MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Dr. Balogh András – Dr. Schäffer József – Dr. Tisza Miklós

Szerkesztette: Dr. Tisza Miklós

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar

KÉSZÜLT A HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 SZ. PROJEKT TÁMOGATÁSÁVAL

MISKOLC, 2007.

© Miskolci Egyetem. Minden jog fenntartva.


MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Dr. Balogh András – Dr. Schäffer József – Dr. Tisza Miklós

Szerkesztette: Dr. Tisza Miklós


KÉSZÜLT A HEFOP-3.3.1-P.-2004-09-0102/1.0 SZ. PROJEKT TÁMOGATÁSÁVAL

MISKOLC, 2007.

TARTALOMJEGYZÉK 1. ELŐSZÓ

9

2. HŐKEZELÉS

11

2.1. A hőkezelő eljárások általános alapjai 2.1.1. A hőkezelés szerepe a gyártástechnológiában 2.1.2. A hőkezelés definíciója és hőmérséklet-idő diagramja 2.1.3. A hőkezelő eljárások osztályozása 2.1.4. Hőátvitel hőkezelésnél 2.1.5. Anyagátvitel hőkezelésnél 2.1.6. Sajátfeszültségek, méret és alakváltozások hőkezelésnél 2.1.7. Hőkezelő berendezések 2.2. Izzítások 2.2.1. Feszültségcsökkentő izzítás 2.2.2. Újakristályosító izzítás 2.2.3. Szferoidizáló izzítás 2.2.4. Normalizálás 2.2.5. Teljes lágyítás 2.2.6. Izotermás lágyítás 2.3. Keménységnövelő hőkezelések 2.3.1. Edzés 2.3.2. Felületi edzés 2.4.1. Nemesítés 2.4.2. Bainites hőkezelés 2.5. Termokémiai kezelések 2.5.1. Nitridálás 2.5.1.1. A nitridréteg szerkezete és tulajdonságai 2.5.1.2. A nitridálás technológiája 2.5.2. A betétedzés technológiája 3. KÉPLÉKENYALAKÍTÁS

11 11 11 12 13 17 20 23 32 32 33 34 36 37 38 38 38 44 50 53 54 55 55 58 63 73

3.1. A képlékenyalakítás fogalma, rövid történeti áttekintése 3.2. A képlékenyalakítás helye és szerepe a mechatronikai alkatrész gyártásban 3.3. A képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásai 3.4. A képlékenyalakítás kontinuum mechanikai alapjai 3.4.1. A feszültségi állapot jellemzői és alapösszefüggései 3.4.2. A feszültségi egyensúlyi egyenletek 3.4.3. Az alakváltozási állapot jellemzői és alapösszefüggései 3.4.4. A térfogat-állandóság tétele 3.4.5. A folyási feltételek 3.4.5.1. A Tresca-St. Venant folyási feltétel 3.4.5.2. A Huber-Mises-Hencky folyási feltétel 3.4.6. Anyagtörvények, anyagmodellek 3.4.7. Az alakváltozás ideális munkája 3.5. A képlékenyalakítás technológiája 3.5.1. Lemezalakító eljárások 5

73 74 74 79 80 83 83 86 87 88 90 92 97 100 100

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK

TARTALOMJEGYZÉK

3.5.1.1. A lemezalakítás osztályozása 3.5.1.2. A lemezalakítás anyagai 3.5.1.3. Anyagszétválasztó műveletek – Vágás-lyukasztás 3.5.1.3.1. Ollón végzett vágások technológiája 3.5.1.3.2. A kivágás-lyukasztás technológiája 3.5.1.3.3. A kivágás-lyukasztás szerszámai 3.5.1.4. Hajlítás 3.5.1.4.1. A hajlítás alakváltozási és feszültségi állapota 3.5.1.4.2. A hajlítás erő- és nyomaték szükséglete 3.5.1.4.3. A hajlítás szerszámai 3.5.1.5. A mélyhúzás 3.5.1.6. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás feszültségi állapotának elemzése 3.5.1.7. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás szerszámtípusai 3.5.1.8. Mélyhúzható anyagok és vizsgálatuk 3.5.2. Térfogatalakító eljárások 3.5.2.1. Zömítés 3.5.2.1.1. A zömítés alapesetei 3.5.2.1.2. Hidegzömítés 3.5.2.2. Redukálás 3.5.2.3. Folyatás 3.5.2.3.1. Folyató eljárások 4. HEGESZTÉS

101 101 102 105 109 114 121 121 125 128 131 140 144 145 149 149 149 151 162 164 164 173

4.1. A hegesztés helye a kötéstechnológiákban 4.2. A hegesztett kötés és részei 4.3. Bevezetés a hegesztés elméleti alapjaiba 4.3.1. A hegesztéstörténet rövid áttekintése 4.3.2. A hegesztés helye a gyártóeljárások között 4.3.3. A hegesztés definíciója 4.3.4. A hegesztőeljárások rendszerezése 4.3.4.1. Elsődleges osztályozás a sajtolóerő-igény szerint 4.3.4.2. A hegesztőeljárások további csoportosítása 4.3.5. A hegesztés hőforrásai 4.3.5.1. A foltszerű hőforrások jellemzői 4.3.5.2. A hegesztéshez használt hőforrások 4.3.6. A hozaganyag hevítése, megolvasztása és átvitele a hegfürdőbe 4.3.6.1. A hozaganyagok hevítése ömlesztő hegesztéseknél 4.3.6.2. Az anyagátvitel lehetséges módjai ívhegesztéskor 4.3.6.3. Az anyagátvitel mennyiségi jellemzői 4.3.7. A hegesztendő tárgy helyi hevítése és megolvasztása 4.3.7.1. A hegfürdő alakja 4.3.7.2. A hegfürdő méretei 4.3.7.3. A hegfürdő létideje 4.3.7.4. A hegfürdő hőmérséklete

6

173 174 174 174 175 176 176 176 177 179 179 181 183 183 184 185 186 186 187 188 188

TARTALOMJEGYZÉK


4.3.8. A hegfürdőben végbemenő fizikai-kémiai folyamatok 4.3.9. A hegfürdő kristályosodása 4.3.9.1. Kristályosodási repedések képződése a varratban 4.3.9.2. A hőhatásövezet, mint a szilárd fázisban végbemenő fémtani folyamatok következménye 4.3.9.3. A hőhatásövezet zónáinak jellegzetes tulajdonságai 4.4. A legfontosabb ömlesztőhegesztő eljárások 4.4.1. Az ívhegesztések elméleti alapjai 4.4.1.1. A villamos ív, mint az ívhegesztések hőforrása 4.4.1.2. Az ív hosszanti szerkezete 4.4.1.3. Az ív hosszanti potenciáleloszlása 4.4.1.4. Az ívfeszültség nagysága 4.4.1.5. Összefüggés az ívfeszültség és a hegesztő áramerősség között: a statikus ív jelleggörbe 4.4.1.6. Az ívkarakterisztika befolyásolása technológiai eszközökkel 4.4.1.7. A villamos ív átlagos hőmérséklete és hőmérsékleteloszlása 4.4.2. Az ipari gyakorlat szempontjából lényeges ívhegesztő eljárások 4.4.2.1. Bevontelektródás kézi ívhegesztés 4.4.2.2. Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés 4.4.2.3. Semlegesvédőgázas, volfrámelektródos ívhegesztés 4.4.2.4. Plazmaívhegesztés 4.4.3. Sugárhegesztő eljárások 4.4.3.1. Lézersugárhegesztés 4.4.3.2. Elektronsugárhegesztés 4.5. Villamos ellenálláshegesztés 4.5.1. Rövid történeti áttekintés 4.5.2. Az ellenálláshegesztések rendszerezése 4.5.3. Az ellenálláshegesztés elméleti sajátosságai 4.5.3.1. Az ellenálláshegesztések hőforrása 4.5.3.2. Az ellenállásponthegesztés energiaforrása 4.5.3.3. Felülettisztítás 4.5.3.4. A sajtolóerő szerepe a hegesztésnél 4.5.3.5. Az ellenálláshegesztések védelme a levegő gázai ellen 4.5.4. Ellenálláshegesztő eljárások 4.5.4.1. Ellenállásponthegesztés 4.5.4.2. Az ellenálláshegesztés alapváltozatai 4.5.4.3. Dudorhegesztés 4.5.4.4. Vonalhegesztés

7

188 189 189 192 194 194 195 195 198 198 200 200 201 202 202 203 212 222 233 239 239 246 247 247 248 250 250 252 254 255 256 256 256 256 272 277


TARTALOMJEGYZÉK

8

1. ELŐSZÓ

A kétlépcsős (BSc, MSc) műszaki képzés első lépcsőjének bevezetését az Oktatási Minisztérium a különböző akkreditált szakok tananyagainak elkészítésére kiírt fejlesztési pályázatokkal is segíti. A hazai felsőoktatási intézményekben folyó Mechatronikai képzés tananyagfejlesztésére kiírt pályázatot a Győri Széchenyi István Egyetem által vezetett, több intézményből álló konzorcium nyerte el. Ennek keretében – több más tankönyv megírásával együtt – a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kara a Mechanikai Technológiák témaköréhez készít a konzorcium tagjai, és igény szerint más felsőoktatási intézmények által is felhasználható tankönyvet. A tankönyv elsődleges célja az, hogy megismertesse a hallgatókat a legfontosabb mechanikai technológiákkal, azok elméleti alapjaival, technológia folyamataival és berendezéseivel, ezzel olyan alapvető mérnöki alapismereteket biztosítva, amelyek egyetlen praktizáló mérnök ismerettárából sem hiányozhatnak. Ez a koncepció és tárgyalási mód megegyezik azzal, amit a Mechanikai Technológiai Tanszék tankönyvírási programjainál az eddigiekben is alkalmaztunk. A technológiai eljárások ismertetését a vonatkozó elméleti alapok rövid összefoglalása előzi meg és az egyes eljárásokhoz szorosan kapcsolódó példák követik. A Mechanikai Technológiák fogalomkörébe a különféle alakító és alakadó eljárások (képlékenyalakítás, öntészet, porkohászat, műanyag-feldolgozás), a kötéstechnológiák (elsősorban a hegesztés és rokon eljárásai), valamint a termikus, termokémiai és termo-mechanikai kezelések (ezen belül elsősorban a gépipari alkalmazás szempontjából legfontosabb hőkezelő eljárások és felülettechnológiák) tartoznak. Ezen technológiai eljárások kiemelt szerepet töltenek be a műszaki gyakorlatban és ennek megfelelően a hazai műszaki felsőoktatás képzési programjaiban is. A Mechanikai Technológiáknak jelentős szerepe van az anyagfejlesztés, a tulajdonság-optimalizálás, a racionális anyagfelhasználás, a minőségbiztosítás, a műszaki biztonság és a környezetvédelem területén egyaránt. E szerepvállalás nem képzelhető el csak akkor, ha a Mechanikai Technológiák oktatása szoros kapcsolatban van anyagtudományi, kontinuummechanikai, gyártástechnológiai, informatikai és automatizálás-technikai ismeretekkel egyaránt. Ennek figyelembevételével a tankönyv a Mechanika Technológiák anyagtudományi és kontinuum-mechanikai elméleti alapjainak rövid áttekintése után az eljárások klasszikus csoportosításának megfelelően ismerteti a legfontosabb eljárásokat. Az Alakító és alakadó technológiák címszó alatt elsősorban a gépipari alkatrészgyártás szempontjából kiemelt jelentőségű Képlékenyalakítás elméleti alapjaival, a különféle lemezalakító- és térfogatalakító eljárásokkal, valamint ezek gépi berendezéseivel foglalkozunk. A Képlékenyalakítás, amely az egyik legősibb megmunkáló eljárás, napjainkban ismételten reneszánszát éli, amely mindenek előtt az eljárások anyag- és energia-takarékos jellemzőinek köszönhető.

9


BEVEZETÉS

A Hegesztés című fejezet a Kötéstechnológiák nélkülözhetetlen kötő- és rokoneljárásait foglalja magába. Ebben a fejezetben a mintegy 5000 éves múltra visszatekintő forrasztások mellett, a 100-150 éves múlttal rendelkező hegesztés és termikus vágás, valamint a ragasztás és termikus szórás eljárásaival kívánunk foglalkozni. A Hőkezelés című fejezetben a hőkezelés általános alapjainak rövid összefoglalását követően, a különféle izzításokkal, a keménységnövelő-, illetve szívósságfokozó hőkezelésekkel, valamint egyes termokémiai kezelésekkel foglalkozunk. A technológiai eljárások ismertetését az eljárások lényegének és berendezéseik működésének megértését jelentősen segítő, gazdagon illusztrált ábraanyag teszi teljessé. A tankönyv a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karán folyó képzéseken túlmenően, a konzorciumi intézményekben és valamennyi hazai műszaki felsőfokú képzést nyújtó intézményben eredményesen hasznosítható a mechanikai technológiák, a hőkezelés, hegesztés és képlékenyalakítás oktatásában.

Miskolc, 2007. szeptember

A szerzők

10

2. HŐKEZELÉS

2.1. A hőkezelő eljárások általános alapjai 2.1.1. A hőkezelés szerepe a gyártástechnológiában A különféle mechanikus rendszereket gyártó iparágakban a gyártás célja szerint két alapvető terület, az alkatrészgyártás és a késztermék előállítás (szerelés) különíthető el. Az alkatrészgyártás feladata előírt geometriájú, felületminőségű és anyagtulajdonságú alkatrészek gyártása. Az alakadás történhet felépítő (öntés, meleg- és hidegalakítás, hegesztés) vagy leválasztó (különféle forgácsoló és egyes hidegalakító technológiák) eljárások alkalmazásával. A gyakorlat számára igen jelentős alakadó technológiák, a szabályos szerszáméllel végzett forgácsolás (esztergálás, marás, fúrás stb.) és a képlékeny hidegalakítás műszaki illetve gazdasági szempontból eredményes végrehajtása csak meghatározott, jó feldolgozhatóságot biztosító anyagtulajdonságok illetve szövetszerkezet mellett lehetséges. Az alkatrész működése során ható igénybevétel azonban a feldolgozhatóságot biztosító illetve az egyes alakadó technológiáknál kialakuló tulajdonságoktól eltérő anyagtulajdonságokat követel meg. A gyártás során tehát szükség van a vas- és fémötvözet termékek anyagtulajdonságainak változtatására. Ezt a szerepet látja el a hőkezelés. Ebből eredően a hőkezelés a gyártástechnológia integráns része. A hőkezelés során nem célunk az alak és a méretek megváltoztatása ez inkább nem kívánatos kísérőjelenség. Általános feladat a gépészmérnöki gyakorlatban a célnak megfelelő hőkezelő eljárás kiválasztása és adott esetben a választott hőkezelő eljárással és egyéb követelményekkel összhangban álló anyagminőség előírása. Meg kell adni a hőkezelés eredményére vonatkozó előírást és megfelelő szakmai kommunikációt kell tudni folytatni a hőkezelést végrehajtó gyári hőkezelő üzemmel, vagy bér-hőkezelő üzemmel. 2.1.2. A hőkezelés definíciója és hőmérséklet-idő diagramja A mérnöki gyakorlatban a hőkezelés vas- és fémötvözetek előírt anyagtulajdonságait biztosító technológia, amit a hőmérséklet célszerű változtatásával érnek el. Ehhez egyes eljárásoknál a cél eléréséhez egyéb, kémiai, mechanikai és fizikai hatások is társulnak. A tulajdonságváltoztatás alapja a célnak megfelelő szövetszerkezet létrehozása, egyensúlyihoz közeli vagy éppen attól jelentősen eltérő szerkezetek kialakítása. Ebből következően a hőkezelés elméleti alapját mindenekelőtt a metallográfia egyensúlyi és nem egyensúlyi átalakulásokra vonatkozó elmélete jelenti.

11


HŐKEZELÉS

Hőntartás

Átmelegítés

A fentiekből következően minden hőkezelő eljárás a hőmérséklet változás menetét megadó ún. hőmérséklet-idő (T-t) diagrammal jellemezhető. Egy hőmérséklet-idő ciklus az előírt hőmérsékletre való felmelegítésből, hőntartásból és a kiinduló hőmérsékletre való lehűtésből áll. Az egyes eljárások egy vagy több ilyen ciklusból tevődnek össze. Egy ilyen hőmérséklet-idő diagramot a 2.1. ábra szemléltet a jellegzetes szakaszok feltüntetésével. A 2.1. ábrának megfelelően az alábbi T, oC Felület technológiai adatok különböztethetők meg: − Tm, [°C]: melegítési hőmérséklet, Mag − tm, [h vagy min], melegítési idő: a darab teljes átmelegedéséhez szükséges idő, − tmf, [h vagy min], felmelegítési idő: a darab felületének a melegítési t, min Felmelegítés Hűtés hőmérsékletre hevítéséhez szükséges idő, Melegítés − tmk, [h vagy min], hőkiegyenlítési 2.1. ábra. A hőkezelési ciklus hőmérséklet-idő vagy átmelegítési idő: a darab magdiagramja a jellegzetes szakaszok feltüntetésével jának a melegítési hőmérsékletre hevítéséhez szükséges idő, miután a felület elérte a kívánt hőmérsékletet, − tt, [h vagy min], hőntartási idő: a darab állandó hőmérsékleten tartásának időtartama, − th, [h vagy min], hűtési idő: a darab teljes keresztmetszetben való lehűtéséhez szükséges idő. − Értelemszerűen: tm=tmf+tmk A hőkezelési technológia tervezésekor ki kell választani a megfelelő hevítő berendezést és a Tm melegítési hőmérséklet ismeretében meg kell határozni a tm melegítési időt, valamit a tt hőntartási időt. Hűtésnél elsődleges a cél elérését biztosító hűtőközeg kiválasztása és csak szükség esetén kell a hűtési időt megadni. A technológiai adatok megadásához elegendő a hőmérsékletváltozást ténylegesen leíró függvény használata helyett egy egy2.2. ábra. A technológiai adatok megadása szerűsített ábrázolás, egyenes szakaegyszerűsített hőmérséklet-idő diagramon szokból felépített diagramon amint azt a 2.2. ábra szemlélteti. A hőkezelő eljárások ismertetésénél van jelentősége az elvi hőmérséklet-idő diagramnak. Ez egy szintén egyszerűsített formában megrajzolt, a kérdéses hőkezelő eljárás végrehajtása szempontjából fontos elméleti értékeket és általános jellemző adatokat feltüntető diagram. 2.1.3. A hőkezelő eljárások osztályozása A hőkezelő eljárások számos szempont alapján osztályozhatók. Egy alapvető szempont az alkalmazott hatás. Eszerint megkülönböztethetők: − termikus eljárások, 12

HŐKEZELÉS


− termo-kémiai eljárások, − termo-mechanikus eljárások, − termo-fizikai eljárások. A fenti eljárások közül a termikus és a termokémiai eljárások elterjedtek. A különféle fémötvözetek felhasználásával készülő gyártmányok anyaga túlnyomórészt vasötvözet, ezen belül is acél. Az acéloknál széles körben alkalmazott termikus eljárások praktikusan az elérendő tulajdonságok szerint osztályozhatók: − megmunkálhatóságot javító hőkezelések (izzítások): • feszültségcsökkentő izzítás, • újrakristályosító izzítás, • szferoidizáló izzítás, • teljes lágyítás, • normalizálás, • izotermás lágyítás, • ausztenites lehűtés, − igénybevétel szerinti tulajdonságokat biztosító hőkezelések: • keménység ill. szilárdságnövelő hőkezelések: * térfogati edzés, * felületi edzés, • szívósságfokozó hőkezelések: * nemesítés, * bainites hőkezelés, * szabályozott hűtésű szívósságfokozó hőkezelés. A speciális jellegzetességek miatt külön szokás tárgyalni a szerszámacélok, a különleges acélok, az öntöttvasak és a nem vas fémek hőkezelését. A hőkezeléseket jellegzetes gyártmányok szerint is szokás osztályozni: ennek megfelelően beszélhetünk például rugók, fogaskerekek, hegesztett szerkezetek, stb. hőkezeléséről. Mivel az adott szakterülethez kapcsolódó hőkezelési alapismeretek nyújtása a cél, az acéloknál az alkatrészgyártás során széles körben alkalmazott termikus és termokémiai eljárásokat ismertetjük. Előbbieket – két itt kevésbé fontos eljárást elhagyva – a gépészmérnök szempontjából legcélszerűbb, elérendő tulajdonságok szerinti csoportosításban. A termokémiai eljárások osztályozására később visszatérünk. A szakterület jellegzetes igényeinek megfelelően kitérünk a tömegben gyártott kis méretű alkatrészek hőkezelésének kérdéseire. 2.1.4. Hőátvitel hőkezelésnél A hőkezelési ciklus első lépésében a darabokat fel kell melegíteni az előírt melegítési hőmérsékletre. A melegítéshez szükséges hő forrása lehet: − kémiai reakcióhő (gáztüzelés), − villamos áram hőhatása: • közvetett ellenállás hevítés (hőtermelés a kemence munkaterének falán elhelyezett ellenállás fűtőelemekkel), • közvetlen ellenállás hevítés (hevítés a darabon átfolyó árammal), • indukciós hevítés, − nagy energiájú sugárzás (lézer- vagy elektronsugár hevítés). A leggyakrabban gáztüzelésű vagy villamos fűtésű kemencében hevítik a darabokat, amikor is a test felületén keresztül történik a hőátadás, a hő továbbítása pedig hővezetés révén valósul meg. Hasonló a helyzet a hűtésnél. 13


HŐKEZELÉS

A melegítésnél a hőátadás során a hővezetés részvétele elhanyagolható, ez alapvetően a konvekció és a hősugárzás révén megy végbe. 300 °C alatt a konvekció van túlsúlyban. A hőmérséklet növekedésével a sugárzás részaránya gyorsan nő, 800 °C-on kb. 80 %. A konvekciónál a hőátadás a hőátadó közeg (gáz, folyadék) áramlása révén jön létre. Ez befolyásolható az áramlási sebességgel és gáz hőátadó közeg esetén a nyomással. Az áramlási sebesség a kemencébe beépített ventillátorokkal növelhető. Ennek különösen a kisebb hőmérsékleti tartományban használt kemencéknél − pl. megeresztő kemencéknél − van jelentősége. A nyomás növelését a korszerű vákuumkemencékben végzett gázhűtésnél használják ki. A viszonyokat befolyásolja még a hőátadó közeg halmazállapotának esetleges változása is (gőz képződés víz vagy olaj hűtésnél; lásd az edzésnél). A hősugárzással átvitt hőmennyiség független a darabot körülvevő közegtől, vákuumban is létrejön. Jelentősen befolyásolja a felület állapota, ún. feketeségi foka. Így a revés felületű darab gyorsabban melegszik, mint a fémes felületű. A teljes hőátvitel a részfolyamatokra vonatkozó hőátadási tényezők összegeként az α hőátadási tényezővel adható meg: α = αv + αk + αs , [ W/m 2 ⋅ °C ] .

(2.1)

A hőáram-sűrűség, a felületegységen, időegységben átvitt hőmennyiség, a Newton-féle hőátadási képlettel számítható: j = α ( Tk − T ) , [ W/m 2 ] ,

ahol

Tk, [°C] T, [°C]

(2.2)

a környezeti hőmérséklet, a felület pillanatnyi hőmérséklete.

Az α pontos értéke, hőmérsékletfüggése csak kísérletileg határozható meg. Emiatt gyakran az α felvett, közepes értékeit veszik alapul a kérdéses hőmérséklettartományban. A melegítési idő meghatározásánál alkalmazott módszer a feladat jellegétől függ. Sorozatgyártásnál, egy értékes darab hőkezelésnél gondosabban kell eljárni, mint egy egyszerű egyedi darabnál. A darabban kialakuló hőmérsékletmező és így a melegítési idő számítható a kezdeti és peremfeltétek ismeretében a hővezetés differenciálegyenletéből. Egy dimenziós hővezetésnél, pl. lemez esetén a Fourier egyenlet az alábbi alakot ölti: cρ

∂T ∂ ⎛ ∂T ⎞⎟ = ⎜⎜ λ + w ( x, t ) , ∂t ∂x ⎝ ∂x ⎠⎟⎟

(2.3)

ahol: c, [J/kg·°C] fajhő, ρ, [kg/m3] sűrűség, λ, [W/m·°C] hővezető képesség. Az egyenlet jobb oldalán a w az úgynevezett forrássűrűség, a belső hőforrás vagy elnyelő által időegységben és térfogategységben felszabadult illetve elnyelt energia. Átalakuló acéloknál ez az átalakulási hő figyelembevételét jelenti. A kezdeti feltétel rendszerint t = 0, T = To egyenletes hőmérséklet. Ha adott a környezeti hőmérséklet és a hőátadási viszonyok − utóbbi mint hőátadási tényező − a peremfeltétel: ⎛ ∂T ⎞⎟ ⎜ −λ = α ( Tk − T ) , ⎜⎝ ∂x ⎠⎟⎟x= S

14

(2.4)

HŐKEZELÉS


ahol: s, [m] a lemez félvastagsága. A hővezető képesség jelentős mértékben függ az ötvözet kémiai összetételétől és a hőmérséklettől, amint ezt a 2.3. ábra szemlélteti. Kisebb hőmérséklettartományban az erősen ötvözött acélok igen rossz hővezetők, amit a melegítési technológia tervezésénél feltétlenül figyelembe kell venni. 900 °C körül a különböző ötvözetek hővezető képessége már nagyjából egyforma.

λ,

W m oC 80 60

Ö tv

40

Ötvözött

20

0

öz e

Szí n vas tlen acél

ac é l

Erősen ötvözött acél

200

400

600

800

1000

T, oC

2.3. ábra. A hővezető képesség változása a hőmérséklet függvényében különféle acélötvözeteknél A Fourier egyenlet analitikai megoldása csak egyszerűsítő feltételek mellett lehetséges, ha a hővezető képességet függetlennek tekintjük a hőmérséklettől és elhanyagoljuk az átalakulási hőt. Ezek, a gyakorlat igényeit sokszor kielégítő, közelítő megoldások egyszerű geometriájú testekre (lemez, gömb, henger) táblázatok vagy diagramok formájában a szakirodalomban rendelkezésre állnak. Egyszerűbben kezelhető számítógépes változatok is hozzáférhetők. Ha rendelkezésre állnak az egyenletben szereplő fizikai mennyiségek a hőmérséklet függvényében, pontosabb megoldást tesz lehetővé a végeselemes módszer. Ezt alkalmazó számítógépi szoftverek szintén széles körben hozzáférhetők. A melegítési idő egyszerűbb meghatározását teszi lehetővé az empirikus adatok alkalmazására épülő eljárás. Ilyen adatok tekintetében szintén a szakirodalomra utalunk. A darab átmelegedése a látható hősugárzás tartományában szemrevételezéssel becsülhető. Ha a darabon sötétebb foltok nincsenek és színe a kemence falazatának színével körülbelül azonos, a darab felmelegedett. A melegítési idő gazdasági, de egyéb szempontok miatt is a lehető legrövidebb legyen. A melegítési idő csökkentését a darab egyenlőtlen melegedése korlátozza, mivel az egyenlőtlen hőtágulásra és ebből következően feszültségek keletkezésére vezet. Ez a darab megrepedését, tönkremenetelét is okozhatja. A darab méretének és ötvözöttségének (lásd 2.3. ábra) növekedésével nő a repedési veszély. Erre különösen az erősen ötvözött szerszámacéloknál és korrózióálló acéloknál kell tekintettel lenni. Ilyenkor hosszabb melegítést illetve egy vagy több lépésben végrehajtott előmelegítést alkalmazunk. Ez utóbbi a gazdaságosabb és előmelegítő kemencék vagy folyamatos működésű kemencénél előmelegítő zónák alkalmazásával valósítható meg. Ezeket a melegítési változatokat illetve a darabban kialakuló hőmérsékletkülönbséget a 2.4. ábra szemlélteti.

15


HŐKEZELÉS

Tömegben gyártott, kisméretű, ömlesztve hőkezelt alkatrészek esetében az egyenletes melegedést az adag átforgatásával illetve a vékony rétegezéssel érhetjük el (lásd később a megfelelő kemencetípusoknál).

T, oC Tk TF TM

ΔT t, min

a

T, oC

Tk

TM

TF

ΔT t, min

b

A Tm melegítési hőmérsékletet − ami hőkezelő eljárás és a kezelt acélminőség függvénye − az Fe-Fe3C állapotábrából, szabványok függelékeiből, gyári katalógusokból stb. vesszük. Nagy hevítési sebességgel végrehajtott eljárásoknál (indukciós edzés, lángedzés stb.) nélkülözhetetlen az ausztenitesítési diagramok használata. Miután a darab magrésze is elérte a kívánt hőmérsékletet, számítjuk a hőntartást. Ennek során mennek végbe ill. fejeződnek be a hőkezelés jellegének megfelelő fémtani folyamatok. A hőntartás idejét tapasztalati adatok, kísérleti eredmények vagy számításokon nyugvó összefüggések alapján (pl. termokémiai kezeléseknél) határozhatjuk meg. Konkrét értékeket az egyes eljárások ismertetésénél adunk meg.

o

T, C Tk

2.1. táblázat Hűtési mód

Tek2 TF

TM

Tek1 ΔT c

t, min.

α, W/m2, °C

Kemence

15

Nyugvó levegő

30

Áramló levegő

40

Sűrített levegő

70

Levegő-víz keverék

520

Edzőolaj

580

2.4. ábra. Hevítési módszerek a) beheVíz 3500 lyezés Tk hőmérsékletű kemencébe; b) kemencével együtt való melegítés; c) két A hűtés tervezésénél szintén az alkalmazandó lépcsős előmelegítés alkalmazása hőkezelési eljárásból és anyagminőségből kell kiindulni. A szükséges hűtési sebességet leggyakrabban a folyamatos hűtésű C-görbéből határozzuk meg. A gyakorlati kivitelezéshez az alábbi hűtési módok állnak rendelkezésre: folyadékba (víz, edzőolaj, vizes polimer oldat) való bemártás, folyadéksugár, áramló vagy nyugvó gáz, kemence. A 2.1. táblázat az α hőátadási tényező tájékoztató értékeit tünteti fel különféle hűtési módokra. Az adott körülmények között szükséges hűtési sebességet biztosító hűtési mód, vagy a szokásos hűtési móddal elérhető hűtési sebesség kiválasztásánál illetve meghatározásánál a melegítési idő meghatározásánál ismertetett eljárások alkalmazhatók. A számítás a sok befolyásoló tényező illetve ezek korrekt számba vehetősége miatt rendszerint problematikus. Az empirikus adatokon nyugvó segédletek itt is jól használhatók gyors tájékozódásra.

16

HŐKEZELÉS


2.1.5. Anyagátvitel hőkezelésnél A hőkezelés során anyagátviteli folyamatok is végbemennek a darab felülete és környezete között amely lehet nem szándékos, mint például oxidálás, dekarbonizálás levegőn, füstgázban és lehet szándékos a termokémiai kezeléseknél (cementálásnál, nitridálásnál, stb.). A vas oxidálódását a levegőben vagy a füstgázban lévő O2, H2O és CO2 okozhatja. Hatástalan ilyen szempontból a H2 és N2. Az O2 a vasat folyamatosan oxidálja. Ezzel szemben a H2O és CO2 esetében egyensúlyba jutó reakció zajlik. A reakciók és egyensúlyi állandóik: Fe + H 2O R FeO + H 2

K1 =

pH 2 = f (T ) , pH 2 O

(2.5)

Fe + CO2 R FeO + CO

K2 =

pCO = f (T ). pCO2

(2.6)

A képletekben szereplő pi az egyes gázkomponensek parciális nyomása. A pi a gáz összetételből számítható az alábbiak szerint: pi = ri p , ri =

Vi V ,

(2.7)

ahol

∑ r = 1; ∑ p i

i

= p;

∑V

i

=V .

(2.8)

A (2.7) és (2.8) kifejezésekben pi, [bar] valamely gázkomponens parciális nyomása, p, [bar] a gázkeverék eredő nyomása, ri térfogatviszony, 3 Vi, [m ] valamely gázkomponens parciális térfogata, V, [m3] a gázkeverék teljes térfogata. A 2.2. táblázatban néhány elemre (karbon, nitrogén, oxigén) az anyagátvitel irányát adtuk meg az eljárás megnevezésével acélok hőkezelésénél. 2.2. táblázat Elem

Anyagátvitel iránya

Eljárás megnevezése Cementálás

Karbon

Dekarbonizálás Nincs

Dekarbonizálás mentes izzítás Nitridálás

Nitrogén

Denitridálás Nincs

Szabályozott oxidáció

Oxigén

Redukálás Nincs

Fényes izzítás

17


HŐKEZELÉS

A 2.5. ábra a K1 és K2 egyensúlyi állandókat mutatja a hőmérséklet függvényében.

2.5. ábra. A K1(a) és K2(b) egyensúlyi állandók változása a hőmérséklettel Figyelemre méltó a H2-H2O és CO-CO2 atmoszférák eltérő viselkedése hűtésnél. Ha valamely hőmérsékleten egyensúlyi atmoszférában le is hűtjük a darabot első esetben ennek során oxidálódni fog a másik esetben nem. Nagyobb hőmérsékleten FeO (wüstit) képződik a felületen. Ez hűtéskor 570 °C-on Fe3O4é (magnetitté) alakul át, ami fajtérfogat növekedéssel jár. Emiatt a reve a felületen elcsúszik, könnyen leválik. Az oxidálódás (revésedés) következményei: − fémveszteség, − nagyobb szerszámkopás, − az eltávolítás költségtöbbletet okoz, − eltávolítás után is rosszabb a felületminőség, mint az eredeti, − méretpontos (pl. hidegalakított) termékeknél a darab selejtté válik. Az acélt dekarbonizáló gázkomponensek a H2, CO2 és H2O. A dekarbonizáló-karbonizáló reakció egyenletek és egyensúlyi állandóik:

[ C ] + 2 H 2 R Fe + CH 4

K3 =

p

CH 4 2 H2 C

p ⋅a

= f (T , C ) ,

2 pCO K4 = f (T , C ) , pCO2 ⋅ aC

[ C ] + CO2 R Fe + 2CO

[ C ] + H 2O R Fe + CO + H 2

K5 =

pCO ⋅ pH 2 = f (T , C ) . pH 2O ⋅ aC

(2.9)

(2.10)

(2.11)

A képletekben szereplő aC az úgynevezett karbon aktivitási tényező, ami az acél karbon tartalmából határozható meg. Az egyensúlyi gázösszetétel tehát ilyenkor az acél karbon tartalmától is függ. Az Fe-Fe3C állapotábrával összefüggésben a felületi rétegben kialakuló karbon eloszlást és szerkezetet T1≥911 °C és 911 °C>T2>723 °C hőmérsékletekre a 2.6. ábra mutatja. A Gibbs-féle fázisszabályt adott esetre alkalmazva Sz=2(T, konc.), K=2(Fe,C) a fázisok száma: F = K + 1 − Sz = 2 + 1 − 2 = 1 .

18

(2.12)

HŐKEZELÉS


Tehát csak egyfázisú rétegek keletkezhetnek a dekarbonizálódási folyamat során. A felületE T1 > 911oC G hez közeledve egyre csökkenő karbon tartalmú γ ausztenit alakul át lehűléskor. T2 A dekarbonizálódás következményei: S A1 = 723oC − csökkent keménységű réteg a felületen, K α P − csökkent kifáradási határ, − ha a dekarbonizált réteget el kell távolítani, a megnövelt ráhagyás lemunkálása járulékos költség. C, % Készre munkált alkatrészeknél és szerszá0.8 Co moknál, ha az utánmunkálás a geometriánál fogva nem lehetséges vagy nem gazdaságos, C, % méretpontos, hidegalakítással készült termékeknél, kisméretű daraboknál az oxidálódás és a dekarbonizálódás szükségszerűen elkerülendő T1 jelenségek. Elhárításuk a kemence munkaterében létrehozott mesterséges atmoszférával, védőgázzal lehetséges. x, mm Co C, % A védőgázok alábbi típusai különböztethetők meg: f α − generátorban földgáz-levegő keverékből előállított védőgázok (endo-, exo-, γ monogáz), − bontóban előállított védőgázok (bontott T ammónia, methanol), a 2 − komprimált vagy folyékony állapotban szállított, szükség esetén helyben kevert x, mm gázok (Ar, N2, H2, ill. ezek keverékei, N2, H2, és N2+H2 szénhidrogén adalékkal, N2 2.6. ábra. A felületi réteg karbon koncentrámethanol adalékkal). ciója és fázisszerkezete ötvözetlen acél Hatékony védőatmoszféra továbbá még a dekarbonizálódásakor vákuum (lásd vákuum kemence). A megfelelő védőgáz kiválasztása komplex feladat. A következő szempontokat kell figyelembe venni: − a hőkezelt anyag minősége és az alkalmazott eljárás, − a felületminőséggel szembeni követelmények, − a hőkezeléshez alkalmazott kemence sajátosságai (gáztömörség, retortás vagy kerámia falazatú kemence stb.), − az egyes védőgázfajták költsége, ellátási biztonsága, − az üzemben már meglévő berendezések, védőgáz alkalmazások, − a személyzet szakképzettsége. A védőgáz alkalmazás során természeten kiemelt jelentősége van az egyes gázkomponensek tulajdonságaiból eredően a biztonsági kérdések (tűz-, robbanás- és fulladási veszély) kezelésének. Néhány példa: nemesíthető szerkezeti acélok edzéséhez endogáz, N2+metán, N2+methanol alkalmazható; kis karbontartalmú ötvözetlen acélok fényes izzítása exogázban, N2+H2 keveT, oC

19


HŐKEZELÉS

rékben (H2<5 % esetében nem robbanásveszélyes), N2+metán védőgázban végezhető; erősen ötvözött szerszámacélok, gyorsacélok edzéséhez vákuumkemence használata célszerű. A felületi réteg szándékos ötvözését valósítjuk meg a termokémiai kezeléseknél. Ilyenkor a kezelendő darabot úgynevezett reakcióközegbe helyezzük, majd reakció hőmérsékletre hevítjük. A reakcióközeg és a fém reakciórendszert alkot. Szokásos az eljárásokat a reakcióközeg halmazállapota szerint − szilárd, folyékony vagy gáz − megkülönböztetni. Fontos megjegyezni, hogy a halmazállapottól függetlenül az anyagátvitel mindig gázfázis útján történik. A termokémiai eljárások az alábbiak szerint csoportosíthatók: − nem fémes elemeket ötvöző eljárások: • karbon (cementálás), • nitrogén (nitridálás), • bór (boridálás), − fémes elemeket ötvöző eljárások: • króm (kromálás), • alumínium (alitálás), • stb., − fémes és nemfémes elemeket ötvöző eljárások: • króm + karbon (krómkarbid eljárás), • stb. A nem fémes és fémes elemekből is lehetséges többkomponensű eljárás keretében többet is ötvözni, például karbon mellett nitrogént is (nitro-cementálás, karbonitridálás). A termokémiai kezeléseknél a teljes anyagátvitel öt részfolyamatban valósul meg: − az ötvözőelemet szállító gázkomponens képződése a reakcióközegben, − diffúzió a reakcióközegben (szállítókomponens a felülethez, reakciótermékek a felülettől), − gáz- fém határfelületi reakciók, − az ötvözőelem diffúziója a fémben, − reakciók a fémben (szilárd oldat vagy fémes vegyület keletkezése). A termokémiai kezeléseknél a folyamatot rendszerint a diffúzió irányítja. A Fick egyenletből következően a rétegvastagság növekedését ilyenkor az alábbi összefüggés, az úgynevezett parabolikus időtörvény adja meg: x = k t , mm .

(2.13)

A képletben szereplő k tényező foglalja magába a hőmérséklet hatását és hogy milyen elem milyen ötvözetben diffundál, az időt órában számítjuk. A következőkben a leggyakrabban alkalmazott két termokémiai eljárást, a nitridálást és a betétedzést ismertetjük. 2.1.6. Sajátfeszültségek, méret és alakváltozások hőkezelésnél

Sajátfeszültségek alatt egy testben külső erők és nyomatékok hatása nélkül ébredő feszültségeket értjük. Értelemszerűen az eredő erők és nyomatékok zérussal egyenlők. A sajátfeszültségek keletkezése a különféle megmunkáló eljárások elkerülhetetlen velejárója és latens jelenlétük számos következménnyel jár. A megmunkálási folyamat közben keletkező és folyamatosan változó feszültséget belső feszültségnek szokás nevezni, a művelet befejezésekor a darabban kialakuló feszültséget pedig maradó feszültségnek.

20

HŐKEZELÉS


A belső feszültség is elérhet olyan szintet, hogy a megmunkálás közben a darab megreped, tönkremegy. Ilyen szempontból fokozott kockázatot jelentenek a gyors hűtést alkalmazó hőkezelési műveletek (edzés). A maradó feszültségek jelenléte az alábbi következményekkel jár: − a terhelhetőség változása; a maradó feszültség mint előterhelés szerepel, amire szuperponálódik az igénybevételből származó feszültség; ezt szemléltetik a 2.7. ábra elvi vázlatai fárasztó igénybevételre, különböző eloszlású maradó feszültségek esetében. − méret- és alakváltozások a technológiai művelet során, − méret- és alakváltozások a további anyagleválasztással járó megmunkálások során, − a korróziós viselkedés megváltozása (feszültségkorrózió), − fizikai tulajdonságok megváltozása (mágneses tulajdonságok, villamos vezetőképesség, stb.)

σ+

σ+

c

c

a

a

c+b

c+b Felülettől mért távolság

Felülettől mért távolság

b σ−

b σ−

I.

II.

2.7. ábra. A maradó és a terhelésből származó feszültségek szuperponálódásának elvi vázlata a − kifáradási határ, b − maradó feszültség, c − terhelő feszültség, c+b − eredő feszültség, I − az eredő egy tartományban meghaladja a kifáradási határt II −az eredő a kifáradási határ alatt marad. A sajátfeszültségek fajtáit a nagyság és irány szerint homogénnek tekinthető tartomány mérete alapján különböztethetjük meg. Ha a tartomány: sok szemcsére terjed ki, makroszkópos, egy szemcsén belüli, mikroszkópos, néhány atomköz méretű, atomos dimenziójú sajátfeszültségnek nevezzük Hőkezelésnél makroszkópos és atomos dimenziójú sajátfeszültségeket különböztetünk meg. Makroszkópos dimenziójú a termikus feszültség és a strukturális feszültség. Atomos dimenziójú sajátfeszültséggel terhelt például a túltelített szilárd oldat martenzit-képződésnél. A termikus feszültségek a darab egyenlőtlen melegedése és hűlése követeztében fellépő egyenlőtlen hőtágulása miatt ébrednek. A 2.8. ábra sematikusan mutatja egy hengeres darab hűtésénél a belső és a maradó feszültség alakulását, abban az esetben ha nincs átalakulás a hűtés során. Ha a belső feszültség a rugalmas tartományban marad maradó feszültség nem keletkezik.

21


HŐKEZELÉS

T, oC

Felület

Mag

ΔT

Csak rugalmas feszültség

lg t

+σ, MPa

Rp0.2 σtF

+σt lg t

σtM −σ

−σt Rp0.2

R Felület

0 Mag

2.8. ábra. A belső és a maradó feszültség alakulása egy hengeres darab hűtésénél A strukturális feszültség az átalakulásoknál létrejövő fajtérfogatváltozás következtében alakul ki. Ötvözetlen acéloknál a fajlagos térfogatváltozás (ΔV/V)×100 % a karbontartalom függvényében az alábbi képletekből számítható: perlit → ausztenit: 4, 64 + 2, 21C , % ausztenit → martenzit: 4, 64 - 0,53C , % ausztenit → alsó bainit: 4, 64 - 1, 43C , % ausztenit → felső bainit: 4, 64 - 2, 21C , %

(2.14)

Strukturális feszültség keletkezhet amiatt, hogy a szövetszerkezet a keresztmetszet mentén az eltérő hűlés miatt nem lesz azonos, de azonos szövetelem mellett is az eltérő időpontban való átalakulás következtében. Az eredő feszültségi állapot a termikus és strukturális feszültség szuperponálódása révén jön létre. A termikus feszültség okozta méret, illetve alakváltozás és az átalakulás miatti fajtérfogatváltozás okozta méretváltozás szuperponálódására egy lap teljes edzésekor a 2.9. ábra mutat példát. Az edzett darab megeresztésekor további méretváltozások mennek végbe. Az ε karbid kiválás és martenzit bomlása térfogatcsökkenéssel, a maradék ausztenit átalakulása bainitté térfogat-növekedéssel jár. A hőkezelés során bekövetkező méret illetve alakváltozások egyedi daraboknál biztonságos ráhagyással, sorozatgyártásban egy előzetesen hőkezelt mintán elvégzett mérés alapján, technológiai méretek és tűrések előírásával kezelhető.

22

HŐKEZELÉS


Martenzitképződés okozta térfogatnövekedés

+ 0

Méretváltozás, %

+

b a

a méret

0

Eredő méretváltozás

-

Termikus feszültség által okozott méretváltozás b méret

Eredő méretváltozás Termikus feszültség által okozott méretváltozás

+ 0 -

Szélesség, a

2.9. ábra. A méretváltozás sematikus vázlata egy lap teljes edzésekor 2.1.7. Hőkezelő berendezések

A fejlett ipari országokban a hőkezelő üzemeknek két típusa honosodott meg. Mivel az egyedi darabokat, kis és közepes sorozatokat gyártó üzemek a drága korszerű hőkezelő berendezéseket nem tudják gazdaságosan kihasználni, ezen üzemek hőkezelési igényeinek kielégítésére úgynevezett bér-hőkezelők jöttek létre. Feladataiknak megfelelően rugalmasak használható berendezésekkel rendelkeznek. A nagysorozatú gyártás folyamatos működésű, specializált berendezéseket igényel, amelyeket a gyáron belül célszerű telepíteni, külön hőkezelő üzembe vagy közvetlenül a gyártósorba. Ide sorolhatók még a speciális termékeket (pl. igen nagyméretű alkatrészeket) gyártó üzemek. A következőkben először az általánosan felmerülő hőkezelési igények kielégítésére alkalmas néhány fontosabb berendezéstípust ismertetünk, beleértve a szerszámok hőkezelését is. Ezt követően kitérünk a kisméretű alkatrészek tömeggyártása során alkalmazott hőkezelő berendezésekre. A kamrás kemencék a legáltalánosabban használható kemencék. Működésük szakaszos. Fűtésük lehet gáz, vagy villamos. A 2.10. ábra egy villamos fűtésű kamrás kemence vázlatát mutatja. A darabok be- és kirakását a homloklapon levő ajtónyíláson végzik. Az ajtó kisebb kemencéknél kézi, nagyobbaknál hidraulikus, pneumatikus vagy elektromechanikus mozgatású. Kis kemencéknél kézzel mozgatják az anyagot, a nagyobbakhoz speciális darut vagy kocsiként kihúzható fenékrészt készítenek. A kisebb kemencéket állványra helyezik, a nagyobbak közvetlenül padlón állnak. Az ellenállás fűtőelemeket az oldalfalakon, a mennyezeten és a kemencefenéken helyezik el.

23


HŐKEZELÉS

Az ilyen kemencék hővesztesége nagy, hosszú idő kell a felmelegítésükhöz, nehéz a kemencetérben egyenletes hőmérsékletet elérni. Fő előnyük a széles körű használhatóságukban van. A kamrás kemence korszerűsített változata az úgynevezett többcélú kamrás kemence, amely a kis és közepes sorozatok célszerű hőkezelő berendezése. Egy úgynevezett előkamrás kemence vázlata és az anyagmozgás folyamatábrája a 2.11. ábrán látható. A rostélyra rakott munkadarabok az adago2.10. ábra. Villamosfűtésű kamrás lógépről a zsilipfunkciót ellátó előkamrába kerülkemence vázlata nek. Egy rostélyon 100-500 kg anyag helyezhető el. Az ajtón elhelyezett lángfüggöny gondoskodik ajtónyitáskor a kiáramló védőgáz meggyújtásáról, egyidejűleg megakadályozva az oxigén behatolását. A zsilipből a belső anyagmozgatógép viszi a megrakott rostélyt a kemencetérbe. A hőkezelő teret SiC tok határolja, ami egyenletesebb hőmérséklet-eloszlást és szabályozott gázáramlást tesz lehetővé. A fedélben van elhelyezve a keringető ventillátor. Gázfűtésnél a kemenceteret sugárzócsövekkel melegítik. A külön előállítható kemenceatmoszféra az igények szerint (semleges, cementáló stb.) szabályozható. A hőntartás befejeztével az adag visszakerül az előkamrába, ahol a hűtőkádban közvetlenül elvégzendő az edzés vagy védőgáz alatt hűthető a felső helyzetben. A hűtőkád olajjal vagy megeresztő sóval tölthető fel. A fürdőt keringtető berendezés tartja állandó mozgásban, a melegítést rúdfűtőtestek, a hűtést hűtőberendezés végzi. A felső részt vízátfolyásos hűtőzónák hűtik.

2.11. ábra. Többcélú kamrás kemence vázlata, és az anyagmozgatás folyamatábrája A többcélú kamrás kemencét kiegészítő berendezésekkel együtt telepítik, az igények szerinti elrendezésben. A kiszolgálást közös, síneken mozgatható adagológéppel végzik. A szakaszos működésű kemencék másik típusát az aknás kemencék alkotják. Nem használhatók ugyanolyan általánosan, mint a kamrás kemencék, de gyakran lényeges előnyeik vannak. Mivel a fedéllel elzárható adagolónyílásuk felül van, a darabok be- és kirakása daruval egyszerűen megoldható. Tengelyek, rudak, csövek felfüggesztve deformáció veszélye nélkül melegíthetők. 24

HŐKEZELÉS


Az aknás kemencék is különféle fűtési rendszerrel készülhetnek. Villamos fűtés esetén a fűtőellenállásokat a kemencetér oldalfalaira szerelik. A talajba süllyeszthetők, így helyszükségletük kicsi. A fedél tömítése könnyebben megoldható. Ennek és tömör építési módjának köszönhetően a hővesztesége kisebb. Míg a kamrás kemencéknél a hőveszteség a névleges teljesítmény 20-40 %-a, itt 15-25 %-a. Leggyakrabban az aknás-retortás típust használják, vázlata a 2.12. ábrán látható. A retorta a hőkezelendő anyag befogadására alkalmas, hőálló acélból készült, fedéllel hermetikusan lezárható tartály. Alkalmazásával lehetőség nyílik a különféle védőgázas hőkezelések végrehajtására. Gyakran végeznek cementálást vagy nitridálást az ilyen típusú kemencékben. A retortában elhelyezett terelőhengerrel és a beépített ventillátorral az atmoszféra a munkadarabok körül jól keringtethető. A fedél hidraulikus szerkezettel emelhető le, majd kifordítható. A készülékre helyezett darabok daruval emelhetők ki a retortából. A kisebb méretű alkatrészeket kosaras készülékbe rakva helyezik a kemencébe. Az úgynevezett vákuumkemencéket először különleges hőkezelési igények kielégítésére kezdték alkalmazni, mára azonban használatuk széles körben elterjedt. Nélkülözhetetlenek a korszerű szerszámgyártásban, de a legkorszerűbb típusok már az alkatrész hőkezelésben is eredményesen használhatók. Elterjedésük oka, hogy jól kielégítik a hőkezelő berendezések fejlesztésének alábbi fő követelményeit: − szigorodó környezetvédelmi előírások, légszennyezés, szilárd és folyékony hulladék anyagok kibocsátásának csökkentése (mérgező komponenseket tartalmazó védőgázok, sófürdők, edzőolajok kiiktatása, energiafelhasználás csökkentése), − szigorodó minőségi követelmények (jó reprodukálhatóság, jó felületminőség, vetemedés csökkentése, bizonylatolás), − költségcsökkentés (kevesebb műveleti 2.12. ábra. Villamosfűtésű aknás-retortás kelépés, stb.) mence vázlata Vízszintes és függőleges elrendezésű hidegfalú vákuumkemencék használatosak. Az ilyen kemencéknek kettősfalú, vízzel hűtött köpenye van. A hőszigetelt kamrát a villamos fűtéssel ezen belül helyezik el. A berendezések 10-3-10-6 mbar tartományban dolgozó vákuum szivattyúval vannak felszerelve. Szokásosan a hőmérséklettartomány 1350 °C-ig terjed. Vákuumban a hőátvitel csak sugárzással lehetséges. Mivel, mint már említettük, alacsonyabb hőmérsékleten a sugárzással átvihető hőmennyiség kicsi, a 800-900 °C alatti hőmérséklettartományban konvekcióval segített hevítést alkalmaznak, nagy tisztaságú N2 bevezetésével. Így csökken a melegítési idő, egyenletesebb a melegedés, kisebbek az elhúzódások. 25


HŐKEZELÉS

A korszerű vákuumkemencékben a darabok környezetkímélő gyors és egyenletes lehűtését nagyteljesítményű gázkeringtetők és hőcserélők biztosítják. Az elérhető hűtési sebesség a gáz fajtájától, nyomásától és a keringési sebességtől függ. A hűtési intenzitás a következő sorrendben nő: Ar, N2, He, H2. Az N2 a leggazdaságosabb, a H2 a legjobb hűtőközeg, de robbanásveszélyes. Fontos tényező még az egyes gázok sűrűsége, amit a 2.3. táblázatban tüntetünk fel. 2.3. táblázat. Hűtéskor használt különféle gázok sűrűsége Gáz

Sűrűség, [kg/m3]

Ar

N2

He

H2

6,008 4,207 0,601 0,303

Hőcserélő Lapátkerék

Ventillátor kerék

Konvekciós motor Hevítőkamra ajtó Kemenceajtó Gárelosztó nyílások

Hűtőmotor

Hőszigetelés

Hengeres kemenceház

2.13. ábra. Korszerű vákuumkemence metszete A nagyobb sűrűség miatt az Ar és N2 alkalmazásakor, a nagy áramlási ellenállás miatt, a ventilátor szükséges motorteljesítménye a nyomással − ami hűtési intenzitás növelésének fontos tényezője − aránytalanul növekszik. A gazdasági megfontolás miatt alkalmazott N2 gázhűtésnél a nyomás 10 bar-nál nem lehet nagyobb. Megfelelő biztonságtechnikával a H2 is alkalmazható, ilyenkor a nyomás 20 bar-ig mehet fel. Ezzel jelentősen kibővül a hőkezelhető acélok köre, nemesíthető és betétedzésű acélok is edzhetők, pl. az autógyártásban szokásos mérettartományban. A 2.13. ábra egy korszerű vízszintes elrendezésű vákuumkemence metszetét mutatja. A hűtőgáz N2, a túlnyomás 10 bar. A 2.14. ábra folyamatosan használható, kamrás vagy aknás kemence mellé telepíthető, nagyobb kapacitású olajhűtő berendezést mutat.

26

HŐKEZELÉS

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Hideg olaj

Hűtővíz Meleg olaj Szivattyú

2.14. ábra. Olajhűtő berendezés vázlata Az olaj felmelegedésének megakadályozása érdekében az olajat szivattyú segítségével folyamatosan cirkuláltatják a berendezéshez tartozó hűtőn keresztül. A hőkezelő üzem berendezéséhez tartoznak még a mosó-, anyagmozgató, egyengető és ellenőrző berendezések is. Speciális berendezéseket igényel a kisméretű, tömegben gyártott alkatrészek (csavarok, csapok, görgők, láncszemek, elektromos kéziszerszámok, textilgépek alkatrészei, stb.) gazdaságos hőkezelése (edzés, nemesítés, betétedzés, nitridálás). Erre a célra a sajátosságoknak megfelelően védőgázas, folyamatos működésű, automatizált berendezéseket fejlesztettek ki. Kisebb sorozatnagyság esetében egyszerű alakú alkatrészek betétedzésére használható a szakaszos működésű forgóretortás kemence. Ezen kemence vázlatát és telepítési elrendezését mutatja a 2.15. ábra.

2.15. ábra. A villamos fűtésű forgóretortás kemence vázlata és telepítési elrendezése A cementálandó anyagot a hőálló acélból készült dobba, retortába adagolják, ami a két végén csapágyazva van és saját tengelye körül forog. A hevítésre a retortát körülvevő belső ke27


HŐKEZELÉS

mencepaláston elhelyezett ellenállás fűtőtestek szolgálnak. A retorta forgása biztosítja, hogy a cementálógáz egyenletesen éri a darabokat és egyenletes hőmérséklet-eloszlás alakul ki. Az edzéskor az egész kemencét megbillentik, így az adag a retortából a hűtőközegbe hullik. A lehűlt darabokat végtelenített lánc emeli ki. Bonyolultabb darabok a forgómozgás során sérülhetnek. A hűtéskor a darabok érintkeznek a levegővel így valamelyes oxidációval is számolni kell. A továbbiakban a folyamatos működésű kemencetípusokat ismertetjük. A lengőretortás kemence vázlatát a 2.16. ábra mutatja. A kemencetérben helyezkedik el a hőálló acélöntvényből készült, a megfelelő felfüggesztés, excenteres hajtómű és rugós szerkezet révén sajátos rezgőmozgást végző retorta, aminek következtében a beadagolt darabok szakaszosan csúsznak előre, majd a retorta végén elhelyezett csúszdán a hűtőkádba jutnak. Innen szállítóberendezés emeli ki a lehűlt darabokat.

2.16. ábra. Villamos fűtésű lengőretortás kemence vázlata A cementált rétegmélység – a kemencén való végighaladási idő – a hajtómű paramétereivel (lengésszám, lökethossz) illetve a rugóbeállítással fokozatmentesen szabályozható. A berendezést – hasonlóan a többi folyamatos működésű berendezéshez – kiegészítő berendezésekkel (előmosó, edzés utáni mosó, megeresztő kemence) hőkezelő sorba, aggregátként telepítik. Az eredményes cementálás (de bármely termokémiai kezelés) feltétele a fémtiszta, különféle maradványoktól (pl. forgácsolási hűtő-kenő folyadék, átmeneti korrózió védő anyag) mentes felület. Emiatt szükséges az előmosás. Az utómosás az edzőolaj maradékait távolítja el a megeresztés előtt. A korszerű mosóberendezéseket illetve a mosófolyadékokat a környezetvédelmi előírások messzemenő figyelembevételével fejlesztették ki. Az előbbi kemencénél előnyösebb a lengőfenekű retortás kemence. Kisebb a lengő tömeg, egyszerűbb a karbantartás. Itt az álló, rögzített retortában az adag egy görgőkkel megtámasztott lengőfenékre kerül. A kemence vázlata a 2.17. ábrán látható.

28

HŐKEZELÉS


Lengőfenék

Hevítőtér

Retorta

Csúzda Hajtómű

Kemencetest

Edzőkád

2.17. ábra. Villamos fűtésű lengőfenekű retortás kemence vázlata Az anyagtovábbítás elve ugyanaz mint az előző kemencetípusnál. Az anyagmozgatás jellege miatt ezek a kemencék sérülékeny darabok hőkezelésére kevésbé alkalmasak és a rétegvastagság is némi szóródást mutat. Mivel a darabok az ejtőcsövön keresztül közvetlenül a hűtőkádba jutnak, oxidációval nem kell számolni. A jellemző rétegvastagság 0,2-0,3 mm. A csigaretortás kemence felépítése hasonló a forgóretortás kemencéhez, itt azonban, a szintén forgómozgást végző retortába, egy csiga van beépítve ami a kemence hosszirányába folyamatosan továbbítja a darabokat. A kemence felépítését a 2.18. ábra szemlélteti. Csigaretorta

Hevítőtér

Adagoló

Gázbevezetés

Hajtómű Csúzda

Szállító heveder

Edzőkád

2.18. ábra. Villamos fűtésű csigaretortás kemence vázlata

29


HŐKEZELÉS

A gáz vagy villamos fűtésű zárt rendszerű kemence adagolónyílásán beadagolt darabok a kemencén végighaladva az ejtőcsövön keresztül a hűtőfolyadékba hullanak, ahonnan a kiemelés szállítóberendezéssel történik. Sérülékeny darabok esetén, illetve szigorúbb rétegvastagság tűrésnél a megfelelő kemencetípus a tolócsészés kemence. Egy ilyen kemencetípus vázlata a 2.19. ábrán, telepítési elrendezése a 2.20. ábrán látható.

