Műszaki Alapozó és Gépészmérnöki szak Gépgyártástechnológia Tanszék

Gyártástechnológia I.

(hegesztés) 1.előadás: A hegesztés fizikai és metallurgiai alapjai előadó: Dr. Szigeti Ferenc főiskolai tanár

Az alkatrészek (gépelemek) közötti kötések lehetnek

:

1.Alakzáró

: csavar-, szegecs-, ék-, retesz-, poligonkötések } oldható

2.Erőzáró

(zsugorkötés) (reverzibilis)

3.Anyagzáró

a, hegesztés (kohéziós); b, hegesztés rokon eljárásai (adhéziós):kemény- és lágyforrasztás, termikus szórás, ragasztás } irreverzibilis, roncsolással oldható

Hegesztés definíciója:

olyan oldhatatlan kötőeljárás, amellyel fémes vagy nemfémes anyagok elemi részeit: - megfelelő hőmérsékletre való hevítéssel, - nyomás alkalmazásával, vagy anélkül, - csak nyomás alkalmazásával, hevítés nélkül, - hozaganyaggal vagy anélkül egyesítjük.

Elemi részek között teremt kapcsolatot: fémes, ionos, kovalens, molekulakötés.

A sajtoló hegesztés erőszükséglete a hőmérséklet függvényében:

F s  k f ( T)  A h ahol: F s : sajtolóerő [N] k f : alakítási szilárdság [MPa] T : hőmérséklet [C o ] A h : hegesztési keresztmetszet [mm 2 ]

Hegesztési eljárások alapvető osztályozása

Hegesztési eljárások osztályozása

1.

2.

3.

Hegesztés célja szerint:

a,

kötőhegesztés

(két vagy több munkadarab egyesítése), b,

felrakó hegesztés

(hozaganyag ráhegesztése a munkadarab felületére, különleges felületi tulajdonság elérése vagy méretnövelés céljából).

A hegesztés kivitelezésének módja szerint:

a, kézi (BKI), b, gépi - emberi felügyelettel(félautomatikus, automatikus), - mikroprocesszor felügyelettel (robotrendszerű).

Hegesztés folyamata szerint:

módja szerint) (hegesztett kötés létrehozásának a, ömlesztő, b, sajtoló, c, ömlesztve sajtoló.

Hegesztési eljárások osztályozása

4. Hozaganyag alkalmazása szerint:

- hozaganyaggal (exogén), (ömlesztő) történő, - hozaganyag nélküli (autogén), (sajtoló) heg.eljárások.

5. Környezeti atmoszféra nyomása szerint a hegesztés végezhető:

- vákuumban (p≈0), - légköri nyomáson (p=1 bar), - nagynyomású térben (p>1 bar, víz alatti hegesztés).

6. Hegfürdő és környezetének védelme szerint

(levegő gázainak kémiai hatásától: oxid- és nitridképződéstől, gázelnyeléstől – H 2

védelmi lehetőségek:

), - vákuum, - védőgáz, - salakvédelem, - kombinált (egyidejű gáz és salak)védelem, - mechanikus védelem.

Hegesztési eljárások osztályozása

7. Nemzetközi Hegesztési Szervezet (IIW, International Institute of Welding) ajánlása szerint, számkóddal (ISO 4063):

- BKI, MMA, Manual Metal Arc Welding, 111 1. ívhegesztés főcsoport, alcsoport: 11 nyíltívű hegesztés - fedettívű hgesztés, FH, SAW, kód: 12.

- semleges védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés, sVFI, MIG, kód: 131 - aktív védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés, aVFI, MAG, kód: 135 - semleges védőgázas, W elektródás ívhegesztés, SWI, TIG, kód: 141

Hegesztéssel kapcsolatos alapfogalmak

Hegesztett kötés:

hegesztéssel létrehozott kohéziós kapcsolat. Részei: - hegesztési varrat vagy pont (alapanyag és hozaganyag olvadékából dendritesen kristályosodik) - kötési övezet - hőhatásövezet - alapanyag (hőhatástól nem befolyásolt a, ömlesztőhegesztéssel kialakított kötés, b, sajtolóhegesztéssel kialakított kötés

Hegesztéssel kapcsolatos alapfogalmak

Hegesztési varrat vagy kötési övezet:

a hegesztett kötés azon része, ahol a kötés megvalósult.

Hőhatásövezet:

az alapanyagnak a hegesztés során szilárd halmazállapotban maradt azon része, amely a hegesztési hő következtében szövetszerkezeti és mechanikai tulajdonságbeli változáson (átkristályosodás) ment keresztül. 100 C o -tól olvadáspontig, néhány mm-től 30-50 mm-ig terjed.

