy részük (1…20 %) attól távo-labb esik a hegesztendő munkadarabra vagy a környezetére: ez utóbbi jelenséget fröcs-kölésnek nevezzük.

A fröcskölés a rövidzárlat megszűnése utáni gyors áramnövekedés, és/vagy a megol-vadt hozaganyagvégre ható belső gázerők hatására következik be. A fröcskölés nagyonkáros jelenség és mind hozaganyag- és áramforrás-gyártási, mind technológiai fogások-kal a mérséklésére kell törekedni. A teljes fröcskölésmentes állapot nem érhető el, fröcs-kölésmentes ömlesztőhegesztés csak a reklámszövegekben létezik.

4.1.3. A huzal- és szalagelektróda hevítéseA huzalelektróda olyan (tömör vagy porral töltött) huzal, amely a hegesztés áramkö-

rébe van bekötve, a mai gyakorlatnak megfelelően többnyire az egyenáramú áramforráspozitív pólusára (DCEP). Huzalelektródát alkalmazunk a VFI, FH és több más hegesz-tőeljárásnál.

A huzalelektróda hevítése a bevonatos elektródáéhoz hasonlít, egy lényegi eltéréssel:itt az árambevezetés helye a huzalhoz képest nem fix, hanem változó, mivel a pisztolycsúszókontaktusával mindig más huzalpont érintkezik. (2.3. ábra). Ez azt jelenti, hogy ahuzalelektróda árambevezető előtti szakasza hideg, az árambevezető és az ívtalppontközötti részt a hegesztő áram Joule hője előmelegíti, és ehhez adódik hozzá a huzalvé-gen égő ív hőjének intenzív hevítő hatása.

A huzalelektróda megolvadó végére ugyanazok az erők hatnak, mint a bevonatoselektródára, de itt az egyes erőkomponensek abszolút és relatív nagysága különbözik abevonatos elektródánál fellépőktől. Ennek elsősorban a nagyobb áramsűrűség és a ki-sebb huzalátmérő a magyarázata.

A szalagelektróda keresztmetszetében különbözik ugyan a huzalelektródától, de heví-tésére ugyanazok az ismérvek jellemzők. A főleg felrakóhegesztésre (felületplattírozás-ra) használatos szalagelektróda szélessége mentén ugyanakkor hőmérsékletkülönbségekalakulhatnak ki, ami a leolvadás egyenletességét zavarja.


lr

TTlikvT00

Hõforrás

Joule hõ

Ív hevítõ hatása

4.3. ábra. A huzalelektróda hevítése

4.2. Az anyagátvitel lehetséges módjai ívhegesztéskorA hozaganyagról a hegfürdőbe irányuló anyagátvitel többnyire cseppek formájában

történik, de van olyan anyagátviteli mód is, ahol nincs cseppképződés, ezért az anyag-átvitel kifejezés a cseppátvitel szóval nem helyettesíthető.

A Nemzetközi Hegesztési Intézet (International Institute of Welding, IIW) nyolcanyagátviteli módot sorol fel. Ezek közül négynek van fontos gyakorlati szerepe, ezért akövetkezőkben csak ezeket tárgyaljuk. Mivel a legfontosabb ömlesztőhegesztő eljárás-nál (VFI) mind a négy változat előfordul, ezért az anyagátviteli módok bemutatását erreaz eljárásra koncentráljuk.

Az anyagátvitel a hőtranszfer mellett a hegesztés másik igen lényeges folyamata, amia hegesztett kötés minőségére és a hegesztés gazdaságosságára jelentős hatással van.Minél jobban ismerjük az anyagátviteli folyamatot, annál jobban kézben tartható a he-gesztési művelet lefolyása és a létrehozott kötés minősége.

Az ívhegesztés anyagátmenete nagysebességű filmfelvételekkel tanulmányozható. Azanyagátmenet egyes típusaira az áram és feszültség oszcillogramjából, sőt kellő gyakor-lattal az ív hangjából és a varrat külső megjelenéséből is következtetni lehet.

4.2.1. Rövidzárlatos anyagátvitelA kis feszültséggel, kis áramerősséggel és vékony huzalelektródával végzett hegesz-

téskor az ív igen rövid, ezért a folyamatosan előtolt huzalelektróda ív által felhevített ésmegolvadt vége beleütközik a hullámzó felületű hegfürdőbe és rövidzárlat keletkezik, azív kialszik (4.4. ábra). A pinch effektust okozó elektromágneses erő, amely közelítőlegaz áramerősség négyzetével arányos, a zárlati áram hatására megnő, ami a hegfürdő ol-vadékának felületi feszültségével együtt segíti az anyagleválást. A cseppképződés nél-küli anyagátmenet után az ív hevesen újragyullad és a nagyon gyors áramnövekedésszinte szétrobbantja a huzalelektróda végén újraképződött folyadékot, ezért ezt azanyagátviteli módot jelentős mértékű fröcskölés kíséri.

A rövidzárlatos anyagátvitelben a hegesztő áramforrás induktivitása az áramnöveke-dési és -csökkenési folyamatok befolyásolásán keresztül jelentős szerepet játszik, ezértaz utóbbi időkben kifejlesztett modern áramforrásokban az induktivitás nagysága fino-man változtatható.


a b c

4.4. ábra. A rövidzárlatos anyagátvitel folyamata

A meglehetősen előnytelen, de a legkisebb hőbevitelt eredményező rövidzárlatosanyagátmenetet csak indokolt esetben szabad alkalmazni. Ilyen, kis hőáramot igénylőhegesztési feladatok a következők:

♦ vékonylemez (s<3 mm) hegesztés,♦ középvastag és vastaglemezek gyökhegesztése,♦ térbeli hegesztés.

4.2.2. Nagycseppes anyagátvitelKözepes áramerősség és közepes, vagy nagy feszültség nagycseppes anyagátvitelt

eredményez (4.5. ábra). A cseppek fő jellemzője, hogy átmérőjük nagyobb, vagy jóvalnagyobb, mint a huzalelektródáé. A cseppek szabálytalan alakúak is lehetnek és röppá-lyájuk nem mindig tengelyirányú (fröcskölés). A cseppképződést és a -leválást főleg agravitációs erő uralja. A dcs cseppfrekvencia alacsony, értéke 1 és 10 Hz közé tehető.

Szabályos csepp Szabálytalan csepp

φ dcs

φ de φ de

dcs

φ dcs > φ de

4.5. ábra. A nagycseppes anyagátvitel folyamata

A nagycseppes anyagátvitel az olcsó széndioxid védőgázra vagy a döntően CO2 bá-zisú gázkeverékekre jellemző, az ilyen védőgázok fontos anyagátviteli módjának tekint-hető, mivel a kedvezőbb finomcseppes átmenetek bennük nem hozhatók létre.

A nagycseppes anyagátvitel a bázikus elektródák és bázikus salakú porbeles huzal-elektródák jellemzője, bár az utóbbi időkben a gyártók a cseppméret csökkentésére töre-kednek (rutil - bázikus, vagy kettősbevonatú elektródák és rutil - bázikus porbeles hu-zalelektródák).


4.2.3. Finomcseppes anyagátvitelekAz anyagátmenet folyamatossága, a cseppek tengelyirányú mozgásának megtartása, a

fröcskölés minimalizálása a finomcseppes átmeneteknél valósul meg leginkább, ezértezeket a cseppátviteli módokat tekinthetjük az ideálist megközelítőnek, kívánatosnak ésmegvalósítandónak.

A finomcseppes anyagátmenetek közös jellemzője, hogy a huzalelektróda végén apró(d dcs e< ), vagy igen apró cseppek (d dcs e<< ) keletkeznek és a cseppfrekvencia jelen-tős nagyságú ( f Hzcs = 100 1000... ).

A finomcseppes anyagátvitelek több alesetét különböztethetjük meg a következőkszerint:

♦ permetszerű cseppátmenet (spray transfer),♦ folyadékhidas cseppátmenet (streaming transfer),♦ forgóíves cseppátmenet (rotating transfer),♦ impulzusíves (tervezett) cseppátmenet (pulsed arc (projected) transfer).

4.2.3.1. Permetszerű cseppátmenetEgy kritikus hőáramsűrűség elérésekor a cseppméret ugrásszerűen lecsökken, a

cseppfrekvencia sokszorosára növekszik. Az ugrásszerű változáshoz tartozó hőáram-sűrűséget és áramsűrűséget első kritikus értéknek nevezzük és qcr1-gyel, illetve Jcr1-gyeljelöljük.

Az első kritikus áramsűrűség szerkezeti acélok hegesztésekor 150 A/mm2 körüli.Nagysága a huzalanyagtól, a huzalátmérőtől és az ívatmoszféra összetételétől (első-sorban az alkalmazott védőgáztól) függ.

DCEPφ φd dcs e<<

Védõgáz

4.6. ábra. A permetszerű anyagátvitel folyamata

A permetszerű cseppátmenet frekvenciája 100 körüli, a huzalátmérőnél alig kisebbcseppek a huzalelektróda tengelyirányában haladnak, a fröcskölés minimális. A permet-szerű cseppátmenet az Ar védőgázra, vagy nagy Ar tartalmú keverékekre (pl. a nagyonnépszerű 78…82 % Ar +22…18 % CO2 keverékre) jellemző.

4.2.3.2. Folyadékhidas cseppátmenetA védőgáz He tartalmát növelve és a hőáramsűrűséget fokozva a cseppátmenet meg-

változik: a cseppek mérete nagyon lecsökken, frekvenciája az ezer Hz közelébe növek-szik és az apró cseppek fémcsatornát alkotva párhuzamosan haladnak a hegfürdő felé. A


sok apró csepp íven való áthaladása az elektródák között folyadékhíd benyomását kelti.Az ív külső képe kúpalakú, hangja halk, egyenletesen folytonos.

4.2.3.3. Forgóíves cseppátmenetA Jcr2 második kritikus áramsűrűség (qcr2 második kritikus hőáramsűrűség) elérése-

kor, ha a szükséges egyéb feltételek (pl. védőgáz, szabad huzalhossz) is teljesülnek, azíváram mágneses tere a huzalelektróda megolvadt végét, és ezzel a rajta elhelyezkedővillamos ívet is forgó mozgásra készteti. A leváló, igen apró cseppek a hegfürdő felé ha-ladtukban (a forgó mozgás és a lefelé irányuló egyenesvonalú mozgás eredőjeként) csa-varvonalon helyezkednek el (4.7. ábra), ennek megfelelően széles sávban szóródnakszét, megnövelve a varrat szélességét. A varrat jellegzetes alakú, közepén sekélyebb,szélei felé mélyebb beolvadással.

A második kritikus áramsűrűség kb. 300 A/mm2-re tehető. Ekkora áramsűrűség csakvékony huzallal és nagyon gyors huzalelőtolással (ve>30 m/min), különleges huzalelő-toló berendezéssel és megfelelő dinamikus jellemzőkkel rendelkező áramforrással hoz-ható létre. A forgóívhez szükséges védőgázkeverék legalább 30 % He-ot tartalmaz (Ar-He-CO2-O2 vagy Ar-He-CO2 keverék).

4.7. ábra. A forgóíves cseppátmenet és a hozzátartozó jellegzetes hegfürdő alak

4.2.3.4. Impulzusíves cseppátmenetAz elektronikai és elektrotechnikai fejlődés lehetővé tette, hogy állandó áramerősség

helyett - az egyes impulzusok között megfelelő hosszúságú szünetet tartva - áramimpul-zusokkal hegesszünk. Az impulzusalak a kívánalmaknak megfelelő téglalap-, trapéz-,vagy szinuszhullám lehet. A 4.8. ábrán az egyszerűség kedvéért téglalapalakú impul-zusképet adunk meg.

Az impulzusáramot a következő független adatok jellemzik:

♦ csúcsáram, Ics, A,♦ alapáram, Ia, A,♦ csúcsidő, tcs, s,♦ alapidő, ta, s,

A független adatokból számítható impulzusjellemzők:

♦ ciklusidő, tc, s:tc tcs ta= + , (4.1.)


♦ frekvencia, f, Hz:

ftc

= 1 , (4.2.)

♦ átlagáram, Im, A:

I I t I ttm

cs cs a a

c= ⋅ + ⋅ . (4.3.)

IA

t, s

ta tcs

Ia

Ics

4.8. ábra. A cseppátmenet összefüggése az impulzusáram jellemzőivel

Az impulzusíves technika nagy előnye, hogy a négy független impulzusparaméter be-állításával a hőbevitel tetszőlegesen szabályozható (elsősorban csökkenthető), miközbenaz ív stabilitása nem romlik. Az impulzusívvel megoldható, hogy permetszerű csepp-átvitelt hozzunk létre a folyamatos áramerősséghez viszonyítottan töredék átlagárammal(hőbevitellel). Az impulzusíves hegesztés ennek megfelelően a vékonylemezekhez, agyökvarrat hegesztéshez és a térbeli helyzetekhez ajánlott. Az impulzusíves hegesztésáramváltozásának szabályossága a varrat külsején is feltűnően jelentkezik, vagyis kiválóvarratminőség elérését teszi lehetővé. Kiválóan alkalmazható robotizált hegesztéshez is.

Az impulzusparamétereket minden esetben összehangoltan kell beállítani. Az alap-áramot úgy választjuk meg, hogy az ív stabilan égjen, de olyan kis hőáramsűrűséggel,hogy a a huzal végét ne legyen képes megolvasztani. A csúcsáram és a hozzá tartozócsúcsidő egy cseppnyi térfogat megolvasztását és leválasztását tegye lehetővé. Az alap-idővel az átlagáramot, vagyis a hőbevitelt szabályozzuk.

A csúcsáram és a huzalelektróda keresztmetszetének hányadosa minden esetben azelső és a második kritikus áramsűrűség közé esik, ezzel a permetszerű cseppátvitel biz-tosítva van. Az impulzusíves technika alkalmazásának nagyszerűsége abban van, hogy acseppfrekvenciát a villamos paraméterek beállításával adott határok között előre be tud-juk programozni. Mivel minden ciklushoz egy, és csakis egy csepp leválása tartozik, acseppátvitelt tervezhetővé tudjuk tenni, ami a hegesztő szakember számára ideális lehe-tőség. Ezért is nevezik ezt a fajta cseppátmenetet tervezettnek.

4.2.3.5. Szinergikus impulzusíves cseppátmenetA görög synergic szó magyarul együtt dolgozást jelent. A szinergikus anyagátvitelnél

ez azt jelenti, hogy az áramimpulzus négy paraméterét (alapáram-erősség, csúcsáram-erősség, alapidő és impulzusidő) mindenkor a kívánt feladathoz igazítják. Az impulzus-áram négy paramétere ugyanis egy adott típusú és átmérőjű huzalelektródánál a védő-gáztól és a huzalelőtolási sebességtől függ. Az előzetes kísérletekkel optimalizált para-


méterkombinációkat a hegesztőgép programtárolójába fixen beépítik (beégetik). Aszinergikus impulzusszabályozás eredménye nagyon alacsony fröcskölési mértékű,konstans vagy változó frekvenciájú finomcseppes anyagátvitel, amit jól kontrollálhatóhegfürdő, és sima, esztétikus varratfelület jellemez.

A szinergikus áramforrások különböző elektronikus vezérléseket alkalmaznak.Amennyiben az automatikus hőáramváltoztatás az áramerősségekkel történik, az impul-zusáram frekvenciája nem változik, de ha a szabályozás az időparamétereket érinti, ak-kor az impulzusáram frekvenciája is módosul.

A frekvenciatartó A variánsnál (11. 14. ábra) a hőbevitel (hőáram) megkívánt növe-lését vagy csökkentését a további három paraméter változatlanul hagyása mellett azalapáram nagyságának változtatásával érik el. Ennél a megoldásnál az alapáram mini-mális értéke a stabil ívfenntartási feltételhez kapcsolódik. Az alapáram növelésével aközepes áramerősség és vele a hőbevitel nagysága is növekszik.

A frekvenciaváltó B variánsnál (lásd a 11.14. ábrát) a hőáram növeléséhez az impul-zusidő nagyságát növelik, ennél a változatnál tehát az impulzusfrekvencia is változik.

I

t

I

t

4.9. ábra. A közepes áramerősség szinergikus változtatása frekvenciatartó és frekven-ciaváltó szabályozásnál

Mind a frekvenciatartó, mind a frekvenciaváltó vezérléseknél a hegesztő az impul-zustechnika négy paraméteréhez (négy potenciométeréhez) képest csak egy gombbal ál-lítja be a kívánt hőbevitelt, vagyis csak az átlagáramot szabályozza. Annak eldöntése,hogy a kiválasztott hegesztési feladatban a beállított középáramot az áramforrás milyenimpulzusparaméterekkel valósítja meg, az a beépített programok feladata. Ez a fajta fe-ladatmegosztás a hegesztő munkáját erőteljesen leegyszerűsíti. Ez azért lényeges, mertaz átlagos hegesztőket annyira zavarta az impulzusparaméterek nagy száma, hogy sokesetben lemondtak annak használatáról.

A szinergikus finomcseppes anyagátvitel nagy előnye, hogy minden hegeszthetőanyaghoz, széles vastagságtartományhoz és az összes hegesztési helyzethez alkalmaz-ható, univerzális technikai variáns. Használata olyan esetekben különösen előnyös, ami-kor magas minőségi követelményű, precíziós hegesztésre van igény és a hegesztés gé-pesített, beleértve a robothegesztést is.


4.3. Az anyagátvitel mennyiségi jellemzőiA hegesztési művelet termelékenységének megítéléséhez olyan jellemzők szüksége-

sek, amelyek az eljárások teljesítőképességével arányosak. A legpontosabb ilyenjellemző az időegység alatt elkészített varrattömeg lehetne. Mivel a varrat az alapanyagmegolvadt részéből és a hozaganyagból tevődik össze, a varratképzési teljesítményre akövetkező összefüggés írható fel:

! ! !m m mw b f= + , (4.4.)

ahol az m betű feletti pont idő szerinti deriválást jelent, az indexek pedig a varratra (w),az alapanyagra (b) és a hozaganyagra (f) utalnak. Az időegység alatt megolvadt alap-anyagtömeg és varrattömeg hányadosa a varrat alapanyag - részarányát (a) adja:

am

m

m

m mb

w

b

b f= =

+!!

!! !

. (4.5.)

Hasonlóan a varrat hozaganyag részaránya (h):

hm

m

m

m ma

f

w

f

b f= =

+= −

!!

!! !

1 . (4.6.)

Az a tényező adott hegesztőeljárásnál az alap- és hozaganyagon kívül főként a varrat-típustól, a hegesztési helyzettől, a hegesztő varratképzési technikájától és a hegesztésiparaméterektől függ, értéke tehát változó (a tartomány középértéke a BKI-nél 1/3). Avarrat alapanyaghányadának bizonytalansága miatt az !mw teljesítményjellemzőt a hoza-ganyag leolvasztási teljesítményével ( !mf ) tudjuk csak közelíteni.

Az időegység alatt leolvasztott hozaganyagtömeget, amely a hegesztés fontos, a he-gesztési teljesítményt jellemző mérőszáma, leolvasztási teljesítménynek nevezzük. Kép-lete:

! !m mdm

dt

m

tle fle le= = ≈ ∆

∆, (4.4.)

ahol: !mle kg/h leolvasztási teljesítmény,mle kg a leolvasztott hozaganyagtömeg fém része (salak nélkül),t h hegesztési főidő.

Hasonlóan definiálható az !mbe-vel jelölt beolvasztási tényező, ami az időegység alatta hegfürdőbe kerülő, majd ott megszilárduló hozaganyagtömeget jellemzi:

!m dm

dt

m

tbebe be= ≈ ∆

∆, (4.5.)

ahol: !mbe kg/h beolvasztási teljesítmény,mbe kg a varratba beolvasztott fém hozaganyagtömeg,t h hegesztési főidő.

A leolvasztási és a beolvasztási teljesítmény különbsége a veszteség teljesítmény:

! ! !m m mv le be= − , (4.6.)

ahol: !mv kg/h veszteség teljesítmény.


A hegesztő műveletet tervező mérnök számára a leolvasztási tényező ad fontosabbinformációt, mivel segítségével meg tudja határozni az egy hegesztő egyműszakos ho-zaganyag felhasználását és össze tudja hasonlítani egy adott munkához szóbajöhetőhegesztő eljárások termelékenységét.

A hegesztő műveletet tervező mérnök számára a hozaganyag leolvasztási teljesítmé-nyének (deposition rate) ismerete szükséges a hegesztőanyag - fogyasztás előzetes ki-számításához, egy adott hegesztési feladat hegesztési főidejének hozzávetőleges megha-tározásához, adott varrat elkészítésre alkalmas hegesztő eljárások összehasonlításhoz ésa legtermelékenyebb eljárás kiválasztásához. A hegesztőmérnök annál könnyebben hoz-hatja meg a döntéseit, minél több leolvasztási teljesítmény-információ áll a rendelkezé-sére.

A leolvasztási teljesítmény nagyságának megítéléséhez a 4.10. ábrán bemutatott di-agram adatai nyújtanak segítséget. A diagram a különféle bevonattípussal gyártott elekt-ródák leolvasztási teljesítményének és az elektródaátmérőnek összefüggését mutatja.

0 1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

10

12

14

Összes acélBázikusRutilosCellulózKombináltNagyhozamú

Elektródaátmérõ, mm

Le

olv

asz

tási

te

ljesí

tmé

ny,

kg

/h

Acél kötõelektródák

4.10. ábra. A leolvasztási teljesítmény és az elektródaátmérő összefüggésebevontelektródás ívhegesztéskor

Balogh, A.: A hegfürdő és a benne végbemenő legfontosabb folyamatok 5/1

5. A HEGFÜRDŐ ÉS A BENNE VÉGBEMENŐLEGFONTOSABB FOLYAMATOK

A hegfürdő ömlesztőhegesztéskor az alapanyag megolvadásával jön létre. Hegfürdő-nek nevezzük azt az alapanyagrészt, amely éppen olvadt állapotban van, vagyis hőmér-séklete nem kisebb, mint az alapanyag olvadáspontja, illetve pontosabban likvidusz-hőmérséklete. Amennyiben hozaganyagot használnak, a hozaganyag ömledékének hasz-nosuló része is a hegfürdőbe kerül, vagyis a hegfürdő általános esetben az alapanyag ésa hozaganyag ömledékének a keverékeként jön létre. A hegfürdő hossztengely irányúpárhuzamos eltolásával és folyamatos kristályosodásával kapjuk a varratot.

A szilárdfázisú hegesztés során hegfürdő és varrat nem alakul ki, mivel az ilyen he-gesztési folyamatban az alapanyag nem olvad meg. A szilárdfázisú hegesztőeljárássalkészített kötések központi részét kötésfelületnek nevezzük (nulla szélességű kvázi-varrat).

5.1.1. A hegfürdő alakjaA hegfürdőt a likviduszhőmérsékletnek megfelelő izotermafelület határolja. Az izo-

termafelület méreteinek és alakjának meghatározása mikroszkópi csiszolatokból és a 3.fejezetben megismert hőterjedési modellek alapján végzett számítással lehetséges.

A hegfürdőalak meghatározásához válasszuk a számítógépes szimulációval legköny-nyebben kezelhető nagytestmodellt. A hővezetési differenciálegyenlet megismert megol-dásával egy adott pillanatban a hőforrás környezetének bármely pontjában a hőmérsékletkiszámítható. Vegyük a hőforrás haladási irányával, vagyis a hegesztési iránnyal egybe-eső x tengelymenti hőmérsékleteloszlást, amelyet az 5.1. ábra szemléltet. Ha az ábrábaberajzoljuk a likviduszhőmérséklet vízszintesét, akkor a hőmérsékletgörbével alkotottmetszéspontok kijelölik a hegfürdő orrpontjának és végpontjának helyét. Hasonlóan jár-hatunk el az y és a z tengely irányában is.

Tliq

x0

T

x

z

Tmax

5.1. ábra: A hegfürdő határoló pontjainak meghatározása az x tengelyen, nagyméretűtárgyban


A hegfürdő alakja álló hőforrás esetén egy forgásellipszoidhoz (lencséhez) hasonlít.A sebesség növelésével a hegfürdő hőforrás előtti mérete zsugorodik, a hőforrás mögöttimérete növekszik, ennélfogva a hegfürdő egy hátrafelé elnyúló félcseppalakhoz kezd ha-sonlítani. Minél nagyobb a hegesztési sebesség, annál keskenyebb, sekélyebb és elnyúj-tottabb lesz a hegfürdő.

A hegfürdő alakja azért lényeges, mert a belőle kristályosodó varrat a hegfürdő x ten-gely irányú eltolásával leírt burkolófelületet örökli, és a varrattulajdonságok nagy részét(szerkezetfüggő tulajdonságok) a hegfürdő alakja által is befolyásolt kristályosodási fo-lyamat jelentősen befolyásolja.

5.1.2. A hegfürdő méreteiA hegfürdő lényeges méreteit az 5.2. ábrán szemléltetjük. Az ábrán feltüntettük a

varrat fő méreteit is, így az összefüggés a hegfürdő és a varratméretek között egyértel-műen követhető.

x

x

z

yy

z

0

0

0

hhf

bhf

lhf

hhf hv

bv

5.2. ábra: A hegfürdő és a varrat meghatározó méretei a három főirányban

A hegfürdő és a varrat lényeges méreteit és jelöléseiket az 5.1. táblázatban foglaljukössze.

Irány Tengely Hegfürdő Varrat

Méret Jelölés Méret Jelölés

Hosszirány x Hosszúság lhf Hosszúság lv, l

Keresztirány y Szélesség bhf Szélesség bv, b

Vastagságirány z Mélység hhf Beolvadásimélység

hv, h1

5.1. táblázat: A hegfürdő és a belőle kristályosodó varrat fő méretei

A hegfürdő méretei az anyagtól, eljárástól és technológiai beállításoktól függően igentág határok (10-1…102 mm) között változnak. A hegfürdő térfogata hozzávetőlegesen a10-1…102 mm3 értékek közé tehető. Ez a nagyságrend nagyon erőteljesen eltér a kohá-szati gyakorlatban előforduló m3-es olvadéktérfogatoktól. A hegfürdő térfogata és hő-mérséklete a dermedési sebességet erőteljesen befolyásolja. Csak gyors dermedés esetén


van reményünk arra, hogy a hegesztést a hegfürdő alátámasztása (backing) nélkül végez-hessük.

5.1.3. A hegfürdő létidejeA hegfürdő egy kiválasztott pontjában az anyag megolvadása és megszilárdulása (kris-tályosodása) között eltelt időt a hegfürdő létidejének nevezzük. A létidő ismerete fontosa hegfürdőben végbemenő fizikai és kémiai folyamatok feltételeinek megítéléshez. Ahegfürdő létidejének kiszámítási módja állandó hegesztési sebesség esetén:

tlvhfhf

h= , (5.1.)

ahol: thf s a hegfürdő létideje,lhf mm a hegfürdő hossza,vh mm/s hegesztési sebesség.

A hegfürdő létideje néhány tizedtől néhány tíz másodpercig (10-1…101 s) terjedhet.Az ilyen rövid idő nem elégséges ahhoz, hogy az oldódási, salak- és gázkiválási, vala-mint az összetételt homogenizáló folyamatok lejátszódjanak, illetve a kémiai reakciók(pl. dezoxidálás) egyensúlyba kerülhessenek. Ez az oka annak, hogy a varrat amúgy iskedvezőtlen öntött struktúrájához még jelentős heterogenitások is társulnak. A rövidlétidőt a hegesztőanyag-gyártóknak a receptúrák összeállításakor mindenképpen figye-lembe kell venniük.

A hegfürdőre ható elektromágneses- és gázerők a hegfürdőt intenzív keverésben tart-ják, ami a rövid létidőt a folyamatok felgyorsítása révén némiképp kompenzálja. Az erő-hatások a fürdő felszínét torzítják, homorúvá alakítják, illetve sok esetben a fémolvadé-kot az ív alól kifújják.

5.1.4. A hegfürdő hőmérsékleteAz állandó mozgásban lévő hegfürdő hőmérsékleteloszlása nem egyenletes, az átla-

gos hőmérséklet a dinamikus változások miatt még a korszerű módszerekkel is nehezenmérhető. A hegfürdő hőmérséklete az olvadáspont és a forráspont közötti sávban he-lyezkedik el, az ívhegesztéseknél az előbbihez, a nagy-hőáramsűrűségű eljárásoknál azutóbbihoz közelebb.

Megbízható mérések szerint szerkezeti acélok bevontelektródás ívhegesztésekor afürdő átlaghőmérséklete 1600…2000 °C közé, védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés-nél, ha J Jcr< 1, 1800…2400 °C közé tehető. Összehasonlításként, a hegfürdőbe kerülőcseppek hőmérséklete ennél néhány száz °C-kal mindig nagyobb.

5.2. A hegfürdőben végbemenő legfontosabb folyamatokA hegfürdő olvadt féme egyfelől az alapanyaggal, másfelől a gázatmoszférával érint-

kezik. A hegfürdő féme és a környező szilárd, ill. gázfázis között intenzív kölcsönhatászajlik. A viszonylag rövid létidejű hegfürdőben egyáltalán nem statikusak a viszonyok,mivel a folyadékra ható erők a fürdőt állandó mozgásban tartják (hullámoztatják, keve-rik) és a nem homogén és nem egyensúlyi állapotú fémben fizikai folyamatok és fontoskémiai reakciók zajlanak.


5.2.1. Az alapanyag és a hozaganyag keveredése a hegfürdőbenAz ömlesztőhegesztéssel, hozaganyag felhasználással készített varratok az alap-

anyagok és a hozaganyag(ok) keverékeként jönnek létre. A keveredés makroméretekbena hegfürdőben, olvadt állapotban megy végbe, amit a szilárd fázisban a diffúzió mikro-méretekben egészít ki.

A keveredés sohasem lehet teljes, mivel a hegfürdő rövid létideje és a periodikusanérkező újabb hozaganyag-cseppek ezt nem teszik lehetővé. A keveredés a hegesztésszemszögéből nézve egyes esetekben hasznosnak, más esetekben károsnak is minősül-het.

Abból kell kiindulni, hogy a hozaganyag az alapanyaghoz viszonyítva mindig jobbminőségű, mivel karbontartalma kisebb, ötvözőtartalma magasabb és kevesebb szilárd,illetve gázszennyezőt tartalmaz. Átlagos esetben a keveredés révén a hegfürdő kémiaiösszetétele és ebből eredő tulajdonságai az alapanyagénál jobbak lesznek. Más esetben ajól hegeszthető alapanyag és az önmagában szintén jól hegeszthető hozaganyag keve-réke rideg, repedékeny ötvözetet eredményez. Ez utóbbi eset fordul elő, amikor szerke-zeti acélhoz austenites CrNi hozaganyagot választunk (fekete-fehér kötés).

A keveredés meghatározó tényezője, hogy a varratban az alapanyag és a hozaganyagmilyen tömegarányban fordul elő. Bontsuk fel a varrattömeget alapanyagból és hozag-anyagból származó részekre:

m m mv a h==== ++++ . (5.2.)

A tömegeket a geometriai adatokkal és a sűrűséggel felírva:

A l A l A lv v v a v a h v h⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ρ ρ ρ . (5.3.)

Az azonos varrathosszakkal egyszerűsítve, és olyan esetet feltételezve, amikor az alap-anyag és a hozaganyag sűrűsége között nincs lényeges differencia, az 5.2. egyenletben atömegek a keresztmetszetekkel helyettesíthetők:

A A Av a h= + . (5.4.)

Vezessük be a varrat alapanyag- és a hozaganyag-részarányára a következő fajlagosmérőszámokat:

a AA A

és h AA A

a

a h

h

a h=

+=

+. (5.5.)

A definícióból következik, hogy:

a h+ =1 (5.6.)

Az (5.2. … 5.6.) összefüggésekben:m g tömeg,A mm2 keresztmetszet,l mm hosszúság,ρ g/mm3 sűrűség,v (index) varrat,a (index) alapanyag,h (index) hozaganyag,a a varrat alapanyag részaránya,


h a varrat hozaganyag részaránya.

A varrat várható vegyi összetételének előrejelzésekor még egy átviteli hatásfokténye-zőt, vagy röviden átviteli tényezőt is figyelembe kell venni. Az átviteli tényező azt fejeziki, hogy a varratban vagy a hozaganyagban található ötvöző (jelöljük általánosan aMetal szó kezdőbetűjével, M-mel) hányad része kerül a hegfürdőbe:

µ µMaMhf

MaMh

Mhf

Mh

mm

ésmm

= = , (5.7.)

ahol: µMa M elem átviteli tényezője az alapanyagból a hegfürdőbe,µMh M elem átviteli tényezője a hozaganyagból a hegfürdőbe,mM g az M elem tömege,hf (index) hegfürdő.

Az átviteli tényező nagysága a veszteségekkel (oxidáció, elgőzölgés) kapcsolatos:minél nagyobb a veszteség egy adott elemből, annál kisebb az átviteli tényező. Mivelveszteségek mindig vannak, az átviteli tényező értéke egynél kisebb (pozitív) szám:

0 1< <µ M .

A hozaganyagból származó cseppek felület/térfogataránya és hőmérséklete mindignagyobb, mint az alapanyagból a varratba kerülő anyagrésznek, ezért adott elem eseté-ben a hozaganyagra vonatkozó átviteli tényező általában kisebb, mint az alapanyagravonatkozó:

µ µMh Ma< . (5.8.)

A varrat összetételének becslésére célszerű minden elem várható értékét kiszámítani.Általánosan:

M a M h Mv Ma a Mh h= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅µ µ . (5.9.)

ahol: Mv % az M elem koncentrációja a varratban,Ma % az M elem koncentrációja az alapanyagban,Mh % az M elem koncentrációja a hozaganyagban.

Helyettesítsük be az (5.6.) összefüggést az (5.9.) egyenletbe. Rendezés után:

M M a M Mv Mh h Ma a Mh h= ⋅ + ⋅ ⋅ − ⋅µ µ µ( ). (5.10.)

Tekintsük az a alapanyagrészarányt független változónak, ekkor az (5.10.) egyenletegy egyenest definiál, amelynek emelkedése vagy lejtése (5.3. ábra) attól függ, hogyhonnan kerül több ötvöző a varratba, az alapanyagból (emelkedő egyenes), vagy a ho-zaganyagból (lejtő egyenes). Mivel többnyire az utóbbi eset valósul meg, a hozaganyag-ból származó ötvözést az alapanyag felhígítja.

5.2.2. Gázok oldódása a hegfürdőbenA fémolvadékok kristályszerkezetüktől és hőmérséklettől függően jelentős gáztérfo-

gatot képesek oldani. Az egyes fémek gáz-oldóképessége a gáz fajtájától is függ, pl. alegtöbb fém a hidrogént nagy koncentrációban oldja, míg ellenpéldaként a nemesgázokszolgálnak, amelyek a fémolvadékokban nem oldódnak. Többek között ez is magya-rázza azt, hogy magas áruk ellenére miért annyira elterjedt a hegesztő üzemekben a ne-mesgázok védőgázként való felhasználása.


Az oldott gáztartalom több probléma forrása lehet:

♦ kémiai reakcióba lép a bázisfémmel, vagy az ötvözőkkel; ezzel csökkenti a hasz-nos ötvöző mennyiségét, illetve a reakciótermék rontja a varrat tulajdonságait.

♦ az oldóképesség csökkenése miatti fémen belüli gázkiválás rontja a fém tulajdon-ságait (pl. dinamikus tulajdonságok, alakíthatóság, korrózióállás, repedésellen-állás, stb.).

0,20 0,4 0,6 0,8 1,0 0,20 0,4 0,6 0,8 1,0Varrat alapanyag részaránya Varrat alapanyag részaránya

µMhMh

µMhMh

Ötvözöttebb alapanyag Ötvözöttebb hozaganyag

5.3. ábra. Egy adott elem várható koncentrációja a varratban, a varrat alapanyag-részarányának (a) a függvényében

A legfontosabb gázszennyezők vasban való oldóképességét az 5.4. ábrán szemléltet-jük. Az ábrában figyelmet érdemel, hogy az allotróp módosulatokban az oldóképesség(főleg a rácsszerkezet különbözősége miatt) eltérő és az oldóképesség mind szilárd fá-zisban, mind olvadék állapotban növekszik, egészen a gőzölgés intenzívvé válásáig.

A nitrogén oldódása a vasbanml/100g fém

320024001600400 800 1200 2000 2800

Hõmérséklet, oC

0

10

20

30

40

50

60

A hidrogén oldódása a vasban,ml/100g fém

320024001600400 800 1200 2000 2800

Hõmérséklet, oC

10

20

30

40

50

60

0

αααα

γγγγ δδδδ Olvadék Olvadékδδδδγγγγ

αααα

5.4. ábra. A nitrogén és a hidrogén oldódása a vasban, atmoszférikus nyomáson


5.2.2.1. A hegfürdő nitrogéntartalma és a nitrogén megkötéseA Fe-N kétalkotós állapotábra szerint a vas a nitrogént szilárd oldat formájában oldja

(nitroferrit, nitroaustenit), ugyanakkor az 550…700 °C intervallumban keletkező vegyü-letet is alkot vele:

41

218 82 4Fe N Fe N kJ mol+ → − , / ,

21

216 32 2Fe N Fe N kJ mol+ → − , / .

Hegesztéskor (szemben a nitridálással) az 5,88 % nitrogéntartalmú Fe4N játszik na-gyobb szerepet, míg nitridáláskor a 11,1 % nitrogéntartalmú Fe2N a fontosabb nitrid.A nitrogén a következő forrásokból kerülhet a hegfürdőbe:

♦ alapanyagból,♦ hegesztőanyag féméből,♦ elektródabevonatból, fedőporból, portöltetből,♦ védőgázból,♦ levegőből.

Az 5.4. ábrának megfelelően a hegfürdő olvadt fémének minden 100 g-ja 40-50 mlnitrogént képes oldani. A fő probléma, hogy hűléskor az oldóképesség jelentősen csök-ken és a túltelített nitroaustenitből, illetve nitroferritből a felesleges nitrogén kiválnikényszerül. A nitroaustenit maximum 20 ml/100 g oldóképességű, ami a nitroferritben5 ml/100 g alá csökken. A felszabaduló nitrogén a vassal, vagy ha vannak ilyenek, azacélban található nitridképző ötvözőkkel nitrideket alkot.

Hegesztéskor azonban a hülés gyorsabb, mint acélgyártáskor, a nitridképződésheznincs elegendő idő, ezért a szilárd oldatok N-ben túltelítetté válnak. Az egyensúlyi álla-pothoz viszonyított energiatöbbblet a nitrogéndiffúziós folyamat hajtóereje. A hőmér-séklettől függő diffúziósebességű N atomok a környezeti hőmérsékleten lassan kiválnaka szilárd oldatból és nitrideket alkotnak; ezt a folyamatot öregedésnek (aging) nevezik.A kivált nitrid a ferritszemcsékkel koherens kapcsolatban marad, gátolja a szemcsehatá-ron áthatoló elmozdulásokat és ezzel jelentős ridegedést okoz, vagyis a szilárdsági jel-lemzőket növeli, az alakváltozóképességet és különösen a szívósságot csökkenti (5.5.ábra).

0,05 0,10 0,200,150

100

200

400

300

500

0

Rm, ReMPa

Nitrogéntartalom, tömeg%

A5, % KV, J

25

20

5

15

10

150

250

200

100

50

600 30 300Rm

Re

A5

KV

0

5.5. ábra. A nitrogén hatása az ötvözetlen acél mechanikai jellemzőire


Az acélötvözők közül a vasnitrideknél stabilabb nitrideket alkot az Al, V, Nb, Zr, B,V, Cr és a Ti. A stabil nitridek (MN)és karbonitridek (M(N,C)) magas olvadáspontjukmiatt kiváló kristálycsírák, ezért szemcsefinomító hatásuk jelentős. A stabil nitridkép-zőket a nagyszilárdságú, gyengén ötvözött (HSLA) acélokban éppen ezért szemcsefi-nomításra használják.

A nitridképző elemek mindegyike aktív dezoxidens, sőt a vegyülési hajlamuk az oxi-gén irányában nagyobb, mint a nitrogénhez. Ezért a nitrogén nitridekben való megkötésecsak jól dezoxidált acélokban lehetséges.

5.2.2.1. A hegfürdő hidrogéntartalma és az oldott H mennyiség csökkentéseA levegő három gázkomponense közül a legnagyobb problémákat a legkisebb kon-

centrációjú hidrogén okozza. A ferrit-perlites, alacsony karbontartalmú, ötvözetlen ,mikroötvözött vagy gyengén ötvözött acélokban a hidrogén nagyobb kárt okoz, mint azaustenites szövetű ötvözetekben.

A hidrogén a fémekben jól oldódik, de vegyületet csak néhánnyal (Zr, Ti, V, Ta, Th)alkot. Ez másképpen fogalmazva azt jelenti, hogy a vassal (és a Ni-lel, Al-mal, Co-tal,Cu-zel, Mo-nel) nem képez hidridet. A hidrogénnek ez a jellegzetessége a nitrogénhezés oxigénhez viszonyítva lényeges különbséget jelent, mivel az utóbbiak a vassal külön-féle vegyületeket képeznek.

A hidrogén elridegedést, gázporozitást, súlyosabb esetben repedést okoz. A hegfürdőH tartalma mindig meghaladja az alapanyagét; ennek oka abban kereshető, hogy a heg-fürdőbe több forrásból kerülhet hidrogén. A legjelentősebb H források a következők:

♦ alapanyag,♦ alapanyag felületi szennyeződései (reve, rozsda, nedvesség, olajszármazékok),♦ hegesztőanyag féme,♦ elektródabevonatból, fedőporból, portöltetből,♦ védőgáz nedvességtartalma,♦ levegő páratartalma.

Az 5.4. ábrából látható, hogy az olvadt vas H oldóképessége 25 ml/100 g fém érték-ről 10 ml/100 g fém alá csökken. A feleslegessé váló H elsősorban molekulákká áll ösz-sze és gázzárványokat alkot a varratban.

Az ötvözött acélok H oldóképessége eltér az ötvözetlenekétől, mivel a Mn, Ti és Nbnöveli, a Si és Al csökkenti az oldóképességet. Oxigén jelenlétében a hidrogén OH for-mában megkötésre kerül és csak a maradék oldódik a hegfürdőben (5.6. ábra). Ez azegyik lehetséges védekezési mód a hidrogén okozta káros folyamatok ellen, ami a he-gesztési gyakorlatban sok esetben alkalmazása is kerül (oxid tartalmú bevonat, fedőpor,portöltet, oxigéntartalmú védőgáz(keverék)).

A hidrogén a varratfémben nagyon gyorsan (méreténél fogva valamennyi elem közüla leggyorsabban) képes diffundálni és nagyobb energiatartalmú hibahelyekhez (ponthi-bák, diszlokációk, szemcsehatárok) kötődve repedést vagy fokozott repedésveszélytelőidézni. A hibahelyeken (hidrogen trap) csapdába ejtett és molekulárissá váló hidro-gén a környező fémrészekre igen nagy nyomást fejt ki, ami minden olyan esetben repe-dések keletkezéséhez vezet, amikor a fém alakváltozóképessége korlátozott.


A varrat oxigéntartalma, tömeg %

0,04 0,06 0,080,020Hid

rog

én

tart

alo

m,

ml/

10

0g

fé

m 16

12

8

4

5.6. ábra. Különböző oxigéntartalmú hegfürdő hidrogénoldóképessége

Az is ismert, hogy az esetek zömében a hidrogén nem egyedül okoz repedést, hanemtovábbi rizikófaktorok jelenlétében fejti ki veszélyes szerepét. Ezért is nevezi a szakiro-dalom ma a régebben hidegrepedésnek nevezett károsodási jelenséget hidrogén indu-kálta (hydrogen induced), vagy hidrogén elősegítette (hydrogen assisted) repedésnek. Ahidegrepedésben ugyanis a következő faktorok játszanak szerepet:

♦ diffúzióra képes hidrogén jelenléte,♦ kemény, rideg szövet (martensit, alsó bainit),♦ kedvezőtlen feszültségállapot.

A hidegrepedés onnan kapta a nevét, hogy a repedés 200 °C alatt következik be. Haugyanis a hőmérséklet ennél nagyobb, akkor a hidrogén a nagy diffúziós tényezőjénekköszönhetően gyorsan elhagyja a mikroszerkezet növelt energiaszintű, kritikus részeit.Ha a hidegrepedés a hegesztést követő lehűléskor még nem következik be, akkor a hid-rogén kiduffundáltatására hasznos lehet egy diffúziós célzatú, 150…250 °C-os hőkeze-lés.

A különböző hegesztőeljárások varratainak hidrogéntartalma nagyon eltérő lehet, amifőleg a hegesztőanyagokból származó hidrogénmennyiségből vezethető le. A legalacso-nyabb H tartalom a bázikus hegesztőanyagokhoz tartozik, ahol a hidrogénforrások mini-malizálására tudatosan törekednek. A nemzetközi előírások 5 ml/100 gfém határértékbenszabják meg az alacsony hidrogéntartalom (low hidrogen) felső határértékét. Ezt az ala-csony értéket a következő esetekben lehet elérni:

♦ VFI, minőségi védőgáz(keverék), tiszta, száraz huzalelektróda,♦ SWI, minőségi védőgáz(keverék),♦ FH, száraz, keramikus előállítású, bázikus fedőpor,♦ BKI, száraz, bázikus elektróda.

5.2.3 A hegfürdő oxidációjaHegesztéskor a hegfürdőből és környezetéből az oxigén teljes kizárását soha nem le-

het elérni, ezért oxidációs folyamatokkal és ezek következményeivel minden esetbenszámolni kell. A hegfürdőbe oxigén a következő forrásokból kerülhet:

♦ alapanyagból,♦ alapanyag felületi szennyeződéseiből (reve, rozsda, nedvesség, olajszármazékok),♦ hegesztőanyag féméből,


♦ elektródabevonatból, fedőporból, portöltetből,♦ védőgázból,♦ levegőből.

Az oxigén a fémekkel a (hőmérséklettől és nyomástól függő) affinitási sornak megfe-lelően oxidokat alkot. Az affinitási sorrendre az oxidok keletkezésekor felszabadulóenergiákat (szabad entalpiát) összehasonlító 5.7. ábra alapján következtethetünk. Minélnagyobb az oxid keletkezésekor felszabaduló (tehát negatív előjelű) energia, annál stabi-labb az oxid, vagyis annál nagyobb az elem oxigén iránti affinitása.

18001000 1400 2200 2600 3000 3400Hõmérséklet, T, K

Kp

zõd

ési s

zab

ad e

nta

lpia

, ∆ ∆∆∆G

, kJ/

mo

l

Al2O3

TiO2

SiO2

MnO

CO2

FeO

NiO

150

0

-150

-300

-450

-600

-750

-900

5.7. ábra: Az oxidok képződési szabad entalpiájának változása a hőmérséklettel, at-moszférikus nyomáson

Néhány, a hegesztésnél fontos szerepet betöltő elem oxidációs egyenletét az 5.2. táb-lázatban adjuk meg.

A reakciók az adott irányban exotermek. A reakció során képződő energiákat Ei-veljelöltük. Az i index egyúttal sorrendet is jelöl: minél kisebb az index, annál kisebb azelem oxigén iránti affinitása. Az adott sorrend szobahőmérsékletre és atmoszférikusnyomásra vonatkozik.

Az affinitási sorrend azt mutatja, hogy a felsoroltak között csak két olyan elem talál-ható, amely a vasnál is kisebb oxigén iránti affinitással rendelkezik: a réz és a nikkel. AFe affinitása viszonylag alacsony, a többi fém és nemfémes elem (pl. Si, P) affinitása


nagyobb. Jelentős energiafelszabadulás kíséri az acélgyártásnál dezoxidensként megis-mert Mn, Si, Ti, Al és Ca oxidációját.

A karbon affinitása a hőmérséklettel ellenkező értelemben változik, mint a többielemé: amíg általában az elemek affinitása a hőmérséklet növekedésével csökken, addiga karboné növekszik (5.7. ábra). Ezzel magyarázható, hogy a szobahőmérsékleten még aCu-nél is gyengébb affinitású C 3000 °C-on már a legerősebb oxigén iránti hajlammalrendelkezik, vagyis az affinitási sorban minden más elemet megelőz.

Sorszám Reakcióegyenlet KépződéshőkJ/gmol

Az oxid jellege

1 Ni O NiO E+ → +0 5 2 1, 90,4

2 2 0 5 2 2 2Cu O Cu O E+ → +, 171,5

3 Fe O FeO E2 3+ → +0 5, 269,9 bázikus

4 Mn O MnO E+ → +0 5 2 4, 389,5 bázikus

5 C O CO E+ → +2 2 5 394,1

6 Na O NaO E+ → +0 5 2 6, 421,3 bázikus

7 K O KO E+ → +0 5 2 7, 462,4 bázikus

8 Mg O MgO E+ → +0 5 2 8, 611,3 bázikus

9 Ca O CaO E+ → +0 5 2 9, 634,7 bázikus

10 Si O SiO E+ → +2 2 10 861,9 savas

11 Ti O TiO E+ → +2 2 11 916,3 savas

12 2 1 5 2 2 3 12Al O Al O E+ → +, 1645,6 savas

5.2. táblázat: A hegesztésnél lényeges szerepet játszó oxidok stabilitása és kémiai jel-lege

Az oxidok közül egyedül a vasoxidul (FeO) oldódik a vasban, a többi oxid salakfá-zist alkot. A salakfázis sűrűségétől, méretétől és alakjától függő sebességgel emelkedika hegfürdő felszínének irányában (Stokes törvény). A salakrészecske kedvező esetbenképes a hegfürdő létideje alatt a felszínre kiemelkedni, kedvezőtlen esetben bedermed ahegfürdőbe és ott salakzáródmányt alkot.

Az oxigén az ötvözők egy részének kiégetésével is kárt okoz, mivel a veszteségekpótlására adagolt ötvözőtöbblet a heganyag költségeit növeli.

Az oldott oxidok minden esetben károsan befolyásolják a varrat tulajdonságait (5.8.ábra), ezért az oxidációs folyamatokat megelőzni, ill. korlátozni, a létrejött oxidokmennyiségét pedig csökkenteni szükséges.

5.2.4 A hegfürdő dezoxidálásaA három ismert vasoxid (FeO, Fe3O4, Fe2O3) közül egyedül a vasoxidul (FeO) ol-

dódik a vasban. Az oldott vasoxidul mennyiségének csökkentése érdekében minden le-hetőséget fel kell használni.

Az első lehetőség a megelőzés, vagyis az oxigénforrás csökkentése csak egy adotthatárig lehetséges és eredményes, mivel sok esetben maga a heganyag (pl. a bevonatból,


portöltetből és a fedőporból képződő salak) vagy a védőgáz oxidálja a hegfürdőben ta-lálható kémiai elemeket.

A már létrejött oxidok mennyiségének csökkentése az olvadt állapotú fémben kémiaimódszerrel, a hegfürdő dezoxidálásával lehetséges. A dezoxidálás az acélgyártásból is-mert módon (ott csillapításnak nevezik) a vasoxidul stabilabb oxiddal való felváltásávallehetséges. A dezoxidáció oxid-termékei nem oldódnak az alapfémben, szerencsés eset-ben a fürdő felszínére emelkednek, kedvezőtlenebb esetben azonban salakzáródmány-ként a varratban maradnak.