2.19. ábra. Villamos fűtésű hárompályás tolócsészés kemence vázlata Ennél a kemencetípusnál a darabokat csészékbe adagolva mozgatják a kemencében. A csészék ütemesen, kényszerpályán haladnak előre. A hárompályás berendezésnél a két külső pályán a hőkezelendő anyag halad előre, a középső pályán pedig a kiürített csészék kétszeres sebességgel vissza. Ez a berendezéstípus számos előnnyel rendelkezik. A működés teljesen automatikus. A szabályozott munkaütem azonos áthaladási időt biztosít, így a kis rétegmélységek is jól reprodukálhatók. Ehhez, az egyenletes hőmérséklet és cementáló gázzal való érintkezés biztosításával, hozzájárul a kemenceatmoszféra kényszeráramoltatása is. A darabok védve vannak a sérülésektől, nem ütődnek. A csészék sík felületen csúsznak, így felfekszenek, nem deformálódnak. A kemence végénél a csésze tartalmát egy mechanikus szerkezet billenti be a hűtőközegbe, így a csésze nem kerül a hűtőközegbe, minimális hőveszteséggel azonnal visszajut a fűtőtérbe. A csészékben való elhelyezés miatt a különféle alkatrészek könnyen szétválaszthatók, illetve igény szerinti hűtőközeg alkalmazható. A kemence kiegészítő berendezésekkel teljesen automatikus működésű hőkezelő sorrá való integrálását a telepítési vázlat szemlélteti. Az ilyen típusú berendezésekben a rétegvastagság tágabb határok között mozoghat, 0,2-0,8 mm lehet.

30

HŐKEZELÉS


2.20. ábra. Tolócsészés kemence telepítési elrendezése

31


HŐKEZELÉS

2.2. Izzítások 2.2.1. Feszültségcsökkentő izzítás

A hőkezelő eljárás célja a különböző technológiai műveletek (öntés, melegalakítás, hidegalakítás, forgácsolás, hegesztés, stb.) során keletkező maradó feszültségek 1-2 h Tm csökkentése. 400o A feszültségcsökkentő hőkezelés helye a műveleti sorrendtervben mindig közvetlenül Kemence a feszültséget okozó művelet után van. Kényes alkatrészeknél, szerszámoknál még a simító megmunkálás után is szükség lehet 20o feszültségcsökkentő hőkezelésre. Hasonlót, h a σ, MPa képpen lényeges az alkalmazása a készre munkált állapotban végzett nitridálásnál a σο készre munkálást megelőzően. Ellenkező esetben a maradó feszültségek a nitridálás során épülnek le, a darab egyidejű deformálódását okozva. A hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramját a 2.21. ábrán látható a részlet, a ma, σο radó feszültség leépülésének elvi ábráját a b részlet mutatja be. t, h b A feszültségek a darabban azáltal épülnek le, hogy mikro-tartományban plasztikus 2.21. ábra. A feszültségcsökkentő izzítás elvi deformációt váltanak ki. Ez azt igényli, hőmérséklet-idő diagramja (a) és a maradó hogy anyag folyáshatára csökkenjen. Mivel feszültség változása a hőkezelés során (b). az acélok folyáshatára kb. 400 °C-ra csökken számottevően, a feszültségcsökkentő hőkezelés ezen hőmérséklet alatt korlátozott hatású. Másfelől e hőkezelés során nem szándékunk a szövetszerkezet, illetve mechanikai tulajdonságok jelentősebb változtatása. Így a hőkezelés felső hőmérséklethatára az A1 hőmérséklet. Mivel a feszültségek leépülése alapvetően a hevítés során megy végbe és a hőntartás során a folyamat jelentősen lelassul, hosszabb hőntartásnak nincs értelme. A hűtést újabb maradó feszültség keletkezésének elkerülésére lassan kell végrehajtani, pl. programszabályozott vagy kikapcsolt kemencében. Néhány szempont a hevítési hőmérséklet megválasztásához: − a hőkezelés után visszamaradó feszültség nagyságát alapvetően a hevítési hőmérséklet határozza meg, jelentősebb csökkentés csak a hőmérséklet növelésével érhető el, − előzőleg nemesített daraboknál az eredeti tulajdonságok megőrzése érdekében Tm=Tmeger.-(20÷30)°C célszerű, − melegen dolgozó alkatrészeknél az üzem közbeni változások elkerülése érdekében Tm=Tüzemi+(20÷30)°C legyen, − ha a revésedés probléma, ez 500 °C-ig tekinthető jelentéktelennek. A hegesztett szerkezetek feszültségcsökkentő hőkezelése speciális feladat, a gyakran helyileg végrehajtandó hőkezelés speciális eszközöket és technológiát igényel. T, oC A1

32

HŐKEZELÉS


2.2.2. Újakristályosító izzítás

Az újrakristályosító izzítás célja a képlékeny hidegalakító műveletekhez kapcsolódóan az alakítási keményedés megszüntetése, az eredeti mechanikai tulajdonságok visszaállítása. Erre szükség lehet a képlékeny hidegalakító műveletek között, annak érdekében, hogy az alakító műveletet tovább lehessen folytatni. Így például mélyhúzó acéllemeznél általában 3-4 húzási művelet végezhető el újrakristályosító izzítás nélkül, ha a húzások száma ennél több, hőkezelni kell. De adott esetben hőkezelni kell az alakadó művelet befejezése után is, ha a kiinduló állapotnak megfelelő mechanikai tulajdonságok vannak előírva. Az alakítás következményeinek megszüntetése az atomok helyének változtatását igényli a rácsban, amihez a hőmérséklet növelése szükséges. Az alakított fémben a hőmérséklet növelésekor lejátszódó fémtani folyamatokat mint a megújulás, poligonizáció, újrakristályosodás, a szövet fokozatos durvulása és a szekunder újrakristályosodás, az Anyagtudomány c. tárgy ismerteti. A képlékeny hidegalakítás következményei alapvetően az újrakristályosodás és a vele párhuzamosan lezajló mechanikai lágyulás során szűnnek meg. Az újrakristályosodáskor a deformáció következményeitől mentes csírák képződnek az alakított fémben, amelyek folyamatosan növekednek az alakított anyag teljes elfogytáig. További hőntartással vagy a hőmérséklet növelésével a szemcsék fokozatosan durvulnak. A hidegen alakított átalakuló acélok 400 °C és az A1 hőmérséklet között újrakristályosodnak. Mivel a ferrit és perlit szövetelemekből álló szövetben a deformálódó fázis a ferrit, ez újrakristályosodik, a perlitszigetek megnyújtott alakja nem változik meg. A ferrit lágyulási hőmérsékletét ötvözöttsége befolyásolja. A ferrit- és karbidképző elemek a lágyulási és A1 hőmérsékletet is növelik, de az előbbit erősebben. Emiatt az ilyen acélok újrakristályosító izzítása szűkebb hőmérsékletközben végezhető mint az ötvözetleneké. Még szűkebb a hőmérsékletköz az ausztenit-képző elemekkel ötvözött acéloknál, mivel ezek amellett, hogy a lágyulási hőmérsékletet növelik az A1 hőmérsékletet is csökkentik. 600 °C felett végzett hőkezelésnél sajátos jelenség a perlit lemezeinek gömbösödése, szferoidizálódása (a folyamat részleteit a 2.2.3. pontban tárgyaljuk). Ez különösen a nagyobb karbontartalmú acélok mechanikai tulajdonságait befolyásolja jelentősebben. Ez a folyamat ugyanis a gyakorlatban szokásos izzítási idők alatt is végbemegy, mivel az előzetes alakítás a gömbösödés idejét jelentősen lecsökkenti. Az a tény, hogy a ferrit a deformálódó fázis, a karbon-tartalomtól függően a lágyulás folyamatában jelentős különbségeket okoz. Azonos alakítási mérték mellett a vaskarbid alakíthatatlansága miatt a nagyobb karbon-tartamú acél ferritje erősebben alakváltozik, emiatt kisebb hőmérsékleten is kezd lágyulni, mint a kisebb karbon-tartalmú acélé. Az újrakristályosító izzításnál fontos tényező a hőkezelés eredményeként kialakuló szemcsenagyság. Ismert, hogy kedvezőbb mechanikai tulajdonságokat finom szemcsézet biztosít, ami pl. a folyáshatár esetén a Hall-Petch összefüggés szerint számszerűsíthető is. Jelentős a szemcseméret a feldolgozhatóság szempontjából is. Mélyhúzásnál a durva szemcsézetű mélyhúzó lemez felülete a feldolgozás során rücskös, ún. „narancsos” lesz. Ez az esetleg következő festés után is megmarad, tehát megengedhetetlen. Szükségünk van továbbá az izzítási hőmérséklet és idő a mechanikai tulajdonságok változását befolyásoló hatásának ismeretére is. Ezeket az adatokat a szemcseméret változásait feltüntető újrakristályosodási diagramok és a mechanikai tulajdonságok alakulását leíró lágyulási görbék szolgáltatják, amelyek kézikönyvekben vagy szükség esetén saját kísérleti eredmények alapján hozzáférhetők.

33


HŐKEZELÉS

,[o C]

kle t

érs é

si h őm

I zz ítá

Szemcsenagyság, [μm2]

Az újrakristályosodási diagram adott alakítási módra, állandó izzítási időre adja meg az újrakristályosodott szemnagyságot az alakítás mértékének és az izzítás hőmérsékletének függvényében, amint azt a 2.22. ábra sematikusan feltünteti. Az újrakristályosodott szövet annál finomabb minél nagyobb mértékű volt az alakítás és minél kisebb hőmérsékletű az izzítás. Bizonyos alakítási mérték és izzítási hőmérséklet alatt az újrakristályosodás nem megy végbe. A legdurvább szemnagyságot eredményező − és ezért kerülendő − alakítási mérték – izzítási hőmérséklet értékpárt kritikus értékpárnak szokás nevezni. A képlékeny hidegalakításnál a nagysorozatgyártás illetve a nagy töAlakítási mérték, [%] megben való termelés a jellemző. 2.22. ábra. Újrakristályosodási diagram elvi vázlata Emiatt a termék jellegéhez igazodó típusú folyamatos üzemű kemencék alkalmazását részesítik előnyben. Mint látható volt a hőkezelési technológiát jelentősen befolyásolja az acélminőség és az előzetes alakítás mértéke, továbbá mint említettük változatos az alkalmazott berendezések skálája. Mindezek miatt a hőmérséklet-idő diagramokat is az adott esetre kell kidolgozni, a hevítési sebesség, hőntartási idő és hűtési sebesség széles tartományban mozognak. 2.2.3. Szferoidizáló izzítás

A szferoidizáló izzítás célja a forgácsolhatóság és a képlékeny hidegalakíthatóság javítása ferrit-perlit ill. perlit-cementit szövetszerkezetű acéloknál. A forgácsolhatóság javítására általában 0,4 % C felett végzik, hidegalakításnál már kisebb C, illetve perlit tartalom esetén is célszerű lehet alkalmazni. Mint ismeretes a perlit lemezes szerkezetű eutektoid így a kemény vegyület fázis a vaskarbid, lemezek formájában van jelen. 0,8 % C feletti acélokban a vaskarbid egy további szövetelem, szekunder cementit kiválásként is megjelenik, ami háló alakot is ölthet. Forgácsoló megmunkálásnál a kemény lemezeket és a hálót a szerszámél elnyírja, ami a szerszámél jelentős kopását okozza és növeli a forgácsolás energiaigényét. Ha azonban a karbidok gömb alakúak a szerszámél a vaskarbid gömböket a lágy alapanyagba nyomja vagy kifordítja. A vaskarbid gömb alakú formája a hidegalakítással való feldolgozhatóság szempontjából is a legelőnyösebb. A szóban forgó hőkezelésnél tehát arra törekszünk, hogy a szövetben jelenlévő vaskarbid formáját gömb alakúra változtassuk, erre utal az eljárás elnevezése is. Az említett módon átalakított perlitet szemcsés perlitnek szokás nevezni. A megmunkálás szempontjából előnyös még, hogy a hőkezelés után a darabban a maradó feszültségek szintje is alacsony.

34

HŐKEZELÉS


Lemezes perlit

A karbidlemezek gömbösödésének kezdete

Gömbös karbid

2.23. ábra. A karbidlemezek gömbösödésének elvi vázlata

T, oC

A folyamat hajtóerejét az adja, hogy az Fe-Fe3C rendszerben a vaskarbid gömbös formája a legkisebb energiatartalmú. Szorosan az A1 hőmérséklet alatti tartással feloldódási és újra-kiválási folyamatok révén végbemehet a gömb alakú vaskarbid részecskék képződése. Ebben szerepet kap a vas- és karbonatomok nagy mozgékonysága ezen a hőmérsékleten, valamint az is, hogy az α-vas karbon oldó képessége az A1 hőmérsékletig jelentősen (10-6 %-ról 0,025 % C-re) nő. A vaskarbid alakjának változása a 2.23. ábra elvi vázlatán követhető nyomon. A szóban forgó hőkezelés négy módszer szerint végezhető, amelyeknek elvi hőmérséklet-idő diagramjai a 2.24. ábrán láthatók.

T, oC

Ac1

Ac1 600 oC

a o

T, C

c

t, h T, oC Ac1 Ar1

t, h

b

t, h Ac1 Ar1

d

t, h

2.24. ábra. A szferoidizáló izzítás különféle módszereinek elvi hőmérséklet-idő diagramjai a − ötvözetlen hipo-eutektoidos acél, ötvözött szerkezeti acél, b, c − hiper-eutektoidos ötvözetlen acél, szerszámacél, gördülőcsapágy acél, d − acélöntvény. Az a jelű változatot hipo-eutektoidos ötvözetlen és ötvözött szerkezeti acéloknál alkalmazzák és az Ac1 alatt kb. 20 °C-on végzett többórás izzításból áll. A legkisebb maradó feszültséget a kemencével való lassú lehűtés eredményezi. A b és c jelű hőmérséklet-idő diagramok ötvözetlen hiper-eutektoidos és ötvözött szerszámacéloknál és gördülőcsapágy acéloknál használatosak. A b esetben az acélt kevéssel az 35


HŐKEZELÉS

Ac1 hőmérséklet fölé hevítik, majd nagyon lassan hűtik az Ar1 alá 600 °C-ig. Innen gyorsabb hűtés következik. A c változatnál az Ac1 hőmérséklet fölé hevítést lassú, közvetlenül az Ar1 hőmérséklet alá hűtés, itt alkalmazott hőntartás, majd szobahőmérsékletre való lehűtés követi. Mindkét esetben részlegesen ausztenit képződik, ami nagyobb karbonoldó képességének köszönhetően, gyorsabb karbidoldódást és karbid feldarabolódást eredményez. A folyamatos lehűtés illetve az izotermás hőntartás során előfordulhat, hogy az ausztenit átalakulása az anomáliás perlit átalakulás szerint megy végbe, azaz lemezes és gömbös vaskarbid részeket vegyesen tartalmazó szabálytalan szerkezet jön létre. A d esetben, az úgynevezett ingás lágyításnál, a darabot először az Ac1 hőmérséklet fölé hevítik, majd Ar1 alá hűtik, mindezt többször megismételve. Az eljárás durvalemezes perlit esetén − ami például a lassan hűlő acélöntvényeknél alakul ki − csökkenti hatékonyan a szükséges hőntartási időt. Az említett hatás alapja itt is részleges ausztenit képződés az Ac1 hőmérséklet fölé hevítéskor. Az Ac1 hőmérséklet felett az acélt nem szabad hosszabb ideig hőntartani, mivel lényeges, hogy maradjon a lehűtésnél csíraként szereplő oldatban karbid. Az egyes acélminőségeknél alkalmazandó hevítési hőmérséklettartományokra az acélszabványok hőkezelési adatokat tartalmazó függelékei adnak útmutatást. A hiper-eutektoidos acéloknál szferoidizáló izzításnál kedvező kiindulási szövet keletkezik a kapcsolódó edzés számára is. Az egyenletes eloszlású finom karbidszemcsék egyenletes keménységű és finomszemcsés edzési szövetet eredményeznek. A nagy karbidszemcsék kedvezőtlenek, mert nehezebben oldódnak, megnő a hőntartási idő az edzési hőmérsékleten. Fokozott minőségi követelmények esetén, mint pl. golyóscsapágyacél, szerszámacél, a szferoidizáló izzítás eredményeinek minősítésére ezért a szabványok etalonskálákat tartalmaznak. A hőkezelés eredményét minden esetben Brinell keménységméréssel ellenőrzik. Az egyes minőségekre vonatkozó keménységi határértékeket az acélszabványok tartalmazzák. Egyes esetekben még további előírás a dekarbonizálódott réteg megengedett vastagsága. 2.2.4. Normalizálás

A normalizálás célja egyenletes eloszlású ferrit-perlites vagy hipereutektoidos acéloknál perlit-karbidos szövetszerkezet létrehozása. Ez szolgálhat közbülső állapotként további hőkezelésekhez (szferoidizáló lágyítás, edzés) valamint az igénybevétel szerint megkívánt tulajdonságok biztosítására (szerkezeti acélok, acélöntvények, hegesztett darabok). Leginkább ötvözetlen és kissé ötvözött acéloknál alkalmazzák. Az említett célt egy átkristályosító, α-γ-α átalakulást megvalósító hőkezeléssel lehet elérni. A hűtés jellemzően nyugvó levegőn történik. Az ausztenitesítési hőmérséklet hipoeutektoidos acéloknál közvetlenül az Ac3 hőmérséklet, hipereutektoidos acéloknál pedig általában az Ac1 hőmérséklet felett van. A hőmérséklet az átalakulási hőmérsékletet csak kevéssel, 30-50 °C-kal haladja meg. Az egyes acélminőségekre vonatkozó adatok a vonatkozó szabványokban megtalálhatók. A kívánatosnál nagyobb hőmérséklet durva szemcséjű ausztenitet és durvább átalakult szövetet eredményez. Különösen fontos az optimális ausztenitesítési hőmérséklet betartása mikroötvözött finomszemcsés acéloknál. Hipereutektoidos acéloknál az említett hőmérséklettől csak akkor térnek el, ha meglévő cementithálót kell teljesen feloldani. Ez a homogén ausztenites mezőben, Acm hőmérséklet felett lehetséges.

36

HŐKEZELÉS


A hőntartási idő a homogén ausztenit kialakulásához szükséges időt ne haladja meg, általában 10-30 perc hőntartási idő Ac3 elegendő. A hűtést huzatmentes helyen kell véNyugvó levegő gezni, gondoskodva arról, hogy a levegő minden oldalról egyenletesen érje a darabot. A normalizálás elvi hőmérséklet-idő diagramját a 2.25. ábra mutatja. Fontos szerep jut a normalizálásnak a t, [h] nitridképzőkkel ötvözött öregedésálló acé2.25. ábra. A normalizálás elvi hőmérséklet-idő loknál. Az ausztenitesítés hőmérsékletén diagramja ugyanis nitrogén nitrid formájában zárványt alkotva kiválik. A lehűtés során az átalakuláskor ezért a ferrit nitrogén tartalma is csökken, az öregedési hajlam mérséklődik. Ha a körülmények lehetővé teszik, normalizálni kell a hegesztett gyártmányokat a varratnál kialakuló heterogén szövetszerkezet átkristályosítása érdekében.

T, [oC]

2.2.5. Teljes lágyítás

Az eljárás célja a jó forgácsolhatóság biztosítása összekapcsolva egy egyenletes finomabb szövetszerkezet létrehozásával. Utóbbi kedvezően befolyásolja a további hőkezelések (edzés, nemesítés) eredményét, kedvezőbb, homogénebb mechanikai tulajdonságokat biztosítva a melegalakítás illetve öntés utáni egyenlőtlen, inhomogén szövetszerkezettel szemben. Ennek megfelelően a szövetet át kell kristályosítani, amelynek első lépése az ausztenitmezőbe való felhevítés. Az ausztenitet homogenizáló hőntartás után a jó forgácsolhatóságot lehetővé tévő kisebb keménység elérésére egy lassú, szabályozott hűtés következik. Az előírt keménységet eredményező hűtés az acél folyamatos hűtésű C-görbéjének felhasználásával tervezhető meg. Melegen alakított daraboknál az ausztenitesítési hőmérséklet Ac3+30-50 °C, a szükséges hőntartási idő 20 min. Acélöntvényeknél magasabb hőmérséklet és hosszabb hőntartási idő célszerű. Az előírt keménységet biztosító szabáT, [oC] lyozott hűtést a perlites átalakulás befejeAc3 ződéséig kell elvégezni, biztonságból áltaSzabályozott hűtés lában 600 °C-ig. A korszerű kemencéknél 600 oC a szükséges hűtési idő programozható, a véglehűtés történhet a kikapcsolt kemenKemence vagy cében vagy nyugvó levegőn. nyugvó levegő A hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramja a 2.26. ábrán látható. Olyan acéloknál, amelyek a perlites átalakulás C-görbe párját jelentősen jobbra t, [h] toló karbidképző elemekkel vannak öt2.26. ábra. A teljes lágyítás elvi hőmérséklet-idő vözve (pl. Cr és Mo ötvözésű acélok), a diagramja szükséges hűtési idő jelentősen megnő, ami az eljárást gazdaságtalanná teszi.

37


HŐKEZELÉS

2.2.6. Izotermás lágyítás

Izotermás lágyítás célja igen egyenletes ferrit-perlites szövetszerkezet és minimális maradó feszültség biztosítása elsősorban betétedzésű és nemesíthető acélból készült süllyesztékes kovácsdaraboknál, 140-185 HB keménység mellett. Az előzőeknek köszönhetően kedvezően alakul a forgácsolhatóság − ami különösen előnyös az NC gépen végzett nagy tömegű forgácsleválasztás igénylő megmunkálásoknál −, továbbá a betétedzésnél és a nemesítésnél kisebb lesz a vetemedés. Ez utóbbi kisebb ráhagyást és ennek révén is megmunkálási költség megtakarítást eredményez. Az izotermás lágyítás a gazdasáT, [oC] gos nagysorozatú gyártás nélkülözAc3 hetetlen technológiája. Ar1 Az izotermás hőntartás hőmérséklete és időtartama a kezelt acél izotermás C-görbéje alapján határozható meg. Az izoterma hőmérsékletét az orrponti hőmérséklet felett 10-20 °C-kal célszerű megválasztani. A kezelt darabok lehűtése szobat, [h] hőmérsékletre már a kemencén kívül levegőn történhet. 2.27. ábra. Az izotermás lágyítás elvi hőmérséklet-idő diagramja A hőkezelés elvi hőmérséklet-idő diagramja a 2.27. ábrán látható. 2.3. Keménységnövelő hőkezelések

A vasötvözetekben a keménység növelése szempontjából a martenzit és az intersticiós vegyületek bírnak jelentőséggel. Előbbi a martenzites edzésnél, utóbbi elsősorban az ötvözött szerszámacélok kiválásos keményítésénél nyer alkalmazást. A következőkben a martenzites edzést tárgyaljuk. Itt meg kell különböztetni az ún. térfogati edzést – amit a hazai szóhasználat egyszerűen edzésnek nevez – és a felületi edzést. Első esetben a keménységet a teljes keresztmetszetre kiterjedően kívánjuk megnövelni, a második esetben ez csak egy felületi rétegre terjed ki. 2.3.1. Edzés

Mint ismeretes a martenzit az ausztenit diffúziómentes átalakulási terméke. Az a hűtési sebesség, amelytől csak martenzites átalakulás megy végbe az úgynevezett felső kritikus hűtési sebesség és a 2.28. ábra szerint az acél folyamatos C-görbéjéből határozható meg. Az ilyen edzés, amikor tehát a szövetben a martenzit mellett egyéb átalakulási termék nincs jelen, az úgynevezett teljes edzés.

38

HŐKEZELÉS


T, oC 1000

Ausztenitesítési hőmérséklet: 870 oC

900

Ac3

800

Ac1

700

F

600

Km

500 400 300

P

K50

Bainit

Ms

200

vkr.f

100

vkr.a

61

0

1

10

48

28

102

103

104

105

106

idő, s

2.28. ábra. A teljes edzést és az 50 %-os martenzites állapotot biztosító hűlésgörbék kijelölése a folyamatos hűtésű C-görbében Az acéloknak azt a tulajdonságát, hogy martenzites állapot létrehozásával a keménységük növelhető, edzhetőségnek nevezzük. Az edzhetőség mérőszáma a martenzites állapotban – teljes edzéskor – elérhető keménység. Mint ismeretes a martenzit keménységét az átalakuló ausztenit karbontartalma határozza meg. Ez csak akkor egyezik meg az acél karbontartalmával, ha nincsenek oldatlan karbidok. Egy további tényező, ami befolyásolja az edzett acél keménységét – mint lágy szövetelem – a maradékausztenit mennyisége. Ötvözetlen acéloknál a karbontartalom és az ausztenitesítési hőmérséklet függvényében kialakuló viszonyokat a 2.29. ábra mutatja.

HV 10

1000

c

Edzési hőmérséklettartomány

900

T, oC

1000 b 800

800 700

γ γ+α

γ+ Fe3C

600 400 200

a - Hűtés a γ mezőből 0 oC-ra b - Hűtés a γ+ Fe3C mezőből c - 100% Martenzit (Próbavastagság 2mm) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 C, %

Maradék ausztenit, %

600 a

40 30 20 10 0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 C, %

2.29. ábra. Az edzési keménység a karbontartalom és az ausztenitesítési hőmérséklet függvényében ötvözetlen acéloknál. Jobbra fenn: a megfelelő Fe-Fe3C állapotábra részlet, a szokásos edzési hőmérséklet tartománnyal, jobbra lenn: a maradékausztenit mennyiség a szokásos edzés után. 39


HŐKEZELÉS

Ha a martenzit mellett egyéb szövetelemek is jelen vannak, részleges edzésről beszélünk. Edzettnek tekintjük az acélt, ha a martenzittartalom legalább 50 %. Az 50 %-os martenzites keménységet – mivel határkeménység – kritikus keménységnek szokás nevezni. Nagysága függ az 50 %-ban jelenlévő martenzit keménységétől, azaz ausztenitesítéskor oldatlan karbidokat nem tartalmazó acéloknál az acél karbontartalmától, valamint attól, hogy a másik 50 %-ban milyen a perlit és a bainit aránya. Ez utóbbit az acél ötvözőtartalma befolyásolja. Az említett két tényező függvényében az 50 %-os martenzites keménység értékei a 2.4. táblázatban találhatók. 2.4. táblázat. Ötvözetlen és gyengén ötvözött szerkezeti acélok kritikus keménység értékei C tartalom, [%]

A fél-martenzites szövetű acél keménysége, [HRC] ötvözetlen

ötvözött

25 30 35 40 45 50

30 35 40 45 50 55

0,18-0,22 0,23-0,27 0,28-0,32 0,33-0,42 0,43-0,52 0,53-0,62

Ø25±0.5

100 12.5±1

Ø12.5±0.5

Véglap

65±10

Szabad vízsugár magasság

Beszúrás a próba felfüggesztéséhez

2.30. ábra. A Jominy vizsgálat elrendezése

Az edzéskor alkalmazott hűtés során a hűlési sebesség a felülettől a magrész felé fokozatosan csökken, ami maga után vonja a martenzit menynyiségének és így a keménységnek a változását a keresztmetszet mentén. Ezzel kapcsolatos az átedzhetőség fogalma. Mérőszáma a teljesen átedződő és az átedződő átmérő: − teljesen átedződő átmérő: az a mm-ben kifejezett átmérő, amelynél a tengelyvonalban éppen 95 % martenzit keletkezik, − átedződő átmérő: az az ugyancsak mm-ben kifejezett átmérő, amelynél a tengelyvonalban éppen 50 % martenzit keletkezik, azaz a kritikus keménység mérhető; szokásos ezért kritikus átmérőnek (Dk) is nevezni. Mindkét átmérőt meghatározott feltételekre (ausztenitesítési hőmérséklet, hűtőközeg) adjuk meg. Meghatározásuk az úgynevezett Jominy vizsgálattal történik. A Jominy próbatestet első lépésben előírt módon ausztentesíteni kell, majd egy hűtőkészülékben a véglapján vízsugárral hűtve le kell hűteni. A próbatest illetve a hűtési elrendezés a 2.30. ábrán látható.

40

HŐKEZELÉS


Ezt követően a paláston két szembelévő alkotó mentén gondosan, a melegedést, így az H95 esetleges megeresztődést elkerülve, két 4-6 mm-es sávot kell köszörülni, amelyek a továbbiakban a véglaptól meghatározott táH50 volságokban való keménységmérésre szolgálnak. A véglaptól azonos távolságra mért keménység értékek átlagait a véglaptól mért távolság függvényében ábrázolva kapjuk az ún. Jominy görbét. l95 l50 l, [mm] A Jominy görbébe berajzolt 95 %-os és 2.31. ábra. A Jominy görbe az l95 és l50 tá- 50 %-os martenzites keménységekhez tartozó volságokkal Jominy távolságokból (l95 és l50, mm, 2.31. ábra) kiindulva, a Jominy próbatest és a hengeres darab hűlési viszonyai között kapcsolatot teremtő nomogram felhasználásával, határozható meg a teljesen átedződő és az átedződő átmérő. Utóbbira a 2.32. ábra mutatja be az eljárást. Az egyes acélminőségeknél a Jominy görbe adagról adagra változik. A sok adagnál felvett Jominy görbék burkológörbéi jelölik ki a kérdéses acélminőség Jominy sávját, amelyet az acélszabványok tartalmaznak. Úgy az edzhetőség mint az átedzhetőség fontos szerepet játszik az anyagmegválasztásnál. HRC

Jominy - távolság, l mm 1

1000

Lehűlési sebesség - v, oC/s

100 50

Le

10

50

80

g ze kö tő hű lis s té hű íz V

Ol aj

10

eá Id

500

2 3 45

hű té

s

ve gő hű tés

5

1

L D

L a

0.1 1.0 10

5

10 1 1

20

30 40 50

5

10 5

100

200

500

50 10

Jellemző méret, D ill. a, mm

100 50

1000 200 300

100

200

2.32. ábra. Az átedződő átmérő meghatározására szolgáló nomogram

41


HŐKEZELÉS

Mint már utaltunk rá a martenzitet jelentős atomos dimenziójú sajátfeszültség terheli. Ez a karbontartalom növekedésével fokozódóan az edzett darab megrepedésének veszélyét hordozza magában. Ezért az edzést követően azonnal egy 180-200 °C megeresztést kell végezni, amelynek során, mint ismeretes, a megeresztési I. lépcsőjében végbemenő folyamatok zajlanak le. Fe2,4C képletű ε karbid válik ki, amelynek következtében a martenzit karbontartalma csökken, a tetragonálissá torzult rács szabályos rácsúvá válik. Eközben a keménység gyakorlatilag nem csökken. Mint látható volt az edzett acélban esetenként jelentősebb mennyiségű maradék ausztenit lehet jelen. Ez az alábbi következményekkel jár: − csökken a keménység, − a maradék ausztenit idővel bainitté alakul át, amellyel járó méretváltozás a pontos illesztésű gyártmányoknál problémát okozhat, − a martenzit és az ausztenit eltérő hőtágulási tényezői miatt köszörüléskor repedések keletkezhetnek. A legkevesebb maradék ausztenitet akkor kapjuk, ha edzéskor a hűtést az MF hőmérsékletig folytatjuk. Mivel az MF hőmérséklet leggyakrabban szobahőmérséklet alá esik, a maradék ausztenit mennyiségének csökkentéséhez egy külön technológiai lépésben, az úgynevezett mélyhűtés során egy hűtőberendezésben kell a darabokat az MF hőmérséklet alá hűteni. A mélyhűtést az edzés után azonnal végre kell hajtani, mivel a szobahőmérsékleten való időzés a maradék ausztenitet stabilizálja. A szobahőmérsékleten való időzés tartamának növekedésével a mélyhűtés során egyre kevesebb maradék ausztenit alakul át martenzitté. Egy hipoeutektoidos acél edzéséT, [oC] nek elvi hőmérséklet idő diagramja a 10-30 min 2.33. ábrán látható. Ac3 Az ötvözetlen acélok edzési hőmérsékletmezőit a 2.29. ábra mutatVíz, olaj ja. Hipereutektoidos acéloknál az Acm hőmérséklet fölé való melegítés jelentősen növelné a maradék ausztenit mennyiségét és 1,2 % 120 min 180-200o C -tartalom felett az ausztenit szemLevegő csedurvulását is okozná. Ugyanakkor az A1 feletti edzési hőmérséklett, [min] nél a jelenlévő Fe3C 850-900 HV 2.33. ábra. Hipoeutektoidos acél edzésének elvi hő- keménységével nem rontja az edzési mérséklet-idő diagramja keménységet. Az ötvözött acélok edzési hőmérséklettartománya szabványok függelékeiből, gyári katalógusokból vehető. Amennyiben az edzés után utánmunkálást, köszörülést nem végeznek és a dekarbonizálódás és a revésedés nem megengedett, a hevítést védőatmoszférában kell végezni. A hőntartási idő általában 10 perc, durvább kiinduló szövetnél 30 perc. A hűtőközeg ötvözetlen acéloknál víz, ötvözött minőségeknél edzőolaj. A felhevített darab vízbe való bemártásánál az alábbi jellegzetes hűtési szakaszok különböztethetők meg: − 400 °C-ig az úgynevezett hártyás forrás szakasza, amikor is a darabot körülvevő stabil gőzhártya szigetelő hatása viszonylag kis hűtési sebességet eredményez, 42

HŐKEZELÉS


− 400 °C-tól 200 °C-ig a buborékos forrás szakasza, amelynek során a folyamatosan távozó gőzbuborékok intenzív hűtést biztosítanak, − 200 °C alatt az úgynevezett konvektív hűtés szakasza, ismét csökkent hűtési sebességgel. Az edzőolaj viselkedése hasonló a vízéhez, csak a hőmérsékletek felfelé tolódnak, a konvektív szakasz már 400 °C-tól kezdődik. A vízhűtés kedvezőtlen úgy az átalakulás menetéből adódó igények, mint a darab egyenletes hűlése szempontjából. Részben hasonlóak a problémák olajhűtésnél is. Korábban említést nyert, hogy az egyre inkább tért hódító vákuum-hőkezelő berendezésekben nagynyomású gázhűtést alkalmaznak, ami már 50 mm méretig – ami például a jármű hajtómű építésben szokásos -, alkatrészek edzését is lehetővé teszi olajedzés helyett. Olajhűtésnél, amint azt a 2.34. ábra szemlélteti, az alkatrész mentén egyszerre vannak jelen a különböző hűtési fázisok, ami egyenlőtlen hűlésre vezet. Gázhűtésnél ilyen fázisok nincsenek, a darab egyenletesen hűl. Ennek köszönhetően nagynyomású gázhűtésnél kisebbek a vetemedések, drága utánmunkálás takarítható meg. További megtakarítás és környezetvédelem szempontjából is előny, hogy nincs szükség az olajedzés után szükséges mosásra. α,

W m2 oC

α,

W m2 oC

Gázáram

Hártyás forrás Buborékos forrás Konvekció a

b

2.34. ábra. A hűlési viszonyok olajhűtésnél és gázhűtésnél a − olajhűtés, b − gázhűtés A hűlés során a darabban ébredő hőmérsékletkülönbség és így a vetemedés mértéke illetve a repedésveszély csökkenthető a víz-olaj és a lépcsős edzés hűtési módokkal. A víz-olaj, vagy ún. törtedzést víz edzésű acélból, a lépcsős edzést tagoltabb, ötvözött acélból készült daraboknál használják. A hűtés menetét a 2.35. ábra szemlélteti.

43


HŐKEZELÉS

T,[oC]

T, [oC] Víz

Olaj f

Ac3 Ac1

p

a ~500oC

b Levegő a

lg t

b

lg t

2.35. ábra. A víz- olaj (tört) edzés (a) és a lépcsős edzés (b) hűtési menetének elvi vázlata A víz-olaj edzésnél a kezdeti gyorsabb vízhűtéssel elkerülhető az átalakulás a perlites C-görbepár orrponti tartományában, a lassúbb olajhűtés pedig mérsékeli a feszültségeket a martenzites átalakuláskor. A lépcsős edzésnél a hőmérsékletkülönbség ausztenites állapotban kiegyenlítődik az Ms fölötti hőntartáskor, innen már levegőn hűtve is végbemegy a martenzites átalakulás. Az edzést követően, mint már említettük azonnal végre kell hajtani 180-200 °C-on, 2 óra hőntartással a megeresztést, lehetőleg ventillátorral felszerelt kemencében. Az úgynevezett saját meleggel való megeresztéskor a megeresztést a darabban maradt hővel végezzük. A hűtőfolyadékból való kiemeléskor ilyenkor a hő a lehűlt edzett rész felé áramlik, azt felmelegíti. Ha a lehűlés után megcsiszolt felületen megjelenik a kívánt megeresztési szín, a megeresztés megtörtént, az egész darabot lehűtjük. Ezt az eljárást egyszerű sorszámok hőkezelésénél elsősorban olyan esetben használjuk, amikor csak a vágóélnek, illetve a dolgozó felületnek kell keménynek lenni, a többi rész lágyan marad (pl. hidegvágó, lyukasztó, kalapács, balta). Edzéskor a minőség-ellenőrzés minimálisan az edzést és a megeresztést követő, rendszerint HRC keménységmérésből áll. A mérés előtt a dekarbonizálódott réteget gondosan el kell távolítani, mert e nélkül félrevezetők a kapott eredmények. Amennyiben az esetleg repedt darabok felhasználását balesetveszély, vagy egyéb okból ki kell zárni, az edzést követően repedésvizsgálatot is kell végezni. Mivel az edzéskor a felületi repedések a jellemzőek, az ilyen hibák kimutatására alkalmas roncsolásmentes eljárások jönnek szóba. Kisebb darabszám, komplikáltabb alak esetén a jelzőfolyadékos módszer, nagyobb darabszámnál a mágneses repedésvizsgálat. 2.3.2. Felületi edzés

Az alkatrészek és szerszámok igénybevétele zömében összetett. Gyakori, hogy a felületen koptató igénybevétel hat, a térfogati igénybevétel pedig dinamikus jellegű. Ilyenkor az a célszerű, hogy a darab a felületén egy kemény kopásálló réteggel rendelkezik, miközben a magrész szívós a dinamikus igénybevétel elviselésére. Ez elérhető a később ismertetendő termokémiai kezeléssel és felületi edzéssel. A felületi edzés lényege, hogy intenzív hőbevitellel csak egy felületi réteget hevítenek fel ausztenites állapotba, majd ezt azonnal lehűtik, megedzik. Az acél karbontartalma ilyenkor 0,35-0,60 % közötti, 0,6 % felett jelentős repedésveszéllyel kell számolni. A magrész szívósságát előzetes hőkezeléssel biztosítják, ami lehet nemesítés vagy normalizálás. Az intenzív hőbevitel történhet gázláng vagy indukciós he-

44

HŐKEZELÉS


vítéssel, só- vagy fémfürdőbe merítéssel és nagyenergiájú lézer vagy elektronsugár alkalmazásával. A fontosabb eljárások jellemzőiről a 2.5. táblázat ad áttekintést. A felületi edzés után, egyedi mérlegelés szerint, megeresztés is szükséges lehet. 2.5. táblázat. A fontosabb felületedzési eljárások jellemzői Indukciós edzés

Lézersugár edzés

Elektronsugár edzés

103…6⋅103

104 103…104

109…1011 103…104(105)

108…1011 103…104(105)

102 102

104 10…104

1010 103…104(105)

109(1010) 103…104(105)

külső

külső

saját

saját

1,5…15(30)

0,3…20

10-2…1(2)

10-2…1(2)

folyamatos

folyamatos

folyamatos, pulzáló

folyamatos, pulzáló

50…70

50…70

70…90

70…80

Jellemző

Lángedzés

Teljesítmény sűrűség, [W/cm2] - max. elérhető - hőkezelésnél alkalmazott

6⋅103

Hevítési sebesség, [°C/s] - max. elérhető - hőkezelésnél alkalmazott Hűtés Edzési [mm]

mélység,

Az energiaforrás üzemmódja Hatásfok, [%]

Alkatrész

Induktor

Áramsűrűség

i0

δ

i0 e 0 Átmérő

2.36. ábra. Az indukciós melegítés elve

45

Lángedzésnél a hevítést különböző konstrukciójú, acetilén és oxigén palacktelepről táplált nagyteljesítményű égőkkel végzik. Enyhén oxidáló gázkeveréket használnak. A hevítendő felületet a lángmag csúcsától 2-3 mmre helyezkedjen el. A felhevített felületet vízzuhannyal hűtik le, amihez esetleg a hűtési intenzitást csökkentő adalékot adnak. A felületi edzési eljárások közül a legszélesebb körben elterjedt az indukciós edzés. Ennek az eljárásnak a lényege, hogy egy tekercs, úgynevezett induktor, segítségével váltakozó mágnes mezőt hoznak létre, amely a tekercsbe helyezett munkadarabban a transzformátor-elv alapján váltóáramot indukál (2.36. ábra). A darabban közvetlenül keletkező Joule hő és a hővé alakuló hiszterézis vesztség szolgáltatja a melegítéshez szükséges hőforrást. Mivel az eljárásnál közép-


HŐKEZELÉS

(200-10 000 Hz) vagy nagyfrekvenciát (100 kHz-10 MHz) használnak a skin-effektus miatt a munkadarabban folyó örvényáram áramsűrűsége exponenciálisan csökken a felülettől való távolsággal, a 2.36. ábrán feltüntetett módon. A δ behatolási mélység az a felülettől mért távolság, ahol a felületi áramsűrűség 1/e-ad részére csökken. A melegedés főleg erre a rétegre korlátozódik, a hő 86 %-a itt keletkezik. A δ az alábbi képletből számítható: δ = 503

ρ , mm . μf

(2.15)

Itt: ρ, [Ω mm2/m] az acél fajlagos ellenállása, μ az acél mágneses permeabilitása, f, [Hz] az áram frekvenciája. Martenzitesre az ausztenitesítési diagram szerint az adott hevítési sebességhez tartozó Ac3 hőmérséklet fölé hevült zóna edződhet. A viszonyokat a 2.37. ábra mutatja. Az Ac3 és Ac1 hőmérsékletek közé hevült T,[ oC] zónában a hőmérséklet csökkenésével csökTmax ken a martenzitté átalakuló ausztenit menyAc3 nyisége és így a keménység is. Nemesített daraboknál az Ac1 hőmérséklet alatti zóna Ac1 megeresztődhet, ezért itt egy csökkent keménységű tartomány alakulhat ki. HVmax Az edzett rétegvastagság a behatolási mélységen túl még további eljárás paraméHV terektől is függ, mint a teljesítménysűrűség, hevítési idő, induktor-hűtőfej táHVmag volság stb. Így például az induktor-hűtőfej x, [mm] távolság növelésével a hővezetésre hoszszabb idő áll rendelkezésre, nő az Ac3 fölé 2.37. ábra. A keménységeloszlás a felületi ré- hevült zóna mérete és így a martenzitesre tegben a hőmérséklet eloszlással összefüggés- edződött réteggé is. ben felületi edzésnél Az induktor az adott munkadarabhoz vörösrézből, egyedileg készül, üreges profilból, hogy átfolyó vízzel hűteni lehessen. Az indukciós edzés a darab geometriája szerint többféle módszerrel végezhető. A 2.38. ábra a 4-nél kisebb modulú fogaskerekek forgó szakaszos edzését szemlélteti. Az induktor az egész fogkoszorút egyszerre melegíti, miközben a darab az excentricitásból adódó egyenlőtlen melegedés kiküszöbölésére forog. A melegítés befejeztével a hűtést hűtőzuhany végzi.

46

HŐKEZELÉS


Induktor Hevítés

Munkadarab Hűtőfej Edzés

2.38. ábra. Kis modulú fogaskerék forgó szakaszos edzése

° 60

A 2.39. ábra tengely folyamatos forgó előtolásos edzésének elvi vázlatát mutatja. Ilyenkor a tengely meghatározott sebességgel halad át a helyben álló induktoron, miközben az a már említett okból forog. Az induktorból kilépő felhevült zónát az induktoron kiképzett furatsorral létrehozott vízzuhannyal hűtik. Itt az induktor Munkadarab tehát egyúttal a hűtőfej szerepét is ellátja, az induktort hűtő víz szolgál egyúttal edzésre is. A kisebb karbontartalmú acélokon létrehozott vékony rétegek kivételével az Induktor edzést megeresztés követi. Ez végezhető szokásosan kemencében, indukciós melegítéssel vagy saját meleggel. Az indukciós edzés magas szinten automatizálható, energiatakarékos eljárás. A 2.39. ábra. Tengely forgó-folyamatos előtolásos számítógéppel vezérelt berendezéseket edzésének elvi vázlata gyakran robotokkal kiszolgált célberendezések formájában alkalmazzák a gyártósorba beépítve. Bemártó edzésnél a darabot rövid időre 1000-1250 °C-os só-vagy fémfürdőbe merítik, majd azonnal lehűtik. A rétegvastagság legtöbbször néhány mm. Hátránya, hogy a részleges edzés lehetősége korlátozott és rossz a reprodukálhatóság. Előnye, hogy a darab alakja tetszőleges lehet.

47


HŐKEZELÉS

A lézersugaras felületi edzés elvi vázlata a 2.40. ábrán 3 5 látható. Hőkezelésnél a CO2 lézert részesítik előnyben. A lézersugarat optikai sugárvezető rend4 szer segítségével vezetik a munkadarabhoz. Lényeges Energiaközlés technológiai paraméter a lézerReflexió Lézersugár sugár energiájának egy vékony 6 felületi rétegben abszorbeált hányada. Ez több tényezőtől függ, így a lézersugár hullám1 hosszától, a felületi érdességtől Hővezetés (a hullámhosszhoz képest), a nyaláb beesési szögétől. A CO2 Abszorpciós réteg lézernél köszörült felületre ki(mélység ≈10-4 mm) Alkatrészmozgás sebb, mint 10 %. A gazdaságos alkalmazáshoz ezért a felületre 2.40. ábra. A lézersugaras felületi edzés elvi vázlata járulékos abszorpciós réteget 1 – alkatrész, 2 – tükör, 3 – részlegesen áteresztő tükör, 4 – aktív médium, 5 –eltérítő tükör, 6 – fókuszáló lencse kell felvinni. Cinkfoszfát, molibdénszulfid stb. felvitelével az abszorpciós fok kb. 90 %. A darab mélyebb rétege hővezetés révén melegszik. A hőmérséklet gyakran megközelíti az olvadási hőmérsékletet, amit a belső hőelvonás révén az azonnali lehűtés követ. A besugárzott felületnek egyenletes hőmérséklet-eloszlásúnak kell lennie, ehhez az intenzitás-eloszlás szükség szerint a nyalábon belül is változhat. A lézersugár és a munkadarab közötti relatív mozgással a kezelendő felület vonal mentén (folyamatos eljárás) vagy pontszerűen (impulzus eljárás) edzik meg, a 2.41. ábra szerint. Védőgázként argon kerül alkalmazásra. Lézersugár

2

a1

a

a2

b1

b

b3

b4

b2

2.41. ábra. Sugárforma és sugárvezetés lézersugaras felületi edzésnél a – folyamatos eljárás, b – impulzus eljárás

48

HŐKEZELÉS


A lézersugaras edzéssel az extrém nagy hűtési sebességnek köszönhetően egyébként nem edzhető kis karbontartalmú acélok is martenzitesre edzhetők, keményíthetők. Az edzést követő megeresztést gyakran el lehet hagyni, különösen, ha az edzett térfogat kicsi az egész térfogathoz képest és a darab nem repedésérzékeny. A lézersugaras felületi edzésre számos ipari alkalmazási példa ismert, mindenekelőtt olyanok, amikor a lokális kopásállóság növelése a cél. Számos előny, mint a rövid kezelési ciklus, kis deformáció, nagy termelékenység, automatizálhatóság, jó reprodukálhatóság, környezetkímélés stb. a jövőben sokoldalú alkalmazási lehetőséget biztosít az eljárásnak. Az elektronsugaras felületi edzés elvét a 2.42. ábra mutatja. A hevítés vákuumozott térben történik, felületi elváltozás így nincs. Az elektronsugár energiája jól hasznosul, előzetes felületi bevonás nem szükséges. A nyaláb jellemzői (teljesítmény, fókuszálás, eltérítés) számítógéppel vezérelhetők. 1 2

Vákumozás Elektronágyú

3

Sugár előállító rendszer

10-2...10-4Pa Röntgensugár Elektronsugár

Szórt elektronok Szekunder elektronok

Sugárvezető rendszer

4

5

Hővezetés 6

Abszorpciós réteg (mélység ≈10-2...10-1mm)

Recipiens

Elektronsugár 10-2...10-3Pa

Alkatrészmozgás

6

Vákumozás

2.42. ábra. Az elektronsugaras felületi edzés elvi vázlata 1 – katód, 2 – vezérlő elektród, 3 – anód, 4 – fókuszáló tekercs, 5 – eltérítő tekercs Az elektronsugaras felületi edzésnél kisebbek a beruházási és az üzemeltetési költségek, mint a lézersugaras edzésnél. Az eljárás sok esetben megoldás olyankor, amikor a többi eljárás nem ad kielégítő eredményt vagy teljesen alkalmatlan. A felületi edzés előnye a kopásállóság növelése mellett, hogy nyomó maradó feszültségek keletkeznek a felületi rétegben. Ez különösen fárasztó igénybevételnek kitett gépelemeknél kedvező hatású.

49


HŐKEZELÉS

HV 1

Határkeménység

Magkeménység Kéregedzési mélység

x, [mm]

2.43. ábra. A rétegvastagság kijelölése felületi edzésnél

Adott esetben az előírt illetve ellenőrzött jellemzők a felületi keménység és a rétegvastagság. Előbbi a darabokon közvetlenül ellenőrizhető. A rétegvastagság ellenőrzéséhez a kiválasztott darabot a felületre merőlegesen el kell vágni, majd az előkészített felületen Vickers eljárással a felülettől mért távolság függvényében keménységet kell mérni. Az adatokat a 2.43. ábra szerint diagramban ábrázolva a rétegvastagság a megállapodás szerinti határkemény alapján jelölhető ki. Egyéb megállapodás hiányában az alábbi határkeménységi értékek vehetők alapul: C<0,4 % 450 HV 1 C≥0,4 % 500 HV 1

2.4. Szívósságfokozó hőkezelések

A különböző gépek, berendezések működési jellegéből adódóan az alkatrészek, szerkezeti elemek jelentős hányadát dinamikus igénybevétel terheli. Ebből következően ezen elemek anyagának igen fontos jellemzője a szívósság, amit leggyakrabban bemetszett próbatest ütővizsgálatával határoznak meg. A szóbanforgó esetben tehát kedvező ütőmunkával rendelkező szövetszerkezet létrehozása a cél. A kis karbontartalmú (C<0,25 %) acéloknál a szemcsefinomítás vezet eredményre, ami a már korábban ismertetett normalizálással érhető el. Ugyancsak ezt az eljárást kell alkalmazni a nagyobb szelvényméretű ötvözetlen nemesíthető acélból készült termékeknél is. Ezek átezdődő szelvénymérete ugyanis kicsi, így nagyobb szelvényméretben nem edzhetők át, az alább ismertetett nemesítés kedvező hatása tehát nem érvényesülhet. A normalizálás kedvező hatása viszont nagyobb szelvényméretnél is a teljes keresztmetszetre kiterjed. Ez a tény az oka annak, hogy a vonatkozó acélszabvány az ötvözetlen nemesíthető acéloknál normalizált állapotra is tartalmazza a szilárdsági tulajdonságokra vonatkozó előírást. A vasötvözetek szövetelemei közül szívósság szempontjából kedvező tulajdonságú az edzett acél nagyhőmérsékletű megeresztésekor keletkező szferoidit. Ez tehát kétlépéses hőkezeléssel, az úgynevezett nemesítéssel hozható létre. A vasötvözetek további szövetelemei közül kedvező szívóssággal rendelkezik még a bainit. Tisztán bainites szövetszerkezet csak izotermásan keletkezhet. Itt tehát a hűtési szakaszban izotermás hőntartást tartalmazó, egylépéses hőkezelésről van szó. Ezt az eljárást bainites hőkezelésnek vagy izotermás edzésnek nevezik. 2.4.1. Nemesítés

A nemesítés első lépése, mint láttuk, az edzés. Teljes edzéskor a szövetszerkezet martenzit és maradék ausztenit. A második lépésben e szövetszerkezet megeresztésekor lejátszódó folyamatokat, a szferoidit kialakulását az Anyagtudomány c. tárgy ismeretanyaga tartalmazza. Részleges edzéskor az előző szövetelemek mellett bainit, perlit sőt ferrit is keletkezhet. A ferrit a megeresztés során nem változik. A perlitben és a bainitben szferoidizálódás indulhat meg. Lényeges kérdés, hogy az edzés utáni szövetszerkezet hogyan befolyásolja a megeresz50

HŐKEZELÉS


tés utáni tulajdonságokat, mindenekelőtt a szívósságot. Ennek megítélésére alkalmas adatokat mutat a 2.6. táblázat. Az adatok nemesíthető CrNiMo acélra vonatkoznak. Az acélt különböző szövetszerkezetűre edzették, majd azonos keménységűre megeresztették. Végül különböző hőmérsékleteken U bemetszésű próbákkal vizsgálták az ütőmunkát. A táblázat a legnagyobb mért ütőmunkát 100 %-nak véve, százalékosan adja meg az értékeket. 2.6. táblázat. Az edzési szövetszerkezet hatása azonos keménységűre megeresztett CrNiMo acél ütőmunkájára. Az értékek százalékban vannak feltüntetve Vizsgálati hőmérséklet, [°C]

Szövetszerkezet edzés után

20

Martenzit 100

Martenzit + bainit 86

Martenzit + perlit 43

0

∼100

40

35

-40

90

23

17

A 2.6. táblázat adataiból láthatóan, ha a megítélés alapja a szobahőmér32h/630oC sékleten mért ütőmunka, a bainit je32h/530oC lenléte nem rontja jelentősen a szívós160 ságot, de a perlit keletkezése már ilyenkor sem kívánatos. Szobahőmérséklet alatti vizsgálatok eredményei 120 szerint kedvező szívóssági érték csak teljes edzés után adódik. Hasonlóképpen ilyenkor a legkedvezőbb a kifára80 dási határ és az Rp0,02/Rm hányados is. A megkövetelt átedződési mérték szempontjából természetesen mérle40 gelni kell az igénybevétel jellegét is. Ha ez csökken a felülettől befelé (hajlítás, csavarás), elegendő ha a felület0 50 100 től a sugár háromnegyedéig teljesül, -100 -50 0 o hogy a martenzit mennyiség ≥ 95 %. Vizsgálati hőmérséklet, [ C] Mindezek is megerősítik az átedzhető2.44. ábra. Az ütőmunka−hőmérséklet diagram elto- séggel kapcsolatos ismeretek gyakorlódása megeresztési elridegedésnél lati jelentőségét. A nemesíthető szerkezeti acélok választékát az MSZ EN 10083 szabvány tartalmazza. Az ötvözetlen acélok kis átedzhető szelvényéből adódó korlátokat már említettük. Az ötvözőelemek alapvető szerepe az átedzhetőség növelése. E tekintetben a drágább ötvözőelemek olcsóbbakkal, pl. mangánnal, is helyettesíthetők. Különösen a szívósság szempontjából azonban ez a helyettesíthetőség már nem áll fenn. Martenzites kiinduló állapotot feltételezve az úgynevezett nemes ötvözőelemekkel, krómmal, nikkellel és molibdénnel ötvözött acélok kontrakciója, szívóssága mindig nagyobb mint az ugyanolyan szilárdságú, ötvözetlen, vagy csak mangánnal ötvözött acélé. Ennek oka, hogy az azonos szilárdság eléréséhez ezeket az acélokat nagyobb hőmérsékleten kell megereszteni. Ha negatív hőmérsékleten is kellő szívósságot kell biztosítani a nikkel a nemesíthető acél nélkülözhetetlen ötvözőeleme.

Ütőmunka, [J/cm2]

200

A mangán, króm, króm−mangán és króm-nikkel ötvözésű acéloknál 450 és 600 °C közötti megeresztésnél jelentkezik az úgynevezett megeresztési elridegedés. Amint a 2.44. ábra mu-

51


HŐKEZELÉS

tatja ez az ütőmunka jelentős csökkenésében nyilvánul meg, ami az ütőmunka−hőmérséklet diagram nagyobb hőmérsékleti tartományba való eltolódásának a következménye. Fellép a jelenség akkor is, ha a 600 °C feletti megeresztés után a darabot lassan hűtjük le. Az előzőeket szemlélteti 650 °C-on megeresztett króm−nikkel acélnál a 2.7. táblázat. Az ötvözetlen acélok megeresztési elridegedésre nem hajlamosak. 2.7. táblázat. 650 °C-on megeresztett Cr−Ni acél ütőmunkája különféle hűtésmódok után Hűtési mód

Ütőmunka, [J/cm2]

Kemence

12

Levegő

29

Olaj

76

Víz

95

Az ilyen megeresztési elridegedésre hajlamos acélt tehát legfeljebb 400 °C-on vagy 600 °C felett kell megereszteni, majd utóbbi esetben olajban vagy vízben kell lehűteni. Az elridegedett acél 600 °C feletti izzítással és ezt követő gyors hűtéssel ismét szívóssá tehető. A megeresztési elridegedésre hajlamos acélhoz, pl. króm−nikkel acélhoz, 0,5 %-nál kevesebb molibdént ötvözve az elridegedési hajlam igen jelentősen mérséklődik. A megeresztési elridegedést a ferritben oldott elemeknek a volt ausztenit-szemcsehatáron való dúsulásának tulajdonítják. Megemlítjük, hogy a nemesítés hőmérséklettartománya alatt, 250−350 °C között is létezik egy elridegedési hőmérsékletköz. Ezt 300 °C-os elridegedésként szokás említeni. A gyakorlatban a 300 °C körüli megeresztést kerülni kell. A szferoidit mechanikai tulajdonságai a diszlokációk szabad úthosszától függenek. Ezt a térfogategységben lévő karbidszemcsék száma határozza meg. Adott acélnál ez a szemcseszám a megeresztés hőmérsékletének és időtartamának növelésével csökken. A folyamat alapja, hogy az átlagosnál kisebb méretű gömbszerű részecskék oldódnak, a nagyobbak pedig növekedésnek indulnak. A hőmérséklet és az idő egyforma értelemben és ismert módon egy közös paraméterben összevonhatóan hat a mechanikai tulajdonságokra: P = T ( C + lg t ) .

(2.16)

Itt: T, [°K] a megeresztés hőmérséklete, t, [h] a megeresztés időtartama, C anyagminőségtől függő állandó. A C értéke hasonló minőségekre azonosnak vehető, így pl. ötvözetlen acélokra C=18, süllyeszték-acélokra C=20.