Bekeveredés:

az alap és hozaganyag (vagy a már lerakott varratsorok) anyagának keveredése a varratban (alapanyag-hozaganyag hányad).

Beötvöződés:

az ötvözők bekerülése a varratba az elektródából, bevonatból, hozaganyagokból, stb.

Beötvözés:

az ötvözők szándékos bevitele a hegesztési varratba a kívánt összetétel – beállításhoz.

Kiégés:

az alapanyag és hozaganyag egyes ötvözőinek elégése, elpárolgása (hozaganyag nélküli hegesztésnél az alapanyag ötvöző csökkenése).

Hegesztéssel kapcsolatos alapfogalmak

Hegfürdő:

a hegesztési övezetben (a hőbevitel következtében) pillanatnyilag folyékony halmazállapotban lévő fémes anyagok összessége.

Heganyag:

a már megdermedt hegfürdő.

Hozaganyag:

a heganyagban megjelenő, kívülről bevitt anyagokat értjük. Hegesztő huzal, bevonat, fedőpor.

Segédanyag:

nem számít hozaganyagnak, lehetővé teszi vagy megkönnyíti a hegesztési folyamatot (pl. védőgáz, folyósító szer).

Hegesztőanyag:

a hegesztési folyamatban felhasznált hozag- és segédanyagok együttes kifejezése.

Hegesztési helyzetek Hegesztési helyzetek: a hegesztési varratnak (a varrat készítésekor) a térben elfoglalt helyzete. Ide tartozik a hegesztés iránya is (függőleges helyzet, felülről lefelé, fölfelé) PA: fekvő vízszintes (A v tengely függőleges, takarósor felül) PB: haránt vízszintes (takarósor felül) PC: haránt (vízszintes helyzet, A v tengely vízszintes), (függőleges falon vízszintes varrat) PD: haránt fejfeletti (vízszintes fejfeletti helyzet, takarósor alul) PE: fej feletti (vízszintes fej feletti, A v tengely függőleges, takarósor alul) ↑ PF: függőleges felfelé hegesztés

Hegesztési alaphelyzetek

↓ PG: függőleges lefelé hegesztés Hegesztési alaphelyzetek hatása a varratminőségre: fej felett: hegfürdő lecsöpög, gázbuborékok nem tudnak a felszínre törni, gázzárványok. Hegesztett szerkezetekben (pl. csővezeték) nincs mód a legkönnyebb, vízszintes helyzetbe állítani a munkadarabot.

Ömlesztő hegesztési eljárások

1. Ívhegesztések

Lényege

: a hegfürdő létrehozásához szükséges hőt az elektróda és a munkadarab közötti elektromos ív szolgáltatja.

Ha az ívkeltő elektróda leolvad, egyúttal a hozaganyagot is ez képezi.

a, Fogyóelektródás önvédő ívhegesztő eljárások

Elvük

: a szükséges hőt egy fogyó (leolvadó) elektróda és a munkadarab között égő hegesztőív szolgáltatja. A hegesztőívet és a hegfürdőt az atmoszférától az elektróda bevonatából vagy töltetéből származó gáz illetve salak védi.

BKI(

111):

az elektródát kézzel vezetjük.

b, Fedett ívű hegesztés

: A hegesztő ív egy fogyóelektróda és a munkadarab, (vagy két fogyóelektróda) között nem láthatóan ég. A hegesztőívet és a hegfürdőt fedőpor és az ebből képződő salak védi. UP-hegesztés, FH, kódja:

121

.

c, Fogyóelektródás védőgázas ívhegesztés



semleges (nemes) gázas fogyóelektródás ívhegesztésnél

a védőgáz általában Ar, de lehet He vagy Ar és He keveréke. Jelölése: AFI, sVFI, MIG, (

131

).



aktív védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztésnél

a hegesztőívet burkoló atmoszféra aktív, oxidáló hatású, általában CO védőatmoszférát semleges és aktív gázok keveréke alkotja, kettő vagy több komponensből: Ar ,CO 2, O 2, N 2 , H 2 2 , vagy kevert-gázas (a ). Jelölése: VFI, MAG (CO 2 ),(

135

).

d, Wolfram elektródos védőgázas ívhegesztés

→AWI: semleges gázos wolfram elektródos ívhegesztés: a hegesztő ív a wolfram elektród és a munkadarab között ég. Védőgáz általában Ar → AWI=TIG – Tungsten Inert Gas, de lehet He, Ar – He keverék is. Lehet kézi vagy gépi. Kódja:

141

.

e, Plazmahegesztés:

 A fúvókát szűkítéssel készítik → a hegesztőívben az elektronmozgás felgyorsul → az elektronok gyors mozgása nagy súrlódási hőt kelt, az ívhőmérséklet megnő 20-30 ezer o C-ra → atomok ionizálódnak (elveszítik a külső elektronhéjon lévő elektronjaikat), az így képződő elektron-ion keverék a plazma → igen nagy teljesítmény sűrűség érhető el. Plazmaképző gázt és védőgázt is ionizáltatunk az ívben. Ezek: Ar , He , H 2 illetve keverékeik.

