Gyártástechnológia I. (hegesztés) előadás: A hegesztés fizikai és metallurgiai alapjai

1. Műszaki Alapozó és Gépészmérnöki szakGépgyártástechnológia Tanszék Gyártástechnológia I. (hegesztés) előadás: A hegesztés fizikai és metallurgiai alapjai előadó: Dr. Szigeti Ferenc főiskolai tanár

2. 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

3. 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.

4. A sajtoló hegesztés erőszükséglete a hőmérséklet függvényében: ahol: Fs : sajtolóerő [N] kf : alakítási szilárdság [MPa] T : hőmérséklet [Co] Ah : hegesztési keresztmetszet [mm2]

5. Hegesztési eljárások alapvető osztályozása

7. Hegesztési eljárások osztályozása • 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). • Hegesztés folyamata szerint: (hegesztett kötés létrehozásának módja szerint) a, ömlesztő, b, sajtoló, c, ömlesztve sajtoló.

8. 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.

9. 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

10. 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

11. 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).

12. 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.

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

14. Ömlesztő hegesztési eljárások • 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.

15. 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.

16. 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 ).

17. 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.

18. 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).

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

20. Kombinált plazmahegesztés: a fentiek kombinációja, ahol az átvitt és a nem átvitt ív egyaránt részt vesz a hegfürdő kialakításában.

21. 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.

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

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

24. 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 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).

25. 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.

26. 5. Zömítő tompahegesztés Az elektromos áram hőhatásával (Joule hővel) képlékennyé tett munkadarabok összenyomással végzett hegesztése.

27. Zömítő tompahegesztés Korszerűbb alkalmazási területe a csőgyártásnál. s = 1 mm → v = 60 m/p s = 2 mm → v = 30 m/p

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

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

30. 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.

31. 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.

32. Hegesztett kötések osztályozása • 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.

33. 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 horonyperemvarrat (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.

34. előnyben!, erővonalak irányváltás nélkül haladnak 2. Elemek egymáshoz viszonyított helyzete szerint: - egysíkú - merőleges - párhuzamos (átlapolt) - ferde kerülendő! feszültségcsúcs, feszültség eloszlás nem egyenletes

35. 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.

36. 4. Hegesztésihelyszín 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!

37. Varratfajták és géprajzi jelképeik

39. 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).

40. Foltszerű hőforrások jellemzői (0,5D) • 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 .

41. 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

42. 3. Hőáramsűrűség: qA 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 ↑ hőforrásnak tekinthető hőáramsűrűségű eljárás

43. 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

44. 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

45. A hegesztéshez használt hőforrások áttekintése

46. 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.

47. A hőhatásövezet szerkezete és származtatása - Hegesztés közben a hőforrással együttmozgó hegfürdőt magas hőmérsékletű zóna veszi körül (HHÖ; HAZ: heat affected zone).

48. 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).

49. 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 ↑.

50. 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).