0,05 0,10 0,200,150

100

200

400

300

500

0

Rm, Re MPa

A varrat oxigéntartalma, tömeg%

A5, % KV, J

25

20

5

15

10

75

125

100

50

25

600 30 150Rm

Re

A5

KV

0

5.8. ábra: Az oxigén hatása a varrat tulajdonságaira

Dezoxidens elemként azokat választhatjuk, amelyek a vasnál nagyobb oxigén irántiaffinitással rendelkeznek (lásd az 5.7. ábrát). A legfontosabb dezoxidensek a Mn, Si,Al, Ti, Mg és a Ca.

A dezoxidálásnak technikailag két módszere ismert: a kicsapatásos és a diffúziós el-járás.

5.2.4.1. Kicsapatásos dezoxidálásA kicsapatásos dezoxidáció során a hegfürdő belsejében található vasoxidult dezoxi-

dens elemekkel redukáljuk. A keletkezett oxidok nem oldódnak a hegfürdőben.

A kémiai reakciók egyenleteiben a következő egyezményes jelöléseket alkalmazzuk:

♦ [MxOy] a fémfázisban elhelyezkedő oxid,♦ (MxOy) a salakfázisban elhelyezkedő oxid,♦ MxOy a gázfázisban elhelyezkedő oxid.

A tipikus reakciók a következők:

[FeO] + → +[ ] ( ) [ ]Mn MnO Fe

2[FeO] + → +[ ] ( ) [ ]Si SiO Fe2 2

3[FeO] + → +2 32 3[ ] ( ) [ ]Al Al O Fe

2[FeO] + → +[ ] ( ) [ ]Ti TiO Fe2 2

[FeO] + → +[ ] ( ) [ ]Mg MgO Fe


[FeO] + → +[ ] ( ) [ ]Ca CaO Fe

A dezoxidáció nemfémes termékei oxid, vagy (a SiO2-vel való egyesülés után) szili-kát típusú salakot alkotnak. Az apró, nagy olvadáspontú salakzárványok kristályosodásicsíraként szerepelve hozzájárulnak a hegfürdő kívánatos finomszemcsés kristályosodá-sához. A nagyméretű salakzárványok a varrat dinamikus ellenállását és alakváltozó-képességét mérséklik, a repedési ellenállást csökkentik.

A dezoxidenseket célszerű olyan kombinációban alkalmazni, hogy mindenkor folyé-kony, a fürdőben nem oldódó, könnyen aglomerálódó és a salakfázisba emelkedő komp-lex vegyületek képződjenek. Pl. az Al önmagában diszperz, varratban maradó oxidokatképez, de Mn-nal és Si-mal kombinálva a reakciótermék könnyen a salakba emelkedik.Ugyanilyen megfontolásból a Mn/Si arányt a hegesztőanyagokban 3:1-re szokás beállí-tani.

5.2.4.2. Diffúziós dezoxidálásA hegfürdő vasoxidul oldóképessége korlátozott és az oldóképesség elsősorban a

hőmérséklet függvénye. A már oldódni képtelen FeO a salakfázisban kényszerül elhe-lyezkedni. A fém- és a salakfázisban elhelyezkedő vasoxidul aránya a megoszlási tör-vény szerint minden hőmérsékleten állandó:

L[FeO]

(FeO)f(T) constans= = = . (5.11.)

A diffúziós dezoxidálás lényege, hogy a kis (FeO) tartalmú salakot alkalmazva afémfázisban található [FeO] mennyisége a megoszlási törvénynek megfelelően szinténcsökken. Mint minden diffúziós folyamat, a fém- és a salakfázis közötti FeO mozgás isidőigényes, és bár a hegfürdő intenzív keveredése a folyamatot elősegíti, a hegesztés vi-szonyai között a diffúziós dezoxidálás szerepe kevésbé jelentős, mint a kicsapatásosé.

A diffúziós dezoxidálás folyamatát az 5.9. ábra szemlélteti.

(FeO)+(Ca) (CaO)+(Fe)

[FeO] [Fe]

Hegfürdõ

Salak

5.9. ábra. A diffúziós dezoxidálás folyamata

A salakfázis (FeO) tartalmának csökkentése alacsony vasoxid-tartalmú salakképzőkomponensek alkalmazásával, salakfrissítéssel és a salak (FeO) koncentrációjánakkicsapatásos csökkentésével lehetséges. Az utóbbi elv egyik lehetősége az ábrán láthatóCa-os dezoxidálás mellett:

(FeO) (SiO ) (FeO SiO )2 2+ → ⋅


5.2.5. További reakciók a hegfürdőbenA hegfürdőben végbemenő további reakciók is fontosak, bár jelentőségük elmarad az

oxidációs-dezoxidációs folyamattól.

5.2.5.1. A hegfürdő kéntartalma és csökkentésének lehetőségeiA hegesztett szerkezetek céljaira gyártott minőségi acélok kéntartalma nem haladja

meg a 0,035 %-ot, a hegvarratban pedig még ennél is kisebb kéntartalom a kívánatos. Akén káros hatása alacsony (985 °C) olvadáspontú, és ezért kristályosodási repedést ésmelegalakítási vöröstörékenységet okozó Fe-FeS eutektikum keletkezésében jelenikmeg. A FeS veszélyességét fokozza, hogy képes a vasban oldódni. A varratban maradószulfidzárványok az acélok mechanikai jellemzőit (köztük főleg dinamikus törési el-lenállását) is csökkentik.

A varrat kéntartalmának alacsony szinten való tartásához a megelőzés és a hegfürdőkéntartalmának kémiai csökkentése (helytelenül: kéntelenítés) ad lehetőséget.

A megelőzés azt jelenti, hogy a hegesztés alap- és hozaganyagait a lehető legalacso-nyabb kéntartalommal kell gyártani. Ez különösen a hegesztőanyagok nemfém-kompo-nenseinek (bevonat, fedőpor, portöltet) előállításakor jelent szigorú követelményt.

A hegfürdő kéntartalmának csökkentése a dezoxidáláshoz hasonlóan kémiai módsze-rek alkalmazását igényli. A kén oxidációjának nehézségei miatt azonban a deszulfuri-záció nehezebb feladat.

Mivel a kén vassal alkotott szulfidja (FeS) savas karakterű, eltávolításához bázikussalakkörnyezet szükséges. A legstabilabb szulfidokat képező Al, Ca, Na és Mg alkalma-zásának problémája, hogy oxigén iránti vegyrokonságuk nagyobb, mint a kénnel valóvegyülési hajlamuk. A legfontosabb kéneltávolító elem ennélfogva a sorban utánuk kö-vetkező Mn lehet, amelyből az oldott kéntartalom kb. 20…25-szörösét kell a hegfür-dőbe juttatni. A Mn a S-nel a következő két reakció szerint reagálva a vasban nem ol-dódó, 1620 °C olvadáspontú szulfidot képez:

[FeS]+[Mn] (MnS)+ [Fe]→

[FeS]+(MnO) (MnS)+[(FeO)]→

Az első reakció a hegfürdőbe juttatott Mn ötvözővel a hegfürdőben, a második a sa-lak-hegfürdő fázishatáron a salakban elhelyezett MnO-val megy végbe. A második re-akció során keletkező vasoxidult a hegfürdő erős dezoxidensei redukálják. Az FeO-nálalkalmazott kettős zárójel azt jelenti, hogy az oxid megoszlik a fémfázis és a salakfázisközött.

A második egyenlethez hasonló körülmények között zajlik le a bázikus salak fő kom-ponensének, a CaO-nak a reakciója is, amely nem oldódik a vasban:

[FeS]+(CaO) (CaS)+ [(FeO)]→

Az alacsony kéntartalma következtében kiváló mechanikai jellemzőjű varratot ered-ményező bázikus elektródák bevonata egyidejűleg mindig elegendő és összehangoltmennyiségű CaO-ot és ferromangánt tartalmaz. Az oxigén és kéneltávolító elemek kö-zötti átfedés okozza, hogy alacsony kéntartalmú hegfürdők dezoxidációja mindig tökéle-tesebb.


5.2.5.2. A hegfürdő foszfortartalma és csökkentésének lehetőségeiA foszfor a vassal a ferritben oldódó foszfidot alkot a következő reakció szerint:

3Fe+ P Fe P3→

A nemkívánatos következményeket fokozza, hogy az Fe-Fe3C-Fe3P hármas eutekti-kum alacsony olvadásponttal rendelkezik. A magas P koncentrációjú varratokatvöröstörékenység és rossz mechanikai tulajdonságok jellemzik.

A kénhez hasonlóan a foszfor elleni védekezés hatékonyabb formája a megelőzés. Ahegfürdőbe került foszfort a kén ellen is alkalmazott dezoxidensekkel (Ca, Mg, Mn)csökkenthetjük. A foszfor oxidálhatósága miatt a hegfürdő defoszforizálása a kéneltá-volításhoz képest könnyebb feladat. A vasfoszfid oxidációjának egyenlete

2[Fe P]+5[FeO] (P O ) 11[Fe]3 2 5→ +

Bázikus salakban a fő komponens (CaO) a foszforpentoxidot megköti és ezzel elő-segíti az Fe3P további oxidációját:

(P O ) 4(CaO) ((CaO) P O )2 5 4 2 5+ → ⋅

A Mn a foszforpentoxiddal a Ca-hoz hasonlóan reagál, de ennek a reakciónak az in-tenzitása az előzőnél jóval kisebb:

(P O ) 4(MnO) ((MnO) P O )2 5 4 2 5+ → ⋅

A hegesztés során akkor számíthatunk minőségi varratra, ha annak oldott P tartalma a0,03 %-ot nem haladja meg.

Balogh, A.: A varrat kristályosodása és a hegesztett kötésben végbemenő metallográfiai változások 6/1

6. A VARRAT KRISTÁLYOSODÁSA ÉS AHEGESZTETT KÖTÉSBEN VÉGBEMENŐ

METALLOGRÁFIAI VÁLTOZÁSOK

A hőforrás elhaladta vagy kikapcsolása után a hegfürdő hőmérséklete gyorsan alikvidushőmérséklet alá csökken és a körülmények meghatározta túlhűlés után megkez-dődik a hegfürdő kristályosodása.

Mint minden fázisátalakulási folyamatot, a hegfürdő kristályosodását is a szabad en-talpiák szabályozzák. Egy adott hőmérsékleten az a fázis tekintendő stabilabbnak,amelynek létrejöttéhez szabad entalpia csökkenés tartozik.

∆G G Gsz f= − <0 , (6.1.)

ahol: Gsz J a szilárd fázis szabad entalpiája,Gf J a folyadék fázis szabad entalpiája.

Ha a ∆G negatív, vagyis a folyadék fázis szilárd fázissal való felváltásával a szabadentalpia csökken, akkor a szilárd fázis energetikailag stabilabb, ennélfogva a kristályo-sodás feltételei megteremtődtek. Ez az állapot csak megfelelő túlhűtés után következikbe (6.1. ábra).

Sza

bad

en

talp

ia, , , , G

, J

Hõmérséklet, T oC

Tolv

Szilárd fázis

Folyadék fázis∆G

∆T

Tcrit

6.1. ábra: A folyadék, illetve a szilárd fázis közötti szabad entalpia különbség és a túl-hűtés összefüggése

6.1. A hegfürdő kristályosodásaA hegfürdő kristályosodása - hasonlóan az acélgyártásnál megismert tuskódermedési

folyamathoz - két egyidejűleg végbemenő folyamattal jellemezhető:

♦ kristálycsírák keletkezése,♦ kristálycsírák növekedése vagy feloldódása.

A kristályosodás során létrejövő krisztallitok alakja, mérete és eloszlása nagymérték-ben kihat a varrat épségére, valamint mechanikai és egyéb (pl. korróziós) tulajdonsága-ira.


A kristálycsíra szerepét a fémfürdőt határoló fal (pl. tuskóöntésnél a fém kokilla)vagy a hegfürdőben található, a bázisfémnél nagyobb olvadáspontú fázisok (pl. oxidok,nitridek, karbonitridek) tölthetik be. Hasonlóan viselkednek a környezetükhöz képestjobban túlhűlő fémtérfogatok is.

Ha idegen anyagok nincsenek jelen a fémolvadékban, akkor homogén kristályosodás-ról, idegen anyagok jelenlétében heterogén kristályosodásról beszélhetünk.

6.1.1. Homogén kristályosodásA nagytisztaságú színfémek homogén olvadékfázisból kristályosodnak. Homogén

kristályosodás esetén a kristályosodás megindulásához jelentős túlhűlés szükséges.

Annak eldöntése, hogy egy kristálycsíra növekszik, vagy feloldódik, termodinamikaialapon lehetséges. Ha ugyanis a csíra növekszik, a szabad entalpiája is növekszik. Gömbalakú, r sugarú kristálycsírát feltételezve:

G rF = ⋅ ⋅ ⋅4 2 π γ. (6.2.)

A csíra növekedésével a térfogattal arányos szabad entalpia csökken:

Gr

GV V= − ⋅ ⋅ ⋅4

3

3 π ∆ . (6.3.)

A (6.2.) és a (6.3.) egyenletekkel az eredő szabad entalpia változás kifejezhető:

∆ ∆ ∆ ∆G G G rr

Ge F V V= − = ⋅ ⋅ ⋅ −⋅ ⋅

⋅44

32

3

π γπ

. (6.4.)

A (6.4.) összefüggés a 6.2. ábra szerint maximumos görbe. A szélsőértéket az elsőderivált nullával való egyenlővé tételével kereshetjük meg:

d

drG r r Ge V∆ ∆= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ =8 4 02π γ π . (6.5.)

A maximumhely:

rGV

max =⋅2 γ

∆ (6.6.)

rcrit

Sza

ba

d e

nta

lpia

-vá

ltozá

s, ∆

G,

J

Kristálycsírasugara, r, mm

A felületi energiaváltozása

A térfogati energiaváltozása

A rendszer összesenergiájának

változása

6.2. ábra: A szabad entalpia változása a kristálycsíra sugarának függvényében.


A kristálycsíra csak akkor növekedhet, ha a növekedés közben az eredő szabad ental-pia csökken. Ez a feltétel az r r> max csíraméreteknél teljesül, az ennél kisebb csírák fel-oldódnak.

6.1.2. Heterogén kristályosodásA homogén kristályosodás a színfémek alakos- vagy tuskóöntésekor fordul elő. A

hegfürdő kristályosodásakor a részben megolvadt alapanyag krisztallitok (a szilárd -fo-lyékony fázishatárok) töltik be a kristálycsíra szerepét.

Az ötvözetek kristályosodása sokkal összetettebb folyamat, mint azt az egyalkotósszínfémek esetében bemutattuk. A jelenség fő oka, hogy ezeknek az ötvözeteknek adermedése nem egy konstans hőmérsékleten, hanem a likidus és solidus közötti, eseten-ként elég nagy hőközben megy végbe.

A hegfürdő hűlésekor az elsőként megszilárduló folyadékmennyiség a részben meg-olvadt alapanyagszemcsék kristályosodási főirányát követi. A kristályosodás továbbimenetét az dönti el, hogy milyen a hegfürdő fémének összetétele és milyen a hűlési se-besség. A varrat a kedvező kristálytani irányokban gyorsabban, a kedvezőtlenekben las-sabban növekszik. Oszlopos vagy dendrites növekedés lehetséges. Mindkét esetben alikvidus-solidus görbeágak relatív helyzetéből adódó (a minőségi szabályt követő) kris-tályosodás következik be, vagyis a varrat összetétele az idő előrehaladtával változni fog,vagyis heterogén összetétel alakul ki. Ennek oka egyes komponensek kiválása, aminekhatására a később megszilárduló olvadék összetétele eltér a korábban megszilárdulttól.Ha az olvadék összetétele jelentősen megváltozik, a dendrit növekedése a főirányban le-áll, és arra merőlegesen folytatja a kristályosodást, így jönnek létre a dendritágak. A kö-zel párhuzamos dendrit főágak közötti tér vegyi összetétele el fog térni a főiránybangyorsan kristályosodó ötvözetétől, ezzel kialakul a jellegzetes heterogén struktúra.

A dendritágak közötti tér nagyságát az ötvözők kiválási sebessége és a kristályoso-dási sebesség határozza meg. Minél gyorsabb a kristályosodás, annál finomabbak lesz-nek a dendritek és annál kisebb lesz a dendritágak közötti tér. A kristályosodási sebes-séget elsősorban a vonalenergia határozza meg, másodlagos szerepe az esetleges vibrá-ciónak és a nagy olvadáspontú zárványoknak, mint kristálycsíráknak lehet.

6.2. A hegesztési sebesség hatása a hegfürdő alakjára és a var-rat szövetszerkezetére

A hőforrás vh haladási sebessége (ami egyenlő a v hegesztési sebességgel) nem csak akristályosodási sebességet befolyásolja, de hatással van a hegfürdő alakjára és a fürdőközepének repedésérzékenységére is. Konstans hegfürdő alakot akkor kapunk, ha a hő-forrás folyamatos haladása közben megolvadó térfogat mindig megegyezik a megszilár-dulóval: ez az állandósult állapot esete. Nincs állandósult állapot a hegesztés kezdeténvagy végén, amikor is tranziens állapotról beszélhetünk.

A kristályosodás energetikailag legvalószínűbb a legnagyobb túlhűlés, vagyis a leg-nagyobb hőmérsékletváltozás (hőmérsékletgradiens) irányában, ami az !n normálisirány. Eszerint a hegfürdő kristályosodása mindig a szilárd-folyékony fázishatárra merő-leges irányban megy végbe. Ha a hőforrás vh sebességgel halad, akkor a szilárd-folyé-kony fázishatár vn normális irányú elmozdulási sebessége a 6.3. ábra szerint:

v vn h= ⋅cosϕ , (6.7.)

ahol: ϕ a szilárd folyékony fázishatár normálisa és a hegesztési sebességvektoráltal bezárt szög.


x

y

0

ϕvn

vn=vh

vn=0

vh

B

A

A

vh

y

vn(y) vn(y)=vh. cosϕ(y)

vh

6.3. ábra: Vázlat a vh sebességgel mozgó hegfürdő határfelületének elmozdulását jel-lemző vn normálirányú sebesség értelmezéséhez

A hegfürdő farokpontján (a 6.3. ábrán B betűvel jelölve) ϕ=0 °, ezért a két sebességmegegyezik. A hegfürdő legszélesebb részén, az A-val jelölt érintési pontokban ϕ=90 °,emiatt vn=0. A (6.7.) összefüggés szerint a vn sebesség a hegfürdő kontúrvonalán 0 és vhszélsőértékek között változik. Márpedig a metallográfiai tanulmányainkból tudjuk, hogya kristályosodási sebesség változásával a kristályosodás módja is változik. A legnagyobbkristályosodási sebességnél ekviaxiális dendrites, azt követően a vn sebesség csökkené-sének irányában az oszlopos-dendrites, a cellulár-dendrites, majd a celluláris és végül apolikristályos kristályosodási mód következik. Mindez jól látható a 6.4. ábrán, ahol avarrat tengelyvonalában (B pont) lesz a legnagyobb és az érintési pontokban (A pont) alegkisebb a kristályosodási sebesség.

x

y

0B

A

A

vh

vn0

y

T=Tlikv Polikristályos

Celluláris

Dendrites

Ekviaxiális-dendrites

6.4. ábra: A vn kristályosodási sebesség és a kristályosodási mód összefüggése vh se-bességgel végzett hegesztés esetén

Az előzőkben láttuk a szerkezeti túlhűlés (constitutional supercooling) kristályoso-dási modelljét, ami a szokásos ívhegesztési sebességeknél jól leírja a poligonális és azirányított (vagyis nem-poligonális) kristályosodás közötti átmenetet.

Az extrém hegesztési sebességeknél (v=10…20 m/min) új kristályosodási jelenségetfigyeltek meg: a kristályosodás az irányított jellegből újra átváltott a poligonális rend-szerbe. A jelenség a kristályosodási sebesség olyan nagymértékű növekedésével függössze, amikor a kristálycsírák számának növekedésével igen sok szemcse kezd el egyi-


dejűleg növekedni és ezek a gyorsan növő szemcsék összeérnek, mielőtt valamely pre-ferált irányban túl nagyra nőhetnének.

Az irányított kristályosodás a sebességnövelésen kívül az ív mágneses mozgatásával,keresztirányú íveléssel és impulzusos hőbevitellel is elnyomható. Ezek a módszereknagy lehetőséget jelentenek a kedvezőbb, repedésnek jobban ellenálló varratkristályoso-dás megvalósításához, különösen melegrepedésre hajlamos anyagok hegesztésénél.

6.4. Kristályosodási repedések képződése a varratbanA kristályosodási repedések (solidification crack) a hegvarrat dermedésének utolsó

fázisában, ötvözeteknél a likvidus és solidus hőmérséklet között jönnek létre, ezért eze-ket kevésbé tudományos igénnyel melegrepedésnek is szokás nevezni. A kristályosodásirepedések könnyen felismerhetők, mivel a varrat legutoljára megszilárduló középvonalátkövetik. Dendrites kristályosodáskor a dendritágak összeérésének, összenövésének he-lyén keletkeznek, mivel itt dúsulnak fel az alacsony olvadáspontú varratszennyezők. Arepedések kialakulása azonban csak keresztirányú húzófeszültségek jelenlétében lehet-séges, ezt a zsugorodási folyamat szolgáltatja. Összefoglalásként megállapítjuk, hogy akristályosodási repedések kialakulásában a következő tényezők játszanak fontos szere-pet:

♦ alacsony olvadáspontú szennyezők jelenléte a hegfürdőben,♦ a varrat kedvezőtlen ψ belső formatényezője (keskeny, mély varrat),♦ keresztirányú húzófeszültségek.

6.4.1. A varratszennyezők szerepeA szerkezetépítésben használt ötvözetlen, mikroötvözött és gyengén ötvözött acélok

esetében a melegrepedés kialakulását a C, S és P elemek segítik elő. A vasnál alacso-nyabb olvadáspontú, ezért későbben dermedő S és P a kristályosodási folyamatban a ké-sőbbi szemcsehatárok felé sodródnak és ott alacsony olvadáspontú vegyületet hoznaklétre. A vasszulfid (FeS) olvadáspontja pl. 1195 °C. Fokozza a problémát, hogy a vassalés kettes, vagy hármas eutektikum képződhet, még alacsonyabb olvadásponttal. A Fe-FeS eutektikum olvadáspontja 985 °C, ami azt jelenti, hogy ez a fázis a szemcsehatáronmég folyadék állapotban van, amikor a varratfém további részei már megszilárdultak.Húzófeszültségek hatására a szemcsehatármenti eutektikum-filmben repedés keletkezik,ami a további hűléskor már visszafordíthatatlanul megmarad.

A vasszulfid képződését olyan elemek ötvözésével előzhetjük meg, amelyek nálánálstabilabb szulfidokat alkotnak és nem hajlamosak eutektikumot képezni. A szulfidokképződési entalpián alapuló stabilitási sorrendje a következő (gyengétől az erős felé ha-ladó sorrendben):

NiS FeS MnS MoS MgS Na S CaS Al S→ → → → → → →2 2 2 3

A hegesztési gyakorlatban a Mn kénmegkötő képességét igyekszünk felhasználni. Ahegfürdőben:

[ ] [ ] ( ) [ ]FeS Mn MnS Fe+ → + .

Ha a hegesztés salak jelenlétében folyik, akkor a salak fém fázishatáron további kén-eltávolítási lehetőségeink vannak:

[ ] ( ) ( ) [( )]FeS MnO MnS FeO+ → + ,

[ ] ( ) ( ) [( )]FeS CaO CaS FeO+ → + .


A MnS nem, vagy csak nagyon kis mértékben oldódik a vasban, magas olvadáspontja(T Colv ≈ °1620 ) és gömbösödési hajlama miatt nem okoz repedést, ráadásul az oxigéniránti affinitása is kisebb, mint a kén iránti. A Mn-nal szemben az összes további szul-fidképző egyúttal dezoxidens is, és az oxigén iránti nagyobb vegyrokonságuk miatt elő-ször nem a kénnel, hanem az oxigénnel, vagy a vasoxidullal lépnek kapcsolatba.

A melegrepedések kialakulásában a kénhez hasonló, de annál kevésbé jelentős afoszfor szerepe. A foszfor a vassal a jól ismert Fe3P vasfoszfidot alkotja, ami asteaditnak nevezett, alacsony olvadáspontú Fe Fe P Fe C− −3 3 hármas eutektikum egyikkomponense.

A foszfor okozta repedési hajlam csökkentésére növekvő hatékonysági sorrendben azAl, Mn, Mg és Ca alkalmas. Különösen jó eredmény érhető el bázikus salakok jellegze-tes komponense, a CaO révén:

4 2 5 4 2 5( ) (( ) )CaO P O CaO P O+ → ⋅ .

A foszfor eltávolításának hatékonysága a hőmérséklettel csökken, ezért a salak és ahegfürdő túlhevítését (túlzottan nagy hőáram, alacsony hegesztési sebesség) kerülni kell.

A karbontartalom növelése a melegrepedéssel szembeni ellenállóképességre szinténnegatív hatással van. Ennek oka abban keresendő, hogy a szokásos 0,1…0,2 % karbon-tartalmú hegömledékben a metastabil vas-vaskarbid állapotábra HJB hőmérsékletén(1493 °C) lejátszódó peritektikus reakció szerint 0,16 % karbontartalmú γ szilárd oldatkeletkezik, ami a δ szilárd oldatnál sokkal rosszabbul oldja a S-t és a P-t, ezért az ala-csony olvadáspontú szennyezők koncentrációja a szemcsehatáron még inkább megnő. Aperitektikus reakció egyenlete:

δ γ0 10 0 50 0 16, % , % , %C Colvadék+ → , (6.8.)

A melegrepedési veszély csökkentésére az alapanyagokat, de mindenekelőtt a he-gesztőanyagokat a lehető legalacsonyabb S és P koncentrációval kell gyártani.

Az oxigén szintén hátrányosan befolyásolja a melegrepedéssel szembeni ellenálló-képességet, mert a szulfidokra gyakorolt felületi feszültség csökkentő hatása révén elő-segíti a szemcsehatármenti salakfilm kialakulását.

A hegfürdőben található kémiai elemek melegrepedési hajlamra gyakorolt pozitívvagy negatív szerepét és a befolyás mértékét jól jellemzi az a képlet, amelyet angol kuta-tók dolgoztak ki és amelyet a BS 5315 szabványba is beépítettek:

CS C S N Si Mn= ⋅ + ⋅ + ⋅ − ⋅ − ⋅ −230 190 75 12 3 5 4 1, , , (6.9.)

ahol: CS repedésérzékenységi tényező (Crack Susceptibility).

6.4.2. A varrat keresztmetszeti alakjának szerepeA kristályosodási repedés kialakulására maga a kristályosodási folyamat is meghatá-

rozó befolyást gyakorol. Az előzőkben láttuk, hogy adott hegfürdő-összetételnél a kris-tályosodás jellege a kristályosodási sebességtől, a kristálycsírák számától és eloszlásától,a likvidus és a szolidus közötti hőmérsékletkülönbségtől és egyéb, kisebb jelentőségűbefolyásoló körülményektől függ. A továbbiakban a hegesztési gyakorlatban legál-talánosabb dendrites kristályosodást feltételezve vizsgáljuk meg a hegfürdő geometriajellemzőinek (méretek, alak) repedésérzékenységre gyakorolt hatását.

A hegfürdő kristályosodása mindig a hegfürdő határfelületéről, az ún. folyékony-szi-lárd átmenet részlegesen megolvadt szemcséiről indul, mégpedig a legintenzívebb hőel-vonás irányában, vagyis a felületre merőlegesen. A dendritfőágak növekedése közben a


visszamaradó folyadékfázis szennyezőtartalma növekszik. A dendritfőágak összeérése-kor a dendritek összenőnek. Az összenövés jóságát szilárdságtanilag a kristálytani főirá-nyok találkozási szöge és az idegen atomok jelenléte befolyásolja. Mivel a véletlenszerűtalálkozási szög és a felhalmozott alacsony olvadáspontú szennyezők az erős kapcsolatkialakulása ellen hatnak, a legutoljára kristályosodó összenövési helyek melegrepedésihajlama a varrat többi részéhez viszonyítva sokszorosan nagyobb lesz.

A 6.5. ábra mutatja a különböző szélesség/mélység arányú varratok dendrites szerke-zetét. Az ábra szerint a dendritek a varrat szinmmetriasíkjában csak a mély és keskenyvarratokban találkoznak, a széles és sekély varratokban nem. A középső ábra azt az ha-táresetet mutatja be, ahol a dendritek egy pontban találkoznak. Ez az eset a félkör-ke-resztmetszet esetén fordul elő, ezért ezt az alakot határesetnek tekintjük.

ψ < 2 ψ = 2 ψ > 2

Repedésveszély

h

b

h

b

h

b

Keskeny, mély varrat Köralakú beolvadás Széles, sekély varrat

6.5. ábra: A hegfürdő keresztmetszeti alakjának hatása a kristályosodási repedés-érzé-kenységre

A 6.5. ábra alapján szükségessé válik a varrat belső alaktényezőjének (shapeconstant) definiálása:

ψ = b

h, (6.10.)

ahol: b, mm a varrat koronaoldali szélessége,h, mm a varrat beolvadási mélysége.

A kedvező és kedvezőtlen varratalak közötti határesetben, vagyis amikor a beolva-dási profil egy félkör, b=2R, h=R, ezért a belső alaktényező:

ψ = = ⋅ =b

h

R

R

22

A kapott számérték alapján megfogalmazhatjuk, hogy melegrepedési veszéllyel csakψ < 2 alaktényezőjű varratoknál kell számolni, ennél nagyobb alaktényezők esetén amelegrepedés valószínűsége nagyon kicsi.

6.4.3. A keresztirányú húzófeszültség szerepeA repedések kialakulásához minden esetben húzófeszültség jelenléte szükséges. He-

gesztett kötések hűlésekor a varratot és szűk környezetét a varrat maradó zsugorodásá-val összefüggésben mindig húzófeszültség terheli, amit a varrattól távolabbi részek nyo-mófeszültsége egyensúlyoz ki. Ha a kristályosodás során a megszilárduló varrat kereszt-irányú alakváltozóképessége korlátozott, akkor a varratközép tájékán repedés keletke-zik.


A keresztirányú húzófeszültség annál nagyobb, minél inkább gátolva van a varrat hű-lés közbeni keresztirányú zsugorodása. A gátlás (restraint) mértéke konstrukciós éstechnológiai eszközökkel csökkenthető.

Agyakorlati megfigyelések szerint a domború varratok kevésbé hajlamosak a meleg-repedésre, mint a homorúak. A jelenség valószínű oka a nagyobb keresztmetszet okoztanagyobb teherviselő képességben keresendő.

6.5. A hőhatásövezet, mint a szilárd fázisban végbemenő fém-tani folyamatok következménye

A hegesztendő alapanyagot a hideghegesztést kivéve mindig éri hőhatás, ami azanyagban szerkezeti és/vagy összetételbeli elváltozásokat okozhat. A hő által befolyásoltés szerkezetében módosított varratmenti sávok ezért tulajdonságaikat tekintve mind avarrattól, mind az alapanyagtól eltérnek.

6.5.1. A hőhatásövezet szerkezete és származtatásaHegesztés közben a hőforrással együtt mozgó hegfürdőt egy, a likvidust nem megha-

ladó, nagy hőmérsékletű zóna vesz körül, amit hőhatásövezetnek (heat affected zone,HAZ) neveznek (6.6. ábra). A hőhatásövezet alsó határhőmérséklete az a hőmérséklet,ami alatt már nem várható érdemleges mikroszerkezeti (szövetszerkezeti, szemcseszer-kezeti, összetételi változások. Ez acélok esetében 100 °C-ra tehető, de vannak olyan öt-vözetek (pl. a szobahőmérsékleten nemesedő Al ötvözetek) amelyekben a hőhatásövezetalsó határa ennél is alacsonyabb.

Hegfürdõ

x

Hõhatásövezet

Hõhatásövezet

0

y

Varrat

Alapanyag

AlapanyagTmax = 100 oC

Tmax = 100 oC

T = Tlikv

T = Tlikv

T = Tlikv

6.6. ábra: Az ömlesztő hegesztések hőhatásövezetének értelmezése

Régebbi felfogás szerint a hőhatásövezet alsó hőmérséklethatára az optikai mikrosz-kópon látható elváltozáshoz tartozik, vagyis acéloknál az alsó határ az A1 hőmérséklet.Mivel hidegen alakított acélokban a hegesztési hőhatásra a megújulás és az újrakristá-lyosodás is végbemegy, sőt az újrakristályosodás 450 °C-os küszöbértéke alatt a kisatomrádiuszú elemek (B, N, C) szegregációjára is sor kerülhet, a régebbi értelmezés mamár nem tartható fenn.

Mivel a hőhatásövezetben a hőmérséklet az előzőkben definiált felső és alsó határközött folytonosan változik, ezért a hőhatásövezet a benne lejátszódó folyamatok kü-lönbözősége és a fémtani folyamatok különböző sebessége, következésként eltérő mér-


téke miatt nem lehet homogén szerkezetű, további sávokra (zónákra) való felosztásravan szükség.

A hőhatásövezet zónáinak származtatására válasszuk ki a hegesztésnél szokásos 0,1…0,22 % közötti alapanyag-karbontartalom középértékét, a C=0,16%-ot! Ez azért iselőnyös választás, mert ez az Fe-Fe3C metastabil állapotábra jellegzetes (J) pontjánakkarbon-koncentrációja, ahol a jól ismert peritektikus reakció után sem olvadékfázis, sem δ szilárd oldat nem marad vissza.

A 6.7. ábra az Fe-Fe3C állapotábra C ≤ 0 5, % alatti szakaszát és a Tmax hegesztésközbeni csúcshőmérséklet y irányú (ez a 3.1. ábra szerint a hőforrás haladási irányára ésa vastagságirányra merőleges koordináta) eloszlását tartalmazza. Az ábra csak kvalitatívelemzésre alkalmas, mivel az acélok a vason és szénen kívül egyéb elemeket is tartal-maznak, az átalakulások nem egyensúlyi körülmények között mennek végbe és a csúcs-hőmérséklet - eloszlás az alapanyagon kívül a technológia (főként a vonalenergia) függ-vénye. Az elemzés az adott y koordinátához tartozó valós hűlési sebesség és az alap-anyag folyamatos hűtésre érvényes C görbéje alapján pontosítható.

A

B

JH

P

Q

G

T

C0,16

Varrat

450 oC

100 oC

1100 oC

A1

A3

Tlikv

TsolSzilárd-folyékony átmenet

Szemcsedurvulási zóna

Normalizálási zóna

Részleges átkristályosodási zóna

Újrakristályosodási és kilágyulásizóna

Kéktörési (szegregációs)zóna

Alapanyag

T

Hõhatásövezet

y

N

6.7. ábra: A hőhatásövezet zónái (alövezetei) és származtatásuk C=0,16 %karbontartalmú ötvözetlen lágyacél esetében

A hőhatásövezet zónáinak elnevezését és a az egyes zónák felső és alsó határhőmér-sékletét a 6.1. táblázatban foglaltuk össze.

A hőhatásövezet tulajdonságairól napjainkban már igen sok információ áll rendelke-zésünkre, mert az empirikus megfigyelések és a korábbi vizsgálatok eredményei mellettma már a hőhatásövezet bármely pontjának hőciklusát direkt erre a célra kifejlesztetthőciklus - szimulátorokkal (Thermal Cycle Simulator, TCS) szimulálni lehet. Egy újacéltípus hegeszthetőségi tesztelése hőciklusszimulátor nélkül ma már elképzelhetetlen.


Sorszám A zóna neve Tmax, °°°°C Tmin,°°°°C

1 Szilárd-folyékony átmenet zónája (összeol-vadási zóna)

Tlikv Tsol

2 Szemcsedurvulási zóna Tsol 1100

3 Normalizálási zóna 1100 A3

4 Részleges átkristályosodási zóna A3 A1

5 Újrakristályosodási és kilágyulási zóna A1 450

6 Kéktörési (szegregációs) zóna 450 100

6.1. táblázat: Az ötvözetlen acélok hőhatásövezetének zónái és a zónák határhőmérsék-lethatárai

6.5.2. A hőhatásövezet zónáinak jellegzetes tulajdonságaiA hőhatásövezet egyes metallográfiailag elkülöníthető sávjainak jellegzetes tulajdon-

ságai lehetnek. Ezek a tulajdonságok azonban csak technológiához kapcsoltan és statisz-tikai szemlélettel értelmezhetők, következésképpen egyik acélfajtáról (vagy általánosab-ban egyik ötvözetről) nem vihetők át automatikusan egy másikra. A hőhatásövezeti zó-nák jellegzetességei a szerkezeti acéloknál a következők.

1. A szilárd-folyékony átmenet zónája nagyon keskeny sáv a lehető legnagyobb hűlésisebességgel. Edződésre hajlamos acéloknál, különösen H jelenlétében a varratfelület-tel párhuzamos repedések várható helye.

2. A szemcsedurvulási zóna a nevének megfelelően nagyra nőtt austenit szemcsékbőlátalakult bomlástermékeket tartalmaz. Kedvezőtlen körülmények egybeesésekor eb-ben a zónában kismértékű szilárdságcsökkenés, felkeményedés és nagymértékű szí-vósságcsökkenés fordulhat elő.

3. A normalizálási zónában lejátszódó hőciklus leginkább a normalizálás nevű hőkeze-lésre emlékeztet. A nem egyensúlyi viszonyok miatt a hűléssebesség ebben a hő-hatásövezeti sávban nagyobb, mint a normalizálás léghűtése után. A szemcseszerke-zet finom, ami szilárdságnövekedéssel és jó ütőmunka eredményekkel jár együtt.

4. A részleges átkristályosodási zónában az α γ α→ → átalakulás nem teljes, emiattváltozó szemcseméretű, részben az eredeti szemcséket megőrző, részben új szövetűszemcséket eredményező szemcseszerkezet alakul ki átlagos, vagy annál kissé rosz-szabb mechanikai jellemzőkkel.

5. Az ötödik zónában csak akkor érzékelhető valamilyen mikroszkópikus változás, haezek kiindulási feltételei adottak (innen származik a régi felfogás, ami nem vesz tu-domást erről a sávról). Ha az alapanyagot hidegen alakított állapotban (hőkezelés nél-kül) hegesztjük, akkor ebben a sávban a hidegalakítás következményeinek megszű-nését eredményező megújulási és rekrisztallizációs folyamat indul meg, (az idő rö-vidsége miatt azonban nagy valószínűséggel nem fejeződik be). Hasonló a helyzet, hanem hidegalakítással, hanem hőkezeléssel felkeményített acélt hegesztünk, mivel itt amartensites és cementites (karbidos) szövetek kilágyulása kezdődik el.


6. A legkisebb hőmérsékletű kéktörési zónában kis atomsugarú kémiai elemek diffúziósszegregációja várható, aminek szilárdságnövelő és alakváltozóképességet csökkentőhatása kedvezőtlen esetben jelentős szívósságcsökkenéshez, sőt repedéshez vezethet.Inkább a régebbi, rossz minőségű, sok N-t tartalmazó levegőfrissítésű acélokra voltjellemző. Főleg akkor érdemel megkülönböztetett figyelmet, ha régi acélokat kell he-gesztéssel javítani vagy új alkatrészt kell régihez hegeszteni.

Balogh A.: Nemolvadó (W) elektródos ívhegesztő eljárások 7/1

7. NEMOLVADÓ (W) ELEKTRÓDOS ÍVHE-GESZTŐ ELJÁRÁSOK

A villamos íveknek két alapvető típusa létezik: a nem olvadó (másképpen nem fo-gyó) elektródos és a leolvadó (fogyó) elektródás. A nem az alapanyagon kialakuló ív-talppont közelében levő anyagnak a hegesztés folyamán megfigyelhető megolvadásosfogyását az elektróda szóval, a nem leolvadó (a valóságban azért nagyon lassan fogyó)viselkedést az elektród szóval különböztetjük meg.

A nem olvadó elektród a leggyakrabban W, vagy W bázisú kompozit. A ma ismertlegfontosabb W elektródos ívhegesztések a következők:

♦ Hidrogén védőgázas, W elektródos ívhegesztés (HWI),♦ Hélium védőgázas, W elektródos ívhegesztés (HeWI),♦ Argon védőgázas, W elektródos ívhegesztés (ArWI),♦ Plazmaívhegesztés (PI).

A nem aktív (semleges (Ar, He, Ar+He keverék és ugyanezen gázok keveréke kis-mennyiségű redukáló jellegű H-nal) gázokat használó, volfrámelektródos ívhegesztése-ket semlegesgázvédelmű, volfrámelektródos ívhegesztés (SWI) gyűjtőnévvel foglaljukössze. Hivatalos angol elnevezésük: Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Alternatív elnevezésként a TIG (Tungsten Inert Gas) illetve a WIG (Wolfram inert Gasis gyakori.

A további nemesgázok (Ne, Kr, Xe) kis természetbeli előfordulási koncentrációjuk-kal összefüggő magas előállítási költségük miatt védőgázként nem jöhetnek számításba.A HWI és a PI eljárásoknál teljes egészében vagy részlegesen H-t tartalmazó, vagyis re-dukáló hatású védőgázt, vagy gázkeveréket használnak. Ez - szemben az oxidáló, vagymásképpen aktív védőgázokkal - azért nem okoz problémát, mert a W elektród hidrogénatmoszférában még igen magas hőmérsékleten sem károsodik.

A W elektródos ívhegesztések összegzett részaránya az összes ömlesztő hegesztő el-járáson belül világátlagban mintegy 3…5 %-ra tehető. Főleg a kézi változatok terjedtekel, de az eljárások kiválóan gépesíthetők és robotizált hegesztésre is alkalmasak.

7.1. Semlegesgázvédelmű, W elektródos ívhegesztés (SWI)Az SWI olyan hegesztő eljárás, amelyben az egyesítendő fémeket egy nemolvadó W

elektród és az alapanyagok között nemesgázban égő ívvel hevítjük. A hegesztéshezpálca vagy huzal hozaganyagot használnak, de a hegesztés hozaganyag nélkül is végez-hető (autogén hegesztés). Az SWI gyüjtőnév a plazmaívhegesztés kivételével magábafoglalja az összes lehetséges védőgázvariációval működő W elektródos ívhegesztéseketa plazmaívhegesztés kivételével. Az eljárás számítógépes kódszáma: 141.

Az eljárás egyszerűsített vázlata a 7.1. ábrán látható. A W elektród és az alapanyagközött létesített ívet, a W elektród forró végét és a hegfűrdőt nemesgáz védi a levegő ká-ros gázaitól (N2, O2, H2). Vékony lemezek peremvarrataihoz és I varrataihoz nem hasz-nálnak hozaganyagot, de relatíve vastagabb lemezek leélezett varratfajtáihoz pálca vagy


huzal töltőanyagra mindenképpen szükség van, amit azonban nem kötnek be az ívet táp-láló áramkörbe. A hozaganyagot az ív hője hevíti olvadáspontja fölé, ezért viszonylagnagyméretű folyadékcseppként kerülnek a hegfűrdőbe. A nemesgázban fenntartott W ívstabil, jól szabályozható, az eljárásnál alig van fröcskölés és füstképződés.

DCENÍv

W elektród

Pálca

Varrat

Alapanyag

Hegfürdõ

Fúvóka

Árambevezetõrézhüvely

Ar

7.1. ábra. A kézi semlegesvédőgázas Welektródos ívhegesztés (SWI) vázlata

7.2. Az eljárás előnyei és korlátaiAz SWI valamennyi ívhegesztő eljárás közül a legideálisabb körülmények között lé-

tesített, nagyon rugalmas, stabil és szabályozható ív hőforrással működik és nagyon jóminőségű varratot eredményez. Az eljárás fő előnyei a következők:

♦ W ideális, a ma ismert legjobb elektródanyag, kiváló elektronemissziós képesség-gel, csekély fogyással és jelentős áramterhelhetőséggel,

♦ a nemesgázok (ezen belül főleg az Ar) ideális védőgázok, amelyek az ív meggyúj-tását , újragyújtását (AC) és stabil égését egyaránt támogatják, a héliumot kivéve alevegőnél nehezebbek, ezért a legfontosabb hegesztési helyzetekben a hegfürdőfelé áramlanak,

♦ a W ív rugalmas, széles teljesítménytartományban szabályozható, impulzusívűáramforrással, egyenárammal és váltakozóárammal egyaránt táplálható,

♦ nincs salakképződés, alig van fröcskölés, ezért hegesztés után tisztító műveletregyakorlatilag nincs szükség,

♦ nincs füstképződés, ezért a hegesztő az ívet és a hegfürdőt jól látja, egészsége nemforog veszélyben,

♦ a varrat minősége kifogástalan, külső megjelenése esztétikus, mérhető geometriaiés mechanikai jellemzői kiválóak,

♦ az eljárás gyakorlatilag minden ipari fém(ötvözet)hez alkalmazható,♦ minden térbeli helyzetben megfelelő eredményt ad.

Az SWI kiváló minőségi és folyamatjellemzőit az eljárás nagyobb fajlagos költségeiés kisebb teljesítménye ellensúlyozza ki. Az említésre érdemes hátrányok a következők:

♦ kis áramsűrűség, a He mentes védőgázokban alacsony ívfeszültség, kis hőáram,kis beolvadási mélység, kis hegesztési sebesség,

♦ időegység alatt kis leolvasztott hozaganyagtömeg,


♦ képzett hegesztőt igényel, kézi változata kétkezes hegesztési technikával végez-hető,

♦ berendezése, elektródanyaga és védőgáza nagyon drága, ezért a varrat-hosszegy-ségre vonatkoztatott fajlagos varratköltsége magas,

♦ kiépített védőgázellátó infrastruktúrát igényel.

7.3. Az eljárás alkalmazási területeiAz eljárás jellemzőiből, valamint az előzőkben felsorolt előnyeiből és hátrányaiból

következik, hogy az alkalmazás csak relatíve szűk terülten lehet gazdaságos. Ezt akorlátot a hegeszthetőségi korlátok tágítása és a minőségre törekvés némileg szélesíti.Az alkalmazási területek tárgyalásakor nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy azSWI a hegesztőeljárások társadalmának arisztokratája, amit csak indokolt esetben cél-szerű választani.

Az előző nézőpontnak megfelelő tipikus alkalmazási lehetőségekre néhány példa akövetkezőkben található.

1. Értékes, vagy leolvadó hozaganyagos eljárásokkal nehezen hegeszthető anyagokhegesztése

Erősen ötvözött, korrózióálló, hőálló acélok hegesztése. A drága alapanyag és a ma-gas minőségi követelmények miatt. A varrat külső megjelenésének szabályossága im-pulzus áramú hegesztéssel tovább javítható.

Alumínium, titán, réz, nikkel, cirkónium és egyéb nemvasfémek és ötvözeteik he-gesztése, főleg olyan esetekben , amikor aktív védőgázzal egyáltalán nem lehet he-geszteni (Al, Ti) vagy nem lehet a kívánt magas minőséget biztosítani.

2. A hegesztés szempontjából nehezen kivitelezhető esetek

Olyan esetekben, amikor szabályozott hőbevitelre, kistömegű hegfürdőre és gyorsfürdődermedésre van szükség (térbeli hegesztés, vékonylemezek hegesztése és gyök-hegesztés). A hőbevitel és a tőle független hozaganyag-adagolásból származó előnyö-ket használjuk ki , tetszőleges alapanyagok esetén. Pl. helyszíni csőhegesztés gyök-sora, vagy a teljes vastagságra kiterjedő varrata. Vékony lemezek peremvarratainálhozaganyag alkalmazása nélkül. Az impulzusáram itt is reális lehetőség.

A nehéz hegeszthetőségi esetekben az alapanyagból levágott lemezcsík hozaganyagés az SWI kombinációval mindig érdemes kísérletezni.

A kötéseket 3 mm lemezvastagságig egyrétegű I varratokkal, efelett többrétegű, le-élezett lemezszéleket igénylő varratokkal tervezik. Vékony lemezek vázszerkezetreSWI ívponthegesztéssel esztétikusan felrögzíthetők.

3. Igényes felületi bevonatok készítése

Magas olvadáspontú öntött, keramikus vagy kompozit pálcák, esetleg porhozag-anyagok ráolvasztása fém alaptestekre a kívánt felületi tulajdonságok (kopásállás,korrózióállás, hőállás, vagy ezek kombinációjának) elérésére.


7.4. Az SWI eljárás gépi berendezéseAz SWI eljáráshoz sok részből álló, bonyolult, magas szinten elektronizált, igen

drága gépi berendezés tartozik. A költségek csökkentése csak úgy lehetséges, ha a min-dent tudó gépek helyett csak korlátozott célra használható, egyszerűsített berendezéstvásárolunk.

A teljes körű gépi berendezés fő részei a következők:

♦ áramforrás az AC hegesztéshez szükséges kiegészítőkkel,♦ pisztoly az összekötő kábelköteggel,♦ védőgázellátó rendszer,♦ hűtőrendszer,♦ vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer,♦ huzalelőtoló és előmelegítő rendszer (opcionális),♦ hegesztő készülék (gépi hegesztésnél kötelező, kézi hegesztésnél opcionális),♦ védőfelszerelés.

7.4.1. ÁramforrásA hegesztőberendezés legfontosabb egysége az áramforrás. A korszerű áramforrás

egyenirányító, vagy inverter típusú, stabil vagy hordozható kivitelben. Robbanómotorosgépegység is elképzelhető, de nagyon ritkán alkalmazott.

Az áramforrás egyenáramú (DC) és váltóáramú (AC) üzemre egyaránt alkalmas. Acsak egyenáramú gépekkel alumínium és hasonlóan stabil oxidokkal borított felületű fé-mek és ötvözeteik nem hegeszthetők.

A hegesztőgépek eső statikus karakterisztikájú, ún. áramtartó áramforrások (7.2.ábra). Minél meredekebb a statikus karakterisztika, annál stabilabb hegesztőív tarthatófenn. A kézi ívhegesztéseknél óhatatlanul előforduló ívhosszváltozáskor ugyanis a he-gesztőáram ilyen esetekben alig változik.

I, A

UV

M

U0

Iz

Áramforrás

Ív

∂∂

∂∂

U

I

U

Iív

ív M

áf

áf M

>

7.2. ábra. Az SWI áramforrás statikus karakterisztikája és munkapontja (a relációs ösz-szefüggés a munkapont stabilitási feltétele)


A kézi hegesztésre szánt áramforrások 50 %-ot nem meghaladó bekapcsolási idővelkészülnek. Gépi hegesztéshez célszerű 100 % bekapcsolási idejű gépet vásárolni. (Azáramforrás melegedésével kapcsolatos bekapcsolási idő [duty cycle] a 10 min alapidőalatt megengedett ívidő-részarányt jelenti).

A hegesztőgépek áramtartománya 150 A alatti, 150 és 350 A közötti és 350 A felettialcsoportokra osztható. A 350 A feletti gépeket csak ritkán alkalmazzák. Az áramtarto-mány alsó határa szokatlanul alacsony, mintegy 5 A-re tehető. A munkaponthoz tartozófeszültségintervallum Ar védőgáz esetén 10 és 30 V közé tehető, a sok He-ot tartalmazóvédőgázban ennek mintegy 1,5-2 szerese is lehet. Az áramerősség és a feszültség közöttielőírt összefüggés a National Electrical Manufacturers Association (USA) szerint:

U Iív h= + ⋅13 0 012, (7.1.)

Az SWI áramforrások áramnövekedési sebességét a reaktancia helyes megválasztásá-val lehet befolyásolni.