52

HŐKEZELÉS


A nemesítés első lépését a keménységnövelő hőkezelésnél elAc3 mondottak szerint kell megtervezni és végrehajtani. A második lépés a 1.5 - 2 h 400−650 °C között végzett nagyhő400-650oC mérsékletű megeresztés, 1,5−2 óra hőntartással. Megeresztési elridegedésre nem hajlamos acél nemesítéLevegő sének elvi hőmérséklet−idő diagramja a 2.45. ábrán látható. A megeresztési elridegedésre hajt, [h] lamos acél megeresztésének menete 2.45. ábra. Megeresztési elridegedésre nem hajlamos a korábban elmondottak szerint móacél nemesítésének elvi hőmérséklet−idő diagramja dosul. A megeresztés hőmérsékletét az alkatrész igénybevétele szerint elérni kívánt mechanikai jellemzőknek megfelelően kell megválasztani. A szakítóvizsgálattal meg100 2000 határozható jellemzők változását tünteti fel egy adott acélmiRm 90 1800 nőségre, egy adott átmérőre 1600 80 (átedződési mértékre) az ún. Rp0.2 nemesítési diagram. Erre mutat 1400 70 példát a 2.46. ábra a 42CrMo4 60 1200 acélnál. 50 1000 Bár a tervező számára a folyáshatár a meghatározó, álta800 Z 40 lában a szakítószilárdságot ír600 ják elő, ami Brinell kemény30 ségre átszámítva ellenőrzési 400 20 A paraméter. 200 10 Nemesítésnél a minőségellenőrzés egyszerű esetben az 0 100 200 300 400 500 600 700 edzés utáni Rockwell és megMegeresztési hőmérséklet, oC eresztés utáni Brinell keménységmérésből áll. Igényesebb 2.46. ábra. A 42CrMo4 acél nemesítési diagramja (d=30 mm) daraboknál a hőkezelési adag előírt helyéről vett mintadarab felhasználásával, megállapodás szerinti helyekről kivett próbatestekkel, szakító- és ütővizsgálatot kell végezni.

T, [oC]

A, Z, %

Rm, Rp0.2, MPa

10-30 min Víz v. olaj

2.4.2. Bainites hőkezelés

Az eljárás célja tisztán bainties szövetszerkezet létrehozása, az ezzel az állapottal járó kedvező szilárdsági tulajdonságok és egyéb előnyök biztosítása érdekében. A bainites állapot azonos keménység mellett kedvezőbb szívósságot és folyáshatárt eredményez, mint a nemesítés. Ez különösen 0,5 % karbontartalom felett szembetűnő. A nemesítésnél lehetséges megeresztési elridegedés itt nem lép fel. A kúszást okozó igénybevétel esetén is legkedvezőbb bainites szövetű acélok alkalmazása. 53


HŐKEZELÉS

Az izotermás átalakulás révén a darabban a mag és a kéreg között kicsi a Ac3 hőmérsékletkülönbség, ami minimális deformációt és maradó feszültséget eredményez, összehasonlítva a nemesítéssel. További előny, hogy megereszMs tésre nincs szükség, így az eljárás egy lépésben hajtható végre az edzést és Levegő megeresztést igénylő nemesítéssel szemben. Izotermás hűtés végrehajtására már a korszerű vákuumkemencék t, [min] is alkalmasak. Az eljárás fémtani alapját az 2.47. ábra. A bainites hőkezelés elvi ausztenit bainites tartományban végrehőmérséklet−idő diagramja hajtott izotermás átalakulása adja. A hőkezelés első lépése ennek megfelelően ausztenitesítés a megfelelő átalakulási hőmérséklet felett. Ezt követően úgy kell lehűteni a darabot az Ms fölé, a bainites átalakulás tartományába, hogy közben a perlites átalakulás a magban is elkerülhető legyen. Az eljárás hőmérséklet−idő diagramját a 2.47. ábra szemlélteti. Az eljárás tervezéséhez segédlet az T, [oC] Ac3 acél izotermás C−görbéje. A perlitté Ac1 bomlás elkerüléséhez az izotermás f edzésre a nagyobb inkubációs idejű acép lok alkalmasak, általában az olajedzésű a minőségek. Minden acélnál létezik azonban egy olyan szelvényméret, b amely korlátot jelent az eredményes végrehajtás szempontjából. A túl hosszú Ms inkubációs- és átalakulási idő az eljárás végrehajtását már gazdaságtalanná teszi. m A hűtés menetét az izotermás C−görbébe berajzolva a 2.48. ábra mulg t tatja. 2.48. ábra. A bainites hőkezelés hűtési menetének Az izotermás hőntartás időtartamáelvi vázlata nak olyan hosszúnak kell lennie, hogy a bainites átalakulás biztonsággal teljesen befejeződhessen. Ha ugyanis a hőntartást előbb megszakítjuk a képződő martenzit és maradék ausztenit szövetelemek a szilárdsági tulajdonságokat rontják. Az átalakulás befejeződése után a darabot rendszerint nyugvó levegőn hűtik le szobahőmérsékletre, majd az eredményt keménységméréssel ellenőrzik.

T, [oC]

2.5. Termokémiai kezelések

A felületi edzés kapcsán már említettük, hogy az alkatrészek és szerszámok jelentős hányadának igénybevétele összetett, felületi és térfogati igénybevétel egyaránt hat. Az ebből adódóan megkívánt eltérő tulajdonságokat illetve szövetszerkezetet úgy is el lehet érni, hogy a kohászati ötvözéssel a magtulajdonságok elérésének feltételeit biztosítjuk, majd a felületi réteget utólagosan ötvözzük a megfelelő elemmel illetve elemekkel az itt szükséges szövetszerkezet illetve tulajdonságok elérésére. Erre adnak lehetőséget a termokémiai kezelések. Így 54

HŐKEZELÉS


igen változatos igénybevételi kombinációknak megfelelő darabokat lehet előállítani az ötvözőelemek megfelelő megválasztásával. Emiatt az alkatrészekkel és szerszámokkal szemben támasztott fokozódó igények kielégítésében a termokémiai kezelések igen fontos szerepet játszanak, az eljárásokat folyamatosan fejlesztik, részarányuk a hőkezelésen belül nő. A következőkben a két legelterjedtebben alkalmazott termokémiai kezelésről, a nitridálásról és a betétedzésről, adunk bevezető ismertetést. 2.5.1. Nitridálás 2.5.1.1. A nitridréteg szerkezete és tulajdonságai 910

Fe4N

900

o

γ

700

680±5o o

650 2.8 4.55

600 α

500

0.1

2.35

Fe2N

Hőmérséklet, [oC]

800

590o 5.6 ε γ'

~490o Mágneses átalakulás 5.7

6.1

ζ 11.0

400

11.35

300 0

8.25

8 4 Nitrogén, [tömeg %]

12

2.49. ábra. A Fe-N állapotábra

A vasötvözetek termokémiai kezelésekor kialakuló rétegszerkezetről a vonatkozó állapotábra szolgáltatja az alapvető információkat. A Fe-N állapotábrát a 2.49. ábra mutatja. Az ábra bal oldali része a Fe-C állapotábra hasonló részével mutat hasonlóságot, nagyobb nitrogéntartalomnál nitridfázisok képződnek. A két szilárdoldat fázis: − α-fázis, vagy nitroferrit: a szabályos térben középpontos rácsban az intersticiósan oldott nitrogén atomok az úgynevezett oktaéder helyzetet foglalják el; a maximális oldóképesség 590 °C-on 0,1 % N, a szobahőmérséklet környezetében 0,001 % N, − γ-fázis, vagy nitroausztenit: a szabályos felületen középpontos rácsban a nitrogén atomok szintén oktaéder helyzetben vannak; a γ- fázis maximális nitrogén oldóképessége 650 °C-on 2,80 % N.

A γ mezőből való lassú lehűléskor a γ eutektoidosan α szilárdoldatból és γ’ nitridből álló úgynevezett braunitté alakul át. Gyors hűtéskor a γ-fázisból nitromartenzit képződik. A nitridfázisok: − γ’-nitrid: sztöchiometriai összetétele Fe4N; rácsszerkezete szabályos felületen középpontos; egzisztencia tartománya 5,7 és 6,1 % N között van; 680 °C-ig stabilis, − ε-nitrid: Fe2-3N összetételű, hexagonális rácsszerkezetű; nitrogéntartalma széles határok között változhat; 650 °C-on eutektoidosan átalakul, γ+γ’ fázisokra bomlik, − ξ-nitrid: Fe2N összetételű, orthorombikus rácsszerkezetű; 11,0-11,35 % N tartományban, kb. 500 °C alatt stabilis; nitridáláskor nem keletkezik, ezért gyakorlati jelentősége nincs. A nitridálást a γ-fázis eutektoidos átalakulási hőmérséklete, 590 °C alatt végzik. A 2.49. ábrát és a (2.12) összefüggést alapul véve színvas nitridálásakor a felülettől indulva a következő fázisokból álló rétegszerkezet alakul ki: ε-γ’-αN-α (itt αN a nitrogén tartalmú α vasat je-

55


HŐKEZELÉS

löli). Ez a rétegszerkezet szintén az állapotábrából követhetően a szobahőmérsékletre való hűlés közben a következők szerint módosul: ε-ε+γ’-γ’-αN+γ’-α. A felületen tehát ε-nitrid keletkezik, ami alatt ε+γ’ ill. γ’-nitrid réteg található. Ezt a nitridekből álló réteget vegyületi rétegnek nevezik. A metallográfiai csiszolaton a szokásos nital alkalmazásakor nem maródik, ezért a felület mentén elhelyezkedő fehér sávként jelenik meg. Ez alatt található a tűszerű γ’-nitrid kiválásokat tartalmazó nitroferrit. Ezt a színvasig terjedő részt a korábbi szakirodalomban diffúziós zónának újabban kiválási rétegnek nevezik. Az elmondottakhoz kapcsolódóan a színvason nitridáláskor kialakuló réteg szövetképe a 2.50. ábrán látható.

2.50. ábra. A C15 minőségű acél nitridálásakor kialakuló réteg szövetképe 2 %-os alk. HNO3, 200x Nitridáláskor utólagos hőkezelésre, szemben a cementálással, nincs szükség. Acél nitridálásakor számolni kell a karbon és az ötvözőelemek hatásával. A karbon befolyása a következőkben foglalható össze: − a ferritben lévő oldott karbon csökkenti a nitrogén oldóképességet, − a γ’-nitrid elhanyagolható mértékben oldja a karbont így megtartja a nitrid jellegét, − az ε-nitrid oldja a karbont, így Fe2-3(N,C) képlettel jellemezhető karbonitrid lesz; ez a karbonitrid fázis kevésbé rideg és jobb kopásállóságú, mint az ε-nitrid; a karbon szélesíti a koncentráció tartományát. Az ötvözőelemek jellegzetes hatásai a következők: − a ferritben oldott ötvözőelemek rendszerint növelik annak nitrogén oldó képességét, − a vasatomokat helyettesítve oldódnak a γ’ és ε fázisban, komplex nitrideket [pl. (Fe,Me)4N] ill. karbonitrideket [pl. (Fe,Me)2(N,C)] hozva létre, − ötvöző nitridek ill. karbonitridek keletkeznek; a kiválási réteg tulajdonságait jelentősen befolyásolja a kiválások minősége, mennyisége, alakja, mérete és eloszlása, amit az ötvözőelemek megválasztásával valamint a nitridálás hőmérsékletével és idejével lehet befolyásolni. A nitridréteg kialakulása a nitrogén α-vasban való oldódásával kezdődik a felületen. A koncentráció különbség hatására megindul a nitrogén diffúziója a darab belseje felé. Bizonyos idő elteltével az α-vas nitrogén koncentrációja a felületen eléri a maximális oldékonysági határt, megjelennek a γ’csirák, majd összefüggő γ’-réteg alakul ki. Amikor a γ’-ben a felületen a nitrogéntartalom eléri az oldhatósági határt ε-nitrid csirák jelennek meg, kialakul az állapotábra kapcsán már említett rétegszerkezet. A folyamatot a 2.51. ábra szemlélteti. A fázisok határán a koncentráció ugrásszerűen változik.

56

HŐKEZELÉS


t1 < t2 < t3

Nitrogén koncentráció, tömeg %

ε

γ'

γ'

α

α t1

t2

t3

α

6.1 tömeg %

A nitrogén oldékonysági határa az γ'-nitridben

0.115 tömeg %

A nitrogén oldékonysági határa az α-vasban

Az alapanyag nitrogéntartalma Távolság a felülettől

2.51. ábra. A nitridált réteg kialakulásának folyamata A kiválási rétegben keletkező ötvöző nitridek alacsonyabb nitridálási hőmérsékleten kisebb méretűek és koherensen kapcsolódnak az α-fázishoz. A hőmérséklet növelésével a kiválások mérete nő és a koherencia fokozatosan megszűnik, majd koagulálnak. A nitridálás hőmérsékletéről való lehűtés sebességétől függ, hogy a túltelítetté váló szilárd oldatból létrejönnek-e kiválások a nitridálás befejező szakaszában. Mindez természetesen befolyásolja a kiválási réteg tulajdonságait. A nitridált réteg fázisainak keletkezése fajtérfogat növekedéssel jár, emiatt abban nyomó maradó feszültség alakul ki, illetve méretnövekedéssel is számolni kell. Mindezt befolyásolja a mag esetleges megeresztődése is. A nitridált réteg felépítéséből, a vékony vegyületi réteg létéből következik, hogy egy adott esetben a keménységmérés eredménye jelentősen függ az alkalmazott terhelőerőtől. Jellemző HV értékek 100 N terhelőerőnél: − ötvözetlen és gyengén ötvözött acélok: 450-600 HV 10, − CrMo ötvözésű szerkezeti acélok: 700-750 HV 10, − CrAlMo ötvözésű úgynevezett nitridálható szerkezeti acél: 800-1100 HV 10. A vegyületi réteg kialakulásával hozható kapcsolatba a kopásállóság növekedése a nitridálás eredményeként. Abrazív kopásnál a kopásállóság javulása szempontjából a felület keménysége a meghatározó. Ilyen szempontból tehát a kemény, porozitásmentes vegyületi réteg az előnyös. A nitridálás javítja az adhéziós kopásállóságot is. Ha egy nitridált és nem kezelt felület mozdul el egymáson, akár nagy terhelés és kenés hiánya mellett is, a felületek a nitridréteg jelenléte miatt nem hegednek össze. Itt nem a keménység, hanem a kristályszerkezet a meghatározó, ami miatt az összehegedés nem tud létrejönni. A kompakt, pórusmentes vegyületi réteg javítja a korrózióállóságot. A nitridálással javulnak a kifáradási tulajdonságok. Ezt a vegyületi réteg nem befolyásolja, az csupán a kiválási réteg jellemzőitől, mindenekelőtt méretétől, valamint a nyomó maradó feszültségektől függ. Utóbbi annál nagyobb, minél több nitrid marad oldatban, azaz ha lehetőség szerint gyorsan hűl le az adag a nitridálás hőmérsékletéről. A kiválási réteg jellemzője továbbá a megnövelt melegszilárdság, ami szerszámoknál növelt formatartósságot, meleg-

57


HŐKEZELÉS

kopásállóságot és termikus kifáradási határt eredményez. A különböző típusú acéloknál elérhető tulajdonságváltozásokról a 2.8. táblázat ad összefoglaló áttekintést. 2.8. táblázat. A nitridálással elérhető tulajdonságváltozások különböző típusú acéloknál Tulajdonságváltozás Acéltípus

Kopásállóság

Kifáradási határ

Korrózióállóság

MelegÉltartam keménység

Nitridálható acél

↑

↑

↑

↑

−

Ötvözött hidegmegmunkáló acél

↑

−

↓

↑

↑

Betétedzésű acél

↑

↑

↑

↑

−

Nemesíthető acél

↑

↑

↑

↑

−

Korrózióálló acél

↑

↑

↓

−

−

Gyorsacél

↑

−

−

↑

↑

Melegmegmunkáló acél Általános rend. szerkezeti acél

↑

↑

↑

↑

↑

↑

↑

↑

−

−

Szelepacél

↑

↑

(↑)

↑

−

Növelt szilárdságú hegeszthető szerkezeti acél

↑

↑

↑

↑

−

2.5.1.2. A nitridálás technológiája

Az előzőekből következően a nitridálást széles körben alkalmazzák alkatrészek és szerszámok élettartamának növelésére. Mint viszonylag alacsony hőmérsékleten végzett, minimális deformációval járó kezelés, eleget tesz az energiatakarékosság és a költségkímélő gyártás mai követelményeinek is. Félreértésre adhat okot ugyanakkor az, hogy létezik a „Nitridálható acél” megnevezésű szabvány. Itt azonban mindössze arról van szó, hogy a nitridképző elemekkel (Al, Cr, Mo) ötvözött, ezért nagy réteg keménység elérésére alkalmas nemesíthető acélokat foglalták külön szabványba. A nitridálás alkalmazása az acéloknál ettől függetlenül igen széleskörű. Bizonyos korlátozások adódnak, a megeresztési elridegedésre hajlamos nemesíthető acélok, mivel a nitridálás hőmérsékletköze a megeresztési elridegedés tartományába esik, nitridálás során elridegednek. A nitridálás alkalmazásakor a műveleti sorrend a következő: − nagyolás, − magtulajdonságot biztosító hőkezelés (alkatrészeknél nemesítés, esetleg normalizálás), − készremunkálás, − mosás, zsírtalanítás, − a nitridálni nem kívánt felületek bevonása (kereskedelmi forgalomban beszerezhető) védőfestékkel, − nitridálás.

58

HŐKEZELÉS


Bonyolult geometriájú, kényes alkatrészeknél a készre köszörülés előtt ajánlatos feszültségcsökkentő hőkezelést beiktatni. A nitridálási méretnövekedés oldalanként átlagosan 0,02 mm-nek vehető. Pontos illesztéseknél legalább 5-10 db-ból álló mintán elvégzett kezeléssel a méretnövekedést pontosan ki kell mérni és, ennek alapján kell előírni a csökkentett ún. technológiai méreteket. Az utólag szükségessé váló köszörüléssel a nitridált réteget távolítjuk el. A reakcióközeg halmazállapota szerint szilárdközegű, sófürdős és gáznitridálás különböztethető meg. Egy további korszerű eljárás az ion- vagy plazmanitridálás. A klasszikus, ammóniában végzett gáznitridálás az 1920-as évektől terjedt el az iparban. A később megjelent sófürdős illetve szilárdközegű kezelésnél tulajdonképpen nitrogén és karbon egyidejű ötvözéséről van szó, ezek tehát ténylegesen karbonitridáló eljárások. A szilárd közegű eljárás nem tett szert gyakorlati jelentőségre nyilvánvaló hátrányai miatt. A sófürdős eljárás az 1960-as években terjedt el és vált hazai viszonylatban is népszerűvé. Az eljárással elérhető előnyök (rövid kezelési idő, kedvező tulajdonságok) mellett azonban komoly hátrányok is jelentkeztek. Ezek elsősorban az alkalmazott nátriumciamid-náriumcianát összetételű sófürdővel voltak kapcsolatosak. Az ilyen sófürdő nagyon mérgező, ami miatt a környezetvédelmi követelmények kielégítésére költséges berendezéseket kell alkalmazni és maga a kezelés is veszélyes művelet. Időközben az eljárás előnyeit biztosító, de a sófürdő hátrányait kiküszöbölő gázközegű eljárásokat is kidolgoztak, így ez a sófürdős eljárás kiszorult a gyakorlatból. A kifejlesztett újabb sófürdők Ventillátor Fáklya (TENIFER-TF1, MELONITE) Rotaméter ugyan már jóval kedvezőbb tuNH3 Földgáz lajdonságúak, de bizonyos hátráFedél Reduktor nyok ezeknél is fennállnak. Bár a Retorta bázissó és az ún. regeneráló só nem mérgezőek, az üzemi Villamos sóolvadékban az acélfelületi reAmmónia fűtésű akciók során mindig keletkezik palack kemence 1-5 % ciamid. Emiatt a nitridálás után semlegesítő hűtőfürdőt kell Munkadarab használni, aminek köszönhetően a mosóvíz már nem mérgező. A pH értéke miatt azonban csak 2.52. ábra. A gáznitridálás elvi elrendezése közömbösítés után ereszthető a csatornába. Az előzők miatt, ma alapvetően a gázközegű eljárások és az ionnitridálás képezi a nitridálás technológiai palettáját. Ezek az eljárások nem környezetszennyezők és jól szabályozhatók. A hagyományos gáznitridálás elvi elrendezése a 2.52. ábrán látható. A nitrogént a retortába vezetett ammónia alábbi reakció szerinti elbomlása szolgáltatja: 2 NH 3 R 3H 2 + 2 N akt . .

(2.17)

Az ammóniát palackban folyékony állapotban tárolják. Az elpárolgó ammóniát nyomáscsökkentőn és rotaméteren keresztül vezetik a hőálló acélból készült retortába. Az ammónia elbomlásakor a munkadarabok fémfelülete katalizátorként hat. Mivel a nitrogén atomos állapota nem stabil, rövid idő alatt N2 molekulák képződnek, a folyamatos nitrogénkínálat fenntartása érdekében állandó gázáramlást kell biztosítani, valamint kis túlnyomást tartanak fenn a 59


HŐKEZELÉS

retortában. A kemencéből tározó gázkeverék éghető komponenseit földgáz hozzákeverésével elégetik. A gyakorlatban többféle kemencetípusban nitridálnak, általános célokra kedvelt az aknás retortás kemence. A felületen képződő fázis szempontjából az alábbi ún. nitridálási jellemző a lényeges: KN =

pNH3 pH3/22 .

(2.18)

Színvasnál a Lehrer diagram mutatja az összefüggést a nitridálási jellemző és egyensúly esetén a felületen kialakuló fázisok között.

ε H2

NH3

lg

-1

p3

0

p2

Nitridálási jellemző

+1

γ' α

-2 γ -3 1.0

1.1

1.2

1.3 1/T 103

1.4

1.5

1.6

2.53. ábra. Összefüggés a nitridálási jellemző, a hőmérséklet és a színvas felületén képződő fázisok között (Lehrer diagram) A vegyületi réteg kialakulását követően a rétegnövekedést a diffúzió irányítja ezért a folyamatot állandó hőmérsékleten a parabolikus időtörvény írja le: h=k t, (2.19) ahol: k az alapanyagra jellemző, hőmérséklettől függő érték, t a nitridálási idő, [h], h rétegvastagság [mm]. A gyengén ötvözött nemesíthető szerkezeti acéloknál az átlagos 0,4 mm-es réteg eléréséhez kb. 48 óra nitridálási idő szükséges. A nitridálás hőmérsékletét az előírt rétegjellemzők, mechanikai tulajdonságok, anyagminőség, előzetes hőkezelés stb. alapján kell megválasztani. Az előzetes nemesítés megeresztési hőmérséklete legalább 30 °C-kal legyen magasabb a nitridálási hőmérsékletnél. A már említett sófürdős hőkezelésnek jelentős hátrányai mellett kétségtelenül vonzó jellemzője volt, hogy az alkatrészek széles körén alkalmazhatóan, rövid kezelési idővel (1,5-4 h) lehetett előállítani a kopásállóság és a kifáradási határ javulását eredményező réteget. Érthető volt a törekvés, hogy a sófürdő hátrányait mellőzve, ezen előnyöket biztosító gáznitridáló eljárásokat fejlesszenek ki. Különböző gázadalékok alkalmazásával, különféle cégelnevezéssel (Nitroc, Nikotrálás, Deganit, Carbomix), számos ún. „gyorsnitridáló” eljárás jött létre. A különféle gázadalékok azonos célt szolgálnak:

60

HŐKEZELÉS


− a kívánt minőségű és összetételű vegyületi réteg létrehozása a felületen (a felsorolt eljárásoknál ε-karbonitrid), − a nitridálási részfolyamatok befolyásolásával a folyamat gyorsítása. Az adalékgázok származhatnak generátorból (endogáz, exogáz), de palackból is nyerhetők. Ez utóbbi valósul meg a LINDE-CARBOMIX karbonitridáló eljárásnál. Az eljárás elvi vázlata a 2.54. ábrán látható. 1 - Gázadagoló berendezés 2 - Szabályozó és vezérlő egység 3 - Adagoló rendszer

NH3 3 N2 + CO2 1

2

Nitrogén Széndioxid

Ammónia

Kemence

2.54. ábra. A LINDE-CARBOMIX eljárás elvi vázlata

Karbonaktivitás, ac Nitridálási jellemző, KN

10

100

5

75

25 50

1

0.5

0.1

ac

KN (Ha a vízgázreakció nem hatékony, ac < 0.1)

0

20

40

60

80

100

NH3 - Disszociáció fok, % Paraméter: NH3 térfogat % a kiinduló keverékben A vízgázreakció nem hatékony Egyensúlyi vízgázreakció esetén

2.55. ábra. Az NH3 + (14 % CO2 + 86 % N2) karbonitridáló gázkeverék nitridálási jellemzője és karbonaktivitása

61


HŐKEZELÉS

A kemencébe az ammónia mellett CO2 és N2 gázt is adagolnak. A H2+CO2RH2O+CO homogén vízgázreakció hatására a 2.55. ábra szerint megnő a nitridálási jellemző és a karbonaktivitás, ami az ε-karbonitrid képződésének N2+H2 kedvez, és azt gyorsítja. (+CH4) A folyamat optimalizálását Munkadarab egy számítógépes szabályozó egység biztosítja. Retorta Az ionnitridáló berendezés elvi vázlata a 2.56. ábrán láthaSzigetelők tó. A nitridálás folyamata leVákuum szivattyú egyszerűsítve a következő: a 2.56. ábra. Az ionnitridáló berendezés elvi vázlata gáz a felület közelében ionizálódik, a pozitív nitrogén ionok becsapódnak a felületre; vas atomok válnak le és nitrideket képeznek; a nitridek lecsapódnak a felületen, elbomlanak, a nitrogén diffundál. A technológiai paraméterek (hőmérséklet, idő, gázkeverék, áramerősség, feszültség) változtatásával változatos szerkezetű rétegek hozhatók létre. Külön fűtésre − mivel az ionok becsapódása a felületet felmelegíti − elvileg nincs szükség, bár az újabb berendezéseknél ezt előnyösnek találták. Teljesen automatizált, változatos kivitelű és méretű berendezéseket gyártanak. A nitridált darabok minőségellenőrzésénél az alábbiakat kell megvizsgálni: − felületi keménység, − rétegvastagság, − felületi állapot. Az előírt terhelőerővel a keménység a darab alkalmas felületén rendszerint közvetlenül ellenőrizhető. A rétegvastagság ellenőrzéséhez azonos anyagú és hőkezeltségű próbatestet kell az adaggal együtt nitridálni. A nitridált próbatestet el kell vágni, majd a felület mellé vörösréz lemezt helyezve befogóba kell fogni és meg kell csiszolni és polírozni. Ezt követően Vickers eljárással 1 N terhelőerővel a felülettől mért távolság függvényében keménységet kell mérni, amíg a magkeménységnek (MK) megfelelően három egyforma érték nem adódik. A h-val jelölt rétegvastagságot a 2.57. ábra szerint szokás értelmezni ill. kijelölni. A rétegvastagság megadása: h(MK+50HV0,1) mm. Gázadagoló

Villamos tápegység

62

HŐKEZELÉS


HV 0.1

+50

h (MK + 50HV0.1)

Magkeménység (MK) x, [mm]

2.57. ábra. A nitridálási mélység megállapítása a keménységváltozási görbéből A kemencében gázáramban lehűlt nitridált darab felülete matt, ezüst szürke. Ha a kemencébe levegő jut, vagy ha kemencét a darabok lehűlése előtt kinyitják, a felült oxidálódik, elszíneződik. Bár ennek műszaki hátránya nincs, esztétikai okokból ez nem kívánatos lehet. 2.5.2. A betétedzés technológiája

A betétedzés a legrégebb idő óta alkalmazott termokémiai kezelés, a régészeti leletek tanúsága szerint már az ókorban is ismerték és alkalmazták. Korszerű eljárásai fontos szerepet töltenek be a gyártástechnológiában, a kezelt anyag tömege alapján az első helyen áll a termokémiai kezelések között. A szívós maggal és kemény, kopásálló, nagyszilárdságú kéreggel rendelkező alkatrész előállításánál itt a karbonnak a martenzit mechanikai tulajdonságait befolyásoló hatását használják ki. A felhasznált acél jellemzően kis karbontartalmú (~0,1-0,25 % C), így az edzett magrész szívós lesz. A felületi réteget a cementálásnak nevezett művelet során 0,7-0,9 % C tartalomra feldúsítva ez a felületi réteg a cementálást követő edzéskor keményre edződik. A betétedzésű szerkezeti acélok az előzőekből következően külön szabványban, az MSZ EN 10084ben találhatók. Természetesen ezek az acélok sem nélkülözhetik az átedzhetőséget és mechanikai tulajdonságokat javító ötvözőelemeket. A betétedzés tehát − szemben a nitridálással − két lépéses, cementálásból és edzésből álló hőkezelés. Ebből adódóan nagyobb deformáció lép fel, a kezelés után a darabot még általában köszörüléssel kell készre munkálni. A rétegvastagság ugyanakkor általában nagyobb, mint a nitridálásnál szokásos. A betétedzés alkalmazásának legnagyobb területe a hajtómű fogaskerék gyártás. A cementáláshoz a darabokat köszörülési ráhagyással kell megmunkálni, majd mosás-zsírtalanítás következik. A cementálni nem kívánt felületeket legcélszerűbb − a nitridáláshoz hasonlóan − a kereskedelmi forgalomban beszerezhető védőpasztával bevonni. Ennek hiányában a rétegvastagságnak megfelelő ráhagyás is alkalmazható, amit a cementálást követően le kell munkálni. A cementálást az ausztenit mezőben 900-930 °C-os hőmérsékleten kell végezni. Az eljárások csoportosítása itt is a reakcióközeg halmazállapota szerint történhet: sófürdős, szilárd közegű és gázcementálást szokás megkülönböztetni. Hasonlóan a nitridáláshoz, végezhető még plazma vagy ion cementálás is.

63


HŐKEZELÉS

A sófürdős eljárásnál azonos típusú ciamidos fürdők használhatók mint nitridálásnál, csak az összetételt a cementáló hatás fokozásának megfelelően kell módosítani. A karbon felvétel mellett nitrogén ötvözés is végbemegy, tehát ilyenkor tulajdonképpen nitrocementálásról van szó. E sófürdők hátrányai ugyanazok, mint amit már a nitridálásnál említettünk, ill. nagyobb méretű és sorozatú darabok hőkezelésére eleve alkalmatlanok. A szilárd közegű cementálásnál a darabokat az alakhoz igazodóan elkészített dobozokba helyezik, cementálószerbe ágyazva. A doboz falánál, a darabok között és a felső részen kb. 40-50 mm-es cementálószer réteget kell hagyni. A dobozt jól illeszkedő fedéllel le kell zárni, majd a széleket agyaggal le kell tapasztani. A cementálószer szemcseformájú faszénből áll, amire kötőanyaggal, úgynevezett aktivátorként, bárium- és kalciumkarbonátot visznek fel. A báriumkarbonát például a cementálási folyamatot, nagyobb hőmérsékleten disszociálva, a következők szerint segíti elő, aktiválja: BaCO3 R BaO + CO2 .

(2.20)

Alacsonyabb hőmérsékleten a folyamat visszafelé játszódik le, a szer regenerálódik, többször felhasználható. A további reakciók: CO2 + C R 2CO ,

(2.21)

Fe + 2CO R [ C ] + CO2 .

(2.22)

A szilárd cementálószerek az MSZ 2136 szerinti minőségekben kereskedelmi forgalomban beszerezhetők. Ötvözetlen betétedzésű acélokhoz 1 mm rétegvastagságig a nagyobb BaCO3 tartalmú szereket kell használni. Ötvözött betétedzésű acéloknál 0,6 mm feletti rétegvastagságnál és ötvözetlen acéloknál vastag kéreghez az alacsonyabb BaCO3 taralmú szerek előnyösek. Ha ötvözött acélon vastag kérget kell létrehozni, a CaCO3 tartalmú szemcse a legalkalmasabb, mert a CaCO3 meggátolja a túlcementálódást. A hőntartási idő az előírt rétegvastagság függvénye, durván óránként 0,1 mm-es rétegnövekedéssel lehet számolni. Az adag dobozzal együtt hűl le, ezt követően lehet kibontani. A szilárd közegű eljárás körülményes, környezetszennyező, a folyamat nem szabályozható ezért nem korszerű. De mivel egyszerűen végrehajtható, nem nagy darabszám esetén, korszerűbb eljárás hozzáférhetőségének hiányában, megőrizte gyakorlati jelentőségét. A cementálás korszerű és széles körben alkalmazott technológiája a gázcementálás. Az anyagátvitel folyamatát, a 2.1.5 pontban említett részfolyamatok szerint, a 2.58. ábra mutatja.

64

HŐKEZELÉS


Reakcióközeg

I Reakciók a reakcióközegben

Fém

II

III

IV

V

Diffúzió a reakcióközegben

Fázishatár-felületi reakciók

Diffúzió a fémben

Reakciók a fémben

2CO + Feγ C szállító komponens: CO CO CO

CO + H2O

Cγ−Fe + CO2

2 PCO K= P CO2

1 aC

C diffúzió aktivitásesés hatására

H2 + CO2 CO2

Aktivitás

Felület Egyensúly: aC RK = aC

t1

aCMag

t2

t3

t4

t5

0

t1< t2< t3 < t4 < t5

Távolság a fázishatártól

2.58. ábra. Az anyagátvitel folyamata cementálásnál Az úgynevezett tömegáram, azaz időegységben felületegységenként a felületbe belépő karbon mennyisége a gáz reakcióközeg és az acél karbon-aktivitásának különbségével arányos: m = β ( aCG − aC ) .

(2.23)

A képletben: karbonátmeneti szám G aC karbonaktivitás a gázban, aC karbonaktivitás az acélban. A karbonátmeneti szám az anyagátvitel kinetikáját jellemzi (analóg mint a hőátvitelnél a hőátadási tényező) és a gázösszetétel által meghatározott. A karbonaktivitást az acélban a karbontartalom, az ötvözőtartalom és hőmérséklet szabja meg:

β

aC = f ( C , %; ötvöző, %; T , °C ) .

(2.24)

Az ötvözők két csoportba sorolhatók aszerint, hogy a karbonaktivitást növelik vagy csökkentik: − a karbonaktivitás-növelő ötvözők: Ni, Si, B, Co, N, − a karbonaktivitás-csökkentő ötvözők: Cr, Mo, Mn, W, Ti, V. 65


HŐKEZELÉS

Az előzőkből következik az a technológia szempontjából fontos tény, hogy adott karbonaktivitású gázatmoszférában különféle összetételű acélokat cementálva eltérő lesz a felületi karbontartalom. A Ni ötvözésű acélé kisebb, a Cr, CrMn, CrMo ötvözésű acélé nagyobb. Azonos eredmény eléréséhez egy adagban csak azonos minőségű acélokat lehet hőkezelni illetve a minőség változtatásával az atmoszférát is módosítani kell. Számos gázcementáló eljárás ismeretes. Az atmoszférikus nyomáson (kis túlnyomáson) végzett eljárások két csoportba sorolhatók: − Külön bontással létrehozott atmoszférák: • a kemence mellé telepített vagy központi endogenerátorral, • kemencével egybeépített vagy sugárzócsőként kialakított retortában, • külön metanol bontóban. − Közvetlenül a kemencében előállított atmoszférák: • földgáz (propán)/ levegő bevezetésével, • N2/metanol befúvással, • N2/CxHy bevezetéssel, • folyadék (alkohol stb.)/ levegő elgázosítással, • 2 folyadék (metanol/etilacetát stb.) becsepegtetésével. Az 1973-as olajválságot követően a szénhidrogén árak megnövekedése miatt jelentősen megdrágultak a generátoros atmoszférák, így a cementáláshoz elterjedten használt endogáz is. Ugyanakkor az LD acélgyártó eljárás elterjedése miatt a piacon nagy mennyiségben állt rendelkezésre nagytisztaságú nitrogén. Időközben jelentősen fejlődött a mérés és szabályozástechnika is. Mindez a költségek csökkentését lehetővé tevő közvetlen atmoszféra előállító eljárások elterjedésére vezetett, amelyek közül az alábbi kettő érdemel külön figyelmet. A szénhidrogén/levegő gázok bevezetésével végzett közvetlen atmoszféra előállítás elvi vázlatát a 2.59. ábra mutatja. Oxigénszonda Referencia levegő Öblítő levegő Levegő motoros szelep

CARB-O-TRONIC

o

C

M

Gáz N2 Felső fix gázmennyiség szelepek

CO

Mérőgáz

%C Alsó fix gázmennyiség szelep

Ellátó egység 800-1100oC

Mikroszámítógép

2.59. ábra. A szénhidrogén/levegő bevezetéssel végzett közvetlenatmoszféra előállítás vázlata (IPSEN-SUPERCARB) A felületi széntartalmat az úgynevezett karbonpotenciál alapján szabályozzák. Ez az a karbontartalom, amely a cementáló atmoszférában egyensúly esetén a színvasban beáll. Közvetlenül a kemencébe helyezett színvas fólia vegyelemzésével, az úgynevezett fóliapróbával 66

HŐKEZELÉS


ellenőrizhető. Ez a módszer szabályozásra nem alkalmas. Adott esetben a karbonpotenciált egy mikroszámítógép az úgynevezett oxigénszonda, a termoelem és a CO elemző adataiból folyamatosan számítja. A beállított és számított érték eltérése alapján a szabályozó a levegő ágba beépített motoros szelep segítségével avatkozik be. Az N2/metanol eljárásnál a kemencébe vezetett metanol 700 °C felett a CH3OH→CO+2H2 egyenlet szerint elbomlik és az így keletkezett gázok 2 rész nitrogénnel a korábban generátorban előállított endogázhoz hasonló összetételű atmoszférát hoznak létre. Ehhez aztán cementáláshoz illetve nitrocementálásoz a szükséges mennyiségű propánt illetve ammóniát adagolnak. A berendezés a 2.60. ábrán látható nitrogén tartályból és párologtatóból, propán és ammónia tartályból és metanol tároló és adagoló rendszerből áll. 1 - Szivattyúszekrény 2 - Kapcsolótábla 3 - Vezérlőszekrény 4 - Fúvólándzsa 4 Ammónia Nitrogén

Karbonizáló gáz

1

2

3 Oxigénszonda Termoelem

Metanol

Kemence

2.60. ábra. A nitrogén-metanol közvetlen atmoszféra előállító berendezés vázlata (LINDE-CARBOTHAN) Hozzátartozik a berendezéshez még egy befúvató lándzsa, amellyel a metanolt a nitrogén segítségével elporlasztják és a kemencébe juttatják, valamint egy szabályozó berendezés. Az eljárással gazdaságosan oldható meg cementálásra alkalmas kemencék pótlólagos gázellátása vagy a gázellátó rendszer rekonstrukciója. Az atmoszféra szabályozás a már említett oxigénszondával oldható meg. Az oxigénszonda az 1970-es évekből terjedt el és lépett a korábbi harmatpont majd CO2 elemzésre támaszkodó atmoszféraszabályozás helyébe, mint számos előnnyel rendelkező korszerű mérőeszköz. Kinézetre a kerámia védőcsővel ellátott termoelemre hasonlít. Segítségével az atmoszféra oxigén parciális nyomása határozható meg. A szabályozás alapjául szolgáló reakcióegyenlet illetve egyensúlyi állandó az alábbi: 1 Fe + CO R O2 + [ C ] , 2

(2.25)

pCO = f (T ) . aC ⋅ pO1/22

(2.26)

K=

67


HŐKEZELÉS

Az egyensúlyi állandó képletéből megállapíthatóan, ha a CO tartalom állandónak vehető (CARBOTHAN eljárás) az oxigénszonda önmagában elegendő a szabályozáshoz, ha viszont a CO tartalom nem tekinthető állandónak járulékosan CO elemzőre és mikroszámítógépre van szükség (SUPERCARB eljárás). Az oxigénszonda szerkezetét a Cirkóndioxid szilárd Nyílás 2.61. ábra mutatja. elektrolit Az oxigénszondát a termoelemhez hasonlóan építik be a kemencébe, benyúlik a munkatérbe. A védőcsövön lévő nyíláson keresztül a Platina cirkondioxid szilárd elektrolit − vévezetékek gén zárt − cső külső oldala a kemenceatmoszférával érintkezik. A belső Kerámia védőcső Elektródok oldalon a levegő mint referenciagáz szerepel, amit egy szivattyú állandó2.61. ábra. Az oxigénszonda szerkezeti vázlata an felújít. A cirkondioxid csak az oxigént ereszti át, ionok formájában. A nagy oxigén parciális nyomású, levegővel érintkező belső oldal felöl oxigén ionok irányított áramlása jön létre az alacsony parciális nyomású, kemenceatmoszférával érintkező külső oldal felé. Az ionos állapot miatt elektronáramlás is létrejön az elektroliton, ami miatt feszültségesés lép fel. Ez Nerst szerint az alábbi képlettel számítható: U = 0, 0496 ⋅ T ⋅ lg

Itt: T, [K]

pO2 , mV . pO0 2

(2.27)

hőmérséklet,

pO2 , [bar]

oxigén parciális nyomás a kemencében,

pO0 2 , [bar]

oxigén parciális nyomás a levegőben.

A feszültség platina érintkezőkről vezethető el és a (2.26) egyenlet szerint mérőszámot szolgáltat a karbon-aktivitásra és ezen keresztül a karbonpotenciálra. Cementálás + A cementálást, a kis 0,2-0,3 mm-es rédiffúziós izzítás tegvastagságoktól eltekintve, gyakran úgynevezett kétlépcsős eljárással valósítják meg. Ezzel gyorsítható a folyamat és kedvezőbb karbon koncentráció eloszlás érhető el. A karbon koncentráció alakulását a 2.62. ábra mutatja. Első lépcsőben túlkarx, [mm] bonizálnak, majd az ezt követő diffúziós lépcsőben beállítják a kívánt felületi karbon 2.62. ábra. A karbonkoncetráció alakulása a tartalmat. A kialakuló kezdeti lapos lefutási kétlépcsős cementálás során görbének köszönhetően a felületi keménység még köszörülés után is megfelelő marad. A cementálást követő edzés a 2.63. ábra hőmérséklet-idő diagramjai szerint végezhető el.

C, [%] Cementálás

68

HŐKEZELÉS


T, oC

Cementálás

Ac3 mag Ac3 kéreg Edzés Megeresztés

T, oC

t, h Ac3 mag

a

Cementálás Lassú hűtés

Ac3 kéreg

Edzés

Megeresztés T, oC

t, h Ac3 mag

b

Cementálás

Edzés

Lassú hűtés Lágyítás T, oC

Megeresztés t, h Ac3 mag

c

Cementálás

Ac3 kéreg

Edzés

Ac3 kéreg

Izotermás átalakulás a perlittartományban Megeresztés T, oC

d

Cementálás

t, h Ac3 mag Ac3 kéreg

Edzés

Edzés Megeresztés e

t, h

2.63. ábra. A cementálást követő hőkezelések hőmérséklet-idő diagramjai

69


HŐKEZELÉS

C-tartalom, %

Hőmérséklet, oC

Hőmérséklet, oC

C-tartalom, %

A 2.63. ábra a részén szereplő közvetlen edzésnél a cementálás során eldurvult szemcsézet nem finomodik a mechanikai tulajdonságok kedvezőtlenek. Eredményes alkalmazása úgynevezett finomszemcsés acélok használatát feltételezi, amelyek a cementálás során nem hajlamosak szemcsedurvulásra. Az edzés előtti visszahűtés csökkenti az edzési deformációt és a maradék ausztenit tartalmat. A 2.63. ábra b változatánál az adagot lehűtik, az esetleg szükséges megmunkálások ezt követően elvégezhetők. Erősebben ötvözött minőségeknél, ha szükséges, ezt megelőzően a 2.63. ábra c részlete szerint lágyítást is be lehet iktatni. Az edzést rendszerint a kéreg edzési hőmérsékletéről végzik az optimális kéreg tulajdonságok biztosítása érdekében. A mag edzési hőmérsékletéről végzett edzéskor a mag szövete teljesen átkristályosodik, ami szükség esetén jobb magtulajdonságokat biztosít és az esetleg képződött szekunder cementit kiválás is oldatba vihető. A kéreg tulajdonságai viszont ilyenkor kedvezőtlenebbek. A 2.63. ábra d részlete szerinti kezelés erősebben ötvözött betétedzésű acéloknál alkalmazható, amelyek a cementálást követő lehűtésnél feszültségi repedésre hajlamosak. A 2.63. ábra e része úgynevezett kettős edzést mutat, amelyet azonban a nagy deformáció miatt ritkán alkalmaznak. A hőkezelés befejező művelete minden esetben a 180-200 °C-os megeresztés. A betétedzett darabnál a kifáradási Helyesen karbonizálva Helytelenül karbonizálva határ növelésében jelentős szerepe van a nyomó maradó feszültség kialakulásának a kéregben. Ennek feltétele, hogy az MS hőmérsékletnek a karbon-koncentráció változással öszszefüggő alakulásának megfelelően, amint azt a 2.64. ábra a része szemTávolság a felülettől lélteti, az átalakulás a felület alatt Idő, s, az edzés kezdetétől számítva kezdődjön és a felületen érjen véget. 2.5 900 900 Ha a felület dekarbonizálódik a 2.64. 2.5 ábra b része szerinti kedvezőtlen vi5.0 800 800 szonyok alakulnak ki. Ilyenkor az 5.0 7.5 7.5 átalakulás a felületen is megindul és a 700 700 10.0 felület alatt ér véget. 10.0 12.5 A betétedzett darabok ellenőrzésé600 600 12.5 nél a felületi keménységet, a réteg15.0 15.0 vastagságot és a mag szilárdsági jel500 500 lemzőit írják elő. A felületi keményM M 400 400 ség a kész darabon rendszerint 20.0 20.0 Rockwell eljárással közvetlenül el25.0 25.0 300 300 lenőrizhető. Fogaskerekeknél pl. a 35.0 szokásos előírás: 58±2 HRC. A ré35.0 200 200 M M tegvastagság edzett próbatest vagy 55.0 55.0 darab felhasználásával, felületre me100 100 rőleges metszeten vizsgálható. A megfelelően előkészített felületen a 0 0 Felület Tengely Felület Tengely felülettől mért távolság függvényében 10 N terhelőerővel Vickers keménya b séget kell mérni. A megrajzolt diag2.64. ábra. A karbonkoncentráció alakulásának hatása ramon a 2.65. ábra szerint a választott a felületi réteg átalakulási folyamatára határkeménység alapján kell a rétegs

s

f

f

70

HŐKEZELÉS


vastagságot meghatározni. A határkeménység egyéb megállapodás hiányában 550 HV 1. Az eredmény megadásánál a határkeménységet fel kell tüntetni, pl.: h=1,2 mm 550 HV 1. A mag szilárdsága egyszerűbb esetben keménységméréssel, igényesebb esetben szakító és ütőpróbatestekkel ellenőrizhető. Egyidejű karbon és nitrogén ötvözés HV 1 – nitro-cementálás – valósítható meg ha a cementáló gázhoz ammóniát adagolnak (2.60. ábra). Különösen előnyös ez 550 HV 1 a kis rétegvastagságot igénylő kisméretű alkatrészeknél, mivel egyenletesebb minőséget lehet elérni mint a cementálással. A nitro-cementálás alacsonyabb hőmérsékleten végezhető, mint a cementálás, így közvetlen edzés végezheh 550 HV 1 x, [mm] tő. Kisebbek lesznek az edzési deformációk, kedvezőbbek a mechanikai tulaj2.65. ábra. A betétedzett rétegvastagság donságok és mindehhez kisebb költsémeghatározása gek társulnak. Mindez annak tulajdonítható, hogy az egyidejű nitrogén diffúzió gyorsítja a karbon diffúziót, csökkenti az A3, illetve A1 hőmérsékleteket, növeli az edzés utáni keménységet. Itt kell említést tenni a cementálással kapcsolatban az úgynevezett belső oxidáció néven ismert jelenségről. Ennek lényege, hogy a szokásos cementáláskor mindig jelen vannak oxigén tartalmú gázkomponensek amelyekből szabad oxigén keletkezhet, ez a felületbe diffundálva oxidokat képez a nagy oxigén affinitású (Cr, Mn, Si) elemekkel. Ezen elemekben elszegényedett rétegnek csökken az edzhetősége, romlanak a szilárdsági tulajdonságai. A köszörülés ezt a réteget rendszerint eltávolítja, de tendencia gazdaságossági okból a köszörülés elhagyása. A belső oxidáció további növekedésével kell számolni a cementálást követő edzéshez való, akár a szokásos védőgázban való felmelegítés során is. A következményeket valamelyest ellensúlyozza, ha a technológiai folyamat utolsó szakaszában ammóniát adagolnak, kihasználva a nitrogén ötvözés edzhetőséget növelő említett hatását, elkerülve ezzel a lágyfoltosságot. A nitridálásnál ismertetett elrendezéssel plazma vagy ion cementálás is végezhető, bár elterjedtsége még nem jelentős. A cementáláshoz ilyenkor szénhidrogént alkalmaznak és minden esetben járulékos hőforrásra is szükség van. Kétségtelen előny ilyenkor, hogy mivel oxigén nincs jelen, a belső oxidáció teljességgel elkerülhető, kiváló a minőség. Erre különleges alkalmazásoknál (repülőgyártás, űrhajózás) van fokozott igény. A betétedzés és nitridálás újabban alkalmazott érdekes kombinációja a duplex kezelés. A technológiához nitridképzőkkel ötvözött kiválásosan keményedő betétedzésű acélt használnak. Ezeket az acélokat 500-600 °C között eresztik meg, így a megeresztési hőmérséklet alatti hőmérsékleten végzett nitridálás a szilárdságot nem befolyásolja. A technológiát fogaskerekeknél alkalmazva, a cementálás, edzés, nitridálás műveletsor eredményeként kapott kedvezőbb kifáradási jellemzők a korszerű hajtóműveknél megkövetelt, nagyobb üzemi hőmérsékletet engednek meg. A nitridált réteg berágódási hajlamot csökkentő hatásának köszönhetően az ilyen fogaskerekek bizonyos ideig kenés nélkül is üzemképesek maradnak, ami igen előnyös, ha a hajtóműnek úgynevezett olajvesztési tartalékkal is rendelkeznie kell (pl. katonai helikoptereknél).

71


HŐKEZELÉS

72

3. KÉPLÉKENYALAKÍTÁS

3.1. A képlékenyalakítás fogalma, rövid történeti áttekintése

A képlékenyalakítás olyan gyártási eljárásokat jelent, amelyekkel valamely előgyártmány (lemez, szalag, rúd, huzal, stb.) alakját és méreteit külső erőrendszer alkalmazásával, maradó alakváltozás révén megváltoztatjuk, miközben a test térfogata gyakorlatilag változatlan marad. A képlékeny alakítás napjaink egyik legdinamikusabban fejlődő technológiai eljárása. A korszerű képlékeny alakítás fő törekvése az, hogy a tervezett alkatrész alakját és méretét – a szilárdsági és alakváltozási jellemzők optimális értékeinek biztosítása mellett – olyan pontosan állítsa elő, amely az azt követő forgácsoló megmunkálást minimálisra csökkenti. A képlékeny alakítás technológiája az időszámításúnk előtti évezredekben, mint kézműipar alakult ki. Kézműiparból tudománnyá fejlődését a mechanika képlékenységtan fejezetének kidolgozása, valamint a metallográfia és fémfizika (anyagszerkezettan) tovább fejlődése tette lehetővé. A képlékenységtan kialakulását Coulomb 1773-ban végzett vizsgálataitól számítják. A múlt században Tresca, St.Venant és Levy által kidolgozott elméletek a képlékenységtan ma is szilárd alapjait képezik. E század elején Huber, Mises és Hencky matematikai megfontolásokból kiindulva tovább gazdagították a képlékenységtan elméletét. A képlékenységtan történetében alapvető jelentőségű szerepet játszottak magyar származású tudósok és kutatók. A képlékenységtan elméletét összefoglaló első könyvet Nádai írta meg 1927-ben. Kármán és Reuss munkásságával az elméleti alapok továbbfejlesztéséhez, Geleji a képlékenységtan elméletének technológiai folyamatokra való alkalmazásához járult hozzá. A képlékenységtan legújabbkori történetében kiemelkedő jelentőségűek Iljusin, Szokolovszkij, Gubkin, Kacsanov szovjet, valamint Hill, Prager, Johnson angol tudósok munkái. A képlékenyalakítás fejlődésében nem kevésbé jelentősek azok az eredmények, amelyeket a fémek reális szerkezetének kutatásában, a fémfizika, az anyagszerkezettan terén az utóbbi évtizedekben elértek. Ezen eredmények ismertetésétől itt eltekintünk, részben azért, mert ezek egy része korábbi tantárgyak (Anyagtudomány, Anyagismeret) ismeretanyagát képezte, részben pedig azért, mert ezek részletes elemzése meghaladná e jegyzet kereteit. Így az anyagszerkezeti ismeretekből itt röviden csak azokat foglaljuk össze, amelyek a továbbiak megértéséhez elengedhetetlenül szükségesek.

73


KÉPLÉKENYALAKÍTÁS

3.2. A képlékenyalakítás helye és szerepe a mechatronikai alkatrész gyártásban

A képlékenyalakítás különböző eljárásaival gyártott alkatrészek termékskálája a parányi mikroelektronikai alkatrészektől, a különféle háztartási eszközökön, a technikai haladás szempontjából mindig is kiemelt jelentőségű autóipari alkatrészeken keresztül, a csúcstechnológiai alkalmazásokig (repülőgépipar és űrtechnika) terjed. A felsorolt területek szinte mindegyikén, de különösen a mikroelektronikai alkalmazások, az autóipari és más csúcstechnológiai iparágakban, a képlékenyalakítás a mechatronikai alkatrész gyártás kiemelt technológiai eljárásának tekinthető. 3.3. A képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásai

A képlékeny alakváltozást a fémek kristályos szerkezetéből kiindulva érthetjük meg. A rugalmas alakváltozás jellemzője az, hogy az atomok szomszédjaikat a térrácsban nem változtatják meg, és a külső terhelés megszűnése után visszatérnek eredeti helyzetükbe, azaz a folyamat reverzibilis. A képlékeny alakváltozás ezzel szemben nem megfordítható, irreverzibilis folyamat, amelynek során nagy számú atom rezgésközéppontját sok rácsállandónyi távolságba helyezi át. Ez a maradó alakváltozás kristálytani síkok egymáson történő elcsúszásával jön létre. Az elcsúszás azokban a síkokban, illetve irányokban megy végbe a legkönynyebben, amelyekben a felületi, illetve a vonalmenti atomsűrűség a legnagyobb (ezek az ún. csúszósíkok, illetve csúszási irányok). Mivel egy kristályban ezek a kitüntetett irányok a kristálytani felépítés által meghatározott törvényszerűség szerint helyezkednek el, a krisztallitok és az egyetlen kristályból levő fémtestek anizotropok (iránytól függő tulajdonságokkal rendelkeznek) . A gyakorlatban alkalmazott fémek ritka kivételtől eltekintve (pl. diódák) polikristályosak. Ha a különböző krisztallitok valamely kitüntetett kristálytani iránya a tér minden irányában azonos valószínűséggel fordul elő, akkor az ilyen szilárd testek több jelenség leírásánál, számításánál izotrópnak (kvázi-izotrópnak) tekinthetők. A tankönyvben a továbbiakban ismertetésre kerülő számítási módszerek alapvetően homogén és izotróp anyagokra vonatkoznak. A képlékeny alakváltozás előzőkben röviden elemzett – az Anyagtudományi tanulmányok során részletesen is vizsgált – csúszási mechanizmusa, ideális, rácshibamentes kristályok feltételezésével olymódon menne végbe, hogy a csúszási sík két oldalán helyet foglaló valamennyi atom egy-egy közvetlen szomszédos atomhoz kapcsolódó atomos erejének egyszerre kellene megszakadnia. A képlékeny alakváltozás ilyen lefolyására alapozott számítások szerint az alakváltozás megindításához és fenntartásához, mintegy ezerszer akkora csúsztatófeszültségre volna szükség, mint, amit a gyakorlatban mértek. Ezt az ellentmondást a Taylor és Orowan által a 30-as években kidolgozott diszlokációs elmélet szüntette meg. A diszlokációs elmélet alapján a kristálysíkok elcsúszása nem az egyes atomsíkok merev testként való mozgásával megy végbe, hanem a diszlokációk mozgásával terjed végig a csúszási síkon. A diszlokáció végeredményben olyan kristályrács-építési hiba, amelynek környezetében az atomok elmozdulnak az ideális kristályrácsban elfoglalt helyükhöz képest. A képlékeny alakváltozás során a diszlokációk sokszorozódnak, egymással reakcióba lépve egyre inkább gátolják egymás mozgását. Ez a jelenség az alakítási keményedés. A képlékeny alakváltozás diszlokációs elmélete ma már igen kiterjedt irodalommal rendelkezik, a további részleteket illetően az irodalomra utalunk. A képlékeny alakítás fogalomkörébe mind a hideg, mind pedig a melegalakítás beletartozik. E tárgy keretében mi a gépészmérnöki gyakorlatban leggyakrabban előforduló hidegala-

74



kító eljárásokkal foglalkozunk részletesen. Röviden nézzük mi a különbség a hideg és melegalakítás között anyagszerkezeti oldalról. A képlékeny alakváltozás – amint azt az előzőkben láttuk – kristálytani síkok egymáson való elcsúszásával, diszlokációk mozgásával megy végbe. Ez a diszlokációk kölcsönhatása révén alakítási keményedést okoz, megváltoznak a fém mechanikai tulajdonságai, szemcseszerkezete. A hideg és melegalakítás anyagszerkezeti elhatárolása éppen e megváltozott tulajdonságok alapján történik. Hidegalakításnál ugyanis az alakítás közben megváltozott tulajdonságok az alakítás után is megmaradnak, e változások megszüntetése, az eredetihez közelálló jellemzők visszaállítása újrakristályosító izzítással lehetséges. Ennek során, öndiffúzióval, csírából az alakítás közben eltorzult térrács részletekből, új orientáltságú, arányos méretű szemcsék keletkeznek, amelyekben az alakítás folyamán megnövekedett diszlokációsűrűség közel eredeti értékére csökken. A gyakorlati fémek újrakristályosodási hőmérséklete az ún. homológ hőmérséklet skálán a Thom=0,4 értékkel adható meg. (A homológ hőmérséklet a Kelvin fokokban kifejezett hőmérsékletnek a fém olvadáspontjára vonatkoztatott relatív értékét jelenti, azaz Thom=T/Tolv.) A melegalakítást minden esetben az újrakristályosodás hőmérsékleténél nagyobb hőmérsékleten végezzük. Így az újrakristályosodás még az alakítás közben (illetve közvetlen utána, még meleg állapotban) lezajlik, következésképpen a fém az alakítás után közel az eredeti tulajdonságaival rendelkezik. A keményedés az alakítás következtében itt is fellép, de ezt kisebb nagyobb késéssel követi az újrakristályosodás, ezért a változások a készterméken lényegében nem észlelhetők. Az előzőkben fémtani értelemben definiáltuk a hideg-, illetve a melegalakítás fogalmát. E szerint pl. az ólom szobahőmérsékleten végzett alakítása melegalakításnak, ugyanakkor a wolfram 800 oC-on való alakítása pedig hidegalakításnak minősül. Az utóbbi időben széles körben alkalmazást nyert az ún. félmeleg alakítás, amelyet melegítés után, de az újrakristályosodás hőmérsékleténél alacsonyabb hőmérsékleten végeznek, az alakítás fémtani értelemben tehát valójában hidegalakítás. A hideg- és a melegalakítás közötti különbség igen szemléletesen érzékeltethető a valódi feszültség-valódi nyúlás görbék alapján (3.1. ábra). Az ábrából jól látható, hogy hidegalakításnál a valódi feszültség nagysága a maradó alakváltozás függvényében nő, melegalakításnál viszont a valódi feszültség gyakorlatilag az alakváltozástól függetlenül közel állandó (ideálisan képlékeny anyag), de igen érzékenyen függ az alakváltozási sebességtől.