Plazmasugár hegesztés

: a hegesztő ív a wolfram elektród és a plazmafúvóka belső fala között ég (nem átvitt ív).



Plazmaívhegesztés

: az ív a munkadarab és a wolframelektród között ég (átvitt ív).



Kombinált plazmahegesztés

kialakításában.

: a fentiek kombinációja, ahol az átvitt és a nem átvitt ív egyaránt részt vesz a hegfürdő

2. Villamos salakhegesztés:

Ívgyújtás után, az ív hatására a fedőpor elsalakosodik, folyékony lesz, villamosan vezetővé válik. Az elektródát a folyékony salak rövidre zárja és a hegesztési folyamat ívmentesen halad tovább. Az áram salakon való áthaladásakor az átmeneti ellenálláson fejlődő hő biztosítja a hegesztéshez szükséges hőmérsékletet.

3. Sugárhegesztések

A kötés kialakításához szükséges hőt nagy energiasűrűségű  sugárnyaláb (lézer- vagy elektronsugár) kelti, amikor a munkadarabba ütközik (hegesztési vákuumban, védőgázban vagy levegőn, hozaganyag nélkül!) a b  1 40

lézersugár-hegesztés

: közelítően azonos frekvenciájú koherens sugár, melynek energiája hegesztéskor hővé alakul.



elektronsugár hegesztés:

hővé.

nagy teljesítményű, koncentrált elektronsugár a munkadarabba mélyen behatolva alakul át

4. Termithegesztés

Öntőhegesztés: a kötéshez szükséges hőt a megömlött hozaganyag közvetíti, ennek hatására a kötendő felületek összeolvadnak.

a, ömlesztő termithegesztés

: Termitpor: vasoxid és alumínium por alakú keveréke, ha meggyújtjuk, hevesen ég, 3000  termitpor  2 o O salak C-ra hevül→ Fe és Al 3   adalék 2 O 3 folyékony lesz.

gyulladási hőmérséklet: 1300 (bárium-peroxid gyutacs, vagy Mg-szalag), égési hőmérséklet: 2700 o C o C A termitporból képződő folyékony fürdőt alulról megcsapolják, formába vezetik, a forró színvas a rúdvégeket körülfogja, megömleszti, a réseket kitölti. Befejező megmunkálás: köszörülés vagy kovácsolás (Alkalmazása: sínek helyszíni hegesztése).

b, sajtoló termithegesztés

: - a termitpor elégetésével termelt vasömledék (és salak) csak a munkadarab felmelegítésére szolgál – a munkadarabokat képlékeny állapotban nyomással egyesítjük; - először a salak ömlik a formába – ez megakadályozza a vas beömlését a cső belsejébe; - föld alatti olaj és gázvezetékek hegesztésénél.

5. Zömítő tompahegesztés

Az elektromos áram hőhatásával (Joule hővel) képlékennyé tett munkadarabok összenyomással végzett hegesztése.

Zömítő tompahegesztés

Korszerűbb alkalmazási területe a csőgyártásnál.

s = 1 mm → v = 60 m/p s = 2 mm → v = 30 m/p

6. Dörzshegesztés

Kötő-dörzshegesztés Alkalmazási területek: - Nyeles fogaskerekek - Gépjármű féltengelyek - Motorok szelepei - Csoport – fogaskerekek - Fúrók, marók, dörzsárak - Dugós idomszerek - Csőkötések

A dörzshegesztés előnyei

: 1. A kötésszilárdság túlhaladja az alapanyag szakítószilárdságát; 2. Fémkombinációk gyorsan és jól hegeszthetők össze; 3. Energiaigénye kicsi (10-15%-a a zömítő tompahegesztésének); 4. Nyersanyag megtakarítás - hozaganyag nem kell, - dezoxidáló szer nem kell, - forgácsolási megtakarítás; 5. Összehegesztett alkatrészek ütése 0,3 mm alatti; 6. Egyszerű eszközökkel (kimustrált esztergapad) is végezhető.