Az áramforrások a hegesztő nagyobb kényelme és a kedvezőbb varratminőség eléréseérdekében áramnövekedés és áramcsökkenés távszabályozóval, távolsági áramszabályo-zóval, sőt a legkorszerűbbek ezen kívül kisfrekvenciás (ún. lassú) impulzusegységgel ésprogramegységgel is fel vannak szerelve.

A váltakozó áramú áramforrások kiegészítő egységei

A váltóáramú ívben az áramforrás eredetileg szabályos szinuszhullámmal leírhatószekunder feszültsége eltorzul, mivel az ívgyulladási és ívfenntartási differenciák miatt akedvezőbb adottságokkal bíró egyenes polaritású (DCEN) félperiódus időtartama afordított polaritású (DCEP) félperiódus rovására megnövekszik. Az ívégési aszimmetriahatására az íváram úgy torzul el, hogy a közelítőleg trapézhullám középvonala felfelétolódik, vagyis a váltakozó áramhullám egy egyenáramú komponensre (Ie) szuperponá-lódik (7.3. ábra).

DCEN

DCEP

iu

UgyEN

UgyEP

t

u(t)

i(t)

Ie

EN ív

EP ív

tEP

tEN

UgyEN < UgyEP

tEN > tEP

7.3. ábra. Az egyenáramú komponens megjelenése szimmetrikus váltakozóárammaltáplált SWI ívnél

Mivel a stabil oxiddal borított könnyűfémek felülettisztítása a DCEP félperiódusbanmegy végbe, a fordított félperiódus lerövidülése a hegesztés sikerét veszélyeztetné, ezért


nem megtűrhető jelenség, ami ellen védekezni kell. A hatékony védelemnek a követ-kező módjai ismeretesek:

♦ az üresjárási feszültség 5…6-szoros megnövelése (balesetelhárítási szempontbólnagyon kedvezőtlen),

♦ nagyfrekvenciás áram szuperponálása a hegesztő áramra (rádió, televízió és tele-fonvételi zavarokat okozhat),

♦ aszimmetrikus négyszöghullám alkalmazása.

Mivel valamennyi módszer közül az utolsó a legkorszerűbb és a legperspektiviku-sabb, ezt a módszert egy konkrét példán keresztül ismertetjük.

A vezérelt egyenirányítós (tiriszitoros) áramforrások esetében az egyes, téglalapalakú félhullámokat külön tirisztor szabályozza, ezért lehetőség van a DCEP félhullámidejének meghosszabbítására (vízszintes szabályozás), vagy a DCEP polaritáshoz tar-tozó áramerősség megnövelésére (függőleges szabályozás). A 7.4. ábrán bemutatottmódon arra is lehetőség van, hogy mindkét irányú szabályozást egyidejűleg alkalmaz-zák.

A fordított polaritású félhullám idejének és/vagy áramerősségének beállítása a he-gesztőgépen elhelyezett potencióméterekkel oldható meg.

t, ms

i, A

200

100

0

-100

-200

DCEN

DCEP

7.4. ábra. Egyidejű vízszintes és függőleges szabályozás az egyenáramú komponens ki-szűrésére (3, 21, 180, 140)

Az egyenáramú komponens csökkentésére az áramforrások főáramkörébe sorosankapcsolt, nagykapacitású (mF nagyságrendű) kondenzátorokat építenek be, amelyek XCreaktanciája frekvenciafüggő:

Xf CC =

⋅ ⋅ ⋅1

2 π(7.2.)

Mivel az egyenáram f frekvenciája nulla, vele szemben a kondenzátor végtelenreaktanciájúvá válik, míg a nagyobb frekvenciájú váltakozóáramot könnyebben áten-gedi.


7.4.2. Pisztoly és kapcsolata az áramforrássalAz SWI hegesztés szerszáma a hegesztő pisztoly. Feladata az ív létrehozásához,

fenntartásához, szabályozásához és védelméhez szükséges alkatrészek befoglalása és aszükséges villamos, gáz-, illetve hűtővízáramlás biztosítása.

A pisztolyokat a rajtuk átfolyó áramerősség folyamatosan hevíti, ezért hűtésükrőlgondoskodni kell. A 100 %-os bekapcsolási idő esetén mintegy 150-200 A-ig a védőgázhűtőhatása kielégítő, ezen felül vízhűtés kötelező. (Azokban a ritka esetekben, amikor ahegesztőgép hőmérséklete 0 °C alá csökkenhet, víz helyett alacsony fagyáspontú hűtőfo-lyadékot kell használni). A bekapcsolási idő csökkenésével az adott áramhatár a na-gyobb értékek felé tolódik el. A ma a kereskedelemben kapható legnagyobb pisztolyok600 A-rel terhelhetők.

A pisztolyok tervezésekor a már tárgyalt áramerősség és hűtéstechnika mellett ahasználat módját (kézi vagy gépi) és a hozzáférési szempontokat kell érvényesíteni.

A gépi pisztolyok lineáris kialakításúak, vagyis a W elhelyezése és a kábelcsatlakozásis tengelyirányú. A biztonságos megfogás a hengeres pisztolytesten könnyen megold-ható.

A kézi pisztolyok a kényelmes tartás és vezetés érdekében többnyire pisztoly alakúak,vagyis a 7. 5. ábrán látható elrendezésűek (a W és a kábelcsatlakozás hegyesszöget [kb.75°] zár be). Szűk helyekre rövidvolfrámos kialakítású pisztolyt, kis áramerősségekhezceruzaként fogható lineáris típust is forgalmaznak. A szűk helyen végzett hegesztéshezés a kényelmes térbeli hozzáféréshez gömbcsuklós fejű, elfordítható kialakítású piszto-lyokat gyártanak.

A kézi hegesztésre alkalmas SWI pisztolyok fő alkatrészeit a 7.5. ábrán mutatjuk be.

Indítókapcsoló

Kábel- éstömlõköteg

W elektród

Markolat

7.5. ábra. Kézi hegesztő pisztoly SWI eljáráshoz

A hegesztő pisztoly fontos eleme a (gázterelő) fúvóka, amely a védőgáz irányítását éslamináris áramlását hivatott megvalósítani. Mivel a fúvákából kiáramló védőgáz sebes-sége a szokásos térfogatáramoknál nagyobb, mint a Reynolds számból meghatározkatókritikus érték, a fúvóka optimális alakjának és méretének meghatározása komoly fejlesz-tőmunkát igényel. Néhány fúvákaalakot a 7.6. ábrán tüntetünk fel.


a b c d e

Gázlencse

7.6. ábra. Az SWI pisztolyok szokásos fúvóka kialakításai

A vízhűtéses fúvókák anyaga Cr bevonatú réz, a gázhűtésű fúvákáké Al2O3 alapú ke-rámia.

A 7.6. ábrán feltüntetett gázlencse egy sárgarézből, vagy bronzból gyártott többrétegűszitaszövet, amely a kiáramló gázt párhuzamosítja, ezzel a W pisztolyból való kinyúlá-sának megengedett maximális méretét a gázlencse nélküli 3…5 mm-ről kb. 15…20mm-re növeli meg. Nehéz hozzáférésű helyeken, például vastagfalú cső gyökvarratánakkészítésekor a hosszabb elektródkinyúlás a munkavégzést nagyon megkönnyíti.

A hegesztő pisztolyt az áramforrással egy közös műanyagbúrkolattal egybefogott ve-zeték- és tömlőeggyüttes köti össze. Az összekötő kábelkötegnek is nevezett egység akövetkező elemeket tartalmazza:

♦ főáram kábel,♦ nagyfrekvenciás (NF) vezeték,♦ kapcsolóvezeték,♦ távszabályzó vezeték(ek),♦ védőgáz tömlő,♦ hűtővíz pisztolyhoz tömlő,♦ hűtővíz pisztolytól tömlő.

Az összekötő kábelköteg optimális hossza 3 m körül van, amely már kényelmesmunkavégzést tesz lehetővé, ugyanakkor még elfogadható mértékű feszültségesést, vé-dőgáz- és időveszteséget okoz. Ennél rövidebb kábelhossz csak gépesített hegesztésnélfordul elő, ahol a hosszúság akár fél m-re is csökkenhet.

7.4.3. Védőgázellátó rendszer

A felhevült W elektród oxidációja aktív atmoszférában 1000 °C hőmérséklet felettannyira intenzívvé válik, hogy az elektród gyorsan tönkremegy. A W elektród nemes-gázban, esetleg enyhén redukáló (nemesgáz-hidrogén) gázkeverékben viszont hosszúélettartamú, hegesztésre, vágásra alkalmassá válik.

SWI hegesztéshez a többi nemesgáz drágasága miatt csak Ar-t, He-ot, vagy a kettőkeverékét használják. az Ar stabilabb ívet, könnyebb ívgyújtást, a He nagyobb ívfeszült-séget és hőáramot biztosít. A He jobb hővezetőképessége egyenletesebb beolvadási ala-


kot eredményez. A nemesgázok a hegesztő egészségére nem ártalmasak, nem égnek ésnem robbanásveszélyesek.

A védőgázellátó rendszer gáztároló edényből (tartály vagy palack), nyomáscsökken-tőből, átfolyásmérőből és műanyagtömlőből áll. A cseppfolyós gázt tároló kettősfalútartályok egy elpárologtatóval kiegészítve a hegesztőüzemben kiépített vezetékrendsze-ren keresztül szolgáltatják a védőgázt.

A fajlagosan 2…3-szor nagyobb gázköltségű palackok 40…50 literesek, töltőnyomá-suk 150…200 bar. A védőgázt gáz halmazállapotban tartalmazó palackokból elméletilegfelhasználható, normál állapotú gáztérfogat ennek megfelelően:

V p V lvgáz p= ⋅ = ⋅ =( ... ) ( ... ) ... .150 200 40 50 6 000 10 000

A megfelelő védelemhez szükséges védőgázmennyiség a védőgáz sűrűségétől és apisztoly nagyságától függ. Átlagos pisztolyméretet feltételezve argonból 5…15 l/min, alevegőnél jóval könnyebb héliumból 20…40 l/min gázáramra van szükség.

A védőgázrendszer fontos részei a mágneses gázszelepek (gázőrök), amelyek az ív-gyújtást és -fenntartást minden olyan esetben megakadályozzák, amikor a gáz nemáramlik, vagy mennyisége a hatékony védelemhez nem elegendő.

7.4.4. HűtőrendszerA folyamatosan nagy áramerősséggel üzemelő hegesztőpisztolyok túlmelegedését 1

…2 l/min vízárammal el lehet hárítani. A lágyított vízzel üzemelő zártrendszerű hűtőkör50…100 l-es víztartályból, szivattyúból, szűrőből, átfolyásmérőből és csővezetékekbőláll. A vízellátás felügyeletét mágnesszelep (vízőr) biztosítja. A hűtőrendszer normálisműködését rendszeres karbantartással kell elősegíteni.

7.4.5. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszerA sokfunkciós hegesztő berendezést összetett elektronikus rendszer szolgálja ki. A

redszerhez tartoznak a kapcsolók, a távszabályzók, a választókapcsolók, a beállító gom-bok, a különféle kijelzők, figyelemfelhívó eszközök és a gáz-, illetve a vízfelügyelet.

A W elektród védelme miatt a hegesztés indításakor és leállításakor a funkciók csakszigorú sorrendben kapcsolhatók. Bekapcsoláskor a hűtőkör aktivizálása után a gáz-áramlást kell megindítani. Ekkor 10…20 s késleltetési idő biztosítja, hogy a több méterhosszúságú védőgáz tömlőből a levegő eltávozzon és az ív csak nemesgázban legyenmeggyújtható. Az adott időtartamú öblítés után a NF és a főáram indítható. Kikapcso-láskor a sorrend fordított: a főáram és a NF kikapcsolása után ismét 10…20 s időnekkell eltelnie, hogy a forró elektródvég nemesgázban hűljön le és levegővel semmi esetrese érintkezhessen. A be és kikapcsolási sorrendet az automatika biztosítja; a hegesztő afolyamatot a pisztolyon elhelyezett főkapcsolóval (trigger) csak elindítja.

A legmodernebb gépeket programozó és programtároló egység egészíti ki. Egy he-gesztési programot 16 változóval minden esetben le lehet írni. A programokból külön-böző mennyiség tárolására van lehetőség: 10…12 programmal a gyakorta előforduló fel-adatok már megoldhatók.

7.4.6. Huzalelőtoló és előmelegítő egység


Az SWI eljárás alapjában véve kézi hegesztés, de nemolvadó elektródjára való tekin-tettel jól gépesíthető. A gépesített hegesztés céljaira a mindössze 1 m hosszúságú pálcahozaganyag nem felel meg, ezért a védőgázas, fogyóelektródás hegesztéseknél szokásosmódon huzalelőtoló berendezés segítségével a hegesztőívbe árammentes (ún. hideg) hu-zalt adagolnak.

A gépi mechanizmussal folyamatosan előtolt huzallal a fajlagos hozaganyagleolvasztási teljesítmény megtöbbszörözhető (7.7. ábra). A leolvasztási teljesítmény azidőegység (praktikusan 1 h) alatt leolvasztott hozaganyag tömeget fejezi ki:

!m dm

dt

kg

h= !

"#$%& (7.2)

A leolvasztási teljesítmény a huzal előmelegítésével tovább fokozható. A huzal egyadott (változtatható) hosszúságán csúszóérintkezők segítségével áramot átvezetve azáram Joule hője a huzalt előmelegíti, így az olvadáspontig hevítéshez és leolvasztásáhoza hegesztő ívből kevesebb energiára van szükség. Az előmelegítést külön áramforrásróloldják meg. erre a célra a legegyszerűbb váltóáramú transzformátorok is megfelelnek. Ameleghuzalos SWI eljárásra jellemző leolvasztási teljesítmény a 7.7 ábra szerint leg-alább kétszerese a hideghuzalosénak, és 6…8-szorosa a pálcás kézi hegesztésnek. Me-leghuzalos SWI hegesztéssel szélső esetben szokatlanul nagy, 25…30 kg/h leolvasztásiteljesítmény is elérhető.

Imax I, A

1

2...3Meleg huzallal

Hideg huzallal

Pálcával

6...8

2

6

4

8

m.

kg/h

0

7.7. ábra. Az SWI hegesztés leolvasztási teljesítménye különböző hozaganyagok alkal-mazása estén

A semleges védőatmoszféra miatt a hozaganyag vegyi összetétele az alapanyagéhoznagyon közeli lehet. Kiégés hiányában ugyanis ötvözőveszteséget mindössze az elgőzöl-gés okozhat.

Az SWI hegesztés pontosan illesztett, 3 mm-nél nem vastagabb lemezek esetén ho-zaganyag nélkül is végezhető (autogén hegesztés). Az autogén hegesztés egyszerűen gé-pesíthető, mivel a hozaganyag adagolásának feladata ilyenkor elmarad.

A csövek kritikus gyökrétegének minél biztonságosabb elkészíthetőségének érdeké-ben különböző beolvadó gyökbetét- típusokat fejlesztettek ki (7.8. ábra). Az alapanya-géval megegyező összetételű betét előre felhelyezett hozaganyagként fogható fel.


7.8. ábra. Beolvadó gyökbetétek az egyoldali varratok gyökhegesztése megbízhatósá-gának javítására

7.5. A nemolvadó elektródA W fémet mai ismereteink szerint a legkedvezőbb elektródanyagnak tekintjük, mi-

vel magas olvadáspontja és kis elektronemissziós energiája (kilépési potenciálja) erre acélra igen alkalmassá teszi (lásd még: világítótest izzószála, elekronágyú katódja).

A W-ot magas olvadáspontja miatt hagyományos olvasztásos kohászati eljárássalnem lehet kohósítani, ezért a (FeMn)W3-at tartalmazó Wolframit nevű ércéből porkohá-szati úton állítják elő. A W port kötőanyaggal keverik, majd alakra sajtolják ésszinterizálják. A szinterrudakat melegen kovácsolják, melegen méretre húzzák és csúcs-nélküli köszörüléssel finiselik. A W elektród különböző átmérőkben (1,6: 2,0; 2,4; 3,2;4; 5 mm) és hosszúságokban (50…600 mm) kerül forgalomba.

Az ismertetett módon előállított W tisztasága legalább 99,9%. Régi tapasztalat, hogyaz idegen anyagot tartalmazó W kilépési potenciálja csökken (5,2 V-ról egészen 2,6 V -ig). Az idegen anyagot tartalmazó W (fém kerámia) szemcsés kompozit, ezért a nemhelytálló ötvözött W helyett helyesebb ezeket kompozit elektródnak nevezni.

A kompozit elektródanyagok W mátrixban egyenletesen elkevert keramikus anyagot,mégpedig különböző fémoxidokat tartalmaznak. A leggyakoribb kombinációk a követ-kezők:

♦ W-ThO2 (0,5…2%) ThO2 tartalommal),♦ W-ZrO2 (0,5…1%) ZrO2 tartalommal),♦ W-CeO2 (0,5…1%) CeO2 tartalommal),♦ W-Y2O3 (0,5…1%) Y2O3 tartalommal),♦ W-La2O3 (0,5…1%) La2O3 tartalommal).

Mivel a W-ThO2 kompozit radioaktív, köszörülésnél a finom por belélegzése súlyosegészségkárosodást okozhat. A sugárveszély kiküszöbölése érdekében ThO2-ot nemtartalmazó elektród használatát javasoljuk.

Természetesen a kompozitban többféle oxidkerámia egyidejű jelenléte is lehetséges.Nagyon ígéretesnek látszik az a kombináció, amely a mátrixfémen kívül a következőfémoxidokat tartalmazza:

1,2% CeO2+0,4% Y2O3+0,4% La2O3.

A kompozit W elektródok nagyobb áramterhelhetőséggel, hosszabb élettartammal ésjobb ívstabilitási tulajdonsággal jellemezhetők. Váltóáramú hegesztéshez a jó ívújra-gyújtási képességű W+ZrO2 kombináció javasolható.

A W elektródot egyenáramú hegesztésnél az ívtalppont helyének stabilizálása érdeké-ben kúposra köszörülik. A szokásos teljes kúpszög (R=0,5 mm-es csúcssugárral) 30…


120°, leggyakrabban a 60°-os értéket alkalmazzák (7.9. ábra) A szimmetrikus alak biz-tosításához egyszerű, kisméretű W célköszörűgépek kaphatók.

A váltóáramú hegesztésnél a köszörülésnek nincs értelme, mert a nagy hőterhelés kö-vetkeztében a W elektród vége egy…két perc ívidő után közel félgömbalakúra módosul.A gömbátmérő normális esetben az elektródátmérő 1…1,5-szerese lehet.

R 0,5

α

α = 60o Rgömb=dw / 2

φ dW

ACDCEN

Rgö

mb

7.9. ábra. Az elektród végének javasolt kiképzése DCEN és AC ívhez

Normális körülmények között a W elektród átlagos fogyása 0,1 mm/min. Ha a Wforró fémolvadékkal érintkezik, vele ötvözetet alkotván az olvadáspontja lecsökken ésemissziós képessége leromlik. Az ilyen szennyezett elektród hegesztésre alkalmatlan, aszennyezett részt továbbfelhasználás előtt mindenképpen el kell távolítani.

7.6. Az eljárás technológiai paramétereiAz SWI eljárással készített varrat minőségét igen sok hegesztési változó (ún. paramé-

ter), és egyéb hegesztési körülmény befolyásolja, amelyek a végeredményen kívül egy-mással is bonyolult kölcsönhatásban vannak. A technológia optimalizálása csak komp-lex matematikai módszerekkel lehetséges.

A hegesztő eljárás valamennyi paraméterét az eljárás műveleti utasítása (WeldingProcedure Specification, Magyarországon is közhasználatú nemzetközi rövidítéssel:WPS) tartalmazza. A sok változó között a következő rendszerezéssel igazodhatunk el.

1. Az elektróddal kapcsolatos adatok:♦ az elektród anyaga,♦ az elektród átmérője,♦ az elektród végkiképzése (alak és méretek).


2. A védőgázzal kapcsolatos adatok:♦ a védőgáz fajtája, tisztasága,♦ a védőgáz térfogatárama,♦ gyökvédelem.

3. A hozaganyaggal kapcsolatos adatok:♦ a hozaganyag fajtája (pálca, huzal, gyökbetét),♦ a hozaganyag ötvözési típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a hozaganyag átmérője,♦ huzalelőtolási sebesség (huzal esetén),♦ huzal előmelegítésének adatai (meleghuzal esetén).

4. A hegesztőpisztollyal kapcsolatos adatok:♦ a pisztoly típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a hűtés módja,♦ a hűtővíz térfogatárama (vízhűtés esetén),♦ fúvóka anyaga, alakja, átmérője,♦ gázlencse,♦ a W elektród kinyúlása.

5. A varratképzéssel kapcsolatos adatok:♦ a hegesztés kivitelezése (kézi, gépi, robot),♦ a hegesztés sebessége ( kézi hegesztés esetén csak tájékoztató jelleggel),♦ a fúvóka és a tárgy közötti távolság,♦ a pisztolytengely dőlési szögei (a varrat hosszmetszeti szimmetriasíkjához és a

szimmetriasíkban a felület normálisához viszonyítva),♦ a keresztirányú ívelés adatai.

6. A hőbevitellel kapcsolatos adatok:♦ kiindulási (környezeti vagy előmelegítési) hőmérséklet,♦ áramnem,♦ polaritás (DC esetén),♦ áramtípus (folytonos vagy impulzus),♦ áramerősség (folytonos áram esetén),♦ alapáram és csúcsáram (impulzushegesztés esetén),♦ alapidő és csúcsidő (impulzushegesztés esetén),♦ hegesztési idő (ívponthegesztés esetén),♦ üresjárási feszültség,♦ ívhossz.

7. A hegesztő berendezéssel kapcsolatos adatok:♦ áramforrás márkajele,♦ előmelegítő áramforrás márkajele (meleghuzalos hegesztés esetén),♦ huzalelőtoló típusa (csak huzal hozaganyag esetén).


8. Az áramforrás egyéb szolgáltatásainak adatai:♦ áram-felfutás sebessége,♦ áram-lefutás sebessége,♦ egyenáramú komponens elleni védelem beállításai (csak AC esetén).

9. A hegesztőgép és készülék adatai:♦ hegesztőgép azonosító jele (gépesített hegesztés esetén),♦ a pisztolyfelerősítés módja (gépesített hegesztés esetén),♦ a hegesztőkészülék azonosító jele,♦ a munkadarab befogásának módja,♦ hegesztési helyzet,♦ a hegesztési sebességet eredményező relatív mozgás megvalósítója (hegesztőgép,

készülék, vagy egyidejűleg mindkettő).

10. A kötés és az alkatrészek előkészítése hegesztéshez:♦ a kötés típusa,♦ varrattípus,♦ varratméretek (vastagság és hosszúság),♦ varratfelépítés (vastagságirányban, hosszirányban),♦ munkadarab élelőkészítés (leélezés méretei),♦ felülettisztítás (mindkét oldalon),♦ illesztési adatok,♦ alátétezés,♦ fűzési adatok (fűzővarratok száma, helye, méretei).

11. A végrehajtó személyzettel szembeni elvárások:♦ a hegesztő vagy gépkezelő elvárt minősítése,♦ sikeres munkapróbakészítés.

7.7. VarratminőségAz SWI varrata valamennyi ömlesztőhegesztés közül a legjobb minőségű. A magas

minőségi elvárások teljesítése jó minőségű hegesztőanyagokkal, korszerűhegesztőberendezéssel, a sok változó kedvező beállításával és a hegesztés sikeres kivite-lezésével érhető el. Az eljárás sajátosságaiból eredően az munkadarabokra vonatkozóelőkészítő munkákat (felülettisztítás, illesztés, fűzés, stb.) szigorúan el kell végezni.Kézi hegesztés esetén a hegesztő ügyességével és szakmai tudásával szemben magas el-várásokat kell érvényesíteni.

Az SWI eljárással készített varratok jellegzetes hibái: pórusosság, összeolvadási ésgyökhiba, W zárvány, felületi szennyezettség, kis beolvadási mélység, egyenlőtlen beol-vadási alak.

7.8. Az SWI hegesztés legfontosabb alváltozataiAz SWI hegesztés sok módosulata közül a következők a legnépszerűbbek:

♦ ívponthegesztés,♦ hideg- és meleghuzalos gépi hegesztés,


♦ keskenyréshegesztés,♦ (lassú) impulzushegesztés,♦ gépesített, orbitális csőkörvarrathegesztés,♦ hőcserélő csövek gépesített behegesztése a végfalba.

A felsorolt alváltozatokra vonatkozó információ a szakirodalomban található.

Balogh, A.: Plazmaívhegesztés 8/1

8. PLAZMAÍVHEGESZTÉS

A W elektródos ívhegesztések családjának legfiatalabb tagja, a plazmaívhegesztés(PI) 1958 óta ismert. A plazmaívhegesztés arra a fizikai felismerésre épül, hogy a villa-mos ív keresztmetszetének szűkítésével a gáz ionizációs mértéke növelhető. A gázokionizált állapotban magas (10 000…40 000 °C) hőmérsékletűek, és a korlátozott ke-resztmetszet miatt a plazmaív nagy hőáramsűrűséggel bíró hőforrásként hegesztéshezkiválóan alkalmazható. A plazmaívhegesztés angol elnevezése: Plasma Arc Welding, el-fogadott rövidítése: PAW. Az eljárás számkódja 15.

A berendezés bonyolultsága és különösen a pisztoly élettartam-problémái miatt aplazmaívhegesztés elterjedtsége messze elmarad az SWI eljárásokétól, a plazmaív vá-gási célokra jóval szélesebb körben nyer alkalmazást.

8.1. A plazmaívhegesztés hőforrása és varratképzéseA PI olyan hegesztő eljárás, amelyben az egyesítendő fémeket egy nemolvadó W

elektród és az alapanyagok között létesített és egy gyűrű alakú fúvókával szűkített plaz-maívvel hevítjük. A hegesztéshez pálca vagy huzal hozaganyagot használnak, de a he-gesztés hozaganyag nélkül is végezhető (autogén hegesztés).

A közvetlen íves eljárás működésének egyszerűsített vázlata a 8.1. ábrán látható. AW elektród és egy segédelektród között nagyfrekvenciás árammal a belső fúvókán ára-moltatott plazmagázt ionizálják. A részlegesen ionizált gáztérben a W elektród és azalapanyag között az ív meggyullad, áthalad a szűkítő fúvókán, és koncentráltsága, ioni-zációs mértéke és hőáramsűrűsége megnövekszik. A plazmaív kis keresztmetszetű, azSWI ívtől eltérően nem széttartó, jól irányítható hőforrás. A plazmaívet a külső fúvókánáramoltatott, nem aktív védőgázzal védik a levegőtől.

DCEN

DCEN

Közvetlen ív Közvetett ív

8.1. ábra. A közvetlen és közvetett íves plazmaívhegesztés vázlata

A közvetett íves változatnál az ívet a W elektród és a szűkítő fúvóka között a piszto-lyon belül hozzák létre és hőforrásként a pisztolyból kilépő ionizált gázsugár szerepel.Hegesztési célra a közvetlen íves változat alkalmasabb, mivel a munkadarab áramkörbe


iktatásának fém alkatrészek hegesztésekor nincs akadálya. A közvetett íves változatottermikus szórásra vagy nemfémek hevítésére használják.

A közvetlen íves PI varratképzésére a nem átmenő és az átmenő íves változat a jel-lemző. A nem átmenő íves (melt-in) varratképzés megegyezik az SWI eljárásokéval.Ekkor a munkadarab megolvadása csészealakban a plazmaív alatt következik be, a be-olvadási mélység kisebb, mint a lemezvastagság (8.2. ábra). A nem áthatoló ívet vékonylemezek (s≤3 mm), gyökvarratok és sarokvarratok hegesztéséhez lehet alkalmazni. Aszokásos áramerősség felső határa 100 A.

vh

DCEN

Plazmaív AlapanyagVarrat Hegfürdõ

Pálca

Hûtõvíz

Védõgázburok

Védõgáz Plazmageneráló-gáz

W elektród

Védõgázfúvóka Szûkítõfúvóka

8.2. ábra. A plazmaíves hegesztés átmenő íves varratképzése (kulcslyuktechnika)

Az átmenő íves (keyhole) varratképzésnél a plazmaív áthatol a hegesztendő darabo-kon, mintegy átszúrja azokat. A plazmasugár áthatolási helye a kulcslyuk, amely a hő-forrás elhaladtával a folyadék felületi feszültsége miatt megszűnik és normális varratalakul ki. Az átmenő ívet vastagabb darabok hegesztéséhez alkalmazzák. Feltétel, hogya plazmasugár szabadon áthatolhasson a munkadarabokon, azaz a varrathely alatt nemlehet semmilyen szilárd test. A plazmaív áramerőssége ilyen esetekben mindig megha-ladja a 100 A-t.

7.2. Az eljárás előnyei és korlátaiA plazmaívhegesztés előnyeit és hátrányait az SWI eljáráshoz hasonlítva érthetjük

meg leginkább. Az összehasonlításhoz vegyük alapul az átvitt- és áthatoló íves alapvál-tozatot. Az eljárás fő előnyei a következők:

♦ a munkadarab - pisztoly távolság a nagy hosszúságon is párhuzamos plazmaív mi-att tág határok között mozoghat, ami a hegfürdő jobb megfigyelhetőségét és jobbhozzáférést tesz lehetővé.

♦ a W elektród forró csúcsa a felfröccsenő szennyeződésektől és a véletlen érintke-zésektől védetten, a pisztoly belsejében helyezkedik el.


♦ a nagy hőáramsűrűség lehetővé teszi az átmenő íves varratképzést, ami vastagabblemezek vagy csövek gyökhibamentes egyrétegű hegesztését teszi lehetővé éscsökkenti a lemezleélezési és hozaganyag költségeket.

♦ a nagy hőáramú, koncentrált hőforrás lehetővé teszi a hegesztési sebesség növelé-sét, ami a termelékenység növelése mellett keskenyebb hőhatásövezetet eredmé-nyez.

♦ a beolvadási alak kedvezőbb, mint az SWI-nél, mivel a beolvadás mélyebb és kes-kenyebb, a hozaganyagigény kisebb.

Az eljárás kis népszerűsége arra enged következtetni, hogy a PI-t a felsorolt elő-nyökkel szemben komoly hátrányok jellemzik. Ezek közül a legfontosabbak:

♦ a PI berendezés drágább, mint az SWI berendezése.♦ bonyolult, drága, sérülékeny pisztolykonstrukció.♦ szigorú koncentrikussági követelmények az elektród és a fúvókák beállításánál.♦ a hegesztendő darabokra vonatkozó szigorú felületminőségi és illesztési tűrések.

8.3. Az eljárás alkalmazási területeiAz alapanyagok tekintetében nincsenek jelentősebb hegeszthetőségi korlátok, inkább

a gazdaságosság dönti el, hogy milyen anyagok indokolnak plazmaívhegesztést. Azelsődleges fontosságú korrózióálló acélokon kívül ötvözetlen és ötvözött szerkezetiacélok, szerszámacélok, alumínium-, titán-, nikkel-, réz-, cirkónium-, volfrám- éstantálötvözetek hegesztése megoldottnak tekinthető. A széles palettából azokat az anya-gokat érdemes kiemelni, amelyek ugyan hegeszthetők, de az ipari gyakorlat esetükbeninkább a többi lejárást preferálja. Ezek: egyes bronzok, öntöttvasak, magnéziumötvöze-tek és az alacsony olvadáspontú anyagok (ón, ólom, cink).

A lehetséges falvastagságok az anyagminőség függvényében a századmillimétertől azegy lépésben meghegesztett 12 mm-es I varratig terjednek. Vastagabb lemezek több-rétegű hegesztéssel, leélezéssel korlátlanul hegeszthetők.

A munkadarab-geometria tekintetében a szalagból hajlított csövek hosszvarrat he-gesztését lehet kiemelni, de az eljárás tartályok kör- és hosszvarrataihoz és egyéb gyárt-mányok esetében is jól alkalmazható. Az eljárás megbízhatóságát jellemzi, hogy azamerikai űrrepülőgépek nagyméretű hengeres, külső üzemanyagtartályait is PI-vel he-gesztették.

A plazmaívhegesztés minden hegesztési helyzetben jól alkalmazható.

A plazmaívhegesztés jellegzetes alkalmazási területei: repülőgépgyártás, sugárhajtó-művek, űreszközök, csövek, precíziós alkatrészek.

8.4. A PI eljárás gépi berendezéseA plazmaívhegesztő berendezés a következő fő egységekből áll:

♦ áramforrás ,♦ plazmapisztoly az összekötő kábelköteggel,♦ védőgázellátó rendszer,♦ hűtőrendszer,♦ vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer,


♦ huzalelőtoló és előmelegítő rendszer (opcionális),♦ hegesztő készülék (gépi hegesztésnél kötelező, kézi hegesztésnél opcionális),♦ védőfelszerelés.

A továbbiakban csak azokat az egységeket tekintjük át, amelyek jelentősen eltérnekaz SWI-nél megismertektől.

8.4.1. ÁramforrásAz áramforrás többnyire egyenáramú, egyenirányítós vagy inverteres kivitelben, de

AC/DC áramforrások is beszerezhetők. Az áramforrás statikus karakterisztikája áram-tartó, azaz eső jellegű. Az üresjárási feszültség felső határa 80 V, a bekapcsolási idő kézihegesztéshez 60%, gépi hegesztéshez 100%. A legnagyobb teljesítményű gépek maxi-málisan 500 A áramerősséget biztosítanak. A legkorszerűbb gépek az áramnövekedés éscsökkenés sebességének előválasztására, távszabályozásra és impulzusüzemre is képe-sek. Ez utóbbi esetben az egygombos beállítású (ún. szinergikus) belső program tesziegyszerűbbé az impulzusparaméterek összehangolt beállítását.

8.4.2. PlazmapisztolyA plazmaívhegesztés szerszáma, a pisztoly kézi és gépesített hegesztéshez különböző

kialakításban kapható.

Az átlagos kézi plazmapisztoly külsőre nagyon hasonlít az SWI pisztolyra, de annálbonyolultabb szerkezetű. Egy tipikus átvitt íves plazmapisztoly metszeti képét a 8.3. áb-rán tanulmányozhatjuk.

W elektród

Védõgázfúvóka

Szûkítõfúvóka

Markolat

8.3. ábra. A plazmapisztoly fő részei és szerkezeti megoldása

A DCEN kapcsolású W elektródot patron fogja be és tartja koncentrikus helyzetben.Az egytengelyűség mellett nagyon fontos az elektród végének és a szűkítő fúvókának atengelyirányú távolsága. Mivel a W elektród csúcsa minden esetben a pisztolyon belül


található, szennyeződésének veszélye jóval kisebb, mint SWI hegesztés esetén. Aszűkítő fúvóka speciális rézötvözetből készül, kritikus fontosságú felületérdességgel, fu-ratkiképzéssel és méretekkel. A védőgáz fúvóka anyaga alumíniumoxid bázisú kerámia.

A plazmapisztoly mindig vízhűtésű, mivel a pisztolyon belül jelentős hő fejlődik. Avízhűtés megbízhatósága kritikus, mivel a generálódó hő a vízhűtés kimaradása vagyegyéb zavara esetén megolvaszthatja a drága alkatrészeket.

A pisztoly és a hegesztőberendezés közötti kapcsolatot biztosító kábelköteg ugyan-azokat az elemeket tartalmazza, mint azt az SWI eljárásnál megismertük. A PI pisztolykábelkötegéből a nagyfrekvenciás vezeték és a hűtővíztömlők sohasem hiányozhatnak.

8.4.3. Védőgázellátó rendszerA PI generáló gáza minden esetben Ar, a védőgáz Ar, He, vagy Ar-H2, He-Ar keve-

rék. A levegőnél nehezebb Ar jobb védelmet biztosít, és kevesebb gázmennyiséget igé-nyel, a hidrogént tartalmazó keverékek a plazmasugár koncentráltságára kedvező hatás-sal vannak. A He tartalmú védőgáz a varratot szélesíti, a H2 keskenyebbé teszi, az utób-binál a varratfelület is tisztább.

Mindkét gáz szeparált rendszerből származik, külön nyomáscsökkentővel, beállítószeleppel és átfolyásmérővel. A palackos gázellátásnál a tartályos sokkal gazdaságo-sabb, de a hordozhatóságot korlátozza.

A generáló gázból a pisztolymérettől függően 0,5…1 l/min, a védőgázból 5…15 l/min térfogatáram szükséges.

8.4.4. A PI berendezés további elemeiA vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer hozzávetőlegesen ugyanazokat

az elemeket tartalmazza, mint azt az SWI berendezés esetében megismertük.

A plazmapisztoly belsejében elhelyezett W elektród miatt rövidzárlatos ívgyújtásnem lehetséges. A plazmaív indítására segédívet (pilot arc) kell létrehozni, amelyet NFegységgel létesítenek, majd külön áramforrásról táplálnak. A segédív beindulása utánegy késleltetőrendszer indítja a főívet.

A W elektród védelmére hasonló sorrendkapcsolást kell működtetni, mint SWI-kor,vagyis indításkor az öblítési funkció miatt, leálláskor a forró W csúcs védelmére szabá-lyozott idejű gázáramlást kell biztosítani. A szabályozó egység felügyeli a kétféle gáz ésa hűtővíz áramlását és a pisztoly túlhevülés elleni védelmét.

Gépesített, hideghuzalos plazmaívhegesztéshez állandó sebességű huzalelőtoló egy-séget alkalmaznak. A szokásos huzalelőtolási sebességintervallum 0,25…4 m/min.

8.5. ElektródanyagAz egyenáramról táplált plazmaív legkedvezőbb elektródanyaga a 2% ThO2 tartalmú

kompozit volfrám. A W átmérőjét az alkalmazott legnagyobb áramerősség függvényé-ben választják meg. Az új típusú (ritkaföldfém-oxidos) elektródanyagoknak csak amikroplazma-hegesztéskor van a nagyobb árral arányos előnye.


A W csúcsát szigorú szimmetriakövetelménnyel kúposra köszörülik. Csak készülék-ben végzett köszörülés lehetséges. A teljes kúpszög 30 és 60° közé esik, úgy, hogy na-gyobb áramhoz nagyobb kúpszög tartozik.

8.6. HozaganyagA kis áramerősségű alkalmazásoknál hozaganyagot nem használnak, a további ese-

tekben a pálca és huzalanyag az alapanyaggal egyező összetételű lehet. A hozaganyagátmérője az alapanyag falvastagságával és a hegesztő áramerősséggel arányosan növek-szik.

8.7. VarratminőségA plazmaívhegesztés igényes lemezelőkészítést, pontos illesztést és pontos paramé-

ter-beállításokat igényel. A feltételek teljesedés esetén a varrat jobb minőségű, mint aSWI-vel készített, mivel a gázporozitás és a W záródmány valószínűsége igen korláto-zott és az átmenő ív miatt nincs gyökhiba.

A varratminőség gépesített hegesztéssel és impulzus áramforrással tovább javítható.

Kézi hegesztés varratminősége a hegesztő ügyességének a függvénye. A megfelelőgyakorlattal rendelkező hegesztő azonban könnyebben tud plazmaívvel hegeszteni, mintW ívvel.

8.8. TeljesítményA plazmaíves hegesztés hozaganyag-leolvasztási teljesítménye nagyobb, mint a kon-

kurens SWI eljárásé. Az eljárás nagy előnye, hogy nagysebességű hegesztést tesz lehe-tővé, ami olyan esetekben, mint a nagy tételben gyártott korrózióálló acélcsövek hossz-varratainak egylépesben való hegesztése, igen nagy előny.

8.9. A plazmaíves hegesztés technológiai változóiA plazmaíves hegesztés technológiai paraméterei néhány eltéréstől eltekintve meg-

egyeznek az SWI eljárásnál részletezettekkel.

Különös figyelmet érdemelnek azok a beállítások, amelyek csak a plazmahegesztésrejellemzők (plazmagáz fajtája és térfogatárama, a segédív áramerőssége, pisztolyon belülialkatrészméretek és beállítások), vagy amelyekre a plazmaív nagyon érzékeny. Ez utób-biak közül említést érdemel a szűkítőfúvóka átmérője és kialakítása, a W elektród végé-nek kúpszöge és az elektródacsúcs és a szűkítőfúvóka közötti tengelyirányú távolság.Ismételten hangsúlyozzuk az elektród, a szűkítőfúvóka és a védőgázfúvóka egyten-gelyűségének fontosságát.

8.10. A plazmaívhegesztés eljárásváltozataiA PI alváltozatai közül a legfontosabbaknak az alábbiak tekinthetők:

♦ mikroplazma-hegesztés (I<30 A),♦ impulzusíves hegesztés,♦ plazma-MIG hegesztés.

Az alváltozatokra vonatkozó ismeretanyag a szakirodalomban található.


8.11. EgészségvédelemA plazmaívet ugyanazok a jelenségek kísérik, mint a W ívet: elektromágneses su-

gárzás (látható és nem látható), gáz- és gőzképződés. A nagy plazmaívhőmérséklet miattazonban az ózonképződés nagyobb mértékű, mint ívhegesztéseknél. A hegesztő személyvédelme a nagy áramerősségű alkalmazások gépesítésével érhető el. A kézimikroplazmaíves hegesztéseknél az egészségi ártalmak elhanyagolhatók.

Balogh A.: Bevontelektródás kézi ívhegesztés 9/1

9. BEVONTELEKTRÓDÁS KÉZIÍVHEGESZTÉS

A bevontelektródás kézi ívhegesztés (BKI) az egész világon ismert és páratlanul nép-szerű hegesztő eljárás. Az orosz Slavianow hegesztésre még alkalmatlan csupasz elekt-ródás szabadalmát (1891) a svéd Kjellberg az első világháború környékén fejlesztetteiparilag is felhasználható eljárássá. A BKI ezt követően indult diadalútjára és hosszúideig vezető szerepet töltött be az ömlesztőhegesztő eljárások között, ahol most is szi-lárdan tartja a második helyet.

Slavianow ötlete abban volt zseniális, hogy az ív létesítésére nem külön (nemolvadó)elektródot alkalmazott, hanem magát a hozaganyagot kapcsolta be a villamos áram-körbe, megteremtve ezzel a leolvadó elektróda fogalmát. Kjellberg a stabil ív létesítés-hez és fenntartásához szükséges további, zömében nemfémes anyagokat a fémelektródafelületére vitte fel (szabadalom: 1904), és megalkotta a ma is használt bevonatoselektródát.

Az eljárás nemzetközileg elfogadott mai elnevezése: Shielded Metal Arc Welding(SMAW). Európában a Manual Metal Arc Welding (MMAW) elnevezést is használják.A BKI német neve: Lichtbogenhandschweissen mit umhüllten Stabelektroden. Azeljárás számítógépes kódszáma: 111 (főcsoport: 1 jelű ívhegesztés, alcsoport: 11 jelűnyíltívű hegesztés).

9.1. A bevontelektródás kézi ívhegesztés elveA bevontelektródás kézi ívhegesztés hőforrása egy zömében nemfémes bevonattal

ellátott, rövid fémelektróda és a munkadarab felülete között létesített villamos ív. He-gesztés közben a bevonatból a védelemhez szükséges gáz és salak képződik. Hozag-anyagként maga a maghuzal szolgál, de kisebb-nagyobb mennyiségben a bevonatból iskerülnek fémötvözők a hegfürdőbe.

A BKI elvét bemutató vázlat a 9.1. ábrán látható. Az ívet az elektróda tárgyhoz érin-tésével létesítjük. A pillanatnyi idejű rövidzárlat felhevíti az elektróda csúcsát, ahonnana termikus emisszió révén elektronok lépnek ki és az anód felé tartva ütköznek a gáztératomjaival. Megfelelő mennyiségű töltéshordozó jelenlétében az ív meggyullad és ön-magát fenntartó folyamat révén állandósul.

Az ív hőjének hatására a maghuzal közepes vagy nagyméretű cseppek formájában le-olvad. A cseppek (főleg rövid ívhossz és nagy cseppátmérő esetén) rövidzárlatokat isokozhatnak. A nemfémes bevonat hevítése közvetett, a benne található anyagok elégésevagy megolvadása lassabban következik be, így jellegzetes kúpos bevonatvég jön létre.A bevonatkúp javítja az ív védelmét és csökkenti a fröcskölést, ugyanakkor a már hasz-nált elektródával csak úgy tudunk ismételten ívet gyújtani, ha a bevonatkúpot előzetesenletörjük.

A bevonatból keletkező gázok (CO, CO2, H2, O2, SiF4) és az ív hőmérsékletén elgő-zölgő fémek (Fe, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, Al, Zr, Ca, Mg, Na, K,…) alkotják a hegesztésiatmoszférát. Ahogy a felsorolásból is látható, ez az atmoszféra nem inert, de még semle-gesnek sem mondható. A BKI mindig aktív (oxidáló) atmoszférában megy végbe. Ezt atényt az elektródabevonat receptúrájának kidolgozásakor figyelembe kell venni.


DC vagy AC

Maghuzal

Elektródabevonat

Salak

Hegfürdõ

Varrat

Védõgázatmoszféra

Salak- és fémcseppek

Beolvadás

9.1. ábra. A bevontelektródás kézi ívhegesztés elvi vázlata

A csepp, a hegfürdő és a varrat védelmét a bevonatból olvasztás révén létrejövő salakteszi teljessé. A salakok jó része szintén nem tekinthető semlegesnek, de megfelelő ösz-szetétel mellett a hegfürdővel való kölcsönös metallurgiai egymásrahatásuk még ked-vező is lehet. Az éppen megszilárdult varraton elhelyezkedő salakréteg mechanikai jel-legű védelmét sem lehet figyelmen kívül hagyni.

A BKI eljárás hegesztési folyamata jelentős eltérést mutat azokhoz az optimálishozközeli állapotokhoz képest, amit az SWI-nél megismertünk. Itt az ív változó, előre pon-tosan nem ismert, aktív atmoszférában ég, az ívhossz a cseppképződés és -leválás miattingadozik, rövidzárlatok szakítják meg az ívet és az elektronemisszió szempontjából azelektródaanyag előnytelen. Mindezek hatására az ív jóval instabilabb, nyugtalanabb, csa-pongóbb, mint SWI-nél, fenntartásához nagyobb ívfeszültségre van szükség, az anyag-átvitel kedvezőtlenebb, jelentős a fröcskölési és az ötvözőkiégési veszteség.

A felsorolt nehézségek dacára a több évtizedes fejlesztőmunka lehetővé tette, hogy aBKI eljárással az SWI-nél nagyságrenddel olcsóbban minőségi varratokat lehessenkészíteni.

9.2. Az eljárás előnyei és korlátaiElőször gyűjtsük össze azokat az előnyöket, amelyek mintegy hetven évig előkelő

helyezést biztosítottak a BKI számára a hegesztő eljárások képzeletbeli vetélkedőjén.

♦ olcsó, egyszerű, hordozható hegesztő berendezés,♦ könnyen megtanulható hegesztéstechnika,♦ csaknem minden anyagféleséghez megfelelő széles elektródaválaszték,♦ minden hegesztési helyzetben használható,♦ minden falvastagsághoz alkalmas,♦ infrastruktúrával nem rendelkező, civilizálatlan helyeken is alkalmazható,♦ elfogadható (az SWI-hez viszonyítva nagyobb) leolvasztási teljesítmény és

hegesztési sebesség, ami speciális elektródákkal még tovább növelhető(megduplázható).


Az eljárás hátrányai a következőkben összegezhetők:

♦ az elektródacsere miatt ismételten megszakított hegesztés (a varratkezdés és befe-jezés potenciális hibaforrás),

♦ sok mellékidő (elektródacsere, salakolás, fröccsnyomok eltávolítása),♦ egészségre ártalmas gőzök és gázok fejlődése miatt elszívás szükséges,♦ a legjobb minőséget adó elektródákat felhasználás előtt szárítani kell,♦ kis áramsűrűség, kis beolvadási mélység,♦ nehezen gépesíthető, a gépesített változatok elterjedtsége közel nulla.

A BKI eljárás előnyei és hátrányai a minőségi és a gazdaságossági tényezők együttesértékelésével ítélhetők meg. Az SWI eljárásra azt mondtuk, hogy a hegesztések királya,ezzel szemben a BKI kommersz, mindennapi eljárásnak (a hegesztőeljárások társadalmaegyszerű polgárának) tekinthető.

9.3. A BKI eljárás alkalmazási területeiA BKI a legtöbb acélhoz és néhány nemvasfém hegesztéséhez alkalmas eljárás. Az

ötvözetlen és ötvözött szerkezeti acélok, a melegszilárd és hidegálló acélok, az erősenötvözött különleges acélok és néhány, jobbminőségű öntöttvas egyaránt hegeszthető. ANi és ötvözeteinek hegesztése nem jelent nehézséget, a réz és alumíniumötvözetek he-gesztése is lehetséges, de az ilyen célú felhasználás az SWI eljárások elterjedése óta erő-sen visszaszorult (bronzok, sárgarezek), vagy csaknem eltűnt (Al és ötvözetei).

A BKI a kötőhegesztések mellett a felrakóhegesztések és javítóhegesztések élenjáró,sokoldalú eljárása. Igen nagy tömegben csővezetéke helyszíni varratainak készítésére ishasználják.

Falvastagság, hegesztési hely és hegesztési helyzet tekintetében nincsenek jelentőskorlátok. Az 1 mm-nél vékonyabb lemezekhez (pl. gépjármű karosszériamunkák) alkal-mazása azonban nem gazdaságos és ezért erre a célra ma már megfelelő hegesztőanya-got, és hegesztőberendezést sem gyártanak.

9.4. Az eljárás gépi berendezéseA BKI hegesztő berendezése igen egyszerű, mindössze a következő fő részekből áll:

♦ áramforrás,♦ elektródafogó,♦ hegesztő kábelek a csatlakozókkal,♦ kiegészítők és biztonsági felszerelés.

9.4.1. ÁramforrásAz áramforrás a hegesztő berendezés központi eleme. Fő funkciója, hogy megfelelő

áramerősséget és feszültséget biztosítson a stabil ív fenntartásához.

A BKI áramforrása lehet egyenáramot szolgáltató generátor, félvezetős egyenirányítóvagy inverter, illetve váltóáramú transzformátor. Az egykor nagyon népszerű forgó gé-peket nagy üresjárási veszteségük és magas fenntartási költségeik miatt ma már csakbelsőégésű motorral hajtott gépcsoportok részeként, helyszíni hegesztéseknél használ-ják.


Az egyenáramú hegesztésnél mindkét polaritás alkalmazást nyer. Történelmileg ko-rábban az egyenes polaritás (DCEN) volt az egyeduralkodó, manapság a korszerűelektródák azonban inkább a fordított polaritást (DCEP) igénylik.

Az áramforrás 50…90 V üresjárási feszültséggel és 50…350 A (ritkán 500 A) áram-erősség-tartományban kerülnek gyártásra. A gyakori rövidzárlat miatt a melegedés ellenivédelem fontos tervezési szempont. A kézi ívhegesztés sajátosságaiból következően abekapcsolási idő szinte mindig kisebb, mint 50…60 %.

A BKI alacsony áramsűrűségéből (10…30 A/mm2) következik, hogy csak eső(áramtartó) áramforrás-karakterisztikával lehet stabil munkaponttal hegeszteni. Azáramerősség beállítása a megfelelő statikus karakterisztika előválasztásával lehetséges,de ez az áramerősség csak adott ívhossznál fog pontosan megvalósulni. Az ívhossz nö-velésekor az áramerősség kismértékben csökken, az ívhossz csökkenésekor enyhén nö-vekszik (9.2. ábra). Az ívfeszültség az ívhossztól és az elektródabevonat összetételétőlfüggően a 15…40 V nagyságrendben változik.