3.1. ábra. Valódi feszültség – valódi nyúlás görbék Ez a következőkkel indokolható: az alakítási keményedés – amint az az előzőkből nyilvánvaló – az alakváltozás nagyságától függ és lényegében igen kis időt igényel. Ezzel szemben a lágyulás diffúziós jelenség, amely az időtől jelentősen függ. Következésképpen minél 75



nagyobb az alakváltozás sebessége, a lágyulás annál inkább késik, amely a valódi feszültségi görbén a valódi feszültség nagyobb értékében nyilvánul meg. A melegalakítás hőmérsékletén, amint a 3.1. ábra alapján is látható, adott alakításhoz sokkal kisebb alakítóerő szükséges mint a hidegalakításnál, ezért a melegalakítás a szobahőmérsékleten nagy szilárdságú, és a nagy méretű munkadarabok alakítástechnológiája. A szemcseszerkezet változását elemezve hidegalakításnál, három jól elkülöníthető stádiumot figyelhetünk meg. A lágyított állapotú, fémben alakítás előtt részarányos, közel egyenlő térfogatú szemcséket találunk (3.2. ábra, a-részlete).

3.2. ábra. A szemcseszerkezet változása hidegalakításnál Az alakítás során az eredetileg mindhárom irányban közel egyenlő méretű szemcsék az alakítás irányában egyre inkább nyújtottakká válnak (3.2. ábra, b-részlete), olymódon azonban, hogy a nyújtott, alakított szemcsék térfogata megegyezik a kiinduló szemcsék térfogatával. A polikrisztallin fémek hidegalakítás előtt általában homogén, izotróp testként kezelhetők. A fém sajátosságai azonban alakváltozás után nem lesznek izotrópok, ami az alakváltozás mechanizmusából következik. Mint ismeretes, a képlékeny alakváltozás meghatározott kristálytani síkok és kristálytani irányok rendszerén, az ún. csúszási rendszereken zajlik. Alakítás előtt a fémkristályok statisztikusan rendezetlen elhelyezkedése miatt a lehetséges csúszási síkok és irányok a tér minden irányában azonos valószínűséggel fordulnak elő. Az alakváltozás során minden kristály működő csúszási síkja és iránya igyekszik elfordulni a legnagyobb főnyúlás irányába, s így az alakváltozás mértékének növekedésével egyre tökéletesebb kristálytani rendezettség alakul ki. E folyamatból nyilvánvalóan következik, hogy bár a test alakítás után is polikrisztallin, de a benne fellépő rendezettség miatt sajátságai (pl. Rp; Z; Rm; A) a vizsgálat irányától függnek. Ez az alakítási textúrának nevezett jelenség a képlékenyen alakított fémek anizotrópiájának magyarázata. Számottevő textúra csak nagy mértékű hidegalakításnál jön létre. Újrakristályosításnál, újrakristályosodási kristálycsirákból kiindulva, új orientáltságú, arányos méretű, az alakítás előttivel közel azonos diszlokáció-sűrűségű szemcsék keletkeznek (. A rekrisztalizáció utáni szemcsék térfogata az alakváltozás mértékétől, az újrakristályosító izzítás hőmérsékletétől és idejétől függ, tehát a kialakuló szemcsék mérete az alakítás előtti értékkel megegyezhet, de annál kisebb és nagyobb is lehet (ld. 3.2. ábra, c-részlete). Bizonyos feltételek fennállása mellett újrakristályosodásnál rekrisztallizációs szemcsedurvulás, illetve újrakristályosodási textúra jöhet létre. Melegalakításnál elvileg, ugyancsak elkülöníthető az előzőkben ismertetett három stádium; tekintettel azonban arra, hogy a melegalakítás hőmérsékletén az újrakristályosodás is minden esetben lejátszódik, mikroszkópi csiszolaton csak az a) és c) állapot figyelhető meg.

76



A már említett félmeleg alakítással a hideg- és a melegalakítás előnyeit igyekszünk kihasználni. Az így alakított darabok felületminősége és méretpontossága közel olyan jó, mint a hidegalakításnál, az alakítóerő és a szerszámterhelés viszont sokkal kisebb, mint a hidegalakításnál. A képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásait elemezve, kiemelt témakörként kell kezelnünk az alakíthatóság kérdéskörét. Az anyagtudományi tanulmányokból is ismert, hogy a fémek alakíthatósága számos tényező függvénye: az alakíthatóság olyan komplex fogalom, amelynek megítélésére önmagában a szokásos mechanikai jellemzők egyike sem alkalmas. Általában a jó hidegalakíthatóság olyan anyagi tulajdonságokat jelent, amelyek kis alakító nyomással, a szerszám minimális kopása mellett nagymértékű alakváltozást tesznek lehetővé, törés vagy repedés veszélye nélkül. Az alakíthatóságnak ilyen értelemben mind a mai napig nincs megbízható, általánosan elfogadott mérőszáma. A belső állapottényezők között az alakíthatóság szempontjából az atomszerkezet, a kristályszerkezet, valamint a szemcse- és szövetszerkezet említendő. Ugyanakkor a gépészmérnöki mindennapi gyakorlat lehetőségeit elemezve megállapíthatjuk, hogy az atomszerkezet, mint belső állapottényező változtatása adott anyag alakíthatósága szempontjából lényegében nem jön számításba. Kristálytani tanulmányainkból ismert, hogy a különböző kristályrendszerű fémek – csúszási rendszereik különbözősége folytán - jelentősen különböző alakíthatósággal rendelkeznek. Mivel számos gyakorlati fém és ötvözet rendelkezik olyan allotróp átalakulási hőmérséklettel, amely a fém kristályszerkezetének megváltozásával jár, kijelenthetjük, hogy ezt a lehetőséget gyakorlatitechnológiai eljárásoknál is viszonylag egyszerűen hasznosíthatjuk. A belső állapottényezők közül a szemcse- és szövetszerkezet módosítása adja a legkézenfekvőbb lehetőséget az alakíthatóság befolyásolására. A szövetszerkezet módosítási lehetőségeivel alapvetően a Hőkezelés című tárgy keretein belül foglalkozunk részletesen. E helyen röviden csak a szemcseszerkezet alakíthatóságra gyakorolt hatására térünk ki. Az alakítás, az alakíthatóság anyagszerkezeti elemzésénél különleges figyelmet érdemel a rideg és lágy fázist tartalmazó, kétfázisú anyagok viselkedése. Ilyen esetben a fém alakíthatósága alapvetően függ a rideg fázis mennyiségétől, alakjától, méretétől és eloszlásától, Ezenkívül szerepet játszik még a rideg és lágy fázis szilárdsága, a két fázis közötti kristálytani kapcsolat és a fázishatárok energiája. E tényezők hatását különválasztani szinte alig lehet. A gyakorlati élet számára az egyik legfontosabb ilyen típusú ötvözet a szénacél, amelyben a ferrit és az austenit a lágy, a cementit a rideg fázis. Amennyiben a rideg fázis a szemcsehatáron összefüggő hálót képez, az ötvözet igen rosszul alakítható (3.3. ábra, a-részlete). Ilyen szövetszerkezetűek a hiper-eutektoidos acélok az Ac1 - Acm hőmérsékletek között. Az ilyen öntött tuskók kovácsolását ezért az Acm hőmérséklet fölött kell végezni, ahol homogén austenites szerkezetűek. Az erősen ötvözött, öntött szerszámacélok alakítható fázisát (az austenitet), ledeburit ágyazza be a kovácsolás hőmérsékletén is, ezért ezek kovácsolása különösen nagy szakértelmet igényel. A rideg beágyazó fázis a kovácsolás közben eltöredezik és ezáltal javul a szerszámacél szívóssága.

77



3.3. ábra. Kétfázisú ötvözetek alakíthatóságának elemzése a szemcseszerkezet alapján Az alakíthatóság szempontjából legkedvezőbb a rideg fázis gömbölyű alakja (3.3. ábra, brészlete). Adott összetételű acél annál kisebb szilárdságú és annál jobban alakítható, minél kevésbé diszperz benne a rideg fázis (azaz minél nagyobb a diszlokációk szabad úthossza), Hipoeutektoidos acéloknál az ábrán látható szferoidites szövetszerkezetet edzéssel és Ac1 alatti megeresztéssel érhetjük el. Mivel az alakíthatóság gyakorlati igényeit a ferrit + szferoidites szövetszerkezet is kielégíti (3.3. ábra, c-részlete), a C =0,1÷0,4 % karbon tartalmú acélokat általában egyszerű lágyítással hőkezelik az alakítás előtt. Az egészen kis karbon tartalmú acélok (C < 0,1 %) általában normalizált állapotban – ferrit + lemezes perlites szövetszerkezet mellett (3.3. ábra, d-részlete) – is kellő alakíthatósággal rendelkeznek. Ezeket csak különlegesen nagy alakváltozások előtt vetik alá egyszerű lágyításnak. Egyszerű lágyításnál a lágyítás hőmérsékletétől és idejétől függ a cementit begömbösödése. Olyan közbenső állapotban, amikor a cementit gömbösödése még nem fejeződött be, az ötvözet alakíthatósága nagymértékben függ az ún. perlitérték-számtól, amely a gömb cementites perlit és az összes perlit viszonyát adja meg százalékban. A C > 0,3 % karbon tartalmú acélok nagymértékű alakításakor ezt az értéket 80 % felett célszerű tartani. Itt jegyezzük meg, hogy az előzőleg képlékenyen alakított lemezes perlit cementitjének lemezei gyorsabban szferoidizálódnak. Amikor több képlékeny hidegalakító művelet követi egymást (pl. autószifon-patron gyártás), az első alakitó művelet előtt egyszerű lágyítást végeznek a cementit begömbösítése céljából, az alakító műveletek között pedig újrakristályosító izzítást iktatnak be, a ferrit keményedésének megszüntetése céljából. Az alakíthatóság szempontjából kiemelt jelentősége van a külső állapottényezőknek, nevezetesen a feszültségi állapot, a hőmérséklet és az alakváltozási sebesség hatásának. E három állapottényező a gyakorlati alakítási feladatoknál is jól kézben tartható, módosítható, amely kiváló lehetőséget biztosít a technológusoknak az alakíthatóság viszonylag tág határok közötti módosítására. A külső állapottényezők hatásainak hasznosítására egész alakítási eljárás csoportok kidolgozását alapozták. Az alakíthatóság szempontjából a külső állapottényezők között is kiemelkedő szerepe van a feszültségi állapotnak. Közismert – és a feszültségi állapot következő fejezetekben való tárgyalásakor erre még külön is visszatérünk – hogy egy anyag képlékeny alakváltozó képessége alapvetően az ún. hidrosztatikus feszültség-komponenstől függ: minél negatívabb a hidrosztatikus feszültség-komponens, annál nagyobb az anyag képlékeny alakváltozós képessége, azaz az alakíthatósága. Közismert a magyar származású Nádai meggyőző kísérlete, amellyel bebizonyította, hogy háromtengelyű nyomófeszültségi állapotban az egyébként rendkívül rideg márvány is képlékenyen alakítható. Tulajdonképpen a feszültségi állapot, mint állapottényező hasznosításán alapulnak az 1960-as éveket

78



követően kidolgozott különféle hidrosztatikus, hidrodinamikus és hidromechanikus alakító eljárások. Hasonlóan fontos szerepe van az alakíthatóság módosításában a hőmérsékletnek, mint állapottényezőnek. Általános érvényű szabályként kimondható, hogy a fémek és ötvözetek alakíthatósága a hőmérséklet növelésével monoton növekszik, kivéve, ha allotróp átalakulás következik be, ugyanis ez a kristályszerkezet változás révén akár ellentétes hatást is eredményezhet (ha például egy allotróp átalakulás eredményeként az egyébként jól alakítható felületen középpontos köbös kristály, hexagonális rendszerűvé alakul, az alakíthatóság a hőmérséklet növelése ellenére drasztikusan csökken). A hőmérséklet, mint külső állapottényező hatását hasznosítják a különböző félmeleg- és melegalakítások. A harmadik külső állapottényező az alakváltozási sebesség az előzőknél összetettebb hatást gyakorol a fémek és ötvözetek alakíthatóságára. Általában elmondhatjuk, hogy hidegalakításnál a hagyományos alakító eljárásoknál szokásos alakváltozási sebesség tartományban (10-2 [1/s] < ϕ < 102 [1/s]), az alakváltozási sebesség az alakíthatóságot számottevően nem befolyásolja. A szélsőségesen kis alakváltozási sebességeknél ( ϕ < 10-4÷10-5 1/s), illetve a szélsőségesen nagy alakváltozási sebességi tartományban ( ϕ > 102 1/s), egyes anyagoknál az alakíthatóság igen jelentős – esetenként több nagyságrendi – növekedése észlelhető. Az előbbit – azaz a szélsőségesen kis alakváltozási sebességek kedvező hatását – például a szuperképlékeny alakításnál, az utóbbit – azaz a szélsőségesen nagy alakváltozási sebességek kedvező hatását – a különféle nagy energia-sűrűségű eljárásoknál (mint a robbantásos, a mágneses, vagy az elektrohidraulikus alakítás) hasznosítjuk. Az előzőkből egyértelműen következik, hogy meghatározott alakító művelet során megvalósítható alakváltozás, csak az anyagjellemzőkből, elvileg sem számítható, hiszen láttuk, hogy az alakíthatóság az ún. belső és külső állapottényezőkkel alapvetően módosítható. Ezért a gyakorlati technológus számára igen fontosak azok a technológiai vizsgálatok, amelyek az alakító műveletek modellezésével, a különböző ható tényezők együttes figyelembevételével adnak kísérleti adatokat az alakíthatóság, a megvalósítható alakváltozás meghatározásához. Ugyanakkor azt is kijelenthetjük, hogy a különféle alakváltozási mérőszámok, különböző anyagok alakíthatóságának egyszerű összehasonlítására – bizonyos keretek között – alkalmazhatók. Általában igaz, hogy a nagyobb alakváltozási jellemzőkkel rendelkező anyag, azonos feltételek között nagyobb alakíthatósággal rendelkezik. Különböző anyagok azonos feltételek közötti alakíthatóságának összehasonlítására a szakítóvizsgálattal meghatározott kontrakció (Z) a legáltalánosabban használható mérőszám. 3.4. A képlékenyalakítás kontinuum mechanikai alapjai

Ebben a fejezetben először áttekintjük a képlékenységtan legfontosabb feszültségi és alakváltozási összefüggéseit, elemezzük a képlékeny alakváltozás bekövetkezésének feltételeit (az ún. Folyási feltételeket), valamint a feszültségek és az alakváltozások között kapcsolatot teremtő anyagtörvényeket. Ezt követően a képlékenyalakítás elméleti megoldási módszereit tekintjük át, röviden egy-egy gyakorlati példán keresztül bemutatva az alkalmazásukat. Ezen ismeretek tárgyalásakor a kontinuum-mechanikában tanultakra támaszkodunk, alapfogalmait és alapösszefüggéseit korábbi mechanikai tanulmányokból ismertnek tételezzük fel.

79



3.4.1. A feszültségi állapot jellemzői és alapösszefüggései

Külső erőrendszerrel terhelt – nyugalomban levő – testben olyan belső erőrendszer ébred, amely biztosítja a test bármely kiragadott részének egyensúlyát. Az előzőkben megfogalmazott egyensúly érdekében a test bármely (gondolatilag kettéválasztott) felületén olyan belső megoszló erőrendszert (feszültségeket) kell működtetnünk, amely a test nyugalmi állapotát biztosítja. Egy test tetszőleges P pontjának feszültségi állapotát akkor tekinthetjük teljesen meghatározottnak, ha ismerjük a ponton átfektetett, három egymásra merőleges síkon ható feszültségvektorokat, azaz ismert az F feszültségi tenzor: ⎡σ x τ xy τ xz ⎤ ⎢ ⎥ F = σ ij = ⎢τ zx σ y τ yz ⎥ . ⎢τ zx τ zy σ z ⎥ ⎣ ⎦

(3.1)

A feszültségi tenzor ismeretében a tetszőlegesen kiválasztott P ponton átmenő bármely síkon ható feszültség vektor a G G ρ n = Fn (3.2) összefüggéssel határozható meg, ahol

G n = {nx ; ny ; nz } a sík normálvektora. Az adott síkra merőleges, normál feszültségi komponenst a G G σ n = nFn

(3.3)

(3.4)

kifejezéssel, míg a vizsgált síkba eső csúsztatófeszültségi komponenst a G τ n = ρ n2 − σ n2 (3.5) G összefüggéssel határozhatjuk meg. A P-ponton átmenő n normálisú síkon ébredő feszültségkomponenseket a 3.4. ábra szemlélteti.

G 3.4. ábra. A feszültségi komponensek szemléltetése az n normálisú síkon

A technológiai folyamatok leírása az általános feszültségi tenzor segítségével, a legtöbb esetben igen bonyolult. Ezért a lehetőségekhez mérten arra törekszünk, hogy a feladatokat olyan koordinátarendszerek választásával oldjuk meg, amelyek koordináta-síkjaiban nyírófeszültségek nem hatnak. A test bármely pontjában található legalább három olyan egymásra

80



kölcsönösen merőleges sík amelyen a csúsztatófeszültségek zérussal egyenlők. E síkokon ható feszültségeket főfeszültségeknek, irányúkat feszültségi főirányoknak nevezzük. A főfeszültségek nagyságának és irányának meghatározása előző mechanikai tanulmányainkból ismert. Itt csak röviden utalunk arra, hogy a feszültségi tenzorból képzett karakterisztikus determináns kifejtésével a

σ 3 − I1σ 2 + I 2σ − I 3 = 0

(3.6)

harmadfokú egyenlethez jutunk, amelynek gyökei a keresett σ1, σ2, σ3 főfeszültségek értékeit adják meg. A (3.6) egyenletben szereplő I1, I2, I3 együtthatók a feszültségi tenzor skalár invariánsait jelölik, nevezetesen: I1 = σ x + σ y + σ z , I 2 = σ xσ y + σ yσ z + σ zσ x + τ xy2 + τ yz2 + τ zx2 ,

(3.7)

I 3 = σ xσ yσ z + 2τ xyτ yzτ zx − σ τ − σ τ − σ τ . 2 x yz

2 y zx

2 z xy

A gyakorlati feladatok többségénél rendszerint nem szükséges e bonyolult, harmadfokú egyenlet megoldása a főfeszültségek és a főfeszültségi irányok meghatározására, ugyanis a legtöbb esetben az igénybevétel módja már eleve meghatározza a főfeszültségi síkokat és irányokat, illetve gyakran elfogadható egyszerűsítő feltételezések alkalmazásával viszonylag könnyen kijelölhetjük a feszültségi főirányokat. A feszültségi főirányok koordináta rendszerében a feszültségi tenzor az alábbi alakra egyszerűsödik: ⎡σ 1 0 0 ⎤ F = σ ij = ⎢⎢ 0 σ 2 0 ⎥⎥ . ⎢⎣ 0 0 σ 3 ⎥⎦

(3.8)

A főfeszültségi komponensekkel a skalár invariánsok is egyszerűbb alakra hozhatók, mivel a csúsztatófeszültségi komponenseket tartalmazó tagok kiesnek, azaz: I1 = σ 1 + σ 2 + σ 2 , I 2 = σ 1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ 1 , I 3 = σ 1σ 2σ 3 .

(3.9)

Fontos megjegyezni, hogy a három főfeszültség között a σ1 > σ2 > σ3 reláció áll fenn, azaz a σ1 az algebrailag legnagyobb, a σ3 az algebrailag legkisebb főfeszültséget jelöli. A képlékenységtanban a feszültségi tenzor skalár invariánsainak igen fontos szerepe van. Az első skalár invariáns (I1) egyharmada a közepes normál feszültség, amelyet hidrosztatikus feszültségi komponensnek is nevezünk és σm-mel jelölünk. Az előzőkből következően a hidrosztatikus feszültség komponens a

σm =

1 1 σ x + σ y + σ z ) = (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) ( 3 3

(3.10)

számolható, amelynek segítségével az F feszültségi tenzor egy hidrosztatikus gömbtenzorra (σmI) és a hidrosztatikus feszültségállapottól való eltérést leíró deviátor feszültség tenzorra (T) bontható az alábbi egyenlet szerint:

81



0 ⎤ ⎡σ 1 − σ m 0 0 ⎤ ⎡σ m 0 F = σ mI + T = ⎢⎢ 0 σ m 0 ⎥⎥ + ⎢⎢ 0 σ2 −σm 0 ⎥⎥ . ⎢⎣ 0 0 σ m ⎥⎦ ⎢⎣ 0 0 σ 3 − σ m ⎥⎦

(3.11)

A (3.11) egyenletben szereplő, I-vel jelölt idemtenzor, tulajdonképpen egy egységtenzor, amelynek a főátlójában lévő elemek egységnyiek és minden továbi eleme nullával egyenlő. Mivel a hidrosztatikus feszültségi állapot csak rugalmas térfogatváltozással jár, így a képlékeny alakváltozás szempontjából kizárólag a feszültségi deviátor a meghatározó. A képlékeny alakváltozás csúszási mechanizmusából is következik, hogy a képlékenyalakítás szempontjából fontos szerepe van a fő-csúsztatófeszültségeknek. A fő-csúsztatófeszültségeket a feszültségi Mohr-körök alapján (3.5. ábra) a fő normál-feszültségekkel az alábbi összefüggésekkel fejezhetjük ki:

τ1 =

σ2 −σ3 2

; τ2 =

σ 3 − σ1 2

; τ3 =

σ1 − σ 2 2

.

(3.12)

3.5. ábra. A főfeszültségi Mohr-körök ábrázolása A képlékeny alakváltozás megindulása szempontjából kiemelten fontos szerepe van az ún. oktaéderes csúsztatófeszültségnek, amely a koordináta tengelyekkel azonos szöget bezáró, ún. oktaéder síkban ébred. (Az oktaéderes csúsztatófeszültség jelentőségét a folyási feltételek elemzésénél fogjuk elemezni, itt most csak a számítására szolgáló összefüggést vezetjük be.) Az oktaéder síkot – az előző definíció szerint – az alábbi normálvektorral jellemezhetjük: G ⎧ 1 1 1 ⎫ n=⎨ ; ; ⎬. ⎩ 3 3 3⎭

(3.13)

A (3.4) és a (3.5) egyenleteket, valamint az előzőkben bevezetett oktaéder sík normálvektorának az összefüggését felhasználva, az oktaéder síkra ható normál- és csúsztatófeszültségi komponenseket a

σ okt =

1 (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) , 3 1

1 2 2 2 τ okt = ⎡(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) ⎤ 2 3⎣

⎦

kifejezésekkel határozhatjuk meg.

82

(3.14)



3.4.2. A feszültségi egyensúlyi egyenletek

Egy test nyugalmi állapotának feltétele, hogy a tester ható erőrendszer egyensúlyban legyen. Ezt a feltételt a mechanikából jól ismert G G F∇ + q = 0 (3.15) vektor-egyenlettel fejezhetjük ki, ahol ⎧∂ ∂ ∂⎫ ∇=⎨ ; ; ⎬ ⎩ ∂x ∂y ∂z ⎭

(3.16)

a Hamilton-féle differenciál-operátor G q = {q x ; q y ; q z }

(3.17)

a térfogategységre ható térfogati erőrendszer eredője. A (3.15) vektor-egyenletet xyz derékszögű koordináta rendszerben az alábbi három skalár egyenlettel írhatjuk fel: ∂σ x ∂τ xy ∂τ xz + + + qx = 0, ∂x ∂y ∂z ∂τ yx ∂σ y ∂τ yz + + + q y = 0, ∂x ∂y ∂z ∂τ zx ∂τ zy ∂σ z + + + qz = 0. ∂x ∂y ∂z

(3.18)

Számos alakítási feladat hengerszimmetrikus alakváltozási állapottal jellemezhető: ilyen esetekben a feszültségi egyensúlyi egyenlet hegerkoordináta rendszerben felírható alakját célszerű alkalmazni, amely az alábbi három skalár egyenletet jelenti: ∂σ r 1 ∂τ rϕ ∂τ rz σ r − σ ϕ + + + + qr = 0, r ∂r r ∂ϕ ∂z τ ∂τ rϕ 1 ∂σ ϕ ∂τ ϕ z + + + 2 rϕ + qϕ = 0, r ∂ϕ r ∂r ∂z ∂τ rz 1 ∂τ ϕ z τ rz ∂σ z + + + + qz = 0. r ∂r r ∂ϕ ∂z

(3.19)

Hagyományos alakításoknál a térfogati erők hatása többnyire elhanyagolható, ilyen esetekben a qij komponensek nullával vehetők egyenlőnek, amely a feszültségi egyensúlyi egyenletek egyszerűsödéséhez vezet. 3.4.3. Az alakváltozási állapot jellemzői és alapösszefüggései

Egy test alakváltozási állapotának szemléletes leírására a műszaki mechanikában az elemi kiskocka torzulását alkalmazzuk (3.6. ábra).

83



3.6. ábra. Az elemi kiskocka alakváltozásának szemléltetése derékszögű koordináta rendszerben A test egy tetszőleges P(xo; yo; zo) pontjának az alakváltozás utáni P’(x1; y1; z1) helyzetét a G t {u; v; w} elmozdulás vektor határozza meg. Test alakváltozási állapotát az alakváltozási tenzorral jellemezhetjük, amelyet az elmozdulási vektorból a

A=

G 1 G ⎡⎣t D ∇ + ∇ D t ⎤⎦ 2

(3.20)

ún. diadikus szorzattal határozhatjuk meg. A (3.20) egyenletet kifejtve, az alakváltozási tenzort az alábbi formában állíthatjuk elő: ⎡ ∂u ⎢ ∂x ⎢ ⎢ 1 ⎛ ∂v ∂u ⎞ A=⎢ ⎜ + ⎟ ⎢ 2 ⎝ ∂x ∂y ⎠ ⎢ ⎢ 1 ⎛ ∂w + ∂u ⎞ ⎜ ⎟ ⎣⎢ 2 ⎝ ∂x ∂z ⎠

1 ⎛ ∂u ∂v ⎞ ⎜ + ⎟ 2 ⎝ ∂y ∂x ⎠ ∂v ∂y 1 ⎛ ∂w ∂v ⎞ + ⎟ ⎜ 2 ⎝ ∂y ∂z ⎠

1 ⎛ ∂u ∂w ⎞ ⎤ ⎜ + ⎟⎥ 2 ⎝ ∂z ∂x ⎠ ⎥ 1 ⎛ ∂v ∂w ⎞ ⎥ ⎜ + ⎟⎥ 2 ⎝ ∂z ∂y ⎠ ⎥ . ⎥ ∂w ⎥ ∂z ⎦⎥

(3.21)

Figyelembe véve az ∂u ∂u ∂v γ xy = + ∂x ∂y ∂x ∂v ∂v ∂w εy = γ yz = + ∂y ∂z ∂y ∂w ∂w ∂u εz = γ zx = + ∂z ∂z ∂x

εx =

84

(3.22)



összefüggéseket az elmozdulási vektor komponensei és az alakváltozási komponensek között, az alakváltozási tenzor az alábbi alakban is felírható: ⎡ ⎢ εx ⎢ 1 A = ⎢ γ yx ⎢2 ⎢1 ⎢ γ zx ⎣⎢ 2

1 γ xy 2

εy 1 γ zy 2

1 ⎤ γ xz 2 ⎥ ⎥ 1 ⎥ γ yz 2 ⎥. ⎥ εz ⎥ ⎦⎥

(3.23)

Az alakváltozási tenzor (3.23) összefüggésében szereplő alakváltozási komponenseket az ún. mérnöki nyúlás, illetve szögtorzulás differenciális kifejezéseinek tekinthetjük. A mérnöki nyúlás fogalmával már az Anyagvizsgálati tanulmányok során megismerkedtünk. Ha egy do kezdeti átmérőjű, lo hosszúságú hengeres próbatest méretei egytengelyű húzóvizsgálat során dc és lc értékekre változnak, a próbatest hossztengelye irányában a mérnöki nyúlást az

ε=

lc − lo lo

(3.24)

összefüggéssel határozzuk meg, azaz a próbatest hosszméretének megváltozását az eredeti hosszára vonatkoztatjuk. A képlékenyalakítás technológiájában ezzel szemben általánosabban alkalmazott nyúlás-fogalom az ún. logaritmikus, vagy más megnevezéssel a valódi nyúlás, amelynek meghatározásakor a próbatest méretváltozását mindig annak pillanatnyi hosszára vonatkoztatjuk. A valódi nyúlás véges alakban felírható összefüggéséhez ennek megfelelően annak elemi (differenciális) alakjától juthatunk el. A valódi nyúlás differenciális összefüggését az előzőkben ismertetett definíció alapján a

dϕ =

dl l

(3.25)

kifejezéssel írhatjuk fel, amelyből a valódi nyúlás véges, lo kiinduló hosszról lc hosszra való nyújtásakor a lc

dl l = ln c l lo lo

ϕc = ∫

(3.26)

összefüggéssel számolhatjuk. Természetesen a (3.26) kifejezéssel alakilag és tartalmilag megegyező kifejezés írható fel tetszőleges irányokban mért alakváltozásokra, így például a derékszögű, x, y, z koordinátarendszer fő irányaiban mérhető alakváltozási komponensekre is, azaz

ϕ x = ln

x y z ; ϕ y = ln ; ϕ z = ln , xo yo zo

(3.27)

ahol xo, yo, zo a koordináta tengelyek irányában mért kiinduló (eredeti) hosszakat, x, y, z pedig a maradó alakváltozás utáni pillanatnyi hosszakat jelenti. A mérnöki nyúlás (3.24) kifejezését a valódi nyúlás (3.26) összefüggésével összevetve a kétféle nyúlás között a

ϕ = ln(1 + ε ) kapcsolatot teremthetjük.

85

(3.28)



A képlékenyalakításban – különösen hengerszimmetrikus alakváltozások esetén – ugyancsak gyakran alkalmazott alakváltozási mérőszám az ún. fajlagos keresztmetszet-változás, amelyet a kezdeti Ao és az alakváltozás utáni Ac keresztmetszetekből a

q=

Ao − Ac Ao

(3.29)

összefüggéssel határozhatunk meg. Képlékeny alakváltozás során a térfogat-állandóság elve érvényesül, amelynek figyelembevételével a három különféle alakváltozási jellemző (az ε mérnöki nyúlás, a ϕ valódi nyúlás és a q fajlagos keresztmetszet-változás) között az alábbi kapcsolat teremthető:

ϕ = ln(1 + ε ) = ln

1 . 1− q

(3.30)

Amint a képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásainak elemzésénél láttuk, az alakváltozási sebesség egyike azon külső állapottényezőknek, amelyek bizonyos esetekben az alakíthatóságot, az alakváltozó képességet számottevően befolyásolják, ezért indokolt az alakváltozási állapot elemzésénél az alakváltozási sebesség számítására alkalmas összefüggés bevezetése is. Az alakváltozási sebességet az egységnyi idő alatt megvalósult valódi nyúlásként értelmezzük, azaz a

ϕ =

dϕ dt

(3.31)

összefüggéssel számolhatjuk. E helyen is fontos azonban rámutatni az alakváltozási sebesség és az alakítási sebesség különbözőségére. Ehhez tekintsük az alábbi egyszerű példát. Rögzítsük egy l hosszúságú hengeres rúd egyik végét, miközben a másik végét v egyenletes sebességgel húzzuk. A rúd mozgó végének elmozdulása dt idő alatt dl=vdt. Ebből a valódi nyúlás elemi értéke a

dϕ =

dl vdt = l l

(3.32)

kifejezéssel számolható. Behelyettesítve a (3.32) összefüggést a (3.31) egyenletbe, az alakváltozási sebesség értékére a

ϕ =

dϕ vdt v = = , dt ldt l

(3.33)

amely szemléletesen mutatja az alakváltozási sebesség és az alakítási sebesség különbözőségét. Ez a különbözőség nyilvánvalóan a mértékegységek különbözőségében is megjelenik: a v szerszámsebesség mértékegysége m/s, míg az alakváltozási sebesség mértékegysége 1/s. 3.4.4. A térfogat-állandóság tétele

Amint azt az előző pontban is említettük, képlékenyalakítás során a maradó térfogatváltozás nulla. Mivel a képlékenyalakító eljárások során megvalósított maradó alakváltozás rendszerint nagyságrendekkel meghaladja a rugalmas alakváltozások nagyságát, így a rugalmas térfogatváltozás számottevő hiba nélkül elhanyagolható. Ennek a feltételnek az elfogadásával a képlékenyalakítás egyik igen lényeges és gyakran alkalmazott alapösszefüggését származtathatjuk a valódi nyúlás komponensek között. Ezen összefüggés származtatásához – amelyet a térfogat-állandóság tételének nevezünk – tekintsük a 3.7. ábrát.

86



3.7. ábra. Vázlat a térfogat-állandóság tételének származtatásához Válasszunk egy xo, yo, zo kiinduló méretekkel jellemezhető Vo térfogatú hasábot, amelynek méreteit képlékenyalakítással x1, y1, z1 értékűre változtatjuk. Az előző bekezdésben közölt okfejtésből következik, hogy a maradó térfogatváltozás értéke nulla, így a test térfogata alakítás előtt és alakítás után megegyezik, azaz

x0 y0 z0 = x1 y1 z1

(3.34)

x0 y0 z0 =1 x1 y1 z1

(3.35)

írható, amelyből elemi átalakítással az

következik. Mindkét oldal természetes logaritmusát véve az ln

x1 y z + ln 1 + ln 1 = 0 x0 y0 z0

(3.36)

kifejezésre jutunk. Figyelembe véve a logaritmikus (valódi) nyúlásra megismert (3.27) összefüggéseket, a (3.36) egyenlet a

ϕx + ϕ y + ϕz = 0

(3.37)

összefüggésre vezet, amelyből az olvasható ki, hogy a koordináta tengelyek mentén mért valódi nyúlások összege nulla. Tekintettel arra, hogy a ϕx + ϕy + ϕz, a valódi nyúlásokkal felírt alakváltozási tenzor első skalár invariánsa, amely érték bármely koordináta rendszerben állandó, így a (3.37) összefügés a valódi főnyúlásokkal is felírható, azaz érvényes a

ϕ1 + ϕ2 + ϕ3 = 0

(3.38)

összefüggés is. Ez szavakban megfogalmazva azt mondja ki, hogy képlékeny alakváltozás esetén a logaritmikus alakváltozások összege, bármely három, egymásra kölcsönösen merőleges irányban nullával egyenlő. Ezt nevezzük a képlékenyalakításban a térfogat-állandóság tételének, amelyet az alakítási feladatok megoldásánál számos esetben hasznosítunk. 3.4.5. A folyási feltételek

Folyási (más kifejezéssel, képlékenységi) feltételeknek nevezzük az olyan összefüggéseket, amelyek megadják a feszültségek valamennyi olyan kombinációját, amelyek bekövetkezésekor a képlékeny (maradó) alakváltozás megindul. A folyási feltételek elemzésekor minden esetben két lényeges dolgot kell vizsgálnunk. Az egyik, hogy a különböző feszültségi ál87



lapotokat mikor tekintjük egyenértékűnek (jelen esetben a képlékeny alakváltozás megindulása szempontjából). A másik, hogy ténylegesen mikor következik be a képlékeny alakváltozás. A képlékenységtanban több folyási elmélet ismeretes. Ezek közül itt mi a legnagyobb csúsztatófeszültségi elméleten alapuló Tresca és St. Venant által kidolgozott folyási feltételt, illetve a Huber, Mises és Hencky által eltérő alapelvből kiindulva felálított, de azonos eredményre vezető, ún. Huber-Mises-Hencky féle folyási feltételt elemezzük. 3.4.5.1. A Tresca-St. Venant folyási feltétel

E folyási feltétel az ún. legnagyobb csúsztatófeszültségi elméleten alapszik. Ugyanis e szerint a folyási feltétel szerint két különböző feszültségi állapot akkor tekinthető egyenértékűnek, ha a legnagyobb csúsztatófeszültségeik megegyeznek és a képlékeny alakváltozás akkor indul meg, amikor a legnagyobb csúsztatófeszültség egy – az adott anyagra jellemző – kritikus értéket elér. Annak érdekében, hogy ezt a kritikus értéket meghatározhassuk célszerű olyan feszültségi állapotot választani, amely egyrészt egyszerűen származtatható összefüggéseket eredményez, másrészt mentes egyéb zavaró körülményektől (például nem befolyásolják a súrlódási feltételek). Ezeknek a követelményeknek kiválóan eleget tesz az egytengelyű húzóvizsgálat. Egytengelyű húzóvizsgálatnál a legnagyobb főfeszültség σ1 > 0, a másik két főfeszültség pedig nullával egyenlő, azaz σ2 = σ3 = 0. Anyagvizsgálati tanulmányainkból ismert, hogy szakítóvizsgálatnál (amely lényegében egytengelyű húzóvizsgálat), a maradó (képlékeny) alakváltozás akkor indul meg, amikor a σ1 főfeszültség eléri az anyag folyási határát. A folyási határ értékeként az ún. egyezményes folyási határt (Rp0,2) alkalmazva, az előző feltétel a

σ 1 = R p 0,2

(3.39)

összefüggéssel írható fel. Az egytengelyű húzóvizsgálat feszültségi állapotát jellemző feszültségi Mohr-kör a 3.8. ábrán látható, amelyből a legnagyobb csúsztatófőfeszültségre a

τ max =

σ1 − σ 3

(3.40)

2

összefüggés írható fel, amelybe σ1 értékét a (3.39) egyenletből behelyettesítve és figyelembe véve, hogy σ2 = σ3 = 0, a maradó alakváltozás megindulásakor a maximális csúsztatófeszültség értékére a

τ max =

R p 0.2

(3.41)

2

összefüggést kapjuk, azaz a folyás megindulásakor a maximális csúsztatófeszültség kritikus értéke éppen az Rp0,2 folyási határ felével egyezik meg, azaz

τ krit = τ max =

88

R p 0.2 2

.

(3.42)



3.8. ábra. Az egytengelyű húzófeszültségi állapot Mohr köre a folyás megindulásakor A Tresca-St. Venant folyási feltétel feszültségi állapotok egyenértékűségére vonatkozó kitételéből következik, hogy tetszőleges háromtengelyű feszültségi állapotban a maximális csúsztatófeszültségnek ugyanezt a kritikus értéket kell elérnie a képlékeny alakváltozás megindulásához. Mivel háromtengelyű feszültségi állapotban valamennyi főfeszültség nullától különböző, a legnagyobb csúsztatófeszültség értékét a

τ max =

σ1 − σ 3

(3.43)

2

kifejezéssel számolhatjuk (ld. 3.9. ábra). Mivel a folyás megindulásakor ennek az értéknek is meg kell egyezni a csúsztatófeszültség (3.42) összefüggéssel megadott kritikus értékével, azaz

τ max =

σ1 − σ 3 2

= τ krit =

R p 0.2 2

,

(3.44)

amelyből a

σ 1 − σ 3 = R p 0.2

(3.45)

következik.

3.9. ábra. Háromtengelyű feszültségi állapot Mohr körei A (3.45) összefüggésben az Rp0,2 folyási határ a lágy állapotú (nem alakított) anyag egyezményes folyási határát jelöli. A műszaki gyakorlatból – és korábbi anyagtudományi tanulmányainkból is – jól ismert, hogy a reális anyagok a képlékeny alakváltozás hatására keményed89



nek, azaz növekvő képlékeny alakváltozás eléréséhez növekvő feszültségre van szükség. Ezt mutatja a 3.10. ábra, amelyen a ϕ valódi nyúlás függvényében a képlékeny alakváltozás megindításához szükséges valódi feszültséget (σ’) ábrázoltuk.

3.10. ábra. A valódi feszültség változása a valódi nyúlás függvényében A 3.10. ábrából is jól látható, hogy míg a lágy állapotú (előzetesen képlékenyen nem alakított) anyag az ábrán jelölt F-pontig rugalmasan viselkedik, majd az F-pont elérésekor teljesedik a folyási feltétel és bekövetkezik a próbatest képlékeny (maradó) alakváltozása: ekkor a σ1 főfeszültség (egytengelyű feszültségi állapotot feltételezve) megegyezik az anyagvizsgálati egyezményes folyási határ (Rp0,2) értékével. Tovább növelve a külső terhelést növekvő képlékeny alakváltozás csak növekvő valódi feszültséggel érhető el. Egy tetszőleges közbenső pontban (legyen ez a P-pont) a külső terhelést megszüntetve a diagramíró a kezdeti rugalmas szakasszal párhuzamosan a nulla terhelési szintre visszatér, miközben ϕ1 maradó alakváltozást mérünk. Ismételten növelve a terhelést, az alakváltozás egészen a P-pontig rugalmasan játszódik le és a képlékeny alakváltozás csak a σ1' valódi feszültség elérésekor, azaz a lágy állapotú anyag folyási határánál nagyobb értéknél következik ismételten be. Hasonló jelenség figyelhető meg a Q-pontig végzett alakítás után tehermentesítve, majd ismét tovább terhelve a próbatestet. Azaz az alakított próbatest pillanatnyi folyási határa az előzetes alakváltozás függvényében folyamatosan és monoton változik. Ezt a változó folyási határt – a lágy állapotú anyag Rp0,2 egyezményes folyási határától megkülönböztetésül – a képlékenyalakítási gyakorlatban kf-fel jelöljük és alakítási szilárdságnak nevezzük. Ennek bevezetésével a (3.45) összefüggés, azaz a Tresca-St. Venant folyási feltétel a

σ 1 − σ 3 = k f (ϕ )

(3.46)

alakban írható fel, ahol a kf(ϕ) jelöléssel azt is érzékeltetjük, hogy az alakítási szilárdság a valódi nyúlás függvényében változik. 3.4.5.2. A Huber-Mises-Hencky folyási feltétel

Ezt a folyási feltételt Huber, Mises és Hencky egymástól függetlenül, eltérő alapvelvből kiindulva fogalmazták meg, de végeredményét tekintve azonos kifejezésre jutottak. Így ez a folyási feltétel a szakirodalomban e három névvel összefonódva honosodott meg. Az eltérés a kiindulási alapelvben lényegében abban foglalható össze, hogy mit tekintettek különböző feszültségi állapotok egyenértékűségi kritériumaként. Ezek rendre az oktaéderes síkon ébredő 90



csúsztatófeszültségek, a rugalmas torzítási energiák, illetve az ún. nyírási intenzitás azonosságát jelentik. A három eltérő alapelv közül e helyen csak az egyiket, nevezetesen azt ismertetjük, amely a különböző feszültségi állapotok egyenértékűségi kritériumaként az oktaéder síkban ébredő feszültségek azonosságát tekinti (ezért is foglalkoztunk külön a feszültségi állapot alapösszefüggései között az oktaéder síkon ébredő feszültség komponensek meghatározásával). Mivel a Tresca-St. Venant folyási feltétel tárgyalásánál a folyási feltétel levezetésének gondolatmenetét részletesen elemeztük, ezért a Huber-Mises-Hencky folyási feltételt rövidebben ismertetjük. Az oktaéder síkban ébredő csúsztatófeszültségek egyenértékűségi kritériumát elfogadva, tulajdonképpen csak azt a kritikus csúsztatófeszültséget kell meghatároznunk, amelynek elérésekor a képlékeny alakváltozás bekövetkezik. Ennek meghatározásához ismételten az egytengelyű húzóvizsgálatból indulunk ki. Amint az előző pontban is láttuk, egytengelyű húzóvizsgálatnál a képlékeny alakváltozás megindulásakor a

σ 1 = R p 0.2 ; σ 2 = σ 3 = 0

(3.47)

összefüggések érvényesek. A (3.47) összefüggéseit az oktaéderes csúsztatófeszültség (3.14) kifejezésébe behelyettesítve a

τ okt =

2 R p 0.2 = τ krit 3

(3.48)

kifejezést kapjuk. Az oktaéderes csúsztatófeszültség ezen kritikus értékét a háromtengelyű feszültségi állapotban az oktaéder síkon ébredő csúsztatófeszültség kifejezésével egyenlővé téve a

τ okt =

1 3

(σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) 2

2

2

=

2 R p 0.2 = τ krit 3

(3.49)

összefüggéshez jutunk, amelyből elemi átalakítások után a 1⎡ 2 2 2 (σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) ⎤⎦ = R p 0.2 ⎣ 2

(3.50)

kifejezést kapjuk. Figyelembe véve az anyagvizsgálati egyezményes folyási határ és a valódi nyúlás függvényében folyamatosan változó folyási határ, az alakítási szilárdság értelmezését, a Huber-Mises-Hencky féle folyási feltétel végleges formában a 1⎡ 2 2 2 σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) ⎤ = k f (ϕ ) ( ⎦ 2⎣

(3.51)

alakban írható fel. Figyeljük meg, hogy tulajdonképpen a kétféle folyási feltétel egyetlen összefüggésbe is foglalható. Ugyanis mindkét esetben lényegében a feszültségi komponensekből számítunk – két különböző összefüggéssel – egy ún. egyenértékű, vagy más szóval összehasonlító feszültséget (jelöljük ezt σö-vel), amely egyenértékű feszültségnek az alakítási szilárdság értékét kell elérni a képlékeny alakváltozás bekövetkezéséhez, azaz a

σ ö = k f (ϕ )

(3.52)

egyenletnek kell teljesedni, figyelembe véve, hogy az összehasonlító feszültség értékét a Tresca-St. Venant folyási feltétel szerint a 91



σ ö = σ1 − σ 3

(3.53)

összefüggéssel, míg a Huber-Mises-Hencky folyási feltétel szerint a

σö =

1⎡ 2 2 2 (σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) ⎤⎦ ⎣ 2

(3.54)

kifejezéssel határozhatjuk meg.

3.4.6. Anyagtörvények, anyagmodellek

A feszültségek és alakváltozások között kapcsolatot teremtő anyagtörvények közül a mechanika rugalmasságtan fejezetében megismerkedtünk a lineárisan rugalmas testekre érvényes általános Hooke-törvénnyel. A Hooke-törvény az alakváltozási és a feszültségi deviátor tenzor között teremt kapcsolatot, amely tenzorikus alakban az AD =

1 T 2G

(3.55)

összefüggéssel írható fel, ahol AD az alakváltozási deviátor tenzor, T a feszültségi deviátor tenzor és G az ún. csúsztató-rugalmassági modulus. A (3.55) tenzor-egyenlet elemi átalakításokkal az alábbi skalár egyenletrendszerré alakítható: 1 ⎡σ x − v (σ y + σ z ) ⎤ , ⎦ E⎣ 1 ε y = ⎡⎣σ y − v (σ z + σ x ) ⎤⎦ , E 1 ε z = ⎡⎣σ z − v (σ x + σ y ) ⎤⎦ , E

εx =

1 τ xy , G 1 γ yz = τ yz , G 1 γ zx = τ zx . G

γ xy =

(3.56)

A (3.56) egyenlet-rendszerben E a Young-féle rugalmassági modulus és ν az ún. Poisson tényező, amely a kereszt- és hosszirányú alakváltozások között teremt kapcsolatot. A Gcsúsztató rugalmassági modulus és a Young-féle rugalmassági modulus között a

G=

E 2(1 + ν )

(3.57)

összefüggés áll fenn. A nagy képlékeny alakváltozások esetére érvényes anyagtörvényt Hencky fogalmazta meg, amely alakilag nagymértékben hasonlít a lineárisan rugalmas testre vonatkozó általános Hooke-törvényhez, miközben tartalmilag igen jelentős mértékben különbözik. A Hencky-féle képlékeny test anyagtörvénye tenzorikus alakban az AD =

3 T 2D

(3.58)

összefüggéssel adható meg, ahol AD az alakváltozási deviátor tenzor, T a feszültségi deviátor tenzor és D az ún. képlékenységi modulus. A (3.58) tenzor-egyenlet – elemi átalakításokkal az alábbi skalár egyenletrendszerré alakítható:

92



ϕx =

1⎡ 1 ⎤ σ σ y + σ z )⎥ , − ( x ⎢ 2 D⎣ ⎦

γ xy =

3 τ xy , D

ϕy =

1⎡ 1 ⎤ σ y − (σ z + σ x ) ⎥ , ⎢ 2 D⎣ ⎦

γ yz =

3 τ yz , D

ϕz =

1⎡ 1 ⎤ σ z − (σ x + σ y ) ⎥ , ⎢ 2 D⎣ ⎦

γ zx =

3 τ zx . D

(3.59)

A (3.56) és (3.59) egyenletek formai-alaki hasonlósága mellett, az alábbi lényeges, tartalmi különbségeket kell kiemelni: 1. A Hooke-törvényben az ε mérnöki nyúlások, míg a Hencky-egyenletekben a képlékenyalakításban általánosabban alkalmazott ϕ valódi nyúláskomponensek szerepelnek. 2. A Hooke-törvényben a ν Poisson-tényező anyagtól függően változik (adott anyagra azonban állandó, anyagjellemző), míg a Hencky-egyenletekben értéke anyagtól függetlenül gyakorlatilag állandó (valódi nyúlásokkal számolva a ν = 1/2 érték vehető figyelembe). 3. A Hooke-törvényben szereplő E Young-féle rugalmassági modulus ugyancsak anyagállandó, míg a Hencky-egyenletekben szereplő D képlékenységi modulus értéke az alakváltozástól függően, gyakorlatilag pontról-pontra változik. A Hencky egyenletek felhasználásával egy igen hasznos összefüggést származtathatunk a redukált (összehasonlító) feszültség és alakváltozás között. Az egyszerűbb kezelhetőség érdekében a (3.59) egyenletrendszert írjuk fel főfeszültségi koordináta rendszerben, amely a

ϕ1 =

1⎡ 1 ⎤ σ 1 − (σ 2 + σ 3 ) ⎥ , ⎢ 2 D⎣ ⎦

ϕ2 =

1⎡ 1 ⎤ σ 2 − (σ 3 + σ 1 ) ⎥ , ⎢ 2 D⎣ ⎦

ϕ3 =

1⎡ 1 ⎤ σ 3 − (σ 1 + σ 1 ) ⎥ ⎢ D⎣ 2 ⎦

(3.60)

egyenleteket eredményezi. A (3.60) egyenletrendszer három egyenletét egymásból rendre kivonva a 3 (σ 1 − σ 2 ) , 2D 3 ϕ 2 − ϕ3 = (σ 2 − σ 3 ) , 2D 3 ϕ3 − ϕ1 = (σ 3 − σ 1 ) 2D

ϕ1 − ϕ 2 =

(3.61)

egyenleteket kapjuk, amelyeket külön-külön négyzetre emelve, majd összeadva, egyszerű algebrai átalakítások után a 2⎡ 1 1⎡ 2 2 2 2 2 2 (ϕ1 − ϕ2 ) + (ϕ2 − ϕ3 ) + (ϕ3 − ϕ1 ) ⎤⎦ = (σ 1 − σ 2 ) + (σ 2 − σ 3 ) + (σ 3 − σ 1 ) ⎤⎦ (3.62) ⎣ ⎣ 9 D 2

egyenlethez jutunk. A (3.62) egyenlet jobboldalán, a négyzetgyökjel alatt szereplő kifejezés megegyezik a Huber-Mises-Hencky folyási feltételből származtatott redukált, vagy összehasonlító feszültség értékével (ld. a (3.54) egyenletet). Ennek felismerésével a (3.62) egyenlet

93



bal oldalán szereplő kifejezést redukált, vagy összehasonlító alakváltozásnak tekintjük, azaz bevezethetjük a

ϕö =

2⎡ 2 2 2 ϕ1 − ϕ 2 ) + (ϕ 2 − ϕ3 ) + (ϕ3 − ϕ1 ) ⎤ ( ⎦ 9⎣

(3.63)

jelölést, amellyel az összehasonlító (valódi) alakváltozás és az összehasonlító (valódi) feszültség között az egyszerű Hooke-törvényhez alakilag nagyon hasonló

ϕö =

1 σö D

(3.64)

kifejezést származtathatunk. Ezen összefüggés alapján megfogalmazható a képlékenyalakítás egyik igen fontos tétele, amely szerint azonos összehasonlító valódi alakváltozás eléréséhez – a feszültségi állapottól függetlenül – azonos összehasonlító valódi feszültség szükséges. Amint a 3.10. ábrából is látható, az összehasonlító valódi feszültség képlékenyalakítás során az anyagra jellemző alakítási szilárdsággal megegyezik, azaz a σö helyett a kf jelölést is alkalmazhatjuk. Az egyszerűség kedvéért az összehasonlító alakváltozást gyakran index nélküli ϕ-vel jelöljük. Ezek figyelembevételével a (3.64) összefüggés a

ϕ=

1 kf D

(3.65)

formában is felírható. A gyakorlati életben a (3.65) kifejezést sokkal inkább az alakítási szilárdságra kifejezett formájában, azaz a k f = Dϕ

(3.66)

alakban használjuk. Amint korábban is megjegyeztük, maga a D képlékenységi modulus is az alakváltozásnak is függvénye, ezért a (3.66) összefüggést általános formában a k f = k f (ϕ )

(3.67)

összefüggéssel adjuk meg. A (3.67) kifejezéssel meghatározott, az alakítási szilárdság és a valódi nyúlás közötti kapcsolatot leíró görbéket a szakirodalom folyási görbéknek nevezi.

3.11. ábra. Különböző kísérleti módszerekkel felvett folyási görbék összehasonlítása (1 - extrapolációval meghatározott, 2 - hengeres, 3 - lapos zömítő próbatest)

94



Meghatározásukra számos kísérleti módszer ismeretes, amelyekkel a gyakorlatok keretében foglalkozunk. Ilyen, kísérletileg meghatározott folyási görbét mutat a 3.11. ábra, kis karbon tartalmú lágyacél anyagminőségre. A folyási görbék alkalmasak a különböző alakváltozási állapotokban bekövetkező felkeményedés, az alakítási szilárdság pillanatnyi értékének meghatározására. Ennek grafikus módját a 3.12. ábra szemlélteti.

3.12. ábra. Az alakítási szilárdság meghatározása a folyási görbe alapján Mivel a képlékenyalakítás során megvalósuló maradó alakváltozás nagyságrendekkel meghaladja a rugalmas alakváltozások nagyságát, a folyási görbéken a maradó valódi nyúlás függvényében ábrázoljuk az alakváltozás következtében megváltozó (felkeményedő) alakítási szilárdságot. A vízszintes tengelyen ennek megfelelően a maradó, valódi összehasonlító nyúlás szerepel, amelyet a valódi alakváltozási komponensekből a (3.63) kifejezéssel számolhatunk. Ennek ismeretében a görbén kijelölhető a számított (az alakítás során megvalósított) összehasonlító alakváltozáshoz tartozó alakítási szilárdság értéke. Analitikus számítás céljára gyakran a kísérletileg meghatározott folyási görbéket egyszerűsített függvényekkel írjuk le. E függvénykapcsolattól függően idealizált anyagmodellekről beszélhetünk. Az alábbiakban röviden áttekintjük a képlékenyalakítási gyakorlatban legáltalánosabban alkalmazott idealizált anyagmodelleket.

3.13. ábra. Idealizált anyagmodellek folyási görbéi A legegyszerűbb anyagmodellt a tökéletesen merev-képlékeny anyag jelenti (3.13. ábra, arészlete). Ennek jellemzője, hogy a rugalmassági modulusa végtelen (E = ∞), az alakítási szilárdság pedig az alakváltozástól függetlenül állandó. Az ilyen anyagmodellt a k f = k fo = állandó

95

(3.68)



összefüggéssel jellemezhetjük. Bár tökéletesen így viselkedő fémes anyag a valóságban nincs, de közelítőleg ilyennek tekinthető például az ólom, és lényegében közel ilyen folyási görbével jellemezhető a legtöbb fém a melegalakítás körülményei között. A tökéletesen merev-lineárisan keményedő anyag folyási görbéjét a 3.13. ábra, b-részlete mutatja. Az ilyen anyagmodellt a k f = k fo + H ϕ

(3.69)

függvénnyel írhatjuk le, ahol H a lineáris keményedési együttható. Az előzőkben elemzett függvények erősen leegyszerűsítik a képlékenyen alakváltozó anyag viselkedését, ezért meglehetősen korlátozott érvényűek. Egyszerű matematikai kezelhetőségük miatt azonban mégis viszonylag széles körben alkalmazzák a gyakorlatban. A reális anyagok folyási görbéjének (3.13. ábra, c-részlete) lefutását viszonylag pontosan leíró és matematikailag is jól kezelhető összefüggést elsőként Nádai Árpád magyar tudós javasolta a k f = Kϕ n

(3.70)

típusú hatványfüggvény formájában. A (3.70) összefüggésben K a keményedési együttható, értéke az egységnyi valódi (összehasonlító) nyúláshoz tartozó alakítási szilárdsággal azonos; n a keményedési kitevő, amelynek értéke az egytengelyű szakítóvizsgálatból meghatározható egyenletes, valódi nyúlással azonos, azaz n=ϕm. A (3.70) kifejezést gyakran alkalmazzuk a ⎛ϕ ⎞ k f = k fo ⎜ ⎟ ⎝ ϕo ⎠

n

(3.71)

alakban, ahol kfo a ϕo valódi nyúláshoz tartozó alakítási szilárdságot jelenti. A (3.70) és (3.71) összefüggések közös hibája, hogy ϕ = 0 valódi nyúláshoz az alakítási szilárdság nulla értéke tartozik. Ez az ellentmondás csak úgy oldható fel, ha ezekben a kifejezésekben az összehasonlító valódi nyúlás a rugalmas és a maradó alakváltozások összegét jelenti. A gyakorlati képlékenyalakítási feladatoknál azonban a rugalmas alakváltozásokat a maradó alakváltozások mellett elhanyagoljuk, és előzetes alakítás nélkül, tehát ϕ = 0 valódi nyúláshoz is határozott, kezdeti alakítási szilárdság tartozik, amint az a 3.13. ábra, d-részletén is látható. Az ilyen anyag folyási görbéjét a k f = k fo + Aϕ n

(3.72)

alakú kifejezéssel írhatjuk le. Egyszerűbb matematikai kezelhetőségük miatt a gyakorlatban azonban az említett hiányosságok ellenére a (3.70) és (3.71) összefüggéseket elterjedtebben alkalmazzák. A továbbiakban nézzük meg, hogy milyen további tényezők és hogyan befolyásolják az alakítási szilárdság értékét. Jelentős hatást gyakorol a hőmérséklet, amely ha nincs közbenső allotróp átalakulás, azonos alakváltozási sebesség esetén a k f = k foe

−

b T −To

(3.73)

kifejezéssel jellemezhető. A (3.73) összefüggésben kfo az alakítási szilárdság értéke a To hőmérsékleten, b anyagállandó és T az abszolút hőmérséklet Kelvin fokokban.

96



A (3.73) összefüggésből az látható, hogy a hőmérséklet növekedésével az alakítási szilárdság exponenciálisan csökken. Ha azonban eközben allotróp átalakulások, vagy egyéb olyan fázisátalakulások (például kiválások) fordulnak elő, amelyek hőfelszabadulással, vagy hőelnyelődéssel járnak, a (3.73) összefüggéssel leírt görbén töréspontok mutatkoznak (3.14. ábra).

