Műszaki Alapozó és Gépészmérnöki szakGépgyártástechnológia 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

2.Erőzáró (zsugorkötés)

3.Anyagzáró

a, hegesztés (kohéziós);

b, hegesztés rokon eljárásai (adhéziós):kemény- és lágyforrasztás, termikus szórás, ragasztás

}oldható

(reverzibilis)

}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:

hfs AT)(kF

ahol:

Fs : sajtolóerő [N]

kf : alakítási szilárdság [MPa]

T : hőmérséklet [Co]

Ah : hegesztési keresztmetszet [mm2]

Hegesztési eljárások alapvető osztályozása

Hegesztési eljárások osztályozása

1. 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).

2. A hegesztés kivitelezésének módja szerint:

a, kézi (BKI),

b, gépi - emberi felügyelettel(félautomatikus, automatikus),

- mikroprocesszor felügyelettel (robotrendszerű).

3. Hegesztés folyamata szerint: (hegesztett kötés létrehozásának módja szerint)

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 – H2 ), 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 alapfogalmakHegesztett 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 Co-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 alaphelyzetek

Hegesztési helyzetek: a hegesztési varratnak (a varrat készítésekor) a térben elfoglalt helyzete. Ide tartozik a hegesztés iránya is (függőleges helyzet, felülről lefelé, fölfelé)

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.

PA: fekvő vízszintes (Av tengely függőleges, takarósor felül)

PB: haránt vízszintes (takarósor felül)

PC: haránt (vízszintes helyzet, Av tengely vízszintes), (függőleges falon vízszintes varrat)

PD: haránt fejfeletti (vízszintes fejfeletti helyzet, takarósor alul)

PE: fej feletti (vízszintes fej feletti, Av tengely függőleges, takarósor alul)

↑ PF: függőleges felfelé hegesztés

↓ PG: függőleges lefelé hegesztés

Ömlesztő hegesztési eljárások1. 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 CO2 , vagy kevert-gázas (a védőatmoszférát semleges és aktív gázok keveréke alkotja, kettő vagy több komponensből: Ar ,CO2, O2, N2, H2 ). Jelölése: VFI, MAG (CO2),( 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 oC-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 , H2 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: a fentiek kombinációja, ahol az átvitt és a nem átvitt ív egyaránt részt vesz a hegfürdő kialakításában.

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. SugárhegesztésekA kötés kialakításához szükséges hőt nagy energiasűrűségű

sugárnyaláb (lézer- vagy elektronsugár) kelti, amikor a munkadarabba ütközik (hegesztési vákuumban, védőgázban vagy levegőn, hozaganyag nélkül!)

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

40

1

b

a

elektronsugár hegesztés: nagy teljesítményű, koncentrált elektronsugár a munkadarabba mélyen behatolva alakul át hővé.

4. TermithegesztésÖntőhegesztés: 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 oC-ra hevül→ Fe és Al2 O3 folyékony lesz.

gyulladási hőmérséklet: 1300 oC (bárium-peroxid gyutacs, vagy Mg-szalag), égési hőmérséklet: 2700 oC

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).

adalék

salak

32termitpor

3FeOAl3FeO2Al

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 tompahegesztésAz elektromos áram hőhatásával (Joule hővel) képlékennyé tett

munkadarabok összenyomással végzett hegesztése.

Zömítő tompahegesztésKorszerűbb alkalmazási területe a csőgyártásnál.

s = 1 mm → v = 60 m/p

s = 2 mm → v = 30 m/p

6. DörzshegesztésKötő-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 hegesztésVillamos 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/mmLv

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

- párhuzamos (átlapolt)

- ferde

előnyben!, erővonalak irányváltás nélkül haladnak

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), (pontszerűhöz hasonló, véges átmérővel rendelkező).

Foltszerű hőforrások jellemzői (0,5D)

1. Hőáram: az áramforrás által időegység alatt szolgáltatott hőenergia.

η: termikus hatásfok

Uív: ívfeszültség

Ih: hegesztő áram

φ: Uív és Ih közötti fázisszög.

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

;WcosIUηΦ hív

2. Hőfoltátmérő: dh

- 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

A hőáram ívkeresztmetszetre vonatkoztatott értéke.

- BKI: nagy foltátmérőjű, kevésbé koncentrált

- VFI: kisebb foltátmérőjű, koncentráltabb

- q0<10 kW/mm2: normál

- q0>10kW/mm2: nagy

- q sugármenti eloszlása

- A ,,q” az R-el exponenciálisan csökken, értékét a Gauss-féle haranggörbe ábrázolja

dh↓; q meredekebben ↓; hőfolt koncentráltsága ↑

22h mm

W

πd

4Φ

A

Φq

hőáramsűrűségű eljárás

hőforrásnak tekinthető

22h

2r

d

4

0rk

0 eqeqq

4. Hőforrás sebessége: vh [mm/s]

A hőforrás tárgyhoz képesti mozgási sebessége álló tárgy: vh=vheg;

álló hőforrás: pl. ellenállás-ponthegesztés vh=0).

- vh> 50 mm/s: gyors

- vh< 50 mm/s: normál

5. Vonalenergia: Ev

Vonalmenti energiasűrűség

Hegesztési eljárások összehasonlítására alkalmas.

Hegesztéshez használt hőforrások:

- q0<10 W/mm2 – a fémek nem hegeszthetők (a hő szétterjed – hővezetés)

- q0>107 W/mm2 – az anyag elgőzölög, vágás

- dh : 1μm÷10mm

mm

J

v

ΦE

hv

A hegesztéshez használt hőforrások áttekintése

Az ábra az eljárás szabályozhatóságát mutatja:

- elektronsugár nagy szabályozhatóságú,

- plazma, lézer kis szabályozhatóságú,

- q0>10 kW/mm2: olvasztás, elgőzölögtetés a hegesztési folyamat meghatározó eleme,

- q0<10 kW/mm2: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. Tlikv → 100oC-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 vhűt. Edződésre hajlamos acéloknál, H2 jelenlétében varrattal párhuzamos repedések várható helye (Tlikv – Tszol ).

2.Szemcsedurvulási zóna: (Tszol – 1100 oC)

nagyméretű ausztenit szemcsékből átalakult bomlásterméket tartalmaz. Szilárdság ↓ felkeményedés, szívósság ↓ lehetséges.

3.Normalizálódási zóna: (1100oC – A3), normalizáló hőkezelésre hasonlít (a hűlés sebessége nagyobb, mint a normalizálás léghűtése után). Finom szemcseszerkezet; szilárdság ↑, ütőmunka ↑.

Hőhatásövezeti zónák és jellegzetességei (ötvözetlen lágyacél)

4.Részleges átkristályosodási zóna: (A3 – A1): α → γ →α átalakulás nem teljes, változó szemcseméret, eredeti és új szövetű szemcsék, átlagos vagy kissé rosszabb mechanikai jellemzők.

5.Újrakristályosodási és kilágyulási zóna: (A1 – 450 oC): 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: (450oC – 100oC): 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).