Az ívfeszültség és az áramerősség tájékoztató összefüggését a munkafeszültség-egye-nes adja meg:

U I de U Vív h ív= + ⋅ ≤20 0 04 44, ; . (9.1.)

Az áramerősség és az elektródaátmérő közötti kapcsolatot a következő regressziósösszefüggések fejezik ki:

I dköz e= ⋅40 (9.2.)

I dköz e= ⋅ −60 70 (9.3.)

I d dköz e e= + ⋅ + ⋅12 11 6 2 (9.4.)

I dköz e= ⋅20 1,5 (9.5.)

A 9.2.…9.5. összefüggésekben szereplő konstansok a teljes elektródaválaszték átla-gos hegesztési körülményekre érvényes áramerősségeihez tartoznak. Az anyagminőség,az elektródaátmérő, a hegesztési helyzet, a hegesztendő falvastagság és varrattípus függ-vényében az áramerősség értékek lefelé és felfelé mintegy 10…20 %-kal eltérhetnek.

9.4.2. ElektródafogóA BKI szerszáma, az elektródafogó az elektróda fix rögzítésére, vezetésére és az

áram hozzávezetésére szolgál.

Az elektródafogók többféle kialakításban kaphatók. Fontos tervezési szempont, hogya szorítóerőt rúgóerő biztosítsa, ezért a kézi erővel szorító, a kezet fárasztó emelőszorí-tású fogók teljesen elavultak.

Az elektródafogók jó villamosvezető képességű, egy bizonyos mértékig kopásállórézötvözetből készülnek, ezért meglehetősen nehezek. A hegesztés alatt a teljes hegesz-tőáram átfolyik az elektródafogón, ezért jelentős melegedéssel kell számolni. A villamosés hőszigetelést hőálló gumi, vagy megfelelő szigetelőképességű műanyag biztosítja. Azösszes alkatrésznek öregedésállónak kell lennie, vagyis hosszabb használat után is megkell őriznie a lényeges tulajdonságokat (keménység, szigetelőképesség, vezetőképesség).

Az elektródafogók kiválasztási szempontjai a következők:

♦ maximális áramerősség,♦ bekapcsolási idő,


♦ csatlakozó kábel mérete,♦ legnagyobb alkalmazható elektródaátmérő.

Uív

Ih I, A

U V

U0

Iz1 Iz2 Iz3

MIív2 > Iív0

Iív0

Iív1 < Iív0

9.2. ábra. A BKI stabil munkapontja és a munkaponti áramerősség változása

Az elektródafogókat időnként a gyorsan kopó pótalkatrészek cseréjével fel kell újí-tani és rendszeresen karban kell tartani..

A hegesztőkábel az elektródafogók markolatához tengelyirányban csatlakozik.

9.4.3. HegesztőkábelA BKI hegesztőgépet egy-egy hegesztőkábel kapcsolja az elektródafogóhoz és a

munkadarabhoz. A kábeleknek, de különösen a hegesztő által kézben tartott elektróda-kábelnek flexibilisnek és könnyűnek kell lennie. A flexibilitás miatt a kábelekgumiborítású rézsodratból készülnek.

A hegesztőkábelek keresztmetszetét a melegedéssel összefüggő paraméterek(hegesztő áramerősség és a bekapcsolási idő) határozzák meg. A könnyebb kezelhetőségkedvéért egy nagyobb terhelhetőségű áramforráshoz célszerű több (de legalább két)kábelt beszerezni.

A hegesztőkábelek szokásos hossza 20…25 m, amit a kábelen eső, még megengedettfeszültség determinál. Két kábel összekötését a nagy feszültségesés miatt kerülni kell;ilyen esetben inkább az áramforrást vigyük közelebb a hegesztés helyszínéhez.

A hegesztőkábelek (az elektródafogóval alkotott fix rögzítésű kapcsolattól eltekintve)csatlakozókban végződnek. A hegesztő áramforráshoz jó kontaktust adó csavaros vagygyorsszorítós dugaszos toldattal csatlakoznak. A legkritikusabb csatlakozó amunkadarabkábelen található. a hegesztendő darabhoz való fix és gyorsan oldható kap-csolat megvalósítására. A jó csatlakozók excenterszorításúak, vagy mágneses rögzíté-sűek. Az utóbbiak korlátja, hogy csak ferromágneses anyagokhoz használhatók.

Az egyenáramú hegesztésnél sok problémát okozó mágneses ívfúvás mérsékléséretöbb csatlakozóval ellátott munkadarabkábelre van szükség.

9.4.4. Kiegészítők és biztonsági felszerelésA hegesztő munkáját néhány kényelmi kiegészítő és biztonsági felszerelés segíti.


A hasznos kiegészítők közül említést érdemel az az egység, amelyik az üresjárási fe-szültséget a rövidzárlat idejére lecsökkenti. Az áram hegesztés közbeni szabályozásáraegyes gépekbe távszabályzót építenek be. Kis praktikus műszer szolgál az egyenáramúhegesztés polaritásának kijelzésére.

A hegesztő védőöltözékére országonként eltérő előírások vonatkoznak. A ruhánakzártnak, lángállónak és a szétrepülő fémcseppekkel szemben ellenállónak kell lennie. Azárt bakancs csak bőr talppal készülhet. Térbeni hegesztéshez bőr védőkalap, vagy azegész fejet befedő zárt fejpajzs szükséges.

Az ív hő-, fény- és ultraibolya sugárzása ellen a hegesztő arcát pajzs védi. A szem vé-delmére sötét üveg, ún. védőszűrő szolgál. Az 51 x 130 mm méretű védőszűrő cserél-hető, a fröcsköléstől egyszerű ablaküveg védi. A védőszűrő sötétsége változó, a sötét-ségi fokozatot 1 és 20 között változó jelzőszámmal jelölik. Az ívhegesztések védőszűrő-jének jelzőszáma 8 és 15 között változik. A védőszűrő annál sötétebb legyen, minél na-gyobb a hegesztőáram, illetve minél sötétebb a háttér (nagyobb a kontraszt). Ezért éj-szakai sötétben végzett hegesztéshez egy-két fokozattal sötétebb üvegre van szükség,mint nappali fény esetén.

Az 1990-es években megjelentek az automatikusan sötétedő LC paneles pajzsok,amelyek a pajzsra eső fényt fotoelektromos úton érzékelik és nagyon rövid időn belül azablakot a kívánt sötétségűre állítják be. A szabályozási időnek rövidebbnek kell lennie,mint az emberi szem tehetetlensége, különben a fényváltozások a hegesztő szemét na-gyon megviselik és fejfájást okoznak.

9.5. Bevonatos elektródákA BKI eljárás egyetlen hegesztőanyaga a bevonatos elektróda, amelyet egy rövid

(kézi hegesztéshez 450 mm-nél nem hosszabb) maghuzalon elhelyezett bevonat alkot.Nagyon korlátozott mennyiségben és adott (főleg felrakóhegesztési) célokra porbeles ésbevonatos-porbeles elektródákat is gyártanak. A BKI gépesített alváltozataihoz 450 mm-nél hosszabb elektródákat isforgalmaznak.

9.5.1. Az elektróda felépítése és méreteiAz elektróda egyik végén a befogásra szolgáló csupasz rész , a másik végén az első

ívgyújtást megkönnyítő grafitréteg található (9.3. ábra). Az elektródák azonosítására abefogóvéghez közeli bevonatfelületre rövid jelet nyomtatnak.

Az elektróda átmérősorozata szabványosított. Többnyire a 2; 2,5; 3,25; 4; 5 és 6 mmátmérőket forgalmazzák. Az elektródahosszakat a túlmelegedés és a kéz remegésébőleredő pontatlanságok mérséklésére korlátozzák és az elektródaátmérővel növekvő nagy-ságúakra tervezik. A vékony elektródák 150 mm, a vastagok max. 450 mm hosszúsá-gúak. A legnépszerűbbnek tekinthető 4 mm átmérőjű elektródák 350 mm hosszúságúak.Néhány gépesített eljárásváltozathoz hosszú (de azért minden esetben 1 m alatti) bevo-natos elektródákat is gyártanak.

Ahogy az a 9.3. ábrán látható, az elektródaátmérő a maghuzal átmérőjével azonos. Abevonatátmérő és az elektródaátmérő hányadosával a bevonat vastagsága jellemezhető.

A bevonatvastagsági tényező ugyanis:

β = Dd

b

e(9.6.)


A β bevonatvastagsági tényező segítségével az elektródák bevonatvastagsága csopor-tosítható:

♦ β =1,1…1,2: vékony bevonat,♦ β =1,2…1,5: normál vastagságú bevonat,♦ β >1,6: vastag bevonat.

φ d

e

le

φ D

b

Befogóvég

Bevonat

Grafit

Márkajel

Maghuzal

9.3. ábra. A bevonatos elektróda alkotórészei és jellemző méretei

A Kjellberg által kifejlesztett és a húszas években egyedüli vékony bevonatúelektródákat ma már nem gyártják. Az elektródák nagy része normál vagy vastag bevo-natvastagsággal készül: az előbbi térbeli hegesztéshez, az utóbbi vályúhelyzethez ideá-lis. A vastag elektródák bevonatában a leolvasztási teljesítmény növelésére szolgálófémport helyeznek el.

9.5.2. Az elektródák gyártásaAz elektródák maghuzalát a kívánt összetételű acélból készült, méretre húzott és

egyengetett huzalból készítik az előírt hosszra való darabolással. A maghuzal felületefémtiszta, rézbevonattal nincs ellátva.

A bevonatalkotókat száraz és nedves keveréssel homogenizálják, majd hidegen amaghuzalra extrudálják (9.4. ábra). Az extrudálás után a nedvességet eltávolító és a kö-tőerőket növelő szárító hőkezelés, majd a kiegészítő műveletek elvégzése következik. Ahőkezelés hőmérséklete nem érheti el a legalacsonyabb stabilitású vegyület bomlási hő-mérsékletét és nem okozhat irreverzibilis kémiai reakciókat.

Az elektródákat nedvességkizáró csomagolásban, többnyire 5 kg-os kiszerelésbenhozzák forgalomba. A gyártás és a felhasználás közötti időszak szerencsés esetben nemhaladja meg a fél évet.

Az elektródagyártás legkritikusabb művelete az extrudálás, mivel a bevonatnak amaghuzalhoz képest koncentrikusnak kell lennie. Ezt a szigorú követelményt kopott,vagy rosszul beállított gyártóberendezéssel nem mindig sikerül betartani.

9.5.3. Az elektródák bevonataAz elektródákat célszerűbb és gazdaságosabb néhány maghuzaltípus felhasználásával

bevonatötvözésű kivitelben gyártani. Ez azt jelenti, hogy sokféle bevonatösszetételt kellkifejleszteni és a maghuzalra felvinni. A bevonat olyan mint egy szakácsművészetiremek: 15…30 féle alkotóelemből titkos receptura szerint készítik.


A különféle bevonatalkotókat a feladatuk szerint az alábbiak szerint csoporosíthatjuk.

1. gázképzők,2. salakképzők,3. ívstabilizálók (ionizálók),4. dezoxidálók,5. nitrogénmegkötők,6. kén- és foszforcsökkentők,7. ötvözők,8. leolvasztási teljesítményt növelő fémporok,9. plasztifikátorok,10. kötőanyagok.

F

pBevonatpép

Bevonat MaghuzalExtruder szerszám

v

9.4. ábra. Az elektródabevonat felvitele a maghuzalra

A bevonatalkotók általában tisztított ásványok (karbonátok, oxidok, fluoridok, szili-kátok,…), egyes komponenseket tiszta állapotban (Al, Cu, grafit,…) vagy ferroötvözetformájában (FeMn, FeSi, FeCr, FeMo, FeV,…) adagolnak a bevonatba. Egy komponenstöbb funkciót is elláthat: pl. a K SiO2 20 ⋅ (káli-vízüveg) elsődleges funkciója szerintkötőanyag, de a K ívstabilizáló, a Si dezoxidáló szerepű, a maradék szilikát pedigsalakképző. Az elektródák minősége a komponensek tisztaságának függvénye: rosszmi-nőségű alapanyagokból a legkorszerűbb gyártóberendezéssel sem lehet megfelelő ter-méket előállítani.

9.5.4. Az elektródák rendszerezéseAz elektródákat rendeltetésük szerint a következő csoportokba sorolják:

♦ kötőelektródák,♦ felrakóelektródák,♦ vágó és hornyoló (faragó) elektródák.

A kötőelektródák heganyaguk összetétele szerinti osztályba sorolása azért lényeges,mert segíti a felhasználót az adott alapanyaghoz a megfelelő elektróda kiválasztásában.E szempont alapján az elektródák osztályba sorolása kevés kivételtől eltekintve az alap-


anyag rendszerezését követi. Vasötvözeteknél a legfontosabb elektróda ötvözet-főcso-portok a teljesség igénye nélkül a következők:

♦ ötvözetlen vagy gyengén ötvözött, finomszemcsés acélok,♦ gyengén ötvözött, nagyszilárdságú, különlegesen melegalakított vagy hőkezelt

acélok,♦ melegszilárd (kúszásálló) acélok,♦ Ni ötvözésű, alacsony hőmérsékletre szánt acélok,♦ erősen ötvözött, korrózióálló acélok,♦ erősen ötvözött hőálló (lassan revésedő) acélok,♦ minőségi öntöttvasak.

Az egyes alcsoportokba tartozó acéloktól más-más követelmények teljesedését várjákel. Az első alcsoportban például az ömledék-szilárdságnak, a Ni acéloknál az átmenetihőmérsékletnek, a melegszilárd acéloknál a hőmérséklethez és időtartamhoz kötött szi-lárdsági jellemzőknek, a többi alcsoportban inkább a kémiai összetételnek van meghatá-rozó szerepe.

Az elektródák ömledékösszetétele és a velük készített varrat mechanikai jellemzőiszerencsés esetben az alapanyagéval megegyeznek vagy ahhoz nagyon közel állnak(matching). Ettől eltérő esetek (mismatching vagy undermatching és overmatching) iselőfordulnak, amennyiben az adott alapanyag hegesztése ezt szükségessé teszi (lásd pl. atermomechanikusan kezelt acélok alapanyagnál erősebben ötvözött elektródáit).

A következőkben csak az első alcsoport (ötvözetlen vagy gyengén ötvözött, finom-szemcsés acélok) elektródáival foglalkozunk, mivel az ide tartozó elektródák teszik ki afelhasznált mennyiség 80…85 %-át.

9.5.5. A szerkezeti acélok elektródáinak jelöléseBevonatos elektródát a világ csaknem minden országában gyártanak, a nagyobb or-

szágokban pedig több tíz, esetleg százat meghaladó cég is foglalkozhat elektróda előállí-tással. Korábban az elektródákkal kapcsolatosan minden ország saját szabványokat alko-tott, sőt minden gyártó önálló márkajelölést használt, ezért az elektródák közötti eliga-zodás és a megfelelő típus kiválasztása csak nemzetközileg egységes jelölési rendszerekalapján lehetséges. Korábban ilyen volt az ISO 2560, amelyet Magyarország is sokáigalkalmazott (MSZ 6281). Ma minden hegesztőanyag , így a bevonatos elektródák eseté-ben is az európai rendszer jelöléseit tekintjük mértékadónak.

Az MSZ EN 499: 1997 szabvány az ötvözetlen és finomszemcsés, legfeljebb 500MPa folyáshatárú szerkezeti acélokhoz gyártott kötőelektródákat egy nyolctagújelkóddal azonosítja. A jel konstrukciója a következő (a mintaként adott jelölés egygyengén ötvözött bázikus elektródára vonatkozik):

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

E 46 3 1Ni B 5 4 H5

A jelcsoport egyes tagjainak jelentése a következő:

1. Fogyóelektródás, kézi ívhegesztéshez használatos elektróda jele.

2. A hőkezeletlen állapotú hegömledék MPa-ban kifejezett minimális felső folyásha-tárának (ReH vagy Rp0,2) tizede. Táblázatos formában további követelményeket


jelent az ömledék Rm szakítószilárdságára és A5 fajlagos nyúlására vonatkozóan.A szakítószilárdság minimuma 440, maximuma 720 MPa, a nyúlásintervallum 18…22 %.

3. A hőkezeletlen állapotú hegömledék átmeneti hőmérsékletére utal. Az átmenetihőmérséklet a KV=47 J ütőmunka-kritérium teljesedéséhez tartozik. Az átmenetihőmérséklet +20 °C és -60 °C között változhat.

4. A hegömledék vegyi összetételére utal. Az elektródákra Mn, Mo, Ni ötvözés jel-lemző, a hegeszthetőségi gondokat okozó Cr, V, Nb és Cu erősen korlátozott.

5. Az elektróda bevonattípusára (salaktípusára) utal. A lehetséges esetek és jelölésükaz angol szavak kezdőbetűi alapján a következők:

♦ A savas (acid),♦ B bázikus (basic),♦ C cellulózos (cellulose),♦ R rutilos (rutile),♦ RR vastag rutilos (thick rutile),♦ RC rutil-cellulózos (rutile-cellulose),♦ RA rutil-savas (rutile-acid),♦ RB rutil-bázikus (rutile-basic).

6. Az elektróda kihozatalára (Recovery, jele R) és a leolvasztásához szükséges áramtípusára, egyenáram esetén a polaritására utal. A kihozatali csoportok a követke-zők:

♦ R ≤ 105 % ,♦ 105 125< ≤R % ,♦ 125 160< ≤R % ,♦ R > 160 % .

Az áram tekintetében két csoportot különböztet meg: a DCEN és az AC vagyDCEP lehetőséget.

7. Az elektródáknak a különféle hegesztési helyzetekre való alkalmasságát jelöli. Akövetkező esetek vannak megkülönböztetve:

♦ minden helyzet,♦ minden helyzet, de felülről lefelé nem,♦ vízszintes helyzetű tompa-és sarokvarrat, álló sarokvarrat,♦ vízszintes helyzetű tompa-és sarokvarrat,♦ vízszintes helyzetű tompa-és sarokvarrat, álló sarokvarrat és felülről lefelé.

8. A hegömledék legnagyobb hidrogéntartalmára utal (a hidrogéntartalom mér-tékegysége ppm, azaz ml/100 g fém). Lehetséges esetek:

♦ H5,♦ H10,♦ H15.

Az elektródák jelöléséből az utolsó 3 jel elmaradhat. Az első öt jel megadása mindigkötelező.


9.5.6. Az elektródák bevonattípusaiAhogy azt a jelrendszer ötödik eleménél láttuk, az elektródákat különböző bevonat-

típussal, helyesebben a bevonatból képződő salaktípussal gyártják. Az egyes salaktípu-sok az elektródáknak különböző hegesztési tulajdonságokat, és ami ennél még fonto-sabb, eltérő ömledéktulajdonságokat kölcsönöznek.

A legkiválóbb ömledéktulajdonságokkal a bázikus salakú elektródák (röviden bázi-kus elektródák) rendelkeznek, ezért először ezeket ismertetjük.

9.5.6.1. Bázikus elektródákA bázikus, vagy másképpen mészbázikus, illetve alacsony hidrogéntartalmú

elektródákat a bázikus salakukról nevezték el. A bevonat fő alkotója a mészkő (CaCO3és a folypát (CaF2). Rutilt (TiO2)-t nem, vagy csak a térbeli hegesztési tulajdonság javí-tására korlátozott mennyiségben tartalmaznak. A savas SiO2 tartalma csak a kötőanyag(vízüveg, K O SiO2 2⋅ és/vagy Na O SiO2 2⋅ )-re szorítkozik. A bázikus bevonatok csakkarbonát gázképzőt tartalmaznak, az alacsony H tartalom (LH = Low Hydrogen) garan-tálása érdekében cellulózt vagy vizet megkötni képes földpátokat nem, vagy csak né-hány százalékban tartalmazhat. A bevonatot alacsony nedvszívóképességű (LMA = LowMoisture Absorbent) szerkezetével a nedvességfelvétel korlátozható. Metallurgiai cé-lokra a bevonat megfelelő mennyiségű dezoxidenst, kén- és foszformegkötő reagensttartalmaz, de a nitrogén elleni védelme nem megfelelő.

A bázikus elektródákat kiváló mechanikai és átlagos hegesztési tulajdonságok jellem-zik. A legfontosabb tulajdonságok felsorolásszerűen a következők:

♦ megfelelő szárítással a hegömledék hidrogéntartalma 5 ml/100gfém értékre, vagyez alá csökkenthető,

♦ kiváló mechanikai jellemzők (átmeneti hőmérséklet, szívósság, nyúlás, szilárdság,repedésellenállás),

♦ az ömledék alacsony O2, S és P tartalmú (lásd a 6. fejezetet), rövid ívvel a N2 tar-talom is megfelelő értéken tartható,

♦ gázképző reakciók:

( ) ( ) CaCO CaO CO3 2→ + (9.7.)

2 22 2 4( ) ( ) ( ) CaF SiO CaO SiF+ → + (9.8.)

♦ rutillal és K vízüveggel térbeli helyzetre is alkalmas, az alapelektróda vályúhely-zetben kiváló, térbeli pozíciókban közepes adottságú,

♦ rutillal és K vízüveggel AC-re is alkalmas, egyébként a helyes polaritás mindigDCEP,

♦ a folypát a salakot hígfolyóssá teszi, amelyben a salakzárványok (bekevert salak ésreakciótermékek) könnyen a felszínre úsznak,

♦ nagycseppes leolvadás,♦ rossz résáthidalóképesség miatt igényes illesztést igényel,♦ rövid ívhosszal kell leolvasztani, mivel védelme csak közepes hatékonyságú,♦ a hegesztendő felület tisztaságára érzékeny,♦ Fe poros változata vályúhelyzetben nagy leolvasztási teljesítményre képes,♦ az ömledék szakítószilárdsága Cr-mal vagy Mo-nel 900 MPa-ig növelhető.


A bázikus bevonatú elektródák az erősen igénybevett, alacsony hőmérsékleten dina-mikus hatásnak is kitett hegesztett kötések ideális hegesztőanyaga. Indokolt esetbenminden más bevonatos elektródával szemben előnyben kell részesíteni.

9.5.6.2. Rutilos elektródákA rutilos bevonatok névadója a TiO2 tartalmú rutil ásvány, amelynek különleges tu-

lajdonsága, hogy mind folyékony, mind szilárd állapotban jól vezeti a villamos áramot.Az elektródabevonat ebből a komponensből 30…55 %-ot, tartalmaz. A további alkotók:20% SiO2, 0…10 % CaCO3, 5…10 % FeMn, 2…12 % cellulóz és 5…15 % vízüveg.

A rutilos elektródák salakja a sok TiO2 és SiO2 miatt erősen savas jellegű, ezért a sa-vas szennyezők (S, P) eltávolítása rossz hatásfokú. A varrat hidrogéntartalma 15-25 ml/100g, ez a bevonat (egyébként nem szokásos) kiszárításával sem mérsékelhető.

Az első anyagcsoporthoz tartozó ötvözetlen vagy gyengén ötvözött acélokhoz gyár-tott elektródák ömledékének folyáshatára 400…460 MPa, szakítószilárdsága 500…550 MPa, nyúlása legalább 25 %, átmeneti hőmérséklete -20 °C.

A rutilos elektródák nagyon kedvező hegesztési tulajdonságokkal rendelkeznek.Egyenáram egyenes polaritás, vagy váltakozó áram egyaránt lehetséges. Az elektróda abázikusnál finomabb, a savas bevonatú elektródáknál nagyobb cseppekben olvad le,beolvadási mélysége a DCEN polaritás miatt kisebb, mint a bázikus bevonatúelektródáké. Az ív könnyen gyullad és a rutil áramvezető képessége miatt az ívújragyúj-tás előtt sem kell salakolni. A sűrű salakú ritilos elektróda résáthidalóképessége kiváló,az élelőkészítésre és az illesztés pontosságára csak közepesen érzékeny. A függőlegesenlefelé (PG) pozíciót kivéve minden térbeli helyzetben egyaránt jól használható. Salakja avarratfelszínről könnyen eltávolítható. Az elektróda íve nagyon rugalmas, az ívhossz-változásra kevéssé érzékeny, ezért a gyakorlatlan hegesztők is sikeresen használhatják.Több fajtájuk kiváló barkácselektróda, mivel az alacsony üresjárási feszültséget adó ol-csó transzformátorokkal is jól leolvaszthatók.

A rutilos elektródákkal készült varratok felülete sima, szabályosan pikkelyezett, esz-tétikus megjelenésű, a sarokvarrat a bázikus elektródára jellemzőnél kevésbé domború,közel síkalakú. A DCEN polaritásból adódóan a varrat beolvadási mélysége kisebb, avarratdudor nagyobb. A varratszél és az alapanyag átmenete folytonos (a varratszél haj-lásszöge nagy), ami a hegesztett kötésnek az ismételt igénybevételekkel szemben kiválóellenállást biztosít.

Kedvező hegesztési jellemzői miatt a kombinált bevonatok (rutil-savas, rutil-bázikus,rutil-cellulóz) bázis összetevője. Vastagbevonatú (RR jelű) változata a térbeli hegesztésiképesség feladása árán nagy leolvasztási teljesítményt (akár 8 kg/h) tesz lehetővé.

9.5.6.3. Cellulóz elektródákAz ötvözetlen cellulózos elektródákat 1935 körül az Egyesült Államokban fejlesztet-

ték ki, csőhegesztési célokra.

A cellulóz elektródák bevonatának névadó komponense a 10…50 % cellulóz (faliszt,recirkulált papír), amit 20…30 % rutil, 5…10 % ferromangán, 15…30 % szilicium-dioxid (kvarc), 0…15 % karbonát és káli- vagy nátronvízüveg egészít ki. A hegesztésiveszteségek kompenzálására az egyenáramú elektródák bevonatába kismennyiségű (5-10 %) vasport is adagolnak.

Az elektródák nátron-vízüveggel egyenáramú hegesztésre (DCEP), káli-vízüveggelegyen- és váltakozóáramra (AC) egyaránt alkalmasak. A gyártók az egyenáramú


elektródák gyökvarratához gyakran a kisebb beolvadási mélységet eredményező egyenespolarítást (DCEN) javasolják. A cellulóz elektródáknál az alacsony hidrogéntartalmúszervetlen kötőanyagok (vízüvegek) mellett vagy helyett hidrogénforrásként szereplőtermészetes és szintetikus kötőanyagok (szénhidrogénszármazékok) is alkalmazhatók(mivel az ömledék hidrogéntartalma nincs korlátozva).

A cellulóz elektródák mechanikai jellemzőiket tekintve a rutilos és bázikuselektródák között helyezkednek el. Az EN 499 szerinti E 38 3 C 2 1 alaptípus 390 MPa-os folyáshatárral, 470!550 MPa szakítószilárdsággal, legalább 22 %-os nyúlással ésbiztonságosan -20 "C-os átmeneti hőmérséklettel rendelkezik. Ötvözéssel növeltszilárdság és -40 "C-os átmeneti hőmérséklet érhető el. A mechanikai jellemzőket a főalkalmazási terület igényeit követve a csőszilárdsági osztályokhoz és a környezetihőmérsékletminimumhoz igazítják. A cellulózbevonatú elektródák varrata nem olyansima, mint a savas vagy rutilos elektródáké.

A cellulóz elektródák valamennyi hegesztési helyzetben jól alkalmazhatók, de fő jel-legzetességük a függőlegesen lefelé irányuló hegesztésre (downhill welding technique)való alkalmasság (PG pozíció). A felülről lefelé való hegesztés előnye, hogy nagyobbhegesztési sebesség érhető el, mint PF pozícióban (uphill welding technique), vagyisalulról felfelé végzendő hegesztéskor. Ezt az elektróda kistömegű, gyorsan dermedő,könnyen leváló salakja teszi lehetővé. A gyorsan dermedő salak egyben arésáthidalóképességet is javítja, de a felülről lefelé végzett hegesztéshez a gyors haladásmiatt pontos illesztés szükséges.

A salaktulajdonságok és a nagyobb hegesztési sebességre való alkalmasság lehetővéteszi, hogy a térbeli helyzetekben a többi bevonathoz képest eggyel nagyobbelektródaátmérőt alkalmazhassunk. A cellulóz elektródák a hidrogén elégésénekexoterm reakciója és a sok védőgáz fúvóhatása miatt növelt hegesztési sebességet és na-gyobb beolvadási mélységet produkálnak (digging arc = bemélyedő ív), ezért velüknagy hegesztési teljesítmény érhető el. Cellulózos bevonattal pl. egy-egy körvarrat arutilos vagy bázikus bevonatú elektródákhoz viszonyítva 15…50 %-kal rövidebb időalatt készíthető el (a nagyobb szám nagyobb csőátmérőhöz tartozik).

A cellulózbevonatú elektródák fröcskölési vsztesége jelentős, a szétrepülő cseppekellen szükséges esetekben mechanikus takarással vagy összeolvadást gátló bevonatokkallehet védekezni.

A védőgáz exoterm oxidációs reakció mellett képződik, ezért az elektróda sok füsttelolvad le.

C H O CO H E6 10 5 2 2 20 3 5 6 5+ ⋅ → ⋅ + ⋅ +, (9.9.)

A sok füst miatt a cellulózbevonatú elektródák elsősorban szabadtéri helyszínekenvégzett hegesztésre alkalmasak. Fő alkalmazási területük a szabadtéri csővezetékek ésszerelvényeinek hegesztése, ha a szerkezetekkel szembeni követelmények egyébként ez-zel a bevonattípussal kielégíthetők.

A cellulóz elektródák varratának magasabb hidrogéntartalmából (H = 30…200ml/100g fém) származó hátrányokat jól kéntelenítő és foszfortalanító bázikus salakkal ésenyhe ötvözéssel törekednek kiegyenlíteni. A szokásos ötvözőelemek a Mo és a Ni.


9.5.7. Különleges elektródákA közönséges bevonatos elektródákkal szemben hangoztatott leggyakoribb ellenérv,

hogy kicsi a leolvasztási teljesítmény ( ! ... /m kg h= 1 3 ) és alacsony a beolvadási mély-ség (h mm1 1 3= ... ). Az elektródagyártók ezért olyan elektródák kifejlesztésére töreked-tek, amelyek növelt leolvasztási teljesítménnyel rendelkeznek, vagy beolvadásuk a szo-kásosnál mélyebb. A különleges tulajdonság érdekében más jellemzőket feladtak, ezért akülönleges elektródákat csak korlátozott területeken, pl. csak PA és PB pozícióban(vízszintes helyzetben) lehet alkalmazni.

9.5.7.1. Növelt teljesítményű elektródákA bevonatos elektródák leolvasztási teljesítményét a maghuzal átmérőjének növelé-

sével lehet növelni (9.5. ábra). Az elektródaátmérő növelésének azonban gátat szab,hogy vele arányosan növekszik a hegesztőáram, következésképpen az elektródafogó és ahegesztőkábel súlya, ami a hegesztőre hosszabb időtartamon keresztül elviselhetetlenterhet rak. Ezért került az elektródafejlesztés során előtérbe a bevonat fémtartalmánaknövelése és a fémredukció a megolvadó bevonatból keletkező salakból.

Elektródaátmérõ, mm

Leol

vasz

tási

telje

sítm

ény,

kg/h

0 1 2 3 4 5 6 70

2

4

6

8

10

12

14

1

6

235

4

Összes acélBázikusRutilosCellulózKombináltNagyhozamú6

123

54

9.5. ábra. A különböző bevonatú elektródák leolvasztási teljesítménye

A bevonat fémtartalma az alapanyag bázisfémének (acéloknál a vasnak) por alakúelőállításával és a bevonatba való egyenletes elkeverésével növelhető. Kezdetben csakannyi vasport adagoltak a bevonatba, ami a veszteségeket kompenzálta, vagy kissé(RN=105 % kihozatalig) túlkompenzálta. Ezek még nem voltak igazi nagyteljesítményűelektródák, de a fémporos teljesítménynövelés ötlete innen származott. A bevonatvasportartalma a kísérletek szerint akár az 50…60 %-ot is elérheti. A vasport tartalmazóbevonat vastagsága megnő, leolvasztása a nagytömegű salak- és hegfürdő miatt ezértcsak vályú- és vízszintes helyzetben lehetséges (PA és PB pozíció).

A bevonatból a hegfürdőbe redukálódó vaspor a leolvadási teljesítményt jelentősenmegnöveli. A 9.5. ábra a nagyteljesítményű elektródákat jellemző (legfelső) görbéje jólszemlélteti ezt a hatást. Az összes elektródaméret közül a legnépszerűbb 4 mm-esátmérőjű elektróda esetében az átlagos 2 kg/h leolvadási teljesítmény vasporral közel


duplájára növekszik. Az ábrából jól látható az is, hogy sok vasporral és nagy átmérővelakár 10 kg/h feletti leolvasztási teljesítmény is elérhető, ami a BKI hegesztés esetébenrendkívül szokatlan és még VFI esetében is kiemelkedően nagy értéknek számít.

A növelt teljesítményű elektródákkal végzett hegesztés érdekessége, hogy hegesztésközben a sok nemfémes komponenst is tartalmazó, ezért a maghuzalnál rosszabb hő- ésvillamosvezető bevonat csak lassabban olvad le, mint a teljesen fém maghuzal, ezáltalaz elektróda végén jellegzetes mélykúpos geometria alakul ki. A kúp annál mélyebb,minél vastagabb a bevonat, vagyis minél több fémport tartalmaz (9.6. ábra). A kúposolvadás következménye a kontakt hegesztés lehetősége. A kúp mélysége egyúttal azívhossz minimumát is meghatározza, ezért a nagyhozamú elektródák leolvasztásához azátlagost meghaladó és valamennyi bevonatos elektróda közül a legnagyobb ívfeszültségszükséges.

Fe por nélkül,vagy kevés Fe

porral

Közepesmennyiségû

Fe porral

Nagymennyiségû

Fe porral

Vékony bevonat Normál bevonat Vastag bevonat

9.6. ábra. A különböző bevonatvastagságú elektródák végének kúpos leolvadása

A bevonatkúp további pozitív szerepe, hogy a védelem hatékonyságát is növeli,mivel a környezeti levegő útjában mechanikus akadályt képez. A bevonatkúp emellett afröcskölési veszteséget is hatékonyan csökkenti.

9.5.7.2. Mély beolvadású elektródákAz elektródák beolvadási mélységét két úton lehet hatékonyan fokozni: egyrészt a

hőáram megnövelését eredményező exoterm vegyi reakciókkal, másrészt a gázképzőkmennyiségének drasztikus megemelésével.

Ha a bevonatba olyan vasoxidport helyezünk el, aminek a felületére előzetesenmegfelelő mennyiségű Al réteget kondenzáltattak, akkor a bevonat leolvadásánakhőmérsékletén minden kis portérfogatban a következő hőtermelő reakció megy végbe:

Fe O Al Al O Fe E2 3 2 32 2+ ⋅ → + ⋅ + (9.10.)

A plusz hő mélyebb beolvadást tesz lehetővé, vagyis az elektróda úgy fog viselkedni,mintha a hegesztőáramot és az ívfeszültséget megnöveltük volna.

Az előzőnél hatékonyabb módszer a hegesztés közben fejlesztett gáz mennyiségénekmegnövelése, mivel a sok gáz nagyobb nyomása a hegfürdő fémolvadékát félrefújja ésezzel lehetővé teszi, hogy a villamos ív közvetlenül a szilárd alapanyagot hevítve abbajobban belemélyedjen. Az ötlet a cellulóz elektródáktól származik, vagyis az extra


mennyiségű gázt cellulózból fejlesztik, aminek mennyisége a bevonattömeg 30…50 %-át is elérheti.

A két beolvadási mélységet növelő elv kombinációban is alkalmazható.

9.5.8. Az elektródabevonat és az ívfeszültség kapcsolataA különböző összetételű elektródák bevonatából fejlődő gázatmoszféra (kiegészülve

a fémgőzökkel) egészen eltérő összetételű, aminek az ionizációs és hőterjedést befolyá-soló tulajdonságai is eltérőek. Árnyalja a képet, hogy az egyes elektródák esetében azajánlott (pl. bázikus elektróda 1…2 mm-es ívhossza az elektródaátmérőtől függetlenül),vagy a megvalósítható (pl. az erősen kúposan olvadó nagykihozatalú elektródák) ívhosz-szak is különböznek. A két hatás eredőjeként a különböző bevonatú elektródák azonosáramforrás-beállítás mellett eltérő ívfeszültséget fognak eredményezni.

Az áramerősség-ívfeszültség-elektródabevonat összefüggését a 9.7. ábra mutatja be.

A 9.7. ábrába berajzoltuk a (9.1.) összefüggéssel adott feszültségegyenest is. A bázi-kus elektródák feszültségegyenes alatti sávja a szegényes gázvédelem miatt előírt na-gyon rövid ívhosszal magyarázható. A rutilos elektródák esetében az ökölszabálykéntismert ívhossz egyenlő az elektródaátmérővel betartása okozza a nagyobb ívfeszültséget.A cellulóz elektródák nagy feszültsége a bevonatból fejlődő meghatározó mennyiségűhidrogéngáz nagyobb ionizációs potenciáljával magyarázható. A nagykihozatalúelektródák bevonatának kúpos olvadása csak a kúpmagasságnál hosszabb ívhosszat teszlehetővé: ennek eredménye a minden más elektródatípusét meghaladó feszültségsáv.

0 100 200 300 400 5000

10

20

30

40

50

Uív=20+0,04*I h

Áramerõsség, A

Ívfe

szü

ltsé

g,

V

Umért

Uszám

9.7. ábra. Az ívfeszültség függése a hegesztőáram nagyságától és a bevonat típusától


9.6. A varratminőségA kézi ívhegesztő eljárással készülő varratok minőségét elsősorban a hegesztő kép-

zettsége és ügyessége határozza meg. Az objektív tényezők közül az elektróda típusa ésaz alkalmazott hegesztési paraméterek befolyása jelentős. Jó minőséget csak vályú vagyvízszintes helyzetben készített, hibamentes, vagy legfeljebb az enyhébb hatású hibákbóligen korlátozott mennyiséget tartalmazó varratoktól várhatunk.

A varratminőség és a leolvasztási teljesítmény egymásnak ellentmondó jellemzők. A9.8. ábrán bemutatott mérési eredmények arra utalnak, hogy jó varratminőséget csak azajánlott áramerősség-sáv alsó harmadában lehet elérni. a nagy kihozatalú, vagy mély be-olvadású elektródák minősége átlagos, vagy annál gyengébb lehet.

Áramerõsség, A

Áramerõsség, A Áramerõsség, A

Áramerõsség, A

Frö

cskö

lés,

%

Fajla

gos

nyú

lás,

%

Szi

lárd

ság, M

Pa

Telje

sítm

ény,

kg/h

9.8. ábra. A hegesztési és varratjellemzők összefüggése a hegesztőárammal

A bevontelektródás kézi ívhegesztéssel készített varratok jellegzetes hibafajtája a sa-lak- és gázzáródmány. A kis beolvadási mélység és a varratképzési technika hiányosságagyakran okoz összeolvadási és/vagy gyökhibát. A varratfelület szabályossága a salakösz-szetétel és az egyenletes elektródavezetés függvénye: a rutilos elektródák varratai szebbkülleműek, mint a bázikus elektródáké. A varrat melletti kiolvadt csatorna, az ún. sze-gélykiolvadás a helytelen elektródavezetés és a rosszul összehangolt hegesztőáram, il-letve hegesztési sebesség következménye.

9.7. A hegesztési változók megválasztása és összehangolásaA BKI változói csak annyiban különböznek az SWI eljárásnál részletezettektől,

amennyiben a külön hozaganyag és elektródjellemezők helyett itt a bevonatos elektródaadatai szerepelnek.

A hegesztési változók értékeit a varratminőség szempontjainak alárendelten kellmegválasztani és összehangolni.


A térbeli helyzet és a készítendő varrat keresztmetszeti alakja és méretei meghatároz-zák az elektróda típusát, méretét és a hőbevitelt befolyásoló paramétereket. A munkame-net ajánlott sorrendje a következő:

1. Először mindig az elektróda márkáját és méretét írjuk elő.2. A hegesztési áramot az alapanyag, elektródaátmérő, elektródabevonat és a térbeli

helyzet függvényében választjuk meg. Minőségorientált esetben célszerű az áram-erősséget a lehetséges tartomány alsó feléből választani.

3. Az áram és a bekapcsolási idő alapján válasszuk ki és ellenőrizzük a hegesztőáramforrást, az elektródafogót és a hegesztő kábeleket.

4. Az ajánlott ívhossz előírásával a munkaponti ívfeszültség kiadódik. Az ívfeszült-ség direkt előírása elvi hiba lenne és túlhatározottságot jelentene.

5. A vonalenergia szempontjából érdekes hegesztési sebesség kézi hegesztésnél nemírható elő, a vonalenergia − amit a WPS-ben minden esetben szerepeltetni kell −számításához azonban szükség van a vh jelű hegesztési sebesség tájékoztató érté-kére.

5.1. A vonalenergia számítására a következő összefüggések állnak rendelkezésre (ahegesztési sebesség 4 mm/s, az egyenletek érvényességi tartománya de=1…7 mm):

♦ Reprezentatív elektróda adatbázison alapuló regressziós összefüggés szerint:

E d J mmv e= ⋅77 03 1,72, , / . (9.11.)

♦ Szerző levezetése alapján:

E d d J mmv e e= ⋅ + ⋅157 5 11025 2, , , / . (9.12.)

♦ Herbst tapasztalati összefüggésének megfelelően:

E d J mmv e= + ⋅38 4 52 8 2, , , / . (9.13.)

5.2. A hegesztési sebességre vonatkozó tájékoztató értéket kaphatunk az elektróda t1leolvasztási idejének (katalógusadat) és az leh hasznos hosszúságú elektródávallerakandó lv1 varrathossz (de elektródaátmérő, RN kihozatal és az A1 egy lépés-ben lerakott varratkeresztmetszet függvénye) ismeretében:

vl

t

d R l

A thv e N eh= = ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ⋅1

1

2

1 14

π. (9.14.)

6. A hegesztő elvárt képesítését a feladat összes jellemzője alapján az MSZ EN 287szerint kell előírni.

7. A készítendő varrat- és az elektródatengely relatív helyzetét meghatározó szögeketés az elektródavezetés technikáját a hegesztőre kell bízni.

A kidolgozott technológia ellenőrzésére mindig készíttessünk munkapróbát. Abevontelektródás kézi ívhegesztéssel készített varratoknál főleg a kis beolvadási mély-ség okozhat nem várt problémákat (térbeli helyzet, sarokvarrat, T kötés tompavarrata).


9.8. A bevontelektródás kézi ívhegesztés eljárásváltozataiAz elmúlt nyolcvan évben igen sok energiát fordítottak a bevont elektródás kézi ívhe-

gesztés gépesítésére. Ma már tudjuk, hogy ezek a próbálkozások eleve kudarcra voltakítélve, mert a BKI a következő okok miatt nem gépesíthető:

♦ az elektróda a rideg kerámia-bevonat miatt nem tekercselhető,♦ az árambevezetés helye miatt az elektróda hossza lényegesen nem növelhető.

A sokféle szabadalmaztatott változatból tulajdonképpen csak két módszer érdemel fi-gyelmet. Mindkét alváltozat az elektróda automatikus leolvasztását oldotta meg, anél-kül, hogy a hozaganyagon lényegesen változtatott volna.

9.8.1. Befektetett elektródás ívhegesztésA 9.9. ábrán bemutatott befektetett elektródás ívhegesztés (Firecracker Welding,

számkódja 118) azon az elven alapszik, hogy az alkatrészek illesztési vonalára fektetett,és az áramkörbe iktatott hosszú bevonatos elektróda az ív meggyújtása után emberi se-gítség nélkül képes leolvadni. Az elektródát villamosan a bevonat szigeteli el az alap-anyagtól. A bevonat a jól vezető komponensekből (Fe por, TiO2, Al2O3) csak kevesettartalmazhat. Az ívet a jó hővezető (réz, bronz vagy sárgaréz) anyagból készült, az elekt-róda méretének megfelelő horonnyal ellátott sín takarja, és egyúttal az elektródát a meg-felelő helyen elmozdulásmentesen rögzíti.

A varrat egyenletes pikkelyezettségű, szabályos keresztmetszetű, de beolvadási mély-sége a nagyon kedvezőtlen elektródaszög miatt minimális.

DC

Befektetettelektróda

Fedõsín

Alapanyag Hegfürdõ Hegvarrat

Ív

9.9. ábra. A befektetett elektródás ívhegesztés vázlata

Az eljárást az osztrák ELIN gyár alkalmazottja, Hafergut dolgozta ki, ezért Elin -Hafergut eljárás néven is ismert. Az eljárás mai alkalmazása a nagyon rossz hozzáfé-résű, szilárdságilag mérsékelten igénybevett, hosszú, egyenes varratok vályúhelyzetűhegesztésére terjed ki. Speciális elektródát igényel, amelynek átmérője 5, 6 vagy 8 mm,hosszúsága 1 m.

9.8.2. Gravitációs ívhegesztésA befektetett elektródás ívhegesztés kedvezőtlen elektróda hajlásszögét az 1940-es

években a skandináv államokban kifejlesztett gravitációs hegesztés (Gravity Welding,kódszáma 112) küszöböli ki, mivel ennél a változatnál az elektróda dőlésszöge tág ha-tárok között változtatható.


Az eljáráshoz egy olcsó készülék szükséges, ennek központi eleme egy tetszőlegestérbeli helyzetbe beállítható vezetékoszlop, amelyiken az elektróda csupasz végét rög-zítő csúszka saját súlyánál fogva (a névadó gravitációs erő hatására) az elektróda leolva-dásának ütemében lefelé csúszik (9.10. ábra). Az elektróda másik vége a leendő varrat-vonalon támaszkodik fel. A hegesztést az elektródavég kúpos olvadása teszi lehetővé,mivel az elektróda a nemvezető bevonaton támaszkodik az alapanyagra (kontakt hegesz-tés).

1

3

2B

C

A

Elektróda

VarratÁllvány

Csúszka

9.10. ábra. A gravitációs ívhegesztés vázlata

A gravitációs ívhegesztés minden elektródával működik, amellyel kézi hegesztést le-het végezni. Az eljárásban rejlő előnyöket azonban csak speciális bevonatú, a kézi he-gesztésre szánt elektródáktól hosszabb elektródákkal lehet kiaknázni. Egy kezelő spe-ciális hegesztési képzettség nélkül öt-hat készüléket tud párhuzamosan működtetni, ígya leolvasztási teljesítmény növelése mellett a hegesztési költségek jelentősen csökken-nek. Az eljárást elsősorban japán hajógyárakban alkalmazták vízszintes helyzetű, állósarokvarratok hegesztésére. Fénykorát az 1960-as években érte el, utána a gyorsan fej-lődő fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztés kiszorította.

A gravitációs eljárással csak PA vagy PB poziciójú (vízszintes helyzetű) varratkészíthető. Kényszerhelyzetű hegesztésre rúgóerős előtolással működő készülékalkalmazható.

A gravitációs hegesztés elektródák összehasonlító és minősítő vizsgálatára kiválóanalkalmas, mivel hegesztőtől függetlenül mindig reprodukálhatóan egyforma leolvasztásifolyamatot tesz lehetővé.

9.9. Baleseti veszélyforrásokA BKI legfontosabb baleseti forrásai nem nagyon különböznek a többi ívhegesztésé-

től, de természetesen vannak csak erre az eljárásra jellemző kockázati tényezők is. Alegfontosabb veszélyforrásokat a következőkben foglaljuk össze.

1. Villamos áramütés. Különösen zárt fémtérben van szükség az üresjárási feszültségkorlátozására és hibátlan szigetelésű eszközök használatára.


2. Mérgező gázok és gőzök. Az egészségre ártalmas fémgőzök a következők: Ag,Ar, Ba, Be, Cd, Cr, Co, Cu, Hg,, Mn, Ni, Pb, Se, St, V. Megengedettkoncentráció: 1 mg/m3 levegő. A bázikus elektródák fluorvegyületei különösenveszélyesek, a belégzéses károsításon kívül szem és bőrkárosodást is okozhatnak.Hasonlóan veszélyes az alapanyagok gyakori korrózióvédő bevonatféme, a Zn is,ami az ún. fémlázat okozza.A mérgező gázok és gőzök okozta károsodások megelőzése érdekében megfelelőelszívásról és szellőztetésről, egyes esetekben frisslevegős légzőkészülékről kellgondoskodni.

3. A szem és a bőr sérülései. Megfelelő védőöltözékben és védőfelszereléssel kellhegeszteni.

Balogh A.: Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés 11 / 1

11. VÉDŐGÁZAS, FOGYÓELEKTRÓDÁSÍVHEGESZTÉS

A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés, rövidítve VFI (angol nevén Gas MetalArc Welding, GMAW) a hegesztőeljárások eddig megismert, és elsősorban salakvéde-lemmel operáló csoportjától eltérően az ívtér és a hegfűrdő védelmét külső gázforrásbólszármazó, ismert és állandó összetételű védőgázzal oldja meg. A VFI eljárásnál a salakhiányából számos előny származik, ugyanakkor a salakmetallurgiai (ötvözési, tisztítási)lehetőségekről teljesen le kellett mondani.

Mivel a védőatmoszféra nemesgáz (inert gáz) és aktív gáz is lehet, különösen Euró-pában elterjedt a MIG/MAG jelölés is, ami a Metal Inert Gas / Metal Active Gas rövidí-tése. A korábbi hazai elnevezéseket (AFI és CO2 hegesztés) korlátozó tartalmuk miattma már elavultnak kell tekintenünk.

A tömör (nem portöltetű) huzalelektróda kiválóan tekercselhető, ezzel a műveletteljól végteleníthető. A Joule hő korlátozása érdekében az árambevezetést a huzal végéhezközel vitték (11.1. ábra).

ve

Védõgáz

DCEPHuzalelektróda Ív

ÁrambevezetõGázterelõ fúvóka

+

-

Huzaldob

Huzalelõtoló

HegfürdõAlapanyag

11.1. ábra. A VFI eljárás elvi vázlata

A VFI ideálisan gépesíthető, nagy termelékenységű és a salak hiánya miatt térbeli he-gesztésre is nagyon alkalmas eljárás. Mindent összevetve a VFI hegesztés az az eljárás,amely a BKI hegesztés egyeduralmát képes volt megingatni és a legtöbb alkalmazási te-rületen sikeresen helyettesíteni. Ma már a VFI a világ elsőszámú hegesztő eljárásánaktekinthető, az ömlesztő hegesztéseken belül ötven százalék feletti részesedéssel.

A VFI eljárás 1936 óta ismert, a legelső, He védőgázas változatát Al hegesztésre al-kalmazták. A ma ismert legjelentősebb VFI eljárásváltozatok számítógépes kódszámai akövetkezők:


♦ IVFI (MIG), tömör huzal: 131,♦ IVFI (MIG), porbeles huzal: 137,♦ AVFI (MAG), tömör huzal: 135,♦ AVFI (MAG), porbeles huzal: 136.