3.14. ábra. Az allotróp átalakulás hatása az alakítási szilárdság hőmérséklet függvényére Az alakítási szilárdság és az alakváltozási sebesség összefüggését elemezve Alder és Philips a

⎛ ϕ ⎞ k f = k fo ⎜ ⎟ ⎝ ϕo ⎠

m

(3.74)

alakú, empirikus összefüggést javasolta, ahol kfo a ϕo alakváltozási sebességhez tartozó alakítási szilárdság, m az ún. sebességkitevő. Az alakváltozás és az alakváltozási sebesség együttes hatását az alakítási szilárdságra a k f = Kϕ nϕ m

(3.75)

összefüggéssel adhatjuk meg, ahol K, n és m értéke is függ a hőmérséklettől. Az n keményedési kitevő és az m sebességkitevő hőmérséklet függésének elemzéséből (a) azt a következtetést vonhatjuk le, hogy hidegalakításnál m≈ 0, következésképpen a már jól ismert k f = Kϕ n

(3.76)

alakú, Nádai formulához jutunk, míg melegalakításnál az n≈ 0 figyelembevételével a k f = K 'ϕ m

(3.77)

típusú kifejezést kapjuk. E két utóbbi összefüggés – a (3.76) és a (3.77) kifejezés is alátámasztja azt az alakítási szilárdsággal kapcsolatban korábban tett megállapítást, mely szerint az alakítási szilárdság hidegalakításnál alapvetően csak az alakváltozásnak, míg melegalakításnál alapvetően csak az alakváltozási sebességnek a függvénye, hozzátéve, hogy ez a megállapítás a hagyományos – 10−2 < ϕ < 102 1/s alakváltozási sebességtartományban helytálló. 3.4.7. Az alakváltozás ideális munkája

Az alakváltozás ideális munkaszükségletének meghatározásához tekintsük a 3.15. ábrát, amely egy d átmérőjű, h magasságú hengerszimmetrikus próbatest ideális, súrlódásmentes állapotban végzett egytengelyű zömítő vizsgálatát mutatja.

97



3.15. ábra. Hengeres próbatest zömítése párhuzamos, sík nyomólapokkal, ideális, súrlódásmentes feltételek között Egy tetszőleges dh elmozdulás során végzett elemi, ideális alakváltozási munka a

dWid = F dh

(3.78)

összefüggéssel írható fel. A próbatest hengerszimmetrikus alakváltozási állapotából következik, hogy az r, ϕ és z koordináta tengelyek irányai főirányok, így az ezen irányokban ébredő feszültségek főfeszültségek. A próbatest egytengelyű nyomófeszültségi állapotából az is következik, hogy σ1 = σ2 = 0, és σ3 < 0 (azaz nyomófeszültség ébred a próbatest tengelyének irányában). A Tresca-St. Venant folyási feltétel

σ1 − σ 3 = k f

(3.79)

A feszültségekre vonatkozó, előző megfontolásokat figyelembe véve a

σ 3 = −k f

(3.80)

összefüggésre vezet. A zömítést végző párhuzamos sík nyomólapokra ható alakító nyomás jelölésére vezessük be a p-t, amely a nyomás mindig pozitív előjelű értelmezéséből következően a σ3 főfeszültséggel a

σ3 = − p

(3.81)

kapcsolatba hozható. A (3.78) kifejezésben szereplő F-alakítóerőt a p-alakító nyomással kifejezve az

F = pA

(3.82)

összefüggést kapjuk. A (3.80) - (3.82) összefüggéseket az elemi, ideális alakváltozási munka számítására szolgáló (3.78) kifejezésbe behelyettesítve, a

dWid = k f A dh

98

(3.83)



kifejezéshez jutunk. A próbatest ho kiinduló magasságáról h1 magasságra való zömítés során végzett teljes ideális alakváltozási munka a (3.83) összefüggés ho és h1 értékek közötti integrálásával a h1

Wid = ∫ k f A dh ,

(3.84)

h0

amely a V = A h helyettesítéssel a h1

dh h

Wid = V ∫ k f h0

(3.85)

alakra hozható. A (3.85) összefüggésben a V alakított térfogat (a térfogat-állandóság tételével összhangban) állandó, ezért kihozható az integrál jel alól. A dh/h mennyiség a dϕ elemi logaritmikus nyúlás, ezért célszerű az integrálást a ϕ változó szerint végezni. Ehhez természetesen az integrálás határait is ϕ-szerint át kell írni. A ho kezdeti magassághoz a valódi nyúlás nulla értéke tartozik, azaz a ho integrálási határt ϕ = 0-val kell helyettesíteni, a h1 pillanatnyi magassághoz pedig a valódi nyúlás ϕ = ϕ1 értéke tartozik. Ennek figyelembevételével a (3.85) összefüggés a

Wid = V

ϕ1

∫k

f

dϕ

ϕ =0

(3.86)

alakban írható fel. A kifejezést a V alakított térfogattal végig osztva megkapjuk a wid fajlagos ideális alakváltozási munka összefüggését: ϕ

1 W wid = id = ∫ k f dϕ . V ϕ =0

(3.87)

A (3.87) összefüggésből jól látható, hogy az alakváltozás fajlagos ideális munkája, azaz a térfogategységre eső ideális alakváltozási munka éppen a folyási görbe ϕ = 0 és ϕ = ϕ1 intervallumba eső görbe alatti területével egyezik meg, amint az a 3.16. ábrából is látható.

ϕ

1 W wid = id = ∫ k f dϕ V ϕ =0

3.16. ábra. Vázlat a fajlagos ideális alakváltozási munka meghatározásához

99



A (3.87) kifejezésben szereplő integrál kiszámítása az alkalmazott kf-ϕ függvénykapcsolattól, azaz a választott anyagmodelltől függ. A technológiai számításoknál gyakran alkalmazott egyszerűsítő feltételezés, hogy az alakítási szilárdság változó értékét az adott szakaszra vonatkozó közepes értékével helyettesítjük és állandó értékűnek tekintjük. A közepes alakítási szilárdság értelmezését és grafikus meghatározását mutatja a 3.17. ábra.

3.17. ábra. Vázlat a közepes alakítási szilárdság értelmezéséhez A közepes alakítási szilárdság értékét numerikusan a folyási görbét leíró függvény adott (ϕ1-ϕ2) intervallumára vonatkozó integrál középértékkel ϕ

2 1 k fk = k dϕ , ϕ2 − ϕ1 ϕ∫1 f

(3.88)

de számos esetben az egyszerű számtani középértékkel

k fk =

kf1 + kf 2 2

(3.89)

határozzuk meg. 3.5. A képlékenyalakítás technológiája

Amint a bevezetőben is jeleztük e tankönyv keretében az ún. gépipari alkatrészgyártó képlékenyalakító eljárásokkal foglalkozunk. E technológiai eljárások alapvetően két nagy eljárás csoportba sorolhatók, nevezetesen a lemezalakító eljárások és a térfogatalakító eljárások. A következőkben e két fő technológiai csoport legfontosabb eljárásait ismertetjük röviden. 3.5.1. Lemezalakító eljárások

Lemezalakításnak az olyan képlékenyalakító eljárásokat nevezzük, amelyeknél lemezanyagok (tábla, szalag, lemezcsík, fólia) feldolgozását olyan képlékenyalakító technológiai eljárással valósítjuk meg, amelynek során a lemezvastagság nem, vagy nem szándékoltan változik. A lemezalakítás a képlékenyalakító eljárások között az egyik legelterjedtebb technológia. Széles körű elterjedtségét számos előnyös tulajdonsága indokolja, így például a lemezalakítással gyártott alkatrészek kiváló mechanikai tulajdonságai, alak- és méretpontossága, az eljá100



rás nagy termelékenysége, a gazdaságos anyagfelhasználás, a gyártási folyamat könnyű automatizálhatósága. A lemezalakítás alapvetően a nagysorozat, illetve a tömeggyártás technológiája: kis darabszámnál a viszonylag jelentős szerszámköltségek miatt az eljárás gazdaságossága csökken. A lemezalakítás a gépiparban mindig is vezető szerepet betöltő húzóágazat, az autóipar kiemelten fontos gyártási eljárása. 3.5.1.1. A lemezalakítás osztályozása

A lemezalakító eljárásokat két nagy csoportba oszthatjuk: anyagszétválasztással, illetve a térbeli alak megváltoztatásával alakító, ún. alakadó eljárások. Az anyagszétválasztással alakító eljárások további két alcsoportra oszthatók: az egyik csoportba a különféle ollóval végzett vágások, a másik csoportba a vágószerszámokban végzett eljárások sorolhatók. Számos alcsoportra bonthatók a térbeli alak megváltoztatásával alakító lemezalakító eljárások. Ebbe a csoportba tartoznak a különféle hajlító, peremező, göngyölítő, hengerítő eljárások, a mélyhúzás különféle változatai, az autóiparban különösen fontos nyújtóhúzás (karoszszéria lemezalakítás), a különféle alaknyomó, alaksajtoló eljárások, vagy a peremszűkítés, a nyakbehúzás speciális alakító technológiái egyaránt. Az előzőkben felsorolt széles eljárás választékból e tankönyv keretében rendelkezésre álló szűkös keretek miatt csak a legfontosabb eljárások rövid ismertetésére szorítkozhatunk. Azonban mielőtt az egyes eljárások elemzésére rátérnénk, célszerű röviden összefoglalni néhány alapvető ismeretet a lemezalakítás anyagait illetően. 3.5.1.2. A lemezalakítás anyagai

A lemezalakítás céljaira a következő lemez előgyártmány alakokat alkalmazzuk: − Táblalemez: sík, téglalap keresztmetszetű lapos termék. A lemez vastagsága s=0,1-25 mm között változik, de a gépipari alkatrészgyártó hidegalakítás céljaira alapvetően a 0,1-3,0 mm tartományba eső, ún. finomlemezeket használjuk. − Lemezcsík: sík, téglalap keresztmetszetű lapos termék, nagy hosszúság/szélesség viszonyszámmal. − Szalag (keskeny szalag): téglalap keresztmetszetű, általában s = 0,1 mm-nél vastagabb, maximum b=300-400 mm szélességű, lapos, lemeztermék. − Lemeztekercs (széles szalag): általában b = 1000-1500 mm szélességű, tekercselt lapos termék. − Tárcsa: kör alakú sík termék, táblalemezből vagy szalagból kivágva. − Fólia: téglalap keresztmetszetű, általában s = 0,1 mm-nél vékonyabb, sík, vagy tekercselt lapos termék. A hidegalakítás céljaira alkalmas lemeztermékeket és azok tulajdonságait a termékszabványok ismertetik, amelyek különböző anyagminőségekre (acélok, könnyűfémek, színesfémek) külön kötetekben összefoglalva találhatók meg. A szabványok rögzítik a termékek összetételét, méretválasztékát, felületi tulajdonságait, technológiai-feldolgozhatósági sajátosságait, illetve a különféle gyártási eredetű hibák megengedett értékeit is. A felsorolt tulajdonságokat tömören a szabványos termékmegnevezés foglalja össze, amelyekre néhány példát mutatunk be a következőkben. a) A "Finomlemez B 1,00x1000 - 2000 M2H MSZ 23" jelölés részletezve a következőket jelenti. − Finomlemez: 0,2-2,8 mm, vastagságú, táblalemez. − B: normál vastagsági tűrésű ( jelen esetben ± 0,09 mm az értéke). − 1,00: a lemez vastagsága s=1 mm.

101



− − − − − − −

1000: a lemez szélessége b=1000 mm. Gondolatjel ( - ) : a hengerlési irány megegyezik a lemez hosszirányával. 2000: a lemez hossza l=2000 mm. M: mélyhúzható lemez. 2: a felületi minőség jele. H: a hengerlési eljárás és utókezelés jele (hidegen hengerelt). 2H: együttesen enyhe futtatási szín keskeny oxidréteg, kisebb karcok lehetnek a lemez mindkét oldalán. − MSZ 23: a termék szabványszáma. Összegezve: a lemez az MSZ 23 szabvány szerinti, mélyhúzható, hidegen hengerelt, jó felületi tulajdonságokkal rendelkező 2000 mm hosszú, 1000 mm széles, 1 mm vastag normál vastagsági tűrésű acél táblalemez. b) Az "Acélszalag 30x0, 8 f MSZ 4213: ASZ 1 K40 M" jelölés a következőkre utal. . − Acélszalag : b=4-380 mm széles, 0,15-2,5 mm vastag tekercsben szállított lapos termék. − 30: a szalag szélessége jelen esetben b=30 mm. − 0,8: a szalag vastagsága s=0,8 mm. − f: a vastagság fokozott (finom) tűrésű, jelen esetben értéke ± 0,03 mm. − MSZ 4213: a termék szabványszáma, amely szerint a szalag kis karbontartalmú acélból készül. − ASZ 1: lágy állapotban max. Rm=412 MPa szakítószilárdsággal rendelkezik. − K40: a keménységi fokozatra utal, az ilyen jelű szalag szakítószilárdsága Rm=392-539 MPa, nyírható technológiai tulajdonságú. − M: a felületi tulajdonságot jelzi, fényes színű, esetleg gyengén matt, futtatási színek csekély mértékben megengedettek. Összegezve: ez a jelölés egy 30 mm széles, 0,8 mm vastagságú, finom tűrésű, minimálisan 392 MPa szakítószilárdságú, nyírható, gyengén matt színű acélszalagot jelent. 3.5.1.3. Anyagszétválasztó műveletek – Vágás-lyukasztás

Az anyagszétválasztó műveleteket röviden vágásnak is nevezzük, amely nem más, mint az anyag szétválasztása két egymáshoz képest elmozduló szerszámmal (az egymáshoz képest elmozduló szerszámok lehetnek ollók (vágókések), vagy vágóbélyeg és vágólap). A szerszámnak a vágást közvetlenül végző, a külső terhelést átadó éleit vágóéleknek, a vágóélek közötti – a vágás irányára merőleges – legrövidebb távolságot (u) pedig vágórésnek nevezzük. A jellemző igénybevétel a vágás során a nyíró-igénybevétel. A 3.18. ábrán vágószerszámban végzett vágási folyamatot mutatunk be. A vágás során a két, egymás mellett elmozduló szerszámelem − jelen esetben a vágóbélyeg és a vágólap − az ezek élét összekötő egyenes környezetében, az ún. képlékeny zónában maradó alakváltozást okoz, amely egy bizonyos mértékű (az ábrán „h”-val jelölt) behatolás után repedéshez és töréshez vezet. A 3.18. ábrán látható egyik szerszámelem a dv átmérőjű vágólap, a másik szerszámelem a dB átmérőjű bélyeg. A köztük lévő us = (dv – dB)/2 rés, az ún. vágórés (indexét a német schneiden = vágás szóból kapta). Ez az ábra azt az állapotot mutatja, amikor a képlékeny alakváltozás közbeni bélyegbehatolás befejeződött, és a vágólap élénél keletkezett repedés innen elindulva elérte a bélyeg élét, tehát az anyagszétválasztás, a nyírásos vágási folyamat befejeződött. Ezt követően a munkadarab és a vágólap, valamint a bélyeg és az alapanyag közötti súrlódóerőket legyőzve a bélyeg áttolja a vágólapon a kivágott darabot.

102


MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK megnyomott sorja rész tört felület

bélyeg dB

alapanyag

behúzás fényes övezet

F

h

b)

s β

u ≅ u opt ajak

képlékeny zóna

F

munkadarab us

vágólap

alászakadozott rész

dv c)

a)

u < u opt

3.18. ábra. A vágási folyamat a) a vágás elve b) a vágott felület optimális vágórésnél c) a vágott felület az optimálisnál kisebb vágórésnél A 3.19. ábrán egy lágyacél-lemez vágása során mért erő-bélyegelmozdulás diagram látható. A vágási folyamat részletes lefolyását a folyamat elvét bemutató 3.18. ábra, valamint a vágóerő-bélyegelmozdulás diagram (3.19. ábra) együttes elemzése alapján ismertetjük.

s

Wal = ∫ Fdh =Fköz s = cFmax s [ J ] 0

3.19. ábra. Vágóerő-bélyegelmozdulás diagram lágyacél vágásánál Amikor a vágólapon fekvő lemezt eléri a bélyeg, akkor a lemez rugalmasan deformálódik, így a két szerszám éle terheli azt. Az erő növekedése közben a szerszámok élének környezetében helyi maradó alakváltozást okozva, belenyomódnak a lemezbe. Ez a jelenség a 3.19. ábra 0 és A pontja között játszódik le. Az A pontbelinél nagyobb erő hatására már a két él közötti egész vastagság a képlékeny alakváltozás állapotába kerül, így megindul a két lemezrésznek a bélyeg mozgása irányában való relatív elmozdulása. Ennek az elmozdulásnak az elején a lemeznek a szerszámok oldalfelülete melletti része rádiuszosra deformálódik (ezt a részt nevezzük behúzási tartománynak), majd a bélyeg további behatolása közben az anyag a két szerszám oldalfelületéhez szorulva mozdul el, így ott egy fényes övezetet hoz létre. Amíg az utóbbi két jelenség lezajlik, a vágóerő a 3.19. ábrán jelölt A ponttól a C pontig változik, tehát közben a vágóerő elérte az Fmax-ot és csökkenni kezdett. A vágóerő növekedése közben a szerszámok homlokfelületének a lemezzel érintkező szélessége nő, ami jól látszik az így vágott darabokon és ezt megnyomott résznek, vagy ütésnyomnak nevezzük. 103



A C pontbeli erőnél jelenik meg a vágólap élénél a repedés, ami igen gyorsan nő és átterjed a két szerszámél közötti anyagrészen. Ezt követően már csak a szerszámok oldalfelületén ébredő súrlódóerőket kell legyőzni (lásd a a 3.19. ábrán az Fki kitolóerőt) és a bélyeg alatti anyagrész átesik a vágólap nyílásán („áttörésén”). A vágólap élénél elinduló repedés a 3.18. ábrán bejelölt β-szögben terjed. Ha a vágórés helyes, a repedés a bélyeg élénél fejeződik be, ha túl nagy, akkor a bélyeg éle mellett elhaladva a bélyeg oldalfelületénél a felső anyagrész fényes övében fejeződik be, így ott egy kiálló éles rész a sorja keletkezik. (Itt jegyezzük meg, hogy a már kopott, a használat során lekerekedett élű szerszámok is sorjás vágott felületet okoznak). Ha a vágórés túl kicsi a repedés a bélyeg homlokfelületéhez tart, de egy bizonyos előrehaladás után leáll, majd a másik vágóéltől elinduló repedés terjedésével fejeződik be a vágás (lásd a 3.18. ábra c részletét). A nyírásos vágással vágott darabokon tehát az alábbi jellegzetes részek vannak (3.18. ábra): behúzási tartomány (lekerekített „él”), fényes övezet (kopott szerszámnál a vágás irányába eső csíkokkal), tört felület (matt, mint a törési felületek), megnyomott rész, sorja. Eddig nem említettük, hogy a munkadarab nem sík kissé domború. A vágóerő maximumát tekintjük vágóerőnek és ezt az

F = kv ⋅ Anyírt ⋅ τ m = kv ⋅ L ⋅ s ⋅ τ m [ N ]

(3.90)

összefüggéssel számítjuk, ahol Anyírt=L⋅s [mm2]: a nyírt keresztmetszet, L [mm]: a vágási vonal hossza, s [mm]: a lemezvastagság, τm [MPa]: a vágott anyag nyírószilárdsága kv=1,1-1,3: az ún. vágóerő korrekciós tényező. Tekintettel arra, hogy az anyagszabványokban általában a különböző lemezek szakítószilárdsága (Rm) van megadva, a nyírószilárdságot a τ m = 0,8 Rm

(3.91)

összefüggéssel számítjuk ki. A vágás munkaszükségletét a s

Wal = ∫ Fdh =Fköz s = cFmax s [ J ]

(3.92)

0

összefüggéssel számíthatjuk, ahol c = 0,3÷0,7 a vágóerő-út diagram kitöltési tényező, értéke az anyagminőségtől és a vágóréstől függő állandó. Kemény lemezeknél (ahol a bélyegnek a repedés megindulása előtti behatolása kicsi), valamint nagyobb vágóréseknél a c értékére az alsó határ érvényes. A vágórés nagyságát 3 mm lemezvastagságig az

us = c ⋅ s ⋅ τ m [ mm ]

(3.93)

összefüggéssel számolhatjuk. A (3.93) összefüggésben szereplő c vágórés tényező értéke c = 0,0016-0,011 értékű, tapasztalati tényező. Ha a cél a szép vágási felület, a széles fényes öv, akkor a c = 0,0016, ha a legkisebb vágási munkára törekszünk c = 0,011 értékkel számolhatunk. A vágóerő nagysága nem függ jelentősen a vágóréstől, a munka viszont igen. Az (3.93) összefüggés lágyacél lemez esetére (Rm=400 MPa, τm=0,8 Rm=320 MPa) a c tényező megadott két szélső értékével számolva us=(0,03÷0,2)⋅s összefüggést eredményez. Ez 104



azt jelenti, hogy lágyacél lemezanyagnál a vágórés, a lemezvastagság 3÷20 százaléka közé eshet a céltól függően. Különböző anyagminőségek és eltérő vágórés esetére a vágóerő-bélyegelmozdulás diagrammok a 3.20. ábrán láthatók. Az ábrán egyrészt jól megfigyelhető a rideg és lágy anyagok eltérő viselkedése, másrészt azonos anyagminőség (az ábrán lágy, képlékeny anyag) esetén a vágórés hatása a diagram lefutására.

3.20. ábra. Vágóerő-bélyegelmozdulás diagrammok különböző anyagminőségekre 3.5.1.3.1. Ollón végzett vágások technológiája

Az anyagszétválasztó műveletek között fontos szerepe van az ollón végzett vágásoknak. Leggyakrabban a további alakító eljárások kiinduló gyártmányaként szolgáló lemezcsík, teríték előállítására szolgálnak. Az ollók ennek megfelelően különböző méretű és alakú lemezek vágására alkalmas gépek. A vágókések (az ollók) vágóélei lehetnek egyenes vonalúak, íveltek, vagy kör alakúak, a főmozgást illetően végezhetnek alternáló, vagy forgómozgást. Az ollók megkülönböztethetők továbbá a vágási vonal szempontjából is: eszerint lehetnek nyitott, vagy zárt vonal, illetve egyenes, vagy tetszőleges görbe mentén vágó ollók. Az ollón végzett vágások leggyakrabban alkalmazott gépe a táblaolló, amely táblalemezek egyenes vonal mentén való szétvágására, darabolására alkalmas. A darabolás fogalma alatt a lemezalakításban az anyag nem zárt vonal mentén történő teljes szétválasztását értjük. A 3.21. ábra táblaolló elvi vázlatát mutatja. Ez az olló két, B hosszúságú egyenes élű késsel vág. Az egyik kést a gép állványához, a másikat az alternáló mozgásra képes késgerendára csavarozzák. A késgerenda egyenes csúszóvezetékben mozog le-fel, vagy egy tengely körül billenő mozgást végez. Mivel a táblaollón különböző vastagságú lemezeket vágnak, így a vágórés átállítása szükséges. Általában a késgerenda forgótengelyének excentrikus kialakítása teszi lehetővé a vágórés változtatását. Az állítható ütköző a levágandó lemezsáv szélességének beállítására való. A leszorító a vágott lemeznek a két késen ébredő vágóerő nyomatéka által létrehozott nyomaték ellensúlyozására, tehát a vágott lemez billenésének (az asztalról való felemelkedésének) megakadályozására szolgál.

105



3.21. ábra. Egyenes élű, lengő mozgású táblaolló A két kés éle lehet egymással párhuzamos (3.21. ábra), vagy szöget bezáró (3.22. ábra). Ennek megfelelően beszélhetünk párhuzamos élű és ferde élű táblaollóról. A ferde élű olló előnye, hogy az adott pillanatban vágott keresztmetszet és így a vágóerő kicsi. Hátránya, hogy a levágott sávot meghajlítja és elcsavarja.

3.22. ábra. Vágás ferde élű táblaollóval (1 – leszorító elem; 2 – mozgó kés; 3 – álló kés; 4 – ütköző) Ha egy s vastagságú lemezt L hosszon kell elvágni, akkor párhuzamos élű ollónál a nyírt keresztmetszet Anyírt=L⋅s így a vágóerő: F = kv ⋅ L ⋅ s ⋅ τ m .

(3.94)

Ferdeélű ollónál az adott pillanatban nyírt keresztmetszet (lásd a 3.22. ábra vonalkázott háromszögét). 1 s s2 Anyírt = s ⋅ ≅ 2 tgα 2α

(3.95)

így a vágóerő

Fferde = (1 + 0,05α )

106

s2 ⋅τ 2α m .

(3.96)



Ebben az összefüggésben a 0,05 α a lemezsáv elgörbítéséhez és elcsavarásához szükséges erőnövekedés figyelembevételére szolgál. A mai korszerű táblaollókon nemcsak a vágórés, hanem az α késszög is állítható. A lemezvágás másik jellegzetes ollója a hasító körolló, ahol két meghajtott késtengelyre körkések vannak rögzítve (lásd a 3.23. ábrán), amelyek az eléjük vezetett lemezt, vagy szalagot behúzzák (lásd a hengerlésnél a behúzás feltételét) és egyenes vonal mentén szétvágják. A behúzás akkor valósul meg, ha a kések átmérője elég nagy a lemezvastagsághoz képest, azaz

Dkés = ( 30 ÷ 70 ) s .

(3.97)

3.23. ábra. Hasító körolló vázlata A 3.23. ábrán a körkések mellett lévő gumik (ma inkább poliuretán gyűrűk), a vágás közbeni görbülés megakadályozását szolgálják. A hasító körollók táblalemezek sávokra való szétvágására és széles szalagok több keskenyebb szalaggá való szétválasztására (hasítására) szolgálnak. Utóbbi esetben természetesen a keskenyebb szalagok felcsévéléséről gondoskodni kell. A tárcsavágó körolló táblaollón négyzet alakúra levágott lemezdarabból kör alakú tárcsa előállítására, „körülvágásra” való. A gép leegyszerűsített vázlata a 3.24. ábrán látható. A gép két körkésének éle azonos átmérőjű a két késtengely azonos fordulatszámmal van meghajtva. A felső késtengely vízszintes az alsó ferde (rendszerint 45°-os). Az alsó körkés élét két köszörült kúpfelület adja, a felső körkés palástja kissé kúpos (1,5-3°), homlokfelülete sík. Az előgyártmányt egy csapágyazott (forogni képes) központfogó szorítja. A vágandó tárcsa átmérője a szán elmozdításával állítható be.

107



3.24. ábra. Tárcsavágó körolló vázlata Az alsó körkés élének a vízszintes síkra eső vetülete ellipszis. Ha az ellipszis vetületének a vágás helyére eső sugara kisebb, mint a vágandó körtárcsa sugara (D/2), akkor a felső kés lesüllyesztésekor (a két él átfedésekor) végbemenő nyírásos vágás során keletkező D/2 sugarú hulladék nem feszül hozzá. A tárcsavágó körollókon lyukas tárcsák is előállíthatók, ilyenkor természetesen előbb a külső átmérő, majd a szán elállításával a belső átmérő, a felső kés fokozatos bemélyítésével vágható. A szánon skála van a beállításhoz. A többnyire a szerkezetépítésben használatos rezgőollónak két rövid, egymáshoz képest nagy, α=20-30°-os szöget bezáró éle van: a rezgő-vágó ollón végzett vágás elve a 3.25. ábrán látható. Az ollók lökethossza 2-3 mm, másodpercenkénti löketszámuk pedig eléri a 20-at is. Vágás közben a két kés élének egy része mindig átfedi egymást. A dolgozó a lemezt, amelyen a vágási vonal elő van rajzolva, kézzel tolja be a kések közé és vezeti úgy, hogy a vágás az előrajzolt vonalon történjen. Ezeken a gépeken központfogó (rendszerint két hegyes edzett csúcs) is van így körtárcsák is körülvághatók. Az alsó kés tartója egy külön motorral lassan süllyeszthető és emelhető, így központfogóval lyukas tárcsák, kézi mozgatásnál pedig alakos lyukak is készíthetők a lemezen. Az így vágott munkadarab vágási felülete nem szép, nem pontosak a méretek. Egyedi gyártásban, vagy kis sorozatokhoz használják. Előnye, hogy 5 mm lemezvastagságig minden olyan vágási vonalon elvégezhető a vágás, amelyen a legkisebb sugár legalább 15 mm.

3.25. ábra. A rezgő-vágás elve

108



3.5.1.3.2. A kivágás-lyukasztás technológiája

A kivágó és lyukasztó műveletek sajtolószerszámmal , zárt körvonal mentén végzett vágóműveletek. Az alapvető különbség a két eljárás között abban van, hogy míg kivágásbál a lemezsávból kieső rész a munkadarab (3.26. ábra, a-részlete), lyukasztásnál a lemezsávból kieső rész a hulladék (3.26. ábra, b-részlete). Ezt a különbséget leszámítva a két eljárás minden tekintetben megegyezik, így együtt tárgyalásuk teljesen indokolt.

3.26. ábra. A kivágás és a lyukasztás fogalmának értelmezése A vágási folyamatot mindkét eljárás esetén a 3.18. ábrán látható vázlat szemlélteti. Ugyancsak mindkét műveletet méretes, aktív szerszámelemekkel, vágóbélyeggel és vágólappal végezzük. Az előgyártmány lehet táblalemez, lemezsáv, szalag, stb., amint a lemezalakítás anyagai című pontban elemeztük. Lemezterv – Teríték elrendezési terv készítése

A kivágó-lyukasztó műveletek gazdaságossága nagymértékben függ az előgyártmány (táblalemez, szalag, sáv) kihasználásától. A cél – különösen az alapanyagárak növekedésével – általában a minél jobb anyagkihasználás biztosítása. Ezért fontos technológia tervezési szempont a gazdaságos lemezterv készítése. A lemezterv tkp. a vágandó lemez terítéknek az előgyártmányon való elhelyezését jelenti. A lemezterv készítésénél a minél gazdaságosabb anyagkihasználás mellett a technológiai szempontok figyelembevétele is elengedhetetlen. A lemezterv lehet ún. hulladékos, hulladékszegény és számos feltétel egyidejű teljesülése mellett hulladékmentes lemez-elrendezési terv is készíthető. Az hogy mikor készíthetünk hulladékszegény, illetve hulladékmentes lemez-elrendezési tervet alapvetően a munkadarab alakjától függ. A hulladékos lemez-elrendezési tervet és az elrendezési terv alapfogalmait egy kör alakú tárcsa kivágásán keresztül mutatjuk be. Vágó-lyukasztó szerszámokban végzett hulladékos vágásoknál a vágási vonal két egymást követő munkadarab között – a megfelelő minőségű vágás érdekében – egy előírt minimális távolságnál nem lehet kisebb: ezt a minimális távolságot hídszélességnek (hulladékhídnak) nevezzük. A hídszélesség értéke függ az anyagminőségtől, a lemezvastagságtól és a híd hosszúságától. Hasonlóan, a vágási vonal távolsága az előgyártmány szélétől egy előírt minimális értéknél, az ún. széltávolságnál (szélhulladéknál) nagyobb kell legyen. A szélhulladék értéke is függ az anyagminőségtől, a lemezvastagságtól és a híd hosszúságától. A hídszélesség és a széltávolság értelmezését a 3.27. ábra mutatja.

109



3.27. ábra. A hídszélesség és a széltávolság értelmezése A lemez-elrendezési terv fontos mutatója az ún. anyag-kihozatali (anyag-kihasználási) tényező, amelyet az adott munkadarab elkészítéséhez szükséges, hasznos anyag és a ténylegesen felhasznált anyag hányadosaként értelmezünk. Az anyag-kihasználási tényező az előző definíció alapján a

η=

Aösszes − Ahulladék Ahasznos = Aösszes Aösszes

(3.98)

kifejezéssel határozható meg, ahol a felhasznált lemez teljes területe, Aösszes: Ahasznos: a munkadarabhoz szükséges lemezterület, Ahulladék: a hulladéksáv területe. Az anyag-kihozatali tényező a munkadarabok eltolásával, elforgatásával, egymásba tolásával, többsoros elrendezésével javítható. Kör alakú tárcsa kivágásánál az anyag-kihozatali tényező változását mutatja a 3.28. ábra: az ábra a-részlete egysoros, a b-részlete kétsoros, míg az ábra c-részlete háromsoros elrendezést mutat.

3.28. ábra. Az anyag-kihozatali tényező növelése többsoros elrendezéssel

110



Körtárcsa kivágása esetén többsoros elrendezésnél a legkedvezőbb anyagkihasználást akkor érjük el, ha a körtárcsák középpontjai egyenlő oldalú háromszög csúcspontjaiban helyezkednek el. Ezzel a megoldással az egysoros elrendezés alig 66 %-os anyag-kihozatali mutatóját, a háromsoros elrendezésnél 83 % fölé tudjuk növelni. Az anyag-kihozatalai tényező értékének javítása a munkadarab helyzetének változtatásával természetesen alapvetően függ a munkadarab alakjától. Különböző elrendezési variációk anyag-kihozatali tényezőre gyakorolt hatását mutatja a 3.29. ábra.

3.29. ábra. Az anyag-kihozatali tényező változása különböző elrendezéseknél Az eddigiekben hulladékos, illetve a munkadarab elforgatásával, eltolásával, különféle manipulálásával készíthető hulladékszegény elrendezési terveket láttunk. A legkedvezőbb anyag-kihozatalt (η = 100 %) hulladékmentes elrendezési tervvel érhetjük el (3.30. ábra).

3.30. ábra. Hulladékmentes lemez-elrendezési terv A hulladékmentes elrendezési terv készítésének azonban a munkadarab alakját illetően szigorú megkötései vannak: 1) a munkadarabnak rendelkeznie kell legalább egy olyan kontúrszakasszal, amely mentén két szomszédos munkadarab hézagmentesen egymásba tolható; 2) a munkadarabnak rendelkeznie kell legalább két párhuzamos egyenes kontúrszakasszal, amelyek az előgyártmány (tábla, szalag, stb.) szélével fedésbe hozhatók. A 3.30. ábra hulladékmentes elrendezési terve egyúttal a sávfordító eljárásra is példaként szolgál. 111



Sávterv készítés

A vágás-lyukasztás technológiai tervezésének kulcsponti részét képezi a sávterv készítés. A sávterv tulajdonképpen egy grafikus műveleti sorrendterv, amelyen a gyártandó munkadarab előállításához szükséges műveleteket, a műveletek térbeli és időbeli egymásutániságát is mutató módon a lemezterv figyelembevételével tudunk elkészíteni. A sávterven a műveletek sorrendje mellett az ütköztetés módját és helyét is jelölni kell. A sávterv fogalmának és a sávterv készítés lényegének megértéséhez egy transzformátor vasmag E és I lemezének gyártásához készített sávtervet mutatunk be (3.31. ábra). Ez egyben arra is jó példaként szolgál, hogyan lehet jó anyagkihozatalt elérni az egyébként hulladék anyag hasznosításával. A vasmag E és I lemezeinek alakját és összeszerelésének módját a 3.31. ábra a-részlete mutatja. Az I-lemez kivágása két összefordított E-lemez lyukasztásakor készül el. A teljes gyártási műveletsor az alábbiak szerint megy végbe.

3.31. ábra. Transzformátor vasmag E és I lemezek gyártásának sávterve A gyártás során a sáv pozicionálását ún. oldalvágós ütköztetéssel végezzük. A sáv az első beadagoláskor az ütközőig tolható be. A szerszám első zárásakor vág a két oldalvágó bélyeg (ez itt tkp. egy ún. kicsípési művelet) és a 8 db lyukasztó bélyeg (1. művelet). A szerszám nyitása után a sáv „e” előtolás értékkel tolható előre, amely pontosan megegyezik az oldalvágó bélyegek hosszával. A 2. műveletben megtörténik a 2 db I elem kivágása (ezek átesnek a vágólapon), ami a két összefordított E elem tekintetében lyukasztásnak minősül. A 3. műveletben darabolás történik. A bal oldali daraboló vágóélek levágják a bal oldali E-elemet a sávról, a jobboldali élek pedig szétválasztják a két E elemet. A baloldali E-elem átesik a vágólapon a jobboldali E-elem pedig azért billen el és csúszik ki jobbra a szerszámból, mert a vágólap homlokfelületét itt ferdére lemunkálják. Az előző sávterv kapcsán használtunk két fogalmat, amit korábban még nem definiáltunk. A „kicsípés” a darab körvonalának részleges megváltoztatása az anyag teljes szétválasztásával, de nem egyenes vágási vonallal. A két oldalvágó kicsípést végez. A „darabolás” az anyag teljes szétválasztása nem zárt vonal mentén. Darabolás történik a 3.31. ábrán a 3. műveletben: ez hulladékmentes darabolás. Ezen az ábrán hulladék az oldalvágók által levágott 2×e×w felületű darab és a 8 db lyukból (az összefogó csavarok lyuka) kieső hulladék. Ez az ábra jó alkalmat teremt a hulladék és a selejt fogalmának megkülönböztetésére. A selejt az előírásoknak (méretelőírások, szilárdsági előírások, stb.) nem megfelelő, tehát hibásra sikerült munkadarab. A hulladék, a gyártással vele járó, betervezett anyagveszteség, amit ötletes tervezéssel jelentősen csökkenteni lehet, amit a 3.31. ábrán bemutatott sávterv kiválóan szemléltet.

112



A kivágás-lyukasztás technológiai paraméterei

A kivágás-lyukasztás technológiai tervezésénél a vágórés, a vágóerő, a vágás munkaszükséglete és az ún. nyomásközéppont jelenti a meghatározandó technológiai paramétereket. A vágórés a vágólap (matrica) és a vágóbélyeg méretének különbségét jelenti és z-vel jelöljük. Ez hengeres bélyeg és matrica esetén körkörösen értelmezendő a bélyeg és a vágólap között. Gyakran a z-vágórés felét, az ún. egyoldali vágórést nevezzük egyszerűen vágórésnek: ezt u-val jelöljük és a lemezvastagságtól függően az alábbi képletekkel számoljuk:

us = z / 2 = c ⋅ s ⋅ τ m [ mm ],

ha s ≤ 3mm,

us = z / 2 = (1,5 ⋅ c ⋅ s − 0,005) τ m , [ mm ], ha s > 3mm .

(3.99)

A (3.99) összefüggésben s: a lemezvastagság [mm], τm: a vágott anyag nyírószilárdsága [MPa], c: a vágórés-tényező, értéke 0,0016÷0,011 között változhat. A vágórés-tényező értékét a kisebb (c = 0,0016) értékre választjuk, ha jó minőségű, szép vágott felület a cél, míg a c = 0,011 értéket választjuk, ha a legkisebb vágóerőre törekszünk. A vágóerő maximumát az F = kv ⋅ L ⋅ s ⋅ τ m [ N ]

(3.100)

kifejezéssel határozhatjuk meg, ahol kv: a vágóerő-tényező, értéke 1,1÷1,3 között változhat, L: a vágási vonal hossza [mm], s: a lemezvastagság [mm], τm: a vágott anyag nyírószilárdsága [MPa], a vágás munkaszükségletét pedig a Wal = cFmax s [ J ]

(3.101)

összefüggéssel számíthatjuk. A nyomásközéppont az alakító műveletek elvégzéséhez szükséges erők eredőjének a hatásvonal koordinátáját jelenti: ez olyan technológiai paraméter, amely már alapvetően a szerszámokhoz is kötődik. E helyen való tárgyalását azonban az is indokolja, hogy a nyomásközéppont meghatározása az egyes műveletek térbeli elhelyezéséhez szorosan kapcsolódik, ezért számításának alapját az előzőkben elemzett sávterv képezi. Az eddig megismert sávtervekből is az látható, hogy az egyes alakító műveletek elvégzéséhez szükséges erők általában a vágólap síkjára merőleges irányú, párhuzamos erőrendszert képeznek. Annak érdekében, hogy a szerszám mozgó részeinek megvezetésére szolgáló elemek (de az alakítógép vezetéke is) minél kevésbé kapjon külpontos (hajlító) igénybevételt az szükséges, hogy az alakítóerők eredőjének hatásvonala a szerszámnak az alakítógép medvéjébe való rögzítésére szolgáló befogócsap középvonalába essen. Ennek megfelelően a nyomásközéppont meghatározása a párhuzamos erők eredőjének a mechanikában megismert módszerével végezhető. A számítás ismertetéséhez tekintsük a 3.32. ábrát. Az ábrán x, y síkbeli koordináta rendszerben ábrázoltuk a vágandó alakok vágólapra eső vetületét és elhelyezkedését. A számítás alapelve, hogy az egyes alakítóerők bármely pontra számított nyomatékának az összege meg kell egyezzen az eredő erő ugyanezen pontra számított nyomatékával. A számítások egyszerűsítése érdekében a nyomatékszámításhoz célszerűen a koordinátarendszer kezdőpontját választjuk.

113



3.32. ábra. Vázlat a nyomásközéppont meghatározásához Az előző megfontolásokat figyelembe véve a nyomásközéppont helyét a koordináta rendszerben megadó helyvektor az alábbi összefüggéssel számolható: n

G G G rs = xs i + ys j =

G ∑ ri Fi i =1 n

∑ Fi

⎛ n ⎞G ⎛ n ⎞G x F ⎜ ∑ i i ⎟ i + ⎜ ∑ yi Fi ⎟ j ⎠ ⎝ i=1 ⎠ . = ⎝ i=1 n

∑F

i =1

i =1

(3.102)

i

Mivel lemezalakításnál a lemezvastagságot szándékoltan nem változtatjuk, a (3.102) öszszefüggésben szereplő Fi alakítóerők az adott művelet vágási vonalhosszával arányosak, ezért a nyomásközéppont helyvektora az n

G rs =

G

∑rL i =1 n

i

∑ Li

i

(3.103)

i =1

kifejezésre egyszerűsödik. Meg kell jegyeznünk, hogy bonyolult sorozatszerszámoknál gyakran előfordul, hogy a nyomásközéppont helye az alakítás során térben és időben is változik (ez különösen akkor jellemző, ha a vágó műveletek mellett más, alakadó műveletek, mint például hajlítás, mélyhúzás is történik a szerszámban. A nyomásközéppont helyének meghatározásánál ekkor is azt az alapelvet kell követni, hogy az erők térbeli és időbeli helyzetének változását is figyelembe véve a szerszámra, az alakítógépre átadó járulékos hajlító oldalerők hatása az alakítási folyamat egészére vonatkozóan minimális legyen. 3.5.1.3.3. A kivágás-lyukasztás szerszámai

A vágó-lyukasztó szerszámokat különböző szempontok szerint osztályozhatjuk, így például − az elvégzett műveletek szerint: lehetnek kivágó, lyukasztó és összetett (hajlítással, mélyhúzással, vagy más alakadó műveletekkel kombinált szerszámok;

114



− működési módjuk szerint: egyszerű, vagy több műveletes szerszámok; ez utóbbiak lehetnek sorozat, illetve együttes működésű (ún. blokk-) szerszámok; − a szerszámfelek vezetése szerint: vezetés nélküli, vezetőlapos, vezetőoszlopos és kombinált vezetésű (lengő-vezetőlappal kombinált vezetőoszlopos) szerszámok; − az ütköztetés módja szerint: ütköző nélküliek, merev ütközősek, mozgó ütközősek, kereső (helyrehúzó) csaposak, oldalvágó bélyegesek. A vágószerszámok aktív elemei a vágóbélyegek és a vágólapok (bizonyos értelemben a helyzet-meghatározó elemek is). Egy-egy munkadarab általában több kivágó, lyukasztó, daraboló, stb. művelettel készíthető el. Ezek a műveletek végezhetők külön-külön szerszámokban (ezek ebben az esetben egyszerű szerszámoknak minősülnek), egy szerszám különböző munkapozícióiban sorban, egymást követve (ez esetben sorozatszerszámról beszélünk), de végezhetők egy szerszám azonos munkapozíciójában összevonva (a szakirodalom ezt nevezi egyesített, vagy blokk szerszámnak). A 3.33. ábrán egy kör alakú alátétlemez egyesített, blokkszerszáma látható. A szerszámház oszlopos vezetésű, amelyben az alsó és felső szerszám-felet egymáshoz képest kettő, vagy négy vezetőoszlop biztosítja. Az egyesített szerszám definíciójából következően a lyukasztás és a kivágás művelete a szerszám egy lökete alatt, ugyanazon munkapozícióban valósul meg. Ilyen esetben nincs szükség a lemezsáv külön előtolás határolására, az alakítógép szalagelőtoló egysége megfelelő pozicionálási pontosságot biztosít. Figyeljük meg, hogy a lyukasztás vágólapja egyben a kivágás bélyege. Az elkészült munkadarab a felső szerszám-félbe csúszik be, ahonnan rugós kilökő távolítja el. A lyukasztás hulladéka az alsó szerszám-felen átesik. A sávot a kivágó bélyegről az ún. sávlehúzó húzza le.

3.33. ábra. Kivágó-lyukasztó egyesített, blokkszerszám Sorozat vágó-lyukasztó szerszámra mutat példát a 3.34. ábra. A szerszám az előző ábrán is látott, kör alakú alátétlemez gyártását végzi. A szerszám ún. vezetőlapos sorozatszerszám, mivel az alsó és a felső szerszám-felet egymáshoz képest az alsó szerszám-félen elhelyezkedő vezetőlap vezeti meg. Sorozatszerszámban az egyes műveleti pozíciókban szükséges a pontos előtolás határolásáról gondoskodni. A 3.34. ábrán látható szerszámban ezt egy rugós előütkö-

115



ző és a vágóbélyegen elhelyezett helyrehúzó-csap biztosítja. A kereső-csap feladata a pontos előtolás határolás mellett a lyukasztás és a kivágás koncentrikusságának biztosítása is.

3.34. ábra. Vezetőlapos kivágó-lyukasztó szerszám

116



A 3.34. ábrán látható vezetőlapos sorozatszerszámnál is bonyolultabb, összetettebb kombinált vezetésű – lengő vezetőlappal ellátott vezetőoszlopos – sorozatszerszám összeállítási rajza látható a 3.35. ábrán. Ilyen kombinált vezetésű szerszámot általában olyankor alkalmazunk, amikor a vágó-lyukasztó műveletek mellett alakadó – pl. hajlító műveletek – is vannak. A kombinált vezetést általában olyan esetekben alkalmazzuk, amikor a szerszámban végzendő alakadó műveletek miatt a sáv továbbítása csak nagyobb szerszámnyitás esetén biztosítható, ugyanakkor alakítás közben a sáv leszorítását is biztosítani akarjuk.

3.35. ábra. Kombinált vezetésű (lengő vezetőlappal ellátott vezetőoszlopos) kivágó-lyukasztó sorozatszerszám összeállítási rajza A szerszám fő elemei – a szerszámfelek vezetését kivéve – lényegében megegyeznek a vezetőlapos szerszámnál ismertetettekkel. A vágó-lyukasztó szerszámok fő elemeinek funkcióit röviden az alábbiakban ismertetjük.

117



− Befogócsap: a szerszám és az alakítógép medvéje között teremt kapcsolatot, a fejlapba rögzítve, a felső szerszám-fél befogására szolgál. Leggyakrabba a 3.36. ábra, a-részletén látható, menetes, vállas befogócsapot alkalmazzuk. Kényszerkidobóval ellátott befogócsapot mutat a 3.36. ábra, b-részlete. Erre akkor van szükség, ha a munkadarab – vagy a kivágásnál, lyukasztásnál keletkező hulladék – a felső szerszám-félbe kerülhet, amelyet a kényszerkidobó a szerszám felső, nyitott helyzetéhez közeledve a rugós kilökő működtetésével távolít el.

3.36. ábra. Befogócsap kialakítások: a) menetes b) kényszerkidobóval ellátott − Szerszámház: a szerszámelemek befogadására, összefogására szolgál, a szerszám munkafelületének függvényében típusonként, méret lépcsőnként katalógusból választható. Általában két fő részből, alsó és felső szerszám-félből áll. − Bélyeg: a szerszám alakítást végző aktív eleme, a bélyegtartó lapba rögzítjük. Tipikus bélyeg befogási módokat mutat a 3.37. ábra.

3.37. ábra. Bélyeg befogási módok A bélyegek alakító végének kialakítását az alkalmazás célja határozza meg. Jellegzetes bélyeg végződéseket mutat a 3.38. ábra. A leggyakrabban az ábra a-részletén látható, sík homloklapú bélyeg végződést alkalmazzuk. Vékony lemezeknél a b, a vágóerő csökkentésére a c, és d, míg lágy anyagok (gumi, bőr) vágásánál az e, kialakítás szokásos.

3.38. ábra. Tipikus bélyeg végződések

118



− Bélyegtartó lap: a bélyegeket – a 3.37. ábrán látható befogási módok valamelyikével – a bélyegtartó lapba rögzítjük. − Nyomólap: a fejlap és a bélyegtartó lap közé szerelve, az alakító bélyegekről átadódó, koncentrált erők, egyenletes elosztására szolgáló, edzett állapotú, vékony szerszámlap. − Vezetőlap: az alsó és a felső szerszám-fél egymáshoz képesti megvezetésére szolgál. A biztos vezetés érdekében a bélyegek a szerszám nyitott állapotában sem járnak ki a vezetőlapból. − Vágólap: a bélyeg mellett a munkadarab alakját meghatározó vágólap áttörések kialakítására szolgál. Tipikus vágólap áttöréseket mutat a 3.39. ábra.

3.39. ábra. Vágólap áttörések − Alaplap: az alsó szerszám-félnek az alakítógép asztalára való rögzítésére szolgál. − Ütközők: a lemezsáv előtolását határolják. Különféle kivitelűek lehetnek, így például: rugós előütközők (a sáv kezdeti határolására), merev csapos ütközők, oldalvágó bélyeges ütközők, helyrehúzó csapok. Az aktív szerszámelemek méreteinek meghatározása – A bélyeg és a vágólap tűrésezése

A gyártandó munkadarab előírt méreteinek, tűréseinek biztosítása az aktív szerszámelemek (a bélyeg és a vágólap) méreteinek, tűréseinek gondos meghatározását igénylik. Az aktív szerszámelemek méreteinek és tűréseinek meghatározását a 3.40. ábra elvi vázlata alapján érthetjük meg. Az ábrán a vágási folyamat közbenső állapotában látható munkadarab deformált alakjából egyértelműen látható, hogy a kivágott munkadarab (külső) méretét a vágólap, míg a lyukasztott munkadarab (belső) méretét a vágóbélyeg határozza meg.

3.40. ábra. Vágó-lyukasztó szerszámok tűrésezésének elvi alapja A 3.40. ábra elvi vázlata azt szemlélteti, hogy a munkadarab méretét melyik aktív szerszámelem határozza meg. Ezen túlmenően az aktív szerszámelemek tűréseinek meghatározásánál azt is figyelembe kell venni, hogy a gyártott munkadarabok méretei akkor is az előírt tűrésen belül legyenek ha a szerszámelemek a tűréshatár bármely szélső értékére készülnek el,

119



illetve a szerszám kopásának egy megengedett értékén belül ugyancsak az tűréseknek megfelelő munkadarabot állítsunk elő.

3.41. ábra. Vágó-lyukasztó szerszámok tűrésezése Az előző megfontolások figyelembevételével a vágóbélyeg és a vágólap méreteit és tűréseit a 3.41. ábra alapján az alábbi összefüggésekkel határozhatjuk meg (egyrészt az elvi megfontolásokból, másrészt a 3.41. ábrából is nyilvánvaló, hogy külön összefüggések érvényesek a kivágásra és a lyukasztásra). A szerszámelemek méreteit és tűréseit ennek megfelelően a 0 db = ( d N + Tmdb )−T , b (3.104) T d v = ( d N + Tmdb + zmin ) v , 0

összefüggésekkel, míg kivágásra a db = ( d N − Tmdb − zmin )

0 − Tb

,

d d = ( d N − Tw )0d T

(3.105)

kifejezésekkel számíthatjuk. További megfontolásként figyelembe veendő, hogy a vágórés értéke szélső esetben se térjen el az optimális vágórés értékétől 30 %-nál nagyobb mértékben, illetve lyukasztásnál a bélyeg, kivágásnál pedig a vágólap tűrésmezejének szélessége a munkadarab előírt tűrésének 10÷15 %-a legyen. Szokásosan a bélyeg tűrésfokozata egy IT értékkel kisebb, mint a vágólapé. Ezen feltételek az alábbi egyenletekre vezetnek: Tv = 1.6Tb ,

Δz = zmax − zmin = Tb + Tv < 0.3z ,

(3.106)

továbbá lyukasztásra Tb < ( 0.1 − 0.15 ) Tmdb ,

(3.107)

Tv = 1.6Tb < ( 0.1 − 0.15 ) Tmdb .

(3.108)

illetve kivágásra

120



Kivágásnál, illetve lyukasztásnál a munkadarab pontossága gazdaságosan IT 9 ÷ IT 11 tűrésfokozatú lehet, amelyet n IT 6 ÷ IT 8 tűrésfokozatú szerszámpontossággal érhetünk el. 3.5.1.4. Hajlítás

A hajlítás olyan képlékenyalakító művelet, amellyel az előgyártmány egyes felületei által bezárt szöget megváltoztatjuk. A hajlítást igen elterjedten alkalmazzák az alkatrészgyártásban lemezek, rudak, csövek, profilok feldolgozásakor. E témakör keretében mi csak a lemezek hajlításával foglalkozunk. A hajlítási műveletet a hajlító bélyeg és a hajlító matrica között végzik. A szerszámok és a munkadarab alakja és mozgása alapján megkülönböztetünk szabad hajlítást, félsűllyesztékes, sűllyesztékes és lengő hajlítást (3.42. ábra).

3.42. ábra. A hajlítás alapesetei A szabad hajlilásnál (3.42. ábra, a-részlete) egyik szerszámfél sem határozza meg a darab pontos alakját. A félsüllyesztékes hajlításnál (3.42. ábra, b-részlete) a matrica kiképzése megegyezik a munkadarabéval; ilyenek az egyetemes hajlító szerszámok. A süllyesztékes hajlítás (3.42. ábra, c-részlete) szerszámai előírt hajlásszögűek, így pontos hajlításra nyílik lehetőség. A lengő hajlításnál (3.42. ábra, d-részlete) a két pofa közé fogott lemezt, tengely körül forgó harmadik szerszámelem hajlítja meg, az előírt szögben. 3.5.1.4.1. A hajlítás alakváltozási és feszültségi állapota

Hajlítás során a munkadarab alakváltozási és feszültségi állapota azzal jellemezhető, hogy a hajlított munkadarab keresztmetszetében alakváltozási szempontból megnyúlás és rövidülés, feszültségi szempontból pedig nyomó-, illetve húzófeszültségek egyaránt ébrednek, amint az a 3.43. ábrán is látható.

3.43. ábra. A hajlítás alakváltozási és feszültségi állapotának vázlata

121



A hajlítás semleges szálának értelmezése és helyzetének meghatározása

A maximális alakváltozások, illetve feszültségek az ún. szélső szálakban találhatók: a külső szélső szálban nyúlás és húzófeszültség, míg a belső szélső szálban rövidülés és nyomófeszültség ébred. Ebből természetesen az is következik, hogy létezik egy olyan ún. semleges szál, amelyben az alakváltozások, illetve a feszültségek nullával egyenlők. Mivel a semleges szálban az előzők szerint sem nyúlás, sem rövidülés nem történik, a semleges szál hossza a hajlítás során változatlan marad. Ez rendkívül fontos a hajlított munkadarab kiterített hosszának meghatározása szempontjából. Míg rugalmas hajlításnál ez a semleges szál pontosan a hajlított keresztmetszet középvonalában helyezkedik el, képlékeny hajlításnál a semleges szál eltolódik a hajlítás görbületi középpontja felé a nyomott zóna irányába. A semleges szál eltolódásának mértéke függ a hajlítás sugarának (rb) és a lemez vastagságának (s) viszonyától. A semleges szál sugarát (rN) az s rN = rb + ξ , 2

(3.109)

összefüggéssel számíthatjuk, ahol ξ az ún. semleges szál eltolódási tényező: értékét az rk/s függvényében a 3.44. ábrából határozhatjuk meg (ahol rk = rb+ s/2, az ún. közepes sugár).

3.44. ábra. A korrekciós tényező változása az rk/s függvényében A kiinduló lemezméret (a kiterített hossz) meghatározása

A semleges szál sugarának ismeretében a hajlított munkadarab előállításához szükséges kiinduló lemezméretet, az ún. kiterített hosszt, annak figyelembevételével határozhatjuk meg, hogy a semleges szál hossza nem változik, azaz a hajlítás előtti és a hajlítás utáni hossza megegyezik. Ennek megfelelően a kiterített hosszt az alábbi összefüggéssel számíthatjuk:

122



L = l1 + rNα + l2 ,

(3.110)

amely a (3.109) kifejezés behelyettesítésével az s ⎞ ⎛ L = l1 + ⎜ rb + ξ ⎟ α + l2 2 ⎠ ⎝

(3.111)

kifejezésre vezet. Az előző összefüggésekben l1 és l2 az egyenes (nem hajlított) szakaszok hosszát jelöli, a semleges szál sugara, rN a hajlítási sugár, rb s a lemez vastagság, α a hajlítás szöge és L a kiterített hossz. A hajlítás utáni visszarugózás

A hajlítás feszültségi állapotából is következik (ld. 3.43. ábra), hogy még a hajlítás befejező stádiumában is vannak a lemez semleges szál környezetében olyan rétegek, amelyekben csak rugalmas feszültségek ébrednek. E rugalmas feszültségek – a hajlító erő megszüntetése után – mint rugalmas visszatérítő nyomatékot eredményeznek, amelynek következtében a hajlított alak megváltozását okozó visszarugózás következik be. A visszarugózás következményeként megváltozik a hajlított munkadarabon a hajlítási sugár és a hajlítási szög is. Annak érdekében, hogy az előírt hajlítási sugarat és hajlítási szöget valósítsuk meg a visszarugózást figyelembe vevő túlhajlításra van szükség, amelynek mértékét a visszarugózás ismeretében tudjuk meghatározni. Ennek számításához tekintsük a 3.45. ábrát.

3.45. ábra. Vázlat a visszarugózás számításhoz Annak érdekében, hogy a munkadarabra előírt r2 és α2 értékeket a visszarugózás után is biztosítani tudjuk, a hajlítás végén r1 és α1 értékekkel jellemezhető, túlhajlított alakot kell elérnünk. A semleges szál változatlan hosszának figyelembevételével a K=

α1 r1 + 0.5s = α 2 r2 + 0.5s

kifejezés írható fel, ahol K a visszarugózási tényező, r1, α1 a hajlítás sugara, illetve a hajlítás szöge a hajlítási folyamat végén, r2, α2 a hajlítás sugara, illetve a hajlítás szöge a visszarugózás után, s a lemez vastagság.

123

(3.112)



A K visszarugózási tényező értéke függ az anyagminőségtől, a hajlítási sugártól és a lemez vastagságtól. A visszarugózási tényező változását különböző anyagminőségekre az rk/s függvényében a 3.46. ábra mutatja.