7. Ellenállás hegesztés

Villamos áram hőhatásával képlékennyé tett (olvadás határáig hevített) fém nyomással történő egyesítése.

U = 0,5 – 8 V I = 10.000 – 100.000 A

a, Ponthegesztés

F = 2000– 2500 N Alkalmazási területek: - Gépkocsi karosszériák - Repülőgépek sárkány szerkezete - Vasúti járművek - Háztartási gépek stb.

b, Dudorhegesztés

Egyidejűleg több ponton végzett hegesztés I = 8000 A/dudor F = 1500 N/dudor T = 1 sec/mm Lv

c, Vonalhegesztés

Hasonló a ponthegesztéshez, az elektródái vízzel hűtött görgők.

Hegesztett kötések osztályozása

1.

Varrattípus szerint: a, tompavarratok

- egy síkban elhelyezkedő elemeket kötnek össze, - anyagvastagság teljes egészére (vagy jelentős részére) kiterjedő kötés, (lehet teljes vagy részleges átolvadású), - lemezek leélezésével készülnek, - legjobb mechanikai jellemzőkkel rendelkezik (preferált).

b, sarokvarratok

- lapoltan vagy merőlegesen vágott élű elemeket köt össze, -a varrat jelentős része az elemeken kívül helyezkedik el.

1.

Varrattípus szerinti osztályozás: c, horonyvarratok

(kis terhelés, alárendelt) - a hornyok az elemek alakjából, helyzetéből adódóan jönnek létre, - hasonlóak a részleges átolvadású tompavarrathoz.

d, lyuk- és horonyperem varrat

(kis terhelés, alárendelt) - átlapolt elemek, sarokvarrat, furat vagy horony belső kerületén.

e, telivarratok

(kis terhelés, alárendelt) - átlapolt elemek, furat vagy horony belső kerületén, üreget kitöltik.

2. Elemek egymáshoz viszonyított helyzete szerint

: - egysíkú - merőleges előnyben!, erővonalak irányváltás nélkül haladnak - párhuzamos (átlapolt) - ferde kerülendő! feszültségcsúcs, feszültség eloszlás nem egyenletes

3. Vastagságirányú felépítés szerint: a, egyoldali varrat

: - gyökutánhegesztéssel: a gyökhiba elkerülhető, de a hőbevitel aszimmetrikus, - gyökutánhegesztés nélkül: gyökhiba, aszimmetrikus, vizsgálattal való bizonyítás szükséges.

b, kétoldali

: szimmetrikus, legjobb, előnyben kell részesíteni.

4. Hegesztési helyszín szerint :

-

műhelyi (telephelyi):

ideális feltételek: hőmérséklet, pozíció, páratartalom, huzatmentesség.

- helyszíni (szerelőhegesztés

): kedvezőtlen feltételek: rosszabb varratminőség!

Gyakorlat: helyszíni hegesztés helyett és/vagy mellett: nagy terhelhetőségű csavarkötések!

Varratfajták és géprajzi jelképeik

A hegesztés hőforrásai

 A hegesztéshez megfelelő koncentráltságú és nagyteljesítményű energiaforrások (

hőforrások

) szükségesek, amelyek

kiterjedésüket tekintve lehetnek

: - pontszerű (0D) - vonalszerű (1D) - felületi (2D) - térfogati (3D)

Leggyakoribb

ívhegesztő eljárások

hőforrásai: foltszerű (0,5D),

rendelkező).

(pontszerűhöz hasonló, véges átmérővel

Foltszerű hőforrások jellemzői (0,5D)

1.

Hőáram

: az áramforrás által időegység alatt szolgáltatott hőenergia.

Φ  η  U ív  I h  cos    ; η: termikus hatásfok U ív : ívfeszültség I h : hegesztő áram φ: U ív és I h közötti fázisszög.

egyenáram (DC): cosφ=1 (φ=0 o ); váltó áram (AC): |cosφ|<1 .

2

.

Hőfoltátmérő: d h

- állandó intenzitású, kör keresztmetszetű hőforrás átmérője, melyen keresztül ugyanannyi hőenergia áramlik, mint a valóságos (hely függvényében változó intenzitású) hőforráson át.