11.1. A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés elveA védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés azt a hőt hasznosítja, amit a folyamatosan

előtolt huzalelektróda és az alapanyag közötti villamos ív szolgáltat. Az ív célszerűenmegválasztott gáz ionizációjával hozható létre, ugyanakkor a gázt úgy kell megválasz-tani, hogy az ívtér és az olvadt alapanyag védelmét is elláthassa. Mindkét funkcióra atermészetben nagyobb koncentrációban előforduló nemesgázok (Ar és He) alkalmasakleginkább, de hegesztési előnyök és gazdaságossági okok miatt az egyféle ma ismert ak-tív monogáz (CO2) és a nemesgáz(ok) és aktív gáz(ok) keveréke is gyorsan népszerűvévált. A CO2 védőgáz a bázikus elektródák karbonátjaiból fejlődő gáz ismeretében kerülta fejlesztők látókörébe.

Semleges védelem mellett a huzalelektróda összetétele az alapanyagéval közel meg-egyezik, de metallurgiailag aktív (oxidáló) védőgázokhoz az alapanyagtól kissé eltérő(többnyire ötvözöttebb) hozaganyagra van szükség.

A huzalelektróda 11.1. ábra szerinti fordított polaritású (DCEP) kapcsolása általá-nosnak tekinthető, mivel stabilabb ívet, jobb anyagátvitelt, kisebb fröcskölési vesztesé-get és kedvezőbb varratbeolvadási alakot garantál. Az egyenes (DCEN) kapcsolás mel-lett csak a nagyobb leolvasztási teljesítmény szól, ami azonban a sekély beolvadás és anagy varratdudor miatt nem igazán előnyös.

A VFI hegesztés kiválóan gépesíthető és jól automatizálható, ezzel magyarázható,hogy ma mindhárom (kézi, gépesített és automatizált) változata egyaránt elterjedt.

11.2. Az eljárás előnyei és korlátaiA VFI eljárás előnyös tulajdonságait a legfőbb rivális, a BKI eljárással való összeha-

sonlítás eredményeként a következőkben összegezhetjük.

♦ nagy leolvasztási teljesítmény,♦ mélyebb beolvadás, kedvezőbb varratalak,♦ kevesebb hozaganyagveszteség (végmaradák és fröcskölés; 2…8 % a BKI 30…40

%-ával szemben)♦ folyamatos hegesztés, (az ívidő (40…50 %) közel duplája a BKI-vel elérhetőnek

(25…30 %),♦ a salakeltávolítási művelet elmaradása,♦ kevesebb gőz és füst, kisebb egészségi ártalom és elszívási kényszer,♦ jól gépesíthető és automatizálható,♦ könnyebben elsajátítható és végrehajtható kézi hegesztési technika, mint bevona-

tos elektródával (ívgyújtás, láthatóság, salakkezelés),♦ a sok ismert alváltozat az eljárásnak nagy rugalmasságot kölcsönöz,♦ széles védőgáz és hozaganyag választék,♦ nagy megbízhatóság, kiváló varratminőség, alacsony hidrogéntartalom,♦ minden hegesztési pozicióban használható.


A sokféle előnyös tulajdonság mellett az eljárás alkalmazásakor néhány korláttal kellszámolni.

♦ kissé összetettebb és drágább gépi berendezés, korlátozottabb hordozhatóság,♦ kissé korlátozottabb hozzáférés,♦ vékony és lágy huzalok előtolása problematikus,♦ szél- és huzatérzékenység.

A kétségkívül meglevő objektív hátrányokat az elmúlt évek fejlesztő munkájávalnagy mértékben sikerült csökkenteni.

11.3. A VFI eljárás alkalmazási területeiKezdetben a VFI eljárást He védőgázzal alumíniumötvözetek hegesztésére használ-

ták (HeFI), ma már azonban az acélok elsőszámú hegesztőeljárásának tekintjük, ahol aBKI hegesztéssel annak csaknem teljes alkalmazási mezején versenyképes és azt na-gyobb teljesítménye révén sok területen helyettesíteni hivatott.

A VFI eljárás a védelem célszerű megválasztásával a legtöbb acélhoz és szinte min-den hegeszthető nemvasfém hegesztésére alkalmas eljárás. Az ötvözetlen és ötvözöttszerkezeti acélok, a melegszilárd és hidegálló acélok, az erősen ötvözött különlegesacélok és a jobb minőségű öntöttvasak egyaránt hegeszthetők. A nikkel-, a réz- és alu-míniumötvözetek hegesztése megfelelő huzalelektróda segítségével problémamentesenmegoldható, de az ilyen célú felhasználáson vékonylemezek esetében az SWI eljárások-kal kell osztozni, vastagabb szelvények esetében azonban ma már a VFI a leggazdaságo-sabb megoldás.

A VFI a kötőhegesztések mellett a felrakóhegesztésekhez és a javítóhegesztésekhezis használható, ezen a területen részesedése folyamatosan növekszik és a portöltetű hu-zalelektródák megjelenésével a BKI versenytársává vált, különösen a nagytömegű, il-letve a nagysorozatú felrakásoknál. Kézi és gépesített változata igen alkalmas csőtávve-zetékek helyszíni varratainak készítésére is.

Falvastagság, hegesztési hely és hegesztési helyzet tekintetében az eljárás előtt nin-csenek jelentős korlátok. Az 1 mm körüli lemezvastagságokhoz (gépjármű karosszé-riamunkák) a vékonyhuzalos és az impulzusíves eljárásváltozat, a vastaglemezekhez aforgóíves és keskenyréshegesztés ajánlott. Az igazi alkalmazási terület azonban a köze-pes vastagságtartomány, mindemellett az utóbbi időkben a forgóíves és a sok He-ot tar-talmazó gázkeverékekkel a fedettívű hegesztéstől is sikerült területeket elhódítania.

Az eljárás szabad téren is alkalmazható, ilyenkor a szél ellen hatékony árnyékolás (pl.sátor) szükséges.

Megfelelő anyagátviteli móddal a VFI eljárással tetszőleges térbeli helyzetben lehethegeszteni. Azt azonban ilyenkor sem szabad szem elől téveszteni, hogy térbeli helyze-tekben a hegesztés minősége és termelékenysége egyaránt csökken.

11.4. Az eljárás gépi berendezéseA VFI hegesztő berendezése általános esetben a következő fő egységekből áll (11.2.

ábra):

♦ áramforrás a munkakábellel,


♦ huzalelőtoló,♦ hegesztő pisztoly a kábel- és tömlőköteggel,♦ védőgázellátó egység,♦ vezérlő egység,♦ hűtőegység (opcionális),♦ programozó és programtároló egység (opcionális),♦ mozgatókészülék (opcionális, csak gépesített hegesztéshez).

Hûtõegység

Vezérlõ egységProgramozó ésprogramtároló

egység

Huzalellátóegység

Gázellátóegység

Áramforrás

Pisztoly Kábel- és tömlõköteg

11.2. ábra. A VFI berendezésének blokkdiagramja

11.4.1. Áramforrás és a belső szabályozásÁramforrásként az egykor igen népszerű generátorokat ma már egyáltalán nem

gyártják. A nagy teljesítményigényű, folyamatos munkához egyenirányítókat, a vékony-lemezes alkalmazásokhoz invertereket alkalmaznak.

Az áramforrások 50…150 A-es (kisgépek), 150-500 A-es (középgépek), 500…750 A-es (nagyteljesítményű gépek) áramerősség-tartományban kaphatók. Az áramszük-séglet az áramsűrűségek (100…300 A/mm2, (ha a forgóíves alkalmazásoktól eltekin-tünk) és a huzalkeresztmetszet alapján könnyen megbecsülhető.

Az áramforrások bekapcsolási ideje közel duplája (60 %) legyen a BKIhegesztőgépekének, de gépesített hegesztéshez az áramforrásokat 100 %-os bekapcsolá-si időre kell választani. Folyamatos munkához a vízhűtésű áramforrások nélkülözhetet-lenek.

A VFI berendezések statikus karakterisztikája közel vízszintes, más néven feszültség-tartó (11.3. ábra). Az ilyen karakterisztika emelkedő ívjelleggörbével együtt belső sza-bályozásra alkalmas feltételeket biztosít.

A hegesztés csak az ívjelleggörbe és az áramforrás jelleggörbe metszéspontjában, azún. munkapontban lehetséges. A két lehetséges metszéspont közül csak az tekinthetőstabilnak, amelyben a hegesztőgép bármilyen zavarásra úgy reagál, hogy a zavaró hatáskövetkezménye gyengüljön (negatív visszacsatolás). Matematikai formában:


∂∂

∂∂

UI

U

Iív

ív M

áf

áf M

> . (11.1.)

A (11.1.) összefüggés más szóval azt jelenti, hogy a stabil munkapontban azívjelleggörbe érintője meredekebb, mint az áramforrásé. A 11.3. ábrán látható két ka-rakterisztika metszéspont közül az adott feltétel csak az M pontban teljesül, ezért ez astabil munkapont. A munkapont két koordinátája (az Uív ívfeszültség és az Ih hegesztőáram) a hegesztés két fontos, a hőáramot meghatározó változója.

I, A

UV

Ih

MÍv

Uív

U0

0

Áramforrás

11.3. ábra. A VFI hegesztés stabil munkapontja

A belső szabályozás a nagy áramsűrűségű, feszültségtartó áramforrásokkal végzetthegesztések fontos önszabályozó folyamata, ami bonyolult és költséges elektronika nél-kül is megbízható negatív visszacsatolást tesz lehetővé. A belső szabályozás megértésé-hez 11.4. ábra ad szemléltető magyarázatot.

I, A

UV

l0 = const.l1 > l0

l2 < l0

I0I1 I2

M0M1

M2

Áramforrás

Ív

11.4. ábra. A belső szabályozás magyarázata

A belső szabályozás állandó sebességű huzalelőtolással működik, vagyis:

ve const==== . (11.2.)


Mivel állandósult állapotban a huzalelőtolás ve és a huzalleolvadás vle sebességeegyensúlyban van, fenn kell állnia a következő egyenlőségnek.

v ve le==== . (11.3.)

A huzal leolvadási sebessége általános értelemben a hőáram függvénye, ezen belülazonban a feszzültségtartó VFI áramforrásoknál (közel konstans feszültség esetén) amunkaponti áramerősség lesz a meghatározó.

v v Ie e h==== ( ). (11.4.)

A 11.4. ábra illusztrálja, hogy nagyobb ívhosszhoz kisebb munkaponti áram tartozik,tehát amikor az ívhossz váletlen megnövekedése következik be, az áramerősség csökke-nésével lassul a leolvadás, ezzel az ívhossz csökken, vagyis az eredeti állapot áll vissza.Az ívhossz véletlen csökkenésekor ellenkező folyamat játszódik le: megnő a munka-ponti áramerősség, gyorsul az elektródavég leolvadása, emiatt az ívhossz megnő és azeredeti stabil állapot visszaáll.

A kisgépeket zárlatos technikára, a középgépeket nagycseppes vagy finomcseppesanyagátvitelre optimalizált, egyébként változtatható induktivitással tervezik, ami nagy-mértékben megszabja az áramforrás dinamikus viselkedését. (A dinamikus viselkedésfőleg az áramváltozási jellemzőkkel [tranziensekkel] van összefüggésben). A jó dinami-kus jellemzőkkel rendelkező áramforrással könnyebb az ívgyújtás, váltakozóáramú he-gesztésnél az ív-újragyújtás, emellett az ív kedvezőbben reagál a hegesztés közben be-következő zavaró jelekre.

11.4.2. Huzaltovábbító berendezésA huzalokat a kereskedelemben kapható, szabványosított méretű dobról, drótkosárról

vagy belső lefejtésű tárolóhordóból kiindulva kell eljuttatni a hegesztőpisztolyba.

A relatíve és gyakran abszolút értelemben is vékony huzalokkal operáló VFI hegesz-tés egyik elsőrendű gépészeti problémája a huzaltovábbítás megoldása. Kézi hegesztés-nél a kényelmes munkavégzés a pisztoly és a huzaltovábbító mechanizmus között leg-alább 2,5…3 m hosszú kábelt igényel (11.2. ábra). Bár gépesített hegesztésnél a prob-léma mérsékeltebb, de a huzaltovábbításnál mindenképpen meg kell oldani a karcsú,sokszor lágy huzalok változtathatóan egyenletes sebességű, akadásmentes eljuttatását apisztolyba.

A huzaltovábbító mechanizmusok típusaiA nyomott huzalok kihajlási problémája a húzó (pull) rendszerű továbbítók alkalma-

zásának elsőbbségét indokolná, de ilyen esetben a húzó mechanizmust, sőt esetenként ahuzaltároló dobot is a pisztolyra kell szerelni, ami csak gépi hegesztésnél elképzelhető,másrészt a méretcsökkentést szolgáló kis átmérőjű előtológörgőket igen nagy fordulat-számmal (pl. levegőmotorral) kell hajtani.

Ezzel szemben a toló (push) rendszerű huzaltovábbítók a pisztolytól kényelmes tá-volságban helyezhetők el, terjedelmesek is lehetnek és a görgőhajtás egyenáramú vil-lanymotorral könnyen megoldható. A huzalkihajlás ellen flexibilis vezetőcsövet alkal-maznak, amibe a súrlódóerő csökkentése érdekében (ma már minden esetben) műanyag-csövet húznak be. A tolt huzal így nem tud kihajlani, de a csomóképződés elkerülésére agörgőknél és a pisztolybemenetnél is megfelelő megtámasztást garantáló átmeneteketkell beépíteni.


A toló-húzó (push-pull) huzaltovábbítók az előbbi két rendszer kombinációjaként akényes esetekben (vékony, lágy huzal) is jól működnek, de a húzó rendszerű előtolókproblémáit magukon viselik és emellett igen drágák.

Igen perspektivikusnak látszik az a bolgár szabadalom, amely a huzaltovábbításra ki-térő tengelyű, speciális kialakítású görgőket és bolygóműves hajtást alkalmaz. A boly-góműves huzalelőtoló finoman szabályozható, és a huzalt alig deformálja. Ma még nemtekinthető kiforrott, széles körben elterjedt megoldásnak.

Áramtartó áramforrásokhoz változó sebességű előtolókat fejlesztettek ki (külső sza-bályozás). A negatív visszacsatoláshoz szükséges szabályozó jelként az ívfeszültségszolgál. Az ívhossz véletlen megnövelésekor megnő az ívfeszültség, ami ahuzalelőtolási sebesség megnövekedéséhez vezet és így az eredeti állapot helyreáll. Akülső szabályozás költségesebb és lomhább, mint a belső szabályozás, ezért kevéssé el-terjedt.

ElőtolóerőA huzalelőtoló berendezések legfontosabb alkatrésze a 20…50 mm átmérőjű hajtott

görgőpár, ami a huzalt a görgőpalást és a huzalfelület közötti súrlódóerővel továbbítja.A hegesztéskor többféle irányban hajtogatott vezetőcsőben és a pisztoly árambevezető-jében való súrlódás legyőzésére megfelelő nagyságú előtolóerőt kell elérni. Azelőtolóerő nagyságának beállítása a súrlódóerő ismert képletéből következik:

F n Fs n==== ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅µ , (11.5.)

ahol: n db : a hajtott görgőpárok száma,Fs N : súrlódóerő,µ : súrlódási tényező (száraz csúszósúrlódás),Fn N : normális irányú erő.

A súrlódóerő növelésének egyik módja a µ súrlódási tényező megnövelése a görgő-felület érdesítésével (recézésével). Az egyszerűnek látszó megoldás hibája, hogy a azérdes görgő a puha huzalt (pl. Al ötvözetek), vagy a kemény huzalok rézbevonatát (pl.szerkezeti acélok) bevagdalja és az ilyen sérült huzalfelület nehezen csúszik át az áram-bevezető kontaktuson.

Az Fn normális irányú erő növelése másfelől a görgőpárt összeszorító rúgóerő növe-lésével lehetséges. A nagy rúgóerő a huzalok ellapításával azonban ugyanazt a problé-mát idézi elő, mint a görgőfelület érdesítése. Ez a nehézség a porbeles huzalelektródák-nál fokozottan jelentkezik. A normálerő növelésének van egy kedvezőbb lehetősége is,mégpedig a huzalelektróda horonyban való vezetése , ami az ék erőnövelő hatásávalmagyarázható (11.5. ábra).

Az előtolóerő fokozásának legkíméletesebb, mindazonáltal a legköltségesebb módjaa hajtott görgőpárok számának (n) növelése. Ma egy görgőpárt csak a vastag, tömöracélhuzalok lassú (v 10 m / min)e <<<< előtolásához használnak, a tömör huzalok normálsebességű (10 < v m / min)e <<<< 25 előtolásához két görgőpárra van szükség, míg a tö-mör huzalok nagysebességű (v m / min)e >>>> 25 előtolásához, vagy a porbeles huzalokfinomabb, kíméletesebb előtolásához három görgőpárt építenek a huzalelőtolókba.


de+0,03

de

30o

Ajánlott horonykialakítás

11.5. ábra. A huzalelőtoló görgők ékhornyos kialakítása

11.4.3. Hegesztőpisztoly a kábel- és tömlőköteggelA hegesztőpisztoly a hegesztés szerszáma, amit a hegesztő vezet, vagy mechanizmusmozgat. A pisztolynak a hegesztő művelet elvégezhetőségét, könnyű kezelhetőséget, avarratvonalhoz való jó hozzáférést és hatékony balesetelleni védelmet kell biztosítania.A legfontosabb pisztolyfunkciók a következők:

♦ huzalvezetés,♦ árambevezetés a huzalba,♦ védőgáz vezetése,♦ ki-be kapcsolás lehetővé tétele,♦ hűtővíz vezetése (opcionális),♦ távszabályozás (opcionális).

A pisztolykonstrukciók a felhasználási célhoz alkalmazkodnak. Kézi hegesztéshezgörbenyakú, gépi hegesztéshez egyenestörzsű pisztolyt fejlesztettek ki. A hegesztő robo-tokat mindig görbenyakú pisztollyal látják el, mivel ez jó hozzáférést tesz lehetővé.

A pisztolyok max. 750 A áramerősségre készülnek. A bekapcsolási időtől függően200…250 A-ig gázhűtéssel, efölött vízhűtéssel működnek. A gázhűtésnél a védőgázhűtőhatását mindig figyelembe kell venni: a rossz hővezető Ar védőgázhoz csak 300…350 A-es, a sokkal jobb hővezetőképességű CO2 gázhoz max. 600 A-es pisztolyokat isgyártanak. A kereskedelemben levegőhűtésű pisztolyok is kaphatók.

Egy tipikusnak tekinthető kézi hegesztő pisztoly vázlatát a 11.6. ábrán mutatjuk be. Azábrából láthatóan egy átlagos VFI pisztoly a következő fő részekből áll:

♦ pisztolytest a markolattal,♦ gázfúvóka,♦ árambevezető hüvely,♦ főkapcsoló,♦ kábel- és tömlőköteg csatlakozás.


Gázfúvóka

Markolat

Fõkapcsoló

Kábel- éstömlõköteg

Elektródahuzal

Árambevezetõ hüvely

Pisztolynyak

11.6. ábra. Kézi hegesztőpisztoly fő részei

A gázfúvóka feladata ugyanaz, mint amit az SWI hegesztéseknél megismertünk. Afúvóka alakja és mérete azonban eltér az SWI eljárásnál használtaktól, mivel jóval na-gyobb hőhatásnak van kitéve, és időegység alatt több védőgáz folyik át rajta. Rend-szerint átmérője is nagyobb, hengeres kialakítású és jó hővezető, palástján bevonatoltfémből készül.

A kettősvédelmű pisztoly (11.7. ábra) két darab koncentrikus, vízzel hűtött fúvókáttartalmaz: a belsőn az ionozációs célnak megfelelő nemesgázt, legtöbbször argont, akülsőn olcsó CO2 védőgázt áramoltatnak.

Ívgeneráló gáz (Ar)

Védõgáz (CO2)

Huzalelektróda

Árambevezetõ hüvely

Belsõ fúvóka

Külsõ fúvóka

11.7. ábra. Kettősvédelmű pisztoly fúvókái

A pisztolyon elhelyezett billenőkapcsoló (trigger) a hegesztés megindítására és meg-állítására szolgál. A hegesztőgépen található választókapcsoló állásától függően a kap-csoló két- vagy négyütemű üzemmódba állítható. A kétütemű üzemmódban a kapcsolótvégig nyomott állapotban kell tartani, míg négyütemű üzemmódban hegesztés közben ellehet engedni.

A pisztoly és a hegesztőberendezés kapcsolatát az SWI hegesztéshez hasonlóan ká-bel-és tömlőköteg biztosítja. A tolt huzaloknál a kábelköteg hossza limitált, ezért szoká-


sos, hogy a huzalelőtoló egységet elválasztják az áramforrástól és hordozhatóra képezikki. Húzó, vagy toló-húzó rendszereknél a kábelköteg hossza 5…10 méter is lehet.

11.4.4. Gázellátó berendezésA VFI eljárás külső gázvédelemmel működik, ezért a gázellátást minden esetben biz-

tosítani kell. A gázok szállítása és tárolása palackban, palackkötegben vagy cseppfolyóstartályokban történik. A gázkeverékek palackozottan megvásárolhatók vagy helyi keve-réssel állíthatók elő.

A védőgázellátó rendszer gáztároló edényből, nyomáscsökkentőből, átfolyásmérőbőlés gáztömlőből áll.

A hegesztőüzemben kiépített vezetékrendszert gáztartályokból párologtatón keresztülvagy palackkötegről táplálják.

A fajlagosan többszörös gázköltségű palackok 40…50 literesek, szobahőmérsékletitöltőnyomásuk 150…200 bar. Kis gázfogyasztás vagy hordozhatósági követelményesetén használják.

A nyomáscsökkentő (regulátor) tetszőleges palacknyomás esetén konstans tápnyo-mást biztosít. A tápnyomás a regulátorra jellemző tartományon belül változtatható. Min-den gázhoz saját regulátort forgalmaznak.

Az átfolyásmérők a védőgáz térfogatáramának beállítására és mérésére szolgálnak.Európában l/min, az USA-ban köbláb/óra (cubic feet per hour, CFH) egységre kalibrál-tak. Az átfolyásmérők a gáz fizikai jellemzői által befolyásolt erőegyensúly alapjánmérnek, ezért egy átfolyásmérő csak egyféle gázra használható.

A gázok ki-és bekapcsolására mágnesszelepek szolgálnak. A védőgáz műanyag-,vagy gumitömlőkön jut a nyomáscsökkentőből, illetve átfolyásmérőből a a rendeltetésihelyére, a pisztolyfúvókába.

Az időegység alatt elfogyasztott védőgáz a gáz fajtájától (sűrűségétől) és a pisztolynagyságától függ. Közepes értéke He mentes nemes- és aktív gázkeverékeknél 10…20 l/min. A levegőnél jóval könnyebb He-ból az Ar-hoz viszonyítva két-háromszorosmennyiség szükséges.

11.4.5. HűtőrendszerA folyamatosan nagy áramerősséggel üzemelő hegesztőpisztolyok túlmelegedését 1

…2 l/min vízárammal lehet elhárítani. A lágyított vízzel üzemelő zártrendszerű hűtőkör50…100 l-es víztartályból, szivattyúból, szűrőből, átfolyásmérőből és csővezetékekbőláll. A vízellátás felügyeletét mágnesszelep (vízőr) biztosítja. A hűtőrendszer normálisműködését rendszeres karbantartással kell elősegíteni.

A hűtővíz korroziv hatását inhibitálással, a vízkőlerakódásokat lágyított vagy ioncse-rélt víz használatával lehet kiküszöbölni. A hűtőrendszert közvetlen csapvízzel nem cél-szerű táplálni. Téli körülmények között, 0 °C alatti hőmérsékletek előfordulása esetén avizet hűtőfolyadékra kell kicserélni.


11.4.6. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszerA mai korszerű VFI berendezést összetett elektronikus rendszer szolgálja ki. A rend-

szerhez tartoznak a kapcsolók, a távszabályzók, a választókapcsolók, a beállító gombok,a különféle kijelzők, figyelemfelhívó eszközök és a gáz-, illetve a vízfelügyelet.

A hegesztés indításakor a gáztömlőben levegővel keveredett védőgáz található, ezérta hegesztést a gázáramlás beindítása után csak egy meghatározott idő után szabad elkez-deni. A hegesztőgépek nagy résznél ezt a késleltetést a hegesztőnek kell megtennie, mi-vel a vezérlő automatika erre a funkcióra nincs programozva. A gázvédelem a hegesztő-áram kikapcsolása után azonnal megszűnik és a hegfürdő védelem nélkül dermed meg.Ezen a problémán különböző hegesztői fogásokkal lehet úrrá lenni.

A legmodernebb gépeket programozó és programtároló egység egészíti ki. Egy he-gesztési programot 2 164 = változóval a legtöbb esetben le lehet írni. A programokbólkülönböző mennyiség tárolására van lehetőség: 10…12 programmal a gyakorta előfor-duló feladatok már megoldhatók.

11.5. A VFI eljárás hegesztőanyagaiA VFI eljáráshoz két, egymástól nem független hegesztőanyag használatára van szük-

ség: a huzalelektródára és a védőgázra. A hegesztett kötés minősége szempontjábólmindkét hegesztőanyag azonos fontossággal bír, ezért közöttük fontossági sorrendet ér-telmetlen felállítani.

11.5.1. HuzalelektródaA VFI eljárás huzalelektródáinak a választott védőgázzal kombinációban a következő

követelményeket kell kielégítenie:

♦ hegeszthetőségi kritériumok,♦ elvárt mechanikai jellemzők,♦ megkívánt hegesztési tulajdonságok.

A gyakran alkalmazott ipari fémekhez és ötvözetekhez a huzalelektródák széles vá-lasztékát gyártják. A különféle acélok, alumínium-, nikkel és rézötvözetek a legfonto-sabb felhasználási területhez tartoznak.

A külső védelmű huzalokat tömör kivitelben gyártják, de Fe és Ni ötvözetekhez por-beles huzalok is kaphatók.

11.5.1.1. AcélokA sokféle acélminőség közül az első anyagcsoportba (W1) tartozó ötvözetlen és

gyengénötvözött finomszemcsés acélok és a korrózióálló acélok (W09) érdemelnekmegkülönböztetett figyelmet.

Ötvözetlen és gyengén ötvözött finomszemcsés acélok huzalelektródái

Az ebbe a kategóriába tartozó acélokat max. 500 MPa folyáshatár jellemzi. A tömörhuzalelektródák jelölését és a velük szemben támasztott követelményeket az MSZ EN440 ,a porbeleseket az MSZ EN 758 tartalmazza.


A nemesgázvédelmű huzalelektródák, amennyiben ennek hegeszthetőségi szem-pontok nem mondanak ellent, az alapanyaghoz nagyon hasonló összetételben készülnek.

Aktív atmoszférában a hegfürdő oxigéntartalma növekszik, ezért a huzaloknak meg-felelő mennyiségű dezoxidáló komponenst kell tartalmazni. A legkevesebbötvözőtartalom, amivel a dezoxidálás megfelelően megoldható, 1,0…1,1% Mn és 0,50…0,55% Si. A védőgáz oxidációs potenciáljának növekedésekor, vagy enyhén oxidosfelület hegesztésekor 1,5…1,7% Mn és 0,75…0,90% Si ötvözésre van szükség. Széndi-oxid vagy szuperaktív (CO2-O2) védőgázhoz, vagy a kiégési veszteségeket megnövelőnagy áramerősségű hegesztéshez 1,8 …2,0% Mn és 0,80…1,0% Si tartalmú huzaltgyártanak. Mivel a Mn és a Si további növelése hegeszthetőségi okokból és főleg a szí-vósság csökkenése miatt nem kívánatos, ezért előtérbe kerül a szemcsefinomító hatássalis rendelkező mikroötvözők Al, Ti és Zr adagolása, amelyek egyszersmind kiválódezoxidensek is.

A mechanikai tulajdonságok javítására Ni és/vagy Mo, a légköri korróziós ellenállásjavítására Cr, Ni és Cu ötvözés szokásos.

A VFI hegesztéssel alacsony hidrogéntartalmú (low hydrogen, LH) varratok iskészíthetők. Ennek lényeges feltétele, hogy a huzalok felülete tökéletesen száraz ésfémtiszta legyen.

Korrózióálló acélok huzalelektródái

A sokféle korrózióálló alcsoporthoz számos huzalelektródát gyártanak, amelyek ké-miai összetétele a vegyi ellenállás megőrzése miatt csak kis mértékben térhet el az alap-anyagétól.

Az austenites csoport tipikus huzalja növelt (0,65…1,00%) Si tartalommal készül,amely a melegrepedés elhárításához szükséges néhány % deltaferritet tartalmazó varra-tot eredményez.

A huzalok karbidképző ötvözője Nb, még akkor is, ha az alapanyag nem Nb-mal, ha-nem Ti-nal stabilizált.

A külső gázvédelmű porbeles huzalelektródákat kis (1,2 mm) átmérővel austenitesszalagból nemesgáz vagy enyhén oxidáló Ar bázisú gázkeverékekhez gyártják. A vasta-gabb huzalok olcsóbb kivitelben lágyacél szalagból porötvözött kivitelben készülnek.

11.5.1.2. NemvasfémekNikkel

A nikkelhuzalok a választott anyagátviteli módnak megfelelően 0,8, 1,2 és 1,6 mm-esátmérővel készülnek. Kémiai összetételüket tekintve a tiszta nikkel, Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Cu és Ni-Cr-Mo ötvözeteket gyártják a legnagyobb tömegben.

Réz

A 3 mm-nél vastagabb rézötvözetek gazdaságosan VFI eljárással hegeszthetők, ezérta kereskedelemben sokféle rézhuzal kapható. A legfontosabb huzalelektródák a követ-kező alcsoportokhoz készülnek:

♦ dezoxidált rezek,♦ sárgarezek (5…40 % Zn tartalommal),


♦ ónbronzok,♦ alumíniumbronzok,♦ nikkelbronzok,♦ szilíciumbronzok.

Alumínium

Az alumíniumhuzalok előtolási problémái miatt a huzalokat félkemény vagy keményfokozatra húzzák, mivel a lágy huzalok csak húzó rendszerű huzaltovábbítóhoz alkalma-sak.

Huzalelektróda minden hegeszthető Al ötvözethez kapható, függetlenül attól, hogy azalapanyag az alakítható vagy a kiválással keményedő csoporthoz tartozik.

A legfontosabb huzalelektróda ötvözetcsoportok a következők:

♦ nagytisztaságú Al,♦ Al-Mg,♦ Al-Mn,♦ Al-Si,♦ Al-Si-Mg,♦ Al-Si-Cu,♦ Al-Mg-Zn.

11.5.2. VédőgázokA védőgázok a VFI hegesztés minőséget és gazdaságosságot befolyásoló fontos he-

gesztőanyagai. A védőgáz az elsődleges védelmi funkción kívül befolyással van az ív-stabilitásra, az ívhőmérsékletre, a hőmérséklet íven belüli eloszlására, az anyagátme-netre, a varrat beolvadási alakjára és méreteire, a felülettisztítás hatásosságára, a varrat-ban zajló metallurgiai folyamatokra, a varrathibákra, a varrat mechanikai jellemzőire ésközvetve a hegesztési paraméterekre, a hegesztés teljesítményadataira és a varrat fajla-gos költségeire.

A védőgázok sűrűsége a védelem hatékonysága szempontjából érdekes. Vályúhely-zetben a levegőnél nehezebb gázok, fejfeletti helyzetben a levegőnél könnyebb gázok al-kalmazása előnyös. Azonos védőhatás kifejtéséhez a könnyebb védőgázból nagyobb tér-fogatáramra van szükség: 10…15 l/min Ar védőgázárammal 20…30 l/min He tekinthetőegyenértékűnek.

A védőgázok fajhője a hőtranszport és a hőközlés hatásfokának szempontjából lé-nyeges. A nagyobb fajhőjű gázok felmelegítésére az ívenergia nagyobb része fordítódik,mint alacsonyabb fajhő esetében. Az ívből elvont energia egy részét a védőgáz az ala-csonyabb hőmérsékletű helyeken leadja, ezzel a hőmérsékletgradienst valamelyest csök-kenti.

A hővezetési tényező a védőgázok egyik legfontosabb jellemzője, amely meghatá-rozza az ív radiális hőmérsékletgradiensét, vagyis az ív koncentráltságát. A rossz hőve-zetőnek számító Ar-ban a hőmérsékletgradiens sokszorosa a nagyon jó hővezető héli-umhoz képest. A hővezetésbeli különbség végső soron a varrat beolvadási alakját befo-lyásolja: a 11.8. ábra az Ar védőgázban hegesztett varrat egyenlőtlen (ún. ujj alakú) és aHe sokkal egyenletesebb beolvadási képét mutatja.


Rossz hõvezetõ védõgáz

HéliumArgon

Jó hõvezetõ védõgáz

11.8. ábra. A védőgáz hővezetési együtthatójának hatása a varrat keresztmetszeti alak-jára

Eredetileg védőgáz minőségben csak nemesgázokat (időrendben először He-mot,majd Ar-t) és redukáló H-t használtak és csak később került sor a kémiailag aktív (oxi-dáló) CO2 és a nemesgáz - aktív gáz (Ar, He + CO2, O2) keverékek alkalmazására. Ezutóbbiaknál a következő, hegesztés közben jelentkező hatásokkal kell számolni (és halehetséges), megelőzni, vagy kompenzálni:

♦ a hegfürdőben oldódó vasoxidul (FeO) dezoxidálása,♦ az aktív védőgázban kiégő ötvözők pótlása a hozaganyagból.

11.5.2.1. A védőgázok rendszerezéseA védőgázok több szempont alapján rendszerezhetők. A legfontosabb osztályozási

szempontok és osztályok a következők.

Komponensek száma szerint

♦ monogázok,♦ kétkomponensű gázkeverékek,♦ háromkomponensű gázkeverékek,♦ négykomponensű gázkeverékek.

Az egykomponensű, vagy monogázok egyedül képesek a szükséges védőhatás kifej-tésére. Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztést Ar, He, CO2, H2 és N2 gázban lehet vé-gezni.

Két vagy több gáz összekeverésével az előnyös tulajdonságok összegzését kívánjukelérni, anélkül, hogy a negatív hatások is összegződnének. A legfontosabb gázkeverékekAr és/vagy He nemesgázokból és az O2 és/vagy CO2 monogázokból állnak. Egyes gá-zok korlátlanul keverhetők, mások koncentrációja a keverékben korlátozott lehet. Akoncentrációkat mindig térfogatszázalékban mérjük.

A védőgáz (keverék) kémiai jellege szerint

Kémiai szempontból a védőgázok és védőgázkeverék - komponensek az alap- és ho-zaganyag bázisfémével és ötvözőivel szemben a következő viselkedésűek lehetnek:

♦ redukáló (H2),♦ semleges vagy inert (Ar, He),♦ oxidáló vagy aktív (CO2, O2),♦ nem reagáló (N2).


A védőgáztípusok európai jelölési rendszerét az MSZ EN 439 szabvány alapján ösz-szeállított 11.1. táblázat tartalmazza. Az osztályozási rendszer az aktív gázokat aktivitá-suk szerint csoportosítja, vagyis megkísérli az ötvözőkiégésre gyakorolt hatást sorrendbeállítani. Az ötvözőkiégés illetve az oxidációs potenciál azonban relatív fogalmak, csakisegy adott ötvözőre és azonos egyéb körülményekre vonatkoztathatók (vagyis az O2 aCO2-vel nem hasonlítható össze). Ebből az okból a csoportosítást csak tájékoztató sor-rendnek kell tekinteni.

A 11.1. táblázatban a redukáló védőgázokat R (reducing), a nemesgázokat I (inert),az aktív CO2 gázt vagy CO2 bázisú gázkeveréket C (carbondioxid), az aktív gázkeveré-keket M (mixed), a gyökvédőgázokat F (forming) betűvel jelölik. A legnépesebb M jelűosztályban 3 alcsoportot különítettek el: az M után következő nagyobb arab szám na-gyobb aktivitásra utal.

A védőgáz oxigén vagy széndioxid tartalma a fémfolyadék felületi feszültségét csök-kenti, ezzel az ún. nedvesítést (folyóképességet) javítja. A hegfürdő hőmérsékleténeknövelésével és a hőmérsékletgradiens megváltoztatásával a beolvadási mélység és profila nemesgázokhoz viszonyítva markánsan javul. Az oxidáló védőgázok hidrogénmeg-kötő képessége is jelentős.

Kis karbontartalmú alapanyagok (mint pl. az austenites korrózióálló acélok) eseténelőfordulhat, hogy a védőgázból a hegfürdőbe karbonredukció megy végbe, ezért ilyenesetekben CO2 helyett O2-t tartalmazó gázkeveréket kell használni.

11.5.2.2. Népszerű védőgázkeverékekA VFI eljárásnál szóbajöhető különböző védőgázok és -gázkeverékek alkalmazási le-

hetőségeiről a 11.2. táblázat ad áttekintést.

Néhány védőgázkeverék népszerűségénél fogva külön említést érdemel. Ezen védő-gázok nagyobb eladott mennyisége nem csak a kedvező felhasználási jellemzőkkel hoz-ható összefüggésbe, hanem a felhasznált alapanyag tömegszerűségéből is adódik (ötvö-zetlen, gyengén ötvözött, mikroötvözött szerkezeti acélok, W01 és W02 anyagcsoport).

A legnépszerűbb gázkeverékek:

♦ 80Ar + 20CO2, (más forgalmazónál 75Ar + 25CO2, illetve 82Ar + 18CO2),♦ 98Ar + 2O2,♦ 80Ar + 15CO2 + 5O2.

Különleges gázkeverékek:

♦ 80CO2 + 20O2,♦ 60Ar + 30He + 10CO2,♦ 65Ar + 26,5He + 8CO2 + 0,5O2.

Az utolsóként felsorolt gázkeverék négykomponensű, kereskedelmi márkaneveT.I.M.E. (Transferred Ionised Molten Energy), amely (az utolsó előtti gázkeverékhezhasonlóan) forgóíves cseppátvitel megvalósítására is alkalmas.


Jelölés Koncentrációk térfogatszázalékban

Főcsoport Alcsoport Redukáló Inert Oxidáló Nem rea-gáló

H2 Ar He CO2 O2 N2

R 1

200…15

15…35

Maradék

Maradék

I

1

2

3

100

Maradék

100

00…95

M1

1

2

3

4

00…05 Maradék

Maradék

Maradék

Maradék

00…05

00…05

00…05

00…03

00…03

M2

1

2

3

4

Maradék

Maradék

Maradék

Maradék

05…25

00…05

05…25

03…10

03…10

00…08

M3

1

2

3

Maradék

Maradék

Maradék

25…50

05…50

10…15

08…15

C 1

2

100

Maradék 00…30

F 1

2 00…50

100

Maradék

11.1. táblázat: A hegesztés védőgázainak osztályozása és egyezményes jelölése az MSZEN 439 szerint

11.6. Az anyagátvitel lehetséges módjai fogyóelektródás ívhe-gesztéskor

Az anyagátvitel többnyire cseppek formájában történik, de van olyan anyagátvitelimód is, ahol nincs cseppképződés, ezért az anyagátvitel kifejezés a cseppátvitellel nemhelyettesíthető.

A Nemzetközi Hegesztési Intézet (International Institute of Welding, IIW) nyolcanyagátviteli módot sorol fel. Ezek közül négynek van fontos gyakorlati szerepe, ezért akövetkezőkben csak ezeket tárgyaljuk. Mivel a legfontosabb ömlesztőhegesztő eljárás-


nál (VFI) mind a négy változat előfordul, ezért az anyagátviteli módok bemutatását erreaz eljárásra koncentráljuk.

Az anyagátvitel a hőtranszfer mellett a hegesztés másik igen lényeges folyamata, amia hegesztett kötés minőségére és a hegesztés gazdaságosságára jelentős hatással van.Minél jobban ismerjük az anyagátviteli folyamatot, annál jobban kézben tartható a he-gesztési művelet lefolyása és a létrehozott kötés minősége.

Az ívhegesztés anyagátmenetét optikai projektorral vagy nagysebességű filmfelvéte-lekkel lehet tanulmányozni. Az anyagátmenet egyes típusaira az áram és feszültségoszcillogramjából, sőt kellő gyakorlattal az ív hangjából és a varrat külső megjelenésé-ből is lehet következtetni.

Gáz vagy gázkeverék Tipikus keverékek Elsődleges felhasználási terület

Argon Nemvasfémek

Hélium Al, Mg és Cu ötvözetek

Széndioxid Ötvözetlen és gyengén ötvözöttacélok

Argon-hélium 20…50Ar + 50…80He Al, Mg, Cu és Ni ötvözetek

Argon-oxigén 98…99Ar + 1…2O2

95…97Ar + 3…5O2

Korrózióálló acélok

Ötvözetlen és gyengén ötvözöttacélok

Argon-széndioxid 50…80Ar + 20…50CO2 Ötvözetlen és gyengén ötvözöttacélok

Hélium-argon-széndioxid-(oxigén)

60…70He + 25…35Ar +5CO2

Ötvözetlen és gyengén ötvözöttacélok

Nitrogén Rézötvözetek

Acélok (gyökvédelem)

11.2. táblázat. A VFI jellemző védőgázai, -gázkeverékei és alkalmazási lehetőségeik

11.6.1. Rövidzárlatos anyagátvitelA kis feszültséggel, kis áramerősséggel végzett hegesztéskor az ív igen rövid, ezért a

folyamatosan előtolt huzalelektróda megolvadt vége beleütközik a hullámzó felületűhegfürdőbe és rövidzárlat keletkezik, az ív kialszik (11.9. ábra). A pinch effektust okozóelektromágneses erő, amely közelítőleg az áramerősség négyzetével arányos, a zárlatiáram hatására megnő, ami a hegfürdő olvadékának felületi feszültségével együtt segítiaz anyagleválást. A cseppképződés nélküli anyagátmenet után az ív hevesen újragyulladés a nagyon gyors áramnövekedés szinte szétrobbantja a huzalelektróda végénújraképződött folyadékot, ezért ezt az anyagátviteli módot jelentős mértékű fröcsköléskíséri.

A meglehetősen előnytelen, de a legkisebb hőbevitelt eredményező rövidzárlatosanyagátmenetet csak indokolt esetben szabad alkalmazni. Ilyen, kis hőáramot igénylőhegesztési feladatok a következők:


♦ vékonylemez (s<3 mm) hegesztés,♦ középvastag és vastaglemezek gyökhegesztése,♦ térbeli hegesztés.

a b c

11.9. ábra. A rövidzárlatos anyagátvitel folyamata

11.6.2. Nagycseppes anyagátvitelKözepes áramerősség és közepes, vagy nagy feszültség nagycseppes anyagátvitelt

eredményez (11.10. ábra). A cseppek fő jellemzője, hogy átmérőjük nagyobb, vagy jó-val nagyobb, mint a huzalelektródáé. A cseppek szabálytalan alakúak is lehetnek és röp-pályájuk nem mindig tengelyirányú (fröcskölés). A cseppképződést és a -leválást főleg agravitációs erő uralja. A dcs cseppfrekvencia alacsony, értéke 1 és 10 Hz közé tehető.

Szabályos csepp Szabálytalan csepp

φ dcs

φ de φ de

dcs

φ dcs > φ de

11.10. ábra. A nagycseppes anyagátvitel folyamata

A nagycseppes anyagátvitel az olcsó széndioxid védőgázra vagy a döntően CO2 bá-zisú gázkeverékekre jellemző, az ilyen védőgázok fontos anyagátviteli módjának tekint-hető, mivel a kedvezőbb finomcseppes átmenetek bennük nem hozhatók létre.

A nagycseppes anyagátvitel a bázikus elektródák és bázikus salakú porbeles huzal-elektródák jellemzője, bár az utóbbi időkben a gyártók a cseppméret csökkentésére töre-kednek (rutil - bázikus, vagy kettősbevonatú elektródák és rutil - bázikus porbeles hu-zalelektródák).


11.6.3. Finomcseppes anyagátvitelekAz anyagátmenet folyamatossága, a cseppek tengelyirányú mozgásának megtartása, a

fröcskölés minimalizálása a finomcseppes átmeneteknél valósul meg leginkább, ezértezeket a cseppátviteli módokat tekinthetjük az ideálist megközelítőnek, kívánatosnak ésmegvalósítandónak.

A finomcseppes anyagátmenetek közös jellemzője, hogy a huzalelektróda végén apró(d dcs e< ), vagy igen apró cseppek (d dcs e<< ) keletkeznek és a cseppfrekvencia jelen-tős nagyságú ( f Hzcs = 100 1000... ).

A finomcseppes anyagátvitelek több alesetét különböztethetjük meg a következőkszerint:

♦ permetszerű cseppátmenet (spray transfer),♦ folyadékcsatornás cseppátmenet (streaming transfer),♦ forgóíves cseppátmenet (rotating transfer),♦ impulzusíves, vagy tervezett cseppátmenet (projected transfer).

11.6.3.1. Permetszerű cseppátmenetEgy kritikus hőáramsűrűség elérésekor a cseppméret ugrásszerűen lecsökken, a

cseppfrekvencia sokszorosára növekszik. (11.11. ábra). Az ugrásszerű változáshoz tar-tozó hőáramsűrűséget és áramsűrűséget első kritikus értéknek nevezzük és qcr1-gyel,illetve Jcr1-gyel jelöljük.

Az első kritikus áramsűrűség szerkezeti acélok hegesztésekor 150 A/mm2 körüli.Nagysága a huzal anyagától, a huzalátmérőtől és az ívatmoszféra összetételétől(elsősorban az alkalmazott védőgáztól) függ.

A permetszerű cseppátmenet frekvenciája 100 körüli, a huzalátmérőnél alig kisebbcseppek a huzalelektróda tengelyirányában haladnak, a fröcskölés minimális. A permet-szerű cseppátmenet az Ar védőgázra, vagy nagy Ar tartalmú keverékekre (pl. a nagyonnépszerű 75…82 % Ar +25…18 % CO2 keverékre) jellemző.

11.6.3.2. Folyadékhidas cseppátmenetA védőgáz He tartalmát növelve és a hőáramsűrűséget fokozva a cseppátmenet meg-

változik: a cseppek mérete nagyon lecsökken, frekvenciája az ezer Hz közelébe növek-szik és az apró cseppek fémcsatornát alkotva párhuzamosan haladnak a hegfürdő felé. Asok apró csepp íven való áthaladása az elektródák között folyadékhíd benyomását kelti.Az ív külső képe kúpalakú, hangja halk, egyenletesen folytonos.

11.6.3.3. Forgóíves cseppátmenetA Jcr2 második kritikus áramsűrűség (qcr2 második kritikus hőáramsűrűség) eléré-

sekor, ha a szükséges egyéb feltételek (pl. védőgáz, szabad huzalhossz) is teljesülnek, azíváram mágneses tere a huzalelektróda megolvadt végét, és ezzel a rajta elhelyezkedővillamos ívet is forgó mozgásra készteti. A leváló, igen apró cseppek a hegfürdő felé ha-ladtukban (a forgó mozgás és a lefelé irányuló egyenesvonalú mozgás eredőjeként) csa-varvonalon helyezkednek el (11.12. ábra), ennek megfelelően széles sávban szóródnakszét, megnövelve a varrat szélességét. A varrat jellegzetes alakú, közepén sekélyebb,szélei felé mélyebb beolvadással.


A második kritikus áramsűrűség kb. 300 A/mm2-re tehető. Ekkora áramsűrűség csakvékony huzallal és nagyon gyors huzalelőtolással (ve>25…30 m/min), különleges hu-zalelőtoló berendezéssel és megfelelő dinamikus jellemzőkkel rendelkező áramforrássalhozható létre. A forgóívhez szükséges védőgázkeverék legalább 30 % He-ot tartalmaz(Ar-He-CO2-O2 vagy Ar-He-CO2 keverék).

Cse

pp

átv

iteli

fre

kve

nci

a,

1/s

Cse

ppátv

itel t

érf

ogatá

ram

a, m

m3 /

s

Áramerõsség, A

fcs

Vcs

100 300 400200 500 6000

300

200

100

5

10

15

20

11.11. ábra. A cseppátviteli frekvencia és a cseppátviteli térfogatáram összefüggése ahegesztőáram erősségével

11.6.3.4. Impulzusíves cseppátmenetAz 1960-as évek vége felé az elektronikai és elektrotechnikai fejlődés lehetővé tette,

hogy állandó áramerősség helyett - az egyes impulzusok között megfelelő hosszúságúszünetet tartva - áramimpulzusokkal hegesszünk. Az impulzusalak a kívánalmaknakmegfelelő téglalap-, trapéz-, vagy szinuszhullám lehet. A 11.13. ábrán az egyszerűségkedvéért téglalapalakú impulzusképet adunk meg.

11.12. ábra. A forgóíves cseppátmenet és jellegzetes hegfürdő alakja


Az impulzusáramot a következő független adatok jellemzik:

♦ csúcsáram, Ics, A,♦ alapáram, Ia, A,♦ csúcsidő, tcs, s,♦ alapidő, ta, s.

A független adatokból számítható impulzusjellemzők:

♦ ciklusidő, tc, s:tc tcs ta= + , (11.6.)

♦ frekvencia, f, Hz:

ftc

= 1 , (11.7.)

♦ átlagáram, Im, A:

I I t I ttm

cs cs a a

c= ⋅ + ⋅ . (11.8.)

IA

t, s

ta tcs

Ia

Ics

11.13. ábra. A cseppátmenet összefüggése az impulzusáram jellemzőivel

Az impulzusíves technika nagy előnye, hogy a négy független impulzusparaméter be-állításával a hőbevitel tetszőlegesen szabályozható (elsősorban csökkenthető), miközbenaz ív stabilitása nem romlik. Az impulzusívvel megoldható, hogy permetszerű csepp-átvitelt hozzunk létre a folyamatos áramerősséghez viszonyítottan töredék átlagárammal(hőbevitellel). Az impulzusíves hegesztés ennek megfelelően a vékonylemezekhez, agyökvarrat hegesztéshez és a térbeli helyzetekhez ajánlott. Az impulzusíves hegesztésáramváltozásának szabályossága a varrat külsején is feltűnően jelentkezik, vagyis na-gyon jó varratminőség elérését teszi lehetővé. Kiválóan alkalmazható robotizált hegesz-téshez is.

Az impulzusparamétereket minden esetben összehangoltan kell beállítani. Az alap-áramot úgy választjuk meg, hogy az ív stabilan égjen, de olyan kis hőáramsűrűséggel,hogy a a huzal végét ne legyen képes megolvasztani. A csúcsáram és a hozzá tartozócsúcsidő egy cseppnyi térfogat megolvasztását és leválasztását tegye lehetővé. Az alap-idővel az átlagáramot, vagyis a hőbevitelt szabályozzuk.


A csúcsáram és a huzalelektróda keresztmetszetének hányadosa minden esetben azelső és a második kritikus áramsűrűség közé esik, ezzel a permetszerű cseppátvitel biz-tosítva van. Az impulzusíves technika alkalmazásának nagyszerűsége abban van, hogy acseppfrekvenciát a villamos paraméterek beállításával adott határok között előre be tud-juk programozni. Mivel minden ciklushoz egy, és csakis egy csepp leválása tartozik, acseppátvitelt tervezhetővé tudjuk tenni, ami a hegesztő szakember számára ideális lehe-tőség. Ezért is nevezik ezt a fajta cseppátmenetet tervezettnek.