3.46. ábra. A visszarugózási tényező változása különböző anyagminőségekre az rk/s függvényében A megengedett hajlítási sugarak meghatározása

A hajlítás során fellépő alakváltozás alapvetően a hajlítási sugár és a lemezvastagság függvénye. A hajlítás alakváltozási és feszültségi állapotát mutató diagramjából (3.43. ábra) az is következik, hogy a legnagyobb alakváltozás a szélső szálban ébred. Ezt a maximális alakváltozást az

ε max =

s s = 2rN 2rb + s

(3.113)

kifejezéssel határozhatjuk meg. Az is nyilvánvaló, hogy a hajlítás közben bekövetkező törés, szakadás szempontjából a húzott szélső szál a kritikus. A szélső szálban hajlításkor szakadás akkor következik be, ha a (3.113) összefüggéssel számított maximális alakváltozás eléri az adott anyagminőség egytengelyű szakítóvizsgálata során a kontrahált keresztmetszetben mérhető effektív – szakadási – nyúlás értékét, amelyet a kontrakcióval az

ε eff =

Z 1− Z

(3.114)

fejezhetünk ki. A szélső szálban ébredő maximális nyúlás (3.113) kifejezését az effektív nyúlás (3.114) összefüggésével egyenlővé téve az 124



ε max =

s Z = = ε eff 2rb + s 1 − Z

(3.115)

összefüggést kapjuk, amelyből – elemi átalakítások után – a hajlítási sugár megengedhető minimális értékére az rb min =

1 − 2Z s 2Z

(3.116)

kifejezést kapjuk. Mivel a (3.116) összefüggésben a Z kontrakció értéke anyagállandó, bevezetve a k=

1 − 2Z 2Z

(3.117)

jelölést, a megengedhető minimális hajlítási sugárra az rb min = k s

(3.118)

összefüggést kapjuk. A k-tényező értékét az anyagminőség függvényében kézikönyvekből táblázatokból választhatjuk. A megengedett minimális hajlítási sugár a szélső szálban bekövetkező esetleges repedés miatt korlátozott. Ugyanakkor túl nagy hajlítási sugár esetén bekövetkezhet az az állapot, hogy a hajlított munkadarab teljes keresztmetszetében csak rugalmas alakváltozás történik és a hajlító erő (nyomaték) megszüntetése után a lemez visszatér eredeti – hajlítás előtti – állapotába. Ennek elkerülésére a maximális hajlítási sugarat is korlátozni kell. Ezt abból a feltételből határozhatjuk meg, hogy legalább a szélső szálban az alakváltozás elérje a rugalmas alakváltozás határát, azaz az

ε min =

s 2rb ,max + s

=

R p 0.2 E

= ε 0.2

(3.119)

feltételi egyenletnek teljesülnie kell, amiből a megengedhető maximális hajlítási sugárra az ⎫⎪ s ⎧⎪ E rb ,max = ⎨ − 1⎬ 2 ⎩⎪ R p 0.2 ⎭⎪

(3.120)

összefüggést kapjuk. 3.5.1.4.2. A hajlítás erő- és nyomaték szükséglete

Annak érdekében, hogy a hajlítás erő- és nyomatékszükségletét meghatározhassuk, szükséges a hajlítás feszültségi állapotának részletes elemzése. Az elemzést az ún. átlagfeszültségi módszerrel végezzük el. A 3.47. ábra jelöléseit felhasználva a hajlításra érvényes feszültségi egyensúlyi egyenlet a ∂σ r σ r − σ t + =0 ∂r r

(3.121)

alakban írható fel. A Tresca-St. Venant folyási feltételt célszerű külön-külön a húzott és a nyomott övre felírni, mivel a semleges szálnál a tangenciális feszültségek előjelet váltanak: a húzott övben σt > 0, húzófeszültség, a nyomott övben σt < 0, nyomófeszültség ébred. Ennek figyelembevételével a folyási feltétel az alábbi összefüggéssel írható fel:

125



σ t − σ r = Ck f , a húzott övre, σ r − σ t = Ck f a nyomott övre.

(3.122)

A (3.122) kifejezésben a C-tényező értéke C = 2 / 3 , amellyel azt vesszük figyelembe, hogy a hajlításnál szokásos széles lemezeknél közel síkalakváltozási állapottal számolhatunk.

3.47. ábra. Vázlat a hajlítás feszültségi állapotának elemzéséhez A (3.121) feszültségi egyensúlyi egyenletbe a (3.122) folyási feltételt behelyettesítve, integrálás és elemi átalakítások után, valamint a σr(r=rb) = 0, valamint a σr(r=R) = 0 feszültségi peremfeltételeket behelyettesítve a radiális és tangenciális feszültség komponensekre a húzott zónában (amelyre rb ≤ r < rN) a R , r R⎞ ⎛ σ t = Ck f ⎜1 − ln ⎟ , r⎠ ⎝

σ r = −Ck f ln

(3.123)

a nyomott zónában pedig (amelyre rN < r ≤ R) a

σ r = −Ck f ln

r , rb

⎛

σ t = −Ck f ⎜ 1 + ln ⎝

r⎞ ⎟ rb ⎠

(3.124)

összefüggéseket kapjuk. A z-irányú feszültség – a sík-alakváltozási állapotból következően – mindkét zónára a radiális és a tangenciális feszültség középértékével egyenlő, azaz

σz =

σr +σt 2

.

(3.125)

A (3.123) és (3.124) összefüggések felhasználásával a semleges szál helyzetét elméletileg is meghatározhatjuk abból a feltételből, hogy a semleges szálban a radiális feszültségek értéke a húzott és a nyomott övben azonos kell legyen, azaz a 126



−C k f ln

R r = −C k f ln N rN rb

(3.126)

egyenlet érvényes. Ebből elemi átalakítások után a semleges szál sugarára az rN = R rb ,

(3.127)

azaz a semleges szál sugara mértani középarányos a hajlított munkadarab külső (R) és belső (rb) sugara között. A hajlításnál ébredő feszültségek ismeretében meghatározható a hajlítás nyomaték szükséglete is. A nyomaték M = ∫ σ t dA,

(3.128)

A

általános összefüggésébe a tangenciális feszültség komponens kifejezését behelyettesítve külön-külön a húzott és a nyomott övre az alábbi kifejezést kapjuk: rN ⎡R⎛ ⎛ R⎞ r⎞ ⎤ M = bC k f ⎢ ∫ ⎜ 1 − ln ⎟ rdr − ∫ ⎜1 + ln ⎟ rdr ⎥ , r⎠ rb ⎠ ⎦⎥ rb ⎝ ⎣⎢ rN ⎝

(3.129)

amely integrálás és a határok behelyettesítése után az ⎛ r 2 Rr R 2 − 2rN2 + rb2 ⎞ M = bC k f ⎜ N ln 2b + ⎟ rN 4 ⎝2 ⎠

(3.130)

kifejezésre vezet. A (3.130) összefüggésbe a semleges szál sugarának (3.127) összefüggését behelyettesítve, valamint figyelembe véve az R - rb = s összefüggést a képlékeny hajlítás nyomatékára az M = C kf

bs 2 4

(3.131)

kifejezést kapjuk. Vegyük észre, hogy a (3.131) összefüggésben a bs2/4 kifejezés éppen a b×s keresztmetszetű lemez statikai nyomatékával egyenlő. A hajlítás erőszükségletét a hajlítás technológiai megvalósításától függően származtatható összefüggéssel határozhatjuk meg, abból az alapelvből kiindulva, hogy az alakító szerszámok tetszőleges helyzetében a munkadarabra átadott nyomatéka megegyezik a munkadarab képlékeny hajlításához szükséges nyomatékkal. Az erőszámítás előzőkben megfogalmazott elvét egy V-alakú matricában végzett süllyesztékes hajlítás erőszükségletének számításán keresztül mutatjuk be. Az alakítás közben fellépő erők erőjátékát a 3.48. ábra szemlélteti. A lemez keresztmetszetét terhelő nyomaték az M = Fr x

(3.132)

összefüggéssel számolható, ahol az erő x karját a 3.48. ábra alapján az x = rN cos

α 2

(3.133)

kifejezéssel, míg az Fr reakcióerő értékét a 3.48. ábrán feltüntetett erő vektorsokszögből az Fr =

F 2sin α / 2 127

(3.134)



összefüggéssel határozhatjuk meg. A (3.133) és (3.134) kifejezéseket, valamint a hajlítónyomaték előzőkben levezetett (3.131) összefüggését a (3.132) kifejezésbe helyettesítve, a hajlítás erőszükségletére az F = C kf

bt 2 α tg 2rN 2

(3.135)

kifejezést kapjuk.

3.48. ábra. V-alakú süllyesztékben végzett hajlítás erőjátéka A hajlításhoz szükséges munkát a bs 2 W = M α = Ck f α 4

(3.136)

kifejezéssel határozhatjuk meg, ahol a α hajlítási szöget jelöli. 3.5.1.4.3. A hajlítás szerszámai

A sikeres hajlítás alapvető feltétele az aktív szerszám elemek megfelelő kialakítása, a szerszám helyes konstrukciója. A hajlítás két alapesetét – V-alakú hajlítás, illetve U-alakú hajlítás – a szerszámelemek kialakítása szempontjából célszerű külön tárgyalni. A 3.49. ábrán V-alakú süllyesztékes hajlítás szerszámainak jellemző méreteit tüntettük fel. A hajlító bélyeg rb sugarát a munkadarab sugarához illeszkedően kell megválasztani, figyelembe véve a minimális megengedhető hajlítási sugárra korábban levezetett összefüggést is. A hajlító élek távolságát b = (5 ÷ 10) rb értékre, a matrica élek lekerekítését pedig a lemezvastagság két-háromszorosára rM = (2 ÷ 3) s értékre választjuk. A matrica üreg lekerekítési sugarát a R = (0,6 ÷ 0,8) (rb + s) értékűre célszerű választani. Ha utánnyomást (alaksajtolást) végzünk, akkor a matrica üreg lekerekítési sugara megegyezik a munkadarab külső sugarával. U-alakú hajlításnál különös gondot kell fordítani a hajlító élek kialakítására, továbbá a bélyeg és a matrica között u = s + 0, 2 s oldalankénti rés szükséges. U-alakú munkadarabok fenék domborodásának megelőzésére gyakran használnak ellenbélyeget, amely egyrészt a hajlító erőt csökkenti és a munkadarab matricából való eltávolítását is elvégzi.

128



3.49. ábra. V-alakú süllyesztékes hajlítás szerszámának jellemző méretei Amint a hajlítás alakváltozási és feszültségi állapotának elemzésénél is láttuk, a visszarugózás következtében a hajlított munkadarab alakja, a hajlítási sugár és a hajlítás szöge is megváltozik. Az előírt rádiusz és hajlítási szög, azaz a kívánt alakpontosság biztosítása érdekében a visszarugózás kompenzálására a hajlító szerszámoknál gyakran alkalmazunk túlhajlítást. U-alakú munkadarab gyártásánál alkalmazott billenő pofás hajlító szerszámot mutat a 3.50. ábra.

3.50. ábra. U-alakú munkadarab gyártása billenő pofás túlhajlító szerszámmal

129



Hajlítással gyakran állítunk elő alámetszett munkadarabokat is amelyek gyártása csak mozgó elemeket is tartalmazó, összetett szerszámokkal lehetséges. Egy ilyen szerszám konstrukciót mutat a 3.51. ábra. Az ábra felső részén a gyártandó munkadarab rajza, alatta a mozgó hajlító pofákkal rendelkező összetett hajlító szerszám vázlata látható. A szerszám – a munkadarab alakjából következően – több hajlító műveletet végez egy lépésben. A szerszám működése röviden az alábbiakban összegezhető. Az 1-jelű feladócsappal támasztott 2-jelű ék nem engedi elmozdulni a 3-jelű hajlító pofákat a hajlítás első szakaszában. A 4-jelű bélyeg lefelé mozgásával először egy U-alakú hajlítás történik, amely után a bélyeg homlokfelülete felütközik és ezáltal a hajlító pofák a ferde pályán elmozdulva elvégzik a „szárak” oldalirányú hajlítását is. A szerszám nyitásakor a ferde pályán elmozdulva a hajlító pofák visszatérnek a kiindulási helyzetbe, miközben a munkadarab a hajlító bélyegen marad és eltávolítása a bélyegről – éppen az alámetszett hajlított alak miatt – a szerszám felső holtponti helyzetének közelében csak oldalirányban lehetséges.

3.51. ábra. Hajlító szerszám ferde vezetésű mozgó hajlító pofákkal alámetszett munkadarab hajlítására

130



3.5.1.5. A mélyhúzás

A mélyhúzás a lemezalakítás egyik legszélesebb körben alkalmazott technológiai eljárása. Mélyhúzással sík lemezből, vagy üreges előgyártmányból üreges testet állítunk elő. E két lehetőséget szemlélteti a 3.52. ábra: először egy kör alakú sík lemezből egy kis magasságú, nagyobb átmérőjű üreges testet állítunk elő (ezt nevezzük kezdő húzásnak, vagy felállító húzásnak, mivel ezzel a művelettel állítjuk fel térbe a húzott edény palástfelületét a kiinduló sík lemezből), majd az így elkészített előgyártmányból további alakítással (tovább húzással) egy kisebb átmérőjű nagyobb magasságú üreges testet állítunk elő.

3.52. ábra. A mélyhúzás elvi vázlata: kezdő húzás sík lemezből és továbbhúzás üreges előgyártmányból A mélyhúzás két alapvetően különböző változata a falvékonyítás nélküli és a falvékonyító mélyhúzás. A falvékonyítás nélküli mélyhúzásnál (amelyet általában egyszerűen mélyhúzásnak nevezünk) a falvastagságot az alakítás során szándékoltan nem változtatjuk, míg a falvékonyító mélyhúzásnál a falvastagságot rendszerint jelentős mértékben csökkentjük. A mélyhúzó eljárásokat osztályozhatjuk a húzott munkadarab alakja szerint is. Ennek megfelelően beszélünk forgásszimmetrikus, dobozszerű (jellemzően négyszögszelvényű), illetve egyéb alakú alkatrészek mélyhúzásáról. A mélyhúzás alakváltozási állapota

A mélyhúzás során a lemez meglehetősen bonyolult alakváltozási folyamaton megy keresztül. Ennek szemléltetésére tekintsük a 3.53. ábrát. A 3.53. ábra a-részletén bejelölt AOB körcikk alakváltozását nyomon követve láthatjuk, hogy az aOb belső körcikkből képződik a munkadarab fenékrésze, amely csak igen kismértékű alakváltozást szenved, míg az AabB tartomány a húzás során merőlegesen „felállítva”, jelentős alakváltozáson megy keresztül és az edény palást felületét alkotja. Ebből a nagyon vázlatos leírásból is látható, hogy a palástot alkotó – eredetileg sík – lemezfelületen „anyagfelesleg” van: ezen az anyagrészen a tangenciális irányban ható nyomófeszültségek hatására jelentős rövidülés következik be. Ha ez a felület elég nagy, akkor a nyomófeszültségek hatására a 3.53. ábra b-részletén vázolt ráncosodás következik be. Mivel a ráncosodott darab tovább nem alakítható, illetve használatra általában alkalmatlan a ráncosodást meg kell akadályozni. Gyakorlati tapasztalatok alapján tudjuk, hogy ráncosodás nem lép fel a kezdő húzáskor, amennyiben a D/s < 40 feltételi egyenlet, illetve a D−d < 18 s összefüggés teljesül.

131

(3.137)



3.53. ábra. Vázlat a felállító mélyhúzás során bekövetkező alakváltozások és a ráncosodás szemléltetésére Ebben az esetben a mélyhúzás ráncgátló alkalmazása nélkül, sikeresen elvégezhető. A gyakorlati mélyhúzási feladatok többségénél ezek a feltételek nem teljesülnek, ezért a ráncképződést ráncgátló szerszámelem alkalmazásával kell megakadályozni. Ráncgátlóval végzett mélyhúzás elvi vázlatát mutatja a 3.54. ábra.

3.54. ábra. A ráncgátlós mélyhúzás elvi vázlata A ráncgátlós mélyhúzás folyamata az alábbiakkal jellemezhető: az 1 matricára helyezett lemezt a 3 ráncgátló leszorítja, majd a 2 húzóbélyeg elvégzi a mélyhúzást. Ebben az esetben az alakváltozási folyamat az erők szempontjából a ráncgátló nélküli húzáshoz viszonyítva kevésbé előnyös feltételek között megy végbe. A ráncgátlóval végzett mélyhúzásnál ugyanis feszültség növekmény keletkezik a ráncgátlón és a húzógyűrű lekerekítésén fellépő súrlódás, illetve a hajlítás és kiegyenesítés miatt. A ráncgátlós mélyhúzó eljárás további előnye, hogy segítségével peremes alkatrészek is előállíthatók. Ha a ráncgátló szorító ereje nem elégséges, akkor ráncok képződnek a lemezen, ha pedig túlzottan nagy, akkor ráncok ugyan nem képződnek, de leszakadhat a munkadarab feneke. Következésképpen a ránctartó erőt úgy kell megválasztani, hogy ráncosodás ne lépjen fel és az alkatrész szakadása se következzen be. A ráncgátló erő a 132



Q = Apr

(3.138)

A a ráncgátlóval szorított felület nagysága mm2-ben, pr a ráncgátló nyomás MPa-ban. A ráncgátló nyomás függ az alakváltozás mértékétől, a mélyhúzandó anyag vastagságától és tulajdonságaitól, valamint a matrica és a húzóbélyeg közötti rés nagyságától. Tapasztalat szerint a ráncgátló nyomást különböző anyagminőségeknél 1÷ 6 MPa között célszerű felvenni. Kezdőhúzásnál Siebel szerint a ráncgátló nyomás a ahol

⎡⎛ D ⎞3 0.5D ⎤ pr = (2 ÷ 3) × 10 ⎢⎜ − 1⎟ + ⎥ Rm ⎠ 100s ⎦⎥ ⎣⎢⎝ d −3

(3.139)

összefüggéssel számolható, ahol Rm a lemez anyagának szakítószilárdsága. Egyszeres működésű préseken végzett mélyhúzásnál a ráncgátlót működtethetjük acélrúgóval, gumi (poliuretán) rúgóval, vagy levegő, illetve folyadék nyomással. Legjobb eredmény a sűrített levegő alkalmazásával érhető el, mivel a pneumatikus ráncgátló, (vagy ahogy gyakran nevezik pneumatikus párna) szorító ereje a mélyhúzás közben nem változik. További előnye, hogy a ráncgátló erő könnyen szabályozható az alkalmazott sűrített levegő nyomásával. A húzások számának meghatározása

Mielőtt egy adott méretű és anyagú alkatrész előállításához szükséges húzások számának meghatározását ismertetnénk, szükséges bevezetnünk a húzási fokozati tényező és a húzási viszonyszám fogalmát. A falvékonyítás nélküli mélyhúzásnál az átmérőváltozás nagyságának jellemzésére a húzási fokozati tényezőt, illetve a húzási viszonyszámot használjuk. A húzási fokozati tényezőt (m) a húzóbélyeg átmérőjének és a kiinduló darab átmérőjének hányadosaként értelmezzük, azaz kezdő húzásnál az előhúzó fokozati tényező mo =

d1 D

(3.140)

míg a továbbhúzások során a tovább húzási fokozati tényezők az m1 =

d2 d d ; m2 = 3 ; ... mi = i+1 d1 d2 di

(3.141)

összefüggésekkel számolhatók. A húzási viszonyszámot a húzási fokozati tényező reciprok értékeként értelmezzük és β-val jelöljük. Értékét az alábbi összefüggésekkel számoljuk

βo =

1 D 1 d1 1 d1 1 d2 1 d = ; β1 = = ; β1 = = ; β2 = = ; βi = = i . (3.142) mo d1 m1 d 2 m1 d 2 m2 d3 mi di+1

Bár az ipari gyakorlatban a húzási fokozati tényező alkalmazása a gyakoribb, a húzási viszonyszám jobban jellemzi a mélyhúzás során megvalósított alakváltozást, mivel nagyobb húzási viszonyszámhoz nagyobb alakváltozás tartozik. A húzási fokozati tényező nagysága rendkívül fontos jellemzője a mélyhúzási folyamatnak. Meghatározásakor figyelembe kell venni, hogy megengedhető értéke számos tényezőtől függ, így például − a húzógyűrű és a húzóbélyeg közötti rés – az ún. húzórés – nagyságától, − a mélyhúzó szerszám anyagától, − a lemezzel érintkező szerszámelemek felületének állapotától, 133



− a kenőanyagtól és a kenés mértékétől, − valamint attól, hogy hányadik mélyhúzási műveletről van szó Minél nagyobbak a mélyhúzandó anyag képlékenységével kapcsolatos anyagvizsgálati mérőszámok (a Z kontrakció, és az A5 fajlagos nyalás) továbbá a fajlagos vastagság(s/D), általában annál nagyobb alakváltozást lehet megengedni, azaz annál kisebb lehet a húzási fokozati tényező. A húzási fokozati tényező értékét nagymértékben befolyásolja a húzógyűrű rM és a húzóbélyeg rB lekerekítési sugara. Kisebbre választható a húzási fokozati tényező, ha ezeket a rádiuszokat megnöveljük. Ha azonban túlzottan nagy a szerszámok lekerekítési sugara, akkor a mélyhúzás folyamán már a kezdeti stádiumban kikerül a lemez a ráncgátló alól, és ekkor ráncképződésre lehet számítani. A húzási fokozati tényező csökkentését teszi lehetővé a szerszám működő felületének kenés szempontjából kedvező megmunkálása, a megfelelő húzási sebesség, a ráncgátló nyomás és a húzórés, valamint a célszerűen választott kenőanyag alkalmazása. A húzási fokozatok meghatározásakor törekedni kell arra, hogy az adott méretű munkadarabot minél kevesebb húzási művelettel, de biztonságosan, szakadás veszélye nélkül, kevés selejttel állítsuk elő. A ráncgátlóval végzett mélyhúzási technológia ajánlott húzási fokozati tényező értékeit az 3.1. táblázatban, a ráncgátló nélküli mélyhúzás húzási tényezőit a 3.2. táblázat foglaltuk öszsze. 3.1. táblázat Húzási fokozati tényező mo m1 m2 m3 m4

2,0 ÷ 1,5 0,48-0,50 0,73-0,75 0,76-0,78

0,78-0,80 0,80-0,82

Fajlagos lemezvastagság, s/D [%] 1,5 ÷ 1,0 1,0 ÷ 0,6 0,6 ÷ 0,3 0,3 ÷ 0,15 0,50-0,53 0,53-0,55 0,55-0,58 0,58-060 0,75-0,76 0,76-0,78 0,78-0,79 0,79-0,80 0,78-0,79 0,79-0,80 0,80-0,81 0,81-0,82 0,80-0,81 0,81-0,82 0,82-0,83 0,83-0,85 0,82-0,84 0,84-0,85 0,85-0,86 0,86-0,87

0,15 ÷ 0,08 0,60-0,63 0,80-0,82 0,82-0,84 0,85-0,86 0,87-0,88

Hengeres alkatrészek ráncgátlóval végzett mélyhúzásának húzási fokozati tényezői 3.2. táblázat Húzási fokozati tényező mo m1 m2 m3 m4 m5

< 1,5 0,65 0,80 0,84 0,86 0,90 -

Fajlagos lemezvastagság, s/D [%] 1,5 ÷ 2,0 2,0 ÷ 2,5 2,5 ÷ 3,0 0,60 0,55 0,53 0,75 0,75 0,75 0,80 0,80 0,80 0,84 0,84 0,84 0,87 0,87 0,87 0,90 0,90 0,90

3,0 < 0,50 0,70 0,75 0,78 0,82 0,85

Hengeres alkatrészek ráncgátló nélkül végzett mélyhúzásának húzási fokozati tényezői A 3.1. táblázatban és a 3.2. táblázatban megfigyelhető, hogy a húzási fokozati tényezők értékei a húzások során növekednek mo < m1 < m2 < ... < mn

(3.143)

azaz, az egymást követő húzások során egyre kisebb alakváltozás valósítható meg. Az egymást követő húzási műveletek során a munkadarab átmérők az alábbiak szerint számíthatók ki:

134



d1 = mo D, d 2 = m1d1 = m1mo D, d3 = m1d 2 = m12 mo D,

(3.144)

.... d n = m1d n−1 = m1n−1mo D . A (3.144) összefüggés arra az esetre vonatkozik, ha a továbbhúzások során azonos (m1) továbbhúzási fokozati tényezőt alkalmazunk. A húzások során az n-ik lépésben érjük el a munkadarab előírt átmérőjét, így az erre az átmérőre vonatkozó összefüggésből a szükséges húzási műveletek száma a következő kifejezéssel számolható: n=

lg d n − lg ( m0 D ) + 1. lg m1

(3.145)

Természetesen a húzások száma csak egész szám lehet, ugyanakkor nyilvánvaló, hogy a (3.145) összefüggés általában nem egész számot eredményez. A számított n értékét értelemszerűen felfelé kell kerekíteni. A húzóműveletek közötti hőkezelés

A mélyhúzó műveletek során az alakított fém felkeményedik: a szilárdsági jellemzői (Rm, Rp, HB) növekednek, az alakváltozási jellemzők (A, Z) csökkennek, a további alakíthatóság feltételei romlanak. Az anyag felkeményedése a mélyhúzás során számos tényezőtől függ: − az anyag keményedőképességétől, − az alakítás mértékétől, − a húzóbélyeg és a húzógyűrű lekerekítési sugarától, − az alakítás sebességétől. A mélyhúzási művelet elvégezhetőségének feltételeit hátrányosan befolyásolja az a tény, hogy az alakváltozás eloszlása egyenlőtlen a munkadarabban. A paláston a húzási műveletek során egyre nagyobb alakváltozást szenved a lemez, ezért az alakítási szilárdsága is növekszik, a fenék-palást átmenet szilárdsága pedig gyakorlatilag változatlan marad, holott ez az anyagrész húzza át az edényt a húzórésen. Mindezek következtében a hőkezelés közbeiktatása nélkül az egymást követő húzási műveletek során egyre kisebb alakváltozás engedhető meg, azaz a húzási fokozati tényező értékét növelni kell, amint az a húzási fokozati tényezőket tartalmazó táblázatokból is látható. Ha a húzási műveletek között lágyítást alkalmazunk, akkor a továbbhúzásnál ismét nagyobb alakváltozást, azaz kisebb húzási fokozati tényezőt engedhetünk meg. Ezt követően a húzási fokozati tényezőt műveletről-műveletre ismét növelni kell az előzők szerint. Az előzőkből következik, hogy legkevesebb húzási művelettel akkor állítható elő egy adott munkadarab, ha minden húzás után lágyítást alkalmaznánk. A lágyítás és az azt követő felületkezelési műveletek viszont igen energia igényesek, költségesek, ezért általában a mélyhúzhatóság legmesszebbmenő kihasználására kell törekedni. A két lágyítás között végezhető húzási műveletek száma, az előzőkben említett tényezőket is figyelembe véve, gazdaságossági számítással határozható meg. A 3.3. táblázatban tapasztalati értékek találhatók a két húzás között, a 3.1. táblázat szerinti húzási fokozati tényezőkkel végezhető húzási műveletek számára vonatkozóan.

135



3.3. táblázat Anyagminőség Húzási műveletek száma két lágyítás között Mélyhúzó acél 3÷4 Alumínium 4÷5 Sárgaréz 2÷4 Réz 1 ÷ -2 Austenites korrózióálló acél 1÷2 Magnézium ötvözetek 1 Tután ötvözetek 1 Közbenső lágyítás nélkül végezhető húzóműveletek száma Ha minden műveletben csökkentjük az alakváltozás mértékét, akkor növelhető a két lágyítás között elérhető összes alakváltozás nagysága. Például a sorozathúzó préseken (erről később lesz szó) szalagból 6-8 húzási művelettel is végezhető alkatrészgyártás. A mélyhúzás tervezésekor a hőkezelés szükségességének elbírálásához gyakran a megengedett alakítási mértéket vesszük alapul. Az alakítás mértékét mélyhúzásnál a fajlagos keresztmetszet-csökkenéssel szokás jellemezni: q=

Ao − A Ao

(3.146)

ahol Ao és A a mélyhúzandó darab alakítás előtti és alakítás utáni keresztmetszetét jelöli. A lágyítás szükségessége szempontjából a maximális alakítást szenvedő lemezrész alakváltozása a mérvadó. Ez a hely a mélyhozott darab peremén adódik, ezért a qö a munkadarab méreteiből a q=

A0 − A D π s − d π s d = = 1− A0 Dπ s D

(3.147)

kifejezéssel számítható. Az ily módon meghatározott qö alakváltozást a lemez anyagára megengedett qmeg alakváltozás értékével hasonlítjuk össze a közbenső lágyítás szükségességének eldöntése érdekében. Mivel falvékonyítás nélküli mélyhúzást elemzünk, ahol a falvastagságot szándékoltan nem változtatjuk, ezért a falvastagságot első közelítésben állandónak tekintve az egyes mélyhúzási lépésekben bekövetkező alakváltozásokat a d1 = 1 − m0 D, D d q2 = 1 − 2 = 1 − m0 m1 , D d q3 = 1 − 3 = 1 − m0 m12 , D ....... d qk = 1 − k = 1 − m0 m1k −1 , D q1 = 1 −

(3.148)

összefüggésekkel számolhatjuk, amelyek felhasználásával a soron következő lágyításig végezhető mélyhúzások száma a k=

lg (1 − qmeg ) − lg m0 lg m1

136

+1

(3.149)



kifejezéssel határozható meg. A teríték méretének meghatározása

A falvékonyítás nélküli mélyhúzással készített edény falvastagsága nem állandó. Ennek az az oka, hogy a lemez alakváltozása a mélyhúzás folyamán változik. A 3.55. ábrán a φz görbe a húzott edény meridián görbéjén mért ívhossz függvényében mutatja a vastagságirányú alakváltozást. Látható, hogy a palást-fenék átmenetben, a c pont környezetében jelentős falvastagodás jön létre, ugyanakkor az edény fenekének falvastagsága gyakorlatilag változatlan. Mint az ábrából is megfigyelhető a falvastagság közepes értéke (sk) eltér a kiinduló so vastagságtól. Az sk közepes falvastagságot számos tényező befolyásolja, például az alakító szerszám, a lemez anyaga, a ráncgátló nyomás, a húzások száma, stb.

3.55. ábra. Az alakváltozási eloszlás hengeres munkadarab mélyhúzásánál A közepes falvastagság a tapasztalat szerint szorosan összefügg a fajlagos húzófelülettel, amelyet a 3.56. ábrán a vonalkázott bi területek összegének és a bélyeg területének hányadosaként számolhatjuk ki:

D02π d 2π D−d 2 − − dπ D0 − d ) ( 4 4 2 As = = dπ 4d

(3.150)

3.56. ábra. Vázlat a fajlagos húzófelület meghatározásához A fajlagos húzófelület és a közepes falvastagság között összefüggést a nyúlási tényező (α) bevezetésével jellemezzük. A nyúlási tényezőt a közepes és a kezdeti vastagság hányadosaként értelmezzük: 137



α=

sk s0 .

(3.151)

Kísérleteknél azt tapasztalták, hogy a fajlagos húzófelület növekedésével arányosan csökken a nyúlási tényező, vagyis csökken a mélyhúzott munkadarab közepes falvastagsága.

3.57. ábra. Vázlat hengeres munkadarab terítékének meghatározásához A teríték átmérője a térfogat-állandóság feltételéből határozható meg. Ha az edényfenék lekerekítését elhanyagoljuk (rB≈0), akkor a 3.57. ábra szerint az alábbi összefüggés írható fel D02π d 2π s0 = k sk + d k π ( h + h ') sk , 4 4

(3.152)

ahol h’ a körülvágási ráhagyás. Az edény széle a húzás után egyenlőtlen, a szükséges alakot körülvágással érjük el. A h’ körülvágási ráhagyást az anyagminőség és a mélyhúzási műveletek jellemzői befolyásolják. A ráhagyás nagyságát az edény kész magasságának 2-10 %-ára szokás választani, azaz értéke a h’=(0,02-0,1)h összefüggéssel számolható. A (3.152) összefüggésből a teríték átmérője D0 =

sk 2 ⎡⎣ d k + 4d k ( h + h ') ⎤⎦ = α ⎡⎣ d k2 + 4d k ( h + h ' ) ⎤⎦ . s0

(3.153)

A nyúlási tényezőt legtöbbször nem áll módunkban meghatározni. Ilyenkor közelítésként α=1-el számolunk, azaz tulajdonképpen eltekintünk a lemezvastagság változásától, a terítéket felületállandósággal számoljuk. Összetett forgástest alakú mélyhúzott edények felülete a Pappus-Guldin tétellel határozható meg, amely szerint a forgási felület nagysága egyenlő a meridián görbe szakasz L ívhoszszának és ezen görbe súlypontja által leírt Rs sugarú kör kerületének szorzatával, azaz A=L·2πRs. A számításnál a meridián görbét elemi szakaszokra bontva meghatározzuk a szakaszok Li ívhosszát és a súlypontok forgástengelyétől mért ri sugarát. A teríték átmérője a felületállandóságból a következő összefüggéssel számítható: n D02π = 2π ∑ Li ⋅ ri , 4 i =1

138

(3.154)



amelyből a teríték átmérő n

D0 = 8∑ Li ⋅ ri . i =1

(3.155)

A mélyhúzott edény meridián görbéjének Rs súlypontsugara, mint az egyes ívhosszvektorok eredőjének helye, a 3.58. ábrán látható módon, kötélsokszög szerkesztése révén is meghatározható.

3.58. ábra. Vázlat összetett forgásszimmetrikus munkadarab terítékének meghatározásához Ennek ismeretében a felületállandóság feltétele, a Pappus-Guldin tételt is figyelembe véve: n D02π = 2π Rs ⋅ ∑ Li , 4 i =1

(3.156)

amelyből a teríték átmérő n

D0 = 8 Rs ⋅ ∑ Li . i =1

(3.157)

A teríték Ro=Do/2 sugara grafikusan is meghatározható. A (3.157) összefüggés értelmében ugyanis n

R0 = 2rs ⋅ ∑ Li , i =1

139

(3.158)



amelyből jól látható, hogy az Ro a 2rs és a ΣLi mértani középarányosa. Ezért, ha a ΣLi+2rs átmérőre a 3.58. ábrának megfelelően Thales kört rajzolunk, akkor a kör átmérőjének a ΣLi és a 2rs szakaszai között szerkeszthető magasság vonal hossza az Ro teríték sugarat adja. 3.5.1.6. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás feszültségi állapotának elemzése

A mélyhúzási műveletek technológiájának tervezésekor rendkívül fontos az alakításhoz szükséges erő és munka, valamint az alakváltozások eloszlásának meghatározása. Ezzel ellenőrizhető az alakító művelet elvégezhetősége, illetve az alakítógép kiválasztásának helyessége. Az alakító erő és munka meghatározásához szükséges a mélyhúzás feszültségi és alakváltozási állapotának elemzése. A mélyhúzási folyamat vizsgálatakor megállapítható, hogy az alakítás során az edény falában ébredő feszültség általános esetben az alábbi feszültségkomponensekre bontható: − a teríték bélyegen kívül levő részének alakításához szükséges radiális feszültség, − a ráncgátló alatt elcsúszó lemez súrlódásának legyőzéséhez szükséges radiális feszültség, − a húzóél lekerekítésén való áthúzásnál fellépő súrlódás legyőzéséhez szükséges feszültség, − a húzóél lekerekítésén a lemez meghajlításához, illetve a kiegyenesítéséhez szükséges axiális feszültség. A feszültségi állapot elemzéséhez tekintsük a 3.59. ábrát.

3.59. ábra. A mélyhúzásnál a lemezben ébredő feszültségek egyensúlya

140



Az ábrán feltüntetett I. zónából az alakítás szempontjából célszerűen kivett térfogatelemre ható erők egyensúlyát felírva az alábbi egyenletet kapjuk: dα (3.159) (σ r + dσ r )( r + dr ) sdα − σ r rsdα − 2σ t sdr sin = 0 . 2 A másodrendűen kicsiny tagokat elhagyva, és a sin (dα/2) ≈ dα/2 közelítést felhasználva, elemi átalakítások után a dσ r σ r − σ t + =0 dr r

(3.160)

egyenletet kapjuk, amelyben a σr és a σt nem független változók, mivel az alakítási zónában teljesülni kell a

σ1 − σ 3 = k f

(3.161)

folyási feltételnek. Az alakváltozásokat vizsgálva megállapítható, hogy az I. zónában φr > 0 és φt < 0, amely alapján – a Hencky-féle összefüggéseket is figyelembe véve – a folyási feltétel

σr −σt = k f

(3.162)

alakban írható fel. A folyási feltételt a (3.160) differenciál egyenletbe behelyettesítve, a változók szétválasztásával az alábbi differenciál egyenlethez jutunk: dσ r = − k f

dr , r

(3.163)

amelyből a határozatlan integrálást elvégezve a radiális feszültség komponensre a

σ r = − k fm ln r + ln C

(3.164)

kifejezést kapjuk. (Az integrálásnál a kf alakítási szilárdságot állandónak tekintettük és a kfm közepes alakítási szilárdsággal helyettesítettük. Az integrációs állandót a megoldás során célszerűségi okokból ln C formájában írtuk fel.) Mivel az eddigi elemzés során a ráncgátlót tökéletesen simának (súrlódás mentesnek) tételeztük fel, ezért a lemezteríték szélén, azaz az r = R helyen a σr = 0 peremfeltétel írható fel. A teríték tetszőleges r sugárral jellemezhető helyén a feszültség σr(r). Mindezek figyelembevételével a radiális feszültség komponensre elemi átalakítások után a

σ r = k fm ln

R r

(3.165)

kifejezést kapjuk. Figyelembe véve a (3.162) összefüggéssel felírt folyási feltételt, a tangenciális feszültség a ⎛ ⎝

σ t = − k fm ⎜ 1 − ln

R⎞ ⎟ r⎠

(3.166)

összefüggéssel számolható. A feszültségi állapot eddigi elemzésének eredményeiből meghatározható a húzási fokozat elméleti határértéke. A mélyhúzási művelet ugyanis csak akkor végezhető el sikeresen, ha a mélyhúzott edény falában (azaz az r = rk) helyen sem haladja meg a munkadarab anyagának e helyen mérhető alakítási szilárdságát, azaz teljesül a 141



σ r ,max = σ r ( r = rk ) = k fm ln

R = k fm rk

(3.167)

feltételi egyenlet. A (3.167) egyenletből elemi átalakítások után az R/rk=e következik, ahol e = 2,718 a természetes logaritmus alapja. Figyelembe véve, hogy 2R = D a kiinduló teríték átmérője és 2rk = dk a húzott edény falának közepes sugara, a húzási fokozati tényezőre az m=

dk 1 = = 0.368 D e

(3.168)

összefüggés adódik, azaz a kezdőhúzás húzási fokozati tényezőjének elméleti határértéke a természetes alapú logaritmus alapjának reciprok értékével egyezik meg. Az eddigiekben ideális, súrlódás mentes állapotot elemeztünk. A valóságos mélyhúzási körülmények között azonban mind a ránctartón, mind pedig a húzógyűrű lekerekítésén súrlódás lép fel. Egyrészt ennek a súrlódásnak a leküzdéséhez szükséges többletfeszültségnek tulajdoníthatóan, másrészt a húzógyűrű rádiuszán bekövetkező hajlítás miatt sem érhető el az elméleti húzási viszony. Ezek a járulékos terhelések a húzás közben ugyanis annyira megnövelik a húzás erőszükségletét, hogy ilyen húzási fokozat alkalmazásával a húzandó csésze feneke leszakadna, mielőtt még a lemez teríték számottevő alakváltozást szenvedett volna. A ráncgátló az esetek nagy részében nem hagyható el: valóságos mélyhúzási körülmények között a ráncgátlón súrlódás lép fel. A súrlódásból adódó járulékos komponens meghatározásához kövessük az alábbi elemzést. A ráncgátló alatt elmozduló lemez a húzás folyamán a peremén vastagodik meg legjobban. Ezért a Q ráncgátló erőt a számításokban Q/2Rπ vonal mentén megoszló erővel vesszük figyelembe. A sugár irányban elcsúszó lemez alsó és felső felületén súrlódik, ezért a fellépő vonal mentén megoszló súrlódó erőt a lemeztárcsa peremének felületére vonatkoztatjuk. Ennek figyelembevételével a ráncgátló alatti súrlódásból adódó feszültség a lemeztárcsa peremén a

σ rQ =

2 μQ 2 Rπ s

(3.169)

összefüggéssel számolható, ahol μ a súrlódási tényező, amely a kenéstől és a lemez anyagától függően 0,05÷0,15 között változik. A lemez behúzásához szükséges radiális feszültség azzal a peremfeltétellel számítható, hogy az r = R helyen σr = σrQ, azaz

σ r ( r = R ) = σ rQ =

2μQ , 2 Rπ s

(3.170)

ahol az R teríték külső sugara az adott mélyhúzási stádiumban. A húzógyűrű lekerekítésén való áthúzás a fellépő súrlódáson kívül még a lemez rM sugárral való hajlításával és azt követően pedig a kiegyenesítésével is jár, amely további járulékos feszültséget eredményez. A 3.60. ábra jelölésével dz hosszúságú, b szélességű és so vastagságú lemezt rM sugarúra kell alakítani a húzás során. A képlékeny hajlítás M nyomatéka egy elemi dγ szögelfordulás alatt bs 2 dW = M d γ = k f dγ 4 munkát végez. Ezt a munkát a Δσz’ feszültséggel hozzuk létre, amelyet a

142

(3.171)



s⎞ ⎛ dW = Δσ sb dz = Δσ sb ⎜ rM + ⎟ d γ 2⎠ ⎝

(3.172)

kifejezéssel határozhatunk meg, ahol a dz = (rM + s/2)dγ helyettesítést alkalmaztuk. A két munka egyenlőségéből a húzógyűrű rádiuszán bekövetkező hajlítás járulékos feszültség igényére a Δσ z, = k fm

s 4 ( rM + s / 2 )

(3.173)

összefüggést kapjuk.

3.60. ábra. Vázlat a húzógyűrű rádiuszán végzett hajlítás járulékos feszültségének számításához A meghajlított lemez kiegyenesítéséhez szükséges járulékos feszültség komponenst a hajlítás feszültség igényével azonosnak véve, a hajlítás-kiegyenesítés összegezett járulékos feszültség igényét a Δσ z, = k fm

s 2 ( rM + s / 2 )

(3.174)

kifejezéssel számolhatjuk. Az előző levezetések figyelembevételével a mélyhúzás radiális feszültség komponense a (3.165), a (3.169) és a (3.174) kifejezések összegeként írható fel, azaz ⎡

σ r = k fm ⎢ ln ⎢⎣

⎤ R μQ s + + ⎥. r k fm Rπ s 2 ( rM + s / 2 ) ⎥⎦

(3.175)

A (3.175) kifejezéssel meghatározható sugár irányú feszültséget axiális erővel hozzuk létre úgy, hogy a lemez a húzógyűrű (rM) rádiuszán elcsúszva súrlódik. Ezért a kötélsúrlódás képletének analógiájára számolható az axiális irányú feszültség a munkadarab mélyhúzott hengeres palástjában a ⎡

σ z = σ r e μ a = k fm ⎢ln ⎢⎣

⎤ μα R μQ s + + ⎥e , r k fm Rπ s 2 ( rM + s / 2 ) ⎥⎦

(3.176)

ahol α a súrlódó lemezív szöge. Értéke az első húzásnál α=0,5 π. A mélyhúzási technológia tervezésekor a maximális húzófeszültséget keressük, ugyanis ennek figyelembevételével számíthatjuk a szükséges húzóerőt, illetve a maximális húzófe143



szültség okozhatja a nem kívánatos fenékszakadást is. Könnyen belátható, hogy nem a húzás kezdetén legnagyobb a σz feszültség, mivel ekkor még az alakítási szilárdság a legkisebb. De nem is a húzás végén, mivel ekkor már az alakítandó teríték egyre kisebb. A húzófeszültség maximumához tartozó teríték-sugár a húzási viszonytól és a lemez anyagának keményedési kitevőjétől függ. Elméleti és kísérleti vizsgálatok szerint a maximális húzófeszültség akkor lép fel, amikor a teríték átmérője 2R = 0,77 Do = dp-re csökken. Ezt az értéket a (3.176) összefüggésbe behelyettesítve a húzófeszültség maximumára ⎡

dp

⎣⎢

dk

σ z ,max = k fm ⎢ln

+

⎤ μα 2 μQ s + ⎥e k fm d pπ s 2 ( rM + s / 2 ) ⎦⎥

(3.177)

adódik. A (3.177) összefüggéssel az alakító erő maximumára az Fmax = d kπ s σ z ,max

(3.178)

kifejezést kapjuk. Az alakítás munkaszükségletét a maximális mélyhúzó erő ismeretében a W = cFmax h

(3.179)

összefüggéssel határozhatjuk meg, ahol h a húzott edény magassága, a c tényező pedig a húzóerő-bélyegelmozdulás diagram kitöltési tényezője. Értéke c= 0,5 ÷ 0,7 között változik. A kisebb érték a vékony lemezek, a nagyobb a vastagabb lemezek húzásakor vehető figyelembe. 3.5.1.7. A falvékonyítás nélküli mélyhúzás szerszámtípusai

Az elterjedten használt forgattyús préseken alkalmazott mélyhúzó szerszámok ráncgátlóval, vagy ráncgátló nélkül működnek. Első mélyhúzási művelethez alkalmazható ráncgátló nélküli szerszámot mutatunk be a 3.61. ábra a-részletén. A mélyhúzott darab húzóbélyegről való lehúzását a szerszámban kiképzett váll végzi. A lehúzásnak ez a módszere megbízhatóan csak elegendően vastag lemezeknél alkalmazható, vékony lemezből húzott darabok lehúzásához speciális lehúzóra van szükség.

3.61. ábra. Ráncgátló nélküli szerszámok a) áteső munkadarabbal; b) kilökővel ellátott szerszám Rugós kidobóval ellátott ráncgátló nélküli szerszámot szemléltet a 3.61. ábra b-részlete. A matricába szoruló munkadarab eltávolítását az 1 kidobó végzi, amelyet rugós párna működtet a 3 feladó csapok segítségével. A mélyhúzott darab bélyegről való lehúzását a szerszám viszszajárásakor a 2 felső kidobó végzi. A ráncgátló nélküli továbbhúzó szerszámok konstrukciója hasonló az előzőekben tárgyalt szerszámokéhoz, eltérés elsősorban az előgyártmány tájolását szolgáló felületek kiképzésében van. 144



A ráncgátlós mélyhúzó szerszámokban az 1 mélyhúzó bélyeget a szerszám alaplapjára szerelik, a 3 húzógyűrűt pedig a felső szerszámfélre. A mélyhúzandó lemeztárcsa peremét az 5 feladócsapokkal működtetett 2 ráncgátló szorítja a húzógyűrű homlokfelületéhez, a mélyhúzott darabot a 4 kidobó távolítja el a matricából. Ezt a szerszámtípust főként hengeres vagy alakos, vékonyfalú munkadarabok tömeggyártására alkalmazzák. Az első húzási műveletekhez használt szerszámban (3.62. ábra, a-részlete) a tárcsa tájolására a ráncgátlóba 7 rugós csapokat építenek, a második és a további mélyhúzási művelethez (3.62. ábra, b-részlete) a ráncgátlót cső alakúra képezik ki.

3.62. ábra. Ráncgátlós mélyhúzó szerszámok a) kezdő húzás; b) továbbhúzás 3.5.1.8. Mélyhúzható anyagok és vizsgálatuk

Mélyhúzásnál az anyag igénybevétele összetett és igen jelentős. Ezt az igénybevételt csak megfelelő tulajdonságú anyag képes elviselni. A munkadarab alkalmazási területe meghatározza az anyag szükséges tulajdonságait, illetve a felhasználható anyagok választékát; az anyag választásánál azonban figyelembe kell venni az anyag alakíthatóságát is. Az alakíthatóságot az anyag kémiai, mechanikai tulajdonságai és az alkalmazott technológia jellemzői együttesen határozzák meg. Mélyhúzással legnagyobb mennyiségben acélból, kisebb mennyiségben színes- és könnyűfémekből gyártott finomlemezeket, illetve ezekből készült szalagot, tárcsát dolgoznak fel. Az acélok közül a mélyhúzás követelményeinek a kis karbon tartalmú, ötvözetlen lágyacél felel meg. A karbon tartalom nem lehet nagyobb 0,2 %-nál, de nagy mélyhúzó igénybevételnél 0,1 % a határ. Ugyanígy a mangán, szilícium, foszfor- és kén tartalom is minimális értékű kell legyen. Ezenkívül különbséget kell tenni a csillapítatlan, a félig csillapított és a csillapított acélok között, amelyek a fémben oldott gázok (nitrogén, oxigén, hidrogén) mennyiségében térnek el egymástól. A csillapítatlan acélok öregedésre hajlamosak, ezért feldolgozásuk során számos nehézséggel kell számolni. A kémiai összetétel mellett fontos jellemzője a lemezeknek a keménységi fokozat és a felületi minőség. A keménységi fokozat szerint különbséget teszünk lágyított (szabványos jele: L), lágyított és dresszírozott (LS) és kemény (K) lemezek között. A különböző keménységi fokozatú lemezek alapvetően az alakítottság mértékében különböznek. Nagymértékű alakításhoz, illetve bonyolult alkatrészek mélyhúzásakor legkedvezőbb az LS dresszírozott minőség

145



alkalmazása, amelyet lágyítás után a vastagság néhány százalékos csökkentésével utánhengerelnek. A lemezek felületi minősége tekintetében meghatározó a lemezgyártásnál alkalmazott hengerlési eljárás és az utánkezelés módja, de nem elhanyagolható szerepe van a gyártás gondosságának is. E szerint megkülönböztetünk melegen hengerelt (szokványos jele: F, mivel feketék az így előállított lemezek), melegen hengerelt és pácolt (P) és hidegen hengerelt (H) minőségeket. A lemezminőségeket a feldolgozhatóság szempontjából a szabvány hajlítható szabványos jele (H), sajtolható és húzható (S), mélyhúzható (M), kiválóan mélyhúzható (K) és öregedésálló (Ö) minőségekre osztja. A lemez felületének jósága, amely szorosan összefügg a mélyhúzhatósággal, a felületeken előforduló hibák jellegétől, nagyságától és gyakoriságától függ. A lemezeken előforduló leggyakoribb felületi hibák acélgyártási, illetve öntödei hibák: ilyenek a hólyagok, a rétegződés, a salak- és egyéb nemfémes zárványok a lemez felületén. A hengerművi hibák közé tartoznak a tuskó hevítésekor a revésedésből, a hibás hengerfelületből, a lemez felületbe hengerelt szennyeződésből eredő hibák, valamint a ráncok, a gyűrődések, a hullámosság, a szélrepedés és a vastagsági eltérés. Ide sorolhatók még a lágyításkor, a pácoláskor, a mosáskor, a szárításkor, a kikészítéskor és a gondatlan szállításkor és tároláskor keletkező felületi hibák is. Nem tartoznak szigorúan véve ide a lemez úgynevezett rejtett hibái, amelyek a lemez felületén a feldolgozás során megjelenő felületi hibákat okoznak. Ilyenek a lemez belsejében található nagymértékű dúsulások, nemfémes zárványok és a rétegesség. A felület jósága szempontjából 4 kategóriába sorolhatók a lemezek; a legjobb minőségű az 1-es, amelyen a lemez egyik oldala gyakorlatilag hibamentes, a másik oldalon is csak enyhe érdesség és apróbb karcok lehetnek, elszíneződés a lemez szélein csak keskeny csíkban megengedett. A 2-es, 3-as kategóriában kisebb érdesség, pórusosság, karc, futtatási elszíneződés, jól tapadó oxidhártya is megengedett. A 4-es minőségű osztályban reveréteg is lehet a lemez mindkét oldalán. A leggyakrabban használatos ötvözetlen lágyacél finomlemezek tulajdonságait az MSZ 23 szabvány foglalja össze. A finomlemez minőségi jelében az első betű a feldolgozhatóságra utal, a második helyen álló szám a felületi minőség jele, a harmadik helyen a hengerlési eljárás és az utókezelés jele van, pl. a mélyhúzásra legmegfelelőbb minőség K1H jelű finomlemez. A lemezek mélyhúzhatóságáról a kémiai összetétel, a felületi minőség, a mechanikai tulajdonságok közvetlen megítélésére egyszerűen elvégezhető technológiai vizsgálatokat dolgoztak ki. A sokféle vizsgálati módszer közül a hazánkban leginkább elterjedteket tekintjük át. Az egyik legelterjedtebb vizsgálati eljárás jelenleg az Erichsen-féle mélyítő próba. E vizsgálattal tulajdonképpen a lemez szakadásig elviselt nyúlását – azaz a nyújthatóságát – állapítjuk meg kéttengelyű húzó-igénybevétel mellett. A vizsgálat szerszámának elrendezése a 3.63. ábrán látható. A próbatest mérete 70x70 mm, a vastagsága a lemez vastagságának megfelelő (általában 0,2-2 mm). Megjegyezzük, hogy a keskenyebb, illetve a vékonyabb szalagok mélyítő vizsgálatához kisebb átmérőjű szerszámokat kell használni. A lemezpróbát szorosan megfogva, a mélyítés helyén kenést alkalmazva kell a repedés megjelenéséig a vonatkozó szabványban előírt feltételek között 5-10 mm/min sebességgel mélyíteni. Az Erichsen-féle mélyítési szám, amelyet IE-vel jelölünk, a repedés megjelenésekor mérhető mélység mm-ben kifejezett értéke. A vizsgáló eljárás előnye egyrészt, hogy az alakváltozott rész felületének minősége jellemző a lemez anyagának szemcsenagyságára, ugyanis a durva szemcséjű lemez narancshéjra emlékeztető felületű lesz, másrészt a repedés alakja, illetve a repedés környezetében kialakuló kontrakciós vonal jellemző a lemez síkbeli anizotrópiájára. 146



3.63. ábra. Az Erichsen-féle mélyítő vizsgálat elvi vázlata Az Erichsen vizsgálat eredménye a végrehajtás és a kiértékelés szubjektív hibái miatt csak nagy szórással jellemzi a lemezanyagot. Hiányossága továbbá, hogy a kapott eredmények nem adnak tájékoztatást közvetlenül a mélyhúzhatóságra, mivel a lemez feszültségi és alakváltozási állapota a mélyhúzásnál és az Erichsen vizsgálatnál eltérő. Az Erichsen szám alapvetően nem az anyag mélyhúzhatóságát, hanem annak nyújthatóságát jellemzi (ez viszont fontos alakíthatósági jellemző a mélyhúzás egyik különleges vállfajának tekinthető karosszéria elemek gyártásánál az autóiparban). Nehézséget okoz még az is, hogy a mélyítési szám a lemezvastagságtól is függ. Mindezek ellenére különféle lemezek mélyhúzhatóságának összehasonlító értékelésére alkalmas, mivel nagyobb Erichsen számhoz, jellemzően jobb mélyhúzhatóság tartozik. A mélyhúzási folyamatot pontosabban modellezi a csészehúzó vizsgálat (MSZ 5731). A vizsgálathoz alkalmazott szerszám a 3.64. ábrán látható. A d1=33 mm átmérőjű húzótüskéhez, húzógyűrű sorozat tartozik a vizsgálandó lemezvastagságoknak megfelelően. E szerszámban a vizsgálandó lemezből készült különböző átmérőjű (a szabvány szerint 58-74 mm között 2 mm-el növekvő) tárcsákat mélyhúzunk, kísérletileg meghatározott optimális ráncgátló nyomást és megfelelő kenést alkalmazva. A vizsgálat eredménye a még éppen kihúzható legnagyobb tárcsa átmérője, amelyet IG-vel jelölünk.

3.64. ábra. A csészehúzó vizsgálat elvi vázlata Az eredményt befolyásolja a húzóbélyeg lekerekítési sugara is. Ezért általános minősítéskor különböző lekerekítésű húzótüskék (R=5mm, R=12 mm, R=16,5 mm) közül a szabvány előírásait figyelembe véve, kétféle lekerekítésű nyomófejjel húzva határozzuk meg a kihúzható IG tárcsaátmérőt. A kapott eredményeket a bélyeglekerekítés szerint rendre IGL, IGA, IGFfel jelöljük. Ha a mélyhúzott termék alakja ismert, akkor a vizsgálatot azzal az egyetlen nyo147



mófejjel kell elvégezni, amelynek alakja legjobban megközelíti a termék geometriai viszonyait. A lemez mélyhúzhatósága annál jobb, minél nagyobb tárcsát lehet belőle kihúzni. A mélyhúzott csészék vizsgálatával számszerűen is értékelhető a lemez fülesedési hajlama, amely a képlékenységi anizotrópiával függ össze. A fülesedés alatt azt értjük, hogy a húzott edény peremének magassága jellemzően négy kiugró csúcs között folyamatosan változik (ezeket a csúcsokat nevezi a szakzsargon füleknek). A fülesedés mértékét az f =

∑H

max

− ∑ H min

∑H

min

(3.180)

értékkel jellemezzük. A fülesedés mértékének függvényében becsülhető a mélyhúzás tervezésekor a körülvágási ráhagyás nagysága. A (3.180) képletben a Hmax a füleknél, a Hmin fülek között mérhető csészemagasság. Az előzőkből is látszik, hogy a lemez anizotrópiája a mélyhúzás során fontos szerepet játszik. A képlékenységi anizotrópia annak a következménye, hogy a lemezt a gyártás során gyakorlatilag csak egy irányban alakítják (hengerlik). Ezért a fém csúszási síkjai közel azonos irányba állnak be, ún. alakítási textúra alakul ki. A nemfémes záródmányok és a dúsulások is az alakítás irányába rendeződnek. Ez a rendezettség nem szűnik meg teljesen a hőkezeléssel. Jó minőségű mélyhúzó lemezek gyártásához a megfelelő vegyi összetétel mellett, az alakítások és a hőkezelések gondos összehangolása is szükséges. A lemezek képlékenységi tulajdonságát tekintve különbséget kell tenni a normális irányú anizotrópia (az ún. normál anizotrópia), és a síkbeli anizotrópia között. A normál anizotrópia jellemzésére a szélesség és vastagság irányú valódi nyúlás hányadosát használjuk, amelyet az ⎛b ⎞ ln ⎜ o ⎟ ϕ b r= b = ⎝ ⎠ s ϕs ⎛ ⎞ ln ⎜ o ⎟ ⎝ s⎠

(3.181)

összefüggéssel, a lemez szakítóvizsgálatával határozhatunk meg. A (3.181) kifejezésben bo, so a lemez szakítópróbatest kezdeti, b, s pedig a megállapodás szerinti – általában ε=20 % – fajlagos nyúláshoz tartozó keresztmetszet méreteit jelöli. A jó mélyhúzhatósághoz az szükséges, hogy a lemez vastagsági irányában kevésbé alakváltozzon. Ez a feltétel az r > 1 értékeinél teljesül. A lemez síkbeli anizotrópiája (amelyet Δr-rel jelölünk) a hengerlési irányához képest különböző szögben kivett próbákon mért normál anizotrópia értékekből határozható meg a következő összefüggéssel: Δr =

1 ( ro − 2r45 + r90 ) , 2

(3.182)

ahol ro, r45, r90 rendre a lemez hengerlési irányával rendre 0o, 45o, illetve 90o-ot bezáró irányban kimunkált szakító próbatesten mért normál anizotrópia értékét jelöli. A lemezek jellemzésére használjuk normál anizotrópia közepes értékét, az ún. Lankford számot is, amelyet az alábbi összefüggéssel határozunk meg: r=

ro + 2r45 + r90 . 4

148

(3.183)



A lemez mélyhúzhatósága – amelyet a βmax húzási viszony nagysága és az IG értéke jól jellemez – a normál anizotrópia közepes értékétől ( r ) függ. Ennek nagy értékénél egyrészt növekszik a lemez anyaga által elviselt fenékszakító erő, másrészt csökken az alakváltozáshoz szükséges behúzó feszültség nagysága, és kevésbé változik a lemez vastagsága. Másrészt, minél kisebb a síkbeli anizotrópiát jellemző Δr, annál kevésbé hajlamos a lemez mélyhúzáskor fülesedésre. Az előzőkből következően tehát a jól mélyhúzható anyag nagy ( r >> 1) normál anizotrópiával és kis (Δr ≈ 0) síkbeli anizotrópiával jellemezhető. Ilyen meghatározott kristálytani textúrával rendelkező lemezt szabályozott hengerléssel (az alakváltozást és az újrakristályosodást is szabályzó termo-mechanikus eljárással) állíthatunk elő. 3.5.2. Térfogatalakító eljárások

A térfogatalakító eljárások csoportjába azokat a képlékenyalakító eljárásokat soroljuk, amelyeknél az alakváltozó zóna egy véges térfogatra terjed ki és a lemezalakítástól eltérően az alakváltozó zóna méretei a tér mindhárom irányában összemérhető nagyságrendűek. A térfogatalakító eljárások közül a zömítés, a redukálás és a folyatás különböző eljárásai a hidegalakítással végzett alkatrészgyártás leggyakrabban előforduló műveletei, ezért részletesen csak ezekkel foglalkozunk. 3.5.2.1. Zömítés

Zömítéssel olyan alkatrészek állíthatók elő, amelyeken jellemzően fejek, vállak vannak kiképezve (pl. szegek, szegecsek, csavarok), illetve amelyek a keresztmetszet, egész hossz mentén történő növelésével állíthatók elő (pl. hatlapú anya előgyártmánya). A zömítés kiinduló anyaga a legtöbb esetben hengeres, néha más (pl. hatszög ) szelvényű rúd, illetve huzal. 3.5.2.1.1. A zömítés alapesetei Zömítés párhuzamos sík lapok között

Az egyszerű zömítés alapesete: a két párhuzamos nyomólap között a munkadarab teljes térfogata alakváltozik. A zömített darab alakját nem lehet a célnak megfelelően lehatárolni, ezért ezt az eljárást csak alárendeltebb esetekben, nem túl szigorú alak- és méret előírások esetén, például a szabadalakító kovácsolásban alkalmazzák (3.65. ábra).

