Transcript Gyártástechnológia I-1
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).