11.6.3.5. Szinergikus impulzusíves cseppátmenetA görög synergic szó magyarul együtt dolgozást jelent. A szinergikus anyagátvitelnél

ez azt jelenti, hogy az áramimpulzus négy paraméterét (alapáram-erősség, csúcsáram-erősség, alapidő és impulzusidő) mindenkor a kívánt feladathoz igazítják. Az impulzus-áram négy paramétere ugyanis egy adott típusú és átmérőjű huzalelektródánál a védő-gáztól és a huzalelőtolási sebességtől függ. Az előzetes kísérletekkel optimalizált para-méterkombinációkat a hegesztőgép programtárolójába fixen beépítik (beégetik). Aszinergikus impulzusszabályozás eredménye nagyon alacsony fröcskölési mértékű,konstans vagy változó frekvenciájú finomcseppes anyagátvitel, amit jól kontrollálhatóhegfürdő, és sima, esztétikus varratfelület jellemez.

A szinergikus áramforrások különböző elektronikus vezérléseket alkalmaznak.Amennyiben az automatikus hőáramváltoztatás az áramerősségekkel történik, az impul-zusáram frekvenciája nem változik, de ha a szabályozás az időparamétereket érinti, ak-kor az impulzusáram frekvenciája is módosul.

A frekvenciatartó A variánsnál (11. 14. ábra) a hőbevitel (hőáram) megkívánt növe-lését vagy csökkentését a további három paraméter változatlanul hagyása mellett azalapáram nagyságának változtatásával érik el. Ennél a megoldásnál az alapáram mini-mális értéke a stabil ívfenntartási feltételhez kapcsolódik. Az alapáram növelésével aközepes áramerősség és vele a hőbevitel nagysága is növekszik.

A frekvenciaváltó B variánsnál (lásd a 11.14. ábrát) a hőáram növeléséhez az impul-zusidő nagyságát növelik, ennél a változatnál tehát az impulzusfrekvencia is változik.

Mind a frekvenciatartó, mind a frekvenciaváltó vezérléseknél a hegesztő az impul-zustechnika négy paraméteréhez (négy potenciométeréhez) képest csak egy gombbal ál-lítja be a kívánt hőbevitelt, vagyis csak az átlagáramot szabályozza. Annak eldöntése,hogy a kiválasztott hegesztési feladatban a beállított középáramot az áramforrás milyenimpulzusparaméterekkel valósítja meg, az a beépített programok feladata. Ez a fajta fel-adatmegosztás a hegesztő munkáját erőteljesen leegyszerűsíti. Ez azért lényeges, mert azátlagos hegesztőket annyira zavarta az impulzusparaméterek nagy száma, hogy sok eset-ben lemondtak annak használatáról).

A szinergikus finomcseppes anyagátvitel nagy előnye, hogy minden hegeszthetőanyaghoz, széles vastagságtartományhoz és az összes hegesztési helyzethez alkalmaz-ható, univerzális technikai variáns. Használata olyan esetekben különösen előnyös, ami-kor magas minőségi követelményű, precíziós hegesztésre van igény és a hegesztés gé-pesített, beleértve a robothegesztést is.


I

t

I

t

11.14. ábra. A közepes áramerősség szinergikus változtatása frekvenciatartó és frek-venciaváltó szabályozásnál

11.7. Az anyagátvitel mennyiségi jellemzőiAz időegység alatt leolvasztott hozaganyagtömeget, amely a hegesztés fontos, a he-

gesztési teljesítményt jellemző mérőszáma, leolvasztási teljesítménynek nevezzük. Kép-lete:

!mdm

dt

m

tle

le le= ≈∆

∆, (11.9.)

ahol: !mle kg/h leolvasztási teljesítmény,mle kg a leolvasztott hozaganyagtömeg fém része (salak nélkül),t h hegesztési főidő.

Hasonlóan definiálható az !mbe -vel jelölt beolvasztási tényező, ami az időegység alatta hegfürdőbe kerülő, majd ott megszilárduló hozaganyagtömeget jellemzi:

!mdm

dt

m

tbe

be be= ≈∆

∆, (11.10.)

ahol: !mbe kg/h beolvasztási teljesítmény,mbe kg a varratba beolvasztott fém hozaganyagtömeg,t h hegesztési főidő.

A leolvasztási és a beolvasztási teljesítmény különbsége a veszteség teljesítmény:

! ! !m m mv le be= − , (11.11.)

ahol: !mv kg/h veszteség teljesítmény.A hegesztő műveletet tervező mérnök számára a leolvasztási tényező ad fontosabb

információt, mivel segítségével meg tudja határozni az egy hegesztő egyműszakos ho-zaganyag felhasználását és össze tudja hasonlítani egy adott munkához szóbajöhető he-gesztő eljárások termelékenységét.


11.8. A VFI eljárás technológiai paramétereiA VFI eljárással készített varrat minőségét igen sok számszerű hegesztési változó

(ún. paraméter), és egyéb ( nem számszerűsíthető) hegesztési körülmény befolyásolja,amelyek a végeredményen kívül egymással is bonyolult kölcsönhatásban vannak. Atechnológia optimalizálása csak komplex matematikai módszerekkel lehetséges.

A hegesztő eljárás valamennyi paraméterét az eljárás műveleti utasítása (WPS) tartal-mazza. A sok változó között a következő rendszerezéssel igazodhatunk el.

1. A huzalelektródával kapcsolatos adatok:♦ a hozaganyag fajtája (tömör, porbeles),♦ a hozaganyag ötvözési típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a hozaganyag átmérője,♦ huzalelőtolási sebesség.

2. A védőgázzal kapcsolatos adatok:♦ a védőgáz fajtája, tisztasága,♦ a védőgáz térfogatárama.

3. A hegesztőpisztollyal kapcsolatos adatok:♦ a pisztoly típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a hűtés módja,♦ a hűtővíz térfogatárama (vízhűtés esetén),♦ a fúvóka anyaga, alakja, átmérője,♦ szabad huzalhossz.

4. A varratképzéssel kapcsolatos adatok:♦ a hegesztés kivitelezése (kézi, gépi, robot),♦ a hegesztés sebessége ( kézi hegesztés esetén csak tájékoztató jelleggel),♦ a fúvóka és a tárgy közötti távolság,♦ a pisztolytengely dőlési szögei (a varrat hosszmetszeti szimmetriasíkjához és a

szimmetriasíkban a felület normálisához viszonyítva),♦ a keresztirányú ívelés adatai.

5. A hőbevitellel kapcsolatos adatok:♦ kiindulási (környezeti vagy előmelegítési hőmérséklet),♦ áramnem,♦ polaritás (DC esetén),♦ áramtípus (folytonos vagy impulzus),♦ áramerősség (folytonos áram esetén),♦ ívfeszültség,♦ alapáram és csúcsáram (impulzushegesztés esetén),♦ alapidő és csúcsidő (impulzushegesztés esetén),♦ hegesztési idő (ívponthegesztés esetén).

6. A hegesztő berendezéssel kapcsolatos adatok:♦ áramforrás márkajele,


♦ az induktivitás nagysága,♦ huzalelőtoló típusa.

7. A hegesztőgép és készülék adatai:♦ hegesztőgép azonosító jele (gépesített hegesztés esetén),♦ a pisztolyfelerősítés módja, (gépesített hegesztés esetén),♦ a hegesztőkészülék azonosító jele,♦ a munkadarab befogásának módja,♦ hegesztési helyzet,♦ a hegesztési sebességet eredményező relatív mozgás megvalósítója (hegesztőgép,


8. A kötés és az alkatrészek előkészítése hegesztéshez:♦ a kötés típusa,♦ varrattípus,♦ varratméretek (vastagság és hosszúság),♦ varratfelépítés (vastagságirányban, hosszirányban),♦ munkadarab élelőkészítés (leélezés méretei),♦ felülettisztítás (mindkét oldalon),♦ illesztési adatok,♦ alátétezés,♦ fűzési adatok (fűzővarratok száma, helye, méretei).

9. A végrehajtó személyzettel szembeni elvárások:♦ a hegesztő vagy gépkezelő elvárt minősítése,♦ sikeres munkapróbakészítés.

11.9. A VFI eljárással készített varrat minőségeA VFI eljárással azonos alapanyagon is jelentősen eltérő minőségű kötések készíthe-

tők. A hegesztőanyagok (huzalelektróda és védőgáz) szerepe mindenképpen meghatá-rozó. Jól dezoxidált, ötvözött hozaganyaggal és enyhén oxidáló, vagy teljesen nemes-gázvédelemmel jó mechanikai jellemzők, közöttük kiemelten is kedvezően alacsony át-meneti hőmérséklet érhető el. A gépi hegesztéssel készült varratok egyenletesebbek,hegesztői hibáktól mentesek, de az illesztési pontatlanságokra érzékenyebbek.

A hegesztési adatok közül a hosszanti energia és az általa erőteljesen befolyásoltanyagátvitel érdemel figyelmet: kisebb hőbevitellel, többrétegű hegesztéssel általábanjobb minőség érhető el, mint a teljesítménycentrikus hegesztési munkarendekkel.

A varratok esztétikus megjelenése szempontjából a védőgáz, a cseppátmenet és apisztolyvezetés egyenletessége lényeges. Impulzusívvel a varratpikkelyezettség nagy-fokú szabályossága érhető el.

A nem megfelelő gázvédelem a felület oxidációját, egyes ötvözők kiégését és a varratporozitását okozhatja. Oxidáló atmoszférában hegesztés közben a varratfelszínen kevéssalak is keletkezik; ennek mennyisége csak a foltszerű megjelenéshez elegendő, ezért el-távolítása sokkal kevesebb gondot okoz, mint a salakvédelmű eljárásokkal készült varra-toknál.


11.10. A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés eljárás-változatai

A legnagyobb elterjedtségű, sokoldalú, jól gépesíthető VFI hegesztésnek az elmúltévekben sok életképes eljárásváltozata fejlődött ki. Ezek közül a következőkben a leg-fontosabbakat mutatjuk be.

11.10.1. VFI ívponthegesztésAz ívponthegesztés az ív mozgatása nélkül, speciális fúvókával és időkapcsoló segít-

ségével pontosan szabályozható idejű hőbevitellel történik, átlapolt lemezkötések létesí-tése céljából. A VFI ívponthegesztés egyoldali hozzáférést igényel. A hőközlés ideje né-hány másodperc.

A VFI ponthegesztés nagymértékben hasonlít az SWI ívponthegesztéshez; a fő kü-lönbség meghatározott (jól szabályozható) mennyiségű huzalelektróda leolvasztásábanvan, ami minden esetben pozitív varratdudort eredményez, és lehetővé teszi a furatosívponthegesztés megvalósítását is (11.15. ábra). A hozaganyagos hegesztés a hegeszthe-tőségi problémákat is mérsékli.

DCEP

F F

VédõgázFurattal

Furat nélkül

s > 3 mm

s

s

s 3 mm≤

11.15. ábra. A védőgázas, fogyóelektródás ívponthegesztés elve és alkalmazása vékonyés normál lemezekhez

Az ívponthegesztést leggyakrabban a vékony lemezek átlapolt kötéseihez használják.Másik alkalmazási terület vékony lemez és vastag szelvény összekötése (burkolatokfelerősítése). A védőgázt az alapanyag, az anyagátvitelt a térbeli helyzet függvényébenválasztják ki.

Az eljárás az ellenállásponthegesztés alternatívája, ezért előnyeit és korlátait a velevaló összehasonlításban célszerű értékelni. Az ívponthegesztés mellett hordozhatósága,egyoldali hozzáférési követelménye, egyszerűsége és a felület-előkészítéssel szembenikisebb követelménye, ellene a kisebb teljesítmény és az egyes anyagoknál (pl. Al) elér-hető alacsonyabb kötésminőség szól.

Az ívponthegesztés vékonylemez-konstrukciók összeállításához és az elemek önállóegymáshoz rögzítési céljaira egyaránt jól használható. Az átlapolt lemezkötések a szer-kezetek megfelelő kialakítását igénylik.


11.10.2. KeskenyréshegesztésVastag lemezek többrétegű hegesztését a hozzáférés érdekében ferdén elvágott és

esetenként hézaggal illesztett lemezekkel végzik. Az ilyen módon kialakított varratvájat- különösen egyoldali hegesztés feltételei mellett - jelentős térfogatot képvisel, amit azalapanyagnál rendszerint drágább hozaganyaggal kell feltölteni. A hozaganyag-fogyasz-tás és a hozzákapcsolódó járulékos költségek csökkentése érdekében dolgozták ki akeskenyréshegesztést (Narrow Gap Welding), ami a vázolt probléma megoldása ha-tékony eszközének tekinthető.

A keskenyréshegesztés merőlegesen elvágott vagy legfeljebb néhány fokos ferdeségűlemezélek kötése a speciális kialakítású hegesztőfej által megkövetelt 6…10 mm résmé-rettel (innen származik az eljárásváltozat elnevezése). A keskenyréshegesztést (szintekizárólagosan ötvözetlen vagy gyengén ötvözött szerkezeti acéloknál) finomcseppesanyagátvitellel, vályúhelyzetben végzik, de nem zárható ki teljesen a gyengébb minősé-get adó térbeli helyzetek és az ezeknek megfelelő rövidzárlatos anyagátvitel sem.

11.10.2.1. Vékonyhuzalos keskenyréshegesztésA vékonyhuzalos (VFI) keskenyréshegesztés a 11.16. ábra szerint azon az elven

alapszik, hogy a huzalelektróda ferde helyzetben hagyja el a hegesztőfejet, ezzel a hu-zalelektróda-alapanyag szöghelyzete lehetővé teszi az elégséges mértékű beolvadást ésaz összeolvadási hiány biztos elkerülését.

1 2

3 4

n-1 n

s

Elsõ réteg, elsõ sor Elsõ réteg, második sor Kész varrat

6...10 mm

11.16. ábra. A VFI keskenyréshegesztés pisztolyelrendezése és vastagságirányú varrat-felépítése

Vályúhelyzetű hegesztéskor az egyik irányban hegesztett varratsorral a varratrétegegyik oldala, visszafelé haladva a másik oldala készül el. A rétegszám a falvastagságfüggvényében tetszőlegesen növelhető.

Speciális kialakítású (tandem) hegesztőfejjel megoldható, hogy egyik huzalelektródátaz egyik lemezre, a mögötte elhelyezettet a másik lemezélre irányítva a varratrétegekmindkét sora egy menetben készüljön el, ezzel a hegesztési idő a felére csökkenthető.

Az eljárás gyenge pontjaiként a következők említhetők:

♦ a speciális huzalvezetés az előtolóerőt növeli, a huzalvezetőt fokozottan koptatja,♦ védőgáz hozzávezetési nehézségek miatt a varratporozitás veszélye növekszik,♦ a hegesztőfej gondos helyzetbeállítást és vezetést igényel,


♦ precíz illesztést igényel,♦ az összeolvadási hiányok veszélye fokozott.

A keskenyréshegesztéshez 0,8…1,6 mm átmérőjű huzalt használnak (térbeli helyzet-hez az alsó határérték ajánlott). A vonalenergiát a hegesztési sebesség növelésével ala-csony értékre kell beállítani annak érdekében, hogy a hegfürdő gyors dermedése elérhetőlegyen.

11.10.2.2. Vastaghuzalos keskenyréshegesztésVastaghuzalos VFI hegesztéssel (és hasonlóan fedettívű hegesztéssel) a keskeny rés-

sel illesztett lemezek közötti hézag egy varratréteggel is áthidalható (11.17. ábra). Ennéla vékonyhuzalos keskenyréshegesztéshez viszonyítottan kétségtelenül egyszerűbb ésgyorsabb hegesztési változatnál még kedvezőtlenebb a huzalelektróda és a hegesztendőfelület közötti hajlásszög, ezzel megnő az összeolvadási hiba veszélye. Gondos beállí-tással és fegyelmezett hegesztéssel azonban ez a nehézség is áthidalható.

Elsõ réteg Kész varrat

s

Bekezdõ lemez

11.17. ábra. A vastaghuzalos keskenyréshegesztés elvi ábrája

A keskenyréshegesztésnek az egy óra alatt elkészíthető, teljes vastagságra kiterjedővarrathosszúsággal (az ún. varratsebességgel) jellemzett hegesztési teljesítménye afedettívű és az elektrogázhegesztő eljárásénál jobb és csak alig marad el a kéthuzalossalakhegesztéstől. A 11.18. ábra alapján képet kaphatunk az eljárás versenyképességé-ről. Az összehasonlító kísérletekhez W01 anyagcsoportba tartozó ötvözetlen szerkezetiacélt használtak. A fedettívű hegesztés és az elektrogázhegesztés huzalátmérője 3 mmvolt, a (vékonyhuzalos) keskenyrés varratot 0,8 mm-es huzalelektródával, 7,5 kg/h leol-vasztási teljesítménnyel készítették, függőleges pozícióban.

Vastaghuzalos keskenyréshegesztéssel vízszintes lemezelrendezés mellett akár15 kg/h teljesítmény is elérhető.



0.5

1.5

2.5

0.0

1.0

2.0

3.0

Var

rath

ossz

egy

óra

ala

tt, m

/h

Keskenyréshegesztés

Elektrogázhegesztés

Fedettívû hegesztés

Villamos salakhegesztés

Lemezvastagság, mm

Va

rra

tse

be

ssé

g,

m/h

11.18. ábra. A keskenyréshegesztés varratsebességének összehasonlítása a konkurenseljárásokéval

Nagyszilárdságú (HSLA) acél keskenyréshegesztésének fontosabb adatait a 11.3.táblázatban foglaltuk össze. Az 50 mm lemezvastagságra vonatkozó tájékoztató adatoklehetővé teszik, hogy helyes képet kapjunk a keskenyréshegesztés paramétertartományá-ról.

Hegesztési adatok Vékony huzal Középvastag huzal

Huzalelektróda átmérője, mm 1,2 1,6Ívfeszültség, V 26…28 26…28Hegesztő áramerősség, A 280…320 320…360Huzalelőtolási sebesség, m/min 13,5…14,5 5,5…7,0Hegesztési sebesség, mm/min 250 280Védőgáz 98%Ar+2%O2 98%Ar+2%O2Védőgáz térfogatáram, l/min 40…45 40…45Résméret, mm 6,5…9,5 6,5…9,5Előmelegítési hőmérséklet, °C 100…150 100…150

11.3. táblázat. A keskenyréshegesztés jellemző adatai HY 80 nagyszilárdságú acélle-mezek hegesztéséhez

11.10.3. ElektrogázhegesztésAz elekrogázhegesztés (Electrogas Welding, EGW) a VFI gépesített változata,

amelyben a hegesztés mindig függőlegesen álló lemezek között alulról felfelé történik.A mindig kötelező hozaganyag tömör, vagy porbeles huzal, külső gázvédelemmel. Azelektrogázhegesztéssel vastag lemezek között I, esetleg V vagy Y varratot hegesztenek ahegesztőfej által megkívánt jelentős résméret (15…20 mm) beállításával.


Az eljáráshoz különleges berendezésre van szükség, amelynek vázlatát a 11. 19. áb-rán mutatjuk be. A villamos salakhegesztő berendezés alapelvét átvéve, a nagytömegűhegfürdő számára egy öt oldalról határolt teret hoznak létre, a hatodik oldalról a hegesz-tőfej nyúlik a hegfürdő fölé. Az eljárás hőforrása a villamos ív és nem a salak ellenállá-sán fejlődő hő; ez a lényegi eltérés a villamos salakhegesztéstől. A hőforrás 100 % be-kapcsolási idejű, nagyteljesítményű (I = 500…1000 A) egyenirányító. A huzalelektródaa VFI eljárásnál megszokott módon mindig a pozitív pólushoz kapcsolódik (DCEP).

A hegfürdőt határoló felületek:

♦ alulról: a hegesztés kezdetén a bekezdő toldat, később a megdermedt varrat;♦ jobbról és balról: az összehegesztendő lemezek;♦ elölről és hátulról: fürdőtámasztó rézlapok (rézzsaluk, rézgyámok).

A folyamatos hegesztés fenntartása érdekében a hegesztőfejet és a rézlapokat olyansebességgel kell emelni, mint ahogyan a hegfürdő felszíne emelkedik: ez lesz a hegesz-tés sebessége. A hegesztési sebesség a térfogat-állandóságból számítható:

v vd

Ah ee

v= ⋅ ⋅

⋅

2

4π

, (11.12.)

ahol: vh, mm/s hegesztési sebesség,ve, mm/s a huzalelőtolási sebesség,de, mm huzalátmérő,Av, mm2 varratkeresztmetszet.

Hûtõvíz be

Hûtõvíz ki

s

Védõgáz be

Hûtõvíz ki

Hûtõvíz be

Varrat

Vezetõcsõ

Huzalelektróda

Rézzsalu

ÍvHegfürdõ

11.19. ábra. Az elektrogázhegesztés vázlata

A hegesztőfej helytakarékosság érdekében csak a huzalvezetőt és az árambevezetőhüvelyt tartalmazza és a védőgázt külön csővezetéken, pl. az egyik rézlapon keresztülfújják a hegfürdőre. A villamos salakhegesztéshez hasonlóan itt is szükség van speciálishuzalvezetők alkalmazására. A helyszűke miatt ennek átmérője a 10 mm-t nem halad-hatja meg. Nagyobb áramoknál a huzalvezetőt vízhűtéssel védik a túlhevüléstől. A vé-letlen rövidzárlat elkerülésére a huzalvezető külső felületét szigetelő réteggel kell be-vonni.


11.10.3.1. Az elektrogázhegesztés alkalmazhatóságaAz elektrogázhegesztést eredetileg csak az ötvözetlen szerkezeti acélok hegesztésére

tartották alkalmasnak. Megfelelő huzallal és védőgázzal az alkalmazási terület az ötvö-zött acélkategóriákra, sőt a Cr és CrNi ötvözésű korrózióálló acélokra és egyes Al ötvö-zetekre is kiterjeszthető.

Elektrogázhegesztéssel legkönnyebben tompakötések készíthetők, de lehetőség vansarok- vagy tompavarratos T kötések hegesztésére is. Bár az eljárást eredetilegegylépésben végzett hegesztésre tervezték, lehetőség van a falvastagság kétlépéses áthe-gesztésére is. Ilyenkor a két oldalsó határoló rézzsalu geometriája eltérő.

Az eljárás gazdaságos falvastagság tartománya 15…50 mm, ami a huzal keresztirá-nyú lengetésével vagy két huzal alkalmazásával tovább növelhető. Az egy lépésben he-geszthető falvastagság növelésének a hegfürdő túlhevülése, a hőhatásövezet jelentősszélesedése és az ezek következményének tekinthető szívósságromlás jár együtt. Spe-ciális fürdőhatároló lap kialakítással eltérő vastagságú lemezek is hegeszthetők.

A hegesztést mindig függőleges helyzetben, alulról felfelé végzik. A varrathosszú-ságnak elméleti felső határa nincs, gyakorlati értékét a berendezés adottságai limitálják.

Az elektrogázhegesztés tipikus alkalmazási példája a vastagfalú nyomástartó edényekgyártása.

11.10.3.2. Az elektrogázhegesztés hozaganyagaiAz elektrogázhegesztéshez nincs szükség speciális huzalelektródákra, a normál VFI-

eljáráshoz kapható (gázvédelmű) huzalok itt is jól alkalmazhatók. Az 1,6…3 mm átmé-rőjű huzalok tömörek és porbelesek lehetnek. Speciális (az SPI eljáráshoz kifejlesztetthuzaloktól eltérő porösszetételű) sajátvédelmű porbeles huzalok alkalmazása is elkép-zelhető.

Tömör huzalokhoz jól beváltak a 80Ar + 20CO2, vagy a 98Ar + 2O2 gázkeverékek.Portöltetű huzalhoz a CO2 védőgáz is megfelelhet.

Balogh A.: Fedettívű hegesztés 12/1

12. FEDETTÍVŰ HEGESZTÉS

A fedettívű hegesztés, rövidítve FH (angol nevén Submerged Arc Welding, SAW.németül Unterpulverschweissen) az ömlesztő hegesztések salakvédelmű csoportjáhoztartozik. A salakvédelemhez elenyésző mértékű járulékos gázvédelem is járul, de ennélaz eljárásnál (a BKI-tól merőben eltérő módon) ez nem tudatosan szándékolt gázkép-zést, hanem csak a végbemenő hasznos vegyi reakciók melléktermékét jelenti. A FH-néla salakmetallurgiában rejlő lehetőségek pozitív hatását a salakeltávolítás művelete ellen-súlyozza. A fedettívű hegesztő eljárás kódszáma 12.

Az eddig megismert nyíltívű (szemmel látható) hegesztésektől eltérően a FH íve zártsalakburokban, az emberi szemtől elzárva ég, ezért a hegesztés követéséhez hegesztő-pajzsra nincs szükség. Amilyen kényelmes és szemet kímélő ez egyfelől, ugyanannyiramegnehezíti a hegesztőív adott vonalon való vezetését. Ezért a kezdetben népszerű kéziváltozatát egyáltalán nem alkalmazzák: a fedettívű hegesztés ma már teljes mértékbengépesített hegesztésnek tekinthető.

A fedettívű hegesztés alapváltozatánál egy tömör huzalt alkalmaznak. A VFI-hez ha-sonlóan a dobról lecsévélt huzalt tolórendszerű huzaltovábbító mozgatja. Az árambeve-zetés rézhüvely segítségével közvetlenül az ív előtt történik (12.1. ábra). Az árambeve-zető hüvely és a huzalvég közötti szakaszt (szabad huzalhossz) az átfolyó áram Joulehője és az ív sugárzó hője hevíti. A VFI hegesztésnél megismert védőgázterelő fúvókahelyén portölcsért találunk, ami a fedőport a huzal körül a tárgyfelületére juttatja.

DC vagy ACp

HuzaldobPortölcsér

Folyékony salak

Huzalelektróda

Fedõpor

Ívtér

Alapanyag Ív Hegfürdõ Varrat

Szilárd salakÁrambevezetõ

12.1. ábra. A fedettívű hegesztés elvi vázlata

A FH teljesen gépesített, nagy termelékenységű eljárás, amely azonban a fedőporgravitációs adagolása miatt csak vályúhelyzetben végezhető. Mivel alapesetben a 25…30 mm rétegvastagságú fedőport a súlyerő tartja a tárgy felületén, kényszerhelyzetű he-gesztés, vagy nagy görbületű tárgyak hegesztése külön kiegészítő berendezés nélkül nemlehetséges. (A fedőpor kényszeradagolása és a nem vízszintes tárgyfelületen való meg-


támasztása elvileg lehetséges, de az ilyen, nem a jellemző minőséget adó és nem gazda-ságos eljárásváltozatok eddig nem tudtak teret nyerni).

A fedettívű hegesztés a BKI hegesztés nagteljesítményű utódeljárásának tekinthető,és mint ilyen, elsősorban a normál (5…12 mm), a középvastag (12…25 mm) és a vastag(s>25 mm) lemezek vízszintes vályúhelyzetű tompa- és sarokkötéseihez alkalmazható.A fedettívű eljárás részaránya az összes ömlesztő eljáráson belül 5 és 8 % közé tehető.A fejlett hajógyártással rendelkező országokban ez az arány magasabb, a többi ország-ban alacsonyabb. A fedettívű hegesztés nagy előnye, hogy nagyon termelékeny. A jó fe-dőpor- és huzalválaszték révén ma már a hegesztett kötéstől elvárt minőségi igények iskielégíthetők.

A fedettívű hegesztést a 30-as évek eleje óta ismerik. Egyik jelentős korai alkalma-zása a vastagfalú csövek hosszvarratainak hegesztése volt.

12.1. A fedettívű hegesztés elveA fedettívű hegesztés azt a hőt hasznosítja, ami a folyamatosan előtolt és a szabad

huzalhosszon az átfolyó áram Joule hőjével előmelegített huzalelektróda és az alapanyagközötti villamos ív szolgáltat. Az ív a fedőporkomponensek és kisebb mértékben a he-gesztendő tárgy anyagának ionizált alkotóit tartalmazó ívatmoszférában létesül. A tárgyfelületére adagolt fedőpor alsó része megolvad és az ívteret, valamint a hegfűrdőt felül-ről határolja. A salak és az ömledékfém szétválása a sűrűségkülönbségen alapszik (asalak sűrűsége az acélénak mindössze negyede-ötöde). A salak- és fedőporréteg súlyere-jével a zárt ívkaverna gáz- és gőzfázisának enyhe túlnyomása tart egyensúlyt. Az eljárásangol nevét onnnan kapta, hogy a huzalvég és a róla kiinduló villamos ív a salakrétegalá merülve ég. Európa egyes országaiban fedőpor alatti hegesztésnek (Unterpulver-schweissen, Szvarka pod fljuszom) nevezik.

A nem megolvadó fedőpormennyiség újra felhasználható. A fedőport a tároló tar-tályba hőálló porszívóval juttatják vissza. A sziliciumdioxid tartalma miatt üvegszerűsalakot a benne lejátszódott írreverzibilis kémiai reakciók miatt nem szabad újra fel-használni. Mivel a fedőpor kémiai jellege semleges, bázikus vagy savas lehet, a huzal-elektróda csak a salak metallurgiai hatásának ismeretében választható meg. Semlegessalak esetében a huzalelektróda összetétele az alapanyagéhoz közeli lehet, de a metal-lurgiailag aktívabb salakokhoz az alapanyagtól kissé ötvözöttebb hozaganyagra vanszükség.

A huzalelektróda 12.1. ábra szerinti fordított polaritású (DCEP) kapcsolása gyako-ribbnak és kedvezőbbnek tekinthető, mivel stabilabb ívet, és kedvezőbb varratbeolva-dási alakot garantál. Az egyenes (DCEN) kapcsolás mellett csak a nagyobb leolvasztásiteljesítmény szól, ami azonban a sekély beolvadás miatt csak felrakóhegesztéshez elő-nyös.

A fedettívű hegesztésnél a többnyire nagycseppes anyagátviteli mód nem játszik aVFI-hez hasonlóan lényeges szerepet, mivel az esetlegesen szétfröccsenő cseppek csak-nem teljes egészében újra a hegfürdőbe kerülnek.

12.2. Az eljárás előnyei és korlátaiA FH eljárás előnyös tulajdonságai a következőkben foglalhatók össze:

♦ kiemelkedően nagy leolvasztási teljesítmény,♦ gyors hegesztés lehetősége (1…5 m/min is lehetséges)


♦ sima, esztétikus varratfelület, kedvező varratdudor-alak, nagy varratszél-hajlás-szög,

♦ nincs (az ívkavernán kivülre kerülő) fröcskölési veszteség,♦ a hőforrás termikus hatásfoka egyhez közeli; ez valamennyi ívhegesztő eljárás kö-

zül a legnagyobb (lásd a 2. fejezetet),♦ nincs nyílt ív, kevés gőz és füst, kisebb egészségi ártalom és elszívási kényszer,♦ jól gépesíthető és automatizálható, jól reprodukálható, a berendezés kezelése nem

igényel nagy manuális ügyességet vagy jártasságot,♦ a jellemzően vastagabb huzal továbbítása nem annyira problematikus, mint a VFI-

nél,♦ huzatra, szélre nem érzékeny,♦ a többhuzalos és szalagelektródás alváltozatokkal a teljesítmény tovább növelhető,♦ széles fedőpor és huzal választék, elsősorban a különböző szilárdsági csoportba

tartozó szerkezeti acélokhoz és a különféle korrózióálló acélokhoz,♦ bázikus salak esetén alacsony hidrogéntartalom, kis kén- és foszfortartalom és ala-

csony átmeneti hőmérséklet érhető el.

A fedettívű hegesztés alkalmazásakor az előzőkben felsorolt előnyös tulajdonságokmellett néhány korlátozó tényezővel kell számolni.

♦ összetett, drága gépi berendezés, korlátozottabb hordozhatósággal,♦ a főmozgás gépesítése miatt készülékezést igényel,♦ csak vályúhelyzetben alkalmazható,♦ helyszíni hegesztésre nem alkalmas,♦ a varrathibák javításához BKI vagy VFI eljárások szükséges.

A fedettívű hegesztés megjelenésekor és terjedésekor sok (a BKI és VFI eljárásokranem jellemző) hegeszthetőségi probléma került felszínre; ezek nagy részét hosszú fej-lesztő munkával mára már sikerült kiküszöbölni.

12.3. A FH eljárás alkalmazási területeiA fedettívű hegesztést gépesített vagy automatizált üzemmódban végzik. A tompa- és

sarokvarratokat varratokat vályú- (PA) vagy vízszintes (PB) helyzetben készítik. A többihegesztési helyzet a nagytömegű fém- és salakfürdő elfolyási veszélye és a fedőpor máremlített súlyerős adagolása miatt nem jöhet számításba, bár laboratóriumi körülményekközött a hegfűrdő és a fedőpor rézlapos megtámasztásával a haránt és a függőlegesenfelfelé végzett térbeli hegesztés is lehetségesnek bizonyult.

A FH megfelelő hegesztőhuzal és fedőpor párosítással a legtöbb ötvözetlen,mikroötvözött vagy gyengén ötvözött acélhoz és a korrózióálló acélokhoz alkalmas eljá-rás. A nemvasfémek közül a Ni ötvözetek egy részéhez kereskedelmi hegesztőanyagokkaphatók, az Al és Cu ötvözetek hegesztését csak laboratóriumi szinten vizsgálták. Azextra feladatok megoldhatóságára példaként az uránium fedettívű hegesztését említjük.

Az elérhető nagyobb beolvadási mélység miatt főleg a vastag szelvények hegesztésegazdaságos. Egy lépésben max. 25 mm beolvadási mélység, vagy 10 mm sarokvarrat-vastagság érhető el, minőségi okokból azonban inkább a többrétegű hegesztést célszerűelőnyben részesíteni. A gépesítés praktikus szempontjai miatt a FH főleg az egyenes,kör és csavarvonal alakú varratokhoz előnyös.

A FH a kötőhegesztések mellett a felrakóhegesztésekhez is használható. Igen ked-vező eredmény érhető el a nagy felületek és nagyobb rétegvastagságok egyidejűségeesetén, amire példa lehet a felületek plattírozása vagy kemény réteggel való bevonása. A


portöltetü huzalokkal és szalagokkal igen rugalmas és gyors összetételváltoztatásra nyí-lik lehtőség.

12.4. A fedettívű hegesztés gépi berendezéseA fedettívű hegesztő berendezés általános esetben a következő fő egységekből áll

(12.2. ábra):

! áramforrás,! huzalelőtoló,! hegesztőfej,! fedőporellátó egység,! hűtőegység (opcionális),! vezérlőegység,! programozó és programtároló egység (opcionális),! mozgatókészülék.

Vezérlõegység

Hûtõ-egység

Áram-forrás

Huzal-ellátó

egység

Fedõporellátó

egység

Gépi

elõtolás

Program-egység

12.2. ábra. A fedettívű hegesztés berendezésének blokkdiagramja

12.4.1. ÁramforrásA fedettívű hegesztés áramforrása a nagy áramerősségigény miatt kezdetben a transz-

formátor volt, később az egyenáramú hegesztés előnyeinek felismerése, a félvezetősegyenirányítás elterjedése, de mindenekelőtt az egyenirányítás felső áramhatárának nö-vekedése miatt az egyenirányítók alkalmazása vált meghatározóvá. Európában és Ja-pánban emellett a váltakozó áramú hegesztés is általánosan használt, nagy áramerőssé-gekhez és a többhuzalos technikákhoz, mivel az egyenáramó hegesztés ívfúvási problé-mái 1000 A felett nagyon felerősödnek. A váltakozó áramot szolgáltató transzformáto-rok az állandó ívújragyúéjtási feladathoz legalább 80 V üresjárási feszültséggel rendel-keznek. Korlátozó tényező, hogy AC-hez csak az arra a célra kifejlesztett fedőporok al-kalmasak. Egyenáramú áramforrás alkalmazásakor a huzalelektródás hegesztésekre jel-lemző fordított polaritás (DCEP) a jellemző, a kisebb beolvadási mélységet és ezáltal ki-sebb felkeveredést (hígulást) eredményező egyenes polaritást (DCEN) csakfelrakóhegesztéshez használnak.

Az áramforrások 300…600 A-es (kisgépek), 600…1000 A-es (középgépek) és 1000…2000 A-es (nagyteljesítményű gépek) áramerősség-tartományban kaphatók. Az áram-


szükséglet az áramsűrűségek (50…300 A/mm2) és a huzalkeresztmetszet alapján köny-nyen megbecsülhető.

A FH ívfeszültségének középértékét az összes salakvédelmű eljárásra jellemzőU Iív h= + ⋅20 0 04, összefüggés jelöli ki. A nagyobb áramerősségek miatt az ívfeszült-ség is meghaladja a BKI vagy VFI eljárásokra jellemző feszültségeket. A FH-re jellemzőfeszültségtartomány a fedőpor által is elsőrendűen befolyásoltan mintegy 30 és 50 V kö-zé tehető.

Az áramforrások bekapcsolási idejét a gépesített hegesztésből és az eljárásra jellemzőhosszú varratok készítéséből következően 100 %-ra kell választani. Az áramforrásokhaékony hűtéséről (fújt levegő, víz) emiatt a gyártónak gondoskodnia kell.

A FH áramforrásai vízszintes vagy eső statikus karakterisztikával kaphatók. A 2,5mm-nél kisebb huzalátmérőkkel megvalósított nagy áramsűrűségű vagy más néven vé-konyhuzalos eljárásváltozatothoz közel vízszintes, más néven feszültségtartó jelleggörbeszükséges (12.3. ábra,) A 2,5 mm-es átmérőhöz és a 60 A/mm2 áramsűrűséghez294,5 A határérték tartozik. Állandó sebességű huzalelőtolással belső szabályozásra adlehetőséget.

J,A/mm2

de, mm

100

2,5

Vastag huzalVékony huzal

200

0

12.3. ábra. A fedettívű hegesztés áramsűrűségtartománya a huzalátmérő függvényében

A jellemzően 2,5 mm feletti huzalátmérőkkel végzett alacsony áramsűrűségű, vagymásnéven vastaghuzalos fedettívű hegesztés áramforrása a BKI és SWI eljárások áram-forrásaihoz hasonlóan eső (áramtartó) jelleggörbével készül. Itt a belső szabályozás nemeléggé hatékony, ezért az áramforrásokba a feszültségváltozással vezérelt külső szabá-lyozó egységet építenek, ami a huzalelőtolás sebességét változtatja.

12.4.2. Huzaltovábbító berendezésA FH huzaltovábbító rendszere toló (push) típusú. Két változat létezik: az állandó se-

bességű előtoló a vízszintes karakterisztikájú áramforrásokhoz és a változó sebességűelőtoló a vastaghuzalos hegesztéshez.

A változó sebességű előtolók az ívfeszültség változásához igazodó fordulatszámúelőtolómotorokkal állandósítják az ívhosszat.

Az állandó sebességű előtolók egyszerűbbek, beállításuk könnyebb és nagyobb ívsta-bilitást, könnyebb ívgyújtást tesznek lehetővé. Technikai kivitelük megegyezik a VFIelőtolóival, azzal a különbséggel, hogy a FH -nél a nagyon vékony huzalok (1,2 mmalatt) nem nyernek alkalmazást, ezért az előtolás többnyire egy görgőpárral is megvaló-sítható.


12.4.3. HegesztőfejA mára már múzeumi ritkasággá vált kézi fedettívü hegesztés pisztolya a portartályt

is magában foglaló kialakítású, amit amit 3…5 m hosszú kábel köt össze az áramforrás-sal.

A gépesített hegesztés hegesztőfeje kívül stabil felfogóelemet, belül huzalvezetőt, ésárambevezető hüvelyt tartalmaz, a hegeesztőfej rövid kábellel csatlakozik az áramforrás-hoz. A fedőporvezető cső a hegesztőfejen rendszerint a huzalhoz viszonyítottan kon-centrikusan helyezkedik el, de sok esetben a fedőport a huzal elé adagolják. Az utóbbimegoldás szerkezetileg egyszerűsíti a hegesztőfejet, de kis sugarú íveknél a fedőportnem a kívánt helyre adagolja.

A többhuzalos technikákhoz kifejlesztett hegesztőfejek szerkezetileg bonyolult ki-alakításúak, ahol a méret-kötöttségek miatt komoly mérnöki megoldásokra volt szükség.A többhuzalos hegesztőfejeknél a huzalok egymázhoz viszonyított elrendezése és távol-sága a meghatározó. Az ívek ugyanis közös ívtérben (kavernában), vagy elkülönültenéghetnek. Az elkülönűlt ívtér kialakulásának feltételei:

♦ a két huzal minimális távolsága abból következik, hogy a két ív nem éghet közös ka-vernában;

♦ a két huzal maximális távolságát az határozza meg. hogy a salak a második ívtérfrontális pontján még olvadék fázisú legyen.

12.4.4. Fedőporellátó berendezésA fedettívű hegesztés salak- és járulékos gázvédelemmel működik. Mindkét védő-

anyag a fedőporból fejlődik, ezért a folyamatos fedőporellátás a hegesztés sikere és fo-lyamatossága miatt problémamentes kell, hogy legyen.

A fedőpor zsákokban, dobozokban vagy hordókban kerül a felhasználóhoz. A fedő-por tárolására a bevonatos elektródákhoz hasonló szigorú szabályok vonatkoznak.Kólönösen körültekintően kell kezelni az alacsony hidrogéntartalmú (LH) varratok elő-állítására alkalmas bázikus fedőporokat, amelyeket szükséges esetben felhasználás előttki is kell szárítani. A fedőpor egy hopzzávetőlegesen öt mm nyílású szűrőn át jut a por-tartályba, ahonnan egy (kézi vagy mágneses működtetésű) tolózár megnyitásával kerül asurrantócsőbe, ami a hegesztés helyszínére vezeti a fedőport. A fedőporréteg 20…40 mm közötti vastagsága az adagolócső homloklapjának a hegesztendő tárgytól mérttávolságával állítható be.

Hegesztéskor a fedőporból 3…5 mm vastagságú salakréteg képződik. A salak aktívanyag, amiben hegesztéskor az acélgyártáshoz hasonló metallurgiai folyamatok (kémiaireakciók, oldódások és kiválások, salakfelúszás, gázképződés és a gázbuborékok fel-színre emelkedése) játszódik le. A folyamatok nagy része írreverzibilis, ezért a salak új-raőrlés utáni másodszori felhasználása nem engedélyezett. A meg nem olvadt fedőpor-ban nem játszódnak le visszafordíthatatlan folyamatok, ezért (akár többszörösen) újrafelhasználhatók. A meg nem olvadt fedőport a hegfürdőtől 100…150 mm távolságbanelhelyezett szívócsővel egy hőálló alkatrészekből álló porszívó visszaszívja, vagy a fe-dőpor más módon összegyűjthető.

A fedőport a gravitációs erő tartja a kívánt helyen, ezért a PA és PB pozícióktól el-térő, ún. térbeli helyzetekben hegesztés csak úgy lehetséges, ha a fedőpor és hegfürdőmegtartásáról más erőhatás működtetésével gondoskodunk. Ez legkönnyebben haránt(PC) és függőlegesen felfelé (PF) helyzetben oldható meg.


12.4.5. HűtőrendszerA folyamatosan nagy áramerősséggel üzemelő hegesztőfejek túlhevülését 1…2 l/min

vízárammal lehet elhárítani. A lágyított vízzel üzemelő zártrendszerű hűtőkör 50…100 l-es víztartályból, szivattyúból, szűrőből, átfolyásmérőből és csővezetékekből áll. Avízellátás felügyeletét mágnesszelep (vízőr) biztosítja. A hűtőrendszer normális műkö-dését rendszeres karbantartással kell elősegíteni.

A hűtővíz korroziv hatását inhibitálással, a vízkőlerakódásokat lágyított vagy ioncse-rélt víz használatával lehet kiküszöbölni. A hűtőrendszert közvetlen csapvízzel nem cél-szerű táplálni. Téli körülmények között, 0 °C alatti hőmérsékletek előfordulása esetén avizet hűtőfolyadékra kell kicserélni.

12.4.6. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszerA mai korszerű fedettívű berendezést összetett elektronikus rendszer szolgálja ki. A

rendszerhez tartoznak a kapcsolók, a távszabályzók, a választókapcsolók, a beállítógombok, a különféle kijelzők, figyelemfelhívó eszközök és a fedőpor-, illetve a vízfel-ügyelet.

A legmodernebb gépeket programozó és programtároló egység egészíti ki. Az előze-tesen kipróbált és minősített programok tárolásával és automatikus előhívásával sok fá-radtságot lehet megtakarítani, ugyanakkor a hegesztés mindig a legkedvezőbb beállítás-sal végezhető.

A FH gépesített eljárás, ami a varrat hosszirányával egyező irányú mozgás gépesített-ségét feltételezi. A mozgatóberendezés a hegesztőfejet és/vagy a munkadarabot egyenesvonalúan, vagy körpályán mozgatja. Szerencsés esetben a mozgatóberendezés is a vezér-lőegység felügyelete alá tartozhat, ami lehetővé teszi a hegesztési sebesség programozá-sát.

12.5. A FH eljárás hegesztőanyagaiA fedettívű hegesztő eljáráshoz két, egymástól nem független hegesztőanyag haszná-

latára van szükség: a huzalelektródára és a fedőporra. A hegesztett kötés minőségeszempontjából mindkét hegesztőanyag azonos fontossággal bír, ezért megválasztásuk ésösszehangolásuk fontos hegesztőmérnöki feladat.

12.5.1. HuzalelektródaA fedettívű eljárás huzalelektródáinak a hozzá javasolt fedőporral kombinációban a

következő követelményeket kell kielégítenie:

♦ hegeszthetőségi kritériumok,♦ elvárt ömledékösszetétel és mechanikai jellemzők,♦ a hegesztési feladathoz (huzalszám, áramnem, hegesztési sebesség, egy- vagy

többrétegű hegesztés, kötő- vagy felrakóhegesztés) megkívánt hegesztési tulajdon-ságok.

A fedettívű hegesztés alapanyagválasztéka korlátozott: az ötvözetlen, gyengén és erő-sen ötvözött acélok mellett csak a nikkelbázisú ötvözetekhez gyártanak fedettívű huzalt.

A fedettívű hegesztés huzaljait szigorúan elkülönítik az egyéb huzaloktól, bár afedettívű huzalok között van néhány, amelynek vegyi összetétele azonos a VFI huzalok-kal, de többségük a fedőpor és a védőgáz eltérő metallurgiai hatása miatt attól eltérőötvözöttségű.


A fedettívű huzalokat (a korrózióálló alcsoporttól és néhány nukleáris alkalmazástóleltekintve) rezezett felülettel gyártják. Az acélhuzalok rezezett felülete korrózióvédő, azáramátadást javító és az árambevezetőt koptatás szempontjából kímélő hatású. Afedettívű huzalok tömör és porbeles kivitelűek lehetnek. Elsősorban felrakóhegesztésicélokra tömör és porbeles szalagelektródák is kaphatók.

A huzalelektródák 1,6…6 mm átmérővel 10…500 kg-os kiszerelésben, dobon vagytekercsben kerülnek forgalomba. A kereskedelemben kapható szalagelektródák jellemzőmérete ( ) ( , )25 100 0 5 1! !⋅ ⋅mm mm, korrózióálló acélokhoz 60 0 5⋅ ⋅, mm mm, de plattí-rozáshoz ennél szélesebb szalagokat is gyártanak.

A huzal- vagy szalagfelületnek a hegesztéskor tisztának (szennyeződéstől, korrózióstermékektől, huzalhúzási kenőanyagtól mentesnek) kell lennie.

12.5.1.1. AcélokA sokféle acélminőség közül az MSZ EN 288-3 szerinti első anyagcsoportba (W01)

tartozó ötvözetlen és gyengénötvözött finomszemcsés acélok, valamint a korrózió- éshőálló acélok (W09) érdemelnek megkülönböztetett figyelmet.

Őtvözetlen és gyengén ötvözött acélok huzalelektródáiAz első anyagcsoportba tartozó ötvözetlen, mikroötvözött és/vagy gyengén ötvözött

finomszemcsés acélok huzalelektródáit az alapanyagok max. 500 MPa folyáshatáránálnagyobb, max. 600…700 MPa folyáshatár jellemzi. Az acélhuzalok karbontartalma( , , )%0 05 0 20! , 0,1 % középértékkel, az S és P tartalom korlátozott ( , , )%0 025 0 035! ,a szilárdsági követelményeket elsősorban a Mn és Si ötvözőkkel állítják be. Járulékosötvözőként a Mo és a Ni fordul elő. Az S1 jelű huzal, ami hegesztőpálcaként és a bevo-natos elektródák maghuzalaként is széles körben alkalmazást nyer, átlagosan 0,12 %C,0,15 Si és 0,5 Mn tartalmú.

Az alacsony hőmérsékleten üzemelő acélok átmeneti hőmérséklete Ni, Cr és Mo öt-vözéssel csökkenthető, a 350…600 °C hőmérséklettartományban üzemelő melegszilárd(kúszásálló) acélok fedettívű huzaljai Ni, Cr , Mo és V ötvözéssel készülnek.

Jelentős mechanikai igénybevétel elviselésére fejlesztették ki a hadiipari alkalmazá-sokra szánt Mn-Ni-Cr-Mo ötvözésű és V-Al-Ti-Zr mikroötvözésű acélhuzalokat.

A fedettívű huzalok szilárdságát és keménységét az előtolhatóság messzemenő szemelőtt tartásával határozzák meg. Jó előtolhatóság várható a 800…1000 MPa szakítószi-lárdságú huzaloktól.

A max. 500 MPa garantált folyáshatárral rendelkező ötvözetlen és finomszemcsésacél alapanyagok fedettívű huzalelektródáinak jelölését és a velük szemben támasztottkövetelményeket az MSZ EN 756:1998 szabvány tartalmazza. Mivel a huzalokat mindigvalamilyen fedőporral olvasztják le, a szabványos jelölés egy adott huzal-fedőpor kom-binációval készült ömledék jellemzőire épül.

Az MSZ EN 756 szabvány az ötvözetlen és finomszemcsés, legfeljebb 500 MPa fo-lyáshatárú szerkezeti acélokhoz gyártott huzalelektróda-fedőpor kombinációkat egy öt-tagú jelkóddal azonosítja. A jel konstrukciója a következő (a mintaként adott jelölés egy1% Mn ötvözésű huzalelektróda és egy aluminátbázikus fedőpor párosítására vonatko-zik):

1. 2. 3. 4. 5.

S 46 3 AB S2


A jelcsoport egyes tagjainak jelentése a következő:

1. Az S betű a fedettívű hegesztésre (Submerged Arc Welding) utal. (Nem tévesz-tendő össze a védőgázos huzalok egykori DIN jelölésével, ami szintén S betűvolt!) A jelkombináció 4. tagja a fedőpor, az 5. a huzal azonosító jele. A 2. és 3.jel az adott huzal-fedőpor kombinációval készült hegömledék mechanikai jellem-zőit jelenti.

2. Az ömledék szilárdságát és alakváltozóképességét jellemző jel. Származtatása: azömledék MPa-ban adott minimális folyáshatárának tizedrésze.

3. Az ömledék átmeneti hőmérsékletére utaló szám. Származtatása: az átmeneti hő-mérséklet tizedrészének abszolút értéke. A +20 °C -os, vagyis a környezeti hőmér-sékletet A betű jelöli, ami az Ambient szó kezdőbetűje.

4. A fedőpor salaktípusa az EN 760 sz. szabvány szerint. A fedőporokat mangán-szilikát (MS), kalcium-szilikát (KS), cirkónium-szilikát (ZS), rutil-szilikát (RS),alumunát-rutil (AR), aluminát-bázikus (AB), aluminát-szilikát (AS), aluminát-flu-orit bázikus (AF) és fluorit-bázikus (FB) csoportba sorolták.