3.65. ábra. Zömítés párhuzamos sík nyomólapok között A teljes térfogat zömítése zárt szerszámüregben

Az alakváltozás zárt szerszámüregben (a matricában) a bélyeg és az ellenbélyeg között történik (3.66. ábra). Megfelelően alakítható anyag és megfelelően nagy zömítő nyomás alkalmazásakor, a darab felveszi az üreg alakját. Az előírt alakra sajtolás mellett ezt az eljárást alkalmazzuk nyírásos darabolással előállított rúddarabok kalibrálására is.

149



3.66. ábra. A munkadarab teljes térfogatának zömítése zárt üregben A zárt üregben végzett alakításnál különösen fontos az előgyártmány térfogatának pontos meghatározása, mivel mechanikus működésű, pl. forgattyús, vagy excenter présnél a túltöltés különösen a szerszám, gép, illetve biztosítóelem törését okozhatja. Fejezés

A fejezés számos változata ismeretes: így például végezhetjük a fejezést a fejet határoló üreg nélkül, vagy a fejet határoló üregben. Ez utóbbi esetben a fejet határoló üreg lehet a matricában, a bélyegben (fejezőben), vagy mindkettőben.

3.67. ábra. Matricába fogott darab zömítése a fejet határoló üreg nélkül Ha a fejezést a matricába fogott darab matricán kívül levő részének zömítésével a fejet határoló szerszámüreg nélkül végezzük, csak a matricából kiálló rész zömül (3.67. ábra). A matricába fogott szárrész alakváltozása elhanyagolható, mert a matrica furat és a nyersanyag játéka legfeljebb 0,1 mm nagyságrendű. Olyan esetekben alkalmazható, ahol a fej pontos, szabályos kialakítása másodlagos (pl. szegek fejezése). Nagyobb pontossági követelmények esetén a fejezést a fejet határoló szerszámüregben végezzük. Az alakítás módja azonos az előző esettel, de a keresztirányú alakváltozást a matricában, vagy a fejezőben, vagy mindkettőben kialakított szerszámüreg határolja. A 3.68. ábra arészletén a fejet határoló üreg a fejezőben, míg az ábra b-részletén a matricában került kiala-

150



kításra. A fejet határoló üregben végzett fejezés az egyik leggyakoribb zömítő eljárás: alkalmazzuk például süllyesztett-, félgömb-, lencse- és hatlapfejű csavarok gyártásakor.

3.68. ábra. Matricába fogott darab fejezése a fejet határoló üregben a) a fejet határoló üreg a fejezőben; b) a fejet határoló üreg a matricában Hasonlóan a zárt üregben végzett zömítéshez, a fejet határoló üregben végzett zömítésnél is biztosítani kell az alakításban részt vevő anyagrész szerszámüreggel azonos, vagy annál kisebb térfogatát, mert mechanikus működésű présnél a túltöltés ezeknél az eljárásoknál is a szerszám, gép, illetve biztosítóelem törését okozhatja. A 3.68. ábrán Δc-vel jelölt rés az ilyen hiba elhárítását is szolgálja. 3.5.2.1.2. Hidegzömítés

A zömítés akkor nevezhető hidegzömítésnek, ha az alakítást az anyag újrakristályosodási hőmérséklete alatt végezzük. A gyakorlatban – mivel túlnyomórészt acél alapanyagok zömítését végezzük – az anyag előmelegítése nélkül végzett zömítést nevezzük hidegzömítésnek. A hidegzömítéssel feldolgozott nyersanyagok átmérője általában nem haladja meg a 25 mm-t. A hidegzömítés alaki jellemzői

A technológusnak úgy kell megtervezni a hidegzömítést, hogy az alábbi három feltétel minden esetben teljesüljön: 1. A zömítendő anyagrész a zömítés közben ne hajoljon ki. 2. A zömítendő anyag törés, illetve repedés nélkül viselje el a kívánt mértékű képlékeny alakváltozást. 3. A fejező homlokfelületén ébredő átlagos nyomás ne haladjon meg egy megengedett értéket, mert ha az túl nagy, a szerszámok gyors kopását, esetleg törését és az üreg nem megfelelő kitöltését idézi elő. Az alaki jellemzők e három feltétel betartását teszik lehetővé, s ezek a zömítendő és a zömített anyagrész méreteiből számíthatók a 3.69. ábra felhasználásával. Az alaki jellemzők az alábbi három viszonyszámmal adhatók meg: Zömítési viszony: rz =

l D D ; Átmérőviszony: rd = ; Alakviszony: rk = . d d k

151

(3.184)



3.69. ábra. Vázlat a zömítés alaki jellemzőinek értelmezéséhez A zömítési viszony: az l/d viszonyszámmal jellemezzük, amely a kihajlás veszélyéről tájékoztat. Tapasztalat alapján megállapított megengedhető értékeit a 3.4. táblázat tartalmazza. Az ebben közölt tapasztalati értékek a zömítendő anyag minőségétől és állapotától függetlenek, Ferdén levágott, torzult, tehát nem merőleges homlokfelületű anyagnál kisebb l/d értékek engedhetők meg. 3.4. táblázat. A zömítési viszony megengedhető értékei

Zömítési viszony

Vázlat

⎛l⎞ ⎜ ⎟ =2 ⎝ d ⎠meg

⎛l⎞ ⎜ ⎟ = 2,3 ⎝ d ⎠ meg

⎛l⎞ ⎜ ⎟ = 2, 6 ⎝ d ⎠ meg

Az a gyakorlati tapasztalat, amely szerint a félkeményre, illetve keményre húzott huzalok nagyobb (l/d) viszonynál hajlanak ki, annak következménye, hogy a keményebb anyag a nyírással végzett daraboláskor kevésbé torzul. A 3.69. ábra szerint végzett zömítésnél mind az l, mind a d méretet a technológus választja meg. Száras darabok zömítésekor d adott, l pedig a zömítendő fej térfogatából számítható. Ha az így kiadódó l/d viszony nagyobb, mint a táblázatban szereplő érték, a darabot csak több 152



ütéssel lehet elkészíteni. Ilyenkor előzömítést kell alkalmazni. Előzömítéskor a zömítési viszonyt a b ≤ 2, 6 d

(3.185)

összefüggéssel határozzuk meg. 3.5. táblázat. Az előzömítő üreg jellemző méretei l d

γ [o]

a [mm]

c [mm]

2,5 3,3 3,9 4,3 4,5

15 15 15 20 25

0,6 d 1,0 d 1,4 d 1,7 d 1,9 d

1,37d 1,56 d 1,66 d 1,56 d 1,45 d

A b hosszúságú anyagrészt γ=15-25°-os csonka kúppá zömítjük, az a = l-b méretet az előverő befogja, és az csak a következő ütéskor, egy másik fejezőben alakváltozik (a ≥ 0,6 d). Két ütéssel kell végezni a zömítést, ha 2,3 <

l < 4,5. d

(3.186)

A két ütéssel végzett zömítés előzömítő üregének jól bevált jellemző méreteit, a zömítési viszony és a kiinduló átmérő függvényében a 3.5. táblázat tartalmazza. Három ütéssel kell végezni a zömítést, ha 4,5 <

l < 8. d

(3.187)

Ilyenkor két előzömítést és egy készre zömítést tervezünk, és mindkét előverő kúpos kialakítású. Helyesen végzett előzömítéssel a kihajlás kiküszöbölésén kívül a zömített fej jó szálfutása és az üreg jó kitöltése is elérhető. Az átmérőviszony (D/d) ismeretében dönthető el, hogy a zömítendő anyag képes-e elviselni a kívánt alakváltozást repedés nélkül. Hidegzömítésnél tehát a (D/d) viszonyszámot is használjuk az alakváltozás mérőszámaként. Ha a zömített rész hengeres, a valódi összehasonlító alakváltozás φ és (D/d) egyértelmű kapcsolatban áll:

ϕ = ln

l D = 2 ln . k d

(3.188)

Könnyen belátható, hogy ha a zömített rész nem hengeres, a közepes alakváltozás a

ϕköz = ln

l k

(3.189)

a legnagyobb alakváltozás pedig a

ϕmax = 2 ln

153

D d

(3.190)



összefüggéssel számítható. Ez utóbbi összefüggésben D a forgástest alakú zömített rész legnagyobb átmérőjét, nem forgástest alakú zömített résznél pedig a zömítés irányára merőleges legnagyobb keresztmetszettel azonos területű kör átmérőjét jelenti. Az alakváltozó képesség túllépése a zömített darab palástján ferde (nem tengelyirányú) repedéseket okoz. Tengelyirányú repedést az anyag felületi hibája, pl. ráhengerlés, vagy hosszrepedés okozhat. Különböző anyagcsoportokra a gyakorlatban megengedhető alakváltozásokat foglalja össze a 3.6. táblázat első két oszlopa. Ha a kiinduló és a kész méretből számítható átmérőviszony (D/d) nagyobb a megengedettnél, akkor a zömítés csak több műveletre bontva, a zömítő műveletek között lágyítást végezve, oldható meg. Lágyítás után a táblázatban szereplő érték újra létrehozható repedés nélkül. 3.6. táblázat. Az átmérőviszony és az alakviszony megengedhető értékei hidegzömítésnél

Anyagminőség Acél C>0,2 % C<0,2 % Alakítható Sr Alakítható Al ötvözet Al, Cu

⎛D⎞ ⎜ ⎟ ⎝ d ⎠ meg 1,5-2,2 2,0-2,7

0,8-1,5 1,4-2,0

⎛D⎞ ⎜ ⎟ ⎝ k ⎠ meg 5 7

2,0-2,7

1,4-2,0

7

2,5-3,0

1,8-2,2

9

φmeg

Az alakviszony (D/k) megengedhető értékét a szerszám felületének terhelhetősége és az anyag feszültségállapottól függő üregtöltő képessége korlátozza. A közepes alakítási ellenállás, párhuzamos nyomólapok között végzett alakítására levezetett kifejezése, hengeres darabnál, az itt alkalmazott jelölésekkel, a zömítő művelet végén: ⎛ μ D⎞ p = k f ⎜1 + ⎟ 3 k ⎠. ⎝

(3.191)

A (3.191) összefüggésből látszik, hogy a szerszám felületére ható közepes nyomás az anyag

ϕ = ln (l/k)-hoz tartozó alakítási szilárdságától és a (D/k) alakviszonytól függ. Azonos szer-

számterhelést megengedve lágyabb anyagnál nagyobb, keményebb anyagnál kisebb alakviszony valósítható meg. A gyakorlatban megengedhető értékeket anyagcsoportonként a 3.6. táblázat utolsó oszlopa tartalmazza. Ha az alakviszony túllépi a megengedett értéket, a darab hidegen nem zömíthető. Ilyenkor meg kell vizsgálni, hogy melegzömítés alkalmazható-e. A hidegzömítés behatárolása az alaki jellemzőkkel

A hidegzömítés alaki jellemzőiből egy zömítési határdiagram származtatható, amely a sikeresen elvégezhető zömítési tartományokat foglalja egyetlen diagramba. A levezetést a már ismert jelölésekkel hengeres darab esetére végezzük. A térfogat-állandóságot felírva d 2π D 2π ⋅l = ⋅k . 4 4

(3.192)

Egyszerűsítés és rendezés után a következő egyenletet kapjuk: d 2 ⋅l ⋅

1 =1, D ⋅k 2

154

(3.193)



amelyet (D/d)3-nal végigszorozva, egyszerűsítés után az

l D ⎛D⎞ ⋅ =⎜ ⎟ d k ⎝d⎠

3

egyenlet adódik, amely az előzőkben bevezetett alaki jellemzőket tartalmazza. Mindkét oldal logaritmusát véve és rendezve a lg

D D l = 3lg − lg k d d

(3.194)

egyenletet kapjuk, amelyet logaritmusos léptékű koordinátarendszerben ábrázolva (D/d) paraméteres egyenes sereget kapunk. A különböző (D/d) értékekhez tartozó egyeneseket megrajzolva és a diagramon feltüntetve a 3.4. táblázat és 3.6. táblázat megengedett értékeit, a hidegzömítés behatárolására alkalmas diagramhoz jutunk (3.70. ábra).

3.70. ábra. Zömítési határdiagram Adott kiinduló és kész méretek ismeretében két alaki jellemző, pl. (D/k) és (l/d) számítása után berajzolható a diagramba az alakításra jellemző pont. A pont helyzetéből megítélhető, hogy a zömítés elvégezhető-e, illetve, ha nem, mi annak az akadálya. A hidegzömítés akkor végezhető el, ha az így berajzolt pont a választott anyagra érvényes területbe esik. Itt jegyezzük meg, hogy D/k < 1,5 értéknél a hidegzömítés helyett a redukálás, vagy a hidegfolyatás gazdaságosabb.

155



Hidegzömítő sajtók fajtái és működésük

A hidegzömítés igen termelékeny eljárás. Szerszámgépei, a hidegzömítő sajtók automatikusan, igen nagy percenkénti ütésszámmal működnek. A darab méreteitől függően 20-400 dbot készítenek percenként. Nagyon kis anyagveszteséggel, rendszerint sorja mentesen dolgoznak. Egy-egy munkadarabra való beállításuk a munkadarab méreteinek megfelelő szerszámokat (matrica, előverő, fejező, esetleg kilökő) és hosszú beállítási időt igényel, ezért csak nagy sorozatban gyártott munkadaraboknál használhatók gazdaságosan. Leginkább szabványos kötőelemeket gyártanak e gépeken, de más hidegen zömíthető alkatrészekből is jelentkezik a gazdaságos sorozatnagyságnak megfelelő igény. A különféle hidegzömítő sajtók működés szempontjából abban megegyeznek, hogy a huzaltekercs, illetve rúd alakú nyersanyagot önműködően adagolják a gépbe, ott beállítható hosszra vágják, majd egy vagy több ütéssel alakítják. Alakítás után az elkészült munkadarabot a kilökő távolítja el a szerszámból. A hidegzömítő sajtók fekvő elrendezésű forgattyús, esetleg könyökös sajtók. Ezek általában egy munkahelyzetes – egymatricás – gépek. Ez azt jelenti, hogy a munkadarab nem változtatja helyzetét, alakítás közben mindvégig ugyanabban a matricában marad. A hidegzömítő sajtók a matrica kialakításától függően lehetnek zárt matricás (a gyakorlatban matricás sajtónak nevezik), illetve osztott matricás (a gyakorlatban pofás sajtónak nevezik) sajtók. A hidegzömítő sajtókat osztályozhatjuk a gyártható munkadarabok l/d viszonya (azaz valójában a munkadarab előállításához szükséges zömítési műveletek) szerint is: ennek megfelelően beszélhetünk egynyomású, kétnyomású és három nyomású sajtókról. A sajtón annyi mozgó szerszám-fél van, ahány nyomású. Ezek egymás után, két ütés között kerülnek a darab, illetőleg a matrica tengelyvonalába. Zártmatricás sajtók

A 3.71. ábrán egynyomású zártmatricás sajtó jellegzetes szerszámhelyzetei láthatók. Ezeket a gépeket jellemzően, száras munkadarabok gyártására használják.

3.71. ábra. Egynyomású, zárt matricás zömítő sajtó szerszámhelyzetei

156



A 3.71. ábra alapján a gép működése a következőkben összegezhető. A huzalelőtoló szerkezet a darab térfogatával egyező térfogatú huzalt tol be a levágó hüvelybe. A huzal hosszát állítható ütköző határolja. Ezután a levágó kés (az ún. fogó-kés) elindul előre és elnyírja a huzalt. A kés rugós fogó segítségével megfogja a huzaldarabot, továbbviszi a zárt matrica tengelyvonalába, s ott megáll. A medve eközben előre mozgatja a fejezőt. A fejező a huzal végén felütközve, azt kezdi betolni a matricába. Miután a huzal elég mélyen becsúszott a matricába, a fogókés tartására már nincs szükség, annak távozni kell a matrica elől, hogy helyet adjon a fejezőnek. Mikor a huzalvég a kilökő tüske homloklapján felütközik, elkezdődik a zömítés, s ez a medve matricaoldali holtpontjában be is fejeződik. Ezután a nyomószán elindul hátra, majd a kilökő tüske kitolja a zömített darabot a matricából. Ebben az időben a levágó kés már megy előre az új huzaldarabbal, tehát elkezdődik a következő munkaciklus. Osztott matricás (pofás) sajtók

Az osztott matricás (ún. pofás) sajtók is lehetnek egy, illetve többnyomásúak. A 3.72. ábra kapupánt csavar kétnyomású, osztott matricájú sajtón végzett alakításának jellegzetes szerszámhelyzeteit mutatja.

3.72. ábra. Kétnyomású, osztott matricás zömítő sajtó szerszámhelyzetei A gép vezértengelyéről mozgatott előtoló görgők a huzalt (vagy rudat) a szétnyitott pofapár között ütközőig tolják. Az előverő ekkor hátsó helyzetben van. Ezután a vezértengely egy alkalmas mechanizmussal összezárja a pofapárt. Zárás közben a mozgó pofa és a levágó hüvely éle elnyírja a huzalt, tengelyét fél átmérőnyi távolsággal eltolja, majd a két pofa megszorítja azt. A levágó hüvely homloklapja is akadályozza a huzal becsúszását. Az ütközőt a vezértengelyen levő tárcsája, rudazat segítségével kifordítja a munkatérből. Ezután a előverő elvégzi az előzömítést. A medve löketének hátsó helyzetében a vezértengelyről meghajtott vezértárcsa eltolja a szerszámszánt úgy, hogy a készre zömítő fejező kerüljön a matrica tengelyvonalába. Így a következő ütéssel megtörténik a készre zömítés. Ezután a vezérlő mechanizmus nyitja a pofákat, s az előtoló berendezéssel betolt huzal kilöki a kész munkadarabot a pofák közül. Ezt követően a szerszámszán szerszámot vált s ezzel kezdődik a következő ciklus. 157



Hidegzömítő szerszámok

A hidegzömítő sajtók aktív szerszámelemei a különféle zárt és osztott matricák, fejezők és előverők. Amint az előző pontokban ismertetett zömítő sajtók működéséből is láthattuk, ezeken kívül a munkaciklus szempontjából fontos szerep jut a különböző megfogó, levágó és továbbító elemeknek is. Zárt matricák

Fejezett munkadarabok gyártására alkalmas zárt matricákat mutat a 3.73. ábra. Ezek külső átmérőjét a matricatartó mérete határozza meg. A matricák hossza olyan kell legyen, hogy a kilökőt legalább 1,5d hosszon vezesse. A munkadarabot, illetve a kilökőt befogadó méretük a huzaléval azonos és H7, H8 tűrésű. (A huzalok H9, H10 tűrésűek.) A külső felületen lévő ferde síkfelületek a rögzítéshez szükségesek.

3.73. ábra. Zárt matrica kialakítások különféle munkadarabok zömítéséhez A 3.74. ábrán keményfém betétes zárt matricák láthatók. A betétes matricák betétje a legtöbb esetben keményfém. A keményfém betéteket előfeszítve foglalják a matrica köpenyébe. Alkalmazásukkal az egy darabra eső szerszámköltség jelentősen csökken, élettartamuk 50100-szorosa az ötvözetlen acélból készült matricákénak. Nagy szilárdságú anyagok hidegzömítésekor csak ezek használata gazdaságos.

3.74. ábra. Keményfém betétes zárt matricák Osztott matricák

A 3.75. ábra kapupánt csavar fejezéséhez készített osztott matrica pár kialakítását mutatja. A pofa-párokat előre gyártott hasáb anyagból készítik. A pofák mind a négy oldalába bemun158



kálják a matricaüreget, így ezek egy üregpár kopása után átfordítással újra használhatók. A furatokat készülékben – 0,1-0,2 mm vastag papírlap behelyezése és a felek összeszorítása után – fúrják a .. ábrának megfelelő számozás szerint. A számozás az együtt készített üreg felek együttes használatát teszi lehetővé. A matrica L hossza azonos a darab szárhosszúságával. (Természetes, hogy e megmunkálást edzés, megeresztés és után munkálás követi.) Anyaguk rendszerint S10 anyagminőségű ötvözetlen szerszámacél.

3.75. ábra. Osztott matrica Előverők, fejezők

A 3.76. ábrán felül betét nélküli, alul keményfém betétes tömör előverő látható. A tömör előverő, rövid szárú darabok – zárt matricában végzett – előzömítésére nem alkalmas, mert kihúzza a darabot a matricából.

3.76. ábra. Betét nélküli és keményfém betétes előverő Az előzömítés közben a nyersanyag a matricában és az előverőben megzömül, tehát e helyeken a munkadarab és a szerszám között radiális nyomás jön létre, s ez – mivel a szerszámanyag rugalmas – a hengeres üregekben a zömítő erő megszűnése után sem csökken nullára. Mivel a munkadarab szárának hossza szinte kivétel nélkül nagyobb mint az előverő „a" mérete, ha a súrlódási viszonyok azonosak lennének, még tömör előverő alkalmazásakor is a matricában maradna az előzömített darab. Mivel a szerszámok felületi érdessége eltérő lehet, s a használat közben változik, a rövid szárú munkadarabok az előverőbe „beragadhatnak”. Ezt rugós kilökővel akadályozzuk meg. Rugós kilökővel ellátott előverő látható a 3.77. ábrán. Ennek működése a következő: A levágó-kés által a matrica tengelyvonalába szállított huzaldarabot a 2. jelű kilökő-csap tolja be a 159



matricába. Mivel a 4. jelű rugó előfeszítő ereje nagyobb mint a levágáskor torzult huzal betolásához szükséges erő, a 3. jelű tuskó csak akkor mozdul hátra, ha a huzaldarab vége eléri a matrica kilökőjének homlokfelületét. A medve további előre haladása közben a nyersanyag a rugó ellenében tolja be az előverő kilökőjét mindaddig, amíg a 3. jelű tuskó eléri az 5. jelű nyomólapot. A nyersanyag vége ekkor a kívánatos „a” mélységig van az előverő hengeres üregrészében és ekkor kezdődik az előzömítés, amely a medve holtpontjában fejeződik be. A medve hátra indulása közben az előverő kilökő rugója biztosítja, hogy a munkadarab a matricában maradjon.

3.77. ábra. Rugós kilökővel ellátott előverő A rugós kilökővel ellátott előverő – azáltal, hogy a 3.77. ábrán e-vel jelölt mérettel előbb kezdi a darab betolását a matricába mint a tömör előverő – lehetővé teszi azt, hogy a rövid szárú munkadarabokat a 3.71. ábrán bemutatott gépen is gyárthassuk. A levágó kés vezérlése szempontjából a rugós kilökővel ellátott előverő olyan helyzetet teremt, mint ha a darab szárhossza „e” mérettel nagyobb lenne. Keményfém betétes fejezőt mutat a 3.78. ábra. A betét kis furata a levegő levezetésére való. A keményfém betétek homlokfelülete 1,0-0,2 mm-el mélyebben van mint a köpenyé, így a szerszámok esetleges összeütközése esetén a rideg keményfém nem kap ütést. A tömör előverők és fejezők anyaga általában W5, W6 szerszámacél.

3.78. ábra. Keményfém betétes fejező Levágó-kés

Zárt matricás sajtón használatos rugós anyagszállító fogóval ellátott levágó-kést mutat a 3.79. ábra. A fogó levágás előtt megfogja, matricába tolás után elengedi a darabot. A levágó hüvely és levágó-kés anyaga általában ötvözetlen acél.

160



3.79. ábra. Levágó-kés A matrica, illetve géptípus megválasztásának szempontjai

A géptípus megválasztása alapvetően függ a matrica kialakításától, illetve attól, hogy a gyártandó munkadarab hány ütéssel készíthető el. Az alábbiakban a matrica, illetve a gép megválasztásának legfontosabb szempontjait foglaljuk össze. − Zárt matrica használatakor a szár alakhűsége és méretpontossága jobb. Az osztott matricába fogott szár kissé ovális, azonkívül osztási síkjában a zömített rész alatt gyakran sorja keletkezik. − A szárat redukálni csak zárt matricában lehet. − Teljes térfogat zömítésére csak zárt matrica használható. − Az osztott matricáknál nem alkalmazható keményfém betét. − Hengerelt (nem húzott) anyagot csak pofás sajtón lehet zavartalanul feldolgozni. − A zárt matricás gépen (különleges kidobó szerkezet nélkül) csak (8÷10)d-nél kisebb szárhosszúságú darabok zömíthetők (hosszabb kilökő könnyen kihajlik). Az ennél hoszszabb darabokat pofás sajtón célszerű megmunkálni. − Bonyolult (pl. nem forgástest alakú) matricaüreg esetén az osztott matrica megmunkálása könnyebb. 3.5.2.1.3. A hidegzömítés erő, munka és teljesítményszükséglete

Hidegzömítés közben a zömítőerő állandóan nő. Maximális értékét a mozgó szerszám holtponti helyzetében éri el. E növekedés oka a keresztmetszet növekedése, az anyag alakítási szilárdságának növekedése és a feszültségállapot változása. Ez utóbbi tényező a zömítés végén, az üreg töltésekor, különösen pedig az esetleges sorja képződéskor okoz jelentős zömítőerő növekedést. Párhuzamos nyomólapok között végzett zömítésnél az átlagos alakító nyomást, a holtponti helyzetben, a már ismert kifejezéssel számíthatjuk

⎛ μ D⎞ p = k f ⎜1 + ⎟ 3 k ⎠. ⎝

(3.195)

A kifejezésben kf az alakváltozás miatt megnövekedett alakítási szilárdság (mely a ϕ = ln (l/k) függvénye), μ a szerszám és az anyag közötti súrlódás tényezője, D/k az alakviszony. A maximális zömítőerő a közepes alakítási ellenállás és a terhelt felület szorzata, azaz 2 ⎛ μ D⎞D π F = p ⋅ A = k f ⎜1 + ⎟ 3 k⎠ 4 . ⎝

161

(3.196)



Ez az összefüggés hengeres fejű száras munkadarabok zömítő erejére is gyakorlatilag kielégítő pontosságú eredményt ad. A fej alakjának a zömítő erőre gyakorolt hatását számítással igen nehéz figyelembe venni. A hidegzömítés munkaszükséglete az itt alkalmazott jelölésekkel felírva:

⎡ l 2μ ⎛ D d ⎞ ⎤ W = V ⋅ k fk ⎢ln + ⎜ − ⎟⎥ . ⎣ k 9 ⎝ k l ⎠⎦

(3.197)

Az automatikus üzemű hidegzömítő sajtó a zömítésen kívül elvégzi még a tekercselt huzal letekercselését és egyengetését (egyengető görgők közötti áthúzással), a nyersanyag darabolását, a készre zömített munkadarab kilökését. 3.5.2.2. Redukálás

A redukálás olyan térfogatalakító eljárás, amelynek célja a munkadarab átmérőjének csökkentése oly módon, hogy a kiinduló előgyártmány redukáló matricán kívüli része a redukálás során ne szenvedjen maradó alakváltozást. A redukálás elvi vázlata a 3.80. ábrán látható.

3.80. ábra. A redukálás elvi vázlata Tisztán redukálással elsősorban különféle tengelyszerű alkatrészek átmérő lépcsőinek kialakítását végezzük. Redukálással és más térfogatalakító műveletekkel együtt végzett alakítással gyártott tipikus alkatrészeket mutat a 3.81. ábra.

3.81. ábra. Téfogatalakítással gyártott tipikus alkatrészek

162



h≈ a

A redukálást igen gyakran a zömítéssel egy műveletben végzik, például amint azt a 3.82. ábra mutatja. Ezen az ábrán a redukálás és zömítés műveletét elemeire bontva ábrázoltuk. A fejező szerszám előre mozgása közben tolja be a huzaldarabot a matricába. Amikor a huzal vége eléri a matrica redukáló kúpját, elkezdődik a redukálás, s a fejező további előre haladása közben az mindaddig folytatódik, amíg a redukált huzalrész vége el nem éri a kilökőt.

3.82. ábra. Redukálás és zömítés egy műveletben a) a redukálás kezdete; b) redukálás vége; c) a zömítés vége Ha a redukálással megvalósított alakváltozás

ϕr = 2 ln

d dr

(3.198)

elég kicsi, (pl. félkemény acéloknál φr < 0,35) a d átmérőjű szár redukálás közben nem kerül képlékeny állapotba, azaz nem zömül meg. Amikor a redukált szárrész vége eléri a kilökőt, elkezdődik az anyag matricán kívüli részének zömítése, s az a fejező előre haladása közben be is fejeződik. A munkadarabot a kilökő távolítja el a matricából. A csavargyártásban a redukálást és a zömítést igen gyakran összevonják. A d szárátmérőjű csavar szárának azt a részét, amelyre mángorlással, vagy hengerléssel készítik el a menetet, a menet középátmérőjével azonos méretűre redukálják. A 3.82. ábrán feltüntetett d3 átmérő névleges mérete a dr „húzófal” átmérő, kopás során kialakuló legnagyobb megengedett méretével azonos és H8, H9 tűrésű. E két átmérő legnagyobb különbsége például egy M3-as csavarnál 0,1 mm, M20-asnál pedig 0,23 mm. E kis átmérőkülönbség a redukált szárrész elhajlásának és megzömülésének korlátozása miatt szükséges. A redukált rész további redukálása sem jelent nehézséget, így lépcsős tengelyek (kisebb villanymotorok tengelyei, kerékpár pedál-tengelyek) állíthatók így elő, több egymást követő redukálással, húzott rúdból darabolt előgyártmányból.

163



3.5.2.3. Folyatás

Folyatásnak nevezzük az olyan alakító műveleteket, amelyek során az előgyártmányt alakító bélyeggel, az alakot adó nyílás kivételével minden oldalról zárt üregből (matricából) nyomóerő alkalmazásával kisajtoljuk. A darab keresztmetszete alakítás közben mindig csökken. 3.5.2.3.1. Folyató eljárások

A szerszámkiképzés, az erő- és teljesítményszükséglet és a technológia számos egyéb jellemzője döntően különböző aszerint, hogy az anyag a bélyeghez képest milyen irányban folyik. Ezért a folyatás eljárásait a következő csoportokra osztjuk: − Előre folyatás: Az anyag a bélyeg mozgásával azonos irányban folyik. − Hátra folyatás: Az anyag a bélyeg mozgásával ellentétes irányban folyik. − Kétirányú folyatás: Az anyag egy része a bélyeg irányában, a másik része azzal ellentétes irányban folyik. A folyató eljárásokat a darab alakja szerint is osztályozhatjuk. Ebből a szempontból a következő eljárás csoportokat különböztetjük meg: − Tömör testek folyatása: Ezt az eljárást csapszegfolyatásnak, illetve rúdfolyatásnak is nevezik. − Üreges testek folyatása: Fenékkel készülő daraboknál csészefolyatásnak, fenék nélküli daraboknál csőfolyatásnak is nevezik. − Vegyes folyatásnak nevezik az eljárást, ha a darabnak tömör és üreges része is van. Az előző két csoportosítás szerint 9 féle eljárás változatot különböztetünk meg. Ezek közül a leggyakrabban a következőket alkalmazzák: Tömör testek előre folyatása: tömör testek folyatással való gyártásának legygyakoribb eljárása (pl. csavarok gyártása). Az eljárás vázlatát a 3.83. ábra mutatja. Az ábra a-részletén a folyatás előtti állapot látható a matricába helyezett előgyártmánnyal, az ábra b-részletén a folyatás közbeni állapotot tüntettük fel. A kész munkadarabot a folyató matricából a kilökő távolítja el.

3.83. ábra. Tömör test előrefolyatása

164



Üreges testek előre folyatása üreges, vagy csésze alakú félgyártmányból: ezzel az eljárással történik például a vékony falú hüvelyek, lőszer patronok gyártása. Az eljárás vázlatát a 3.84. ábra mutatja.

3.84. ábra. Üreges test előrefolyatása üreges (csőszerű) előgyártmányből

Üreges testek előre folyatása tömör félgyártmányból ellenbélyeggel: ezt az eljárást az előzőknél ritkábban alkalmazzák. Tipikus alkalmazási területe például különféle autó kerék anyák gyártása. Az eljárás vázlatát a 3.85. ábra mutatja.

3.85. ábra. Üreges test előrefolyatása tömör előgyártmányból

Üreges testek hátra folyatása: különféle tubusok, palackok gyártásának nagy termelékenységű eljárása (pl. aerosolos palackok, galvánelem Zn köpenye, kondenzátor búrák, stb.). Az eljárás vázlata a 3.86. ábrán látható.

3.86. ábra. Üreges test hátrafolyatása

165



Üreges test kétirányú folyatása: az eljárással mind tömör, mind üreges előgyártmányból, ellenbélyeggel és anélkül is készíthetünk két irányban (előre, hátra) folyatott üreges testet. A tömör testből ellenbélyeggel végzett kétirányú folyatást a 3.87. ábra, a-részlete, míg üreges testből ellenbélyeg nélkül végzett kétirányú folyatást az ábra b-részlete mutatja.

3.87. ábra. Üreges test kétirányú folyatása ellenbélyeggel (a) és ellenbélyeg nélkül (b)

Kétirányú vegyes folyatás: a folyatás során az anyagáramlás részben a bélyeg mozgásával megegyező, részben azzal ellentétes, ezért kétirányú a folyatás. A kész munkadarab mind üreges, mind tömör részeket tartalmaz (ezért vegyes folyatás). Ilyen gyártó eljárást mutat a 3.88. ábra, amelyen egy motorkerékpár teleszkóp csövének első művelete látható.

3.88. ábra. Kétirányú vegyes folyatás Ha az előző vázlatokat elemezzük, azt látjuk, hogy a folyatás valamennyi eljárásánál az alakváltozás olyan feszültségállapot hatására jön létre, amelyet három nyomó főfeszültséggel jellemezhetünk. Ilyen esetben az anyag alakváltozó képessége igen nagy. Ezzel magyarázható az, hogy az egy művelettel létrehozható alakváltozás értékét nem az anyag alakíthatósága, hanem a szerszámok szilárdsága határozza meg. Aszerint, hogy a folyatást a lágyulás hőmérséklete alatt, vagy felett végezzük, hidegfolyatás, illetve melegfolyatás az eljárás neve. A gyakorlatban mindkét eljárás ismert, de még egyik sem terjedt el olyan mértékben, mint ahogy azt előnyei indokolják. Hidegfolyatás

A hidegfolyatás elnevezés viszonylag nem régi keletű. Korábban hidegkisajtolás, hidegfröccsentés, hidegfröccs-sajtolás névvel illették. A hidegfolyatás korszerű eljárás. Ha alkalmazásának műszaki feltételei és a megfelelő sorozatnagyság adott rendkívül gazdaságos. Bevezetésére, illetve elterjesztésére világszerte törekednek. Kezdetben csak lágy fémek (ón, horgany, alumínium, réz, sárgaréz) alakítását végezték hidegfolyatással. Acél munkadarabokat a szerszám és munkadarab berágódása miatt, 1930-ig

166



nem sikerült gazdaságosan hidegen folyatni. Németországban Singer dolgozott ki egy eljárást, amely szerint az acél munkadarab felületén porózus foszfátréteget képezve, az folyatás közben kenő-, illetve kenőanyag hordozó réteg szerepét tölti be és meggátolja a berágódást. Magyarországon az alumínium hidegfolyatásának több évtizedes múltja van. Több üzemben acélt is hidegfolyatnak. Az így előállított acél alkatrészek mennyisége és választéka azonban még szerény. E tekintetben rohamos fejlődés várható. A hidegfolyatásnak a melegalakító és forgácsoló eljárásokkal szemben számos lényeges előnye van: − Az anyag keményedik, így szilárdsága, kopásállósága és kifáradási határa nő. (A folyáshatár akár 2-3-szorosára is növekedhet.) − A munkadarab szálelrendeződése jó. − Pontos eljárás, átmérőméretek esetén az IT9, IT11 tűrésminőség gazdaságosan tartható. − A felületminőség igen jó: Ra=0,3-3,5 μm. − Igen termelékeny eljárás: 15-200 db/min. − Kevés a hulladék. Tömör testek előre folyatása

A 3.89. ábrán tömör testek előre folyatására alkalmas, vezetőoszlopos szerszám összeállítási rajza látható.

3.89. ábra. Folyató szerszám tömör test előrefolyatására A szerszám 8. jelű folyató gyűrűjét, a nagy belső nyomás elviselésére, a túlfedéssel illesztett 9. jelű előfeszítő gyűrűvel (ún. „pántgyűrűvel”) szerelték. A 12. jelű közbenső gyűrű, azonkívül, hogy a folyatott szárrész számára hosszirányban helyet biztosít, annak elgörbülését is gátolja. A 14. jelű alsó nyomólap az alakítóerőt az alakítógép szerszámtartójának adja át, és vezeti a gép által működtetett 15. jelű kilökőt. Előre folyatásnál – a zömítéssel ellentétben – a kilökő és a munkadarab között, csak a szerszám nyitását követő kilökés közben ébredhet erő. A 7. jelű folyató bélyeget az 5. jelű menetes hüvely meghúzásával rögzítik a szerszám fejlapjához, illetve szorítják hozzá a 2. és 3. jelű nyomólapokhoz. A 4. és 5. jelű elemek egytengelyűségét – mivel a menet nem központosít – két hengeres felület illesztésével biztosították. 167



A 6. jelű bélyegbefogó betét azért szükséges, mert ezt a szerszámházat – amely rendszerint az alakítógép tartozéka – különböző munkadarabok folyatására használják, így más munkadarab folyatása előtt a szerszám felső részéből csak a bélyeget (7) és annak befogó betétjét (6) kell cserélni. Az alsó részben ekkor a 8., 9., 12., 14. és 15. jelű szerszámelemek cseréje szükséges. Ha a 14. jelű alsó nyomólapba cserélhető, peremes perselyt illesztenek, a nyomólap cseréje is megtakarítható. A bélyeg és a matrica egytengelyűségének biztosításában a már említett elemeken kívül a 1. jelű központosító gyűrű és a 2. jelű nyomólap is szerepet játszik. Tömör testek előrefolyatásának erőszükségletét a kúpos alakító üregben végzett alakítás átlagfeszültségi módszerrel való elemzéséből származtathatjuk. Tekintsük az elemzéshez a 3.90. ábrát, amely tömör test előre folyatásának elvi vázlatát szemlélteti.

3.90. ábra. Vázlat tömör test előrefolyatásának elemzéséhez A levezetést itt mellőzve, a maximális feszültség az alábbi összefüggéssel számolható: ⎛

σ z ,max = −k fkϕ1 ⎜1 + ⎝

μ α ⎞ 4 μ k fk h + 0,77 ⎟ + α ϕ1 ⎠ d ,

(3.199)

ahol ϕ1 = ln(D/d) az összehasonlító valódi nyúlás maximuma a folyatásnál, kfk a közepes alakítási szilárdság, α a folyatókúp félkúpszöge, μ a súrlódási tényező a munkadarab és a matrica fala között, h a folyatott munkadarab hossza a recipiensben, d a folyatott munkadarab átmérője. A (3.199) összefüggés felhasználásával a maximális folyató erőre az

Fmax = σ z ,max

⎧ ⎫ d 2π ⎛ μ ⎪ α ⎞⎟ h⎪ ⎪ ⎜ ⎟ , Ab = ⎨k fkϕ1 ⎜⎜1 + + 0,77 ⎟ + 4μk f 0 ⎪ ⎬ ⎪ ϕ1 ⎠⎟ d⎪ ⎝ α ⎪ ⎪ 4 ⎩ ⎭

(3.200)

ahol Ab =d2π/4 a folyató bélyeg keresztmetszete. A maximális folyató erő ismeretében a folyatás munkaszükségletét a

W foly = Fmax ⋅ hb ⋅ c,

(3.201)

ahol hb a bélyeg elmozdulás értéke a folyatás során, c = 0,7÷0,8 a folyató erő – bélyeg elmozdulás diagram kitöltési tényezője. Az átlagos folyató nyomás értékét a

168



p foly =

⎛ μ Fmax α⎞ h = k fkϕ1 ⎜⎜⎜1 + + 0,77 ⎟⎟⎟ + 4μk f 0 ϕ1 ⎠⎟ Ab d ⎝ α

(3.202)

összefüggéssel számolhatjuk, amely megegyezik a maximális feszültség (3.199) kifejezésével. A folyató matrica terhelését a folyási feltételből kiindulva határozhatjuk meg. Az elemzést külön-külön kell elvégezni a folyató kúpra és a hengeres folyató gyűrűre (az ún. recipiensre). A folyató kúpban a folyási feltétel a

σ1 − σ 3 = k f = σ z − σ r

(3.203)

összefüggéssel írható fel, mivel a munkadarab alakváltozási állapotából a ϕz > ϕr nyilvánvalóan következik és ebből a σz > σr feltétel is adódik. Figyelembe véve továbbá, hogy a a matricát terhelő normál nyomás (p) a folyató kúpban jó közelítéssel a radiális feszültség abszolút értékével azonos, azaz σr ≈ – p írható. Ennek figyelembevételével a matricát a folyató kúpban terhelő nyomást a

p = kf −σ z

(3.204)

kifejezéssel számolhatjuk. A hengeres recipiensben viszont közel hidrosztatikus feszültségi állapot uralkodik, azaz σr = σt = σ z = − pr

(3.205)

és mivel σz a (3.199) összefüggésből ismert, a nyomás eloszlás is meghatározható. A 3.91. ábrán a feszültségek és a matricát terhelő nyomás eloszlását ábrázoltuk a folyató matrica mentén. Az ábrából megfigyelhető, hogy az axiális feszültség mind az alakító kúpban, mind pedig a hengeres recipiensben folytonosan és monoton növekszik, míg a matricát terhelő nyomás éles diszkontinuitással rendelkezik a matrica belépő élénél. A diszkontinuitás értéke Δp=kfo.

3.91. ábra. Az axiális feszültség és a matricát terhelő nyomás eloszlása Üreges testek előre folyatása

Az üreges testek előre folyatásának elvi vázlatát a 3.92. ábrán látjuk. Közelítésként elfogadhatjuk, hogy alakítás közben a munkadarab csonkakúp alakú része van a képlékeny alakváltozás állapotában. A vázlaton bejelöltük a szerszám és munkadarab között kialakuló súrlódóerőket. A matrica hengeres falán fellépő Fsh és a kúp felületén fellépő Fsk súrlódóerők 169



korábban tanult módszerrel számíthatók. Üreges testek előre folyatásánál a képlékeny tartományban (a csonkakúpban) levő anyag a bélyegnél nagyobb sebességgel mozog előre, így a bélyeg csapja és a munkadarab között fellép az Fsc súrlódó erő is.

3.92. ábra. Vázlat üreges test előrefolyatásának elemzéséhez A képlékeny tartományban bekövetkező szögtorzulások itt kisebbek mint tömör testek előrefolyatásánál, mivel az Fsc erő gátolja a d2 átmérő közelében levő anyagrészek előresietését. Az üreges testek előre folyatásához szükséges erő Siebel szerint a levezetés mellőzésével: ⎛ μ 1α⎞ F = A0 ⋅ k fk ⋅ ϕ1 ⎜1 + 2 + ⎟ + d ⋅ π ⋅ h ⋅ μ ⋅ k fo . α 2 ϕ1 ⎠ 0 ⎝

(3.206)

A folyatóbélyeg homlokfelületén létrejövő nyomás értéke pedig a

⎛ μ 1 α ⎞ 4d 0 ⋅ h ⋅ μ ⋅ k fo pB = k fk ⋅ ϕ1 ⎜ 1 + 2 + ⎟+ 2 2 α ϕ ( d 0 − d1 ) ⎝ 1 ⎠

(3.207)

kifejezéssel számolható, ahol a folyató-kúpban létrejövő alakváltozás a

ϕ1 = ln

A0 A1

(3.208)

összefüggéssel adható meg. Ezek a képletek a tömör testek előre folyatására levezetett összefüggésektől csak annyiban különböznek, hogy az Fsk=Fsc közelítés miatt μ/α helyett 2 μ/α, a 0,77α/ϕ1 helyett pedig a torzítási munka csökkenése miatt 1/2 (α/ϕ1) szerepel. A szakirodalom szerint üreges testek előre folyatásánál μ=0,1-0,125 súrlódási tényezővel számolhatunk. Az üreges testek előre folyatására alkalmas szerszám csak annyiban tér el a 3.89. ábrán bemutatott szerszámtól, hogy a folyató bélyegének az előgyártmány belső felületéhez játékkal illeszkedő csapja van. Üreges testek hátrafolyatása

Üreges testek hátrafolyatása a tömör testek előre folyatása mellett az egyik leggyakoribb folyató művelet: a különféle vékonyfalú palackok, tubusok tömeg gyártásának leggazdaságosabb eljárása. Üreges test hátra folyatására alkalmas szerszámot látunk a 3.93. ábrán. Ez a 170



szerszám sok tekintetben azonos a 3.89. ábrán bemutatott szerszámmal, ezért itt csak a jellegzetes eltéréseket említjük meg.

3.93. ábra. Üreges testek hátrafolyatására alkalmas szerszám A matricaüreget az alsó nyomólapon felfekvő ellenbélyeg zárja. A kész munkadarab kilökését is az ellenbélyeg végzi, az alakítógép által mozgatott kilökő segítségével. A lehúzó lap és a fejlap vezető perselyeit a szerszám alsó rész és a lehúzó lap közé beépített rugó szorítja össze. Ezek mindaddig együtt mozognak, amíg az állítható ütköző feje a lehúzó lapon fel nem ütközik. Amikor a szerszám nyitása közben a lehúzó lap eléri az ütköző fejét, megáll, és a tovább mozgó bélyegről a lehúzó-betét lehúzza a kész munkadarabot. Üreges testek hátra folyatásánál a lehúzó igen gyakran készül az előbb bemutatott elmozduló kivitelben, mert ezzel a bélyeghossz, s a kihajlás veszélye csökkenthető.

a c

0,3 − 0,7 d B

b

3.94. ábra. Több részes hátrafolyató matrica

3.95. ábra. Szerelt és tömör folyató bélyeg Vékony falú és vékony fenekű üreges testeknél a bélyeg kihúzza a munkadarabot a matricából, ezért ellenbélyegre nincs szükség. Ilyenkor a matrica, a gyártás megkönnyítése és a feszültségállapot javítása céljából a 3.94. ábra szerint gyűrűből (a), tőkéből (b) és a gyűrűt előfeszítő, valamint a tőkét központosító (c) részéből áll.

171



A kisebb igénybevételű bélyegek szerelt kivitelben is készíthetők (3.95. ábra). Az ilyen bélyegeknek kopás után csak a fejét cserélik. Az erősen igénybevett bélyegek egy részből készülnek. A folyató bélyegek tervezésénél a hirtelen keresztmetszet változásokat kerülni kell.

172

4. HEGESZTÉS

4.1. A hegesztés helye a kötéstechnológiákban A mérnöki szerkezetek geometriai, igénybevételi és gyárthatósági megfontolásokból alkatrészekből, esetenként több száz, illetve több ezer alkatrészből állnak. Az alkatrészek, vagy más néven szerkezeti elemek közötti kapcsolatot erőátvitelre alkalmas kötések biztosítják. A kötés a szerkezet olyan legkisebb egysége, amely legalább két elemet, vagy elemrészt és közöttük egy kapcsolatot tartalmaz. A mechatronika területén gyakoriak azok az esetek is, amikor az elemek között nem teherviselő kötésre, hanem jó villamos, mágneses vagy termikus kapcsolatra van szükség. A ma leginkább használt kötéscsoportosítás szerint alakzáró (csavar-, szegecs-, ék-, reteszés poligon-kötés), erőzáró (zsugorkötés) és anyagzáró kötéseket ismerünk. Az első két csoport kötései roncsolás nélkül oldhatók (reverzibilisek), a harmadikba tartozóké csak roncsolással (irreverzibilis kötés). Ennek a jegyzetnek a tárgykörébe ez utóbbi csoport tartozik, ezért a továbbiakban csak az anyagzáró kötésekkel foglalkozunk. Az anyagzáró kötési módok az összekötendő felületek között lehetséges anyagon belüli (kohéziós) vagy anyagok közötti (adhéziós) kötőerők létrehozásán alapulnak, másképpen fogalmazva a kötési folyamatban kohéziós, vagy adhéziós vonzerők aktivizálása megy végbe. Az anyagzáró kötések legfontosabbika a hegesztés, a további anyagzáró kötéseket (keményforrasztás, lágyforrasztás, termikus szórás, ragasztás) a hegesztés rokoneljárásainak nevezik. A hegesztés hozaganyaggal (töltőanyaggal) és anélkül végezhető. A hozaganyag összetétele (a forrasztásoktól és a ragasztástól eltérően) az alapanyaghoz hasonló összetételű és tulajdonságú. A hegesztések nagy előnye, hogy az azonos anyagok közötti növelt hőmérsékletű diffúzió elhanyagolható, elektrolit jelenlétében anódos oldódás nem következik be. Ebből következően a hegesztés alkalmazásának igénye a kisméretű (mini- és mikro-) alkatrészeknél növekszik. A mechatronika igényeit szem előtt tartva egyre több termikus kötőeljárásnak fejlesztik a mikro-változatát. Mikro-hegesztésre csak azok a hőforrások alkalmasak, amelyek kis hőáramsűrűségeknél is stabilak. Ilyen szempontból a normál méretű gyártmányok hegesztésénél legelterjedtebb villamos ívhegesztések nem igazán előnyösek, mivel a stabil ív fenntartása csak egy bizonyos

173


HEGESZTÉS

áramsűrűség felett lehetséges. A fejlesztések ezen a területen is folynak, és a volfrám elektród, illetve az impulzustechnika alkalmazásával a falvastagságok tovább csökkenthetők. A kisméretű gyártmányok hegesztéséhez a kis áramsűrűségeknél is stabil plazmaív és a sugárenergiák emelhetők ki. Különösen perspektivikusnak látszik a lézersugár hegesztés, amelynek olyan szilárdtest lézerforrásai is vannak, ahol a hegesztésre szánt hőáram (teljesítmény) szinte korlátlanul csökkenthető és akár az IC lábainak hegesztése is megoldható.

4.2. A hegesztett kötés és részei A hegesztett szerkezetek legkisebb egysége a hegesztett kötés. Minden hegesztett kötéshez egy varrat tartozik. A legismertebb hegesztett kötés keresztmetszeti képe a 4.1. ábrán látható. Ez a kételemű, egysíkú, tompavarratos kötés a legnagyobb teherbírású kötéstípus, amit a többi kötésalakkal szemben előnyben részesítenek. A hegesztett kötés központi része a varrat, amely a hozaganyag és az alapanyagok olvadékának heterogén keverékéből dendritesen kristályosodik. A varrat két oldalán néhány mm szélességű sávban az anyag mikroszerkezete a hegesztési hőhatásra változást szenvedett, ezért ezt a részt hőhatásövezetnek nevezik. A hőhatásövezet külső határa olyan alacsony hőmérséklet, amely alatt a hegesztési hőhatás ideje alatt változás nem következhet be; jó közelítéssel acéloknál ez 100 °C-ra tehető. A kötés határhőmérsékletnél hidegebb részét alapanyagnak nevezzük. A hegesztett kötés kritikus keresztirányú (varratra merőleges) tulajdonságait a láncszerűen sorba kapcsolt alkotóelemek (alapanyag, hőhatásövezet, varrat) leggyengébbike határozza meg. Hőhatásövezet

Alapanyag

Hőhatásövezet

Varrat

Alapanyag

4.1. ábra. A hegesztett tompakötés keresztmetszete és részei

4.3. Bevezetés a hegesztés elméleti alapjaiba 4.3.1. A hegesztéstörténet rövid áttekintése

Annak ellenére, hogy a kovácshegesztés már a bronzkorban (India, i.e. 2000.) is ismert volt, a modern hegesztés első szabadalma csak 1849-ben született meg (Staite, Anglia), ez a szabadalom azonban papíron maradt. Az első megvalósított, teherbíró kötés ellenálláshegesztéssel készült 1877-ben, az Egyesült Államokban (Thomson). A szénelektródos (közvetett) villamos ívet csupasz elektródával az orosz Benardos és feltalálótársa, a méltatlanul elfeledett Olszewski használta először hegesztésre (1885.), a közvetlen ívvel végzett hegesztés feltalálójának a szintén orosz Slavianov tekinthető (1892.). A lánghegesztést 1895. és 1902. között francia mérnökök fejlesztették ki (LeChatelier és Fouche), a bevontelektródás kézi ívhegesztést 1907-1914. között a svéd Kjellberg indította útjára.

174

HEGESZTÉS


A mai, jól ismert és széles körben elterjedt eljárások az Egyesült Államokból kerültek át Európába: a fedettívű hegesztés 1934-ben, a semlegesvédőgázas, volfrámelektródás ívhegesztés 1936-ban (He védőgázzal (!), a védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés 1941-ben (szintén semleges védőgázzal). A széndioxid védőgázt először Szovjetunióban alkalmazták hegesztésre (Ljubavszkij és Novozsilov, 1953.). Az önvédő porbeleshuzalos hegesztést 1957-59. között publikálták. A védőgázas hegesztések fejlesztésében és elterjesztésében a nagy gázgyártó és forgalmazó cégek (mint pl. a LINDE Air Products Company, az Air Liquide és az Air Reduction Company) játszottak jelentős szerepet. A legmodernebb sugárhőforrások hegesztési célú alkalmazása szintén az Egyesült Államokból származik: az elektronsugár-hegesztés a múlt század ötvenes éveiben, a lézersugárhegesztés a hatvanas években került szabadalmaztatásra és néhány évvel később ipari alkalmazásra. Az utolsó negyven évben nem született az előzőkben említettekhez fogható hegesztő eljárás, de a hegesztés gépészeti, fizikai-kémiai, vegyi, elektrotechnikai-elektronikai és informatikai háttere páratlanul nagyot fejlődött. A mai legmodernebb hegesztő- és vágógépek ugyanúgy számjegyvezérlésűek, mint a korszerű forgácsoló- és alakítógépek. 4.3.2. A hegesztés helye a gyártóeljárások között

Egyes források (pl. a DIN 8550 szabvány) a gyártóeljárásokat a következő csoportokba osztják: − kreatív (elsődleges) alakadó eljárások, − alakítások, − vágások, − kötések, − felületmódosítások, − anyagtulajdonság-módosítások. A hegesztések döntő hányada természetszerűleg a Kötések csoportba sorolható, de az öntőhegesztés a Kreatív csoportba, a hideghegesztés az Alakítások közé, a felrakóhegesztések a Felületmódosító eljárások közé tartozik. Az alkatrészek között kötést létrehozó eljárások három osztályba sorolhatók: − alakzáró kötések, − erőzáró kötések, − anyagzáró kötések. Az alakzáró kötések az alkatrészpárok (legtöbbször keresztmetszeti) alakjának célszerű megválasztásával hoznak létre teherbíró kapcsolatot: ékkötés, reteszkötés, csavarkötés, szegecskötés, poligonkötés, …. Az erőzáró kötések a súrlódásra építenek, mint pl. a zsugorkötés. Az anyagzáró kötések a kötendő elempárok között harmadik anyag felhasználásával, vagy gyakorta anélkül, az anyagokon belüli (kohéziós) vagy az anyagok között ható (adhéziós) erők segítségével létesítenek kapcsolatot. Anyagzáró kötések közé tartoznak a kohéziós erőn alapuló különféle hegesztőeljárások és a diffúziós (adhéziós) kötést létrehozó rokontechnológiáik, mint pl. a keményforrasztás, a lágyforrasztás és a ragasztás.

175


HEGESZTÉS

4.3.3. A hegesztés definíciója

A hegesztés rendkívül széles körben alkalmazott, nélkülözhetetlen és pótolhatatlan kötéstechnológia, ezért a fejlesztésére fordított rendkívüli pénzforrások felhasználásával a hegesztés igen sok eljárását és eljárásváltozatát hozták létre. A megvalósított hegesztési lehetőségek sokrétűsége miatt az általános érvényű definiálás nem egyszerű feladat. A ma legjobbnak tartott, általános érvényű definíció, amely az American Welding Society-től származik, a következő: A hegesztés olyan oldhatatlan (irreverzibilis) kötőeljárás, amelynek során a fémes vagy nemfémes anyagok elemi részeit megfelelő hőmérsékletre való hevítéssel, nyomás alkalmazásával, vagy anélkül, vagy csak nyomás alkalmazásával hevítés nélkül, hozaganyag felhasználásával, vagy anélkül egyesítik. A definícióban fontos kulcsszavak szerepelnek, amelyek a hegesztés lényegére mutatnak rá. 1. A hegesztés oldhatatlan kötést eredményez. A hegesztett kötés csak roncsolással szüntethető meg, reverzibilis oldás, mint pl. a csavarkötéseknél, nem lehetséges. 2. A hegesztés fémes vagy nemfémes anyagoknál egyaránt létrehozható. A hegesztés nem kapcsolható csak a fémekhez, a további anyagcsoportok (polimerek, kerámiák, kompozitok) tagjai a csoporton belül, sőt gyakran a csoportok között is hegeszthetők. Az elméleti hegeszthetőség gyakorlati megvalósíthatósága (technológiai hegeszthetőség) 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 kapcsolatnak, amely az alapanyag nem hegesztett részein belül létezik (fémes kötés, ionos kötés, kovalens kötés, Van der Waals féle kölcsönhatások). 4.3.4. A hegesztőeljárások rendszerezése

A hegesztőeljárások osztályozása az eljárások fizikai és kémiai hátterének sokszínűsége miatt összetett feladat. Valamennyi ma ismert osztályozásnak van létjogosultsága, mivel a csoportosítási szempont a hegesztés különböző vonatkozásaira hívja fel a figyelmet. 4.3.4.1. Elsődleges osztályozás a sajtolóerő-igény szerint

A sajtolóerő szerinti osztályozás a hegesztés alapvető osztályozása. A definícióból levezethetően a hegesztésnek két nagy csoportja létezik: a külső erőhatás alkalmazása nélkül, az alapanyagok megolvasztásával végzett ömlesztőhegesztés és az erőhatást igénylő úgynevezett sajtolóhegesztés. A sajtolóhegesztés hevítés nélkül, vagy hevítéssel kombinálva végezhető. A lényeges megkülönböztetés a csoporton belül annak figyelembevételével történhet, hogy az anyag hegesztés közben megolvad, vagy mindvégig szilárd fázisú marad. A hegesztés sajtolóerő-igény szerinti csoportosítását a 4.1. táblázat foglalja össze. 4.1. táblázat. A hegesztőeljárások alapvető osztályozása

Hegesztési főcsoport Ömlesztő

Sajtoló

Hegesztési alcsoport

Külső sajtolóerő

– Szilárd fázisú sajtolóhegesztés Folyékony fázisú sajtolóhegesztés

176

Helyi hevítés maximális hőmérséklete

Nincs Van

Olvadáspontot meghaladja Olvadáspontot nem éri el

Van

Olvadáspontot meghaladja

HEGESZTÉS


A maximális hőmérsékletet tekintve hegesztés elméletileg az abszolút nulla fok és az alapanyag forráspontja közötti hőmérséklet-intervallumban végezhető. A hegesztés 4.1. táblázatban bemutatott osztályozását a 4.2. ábrán látható F=f(T) diagramban szemléltetjük. A sajtolóhegesztés az alapanyagok (hideg, félmeleg vagy meleg) képlékeny alakítására épül. Fémek esetében a képlékeny alakításhoz szükséges sajtolóerő nagysága a kf alakítási szilárdság (az alakítási mértéktől függő folyáshatár) hőmérséklettel csökkenő jellegű függvénymenetét követi. Az ábrából látható, hogy a hőmérséklet növelésével a sajtolóerőszükséglet erőteljesen csökken. A szilárd fázisú sajtolóhegesztések legkedvezőbb hőmérsékletintervalluma első közelítésben megegyezik az alapanyagok melegalakítási hőközével (acéloknál 1000…1300 °C). Fs, kN Folyékony fázisú (ömlesztő) hegesztések

Szilárd fázisú hegesztések

Hegesztés nem lehetséges

Szilárd fázisú sajtoló hegesztések

0

Folyékony fázisú sajtoló hegesztések

Tolv

T, oC Ömlesztő hegesztések

4.2. ábra. A hegesztés főcsoportjai és a sajtolóhegesztés erőszükséglete a hőmérséklet függvényében A folyékony fázisú sajtolóhegesztések erőszükségletét a fémfolyadékkal érintkező nagy hőmérsékletű anyagtérfogat alakítása határozza meg, mivel a melegalakítás a szilárd anyagra is kiterjed. Az erőszükséglet ebben az esetben is hőmérsékletfüggő. 4.3.4.2. A hegesztőeljárások további csoportosítása

Az eddigiekben a hegesztéseket az alkalmazott erőhatás és a hegesztési folyamatban elért maximális hőmérséklet alapján csoportosítottuk. A hegesztés sokrétűsége további osztályozásokat tesz szükségessé. Mivel a szóban forgó felosztások fontos alapfogalmakat is takarnak, a továbbiakban röviden összefoglaljuk ezeket. 4.3.4.2.1. Osztályozás a rendeltetés alapján

A hegesztéseket két, vagy több elem oldhatatlan kötésére használva kötőhegesztésről, egy elem felületére egy célszerűen megválasztott anyaggal egy vékony réteget felhegesztve felrakóhegesztésről beszélünk. A felrakóhegesztések a felületmódosító eljárások (surfacing) közé tartoznak.