- közelítően: az ív átlagos átmérője; sugárhegesztésnél a sugárnyaláb átmérője

3. Hőáramsűrűség: q

q  Φ A  4Φ   W mm 2   q  q 0  e  k  r 2  q 0 4  e d 2 h  r 2 - q sugármenti eloszlása - A ,,q” az R-el exponenciálisan csökken, értékét a Gauss-féle haranggörbe ábrázolja d h ↓; q meredekebben ↓; hőfolt koncentráltsága ↑ - BKI: nagy foltátmérőjű, kevésbé koncentrált hőforrásnak tekinthető - VFI: kisebb foltátmérőjű, koncentráltabb - q 0 <10 kW/mm 2 : normál - q 0 >10kW/mm 2 : nagy hőáramsűrűségű eljárás

4. Hőforrás sebessége: v h [mm/s]

A hőforrás tárgyhoz képesti mozgási sebessége  álló tárgy: v h =v heg ;  álló hőforrás: pl. ellenállás-ponthegesztés v h =0).

- v h > 50 mm/s: gyors - v h < 50 mm/s: normál

5. Vonalenergia: E v

Vonalmenti energiasűrűség E v  Φ v h   J mm   Hegesztési eljárások összehasonlítására alkalmas.

Hegesztéshez használt hőforrások: - q 0 <10 W/mm 2 – hővezetés) – a fémek nem hegeszthetők (a hő szétterjed - q 0 >10 7 W/mm 2 – az anyag elgőzölög, vágás - d h : 1μm÷10mm

A hegesztéshez használt hőforrások áttekintése

Az ábra az

eljárás szabályozhatóságát

mutatja: - elektronsugár nagy szabályozhatóságú, - plazma, lézer kis szabályozhatóságú, - q 0 >10 kW/mm 2 : olvasztás, elgőzölögtetés a hegesztési folyamat meghatározó eleme, - q 0 <10 kW/mm 2 :olvasztás, hővezetés a meghatározó folyamat.

A hőhatásövezet szerkezete és származtatása

- Hegesztés közben a hőforrással együttmozgó hegfürdőt magas hőmérsékletű zóna veszi körül (HHÖ; HAZ: heat affected zone).

A hőhatásövezet jellemzői

 HHÖ-ben a hőmérséklet folyamatosan változik. T likv → 100 o C-ig, ezért nem lehet a HHÖ homogén szerkezetű, sávokra, zónákra osztható.

  A hegesztett acélok C-tartalma 0,1…0,22% , választ: C=0,16%-ot.

Csak kvalitatív elemzés lehetséges, mert: - az acélok egyéb elemeket is tartalmaznak, - az átalakulások nem egyensúlyi körülmények között történnek,   - a csúcshőmérséklet- eloszlás függ: alapanyagtól, technológiától.

Konkrét acélnál pontosítás szükséges: a valós hűtési sebesség és C görbe alapján.

HHÖ bármely pontjának hőciklusát szimulálni lehet (hőciklus szimuláció).

Hőhatásövezeti zónák és jellegzetességei (ötvözetlen lágyacél) 1.Szilárd-folyékony átmenet zónája:

igen keskeny, legnagyobb v hűt . Edződésre hajlamos acéloknál, H 2 jelenlétében varrattal párhuzamos repedések várható helye (T likv – T szol ).

2.Szemcsedurvulási zóna:

(T szol – 1100 o C) nagyméretű ausztenit szemcsékből átalakult bomlásterméket tartalmaz. Szilárdság ↓ felkeményedés, szívósság ↓ lehetséges.

3.Normalizálódási zóna:

(1100 szilárdság ↑, ütőmunka ↑.

o C – A 3 ), normalizáló hőkezelésre hasonlít (a hűlés sebessége nagyobb, mint a normalizálás léghűtése után). Finom szemcseszerkezet;

Hőhatásövezeti zónák és jellegzetességei (ötvözetlen lágyacél) 4.Részleges átkristályosodási zóna:

(A 3 – A 1 ): α → γ →α átalakulás nem teljes, változó szemcseméret, eredeti és új szövetű szemcsék, átlagos vagy kissé rosszabb mechanikai jellemzők.

5.Újrakristályosodási és kilágyulási zóna:

(A 1 – 450 o C): csak akkor történik változás, ha a kiindulási feltételek adottak: pl. hidegen alakított állapotban hegesztés: megújulási és rekrisztallizációs folyamat; vagy hőkezeléssel felkeményített acél hegesztése: martenzites szövetek kilágyulása.

6.Kéktörési (szegregációs) zóna:

(450 o C – 100 o C): kis atomsugarú kémiai elemek (B, N, C) diffúziós szegregációja várható, szilárdságnövelő, alakváltozó képesség ↓ hatás, szívósság ↓, repedés veszély. Régebbi, rossz minőségű, levegőfrissítésű, sok N-t tartalmazó acéloknál (régi acélok, alkatrész javításoknál).