5. A fedettívű huzal vegyi összetételének típusjele. Az S betű utáni szám a Mn tarta-lomra utal 0,5 %-os egységekben. A további ötvözők a vegyjelükkel és közepeskoncentrációjukkal szerepelnek. Ha a koncentráció nem éri el az egy százalékot,akkor a számjelzés elmarad. Pl.: S3Ni1Mo olyan huzalt jelent, aminek átlagos Mntartalma 1,5%, Ni tartalma 1%, Mo tartalma 0,5% (egy százaléknál kevesebb).

Korrózióálló acélok huzalelektródáiA sokféle korrózióálló és hőálló alcsoport leggyakrabban használt típusaihoz

fedettívű huzalt is készítenek. Ezek ötvözését úgy alakították ki, hogy a javasolt kombi-nációban szereplő fedőporral lehegesztve, a vegyi ellenállás megőrzése miatt, azömledékösszetételük legfeljebb csak kis mértékben térjen el az alapanyagétól és a me-legrepedés elhárításához szükséges néhány % deltaferritet tartalmazó varratot eredmé-nyezzen.

A korrózióálló acélok 0,03 % (LC) vagy 0,08 % maximális karbontartalommal, jel-lemzően 0,5 % körüli Si, 1 % körüli Mn tartalommal és az alcsoportra jellemző Cr, Niés Mo ötvözéssel rendelkeznek. Ha szükséges, a szemcsehatárt Cr-ban elszegényítő Crkarbid kiválást a stabil karbidképző Nb adagolásával előzik meg.

12.5.1.2. NikkelötvözetekA nikkelötvözetek mind az alacsony, mind az acélokkal elérhetőnél magasabb hő-

mérséklettartományban egyre szélesedő körű alkalmazást nyernek. A Ni ötvözetekbőlkészülő jellegzetes gyártmányok egy részét (pl. a tartályokat és csöveket) méretüknélfogva fedettívű hegesztéssel lehet gazdaságosan gyártani, ezért az alapanyagnak megfe-lelő ötvözetcsoportokhoz nikkelbázisú huzalokat fejlesztettek ki. Kémiai összetételükettekintve a tiszta Ni, Ni-Mo, Ni-Cr, Ni-Cu és Ni-Cr-Mo ötvözeteket gyártják a legna-gyobb tömegben.

12.5.2. FedőporokA fedőporok a FH minőséget és gazdaságosságot befolyásoló fontos hegesztőanyagai.

A fedőpor az elsődleges védelmi funkción kívül befolyással van az ívstabilitásra, azívhőmérsékletre, a varrat beolvadási alakjára és méreteire, a hegfürdőben végbemenőmetallurgiai folyamatokra, a varrathibákra, a varrat mechanikai jellemzőire és közvetve


a hegesztési paraméterekre, a hegesztés teljesítményadataira és a varrat fajlagos költsé-geire.

12.5.2.1. A fedőporok gyártási módjaiA fedőporokat természetes ásványokból vagy szintetikus (ezért nagy tisztaságú) ve-

gyületekből állítják elő. A fedőporok előállítási technológiája alapvető befolyással van afedőporszemcse alakjára, sűrűségére, pórusosságára, az ötvözés lehetőségére és a he-gesztési folyamat paramétereire.

Olvasztott fedőporokA fedőporok legrégibb és legegyszerűbb előállítási technológiája szerint a porkompo-

nenseket (többnyire ásványi vegyületek) szárazon összekeverik, majd ívkemencébenmegolvasztják. A homogenizált olvadékot gyorsan lehűtik, majd őrlés után szitasoronméretfrakciókba osztályozzák.

Az olvasztott fedőpor éles szemcsézetű, nagy sűrűségű, nem porózus; szemcsenagy-sága néhány tized mm-től néhány mm-ig terjed. Az előállítás 1500 °C feletti hőmérsék-letéből következik, hogy a fedőpor sem dezoxidenseket, sem ötvözőket nem tartalmaz-hat. Az olvasztott fedőporok homogén összetételűek, nem higroszkóposak, porladásracsak kevéssé hajlamosak. Nagy sebességű hegesztésre alkalmasak.

Az olvasztott fedőporokat az angol Fused szó kezdőbetűjével, F-fel jelölik. Törté-nelmileg az első fedőportípus volt, amiből igen nagy mennyiséget gyártottak és használ-tak fel. Olvasztott fedőpor pl. a BÖHLER BF 16 jelű.

Keramikus előállítású fedőporokA keramikus fedőporok az ipari kerámiákhoz hasonlóan az olvasztási műveletet mel-

lőző előállítási technológiával készülnek. A poralkotókat szárazon keverik, majd hozzá-adják a kötőanyagot és a kívánt szemcseméretűre agglomerálják. A porszemcséket szer-vetlen kötőanyaggal (Na2SiO3 és/vagy K2SiO3, vízüveg) vagy szinterizálással kötikegymáshoz. Az agglomerálás után a szemcsén belüli kötőerők növelése érdekében 500…800 °C hőközben hőkezelés (izzítás, szinterizálás) történik. A keramikus előállításúfedőporokat az előállítás egyes jellemző mozzanatairól ragasztottnak (Bonded),agglomeráltnak (Agglomerated) vagy szinterizáltnak (Sintered) is nevezik. Szokásos je-lölésük az uralkodó vízüveges kötéstechnológia miatt B (Bonded). A vízüveges kötésűgyártástechnológia megegyezik az elektródabevonatoknál alkalmazottal, ezért az ilyenfedőporokat többnyire az elektródagyárakban állítják elő. A sütési (baking) hőmérsékletolyan alacsony (500 °C), hogy a ferroötvözők a többi komponenssel nem lépnek reakci-óba, ezért az ilyen fedőporokba ötvözők is elhelyezhetők.

A B jelű fedőporok lekerekített szemcséjűek, porladásra hajlamosak, pórusokat tar-talmaznak, nagy felületűek, ezért nedvességmegkötő képességük az olvasztottakénál jó-val magasabb. Felhasználás előtt szárítást igényelnek (a bázikus fedőporokkal elérhetőalacsony hidrogéntartalmat az ömledékben enélkül nem lehet biztosítani). A szárításirányértéke 300 °C-on 2 h. Az azonnal fel nem használt fedőporokat alkalmas (kereske-delemben is kapható) tárolóban 150 °C-on kell tárolni. Keramikus előállítású fedőporokpl. a BÖHLER BB xx jelűek és az ESAB FLUX xx.xx fedőporok.

Keverék fedőporokKülönböző előállítási módú fedőporok mechanikusan összekeverhetők, ezeket az an-

gol Mixed szóból eredően M betűvel jelölik. A keverék fedőporok a szállítás és raktáro-zás vagy a hegesztés során alkotóikra válhatnak szét és összetételileg inhomogén varra-tot eredményeznek, ezért alkalmazásuk nem javasolható.


12.5.2.2. A fedőporok salakjának kémiai jellegeA nyersvas- és acélgyártásnál tanultakhoz hasonlóan a fedettívű hegesztésre is el-

mondható, hogy a salak kémiai jellege alapvetően befolyásolja a varrattisztaság szem-pontjából fontos vegyi (ötvözőkiégési, dezoxidációs, kén- és foszforcsökkentési) reakci-ókat.

A fedőporok salakjának eredő kémiai jellegét az alkotók jellege és aránya határozzameg. A FH-nél fontos szerepet játszó salakkomponensek besorolása a következő:

♦ bázikus komponensek: Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO, MnO, FeO, CaF2;♦ savas komponensek: SiO2, TiO2, ZrO2, Al2O3;♦ neutrális komponensek: NaCl, KCl.

A salak jellegét a bázikus salakú fedőporok dominanciája miatt a bázicitási indexszelmérik. Többféle ilyen index létezik, a Bonisewszkitől származó a következő:

bNa O K O Li O CaO MgO BaO CaF MnO FeO

SiO TiO ZrO Al O= + + + + + + + ⋅ +

+ ⋅ + +2 2 2 2

2 2 2 2 3

0 5

0 5

, ( )

, ( )(12.1.)

A salakok savasak, ha b < 0 8, , neutrálisak, ha 0 8 1 2, ,≤ ≤b és bázikusak, ha b > 1 2, .

A bázicitási index a varrat várható oxigéntartalmának becslését is lehetővé teszi. Aneutrális és a bázikus salak alatt készített varratok oxigéntartalma a savas salakokénáljóval alacsonyabb. A 12.4. ábra szerint a savas salakokra jellemző 0,06…012 % nagy-ságú oxigéntartalom csak a semleges tartományban csökken az elvárt 0,05 % határérték-re, de bázikus salakoknál a varrat oxigéntartalma akár 0,03 % alá is csökkenhet.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Bázicitási index

A v

arr

at

ox

igé

nta

rta

lma

, %

0

0.05

Savas BázikusSeml.

12.4. ábra. A varrat oxigéntartalma és a fedőpor bázicitási indexe közötti összefüggés

Az oxigéntartalom erőteljes befolyással van a hegvarrat szívósságára és átmenetihőmérsékletére. A bázicitási index és az oxiéntartalom közötti összefüggésből egyene-sen következik, hogy a bázikus fedőporokkal hegesztett varrat szívóssága sokkalkedvezőbb, mint a savas salakkal készített varratoké (12.5. ábra).

Az erősen bázikus (b=3,4) salakú OK Flux 10. 62 fedőporral 0,03 % oxigén- és 5ml/100 g nagyságú hidrogéntartalom is elérhető, ami megfelelő huzalelekródával (pl.S3Si) akár -60 °C átmeneti hőmérséklet elérését is lehetővé teszi, ezért nukleáriserőművekben és off-shore alkalmazásoknál előszeretettel használják.


A varrat oxigéntartalma, %

Ütõ

mu

nka

-25

oC

-on

, J

0.02 0.03 0.04 0.05 0.060

20

40

60

80Al2O3

MgO

CaO.SiO2SiO2

12.5. ábra. A varat oxigéntartalmának (közvetve a salak bázicitásának) hatása a varratütőmunkájára. A kémiai képletek a fedőpor legfontosabb komponensét jelölik

A savas salakokat kiváló hegesztési tulajdonságaik, jó nedvesítőképességük és a felü-leti szennyeződéssel szembeni igénytelenségük (pórusképződésre való érzéketlenségük)révén az egyrétegű hegesztésekhez lehet előnyösen alkalmazni, ha nincsenek komolyszilárdsági és szívóssági követelmények.

Tipikus savas fedőporok:

! Mangánszilikát típus: MnO+SiO2>50 %Mn ötvözés, nagy elérhető hegesztési sebesség és max. 1100 A áramterhelhetőségjellemzi.

! Kalciumszilikát típus:CaO+MgO+SiO2>60 %, magas SiO2-tartalommalMn ötvözés jelentéktelen, amit a huzal Mn tartalmának növelésével kell kompen-zálni, Nagy áramterhelhetőség, egészen 2500 A-ig.

A semleges fedőporok a savas és a bázikus fedőporok tulajdonságainak körülbelüliátlagával (közepes szilárdság és szívósság) rendelkeznek. AC-re és DC-re egyaránt al-kalmasak. Alkalmasak többrétegű hegesztésre. Rozsdára nem érzékenyek.

Tipikus semleges fedőporok:

! Kalciumszilikát típus: CaO+MgO+SiO2>60 %, közepes SiO2-tartalommal

A bázikus salakok jobb szívóssági tulajdonságokat eredményeznek, ami az alacso-nyabb oxigén-, kén- és foszfortartalom következménye. Ezek az előnyök főleg a többré-tegű hegesztéseknél szembetűnők, amik ellensúlyozzák a kissé gyengébb hegesztési tu-lajdonságokat.

Tipikus bázikus fedőporok:

! Kalciumszilikát típus: CaO+MgO+SiO2>60 %, alacsony SiO2-tartalommalKözepes szilárdság mellett alacsony oxigéntartalom, emiatt kiváló szívósság jellemzi.Nagysebességű hegesztésre alkalmas, többhuzalos hegesztésre alkalmatlan.Rozsdaérzékeny.

! Aluminát-bázikus típus: Al2O3+CaO+MgO>45 %; Al2O3>20 % tartalommalDCEP polaritással hegeszthető, kiváló szilárdság és szívósság jellemzi. Alkalmastöbbrétegű hegesztésre. Rozsdaérzékeny, salakja nehezen válik le.


12.5.2.2. A fedőporok salakjának ötvözési jellegzetességeiÖtvözés szempontjából az ugyanazzal a hegesztőhuzallal párosított és azonos para-

méterekkel lehegesztett fedőporok különbözőképpen viselkednek. Ez azt jelenti, hogyeltérő a metallurgiai aktivitásuk. A fedőporok metallurgiai aktivitását alapvetően a vegyiösszetétel határozza meg. A metallurgiai aktivitást a gyártási mód csak annyiban befo-lyásolja, hogy legnagyobb előállítási hőmérsékletet lehetővé teszi, avagy sem aferroötvözők bevitelét.

A fedőporokból történő ötvözés attól is függ, hogy a hegesztési folyamatban mennyifedőpor olvad meg, mert ötvözés csak salakból (fedőporolvadékból) lehetséges. A meg-olvadt fedőpor mennyiségét alapvetően az ívfeszültség határozza meg. Nagyobb ív-feszültség esetén nő a varrat szélessége, és ezzel a fölötte megolvadt salak tömege (12.6.ábra) A leolvadt huzal mennyisége elsősorban az áramerősség függvénye. A varrat ösz-szetétele tehát első közelítésben a felhasznált mf fedõportömeg és az mh huzaltömeg Rfh

viszonyszámától függ:

Rm

mfhf

h= (12.2.)

b2b1 b3

U1 U3U2< <

b1 b3b2< <

12.6. ábra. Az ívfeszültség hatása a megolvadt fedőpor mennyiségére

A fedőpor/huzal viszony pl. a keramikus előállítású, nem ötvöző, erősen bázikus(b=3,2) OK Flux 10.63 (ESAB) fedőporral, DCEP polaritással végzett hegesztéskor akövetkezőképpen alakul: 26V/0,7; 30V/0,9; 34V/1,2; 38V/1,5. Látható, hogy a szélsőívfeszültség-értékek esetén a huzalhoz viszonyított fedőporfogyás több, mint duplájáranőtt.


Metallurgiailag aktív fedőporokEzek a fedőporok ferroötvözők nélkül olyan mennyiségű Mn-t és Si-ot tartalmaznak,

ami a dezoxidálás éa a Mn esetében a kénredukció után még a hegfürdőötvözőtartalmának növelésére is elégséges. Jelöljük a Mn tartalom változását ∆Mn-nal,a Si-ét ∆Si -mal, a hegfürdő ötvözését +, a kiégést - előjellel! Definiciószerűen akkortekinthető egy fedőpor aktívnak, ha hegesztés folyamán a varrat Mn és Si koncentrációjaegyüttesen 0,4 %-kot meghaladó mértékben növekszik:

∆ ∆ ∆c Mn Si= + >0 4, % (12.3.)

Az aktív fedőporok elsősorban egyrétegű hegesztésre alkalmasak, mert a felkevere-dés miatt a többrétegű hegesztésnél a Mn és a Si koncentráció az utolsó rétegekben márnemkívánatos mértékben megnövekedne. A beötvöződés mértéke ívfeszültségfüggő,ezért az ívfeszültség a huzal-fedőpor kombinációra megadott értéktől nem térhet el je-lentősen. A fedőporok besoroló vizsgálata 8 V ívfeszültség-különbséggel történik.

Metallurgiailag semleges fedőporokAmennyiben a ferroötvözőt nem tartalmazó fedőporokkal végzett hegesztéskor az

együttes Mn és Si koncentráció-növekedés nem éri el az aktív fedőporokra jellemző0,4 %-os küszöbértékét, akkor a fedőport metallurgiai szempontból semlegesnek tekint-hetjük. Ennek feltétele matematikai formában:

∆ ∆ ∆c Mn Si= + ≤0 4, % (12.4.)

A semleges fedőporokat főleg a vastag lemezek sokrétegű hegesztésére fejlesztettékki. A dezoxidációhoz és egyéb tisztító műveletekhez szükséges ötvözőmennyiségetilyenkor a hegesztőhuzalból kell biztosítani.

Metallurgiailag ötvöző fedőporokA keramikus előállítású fedőporokban elhelyezhető ötvözők lehetővé teszik gyengén,

közepesen vagy erősen ötvözött acélok hegesztését, illetve felrakóhegesztések végzését.Akár ötvözetlen, ötvözött, sőt erősen ötvözött (korrózióálló) acélhuzalokkal is használ-hatók. Alkalmazásukkor az előzőkben részletezett hatás miatt az ívfeszültséget közelállandó értéken kell tartani.

12.6. A FH eljárás technológiájaA fedettívű hegesztés kivitelezése sok szempontból jelentősen eltér a nyíltívű eljárá-

sokétól. A gépesített huzalelőtolás és a varrat - hosszirányába eső mozgás, valamint anem látható ív miatt a hegesztő kézügyességével kapcsolatos elvárások csökkennek. Afedettívű hegesztést automatakezelő képesítéssel rendelkező személy végezheti, akineknem szükségszerűen kell manuális hegesztés terén képzettnek lennie.

12.6.1. A fedettívű hegesztés munkarendi adataiA FH eljárással készített varrat minőségét igen sok hegesztési változó (ún. paramé-

ter), és egyéb hegesztési körülmény befolyásolja, amelyek a végeredményen kívül egy-mással is bonyolult kölcsönhatásban vannak. A technológia optimalizálása csak komp-lex matematikai módszerekkel lehetséges.

A hegesztő eljárás valamennyi körülményét és számszerűsíthető paraméterét a he-gesztési terv, a műveleti utasítás (WPS) és különféle munkautasítások tartalmazzák. Asok változó között a következő rendszerezéssel igazodhatunk el.


1. A huzalelektródával kapcsolatos adatok:♦ a hozaganyag fajtája (huzal, szalag; tömör, porbeles),♦ a hozaganyag ötvözési típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a hozaganyag átmérője,♦ huzalelőtolási sebesség.

2. A fedőporral kapcsolatos adatok:♦ a fedőpor kereskedelmi márkajele,♦ a fedőporréteg vastagsága (portölcsér homloklapjának távolsága a hegsztendő fe-

lülettől).

3. A hegesztőfejjel kapcsolatos adatok:♦ a hegesztőfej típusa (kereskedelmi márkajele),♦ a poradagolás helye (hegesztőfejen belül vagy kívül),♦ a hűtés módja,♦ a hűtővíz térfogatárama (vízhűtés esetén),♦ a porvezető fúvóka anyaga, alakja, átmérője,♦ szabad huzalhossz.

4. A varratképzéssel kapcsolatos adatok:♦ a hegesztés kivitelezése (kézi vagy gépesített, automatizált),♦ a hegesztés sebessége ( kézi hegesztés esetén csak tájékoztató jelleggel),♦ a porvezető fúvóka és a tárgy közötti távolság,♦ a hegesztőfej tengelyének dőlési szögei (a varrat hosszmetszeti szimmetriasíkjá-

hoz és a szimmetriasíkban a felület normálisához viszonyítva; a varrat húzott vagytolt),

♦ a keresztirányú ívelés adatai.

5. A hőbevitellel kapcsolatos adatok:♦ kiindulási (környezeti vagy előmelegítési hőmérséklet),♦ áramnem,♦ polaritás (DC esetén),♦ áramerősség,♦ ívfeszültség,♦ hegesztési idő (ívponthegesztés esetén).

6. A hegesztő berendezéssel kapcsolatos adatok:♦ áramforrás márkajele,♦ az induktivitás nagysága,♦ huzalelőtoló típusa.

7. A hegesztőgép és készülék adatai:♦ hegesztőgép azonosító jele (gépesített hegesztés esetén),♦ a hegesztőfej felerősítésének módja, (gépesített hegesztés esetén),♦ a hegesztőkészülék azonosító jele,♦ a munkadarab befogásának módja,♦ hegesztési helyzet,♦ a hegesztési sebességet eredményező relatív mozgás megvalósítója (hegesztőgép,


8. A kötés és az alkatrészek előkészítése hegesztéshez:♦ a kötés típusa,


♦ varrattípus,♦ varratméretek (vastagság és hosszúság),♦ varratfelépítés (vastagságirányban, hosszirányban),♦ munkadarab élelőkészítés (leélezés méretei),♦ felülettisztítás (mindkét oldalon),♦ illesztési adatok,♦ a hegfürdő megtámasztása,♦ fűzési adatok (fűzővarratok száma, helye, méretei, ha vannak).

9. A végrehajtó személyzettel szembeni elvárások:♦ a hegesztő vagy automatakezelő elvárt minősítése,♦ sikeres munkapróbakészítés.

A felsorolt hegesztési adatok közül néhány eljárás-specifikussal a következőkbenrészletesen is foglakozunk.

12.6.2. Huzal fedőpor kombináció különböző feladatokraMinden olyan hegesztő eljárásnál, ahol metallurgiallag két aktív hegesztőanyag gya-

korol hatást a varrat összetétekérebés ezen keresztül avarrattulajdonságokra, a kéthegesztőanyagot, esetünkbenm a huzalelektróda anyagát és a fedőport gondosab összekell hangolni. Az összehengolás a hegesztendő alapanyagal szemben támasztott köve-telmények alapján lehetséges, mivel a kötésre ható igénybevételek többnyire az alap-anyag megválasztásából jól következnek.

Az összehangolás legtöbbször a következő szempontok alapján végezhető:

♦ szilárdsági követelmények,♦ átmeneti hőmérséklet,♦ összetételi követelmények (korrózió, kopás, sugárhatás ellen).

Az első esetben arra törekszünk, hogy a varrat folyáshatára és/vagy szakítószilárdsá-ga egyezzen meg az alapanyagéval (matching). Ha a varrat szilárdsága nagyobb, akkorovermatching, ha alacsonyabb, akkor undermatching kifejezések használatosak. A szi-lárdsági megfeleltetés a heegsztéssel le nem utánozható kohászati technológiák (pl.termomechanikus vagy hőkezelés) esetén ütközik nehézségbe, mert a varrat szilárdságátjavarészt csak ötvözéssel és kisebb mértékben a hegesztési technológiával (pl. vonal-energia nagysága) módosíthatjuk.

A második esetben ötvözéssel és a szemcseméretet korlátozó, szabályozotthőbevitelű, többrétegű varratfelépítéssel lehet az adott célt elérni.

A korrózió-, kúszás-, hő- és kopásállási tulajdonságok főként ötvözéssel érhetők el,bár a technológia szerepe ebben az esetben sem elhanyagolható.

A fedettívű hegesztés esetében a huzal anyagát a fedőpor ötvözési lehetőségeit szemelőtt tartva választjuk meg, mivel az ötvözés a fedőporból mindig olcsóbb, mint tömörhuzalból.

Metallurgiailag semleges (nem ötvöző) fedőpor esetében minden ötvözőt a huzaltartalmaz. A fedettívű huzalok tárgyalásakor láttuk, hogy az ötvözetlen szerkezeti acélokhuzaljainak szilárdságát alacsony C tartalom mellett a Mn tartalom fél százalékoslépcsőzésével oldották meg. Ha a Mn tartalom a kívánt cél elérésére önmagában nemelégséges, akkor a szükséges Cr, Ni, Mo, stb. ötvözés a huzalt jelentősen megdrágítja.


Metallurgiailag aktív fedőporokból Mn-t és/vagy Si-ot ötvözhetünk avarratba. Ilyenesetekben a huzalelektróda kevesebb ötvözőt tartalmazhat. A közepes és nagy MnO, il-letve közepes és nagy SiO2 tartalmú olvasztott fedőporokat erre az esetre fejlesztettékki. A fedőpor-huzal kombináció ebben az esetben arra irányul, hogy a varrat szilárdsá-gához szükséges Mn és/vagy Si tartalmat a fedőporból és a huzalból együttesen biztosít-sák.

A keramikus előállítású, metallurgiailag ötvöző fedőporok szín állapotú (Ni), vagyferroötvözőket (FeCr, FeMo) tartalmaznak, amelyek valamilyen átviteli tényezővel(több-kevesebb) veszteséggel kerülnek be a hegfürdőbe. Az ötvözött fedőpor mindenszükséges ötvözőt tartalmazhat. Szélsőséges esetben korrózióálló CrNi acélt akár ötvö-zetlen szénacél huzallal lehet hegeszteni. Gyakoribb az az eset, amikor az ötvözés a hu-zalból és a fedőporból együttesen történik.

A kombinációs lehetőségeket tovább bővíti a porbeles huzalok és a keverékfedőporok használata.

12.6.3. Előkészítés és varratfelépítésMint minden gépesített hegesztés, a FH is fokozott pontosságú előkészítést igényel.

Az élszalag méretét az áramerősség meghatározta beolvadási mélységhez kell igazítani.Az illesztési rés elsősorban a huzalátmérő függvénye. A nagy falvastagságoknál fontos avájatszög nagysága, mivel a hossz- és keresztirányú alakváltozás is a varratszélességfüggvénye.

Minden esetben recétlenített, rozsdátlanított felületet kell hegeszteni. Különösenfontos ez a hidrogénszennyezésre érzékeny bázikus fedőporok alkalmazásakor.

Egyoldali varratoknál nagy keresztirányú szögelfordulásra lehet számítani, ezért min-den lehetséges esetben kétoldali hegesztésre kell törekedni. Az egyik oldalról bevitt hő-mennyiséget ilyenkor a túloldali hővel egyensúlyozzuk ki. A már elkészült varrat me-revítő hatása (inerciája) miatt az X varratot aszimmetrikusra (kb. 2:1 arányúra) célszerűtervezni. Az is jó megoldás, ha minden sor, vagy minden második sor után átfordítjuk adarabot, vagy a szembenálló varratokat (mint pl. szekrénytartó estében) egyidejűleg,azonos hőbevitellel hegesztjük.

Hosszirányban a varratokat középtől a végek felé célszerű hegeszteni, de néhány mvarrathosszúságig a végtől - végig végzett hegesztés is megfelelő lehet.

A nagy falvastagságok és varrathosszak miatt a hegesztendő darabokat erős készü-lékelemekkel rögzíteni kell, hogy a hegesztés okozta hőbevitel ne deformálja el a he-gesztési éleket és főleg ne változtassa meg az illesztési rés és vájatszög mértékét.

12.6.4. A hegfürdő megtámasztásaA fedettívű kötőhegesztést gyakorlatilag csak vályúhelyzetű tompavarratok (PA) és

fekvő (PA), valamint álló helyzetű (PB) sarokvarratok készítésére használják. Ezekben apozíciókban a fedőport és a salakot a gravitációs erő a helyén tartja, ezen anyagok meg-támasztásáról csak akkor kell gondoskodni, ha kis rádiuszú hengeres gyártmány (cső,tartálypalást) körvarratát hegesztik.

A fedettívű hegesztésre jellemző nagytömegű hegfürdő és esetenként kis hegesztésisebesség miatt a hegfürdő anyagának dermedése olyan lassú, hogy fennáll a folyadék el-folyásának veszélye. Különösen fontos az alátét alkalmazása olyan varratelőkészítésimódoknál, ahol az illesztési rés nagy és az élszalag vékony, mivel ekkor a hegfürdőt


semmi nem támasztja meg. Az olvadt salak viszkozitása kicsi és könnyen elfolyik, a sa-lakelfolyást pedig a hegfürdő fémének elfolyása követheti.

Vékony lemezek hegesztéshez pontos illesztésű réz alátétet célszerű használni. A rézalátét tartalmazhat sekély gyökformáló hornyot. (12.7. ábra). Nagyobb hőterheléskor amegolvadást megelőző vízhűtést kell alkalmazni.

Vastag lemezekhez fedőpor vagy speciális alátétpor (pl. ESAB, OK Flux 10.69)alkalmaza javasolható. Az alátét fedőport a munkadarab súlyereje, vagy a fedőporraalulról gyakorolt (pneumatikus, hidraulikus) erő szorítja a hegesztendő darabhoz. Afedőpor hegesztés közben megolvad és a hegfürdőt alulról ugyanolyan salakréteg védi,mint felülről. Az alsó porpárnás megoldás csak a fedettívű eljárásra jellemző különlegeslehetőség, aminek az alkalmazását minden lehetséges esetben célszerű a többifürdőtámasszal szemben előnyben részesíteni.

Porpárna

AlátétlemezVFI, BKI záróvarrat

Rézalátét

12.7. ábra. A hegfürdő megtámasztása a salak és fém elfolyásának megelőzésére

Egyedi gyártásban vagy néhány darabos széria esetén BKI vagy VFI eljárássalzáróvarratot készíthetünk, ami a hegfürdőt megtámasztja. A záróvarratokat utólag cél-szerű eltávolítani, vagy ennek elmaradásakor a kétféle varratösszetétel kompatibilitásátelőzetesen megvizsgálni.

Egyoldali varratoknál a beolvadó alátétlemez alkalmazása is szóba kerülhet. Ez amegoldás a hengeres profilok (csövek, edényköpenyek) keresztmetszetét szűkíti és a ki-fáradási jellemzőket jelentősen mérsékli, ezért alkalmazását csak különlegesen indokoltesetben vegyük számításba.

12.6.5. Az áramnem, polaritás, az áramerősség és áramsűrűség hatá-sa

Fedettívű hegesztéshez 1000 A alatt egyenáramot, 1000 A fölött váltakozó áramothasználnak. Ennek az a magyarázata, hogy 1000 A feletti áramerősségeknél az egyen-áramú ív mágneses ívfúvó hatása túlzottan zavaróvá válik.

Kötőhegesztéshez DCEP (fordított) polaritás az általánosan elterjedt. A fordított po-laritás szélesebb varratot, mélyebb beolvadást és nagyobb mértékű felkeveredést (hígu-lást) eredményez, mint az egyenes (DCEN).

Egyenes polaritás felrakóhegesztéshez előnyös, mivel ilyenkor a beolvadási mélységcsökken, a varratdudor magassága nő és kisebb lesz a hígulás mértéke.


Váltakozó áram esetén a vizsgált jellemzők a DCEP és DCEN polaritással kapott ér-tékek közé esnek. Váltakozó áram használata a nagy áramerősségek mellett a többhuza-los technikáknál is előnyös.

Az áramerősség a FH legfontosabb hegesztési változója, ami a beolvadási mélységre,a leolvasztási teljesítményre és a varrat összetételi hígulására van nagy hatással.

Az áramerősség növelésével (az ívfeszültség változatlan értéke mellett) a fedő-por/huzal fogyasztás Rfh viszonyszáma csökken, ami a fedőpor metallurgiai szerepénekcsökkenéséhez vezet.

Az áramerősség növelésével az ívstabilitás javul, a beolvadási mélység növekszik, avarratszélesség alig változik. Megnő a hígulás mértéke és a hőbevitel növekedésévelarányosan nő a deformáció, ennek gátlásából a belső feszültség értéke.

Az áramsűrűség növelése a varratszélesség csökkenéséhez és a beolvadási mélységnöveléséhez vezet. Vastagabb huzal akkor előnyös, ha az illesztési rés nagy, vagy vál-tozó.

12.6.6. Az ívfeszültség és hatása a varratalakraAz áramerősséggel szemben az ívfeszültség növelése az ívhossznövekedésen keresz-

tül a varratszélesség növekedéséhez és a beolvadási mélység csökkenéséhez vezet. Na-gyobb feszültség növeli az Rfh viszonyszámot és ezzel a fedőporfogyasztást. A többsalakból intenzívebb a metallurgiai hatás. Minden egyes áramerősség mellett kb. 10 Vnagyságú feszültségintervallumon belül lehet hibamentesen hegeszteni, Túl nagy fe-szültség hatására az ív instabillá válik, kitör a fedőpor alól és széles, lapos varrat jön lét-re gyakran szegélykiolvadással párosulva. Túlzottan alacsony hegesztési feszültségnél acseppátmenet rövidzárlatossá válik és a fröcskölés megnő.

12.6.7. A hegesztési sebesség és hatása a varratalakraA hegesztési sebesség változatlan hőáram mellett a vonalenegia értékét csökkenti,

ezzel a varrat beolvadási mértéke és szélessége egyaránt csökken. Ha a hegesztési sebes-séget nagyon lecsökkentjük, akkor a hegfürdő az ív alá folyik és mérsékli a beolvadásimélységet. Nagy hegesztési sebességeknél a varratkorona eltorzul és szegélykiolvadáskeletkezhet.

Az elérhető hegesztési sebességet a fedőpor nagymértékben befolyásolja. Kiemeltennagy (pl. v m mm sh > =2 5 4167, / min , / ) hegesztési sebesség csak erre a célra alkalmasfedőporral valósítható meg. Nagy sebességű hegesztéssel készülnek pl. a spirálvarratoscsövek varratai.

12.7. A fedettívű eljárással készített varrat minőségeA fedettívű hegesztéssel készített varrat minősége általában jó, de vannak olyan kö-

rülmények, amelyek első közelítésben a minőségcsökkenés irányában hatnak. Ezek akövetkezők:

1. A FH esetében a varrat alapanyag részaránya nagy, elérheti a 2/3 értéket is. Mivel azalapanyag mindig szennyezettebb és rosszabb minőségű, mint a hegesztőanyag, ezérta varrat vegyi összetétele kedvezőtlen irányban alakul.

2. A nagytérfogatú hegfürdő lassabban dermed, mint a kistömegű, ezért a dendritágakdurvábbak lesznek. A hosszabb hegfürdő létidő és a lassúbb kristályosodás miatt aszennyező dúsúlások nagyobb mértékűek lehetnek.


3. Különösen a nagy áramerősségekkel készített. mély beolvadású varratok alakténye-zője kedvezőtlen (ψ = <b h/ 2), ezért a fedettívű varratok melegrepedésre hajlamo-sabbak.

4. A nagyméretű, vastagfalú, merev szerkezetek hegesztésekor a hegesztésből származódeformációk és feszültségek nagyobb mértékűek.

5. A hegesztőfej gépesített mozgatása és a fedett ív szemmel való követhetetlensége mi-att a nem pontos helyre való hegesztés (kötéshiba) veszélye fokozott.Az előzők miatt a varrathibák és a hegeszthetőségi problémák fokozott veszélyt je-

lentenek. Általános szabály, hogy a FH a többi eljárástól eltérő hegesztőmérnöki men-talitást igényel.

A fedettívű hegesztés jellemző varrathibái: kristályosodási repedés, H okozta hideg-repedés, porozitás, salak, összeolvadási hiba.

A fedettívű varratok minőségét javítja a hegesztés gépi jellege, a hegesztő szubjek-tumának kizárása. Ebből következik, hogy a varratok szabályosak és méreteik állandóak.A jól tervezett és kivitelezett fedettívű varratok (különösen a nembázikus fedőporokesetében) szabályos felületűek, simák, kedvező varrat-alapanyag átmenetűek, laposak,akár közvetlenül festhetők. A lehetséges nagyobb hőbevitel a hűlési sebességet csök-kenti, ezzel az edződési veszély csökkenthető. A salaktípusok többsége a zsugorodásieltérés miatt magától leválik. Ebben a vonatkozásban a Cr ötvözésű és a bázikus fedőpo-rok viselkedése a legkedvezőtlenebb.

A fedettívű hegesztésre fokozottan érvényes az a szabály, hogy kisebb hőbevitellel,többrétegű hegesztéssel jobb minőség érhető el, mint a teljesítménycentrikus hegesztésimunkarendekkel. Ennek az elvnek a betartása azonban egy olyan eljárásnál, ahol a nagybeolvadási mélység és a hatalmas leolvasztási teljesítmény a teljesítménymindenekfeletti hajszolására serkent, nagy önmérsékletet igényel.

12.8. A fedettívű hegesztés eljárásváltozataiA fedettívű hegesztés vályúhelyzetben végzett nagyteljesítményű hegesztés, ezért el-

járásváltozatai a teljesítmény további növelését és a hegesztési helyzet bővítését tűztékki célul. A fedettívű eljárás nagy felületek felrakóhegesztésére kiválóan alkalmas, az er-re irányuló törekvések a tömör és a porbeles szalagelektródás változatotl kifejlesztésé-hez vezettek.

12.8.1. Többhuzalos változatokA leolvasztási teljsítmény növelésének legkézenfekvőbb módja a huzalszám növelé-

se, ami igazán csak a FH-re jellemző. A huzalszám növelésével a leolvasztási teljesít-mény megsokszorozható. A 12.8. ábra szerint pl. egy huzallal 1000 A-rel mintegy10 kg/h, 2000 A-ral 20 kg/h teljesítmény érhető el, ami a huzalszámmal többszörözhető.

Többhuzalos fedttívű hegesztésnél az előkészítő műveleteknek és a készülékezésnekaz alapváltozathoz mérten jóval nagyobb figyelmet kell szentelni.

Ma két-, három- és négyhuzalos hegesztőfejjel ellátott berendezések kaphatók. A be-rendezések bonyolultsága (és ára) a huzalszámmal nő. A huzalokat rendszerint különáramforrásokról táplálják, így az AC és DC kombinációja, háromfázisú táplálás és azegymástól független hegesztési paraméterbeállítás is könnyen megoldható, emellett igennagy hegesztési sebességek érhetők el. A parallel elrendezésű hegesztőfejjel a nagyobb,vagy a varrathossz mentén rendszertelenül változó illesztési rés is áthidalható (bár ez a


minőség szempontjából nem tekintendő követendő útnak). Váltakozóáram használatávala mágneses ívfúvás és az ívek interakciója minimalizálható.

200010000 500 1500

20

40

60

80

Le

olv

as

ztá

si

telj

es

ítm

én

y,

kg

/h

Hegesztõ áramerõsség, A

2 huzal

1 huzal

3huzal

4 huzal

12.8. ábra. A fedettívű hegesztés leolvasztási teljesítményének összefüggése azáramerősséggel és a huzalszámmal

A többhuzalos hegesztés egyik kulcskérdése a huzalok relatív helyzetének és távolsá-gainak előnyös megválasztása. A huzalok soros , párhuzamos és vegyes elrendezésűeklehetnek. A soros elrendezés kötőhegesztéshez, a párhuzamos felrakóhegesztéshez elő-nyös.

A párhuzamos elrendezésű huzaloknál a felrakóhegesztéshez kívánatos kisebb beol-vadási mélység céljából alacsonyabb áramerősséggel hegesztenek, ezért a két huzaltazonos áramforrásról táplálják.

Soros elrendezésnél közös áramforrás alkalmazásakor előnyös az AC áramforráskapcsait a két (három) huzalra kötni és a munkadarabot árammentesen hagyni. Ebben akapcsolási módban több energia jut a huzalok megolvasztására, mint az alapanyag he-vítésére.

A hegesztőfejekben a huzal dőlésszöge változtatható. A huzalok helyzete a hegeszté-si irányhoz viszonyítva többféle lehet. A huzalvég előredöntésével az ív hátrahajlása éskövetkezésként a beolvadási mélység csökkenése kompenzálható, ezért nagysebességűhegesztésekhez ajánlott.

12.8.2. Fedettívű hegesztés szalagelektródávalA szalagelektródás fedettívű hegesztés egyszerűbb és olcsóbb hegesztő berendezéssel

képes a többhuzalos hegsztés leolvasztási teljesítményét elérni. A sekély beolvadás és anagy varratszélesség miatt nagy felületek felrakóhegesztéshez, elsősorban plattírozásá-hoz (overlay) alkalmas, de kötőhegesztéshez is használható. Minden fedettívű hegesztőberendezés alkalmas szalagelektródás hegesztésre, ehhez mindössze csak a hegesztőfejcseréjére van szükség.

A szokásos szalagméretek: plattírozáshoz maximum 250 mm, ezen belül a járatosszélességek 30, 60 és 90 mm, 0,5 és 1 mm-es vastagsággal. Kötőhegesztéshez csak 10…25 mm széles szalagokat forgalmaznak.

A szalagelektróda táplálása DC-vel és AC-vel egyaránt lehetséges. Az AC mellett akisebb mágneses zavarok, ellene a fokozott porozitási hajlam és a kedvezőtlenebb ív-


mozgás szól. Az ív ugyanis a szalag szélességének irányában (keresztirányban) folya-matosan mozog, mivel a leolvadások miatt az ív ellenállása mindig ott a legkisebb, aholaz ív a legrövidebb. Az ív mozgását a modern berendezések mágneses térrel iselősegítik és szabályosabbá teszik.

12.8.3. A leolvasztási teljesítmény növelése fémporralA huzal vagy szalag fémén kívül fémpor a huzalban és szalagban (porbeles huzal,

porbeles szalag) vagy a fedőporban (fémportöltetű fedőpor) is elhelyezhető. A fémpor-töltettel a leolvasztási teljesítmény max. 50…100 %-kal is növelhető. A fedőporhozutólag kevert fémpor használatának ugyanazok a hátrányai, mint a keverékfedőporoknak, ezért a fémport már a gyártási folyamatban a fedőpor többi komponensé-hez kell adagolni. Ez a korábbiakkal összhangban csak a B jelű (alacsony előállításihőmérsékletű ragasztott) fedőporoknál lehetséges. Az utólag keverhető fémporok Mn, éskülönböző Cr-Ni-Mo ötvözéssel kaphatók (pl. ESAB, OK Grain 21.8x sorozat).

12. 8.4. Nagysebességű fedettívű hegesztésA 2.5 m/min sebesség feletti tartományt nagysebességű hegesztésnek nevezik, de a

szokásos 1 m/min alatti sebességekhez viszonyítva az 1és 2,5 m/min sebesség is nagy-nak tekintendő. A nagysebességű hegesztéshez elfogadható mértékű beolvadási mélységelérését garantáló megfelelő hőbevitel és fedőpor szükséges.

A gyorshegesztő fedőporok többnyire savas salakúak, amelyek a kiváló hegesztésijellemzők mellett ráadásul igen szép, sima varratfelületet eredményeznek és a kritikusszélkiolvadási hiba megelőzésére is alkalmasak. Az OK Flux 10.45 jelű max. 5 m/minsebességhez, az OK Flux 10.81 spirálvarratos csövek hegesztéséhez, az OK Flux10.83.jelű max. 3 m/min sebességhez is megfelel.

Balogh A.: Villamos salakhegesztés 15/1

15. VILLAMOS SALAKHEGESZTÉS

A villamos salakhegesztés, rövidítése VSH (angol nevén Electro Slag Welding,ESW, németül Elektroschlackeschweissen) az ömlesztő hegesztések normál hőáram-sűrűségű, salakvédelmű csoportjához tartozik. Az eljárás hőforrása a megolvasztott fe-dőpor (salak) villamos ellenállásán fejlődő ún. Joule hő. Hozaganyaga huzal- vagy sza-lagelektróda, de a csak erre az eljárásra jellemző beolvadó betétek használata is gyakori.Az eljárásnak csak gépesített és automatizált változata létezik. Az eljárás számkódja 72(az Egyéb hegesztő eljárások megnevezésű 7. főcsoport tagja).

A villamos salakhegesztés stabilan működő folyamatát 1951-ben mutatták be az ak-kori Szovjetunióban. Az abban az időben a világ élvonalához tartozó kievi Paton Intézetkutatói a fedettívű hegesztés fejlesztése közben véletlenül fedezték fel az eljárás hőfor-rását. Miközben a FH-hez új összetételű, de nagy vezetőképességű fedőport használtak,azt tapasztalták, hogy az ív hegesztés közben kialudt, de a hegesztési folyamat nem sza-kadt meg. Röntgenfelvételekkel sikerült igazolni az ív kialvását és az ún.salakellenállásos hőforráson új eljárást fejlesztettek ki. A villamos salakhegesztésért aSzovjetunió az 1955-ös brüsszeli világkiállításon nagydíjat kapott.

A villamos salakhegesztés függőleges (alulról felfelé) helyzetű hegesztés (PF pozí-ció), amihez speciális hegesztőberendezésre van szükség. Az eljárással főként a vastaglemezek hegeszthetők gazdaságosan. Alkalmazási területe kb. ott kezdődik, ahol a FHmár eléggé megdrágul: kb. 50 mm feletti falvastagság tartományban. Az eddig VSH-selegy lépésben meghegesztett legnagyobb falvastagság meghaladta az 1 m-t.

A villamos salakhegesztés speciális alkalmazási lehetőségekkel bíró, viszonylag szűkkörben alkalmazott eljárás. A jelenleginél sokkal nagyobb mértékű elterjedése a jövőbensem valószínűsíthető.

15.1. A villamos salakhegesztés elve és fizikai alapjaiA villamos salakhegesztés nagyon hasonlít az öntésre, a termithegesztésre és az

elektrosalakos átolvasztás néven ismert kohászati finomító eljárásra. Lényege, hogy akét összehegesztendő anyagot függőleges helyzetben, merőleges élekkel, széles résselillesztik (15.1. ábra). Az illesztési rés 20…30 mm-es szélességét a vezetőcső mérete ha-tározza meg, mivel annak be kell férnie a két lemez közötti nyílásba. A hegfürdő és a sa-lakfürdő elfolyása ellen a lemezek két oldalán rézlapokat (rézzsalukat) használnak. Ezeka jó hővezetőképességű, vízzel hűtött lapok fémformaként határolják a hegfürdőt.

A folyamat kezdetén a bekezdő toldaléklemez üregébe fedőport adagolnak és ívetgyújtanak. Az ív megolvasztja a fedőport és létrehozza a nagyhőmérsékletű (2000 °Ckörüli) salakfürdőt. Ugyanúgy, mint a FH-nél, ettől a pillanattól kezdve az Ih hegesztő-áram két úton haladhat a munkadarabból a huzalelektróda felé: egy része az íven (Iív)egy része a salakon (Isal) keresztül (15.2. ábra). A Kirchoff féle csomóponti törvény ér-telmében:

I I Ih ív sal= + (15.1.)


Fedettívű hegesztésnél a salak villamos vezetőképessége alacsony, ezért I Iív sal>> ,vagyis az áram döntő része az íven át halad és csak kis része söntölődik a salakon ke-resztül. Salakhegesztésnél a helyzet éppen fordított: a speciális salak jó vezetőképes-ségű, ezért I Isal ív>> . A salakáram megnövekedése miatt az íváram a villamos ív fenn-tartásához szükséges minimális érték alá csökken, az ív önmagától kialszik, és csak asalakhőforrás működik tovább. Mivel jó minőségű varratot csak az állandósult körül-mények között üzemelő salakhőforrás biztosít, a varrat kezdeti szakaszát a bekezdő tol-daléklemezzel mindig a hegesztendő tárgyakon kívülre kell vinni.

Bekezdõ lemez

Varrat

Hûtõvíz be

Hûtõvíz ki

Határoló rézlap

Huzalelektróda

Huzalelelõtoló

Huzalvezetõ

Salakfürdõ

Hegfürdõ

Hegesztendõ lemez No.1

Hegesztendõ lemez No.2

15.1. ábra: A villamos salakhegesztés vázlata

A folyékony salakon átfolyó áram Joule hője a salakot folyamatosan hevíti és olvadtállapotban tartja. A salakhőforrás energiájának mintegy 50 %-a az alapanyagot, 25 %-aa hozaganyagot hevíti és olvasztja meg, a fennmaradó 25 %-a rézzsaluk hevítésére és akörnyezet melegítésére fordítódó energiaveszteség. A salakfürdővel szomszédos lemez-élek maximális hőmérséklete 1600…1700 °C, vagyis a lemezélek beolvadnak a hegfür-dőbe. A lemezélekhez hasonlóan a hozaganyag is megolvad és a fajsúlykülönbség miatta salakfürdő alján fémfürdő (hegfürdő) alakul ki. A hegfürdő így a két alapanyag meg-olvadt részéből és a leolvadó hozaganyagból tevődik össze.

Az egyre újabb és újabb leolvadó hozaganyagtömeg folyamatosan növeli a fürdő tér-fogatát. A hegfürdő hőforrástól legtávolabbi részei az alapanyagok és a rézzsaluk felétörténő hővezetés révén a likvidushőmérséklet alá hűlnek és megszilárdulnak. A beren-dezés vezérlése a hegfürdő szintjének emelkedési ütemében emeli a a hegesztőfejet és arézzsalukat, ezzel a varratképzés folyamatossá válik. A vh hegesztési sebesség a heg-fürdő szintjének emelkedési sebességével azonos.


UhÍv

Sa

lak IívIs

Ih

Ih=Iív+Is

15.2. ábra: A lehetséges áramutak a villamos salakhegesztési folyamat kezdetén

A hegesztést toldaléklemezek között kell befejezni, mert a nagyméretű hegfürdőmegszilárdulásakor jelentős méretű szívódási üreg keletkezik.

Az előzőkben vázolt módon a salakhegesztett I varrat egy lépésben jön létre. Érde-kesség, hogy a varrat gyöke a varratkezdettel, a koronája a varrat végével esik egybe.Mind a varrat első szakasza, mind a befejező része nem megfelelő minőségű, különfélehibákat tartalmaz, ezért bekezdő és kifutó lemezek használata mindig kötelező.

Körvarratok hegesztése is lehetséges, ilyenkor a hegesztés kezdete és befejezése kis-sé bonyolult művelettel szintén jó minőségben elkészíthető.

Hegesztés közben a salakfürdő kismértékben fogy, mivel a rézzsalukkal határolt var-ratfelületre vékony, könnyen eltávolítható salakréteg kristályosodik. A salakfogyást a fe-dőpor automatikus adagolásával kell kompenzálni. A villamos salakhegesztés fedőpor-fogyasztása kicsi, átlagosan mintegy tizede…húszada a FH salakfogyásának (20 kg hu-zalhoz 1 kg fedőporfogyással lehet számolni.).

A huzalelektróda leolvadása cseppekben történik. A cseppméretet a növekvő hegesz-tési feszültség csökkenti, a hegesztőáram befolyása nem jelentős.

A villamos salakhegesztés vonalenergiája valamennyi ömlesztő hegesztő eljárás kö-zött a legnagyobb: néhány száz kJ/mm nagyságrendű, ami legalább egy (esetenként két)nagyságrenddel nagyobb, mint az ívhegesztésekre jellemző érték. A nagyon nagy vonal-energia 35…50 mm mély salakfürdő alatt hatalmas tömegű hegfürdőt hoz létre, aminekkristályosodása nagyon lassan megy végbe.

A VSH jellemző hőciklusát a 15.3. ábra mutatja, ahol az ívhegesztéshez viszonyítvajól láthatók a hűléssebességekben és a 850 °C-ról 500 °C-ra történő hűlés idejébenfennálló igen nagy különbség.

A nagyméretű varrat a négyszögszelvényű acéltuskókhoz hasonlóan oszloposan kris-tályosodik. A kitüntetett növekedési főirány a varratgeometriától függ, jó közelítéssel azalapanyagok és a rézzsaluk irányából a varrat keresztmetszeti középpontja felé mutat.Az oszlopos krisztallitok összenövési szöge a varrat repedési hajlamát és mechanikaijellemzőit befolyásolja, mivel az összenövési hely és az itt megnövekvő szennyezőkon-centráció a varrat gyenge pontját eredményezi.


0 2 4 6 8 10 12 14 160

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

Idõ, min

Hõm

érs

ékl

et,

oC

VSH

VFI

15.3. ábra: A villamos salakhegesztésre és a védőgázas fogyóelektródás ívhegesztésrejellemző hőciklusok összehasonlítása

15.2. A villamos salakhegesztés előnyei és korlátaiA villamos salakhegesztés egyike a legtermelékenyebb ömlesztőhegesztésnek, amit

főleg nagy falvastagságú, a berendezés megengedte hosszú varratok hegesztésénél elő-nyös. Az eljárásra jellemző előnyök és hátrányok a következőkben foglalhatók össze.

15.2.1. Előnyök♦ vastag anyagok egy rétegben való hegesztésére alkalmas (ipari példa van rá,

hogy hat huzallal 950 mm falvastagságú acéltárgyat hegesztettek),♦ a többsoros hegesztés mellékidői és a közbenső salakoló műveletek megtakarít-

hatók, a hegesztett kötés elkészítési ideje rövid,♦ leolvasztási teljesítménye nagy (15…20 kg/h huzalonként és akár 4…5 huzal is

lehetséges egyidejűleg,♦ a lemezelőkészítés és illesztés egyszerű,♦ teljesen gépesített és automatizált hegesztés, különleges hegesztői kézügyességet

nem igényel,♦ jó minőségű varrat, mivel az oldott gázok eltávozására, a salak felúszására és a

metallurgiai reakciók (pl. dezoxidálás) végbemenetelére bőségesen van idő,♦ a hegesztőanyagok jól hasznosulnak: nincs fröcskölés és csak minimális fedőpor

fogy,♦ minimális belső feszültségek és deformációk jellemzik,♦ nincs ív, a hegesztési folyamat szabad szemmel követhető.

15.2.2. Korlátok és hátrányok♦ a berendezés speciális, nagy helyigényű, nehéz és drága,♦ csak egy kitüntetett térbeli helyzetben (függőleges irányban, alulról felfelé) vé-

gezhető; az eltérés a függőleges iránytól csak legfeljebb ± °15 lehet,


♦ az egy menetben hegeszthető varrathosszat a berendezés mérete korlátozza (jel-legzetes szélső értékek: 100 mm minimális és 6500 mm maximális varrathossz),

♦ a kötésfajta és varratalak korlátozott,♦ csak egyenes és körvarrat készíthető, de ez utóbbinál is kezdeti és befejezési ne-

hézségekkel kell számolni,♦ csak jól hozzáférhető helyen lévő varratok hegeszthetők,♦ a nagytömegű varrat durva-szerkezetű, teljes egészében primeren kristályosodott,

öntött szerkezetű, utóhőkezelést igényel,

15.3. A villamos salakhegesztés alkalmazási lehetőségeiA VSH alkalmazási lehetőségei erősen korlátozottak. Mivel vastaglemez hegesztő el-

járás, főleg olyan alapanyagok hegesztése jöhet szóba, amiből ilyen vastag falú termé-kek készülnek. Ezért a hegesztés ipari alkalmazása csak acélokra, azon belül is a kiskarbontartalmú, jól hegeszthető szerkezeti acélokra, a nagyszilárdságú, gyengén ötvö-zött (HSLA) acélokra, esetenként (utóhőkezelési művelettel) a közepes karbontartalmú,nemesíthető acélokra és néhány korrózióálló acélfajtára korlátozódik. Laboratóriumi kö-rülmények között sikeresen oldották meg egyes Al, Ni, sőt Ti ötvözet salakhegesztésétis.

A falvastagság technikai minimuma (amit a folyamatstabilitáshoz feltétlenül szüksé-ges salaktérfogat limitál) 20 mm, gazdaságossági minimuma 50 mm. A falvastagságnakelméletileg nincs felső határa, de a valóságban 1000 mm-nél vastagabb szelvényeknél ahegesztéssel együtt járó problémák (huzalelőtolók és áramforrások száma, repedés,mikroszerkezet, inhomogenitás, maradó feszültségek, …) ugrásszerűen fokozódnak. AVSH-t gyakran választják olyan esetekben, amikor a vastagfalú szerkezet mérete na-gyobb, mint a hengerelhető méret.

Néhány példa a VSH szokásos alkalmazási lehetőségei közül: zárt vagy nyitott kere-tek, gépalapok, présállványok, szerszámgépvázak, nyomástartó edények, hajóalkatré-szek és off-shore berendezések, hengerállványok, óriás villanymotor-házak, darusínek,golyósszelep-házak.

Edződő acélból gyártott, nagyméretű kovácsoló, sajtoló és egyéb alakító szerszámokfelrakóhegesztésekor főleg a VSH eljárás különösen lassú hűlési sebességében rejlő le-hetőségeket lehet kiaknázni.

15.4. A villamos salakhegesztő berendezés részeiA villamos salakhegesztésnek kétféle gépi változata ismert:

1. nemolvadó (emelt) vezetőcsöves; ez a tradicionális (szovjet) típus,2. beolvadó betétes, nem emelt vezetőcsöves (amerikai) típus.

A továbbiakban a nemolvadó vezetőcsöves berendezés fő részeit ismertetjük, mertezek alkalmazási lehetőségei jóval nagyobbak, mint a főleg rövid, nem túlságosan vas-tag alapanyagokhoz ajánlott vezetőcsöves változaté.

A villamos salakhegesztő-berendezés fő részei a következők:

♦ áramforrás,♦ huzalelőtoló egység♦ nemolvadó huzalvezető,♦ lengető egység,


♦ hegfürdő határolók,♦ állvány,♦ vezérlő egység.

15.4.1. ÁramforrásA VSH-hez vízszintes karakterisztikájú (feszültségtartó), egyenáramú áramforrások a

legkedvezőbbek, de a nagy áramerősség tartományban a transzformátorok is használato-sak. Az alkalmazott polaritás a VFI-hez hasonlóan itt is DCEP. Az AC áramforrások al-kalmazási lehetőségei korlátozottak és legalább 5 V-tal magasabb feszültséget szolgál-tatnak, mint a DC áramforrások. Az egy huzalra eső áramigény rendszerint az 1000 A-tnem haladja meg. Az áramforrásokat mindig 100 %-os bekapcsolási időre tervezik. Ahegesztési folyamat indításakor többnyire magas feszültségre (50…55 V) van szükség.Az ívhegesztésekhez viszonyítottan nagyobb feszültség azért is kívánatos, mert a varratszélességét (vagyis ez esetben a beolvadási mélységet) a hegesztési feszültség határozzameg.

Eső karakterisztikájú áramforrások használata is lehetséges, de ezekkel a folyamatszabályozása nehezebben valósítható meg.

15.4.2. Huzalelőtoló egységA huzaltovábbítók szinte minden esetben egy görgőpáros tolórendszerű kialakítá-

súak. Több huzalos berendezésben minden huzal önálló előtolóval rendelkezik.

15.4.3. Nemolvadó huzalvezetőA nemolvadó huzalvezető feladata, hogy a huzalelőtolóból többnyire vízszintes el-

rendezésben érkező huzalt 90 °-kal elfordítsa, a huzalt a salakfürdőbe irányítsa és meg-valósítsa az árambevezetés feladatát. A vezetőcső anyaga kívül réz, belül kemény és ko-pásálló berillium-bronz. Furata a huzalátmérőnél (rendszerint ∅ 2,4…3,2 mm) 0,5 mm-rel nagyobb. Külső vízhűtéssel az élettartama meghosszabbítható. A vízhűtőcsöveketrendszerint a palástfelületre keményforrasztják.

A huzalvezető homloklapját a salakfürdő felületétől mintegy 50…75 mm távolságraállítják be. Ez tekinthető a VSH eljárás szabad huzalhosszának, ami a huzal ellenállás-hevítéses előmelegítése szempontjából meghatározó.

A véletlen rövidzárlat elkerülése érdekében a nemolvadó vezetőcsövön sok esetbenkülső szigetelőréteget helyeznek el.

15.4.4. Lengető egységA lengető egység a nemolvadó huzalvezető (és benne a huzal) vastagságirányú alter-

náló mozgását valósítja meg. A huzallengetés célja az egy huzallal meghegeszthetőanyagvastagság (50…60 mm) megduplázása.

A VSH berendezések lengető egysége két részből áll: a mechanizmusból és a hajtás-ból. A villanymotor-hajtotta mechanizmusok (pl. excenterek) mellett a pneumatikusszerkezetek is kezdenek tért hódítani.

A lengetés hullámmagassága (lökethossza, kétszeres amplitúdója)) 20…200 mm kö-zött változik. A lengetés sebessége max. 0,75 m/min. A késleltetési idő a szélső pontok-ban 0 és 5 s között változhat.


15.4.5. Hegfürdő határolókAhogy az a 15.1. ábrán látható, a hegfürdőt két oldalról jó hővezetőképességű, vízzel

hűtött, nehezen megolvadó lapokkal határolják A határoló lapokat egységesen rézzsalu-nak nevezünk. A rézzsaluk a folyékony hegfürdő szempontjából fémformaként visel-kednek, ami azt jelenti, hogy a hőelvonás ezekben az irányokban meglehetősen intenzív.

Rövid varratoknál a rézzsalu a teljes hosszúságot is takarhatja. Ilyen esetekben a zsa-lukat fixen rögzítik. A mozgó rézzsaluk szokásos mérete: 25…30 mm vastagság,100 mm szélesség és 150 mm hosszúság. Normál esetben a két oldalsó zsalut egy eme-lőmotor szinkronban mozgatja, vagy a hegesztő kézzel emeli (ez utóbbi megoldás elég-gé kockázatos).

Csőhegesztésnél a belső oldalon rézcsővel, vagy -csőszegmenssel határolnak. Egyébnem sík és nem kör alkalmazásoknál (pl. turbinalapát, lánc- és fogaskerékfog) a támasz-tózsalu követi a munkadarab alakját.

15.4.6. ÁllványA hagyományos villamos salakhegesztő berendezés központi eleme az állvány, ame-

lyen a teljes hegesztő egység (vezetőcső, lengető, huzalelőtoló és huzaldob) együtt füg-gőlegesen alulról felfelé mozog. Az emelkedési sebesség egyenlő a hegesztési sebesség-gel.

A mozgást magasságérzékelő szenzorok segítségével automatika irányítja. Az emeléstechnikai megoldására többféle lehetőség áll rendelkezésre.

Kisméretű gépeknél az állvány elmaradhat és az emelés megvalósítására a hegesz-tendő tárgyra erősített fogasléces - fogaskerekes, fogasláncos - fogaskerekes vagy elekt-romágnesesen lépegető mechanizmust alkalmaznak.

Többhuzalos, nagyteljesítményű, nehéz berendezéseknél nagyobb tömeget kellegyenletes sebességgel, rezgésmentesen emelni. Ilyenkor masszív állványszerkezettel éselektromechanikus vagy hidraulikus hajtással nem csak magát a hegesztő egységet, devele együtt még azt a pódiumot is emelik, amelyen a kezelő áll.

15.4.7. Vezérlő egységA vezérlő egység feladata a hegesztési paraméterek beállítása, kontrollálása, kijel-

zése, szabályozása, az emelési mechanizmus precíz működtetése, és a biztonsági funk-ciók (végállásérzékelők, vízőr, salakmagasság) ellátása.

A salakhegesztési folyamatot jól képzett hegesztőnek kell felügyelnie, a problémákrautaló jelenségeket észlelnie és a szükséges beavatkozást megtennie.

15.5. A villamos salakhegesztés hegesztőanyagaiA villamos salakhegesztésnél alkalmazott hegesztőanyagok a következők:

♦ elektróda,♦ fedőpor,♦ beeolvadó vezetőcső,♦ beolvadó betét.


15.5.1. ElektródahuzalAz árammal átjárt, a Joule hővel előmelegített leolvadó elektróda ennél az eljárásnál

a hozaganyag funkcióját tölti be. Kialakítását tekintve lehet tömör vagy porbeles huzal,tömör vagy porbeles szalag. Nagyobb anyagvastagságok hegesztésekor nem tekercseltvastag "huzalok" (rudak) felhasználására is van lehetőség.

A huzalelektródák leggyakrabban használt átmérőtartománya 2,4…3,2 mm. A VFI ésFH huzaljai salakhegesztéshez is megfelelnek, de figyelembe kell venni, hogy salakhe-gesztéskor egy adott huzallal nem mindig lehet elérni az ívhegesztéssel készített varra-tét.

Az elektródaanyagok vegyi összetételét az alapanyaghoz való illeszkedés (matching)és/vagy a kívánt varrattulajdonságok határozzák meg. Ez azért lényeges, mert a lassanfogyó salak metallurgiai hatása itt jóval kisebb, mint azt a fedettívű hegesztésnél meg-szoktuk. Ennek oka az, hogy a friss fedőpor aránya (a fedőporfogyás) a két eljárásnál le-galább 10:1 a FH javára.

Az elektródaanyagok receptúrájának összeállításakor kristálycsíraként szereplő,szemcsefinomító elemeket is számításba kell venni annak érdekében, hogy a nagytö-megű varrat mikroszerkezete a felállított minőségi követelményeket kielégítse.

15.5.2. FedőporA salakhegesztés fedőporának eltérő a funkciói az FH-éhoz képest jelentősen elté-

rőek. Az elsődleges cél itt az optimális vezetőképesség/ellenállás arány elérése, vagyisegy jól funkcionáló, nagyteljesítményű, de még kellően stabil salakhőforrás létrejötténekés fennmaradásának biztosítása.

Ha a salak ellenállása túlságosan alacsony, akkor az elektróda és a salakfürdő fel-színe között nyílt ív jön létre. Alacsony ellenállás az Ohm törvény értelmében kisebbhegesztési feszültség kialakulásához vezet. A salak ellenállását a jól vezető TiO2 és arosszabbul vezető Al2O3 arányával jól lehet szabályozni. A salak ellenállása a hőmér-séklet növekedésével is változik, ezért nem közömbös, hogy a hegesztési paraméterek-kel milyen salakfürdő hőmérsékletet érünk el.

További fontos salakfunkció a hegfürdőnek és a megszilárduló varrat rézzsalu felőlioldalának salakvédelme. A FH-nél megkívánt ívtámogatás és metallurgiai szerepek(tisztítás [dezoxidálás, kéneltávolítás], ötvözés) itt nem elsődleges követelmény.

A salak kedvező viszkozitása (hígfolyóssága) fontos szerepet tölt be a nagyméretűfürdő termikus cirkulációjának elősegítésében, vagyis a salakfürdő középponti részénkiváló hőenergiának a munkadarab éleihez való eljuttatásában. Járulékosan a sűrűnfolyósalakban a gáztalanodás is nehezebb és a varratban salakzáródmányok is kialakulhatnak.A salak viszkozitását a vegyi összetétellel (pl. folypát (CaF2) csökkenti, a rutil (TiO2)növeli) és a hőmérséklettel lehet változtatni.

A VSH fedőporai rendszerint olvasztott kivitelűek. A fedőpor különböző oxidoknakés a folypátnak megfelelő arányú keveréke. A 15.1. táblázat az ötvözetlen szerkezetiacélokhoz jó bevált salakhegesztő fedőpor vegyi összetételét mutatja be.

A folyamat indításához egyes esetekben (főként kis - és közepes áramerősségeknél)keramikus előállítású (agglomerált) ún. indító fedőport alkalmaznak. Ennek ellenállása


alacsonyabb, mint a hegesztő fedőporé, hogy a folyamat gyorsan beindulhasson és létre-jöhessen az állandósuló salakfürdőméret.

A salakeltávolítás a varrat- és a rézzsalu felületéről salakhegesztés után rendszerintnem problematikus. A salak leválását a tapasztalatok szerint a folypát megkönnyíti, míga rutil megnehezíti.

Fedőporalkotó Tömegszázalék

MnO 10SiO2 25

Al2O3 25CaO 15MgO 10CaF2 15

15.1. táblázat. A kis karbontartalmú acélok salakhegesztésének jellegzetes fedőpor ösz-szetétele

15.5.3. Beolvadó vezetőcsőA VSH rövid varratait olyan eljárásváltozattal hegesztik, ahol emelt hegesztőfej he-

lyett a hegesztés kezdete előtt fixen elhelyezett vezetőcsövet alkalmaznak, ami hegesz-tés közben folyamatosan beolvad a hegfürdőbe (15.4. ábra). A vezetőcső kifejezettenerre a célra gyártott, külső felületén szigetelőréteggel, belső részén az alkalmazott elekt-ródának megfelelő átmérővel bíró, varratnélküli acélcső.

Huzalelektróda

Beolvadó huzalvezetõ

Rézzsalu

Salakfürdõ

Hegfürdõ

Hegvarrat

Hegesztendõ lemezek

Illesztési rés

15.4. ábra: A beolvadó vezetőcsöves villamos salakhegesztés vázlata. Az ábrán azelülső rézzsalu nincs feltüntetve

A szokásos kereskedelmi külső átmérők: 9,5; 12,7 és 15,9 mm (a méretek eredetileginchben adottak). a belső átmérő 2,4 és 3,2 mm.


A külső szigetelőréteg nagy SiO2 tartalmú üveg, vagy üvegszál, esetleg felragasztottfedőpor lehet. A szigetelőanyag és a vezetőcső anyaga egyaránt beolvad a hegfürdőbe,befolyásolja a varrat kémiai összetételét, ezért az alapanyaggal mindenképpen kompa-tibilisnek kell lenniük.

15.5.4. Beolvadó betétA beolvadó betétek a vezetőcsőhöz hasonló funkciójú, de attól eltérő (változatos) ke-

resztmetszetű hegesztőanyagok. Az elektródahuzal vagy huzalok számára megfelelőcsőbetétekkel esetleg furatokkal gyártják. Az alakjuk követheti a hegesztendő tárgykontúrvonalát (pl. turbinalapát), vagy egyenes vonalú lehet. A beolvadó betéteket a nagykeresztmetszetű varratok elektródaigényének mérséklésére fejlesztették ki és alkalmaz-zák. A 15.5. ábrán néhány beolvadó betétet mutatunk be.

Vezetõcsõ

Szigetelõkerámiabevonat

Vezetõcsõ

Beolvadó betét

Beolvadó betét

Vezetõcsövek

Beolvadó rudak

Huzalelektróda

15.5. ábra: Beolvadó betétek villamos salakhegesztéshez

15.6. A villamos salakhegesztés meghatározó paramétereiAz ívhegesztésekhez hasonlóan a villamos salakhegesztés is rendelkezik néhány

olyan elsőrendű fontosságú paraméterrel, amelyek nagymértékben befolyásolják a he-gesztés menetét és a létrehozott varrat geometriai, mechanikai és minőségi jellemzőit.

15.6.1. Huzalszám és lengetésA villamos salakhegesztés alapváltozata egy huzallal működik. Egy huzallal lengetés

nélkül átlagosan 60 mm acél falvastagság meghegesztésére nyílik lehetőség, amit vas-tagságirányú lengetéssel hozzávetőlegesen meg lehet duplázni. Két huzallal lengetésnélkül 150 mm, lengetéssel 280 mm, 3 huzallal lengetéssel 430 mm hegesztése lehetsé-ges. 3 huzal fölött már kényelmetlen a lengetés, ezért a feladatot a huzalszám növelésé-vel oldják meg. A huzalszám akár tíz fölé is növelhető.

Lengetéses esetben a huzal szélső helyzetének távolsága a lemezfelülettől 10…15 mm, a két huzal lengetéssel lefedett sávja közötti távolság 30…50 mm, a huzaloklengetési tartománya (hullámmagassága) 60…150 mm. Az adott adatokkal az egy, a kétés a három lengetett huzallal meghegeszthető lemezvastagságra a következő tájékoztató


három lengetett huzallal meghegeszthető lemezvastagságra a következő tájékoztatójellegű számítást végezhetjük el:

s mml1 15 100 15 130= + + =

s mml2 15 100 50 100 15 280= + + + + =

s mml3 15 100 50 100 50 100 15 430= + + + + + + =

15.6.2. Az illesztési rés nagyságaAz illesztési rés nagyságát alulról a vezetőcső helyigénye, felülről a kívánatos varrat

formatényező limitálja. A hegfürdő formatényezője a bhf hegfürdőszélesség és hhfhegfürdőmélység hányadosa:

ψVSHhf

hf

b

h= (15.2)

A formatényező optimális értéke ψVSH = 1 2... . Az alsó határ alatt a varratszennye-zők koncentrációja a varratközép környezetében nagyon megnőhet. A felső határ fölött adendritek (oszlopos kristályok) összenövési szöge repedésveszélyes mértékű.

A b szélességet a hegesztési feszültség növelésével, a h fürdőmélységet a hegesztőáram növelésével lehet növelni.

A tapasztalatok szerint az illesztési rés szokásos értéke 20 és 35 mm közötti, a le-mezvastagsággal és az alkalmazott huzalátmérővel növekvő értékű.

15.6.3. Hegesztőáram és hegesztési feszültségA hegesztőáram és a feszültség együttesen a VSH salakhőforrásának hőáramát hatá-

rozza meg. Az egy huzalra eső Ih hegesztőáram leggyakrabban 500 és 1000 A közöttváltozik, de a tágabb tartomány 300…1500 A-re tehető.

Az Uh hegesztési feszültség a hegesztendő anyag, a huzalátmérő, az előírt áramerős-ség és az elérni kívánt formatényező determinálta módon 30-tól 50 V-ig változik.Váltakozóáramú hegesztésnél kb. 5 V-tal magasabb feszültség szükséges, mint egyen-áramúnál.

Ahogy az előzőkben is láttuk, a hőáramot meghatározó két villamos paraméter egy-mástól nem független. A közöttük kívánatos összhangot a VSH alapegyenletének neve-zett következő összefüggés fejezi ki:

I a v Uh e h= ⋅ ⋅03 (15.3.)

ahol: a0 arányossági tényező (2,25Cr 1Mo melegszilárd acélra a0= 60,8),ve huzalelőtolási sebesség.

A hegesztőáram és hegesztési feszültség közötti kapcsolatot kifejező alapegyenletenkívül további korlátozó feltételeket is fel lehet állítani. A 15.6. ábra határgörbéi kijelö-lik a sikeres VSH területét. Az ábrán látható mezőhatároló görbékhez tartozó feltételek akövetkezők:

♦ A jelű görbe: az elérni kívánt minimális beolvadási mélységet biztosító feszült-ségminimum;

♦ B jelű görbe: az állapotegyenlet hatványfüggvénye;


♦ C jelű görbe: az áramforrás teljesítményhiperbolája;♦ D jelű görbe: a huzalleolvadási kritérium görbéje; a görbétől balra a salakhőfor-

rás teljesítménye nem elegendő az állandó sebességgel előtolt hu-zal leolvasztásához.

Áramerõsség, A

Hegesz

tõ fe

szülts

ég, V

A

B

CD

Lehetségesparaméterek

15.6. ábra. A hegesztőáram és a hegesztőfeszültség kapcsolata villamos salakhegesz-tésnél

15.6.4. A hegesztési sebességA függőleges varratképzés különlegességéből következően a villamos salakhegesztés

vh sebessége nem független paraméter, hanem a térfogatállandóságból következik. Ahegesztési sebesség ugyanis egyenlő a hegfürdő emelkedési sebességével, amit az s le-mezvastagsággal és a b0 illesztési résmérettel adott kitöltendő térfogat és a de huzalát-mérővel és ve huzalelőtolási sebességgel adott leolvadó anyagtérfogat tetszőleges th he-gesztési időre értelmezett egyensúlya határoz meg. Eltekintve a varrat rézzsaluk felé esődudorától és az egyébként nagyon alacsony anyagveszteségektől (gőzölgés, fröcskölés),a térfogategyensúly:

V Vrés huzal= (15.4.)

s b v t nd

v th he

e h⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅0

2

4

π (15.5.)

Kifejezve a (15.5.) összefüggésből a hegesztési sebességet:

vn d v

s bhe e= ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅

2

04

π (15.6.)

A villamos salakhegesztő eljárás hegesztési sebessége rendszerint szokatlanul ala-csony értékű, amit az egylépéses hegesztésből adódó mellék- és főidő-megtakarításokkompenzálnak.

15.7. Termelékenység és varratminőségA villamos salakhegesztés nagytermelékenységű eljárás. Az egy huzallal elérhető le-

olvasztási teljesítmény 800 A hegesztőáram és 2,4 mm elektródahuzalátmérő esetén 20


…25 kg/h, 3,2 mm elektródával 15…20 kg/h. A leolvasztási teljesítmény a huzalszám-mal arányosan növekszik.

A VSH-sel a nagyméretű és hosszú létidejű hegfürdő ellenére jó varratminőség ér-hető el. A varrat jó minőségét a következő folyamatok eredményezik:

♦ stacionárius kristályosodás: a megszilárdulás mindig a hegfürdő alján megy vég-be, miközben állandó magasságú fém- és salakfürdő van az éppen megszilárdulókrisztallitok felett;

♦ a hegfürdő hosszú létideje alatt a gázok a hegfürdő felszínére emelkednek, a kri-tikusnál nagyobb salakzáródmányok felúsznak, a kisebbek visszamaradnak éskristálycsíraként szerepelnek (pl. a nitridek, karbonitridek);

♦ a VSH-val megfelelő körülmények között a varrat alacsony H tartalma (LH)biztosítható, ha a hegesztőanyagok közel H mentesek;

♦ a varrat és a hőhatásövezet nagyon lassan hűl, ezért az edződési vagy hidegrepe-dések veszélye még a közepes C tartalmú nemesíthető acéloknál is elenyésző.

A VSH-val szerkezeti acél alapanyaggal készített, utólag nem hőkezelt varratok jóminőségét jelzi, hogy a nagy méretekből adódó negatív hatások (pl. 3 tengelyű maradófeszültségállapot) ellenére a szerkezeti acélok varratának fajlagos nyúlása 25 és 30 %közötti, és a 0 °C-os átmeneti hőmérséklet biztonsággal elérhető.

A varratminőség és megbízhatóság növelése érdekében a VSH-val hegesztett szerke-zeteket, ha az technikailag megvalósítható, utóhőkezelésnek kell alávetni. Az ajánlotthőkezelések: feszültségcsökkentés vagy normalizálás.

Balogh A.: Lánghegesztés 16 / 1

16. LÁNGHEGESZTÉS

Az oxigén-égőgázas lánghegesztés, rövidítése OLH (angol nevén Oxyfuel GasWelding, OFW, németül Gas(schmelz)schweissen az ömlesztő hegesztések normálhőáramsűrűségű, gázvédelmű csoportjához tartozik. Az eljárás hőforrása oxigénnel ke-vert éghető gáz (leggyakrabban acetilén) elégésekor keletkező reakcióhő. Hozaganyagapálca, de nagyon gyakran hozaganyag nélkül végzik (innen származik az eljárás közke-letű idegen neve, az egyébként rosszul általánosító autogén hegesztés is).

Az elnevezést illetően történelmileg sok országban a gázhegesztés elnevezés alakultki, ami nagyon szerencsétlen és mára már tudományosan nem tartható választás volt. Ahegesztő eljárásokat ugyanis általában a hőforrásukról nevezik el (ívhegesztés, plazma-ívhegesztés, villamos salakhegesztés, lézersugárhegesztés,...), márpedig a lánghegesztéshőforrása a láng és nem a gáz (ráadásul a szakmai zsargon gáz alatt az acetilént érti, azoxigént pedig egyszerűen csak oxigénnek nevezi). Az ívhegesztések elnevezésében sze-replő gáz szó a védőgázra vagy a gázvédelemre utal és nem a hőforrásra.

Az eljárásnak csak kézi változata van, bár a technika mai fejlettségi szintjén a láng-hegesztés ugyanúgy gépesíthető és automatizálható lenne, minta a CNC gépekkel vég-zett lángvágás. Az eljárás számkódja 31, oxigén és acetilén gázkeverékkel végezve 311(az eljárás a Lánghegesztés megnevezésű 3. főcsoport tagja).

A teljesség kedvéért megemlítjük, hogy a 3. főcsoportba a láng hőforrású hegesztésektartoznak az alábbi osztályozásban:

1. Ömlesztő lánghegesztések1.1. Oxigén-égőgáz lánghegesztés

1.1.1. Oxi-acetilén lánghegesztés1.1.2. Oxi-hidrogén lánghegesztés1.1.3. Oxi-földgáz lánghegesztés1.1.4. Oxi-propán-bután lánghegesztés1.1.5. ...

1.2. Levegő-égőgáz lánghegesztés1.2.1. Levegő-acetilén lánghegesztés1.2.2. Levegő-hidrogén lánghegesztés1.2.3. Levegő-földgáz lánghegesztés1.2.4. Levegő-propán-bután lánghegesztés1.2.5. ...

2. Sajtoló lánghegesztések

2.1. Oxigén-égőgáz sajtoló lánghegesztés2.1.1. Oxi-acetilén sajtoló lánghegesztés

Az ömlesztő lánghegesztések legnépszerűbbike a legnagyobb hőáramsűrűségű hőfor-rást eredményező oxi-acetilén lánghegesztés OALH (Oxy-acetylene Welding, OAW)ezért a továbbiakban csak ennek az eljárásnak az ismertetésére szorítkozunk.

Az oxi-acetilén lánghegesztés első működő változata a lánghegesztő pisztoly 1900-asévek elejére eső kifejlesztésére vezethető vissza. 1902-ben Franciaországban Fouchebemutatta a hegesztésre is alkalmas lánghegesztő égőt. Ettől az évtől számítjuk a láng-


hegesztő eljárás kezdetben diadalmas, majd az ívhegesztések előretörésével párhuzamo-san erősen hanyatló történetét. Ma igen sok lánghegesztő berendezés található az or-szágban, de ezek hegesztési célú felhasználása jóval elmarad az 1 %-tól, miközben alánghőforrás egyéb célú (hevítés, egyengetés, forrasztás, termikus szórás, vágás) alkal-mazási köre bővült, vagy megtartotta korábbi jelentős pozícióját.

Az oxi-acetilén lánghegesztés tetszőleges térbeli helyzetben alkalmazható. Az eljá-rással kis hőáramsűrűsége miatt főleg a vékony falú (s mm≤ 5 ) termékek (lemezek éscsövek, csőszerelvények, öntvények) hegeszthetők gazdaságosan. Az eljárás főleg arossz illesztések esetén és a rosszul hozzáférhető helyeken ma is nélkülözhetetlen (hely-színi csőszerelés).

Az oxi-acetilén lánghegesztés jellegzetes alkalmazási lehetőségekkel bíró, elavult he-gesztő eljárás. A jelenleginél nagyobb mértékű elterjedése a jövőben sem várható, sőt azalkalmazási kör további szűkülése valószínűsíthető.

16.1. Az oxi-acetilén lánghegesztés elveAz oxi-acetilén lánghegesztés vázlata a 16.1. ábrán látható. A hőforrás a hegesztő

kezében tartott hegesztőégő fúvókájából kilépő oxigén -acetilén gázkeverék elégetésévellétrehozott és folyamatosan fenntartott láng. A láng felhevíti és megolvasztja az alap-anyag egy részét és a hegesztő másik kezében tartott hegesztőpálca (hozaganyag) végét.A két olvadék keverékéből jön létre a hegfürdő, amit a lángban található gázok védeneka levegőtől.

Pálca

Hegesztõ égõ

Varrat

Láng

Hegesztési irány

16.1. ábra. Az oxi-acetilén lánghegesztés vázlata (az ábra az ún. balrahegesztést illuszt-rálja)

A varratképzés a hegesztő két kezének összehangolt munkájával végezhető. A hőfor-rás hőenergiájának és a hozaganyag mennyiségének adagolása egymástól független ésjól kézben tartható. A hegesztési folyamat a hozaganyag és a pisztoly jellegzetes köze-lítő-távolító mozgatásával és a lángnyomás alakító - formáló erejének felhasználásávalszabályozható. A lángnyomás alkalmas térbeli helyzetekben a hozaganyag átvitelére és afürdő felületének formálására.

Az oxi-acetilén lánghegesztés végezhető húzott (jobbrahegesztés) és nyomott(balrahegesztés) varratképzéssel. Jobbkezes hegesztőt feltételezve a pisztoly a jobb kéz-ben, a pálca a bal kézben tartandó. Ha a varratképzés olyan, hogy a pálca halad elől és apisztoly utána (16.1. ábra) , akkor balrahegesztésről (forehand welding), ha a pisztolytköveti a pálca, akkor jobbrahegesztésről (backhand welding) beszélünk. A hegesztési


módnak ez a definíciója azért lényeges, mert balkezes hegesztő esetében, vagy pl. alul-ról felfelé végzett hegesztéskor a balrahegesztés fogalom megtévesztő (a balkezeshegesztő a balrahegesztést jobbra végzi, felfelé hegesztéskor pedig nincs balra vagyjobbra irány).

16.2. Az oxi-acetilén lánghegesztés előnyei és korlátaiAz oxi-acetilén lánghegesztés nagyon széles körben ismert, de a legkevésbé termelé-

keny ömlesztőhegesztő eljárásunk, aminek alkalmazása a rövid, vékony, rossz illesztésűés nehéz hozzáférésű varratok hegesztésére szorítkozik. Az eljárásra jellemző speciáliselőnyök és hátrányok a következőkben foglalhatók össze.

16.2.1. Előnyök♦ egyszerű, többcélú, olcsó, könnyen kezelhető, hordozható berendezés♦ minden hegesztési helyzetben alkalmazható,♦ a hegfürdő hegesztés közben jól látható, a vonalenergia és vele közvetve a für-

dőméret jól szabályozható,♦ az égő kialakítása olyan, hogy nehezen hozzáférhető helyeken is lehet vele he-

geszteni,♦ bármilyen helyszínen alkalmazható, ott is, ahol nincs villamos hálózat,♦ nem igényes a varratelőkészítésre (az illesztési résre nem érzékeny, a szerves

szennyezők hegesztéskor leégethetők, a víz elgőzölög),♦ hozaganyag nélkül is végezhető,♦ nem kell salakolni,♦ a szemet kevésbé károsítja, mint a nyíltívű ívhegesztések, nincs áramütési és su-

gárzási veszély.

16.2.2. Korlátok és hátrányok♦ a berendezés tűz- és robbanásveszélyes, ezért a lánghegesztőnek speciális bizo-

nyítvánnyal kell rendelkeznie,♦ a jól tapadó felületi oxidokat csak kémiai segédanyaggal (folyasztószer) lehet el-

távolítani,♦ a termelékenység nagyon alacsony,♦ a varratminőség legfeljebb közepes.

16.3. Az oxi-acetilén lánghegesztés alkalmazási lehetőségeiAz OALH eljárás alkalmazási lehetőségei erősen korlátozottak. Alacsony hőáramú

áramforrása miatt csak vékonylemezekhez és vékonyfalú csövekhez használható, ahol avarrathosszak is minimálisak. Megfelelő folyasztószerrel a legtöbb technikaifém(ötvözet) hegeszthető (acélok, öntöttvas, rézötvözetek, Ni ötvözetek, egy kissé mégaz Al és a Mg ötvözetek is). Nem hegeszthetők a magas olvadáspontú (W, Mo, Nb, Ta)és az oxigén iránt különösen affin (Ti, Zr) elemek, míg az alacsony olvadáspontú fé-mekhez (Al, Mg, Zn, Cd, Pb, Sn) oxigén helyett levegő, acetilén helyett H, földgáz (zö-mében metán), vagy propán-bután (PB) gáz használandó.

Az OALH-t gyakran alkalmazzák javító és karbantartó munkáknál, helyszíni szerelé-seknél, de sohasem a termék -és szerkezetgyártásban, ahonnan az ív - és egyéb hőfor-rású hegesztések teljesen kiszorították.

A helyszíni javítómunkáknál nagyon kényelmes, hogy az eljárás hőforrása a hegesz-tés mellett még előmelegítésre, utóhőkezelésre, egyengetésre, sőt darabolásos vágásra isalkalmas.


16.4. Az oxi-acetilén lánghegesztés berendezéseA lánghegesztő berendezést a 16.2. ábra szerint a következő fő egységek alkotják:

a gázellátó rendszer,♦ égő a tömlőkkel,♦ biztonsági és védőfelszerelések.

16.4.1. A gázellátó rendszerAz oxi-acetilén lánghegesztéshez az eljárásnévből következően kétféle gázra: aceti-

lénre (C2H2) és oxigénre van szükség. A legelterjedtebb (kisüzemi) felhasználáskormindkét gáz palackozottan kerül forgalomba. A gázpalackok 40…50 l térfogatúak.

Az oxigénpalack színe kék, nyomása 150…200 bar, töltete legalább 99,5 % tiszta-ságú komprimált gáz. Egy 50 l-es, 200 bar-ra töltött oxigénpalackból elvehető gázmennyisége a Boyle-Marriotte törvény értelmében:

Vp V

pl m2

1 1

2

3200 50

110 000 10= ⋅ = ⋅ = = (16.1.)

Hasonló számítás szerint a régi 40 l-es, 150 bar-os oxigénpalackból 6 m3 normál ál-lapotú oxigéngáz nyerhető.

Az acetilénpalack színe sárga, nyomása normál hőmérsékleten 15…17 bar, tölteteporózus masszába felszívatott aceton (folyadék, szerkezeti képlete: CH CO CH3 3− − )által oldott (dissous) gáz. Az acetilént korábban kalciumkarbidból a hegesztő munkahe-lyeken, helyileg állították elő:

CaC H C H Ca OH E2 2 2 2 22 0+ ⋅ → + +( ) (16.2.)

Ma már az acetilén előállításával kizárólag csak a gázgyártók és -forgalmazók foglal-koznak.

Egy 40 l-es, 16 l acetont tartalmazó dissous palackból elvehető acetiléngáz térfogata,ha 1 l aceton 25 l gázt képes oldani minden 1 bar nyomáson:

V V p V l mac ac bar2 1316 15 25 6 000 6= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = = (16.3.)

Nagyobb (800…1000 l/h , vagyis 13,3…16,7 l/min fölötti) gázfelhasználás esetén azacetilén kiválása az acetonból nem elegendően gyors. Ilyen esetekben azacetonszennyezés és acetonvesztés elkerülésére több palackot csövekkel párhuzamosanösszekötnek. Az egységrakományba összefoglalt palackköteg (manifold) általában4.3=12 db palackot tartalmaz.

Ha a heti oxigén felhasználás az 500…600 m3-t meghaladja, üzemi körülmények kö-zött gazdaságosabb és kényelmesebb a cseppfolyósított oxigén használata. A folyékonyoxigén szállítása és tárolása hűtött tartályokban történik (a járatos tartálytérfogat130 m3). A folyékony oxigént a felhasználás előtt elpárologtatják és az állandóra kiépí-tett csővezetéken az egyes munkahelyekre vezetik.

A palackokban uralkodó, változó nagyságú nyomást a hegesztőégő által megköveteltalacsony értékre (oxigén: 2,5 bar, acetilén: 0,3…1,5 bar) kell lecsökkenteni és állandóértéken tartani. A feladatot nyomáscsökkentők (regulátorok) oldják meg.

A nyomáscsökkentők lehetnek egy- és kétfokozatúak, direkt, vagy inverz szabályozá-súak. A kétfokozatú regulátorok előnye, hogy a szekunder nyomást a palacknyomástól


függetlenül közel állandó értéken tartják. A nyomáscsökkentőkön a be- és kilépő (a pri-mer és a szekunder) nyomást analóg mérőórák mutatják.

Az acetilén és az oxigén nyomáscsökkentők a robbanásveszély kiküszöbölése érde-kében nem összecserélhető csatlakozási móddal és mérettel szerelhetők a palackokra,vagy a kiépített gázelvételi helyekre.

A hegesztéshez felhasznált égőgáz és oxigén térfogatáramát a technológia pontos be-állításához (a minőségbiztosítás fontos követelményének) megfelelően mérni kellene.Az átfolyásmérők használata ma még nem ipari gyakorlat, többnyire csak tudományoscélú kutatómunkában, laboratóriumi körülmények között nyernek felhasználást.

16.4.2. A hegesztőégő és a gáztömlők

16.4.2.1. HegesztőégőA hegesztőégő (hegesztőpisztoly) a láng létrehozására és szabályozására, valamint a

hegesztési hely kényelmes elérésére és a hegesztés megkövetelte hevítés és varratképzéselvégzésére szolgáló eszköz (a LH szerszáma).

Egy szokásos hegesztőégő konstrukciót a 16.2. ábrán mutatunk be. A hegesztőégő főrészei a következők:

♦ égőtest (markolat),♦ acetilénszelep,♦ oxigénszelep,♦ acetiléntömlő-csatlakozó,♦ oxigéntömlő-csatlakozó,♦ keverőszár,♦ gázfúvóka (égőfej).

Keverõszár Markolat

Égõfej

Oxigénszelep

O2

C2H2

16.2. ábra. A kisnyomású oxi-acetilén lánghegesztő égő fő szerkezeti részei

A hegesztőégőbe a tömlőkön keresztül jut be a nyomáscsökkentő által redukált, ál-landó nyomású acetilén és oxigén, ahol áthalad a szabályozó szelepeken és a keverőtér-ben összekeveredik. A keverés kétféle elven történik: az eltérő nyomású (más néven azacetilén nyomásából következően kisnyomású) keverőkben nagyobb nyomású (1,0…2,5 bar) oxigén kisebb nyomású (0,1…1,0 bar) acetilénnel keveredik (injektor-elv), azazonos nyomású (más néven közepes nyomású) keverőkben a kétféle gáz egyenlő nyo-mással (p=0,75…0,85 bar) érkezik és keveredik össze.

Magyarországon szinte kizárólagos jelleggel csak a kisnyomású, injektoros hegesztő-égők vannak használatban.

Az égőképes gázkeverék a keverőszár végén elhelyezett fúvókán keresztül lép ki aszabadba, ahol meggyújtva a láng létrejön. A fúvóka áramlástechnikai megfontolásból


(lamináris áramlás megvalósítása érdekében) megfelelő átmérőjű és sima felületű furat-tal rendelkezik. A lángerősség változtatása a fúvóka (égőfej) furatának változtatásávalés a gázkeverék mennyiségének növelésével lehetséges. Ennek technikai megoldásáraegy égőtesthez egy készlet cserélhető keverőszárat mellékelnek.

A különböző lemezvastagságok hegesztéséhez szükséges tipikus furatátmérőket és arajta átáramló átlagos acetilénmennyiséget a 16. 1. táblázat mutatja be, acélok hegeszté-séhez. Az adatok a gyártótól és az égő konstrukciójától nagymértékben függenek és csakirányértékként kezelendők.

Lemezvastagság, mm Furatátmérő, mm Acetilén térfogatáram, l/min0,25 0,57 0,10…0,300,40 0,71 0,15…0,450,50 0,71 0,20…0,600,80 0,89 0,22…0,951,60 1,12 0,45…1,802,40 1,25 1,80…2,803,20 1,45 2,60…3,804,80 1,65 4,60…8,006,40 1,90 8,00…14,00

16.1. táblázat. A fúvóka furatátmérői és az acetilén térfogatáram intervallumai egykeverőszárkészlethez

A láng fenntartásához a gázkeverék ugyanolyan vgk kilépési sebességére van szük-ség, mint amilyen az adott gázkeverék vég égési sebessége:

v vég gk= (16.4.)

Amennyiben v vég gk< , a gáz elfújja a lángot, vagyis a láng kialszik Ez akkor követ-kezik be, amikor az acetilén mennyisége túl nagy. Amennyiben ennek ellenkezője(v vég gk> ) következne be (nagy oxigénfeleslegkor), akkor az égés helye folyamatosan apisztolyba, majd a tömlőkbe tevődne át és végül robbanáshoz vezetne. Ennek megaka-dályozására az égőtestekbe csak egyirányban átengedő szelepeket, ún. visszacsapó-szelepeket építenek be.

16.4.2.2. HegesztőtömlőkA hegesztőtömlők feladata, hogy flexibilisen összekössék az égőt a nyomáscsökken-

tővel. Anyaguk szálerősítéses gumi (kompozit), belső átmérőjük (3,2…13 mm, leggyak-rabban 8 mm) és maximális üzemi nyomásuk (pümax=30 bar) szabványosított. A vélet-len keveredés megelőzésre az égőgázhoz narancs vagy piros, az oxigénhez kék, zöldvagy fekete szín tartozik. A tömlő az égőhöz csőbilinccsel, a nyomáscsökkentőhözhollanderanyával csatlakozik. Az égőgáz hollandere balmenetű, az oxigéné jobbmenetű.

A tömlő hossza legalább 7,5 m, a gyakorlatban 15 vagy 30 m, hogy a hegesztő azégővel nagy munkatérben mozoghasson és a láng kellően távol legyen a palackoktól ésazokat még véletlenül se hevíthesse.

16.4.3. Biztonsági és védőfelszerelésekA lánghegesztő munkahely fokozottan tűz- és robbanásveszélyes, ezért a berendezés

telepítésére és egyes fő egységeire egyaránt szigorú biztonsági rendszabályok vonatkoz-nak.


A hegesztőt a láng fényétől sötétüveges szemüveg, a forró munkadarabtól és afröccsköléstől bőr védőöltözék (kötény, lábszárvédő, bakancs, kalap, kesztyű) védi. Ahegesztéssel együttjáró oxigénfogyasztás miatt megfelelő szellőztetésről kell gondos-kodni.

16.5. A hegesztő lángA hegesztő láng az oxigén és az égőgáz keveréskének égésekor keletkezik, közvetle-

nül a fúvóka előtt. A lejátszódó exoterm reakció általános alakja:

C H nm

O n COm

H O En m C Hn m+ + ⋅ → ⋅ + ⋅ +( )

4 22 2 2 (16.5.)

Acetilén égőgáz esetén n=2 és m=2, így a (16. 5.) reakcióegyenlet a következő alakotveszi fel:

C H O CO H O EC H2 2 2 2 22 5 22 2

+ ⋅ → ⋅ + +, (16.6.)

A (16.6.) összefüggés arra mutat rá, hogy egy acetilén molekula teljes elégéséhez 2,5molekula oxigén szükséges. Mivel hegesztéskor közel ugyanannyi sűrített acetilénthasználunk, mint oxigént, a hiányzó 1,5 molekulányi oxigént a levegőből kell elvenni.

A hegesztő láng vizuálisan is elkülöníthető különböző részekből áll. A 16.3. ábraszerint a láng legbelső része a nagyon fényes, kékesfehér lángmag (inner cone), ezt ve-szi körül az (acetilénfelesleg esetén különösen jól látható) világoszöld pillangó(feather), míg a legkülső rész a lilás-sárga seprű (envelope).

T, oC

x, mm0

1000

2000

3000

SeprûPillangóLángmagFúvóka

16.3. ábra: Az oxi-acetilén láng részei és hossztengelyirányú hőmérsékleteloszlása

Az acetilén (16.6.) szerinti égése a láng különböző részeiben, lépésenként megy vég-be.


A magban végbemenő reakció:

C H O C H O E2 2 2 2 2 12+ → ⋅ + + + (16.7.)

Reakció a pillangóban:

2 22 2 2 2⋅ + + → ⋅ + +C H O CO H E (16.8.)

A seprűreakció a levegő oxigénjével:

2 1 5 22 2 2 2 3⋅ + + ⋅ → ⋅ + +CO H O CO H O E, (16.9.)

A három reakció során generálódó hő összegződik és a folyamat bruttó höenergiájátszolgáltatja:

E E E EC H1 2 3 2 2+ + = (16.10.)

A pillangóban lezajló reakcióban ugyanannyi térfogatú acetilén vesz részt, mint oxi-gén. A két gáz térfogatáramának (koncentrációjának) hányadosa az Rk keverési arány:

RV

VkC H

O=!!2 2

2

(16.11.)

Ha a keverési arány 1, a lángot semlegesnek mondjuk. Az oxigén növelésével az Rktényező egynél kisebb lesz, ilyenkor a láng oxidálóvá válik. Egynél nagyobb keverésiarány acetiléndús, vagyis redukáló lángot eredményez.

16.6. A lánghegesztés hegesztőanyagaiA lánghegesztés hegesztőanyagai közé a pálcák és a folyasztószerek tartoznak.

16.6.1. PálcákAhogy láttuk az előzőkben, a LH hozaganyag nélkül, vagy pálca hozaganyaggal vé-

gezhető. A hozaganyag tekintetében a lánghegesztés leginkább a semlegesgázvédelmű,volfrámelektródos ívhegesztéshez hasonlítható, de a gyártók a lángpálcákat megkülön-böztetik a SWI pálcáitól.

A lánghegesztő pálcák szokásos átmérőtartománya 1,6…4,0 mm, hosszúságuk Euró-pában 1 m, Amerikában 36 in. (914,4 mm). A pálcák előállításukat tekintve húzottak(pl. acélok), öntöttek (öntöttvas) és keramikusak (WC szemcsék Co bázisban) lehetnek.Az ötvözetlen acélpálcákat alacsony (C ≤ 0 2, % ) karbontartalmú és a jobb cseppátmenetérdekében csillapítatlan acélból készítik.

A szerkezeti acélok hegesztéséhez legalább háromféle szilárdságú pálcát gyártanakRG 45, RG 60 és RG 65 egyezményes csoportjelöléssel (minimális szakítószilárdságukrendre 310, 415 és 460 MPa). A varratszilárdság a pálca anyagán túlmenően az alap-anyagtól, a keveredés mértékét meghatározó hegesztéstechnológiától és -technikától,valamint a láng kémiai jellegétől (metallurgiai hatásoktól) függ.

Az ötvözetlen pálcákon túlmenően a kereskedelmi forgalomban a megfelelő alap-anyagtípusok kötőhegesztéséhez gyengén ötvözött pálcák is kaphatók.

A BÖHLER cég lángpálca választéka 2000. évben a következő volt:

♦ BW VII Rm=340…440 MPa, ötvözetlen acélokhoz, ötvözetlen kivitelben,

♦ BW XII Rm=410…510 MPa, ötvözetlen acélokhoz, Ni=0,4 % ötvözéssel,


♦ DMO Rm=440…540 MPa, gyengén ötvözött, melegszilárd acélokhoz,Mo=0,5 % ötvözéssel,

♦ DCMS Rm=490…590 MPa, gyengén ötvözött, melegszilárd acélokhoz,Cr=1 % és Mo=0,5 % ötvözéssel.

16.6.2. FolyasztószerekA folyasztószerek (flux) feladata, hogy lánghegesztés közben az alapanyag és a ho-

zaganyag felületén elhelyezkedő oxidokat kémiai úton oldja, az oxidokkal alacsonysűrűségű salakfilmet alkosson, ami beborítja a hegesztendő felületet és annak újraoxi-dálódását megakadályozza. A folyasztószer olvadáspontja alacsonyabb, mint az alap-anyagé, így az oxid már oldott állapotú, amikor az alapanyag megolvasztására sor kerül.

Folyasztószer használata szükséges az erősen ötvözött CrNi acélokhoz, a Cu, Ni, Alés Mg ötvözetekhez. Szerencsére a szerkezeti acélok folyasztószer nélkül hegeszthetők.

Univerzális folyasztószer nincs, minden anyagféleséghez más- és más folyasztószer-összetétel szükséges. Savas karakterű oxidot bázikus, bázikus jellegű oxidot savasfolyasztószerrel oldanak. A leggyakoribb savas folyasztószer bóroxidot (B O2 3 ), bórsa-vat (H BO2 3 ), vagy bóraxot ( Na B O H O2 4 7 210⋅ ), tartalmaz. A bázikus folyasztószerekfő komponense a szóda ( Na CO H O2 3 210⋅ ). Sok folyasztószer tartalmaz kloridokat( NaCl, KCl, LiCl, CaCl ZnCl, NH Cl2, 4 ) és fluoridokat ( NaF, KF, LiF, Na AlF3 6 ) is.

A folyasztószerek por, paszta vagy folyadék alakban kaphatók. Vannak beles pálcák,ahol a folyasztószer a pálca belsejében helyezkedik el, sőt egyes esetekben afolyasztószert a pálca külső felületére viszik fel.

A folyasztószer használata nem csak kényelmetlen, idő- és költségnövelő, de emelletta legtöbb komponense korrozív hatású is. A folyasztószer használatának szükségességenagyban rontotta a LH versenyképességét és hozzájárult ahhoz, hogy az eljárás elveszí-tette korábbi alkalmazásainak döntő hányadát.

balogh andrás - Ömlesztő hegesztő eljárások

Documents