177


HEGESZTÉS

4.3.4.2.2. Gépesítettség szintje szerint

A hegesztés végezhető kézzel, de az egyes jellegzetes hegesztési mozgásokat gépi úton (mechanizmusokkal) végezve az emberi kéz munkája részben vagy egészében helyettesíthető. A hegesztési folyamat felügyeletét ember és mikroprocesszor láthatja el. A munkavégzés és felügyelet szerint a következő eseteket lehet megkülönböztetni: − kézi hegesztés emberi felügyelettel (klasszikus kézi hegesztés), − gépi (gépesített) hegesztés, • emberi felügyelettel (klasszikus gépi hegesztés), • mikroprocesszor felügyelettel (robothegesztés). Kézi hegesztésre közismert példa a bevontelektródás kézi ívhegesztés, ahol minden fő- és mellékmozgást a hegesztő végez. Gépesített hegesztéskor a főmozgás és a hozaganyag adagolása mechanizált, de a fix beállításokat és a korrekciókat a hegesztő végzi. Automatikus hegesztéskor a mechanizált hegesztésre vonatkozó információkat rugalmas programban tárolják, ezért az operátor szerepe legfeljebb csak a megfigyelésre és a korrekciós beavatkozásokra korlátozódik (hegesztő robotok). 4.3.4.2.3. Hozaganyag alkalmazása szerint

Amíg az ömlesztőhegesztő eljárásoknál a hozaganyaggal végzett (ún. exogén) hegesztés az általános, és a hozaganyag nélküli hegesztés a kivételes, addig a sajtolóhegesztéseknél hozaganyagot nem használnak, kivételes esetekben a hegeszthetőségi (inkompatibilitási) problémák mérséklésére egy harmadik anyagot közbetétként (inzertként) szerepeltetnek. A hozaganyag nélküli (ún. autogén) hegesztéseknél a varrathoz szükséges anyagmennyiséget a kötés előkészítése során kell biztosítani, egyébként a varrat felülete az illesztési rés és a gyökoldali túlfolyás miatt óhatatlanul homorú lesz. 4.3.4.2.4. A környezeti atmoszféra nyomása szerint

A hegesztést leggyakrabban normál nyomású levegőatmoszférában végzik, de ettől eltérő esetek is előfordulhatnak. Korlátozást jelent, hogy egyes eljárásokhoz gázatmoszférára mindenképpen szükség van (pl. ívhegesztések), de van olyan hőforrás is, amely ezzel ellentétben valamilyen mértékű vákuumot igényel (elektronsugár-hegesztés). A környezeti atmoszféra nyomása szerint a hegesztés a következő nyomásviszonyok mellett végezhető: • abszolút vákuum, p=0 bar (világűr), • földi vákuum, p≈0 bar, • légköri nyomás, p=1 bar, • nagynyomású tér, p>1 bar (víz alatti hegesztés). 4.3.4.2.5. A hegfürdő és környezetének védelme szerint

Hegesztéskor a nagyhőmérsékletű helyeket (hegfürdő és környéke, hozaganyag-vég, a hegfürdőbe tartó cseppek, dermedő varrat és hőhatásövezet rekrisztallizációs hőmérséklet (acélok esetében kb. 450 °C) fölé hevült része) a levegő gázainak kémiai hatásától (oxid- és nitridképződés) és a gázelnyeléstől (hidrogén) védeni kell. A megbízható védelem a hegesztés sikerének és a minőségnek is kulcskérdése. A hegesztés története egyben a védelem fejlesztésének a története is. A ma ismert hatékony védelmi lehetőségek a következők: − vákuum védelem (elektronsugár-hegesztésnél használt), − gázvédelem (védőgázas ívhegesztéseknél), − salakvédelem (fedettívű hegesztésnél) − kombinált (pl. egyidejű gáz- és salak-) védelem (bevont elektródás kézi ívhegesztésnél), 178

HEGESZTÉS


− mechanikus védelem (valamennyi sajtolóhegesztő- eljárásnál). Megfelelő védelem esetén a varrat felülete még a nagy oxigén-affinitású (ún. reaktív) fémek (pl. Zr, Ti) esetében is oxidmentes, a varratfém elnyelt gáztartalma alacsony, mindezek következtében a varrat mechanikai és esztétikai jellemzői a magas minőségi elvárásokat is kielégítik. 4.3.4.2.6. A Nemzetközi Hegesztési Szervezet ajánlása szerint

Az ISO (International Organization for Standardization), a Nemzetközi Szabványosítási Intézet készített egy eljárás csoportosítást és az egyes eljárásokat a géprajzi jelölés és a számítógépes adatkezelés megkönnyítésére (maximum háromjegyű) számjellel látta el (ISO 4063). A csoportosítás eltér az általunk megszokott európai rendszerezéstől és meglehetősen eklektikus nézőpontot képvisel. A ISO csoportosítás a hegesztéseket és rokoneljárásaikat kilenc főcsoportba sorolta, ebből a legfontosabb ívhegesztések az első főcsoportba tartoznak. A főcsoporton belül vegyes szempontok szerint csoportokat és alcsoportokat hoztak létre. Az ívhegesztések közül a döntően salakvédelmű eljárások kapták a 11 és 12, a gázvédelműek a 13, 14 és 15 alcsoportjelet. A láng hőforrású hegesztőeljárások a 3., a sugárenergiákra épülők az 5., az egyéb hegesztőeljárások a 7. főcsoportba tartoznak. A sajtolóhegesztések közül a legfontosabbnak tartott Ellenálláshegesztéseket a 2. főcsoport, a többit a 4. főcsoport tartalmazza. A termikus vágó- és hornyoló-eljárásokat a 8. főcsoportba, a különféle forrasztásokat a 9. főcsoportba sorolták. A hegesztőeljárások szabatos magyar megnevezésében szereplő elektróda szó hegesztés közben leolvadó (fogyó), az elektród szó nem leolvadó (legtöbbször W, ritkábban C) anyagot takar. 4.3.5. A hegesztés hőforrásai

Mivel egy-két kivételtől eltekintve a hegesztések döntő hányadában az anyagokat az alapanyag megolvasztása céljából és/vagy a sajtolóerő csökkentése érdekében hevítik, a hegesztéshez használt hőforrások a hegesztés sikerét és gazdaságosságát nagymértékben befolyásolják. A hőbevitel fontosságát az is megerősíti, hogy a hegesztőeljárásokat általában a hőforrásukról nevezték el. A varratban és a hőhatásövezetben végbemenő diffúziós és egyéb folyamatok a hőmérséklet és a hőhatási idő függvényei, ezért a hőforrás hőfizikai jellemzőivel szoros kapcsolatban állnak. A hegesztéshez megfelelő koncentráltságú és nagyteljesítményű energiaforrások, a végső energiafajtát tekintve hőforrások szükségesek. 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 hasonlító, de véges kiterjedésű átmérővel rendelkező foltszerű (0,5D) hőforrások. 4.3.5.1. A foltszerű hőforrások jellemzői

A foltszerű hőforrások hegesztésre való alkalmasságának megítéléséhez öt lényeges (geometriai és fizikai) jellemző ismerete szükséges.

179


HEGESZTÉS

Hőáram

Az egyfázisú váltakozó áramú hálózatról üzemelő hegesztő áramforrások által időegység alatt szolgáltatott hőenergiát a hőáram fejezi ki:

Φ = ηt ⋅ U ív ⋅ I h ⋅ cos ϕ , ahol: Φ ηt Uív Ih φ

(4.1)

[W] hőáram, a hőforrás termikus hatásfoka, [V] ívfeszültség, [A] hegesztő áramerősség, a hegesztőáram és az ívfeszültség közötti fázisszög (egyenáram [DC] esetén cosφ=1, váltakozóáram [AC] esetén ‫׀‬cos φ‫< ׀‬1).

4.3.5.1.1. Hőfoltátmérő

A hőforrás hőfoltátmérője (dh) annak az idealizált, állandó intenzitású, körkeresztmetszetű hőforrásnak az átmérőjével egyezik meg, amelyen keresztül ugyanannyi hőenergia áramlik, mint a valóságos, a hely függvényében változó intenzitású hőforráson át. Az ívhőforrás hőfoltátmérője első közelítésben az ív átlagos átmérőjével, sugárhegesztéseknél a sugárnyaláb átmérőjével vehető azonosnak. 4.3.5.1.2. Hőáramsűrűség

A hőáram ívkeresztmetszetre vonatkoztatott fajlagos értéke a hőáramsűrűség (q,W/mm2):

q=

dΦ 4 ⋅ dΦ = dA d h2 ⋅ π .

(4.2)

A valóságos foltszerű hőforrás hőáramsűrűsége a hőforrás tengelyétől mért R távolsággal exponenciálisan csökken. A hőáramsűrűség sugártól függő értékét a Gauss-féle haranggörbe ábrázolja (4.3. ábra). W/mm2

q q0

0 φ dh

R

R

4.3. ábra. A hőáramsűrűség sugármenti eloszlása A haranggörbe egyenlete a következő:

q = q0 ⋅ e

− k ⋅r 2

= q0 ⋅ e

−

4 d h2

⋅r 2

.

(4.3)

A (4.3) összefüggés azt mutatja, hogy minél kisebb a hőforrás dh hőfoltátmérője, annál meredekebben csökken a hőáramsűrűség a hőforrás tengelyvonalától távolodva és fordítva. Más

180

HEGESZTÉS


szóval azt is mondhatjuk, hogy a hőforrás hőfoltátmérőjének csökkenésével a hőforrás koncentráltsága növekszik. A kis áramsűrűségű bevontelektródás ív például nagy foltátmérőjűnek, a finomcseppes anyagátvitelű védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés (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. Normál hőáramsűrűségűek a láng, a villamos ív és a plazmaív hőforrások, nagy hőáramsűrűségűek a sugárhőforrások (lézersugár és elektronsugár). 4.3.5.1.3. A hőforrás sebessége

A hőforrás sebessége (vh, mm/s) az a relatív sebesség, amivel a hőforrás a tárgyhoz képest a hegesztési irányban mozog. A hőforrás sebessége álló tárgy esetében megegyezik a hegesztési sebességgel. Álló hőforrás (ív- és ellenállás-ponthegesztések) esetében a hőforrás sebessége zérus. Az álló hőforrással végzett hegesztéseket ponthegesztésnek (spot welding), a mozgó hőforrással végzetteket vonalhegesztésnek (seam welding), vagy egyszerűen jelző nélkül, hegesztésnek nevezik. A hőforrás sebességét a hegesztési gyakorlatban önkényesen 3 m/min (50 mm/s) érték fölött gyorsnak, alatta normál értékűnek tekintik. Ennél precízebb az a meghatározás, amikor a hőforrás sebességét a lineáris hővezetés sebességéhez hasonlítják: eszerint egy hőforrás akkor tekinthető gyorsan mozgónak, amikor a hőforrás gyorsabban mozog a hő vezetéses terjedésénél, vagyis amikor a hőforrás előtt az anyag nem melegszik. Ez a határsebesség anyag- és technológiafüggő, ezért konkrét, minden esetre érvényes értéke nem létezik. 4.3.5.1.4. Vonalenergia

A hőforrás hőáramából és mozgási sebességéből igen hasznos mérőszámot képezhetünk, amelyet vonalmenti energiasűrűségnek, röviden vonalenergiának, neveznek (alternatív elnevezés a szakaszenergia és a fajlagos hőbevitel):

Ev = ahol: Ev, vh

[J/mm] [mm/s]

Φ vh ,

(4.4)

vonalenergia, a hőforrás haladási sebessége (hegesztési sebesség).

A vonalenergia alkalmas különböző hegesztési eljárások, és azonos eljáráson belül különböző technológiai variánsok összehasonlítására, emellett igen jól használható egyes hegeszthetőségi kérdések megítéléséhez is. Sokrétű felhasználhatóságából következik egyöntetű elfogadottsága és népszerűsége. A vonalenergia kézi hegesztéseknél általában 500 és 2000 J/mm közé esik, gépesített hegesztéseknél az 5000 J/mm-t is elérheti. A vonalenergia növelése a hegesztés teljesítménymutatóit javítja, de a hegesztett kötés minőségét rontja, ezért megválasztásakor a legjobb kompromisszumra célszerű törekedni. 4.3.5.2. A hegesztéshez használt hőforrások

A hegesztő hőforrások mindössze néhány energiafajtát hasznosítanak. Összefoglaló áttekintésük a 4.2. táblázatban található. A táblázatban szereplő hőforrások közül a mechanikai energiát és a szilárd anyag ellenállásán fejlődő hőt csak sajtolóhegesztéshez, a plazmaívet, a

181


HEGESZTÉS

folyékony anyag ellenállásán fejlődő hőt és a sugárenergiákat csak ömlesztőhegesztéshez, a többi energiafajtát mindkét hegesztési főcsoporthoz alkalmazzák.

4.2. táblázat. A hegesztéshez használt hőforrások áttekintése Sorszám 1 2

3

4 5

Hegesztő hőforrás

Alcsoport

Exoterm kémiai reakciók energiája Villamos ív és

Égés Termitreakció Ív

Plazmaív Ellenálláson fejlődő hő

Plazmaív Folyékony anyag ellenállása Szilárd anyag ellenállása Súrlódás Elektronsugár Lézersugár Fénysugár

Mechanikai energia Sugárenergia

Példa Lánghegesztés Termithegesztés Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés Plazmaívhegesztés Salakhegesztés Ellenállás-ponthegesztés Dörzshegesztés Elektronsugár-hegesztés Lézersugár-hegesztés Fénysugár-hegesztés

Minden hegesztőeljárás elhelyezhető a hőforrására jellemző hőáramsűrűség-hőfoltátmérő diagramban. A 4.3. ábrában a hőforrás hőáramsűrűségének alsó határa 101 W/mm2, amely érték alatt a fémek nem hegeszthetők, mivel a hőenergia az anyagban hővezetés révén szétterjed és helyi megolvadás nem következik be. A felső határ (107 W/mm2) felett az anyagok helyileg elgőzölögnek; ez a vágás-darabolás területe. A két említett határérték között a hőforrások hőáramsűrűsége és hőfoltátmérője kettős logaritmusos koordináta rendszerben közel arányosnak vehető. A hőfoltátmérő 1 μm és 10 mm között változik. A 4.4. ábrában a hegesztőeljárásokra jellemző területet ellipszissel ábrázoltuk. Az ellipszis mérete az eljárás szabályozhatóságának terjedelmét jellemzi. A stabil tartomány például az elektronsugár-hegesztés esetében egészen nagy, a lézersugár, vagy a plazmaív esetében jóval kisebb. Az ellipszisen belüli helyzet a hegesztő eljárás technológiai paramétereinek és a hegesztendő alapanyag fizikai jellemzőinek a függvénye.

lgq0 A hőáramsűrűség túl nagy a hegesztéshez

W/mm2 107

Lézersugár

106

Nagy hőáramsűrűségű hegesztő eljárások

Elektronsugár

105 104 Villamos ív

103

Normál hőáramsűrűségű hegesztő eljárások

Plazmaív

102 101

Láng -3

10

-2

10

10

-1

100

101

A hőáramsűrűség túl alacsony a hegesztéshez

lgdh, mm

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

182

HEGESZTÉS


A diagramban szerepeltettük a 10 kW/mm2-es elválasztó határértéket is. Fizikailag ennél nagyobb hőáramsűrűségértéknél az olvasztás és elgőzölögtetés válik a hegesztési folyamat egyik meghatározó elemévé, míg alatta az olvasztás és a hővezetés tekinthető az uralkodó folyamatoknak. 4.3.6. A hozaganyag hevítése, megolvasztása és átvitele a hegfürdőbe

Az ömlesztő hegesztés varratai kevés kivételtől eltekintve az alapanyag és a hozaganyag olvadékának keverékéből kristályosodnak. A hegesztési munkákban az alapanyag általában adott, de a hozaganyagot a hegesztő szakember választhatja meg, és ezzel kedvezően befolyásolhatja a varrat összetételét és tulajdonságait. A hozaganyagnak a hegesztő eljáráshoz igazodva pálca, bevonatos elektróda, huzal, szalag, por, paszta és egyéb, ritkán használatos megjelenési formái ismertek. A hazai kereskedelmi cégek eladási adatai szerint az 2000…2005. években a hozaganyagokon belül a tömör és porbeles huzalok együttes részaránya mintegy 70 %-os, a bevonatos elektródáké 25 %-os, a pálcáké 2 %-os volt, míg a fennmaradó 3 %-on a többi hozaganyag együttesen osztozott. 4.3.6.1. A hozaganyagok hevítése ömlesztő hegesztéseknél

A hozaganyagot a hegesztés hőforrása hevíti. Ömlesztő hegesztések esetében a hőforrásnak a hozaganyagot az olvadáspontja fölé kell hevítenie, hogy annak anyaga cseppalakban vagy egyéb módon a hegfürdőbe kerülhessen. A hozaganyagok hevítése három különböző elven lehetséges, aszerint, hogy a hőforrás hője hogyan és hol hevíti a hozaganyagot. 4.3.6.1.1. A pálca hevítése

A pálca egy átmérőcsaládnak megfelelő vastagságú, de konstans hosszméretű (Magyarországon többnyire 1 m hosszúságú) huzaldarab, ami nem része a villamos áramkörnek és amit többnyire kézzel adagolnak az ívbe (semleges-védőgázas, W elektródos ívhegesztés, SWI), plazmaívbe (plazmaíves hegesztés, PH) vagy a lángba (oxi-acetilén lánghegesztés, LH, keményforrasztás, hegesztő forrasztás). A pálca egyik végét a hőforrás energiája a hőforrást körülvevő gázközeg konvekciója és a sugárzás révén hevíti. A hő a pálcában hővezetéssel (a pálca anyagától függő sebességgel), de meglehetősen lassan terjed a pálca másik vége felé. A pálca hevített vége a hőtől megolvad, rajta a súlyerő, a felületi feszültség, és a hőforrás fúvóhatása miatt cseppek képződnek, amelyek leválva a hegfürdőbe hullnak. A cseppek méretét a felsorolt erőhatások együttesen határozzák meg. 4.3.6.1.2. A bevonatos elektróda hevítése

A bevonatos elektróda egy szabványosított átmérősornak megfelelő vastagságú, rövid (200…450 mm) huzaldarab, amelynek külső felületén zömében nemfémes (kerámia) bevonat található. A nevéből adódóan a bevonatos elektróda a villamos áramkör része és a hegesztési folyamatban leolvad (fogyóelektróda). A bevonatos elektróda végét a villamos ív konvekció és sugárzás révén hevíti. Ezt a hőközlést egy másik hevítési mód egészíti ki: az elektródán átfolyó hegesztőáram Joule hője. Mivel a fejlődő Joule hő az áramátfolyás idejétől függ, az elektróda egy adott pontjának hőmérséklete az idő függvénye lesz. A Joule hő az elektródákat még az ívközeli állapot előtt előmelegíti, ezért hasznosnak tekinthető. A Joule hő miatt az elektróda (szemben a pálcával,

183


HEGESZTÉS

amit a hegesztők sokszor csupasz kézzel adagolnak) több száz fokra, sokszor vörösízzásig felhevül, ezért hegesztés közben bőr hegesztőkesztyű nélkül nem tanácsos megérinteni. Az elektróda ívvel hevített végére a pálcánál felsorolt erőkön kívül még a külső és belső gázerők, valamint a hegesztőáram okozta (radiális és axiális irányú) elektromágneses erők hatnak. A cseppleválás az erők erdőjének irányába történik. Kívánatos és szerencsés esetben a cseppek a hegfürdőbe hullnak, de egy részük (1…20 %) attól távolabb esik a hegesztendő munkadarabra vagy a környezetére: ez utóbbi jelenséget fröcskölésnek nevezzük. A fröcskölés a rövidzárlat megszűnése utáni gyors áramnövekedés, és/vagy a megolvadt hozaganyagvégre ható belső gázerők hatására következik be. A fröcskölés nagyon káros jelenség és mind hozaganyag- és áramforrás-gyártási, mind technológiai fogásokkal a mérséklésére kell törekedni. Teljes fröcskölésmentes állapot nem érhető el, fröcskölésmentes hegesztés csak a reklámszövegekben létezik. 4.3.6.1.3. A huzalelektróda hevítése

A huzalelektróda olyan (tömör vagy porbeles) huzal, amely a hegesztés áramkörébe van bekötve, leginkább a pozitív pólusra (ezt, az ún. fordított polaritást a direct current electrode positive angol kifejezés után DCEP-vel jelöljük.). Huzalelektródát alkalmazunk a védőgázas, fogyóelektródás, a fedettívű és több más hegesztőeljárásnál. A huzalelektróda hevítése a bevonatos elektródáéhoz hasonlít, egy nagy eltéréssel: itt az árambevezetés helye a huzalhoz képest nem fix, hanem változó, mivel a pisztoly csúszókontaktusával mindig más huzalpont érintkezik. Ez azt jelenti, hogy a huzalelektróda árambevezető előtti szakasza hideg, az árambevezető és az ívtalppont közötti (többnyire 10…25 mm hosszúságú) részt a hegesztő áram Joule hője előmelegíti, és ehhez adódik hozzá a huzalvégen égő ív hőjének intenzív hevítő hatása. A huzal megolvadó végére ugyanazok az erők hatnak, mint a bevonatos elektródára, de itt az egyes erőkomponensek abszolút és relatív nagysága különbözik a bevonatos elektródánál fellépőktől. Ennek elsősorban a nagyobb áramsűrűség és a kisebb huzalátmérő a magyarázata. 4.3.6.2. Az anyagátvitel lehetséges módjai ívhegesztéskor

Az anyagátvitel többnyire cseppek formájában történik, de van olyan anyagátviteli mód is, ahol nincs cseppképződés (emiatt az anyagátvitel kifejezés a cseppátvitellel nem helyettesíthető). Az IIW nyolc hegesztési anyagátviteli módot különböztet meg. Ezek közül négynek van fontos gyakorlati szerepe, ezért a következőkben csak ezeket tárgyaljuk. Az anyagátvitel a hőtranszfer mellett a hegesztés másik igen lényeges folyamata, ami a hegesztett kötés minőségére és a hegesztés gazdaságosságára jelentős befolyással van. Az ívhegesztés anyagátmenetét nagysebességű filmfelvételekkel tanulmányozzák. Az anyagátmenet egyes típusaira az áram és feszültség oszcillogramjából, sőt kellő gyakorlattal az ív hangjából és a varrat külső megjelenéséből is lehet következtetni. 4.3.6.2.1. Rövidzárlatos anyagátvitel

A kis feszültséggel, kis áramerősséggel végzett hegesztéskor az ív igen rövid, ezért a folyamatosan előtolt huzalelektróda megolvadt vége beleütközik a hullámzó felületű hegfürdőbe és rövidzárlat keletkezik, az ív kialszik A pinch effektust okozó elektromágneses erő, amely közelítőleg az áramerősség négyzetével arányos, a zárlati áram hatására megnő, ami a hegfürdő olvadékának felületi feszültségével együtt segíti az anyagleválást. A cseppképződés nélküli anyagátmenet után az ív hevesen újragyullad és a nagyon gyors áramnövekedés szinte

184

HEGESZTÉS


szétrobbantja a huzalelektróda végén újraképződött folyadékot, ezért ezt az anyagátviteli módot jelentős mértékű fröcskölés kíséri. A meglehetősen előnytelen, de a legkisebb hőbevitelt eredményező rövidzárlatos anyagátmenetet csak indokolt esetben (vékonylemez (s<3 mm) hegesztés, középvastag és vastaglemezek gyökhegesztése, térbeli hegesztés) alkalmazzák. 4.3.6.2.2. Nagycseppes anyagátvitel

Közepes áramerősség és közepes, vagy nagy feszültség nagycseppes anyagátvitelt eredményez A cseppek fő jellemzője, hogy átmérőjük nagyobb, vagy jóval nagyobb, mint a huzalelektródáé: dcs>de, vagy dcsde. A cseppek szabálytalan alakúak is lehetnek és röppályájuk nem mindig tengelyirányú (fröcskölés). A cseppképződést és a -leválást főleg a gravitációs erő uralja. Az fcs cseppfrekvencia alacsony, értéke 1 és 10 Hz közé tehető. A nagycseppes anyagátvitel az olcsó széndioxid védőgázra, vagy a döntően CO2 bázisú gázkeverékekre jellemző, az ilyen védőgázokban ugyanis finomcseppes átmenet nem hozható létre. Nagycseppes anyagátvitellel találkozunk a bázikus elektródák és bázikus salakú porbeles huzalelektródákkal végzett hegesztéskor is. 4.3.6.2.3. Finomcseppes anyagátvitelek

Az anyagátmenet folyamatossága, a cseppek tengelyirányú mozgásának megtartása, a fröcskölés minimalizálása a finomcseppes átmeneteknél valósul meg leginkább, ezért ezeket a cseppátviteli módokat tekinthetjük az ideálist megközelítőnek, kívánatosnak és megvalósítandónak. A finomcseppes anyagátmenetek közös jellemzője, hogy a huzalelektróda végén apró (dcs<de), vagy igen apró cseppek (dcsde) keletkeznek és a cseppfrekvencia jelentős nagyságú (fcs=100…500 Hz). A finomcseppes anyagátvitelek alesetei a következők: permetszerű cseppátmenet, folyadékcsatornás cseppátmenet, forgóíves cseppátmenet és impulzusíves cseppátmenet. A finomcseppes anyagátvitel eléréséhez adott huzalanyag- és -átmérő esetén egy Jcr=150…200 A/mm2 nagyságú kritikus áramsűrűség elérésére, megfelelő védőgázra és korszerű áramforrásra van szükség. 4.3.6.3. Az anyagátvitel mennyiségi jellemzői

Az időegység alatt leolvasztott hozaganyagtömeget, amely a hegesztés fontos mérőszáma, leolvasztási teljesítménynek nevezzük. Képlete:

m le = ahol: m le mle t

dmle Δmle ≈ Δt , dt

(4.5)

[kg/h] [kg] [h]

leolvasztási teljesítmény, a leolvasztott hozaganyagtömeg fém része (salak nélkül), hegesztési főidő. Hasonlóan definiálható az m be -vel jelölt beolvasztási teljesítmény, ami az időegység alatt a hegfürdőbe kerülő, majd ott megszilárduló hozaganyagtömeget jellemzi:

m be =

dmbe Δmbe ≈ Δt , dt 185

(4.6)


HEGESZTÉS

ahol: m be [kg/h] beolvasztási teljesítmény, mbe [kg] a varratba beolvasztott fém hozaganyagtömeg, t [h] hegesztési főidő. A leolvasztási és a beolvasztási teljesítmény különbsége az időegység alatti veszteséget adja:

m v = m le − m be , ahol: m v

[kg/h]

(4.7)

időegység alatti veszteség.

A hegesztő műveletet tervező mérnök számára a leolvasztási tényező ad fontosabb információt, mivel segítségével meg tudja határozni a hegesztők várható hozaganyag felhasználását és össze tudja hasonlítani egy adott munkához szóba jöhető hegesztő eljárások termelékenységét. 4.3.7. A hegesztendő tárgy helyi hevítése és megolvasztása

A hegfürdő ömlesztőhegesztéskor az alapanyag megolvadásával jön létre. Hegürdőnek nevezzük azt az alapanyagrészt, amely éppen olvadt állapotban van, vagyis hőmérséklete nem kisebb, mint az alapanyag olvadáspontja, pontosabban likviduszhőmérséklete. Amennyiben hozaganyagot használnak, a hozaganyag ömledékének hasznosuló része is a hegfürdőbe kerül, vagyis a hegfürdő általános esetben az alapanyag és a hozaganyag ömledékének a keverékeként jön létre. A hegfürdő hossztengely irányú párhuzamos eltolásával és folyamatos kristályosodásával kapjuk a varratot. Egyes hegesztési feladatokban szükség van a varrat a alapanyag részarányának ismeretére, mivel az alapanyag részarány a hígulásra ad információt. A hígulás (dilution) szakkifejezés arra utal, hogy a rendszerint ötvözöttebb és tisztább (vagyis értékesebb) heganyag ömledékét az alapanyag olvadéka felhígítja. Szilárdfázisú hegesztés során hegfürdő és varrat nem alakul ki, mivel az ilyen hegesztési folyamatban az alapanyag nem olvad meg. A szilárdfázisú hegesztőeljárással készített kötések központi részét kötésfelületnek nevezzük (ez nulla szélességű kvázivarratként fogható fel). 4.3.7.1. A hegfürdő alakja

A hegfürdőt a likvidusz-hőmérsékletnek megfelelő izotermafelület határolja. Az izotermafelület méreteinek és alakjának pontos meghatározása mikroszkópi csiszolatokból lehetséges, de közelítő képet kaphatunk a hőterjedési modellek alapján végzett analitikus és végeselemes módszerre (FEM) épülő számítással is. A hegfürdő alakjának meghatározásához válasszuk a számítógépes szimulációval legkönynyebben kezelhető nagytestmodellt. A hővezetési differenciálegyenletnek a hegesztés körülményeire konkretizált megoldásával egy adott pillanatban a hőforrás környezetének bármely pontjában a hőmérséklet kiszámítható. Vegyük a hőforrás haladási irányával, vagyis a hegesztési iránnyal egybeeső x tengelymenti hőmérsékleteloszlást, amelyet a 4.5 ábra szemléltet. Ha az ábrába berajzoljuk a likviduszhőmérséklet vízszintesét, akkor a hőmérsékletgörbével alkotott metszéspontok kijelölik a hegfürdő orrpontjának és végpontjának helyét. Hasonlóan járhatunk el az y és a z tengely irányában is. A hegfürdő alakja álló hőforrás esetén egy forgásellipszoidhoz (lencséhez) hasonlít. A sebesség növelésével a hegfürdő hőforrás előtti mérete zsugorodik, a hőforrás mögötti mérete növekszik, ennélfogva a hegfürdő egy hátrafelé elnyúló félcseppalakhoz kezd hasonlítani. Minél nagyobb a hegesztési sebesség, annál keskenyebb, sekélyebb és elnyújtottabb lesz a hegfürdő. 186

HEGESZTÉS


Tmax

T

Tliq

x

0

x z

4.5. ábra. A hegfürdő határoló pontjainak meghatározása az x tengelyen, nagyméretű tárgyban A hegfürdő alakja azért lényeges, mert a belőle kristályosodó varrat a hegfürdő x tengely irányú eltolásával leírt burkolófelületet örökli, és a varrattulajdonságok nagy részét (szerkezetfüggő tulajdonságok) a hegfürdő alakja által is befolyásolt kristályosodási folyamat jelentősen befolyásolja. 4.3.7.2. A hegfürdő méretei

A hegfürdő lényeges méreteit a 4.6. ábrán szemléltetjük. Az ábrán feltüntettük a varrat fő méreteit is, így az összefüggés a hegfürdő és a varratméretek között egyértelműen követhető. lhf

hhf

0

x

y

bhf bv 0

z

y

0 hhf

x

hv z

4.6. ábra. A hegfürdő és a varrat meghatározó méretei a három főirányban A hegfürdő és a varrat lényeges méreteit és jelöléseiket a 4.3. táblázatban foglaljuk össze. A hegfürdő méretei az anyagtól, eljárástól és technológiai beállításoktól függően igen tág határok (10-1…102 mm) között változnak. A hegfürdő térfogata hozzávetőlegesen a 10-1…102 mm3 (ml) értékek közé tehető. Ez a nagyságrend nagyon erőteljesen eltér a kohászati gyakorlatban előforduló m3-es olvadéktérfogatoktól. A hegfürdő térfogata és hőmérsék187


HEGESZTÉS

lete a dermedési sebességet erőteljesen befolyásolja. Csak gyors dermedés esetén van reményünk arra, hogy a hegesztést a hegfürdő alátámasztása nélkül végezhessük. Ha ugyanis a hegfürdő lassabban dermed, mint ahogy az alapanyagot a hőforrás olvasztja, a hegfürdő elfolyik.

4.3. táblázat. A hegfürdő és a belőle kristályosodó varrat fő méretei Irány

Tengely

Hegfürdő Méret

Hosszirány Keresztirány Vastagságirány

x y z

Varrat

Jelölés

Hosszúság Szélesség Mélység

lhf bhf hhf

Méret Hosszúság Szélesség Beolvadási mélység

Jelölés l v, l b v, b h v, h 1

4.3.7.3. A hegfürdő létideje

A hegfürdő egy kiválasztott pontjában az anyag megolvadása és megszilárdulása (kristályosodása) között eltelt időt a hegfürdő létidejének nevezzük. A létidő ismerete fontos a hegfürdőben végbemenő fizikai és kémiai folyamatok feltételeinek megítéléshez. A hegfürdő létidejének kiszámítási módja állandó hegesztési sebesség esetén:

thf =

lhf

vh ,

(4.8)

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, valamint az öszszetételt homogenizáló folyamatok lejátszódjanak, illetve a kémiai reakciók (pl. dezoxidálás) egyensúlyba kerülhessenek. Ez az oka annak, hogy a varrat amúgy is kedvezőtlen öntött struktúrájához még jelentős koncentráció-inhomogenitások is társulnak. A hegfürdőre ható elektromágneses- és gázerők a hegfürdőt intenzív keverésben tartják, ami a rövid létidőt a folyamatok felgyorsítása révén némiképp kompenzálja. Az erőhatások a fürdő felszínét torzítják, homorúvá alakítják, illetve egyes esetekben a fémolvadékot az ív alól kifújják. Ez utóbbi jelenség kedvező, mivel a beolvadási mélységet növeli. 4.3.7.4. A hegfürdő hőmérséklete

Az állandó mozgásban lévő hegfürdő hőmérséklet-eloszlása nem egyenletes, az átlagos hőmérséklet a dinamikus változások miatt még korszerű módszerekkel is nehezen mérhető. A hegfürdő hőmérséklete az olvadáspont és a forráspont közötti sávban helyezkedik el, az ívhegesztéseknél az előbbihez, a nagy hőáramsűrűségű eljárásoknál az utóbbihoz közelebb. Megbízható mérések szerint szerkezeti acélok bevontelektródás ívhegesztésekor a hegfürdő átlaghőmérséklete 1600…2000 °C közé, védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztésnél 1800…2400 °C közé tehető. Összehasonlításként, a hegfürdőbe kerülő cseppek hőmérséklete ennél néhány száz °C-kal mindig magasabb. 4.3.8. A hegfürdőben végbemenő fizikai-kémiai folyamatok

A hegfürdő magas hőmérsékletű cseppfolyós fémében az acélgyártásnál tanultakhoz hasonló, de a rövid idő miatt az egyensúlyi állapotot nem elérő folyamatokkal kell számolni. A

188

HEGESZTÉS


folyamatok leírásával és elemzésével a szakirodalom részletesen foglakozik, a következőkben a címszavak felsorolásával utalunk a megoldandó problémák sokszínűségére: − gázok (O2, N2, H2) oldódása a hegfürdőben, − a nitrogén megkötésének lehetőségei, − a hegfürdő hidrogéntartalmának csökkentési lehetőségei, − a hegfürdő oxidációja és a vasoxidul redukciója, − a hegfürdőben oldott kéntartalom csökkentése, − a hegfürdő foszfortartalmának minimalizálása, − a varrat salaktartalmának csökkentése. A felsorolt folyamatok többsége káros hatással van a varrat minőségére (épségére, mechanikai jellemzőire, küllemére), ezért az ellenük való hatékony védekezés a hegesztéstechnológia tervezésének egyik legfontosabb törekvése kell, hogy legyen. 4.3.9. A hegfürdő kristályosodása

A hőforrás elhaladta vagy kikapcsolása után a hegfürdő hőmérséklete gyorsan a likviduszhőmérséklet alá csökken és a körülmények meghatározta túlhűlés után megkezdődik a hegfürdő kristályosodása. Mint minden fázisátalakulási folyamatot, a hegfürdő kristályosodását is a szabad entalpiák szabályozzák. Egy adott hőmérsékleten az a fázis tekintendő stabilabbnak, amelynek létrejöttéhez szabad entalpia csökkenés tartozik.

ΔG = Gsz − G f < 0 , ahol: Gsz Gf

[J] [J]

(4.9)

a szilárd fázis szabad entalpiája, a folyadék fázis szabad entalpiája.

Ha a ΔG negatív, vagyis a folyadék fázis szilárd fázissal való felváltásával a szabad entalpia csökken, akkor a szilárd fázis energetikailag stabilabb, vagyis a kristályosodás feltételei megteremtődtek. Ez megfelelő túlhűtés után következik be. A 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 nagymértékben kihat a varrat épségére, valamint mechanikai és egyéb (pl. korróziós) tulajdonságaira. 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 képest jobban túlhűlő fémtérfogatok is. Ha idegen anyagok nincsenek jelen a fémolvadékban, akkor homogén kristályosodásról, idegen anyagok jelenlétében heterogén kristályosodásról beszélhetünk. 4.3.9.1. Kristályosodási repedések képződése a varratban

A kristályosodási repedések (solidification crack) a hegvarrat dermedésének utolsó fázisában, ötvözeteknél a likvidusz és solidusz hőmérséklet között jönnek létre, ezért ezeket kevésbé tudományos igénnyel melegrepedésnek is szokás nevezni. A kristályosodási repedések könnyen felismerhetők, mivel a varrat legutoljára megszilárduló középvonalát követik. Dendrites kristályosodáskor a dendritágak összeérésének, összenövésének helyén keletkeznek, mi-

189


HEGESZTÉS

vel itt dúsulnak fel az alacsony olvadáspontú varratszennyezők. A repedések kialakulása azonban csak keresztirányú húzófeszültségek jelenlétében lehetséges, ezt a zsugorodási folyamat szolgáltatja. Összefoglalásként megállapítjuk, hogy a kristályosodási repedések kialakulásában a következő tényezők játszanak fontos szerepet: − alacsony olvadáspontú szennyezők jelenléte a hegfürdőben, − a varrat kedvezőtlen Ψ belső formatényezője (keskeny, mély varrat), − keresztirányú húzófeszültségek. 4.3.9.1.1. A varratszennyezők szerepe

A szerkezetépítésben használt ötvözetlen, mikroötvözött és gyengén ötvözött acélok esetében a melegrepedés kialakulását a C, S és P elemek segítik elő. A vasnál alacsonyabb olvadáspontú, ezért későbben dermedő S és P a kristályosodási folyamatban a későbbi szemcsehatárok felé sodródnak és ott alacsony olvadáspontú vegyületet hoznak létre. A vasszulfid (FeS) olvadáspontja pl. 1195 °C. Fokozza a problémát, hogy a vassal kettes, vagy hármas eutektikum képződhet, még alacsonyabb olvadásponttal. A Fe-FeS eutektikum olvadáspontja 985 °C, ami azt jelenti, hogy ez a fázis a szemcsehatáron még 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 nálánál stabilabb szulfidokat alkotnak és nem hajlamosak eutektikumot képezni. A szulfidok képződési entalpián alapuló stabilitási sorrendje a következő (gyengétől az erős felé haladó sorrendben): NiS→FeS→MnS→MoS2→MgS→Na2S→CaS→Al2S3. A hegesztési gyakorlatban leggyakrabban a Mn kénmegkötő képességét igyekszünk felhasználni. A hegfürdőben: [FeS]+[Mn]→(MnS)+[Fe]. A hegfürdőben található kémiai elemek melegrepedési hajlamra gyakorolt pozitív vagy negatív szerepét és a befolyás mértékét jól jellemzi az a képlet, amelyet angol kutatók dolgoztak ki és amelyet a BS 5315 szabványba is beépítettek:

CS = 230 ⋅ C + 190 ⋅ S + 75 ⋅ N − 12,3 ⋅ Si − 5, 4 ⋅ Mn − 1 , ahol: CS

(4.10)

a repedésérzékenységi tényező (Crack Susceptibility).

4.3.9.1.2. A varrat keresztmetszeti alakjának szerepe

A kristályosodási repedés kialakulására maga a kristályosodási folyamat is meghatározó befolyást gyakorol. A kutatási eredmények szerint adott kémiai összetételnél a hegfürdő kristályosodásának jellege a kristályosodási sebességtől, a kristálycsírák számától és eloszlásától, a likvidusz és a szolidusz közötti hőmérsékletkülönbségtől és egyéb, kisebb jelentőségű befolyásoló körülményektől függ. A továbbiakban a hegesztési gyakorlatban legáltalánosabb dendrites kristályosodást feltételezve vizsgáljuk meg a hegfürdő geometriai jellemzőinek (méretek, alak) repedésérzékenységre gyakorolt hatását. A hegfürdő kristályosodása mindig a hegfürdő határfelületéről, az ún. folyékony-szilárd átmenet részlegesen megolvadt szemcséiről indul, mégpedig a legintenzívebb hőelvonás irányában, vagyis a felületre merőlegesen. A dendritfőágak növekedése közben a visszamaradó folyadékfázis szennyező tartalma növekszik. A dendritfőágak összeérésekor a dendritek öszszenőnek. Az összenövés jóságát szilárdságtanilag a kristálytani főirányok találkozási szöge és az idegen atomok jelenléte befolyásolja. Mivel a véletlenszerű találkozási szög és a felhalmozott alacsony olvadáspontú szennyezők az erős kapcsolat kialakulása ellen hatnak, a leg-

190

HEGESZTÉS


utoljára kristályosodó összenövési helyek melegrepedési hajlama a varrat többi részéhez viszonyítva sokszorosan nagyobb lesz. A 4.7. ábra mutatja a különböző szélesség/mélység arányú varratok dendrites szerkezetét. Az ábra szerint a dendritek a varrat szimmetriasíkjában csak a mély és keskeny varratokban találkoznak, a széles és sekély varratokban nem. Keskeny, mély varrat

Köralakú beolvadás

Széles, sekély varrat

b

b

b

h

h

h

Repedésveszély

ψ<2

ψ=2

ψ>2

4.7. ábra. A hegfürdő keresztmetszeti alakjának hatása a kristályosodási repedésérzékenységre A középső ábra azt a határesetet mutatja be, ahol a dendritek egy pontban találkoznak. Ez az eset a félkör alakú varratkeresztmetszet esetén fordul elő, ezért ezt az alakot határesetnek tekintjük. A 4.7. ábra alapján szükségessé válik a varrat belső alaktényezőjének (shape constant) definiálása:

b

ψ= , h ahol: b, h,

(4.11)

[mm] a varrat koronaoldali szélessége, [mm] a varrat beolvadási mélysége.

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

ψ=

b 2⋅ R = = 2. h R

(4.12)

A kapott számérték alapján megfogalmazhatjuk, hogy melegrepedési veszéllyel csak Ψ<2 alaktényezőjű varratoknál kell számolni, ennél nagyobb alaktényezők esetén a melegrepedés valószínűsége nagyon kicsi. 4.3.9.1.3. A keresztirányú húzófeszültség szerepe

A repedések kialakulásához minden esetben húzófeszültség jelenléte szükséges. Hegesztett kötések hűlésekor a varratot és szűk környezetét a varrat maradó zsugorodásával összefüggésben mindig húzófeszültség terheli, amit a varrattól távolabbi részek nyomófeszültsége egyensúlyoz ki. Ha a kristályosodás során a megszilárduló varrat keresztirányú alakváltozóképessége korlátozott, akkor a varratközép tájékán repedés keletkezik.

191


HEGESZTÉS

A keresztirányú húzófeszültség annál nagyobb, minél inkább gátolva van a varrat hűlés közbeni keresztirányú zsugorodása. A gátlás (restraint) mértéke konstrukciós és technológiai eszközökkel csökkenthető. A gyakorlati megfigyelések szerint a domború varratok kevésbé hajlamosak a melegrepedésre, mint a homorúak. A jelenség valószínű oka a nagyobb keresztmetszet okozta nagyobb teherviselő képességben keresendő. 4.3.9.2. A hőhatásövezet, mint a szilárd fázisban végbemenő fémtani folyamatok következménye

A hegesztendő alapanyagot a hideghegesztést kivéve mindig éri hőhatás, ami az anyagban szerkezeti és/vagy összetételbeli elváltozásokat okozhat. A hő által befolyásolt és szerkezetében módosított varratmenti sávok ezért tulajdonságaikat tekintve mind a varrattól, mind az alapanyagtól eltérnek. 4.3.9.2.1. A hőhatásövezet szerkezete és származtatása

Hegesztés közben a hőforrással együtt mozgó hegfürdőt egy, a likviduszhőmérsékletet nem meghaladó, nagy hőmérsékletű zóna vesz körül, amit hőhatásövezetnek (heat affected zone, HAZ) neveznek (4.8. ábra). A hőhatásövezet alsó határhőmérséklete az a hőmérséklet, ami alatt már nem várható érdemleges mikroszerkezeti (szövetszerkezeti, szemcseszerkezeti) és összetételi változások. Ez acélok esetében 100 °C-ra tehető, de vannak olyan ötvözetek (pl. a szobahőmérsékleten nemesedő Al ötvözetek) amelyekben a hőhatásövezet alsó határa ennél is alacsonyabb. Alapanyag Tmax = 100 oC Hőhatásövezet T = Tlikv

T = Tlikv Hegfürdő 0

Varrat T = Tlikv

x

Hőhatásövezet Tmax = 100 oC y

Alapanyag

4.8. ábra. Az ömlesztőhegesztések hőhatásövezetének értelmezése Régebbi felfogás szerint a hőhatásövezet alsó hőmérséklethatára az optikai mikroszkópon látható elváltozáshoz tartozik, vagyis acéloknál az alsó határ az A1 hőmérséklet. Mivel hidegen alakított acélokban a hegesztési hő hatásra a megújulás és az újrakristályosodás is végbemegy, sőt az újrakristályosodás 450 °C-os küszöbértéke alatt a kis atomrádiuszú elemek (B, N, C) szegregációjára is sor kerülhet, a régebbi értelmezés ma már nem tartható fenn. Minthogy a hőhatásövezetben a hőmérséklet az előzőkben definiált felső és alsó határ között folytonosan változik, ezért a hőhatásövezet a benne lejátszódó folyamatok különbözősége

192

HEGESZTÉS


és a fémtani folyamatok különböző sebessége, következésként eltérő mértéke miatt nem lehet homogén szerkezetű, további sávokra (zónákra) való felosztásra van 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 is előnyös választás, mert ez az Fe-Fe3C metastabil állapotábra jellegzetes (I) pontjának karbonkoncentrációja, ahol a jól ismert peritektikus reakció után sem olvadékfázis, sem δ szilárd oldat nem marad vissza. A 4.9. ábra az Fe-Fe3C állapotábra C≤0,5 % alatti szakaszát és a Tmax hegesztés közbeni csúcshőmérséklet y (a hőforrás haladási irányára és a vastagságirányra merőleges koordináta) irányú eloszlását tartalmazza. Az ábra csak kvalitatív elemzésre alkalmas, mivel az acélok a vason és karbonon kívül egyéb elemeket is tartalmaznak, az átalakulások nem egyensúlyi körülmények között mennek végbe és a csúcshőmérséklet-eloszlás az alapanyagon kívül a technológia függvénye. Az elemzés az adott y koordinátához tartozó valós hűlési sebesség és az alapanyag folyamatos hűtésre érvényes C görbéje alapján pontosítható. T

T Tlikv

A H N

Tsol

Szilárd-folyékony átmenet

B

I

Szemcsedurvulási zóna

1100oC Normalizálási zóna

A3

G P

Részleges átkristályosodási zóna

A1

Újrakristályosodási és kilágyulási zóna

450oC

Kéktörési (szegregációs) zóna

100oC

C

Q 0,16

y Alapanyag

Hőhatásövezet

Varrat

4.9. 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 határhőmérsékletét a 4.4. táblázatban foglaltuk össze. 4.4. táblázat. Ötvözetlen acélok hőhatásövezeti zónáinak hőmérséklethatárai

Sorszám

A zóna neve

Tmax, °C

Tmin, °C

1 2 3 4 5 6

Szilárd-folyékony átmenet zónája (összeolvadási zóna) Szemcsedurvulási zóna Normalizálási zóna Részleges átkristályosodási zóna Újrakristályosodási és kilágyulási zóna Kéktörési (szegregációs) zóna

Tlikv Tsol 1100 A3 A1 450

Tsol 1100 A3 A1 450 100

193


HEGESZTÉS

A hőhatásövezet tulajdonságairól napjainkban már igen sok információ áll rendelkezésünkre, mert az empirikus megfigyelések és a korábbi vizsgálatok eredményei mellett ma már a hőhatásövezet bármely pontjának hőciklusát direkt erre a célra kifejlesztett hőciklus - szimulátorokkal (Thermal Cycle Simulator) szimulálni lehet. Egy új acéltípus hegeszthetőségi tesztelése hőciklus - szimulátorok nélkül ma már elképzelhetetlen. 4.3.9.3. A hőhatásövezet zónáinak jellegzetes tulajdonságai

A hőhatásövezet egyes, metallográfiailag elkülöníthető sávjainak jellegzetes tulajdonságai lehetnek. Ezek a tulajdonságok azonban csak technológiához kapcsoltan és statisztikai szemlélettel értelmezhetők, következésképpen egyik acélfajtáról (vagy általánosabban egyik ötvözetről) nem vihetők át automatikusan egy másikra. A hőhatásövezeti zónák jellegzetességei a szerkezeti acéloknál a következők. 1. A szilárd-folyékony átmenet zónája nagyon keskeny sáv a lehető legnagyobb hűlési sebességgel. Edződésre hajlamos acéloknál, különösen H jelenlétében a varratfelülettel párhuzamos repedések várható helye. 2. A szemcsedurvulási zóna a nevének megfelelően nagyra nőtt austenit szemcsékből átalakult bomlástermékeket tartalmaz. Kedvezőtlen körülmények egybeesésekor ebben a zónában kismértékű szilárdságcsökkenés, felkeményedés és nagymértékű szívósságcsökkenés fordulhat elő. 3. A normalizálási zónában lejátszódó hőciklus leginkább a normalizálás nevű hőkezelésre emlékeztet. A nem egyensúlyi viszonyok miatt a hűléssebesség ebben a hőhatásövezeti sávban nagyobb, mint a normalizálás léghűtése után. A szemcseszerkezet finom, ami szilárdságnövekedéssel és jó ütőmunka eredményekkel jár együtt. 4. A részleges átkristályosodási zónában az α→γ→α átalakulás nem teljes, emiatt változó szemcseméretű, részben az eredeti szemcséket megőrző, részben új szövetű szemcséket eredményező szemcseszerkezet alakul ki átlagos, vagy annál kissé roszszabb mechanikai jellemzőkkel. 5. Az ötödik zónában csak akkor érzékelhető valamilyen mikroszkópikus változás, ha ezek kiindulási feltételei adottak (innen származik a régi felfogás, ami nem vesz tudomást erről a sávról). Ha az alapanyagot hidegen alakított állapotban (hőkezelés nélkül) hegesztjük, akkor ebben a sávban a hidegalakítás következményeinek megszűnését eredményező megújulási és rekrisztallizációs folyamat indul meg, (az idő rövidsége miatt azonban nagy valószínűséggel nem fejeződik be). Hasonló a helyzet, ha nem hidegalakítással, hanem hőkezeléssel felkeményített acélt hegesztünk, mivel itt a martensites és cementites (karbidos) szövetek kilágyulása kezdődik el. 6. A legkisebb hőmérsékletű szegregációs (a levegőn oxidálódó töretfelületének színe után kéktörési zónának is nevezett) zónában kis atomsugarú kémiai elemek diffúziós szegregációja várható, aminek szilárdságnövelő és alakváltozóképességet csökkentő hatása kedvezőtlen esetben jelentős szívósságcsökkenéshez, sőt repedéshez vezethet. A szegregáció inkább a régebbi, rossz minőségű, sok N-t tartalmazó levegőfrissítésű acélokra volt jellemző. Főleg akkor érdemel megkülönböztetett figyelmet, ha régi acélokat kell hegesztéssel javítani vagy új alkatrészt kell régihez hegeszteni.

4.4. A legfontosabb ömlesztőhegesztő eljárások Az ömlesztőhegesztés olyan folyékony fázisú hegesztés, ahol a szerkezet elemeinek megolvasztott élei közötti kötőerőt külső erő alkalmazása nélkül, közös hegfürdőből való kristályosítással hozzák létre. Az ömlesztőhegesztések döntő többségében megolvadó hozaganya-

194

HEGESZTÉS


got is felhasználnak (exogén hegesztés), aminek funkciója a két elem közötti hézag kitöltése és/vagy a varratdudorok anyagainak biztosítása (4.10. ábra). Szoros illesztésű elemek dudornélküli kötése hozaganyag nélkül is elkészíthető (autogén hegesztés).

Tompavarrat

Sarokvarrat

Autogén varrat

4.10. ábra. Ömlesztőhegesztéssel készíthető varratfajták Az ömlesztőhegesztések előnye, hogy az elemek közötti állandó, vagy változó méretű hézag kitölthető és az így létrehozott varrat még tetszőleges méretű dudorokkal is megerősíthető. Az olvadékfázisból kristályosodó varratot ugyanolyan kötőerők jellemzik, mint az alapanyagot, ezért a kötés erőtanilag homogénként kezelhető. A hozaganyag lehetőséget ad a varrat ötvözöttségi és tisztasági fokozatának javítására és az alapanyagok közötti esetleges kompatibilitási problémák feloldására. Ugyanakkor a megolvadás→olvadék állapot→megszilárdulás körfolyamatból adódik az ömlesztőhegesztések csaknem összes nehézsége és problémája, nevezetesen: − a megolvadással együtt járó magas hőmérséklet és kísérő tünete, a szemcsedurvulás, − az olvadékfázis magas gázelnyelő képessége, − a jellemzően dendrites kristályosodás, − rideg vegyületfázisok képződésének lehetősége, − a kristályosodási repedésképződési hajlam, − az elnyelt gázok szilárd állapotbeli kiválása, − az egyenlőtlen hőtágulás – hőzsugorodás okozta húzófeszültségek megjelenése. 4.4.1. Az ívhegesztések elméleti alapjai

Az ömlesztőhegesztések a tanult hőforrások közül a kémiai energiát, a villamos ívet, a plazmaívet, a folyadék Joule hőjét és a sugárenergiákat hasznosítják. Legfontosabb hőforrás mindezek között a villamos ív, ami az ipari ömlesztőhegesztési feladatok több, mint 90 %-át uralja. 4.4.1.1. A villamos ív, mint az ívhegesztések hőforrása

A villamos ívet azért tekinthetjük a legjelentősebb a hegesztési hőforrásnak, mert energetikai jellemzői megfelelően nagyok, ugyanakkor létrehozása, fenntartása és szabályozása relatíve egyszerű és gazdaságos. Jobban el tudjuk helyezni az ív hőforrást az őt megillető vezető helyre, ha arra gondolunk, hogy bizonyos hőforrások, mint pl. a láng nem elég nagy hőáramsűrűségűek, mások, mint pl. a lézersugár drágák, nem eléggé jól hordozhatóak és kezelésük különleges képzettséget igényel. Az ív ezek szerint a gazdaságos középútnak számít, ami a hőforrástól elvárt tulajdonságok többszempontú optimumát testesíti meg. A villamos ív az áramvezetés különleges formája, amely ionizált gázokból és (fém)gőzökből álló áramvezető csatornában, nagy hőmérsékleten alakul ki. Definíciója szerint a villamos ív gázatmoszférában szilárd és/vagy folyékony elektródok/elektródák között tartósan fenntartott ívkisülés.

195


HEGESZTÉS

A definícióhoz hasonlóan a továbbiakban is megkülönböztetjük az elektród és az elektróda fogalmakat: az elektród a hegesztés során nem olvadó, a valóságban igen lassan fogyó anyagot, az elektróda leolvadó, a hegesztés során elhasználódó, gyorsan fogyó anyagot jelöl. Pl. elektród az SWI hegesztés volfrámja, elektróda a bevonatos és a csupasz huzal formájú hozaganyag, ha egyik végén hegesztés közben ívtalppont helyezkedik el. 4.4.1.1.1. Ívkisülés

Az ívkisülés gázközegben lejátszódó villamos jelenség, amelynek során valamilyen belső vagy külső hatásra az elektródok közötti tér villamos vezetővé válik, vagyis létrejön a gázközegen keresztüli töltésáramlás szükséges feltétele. A meghatározó töltéshordozók az ionok, amelyek keletkezésüket és megszűnésüket illetően dinamikus egyensúlyban vannak. A töltéshordozók létrejöttének folyamatát ionizációnak nevezzük. Az ionok keletkezéséhez szükséges energia erőteljesen függ a gázközeg összetételétől és a gázközeg állapottényezőitől (hőmérséklet és nyomás). 4.4.1.1.2. Gázatmoszféra

Ionok kis mennyiségben az elektródok elgőzölgése révén az ívtérbe kerülő fémgőzökből is keletkezhetnek, de döntő hányaduk az elektródok közötti térben elhelyezkedő, molekuláris, vagy (a nemesgázok esetében) atomos gázokból jön létre, ezért gázatmoszféra nélkül hegesztésre alkalmas ívet nem lehet létrehozni és fenntartani. A hegesztőív legkézenfekvőbb gáza a levegő lehetne, amely jól ionizálható komponenseket (nitrogén, oxigén, hidrogén, nemesgázok) tartalmaz. Mivel a levegő alkotói a fémekkel nemkívánatos kölcsönhatásokba (kémiai reakció, oldódás) lépnek, jelenlétük a hegesztéskor nem kívánatos. Hegesztési célra legideálisabbnak a nemesgázok (Ar, He) tekinthetők, amelyek a technikai fémekkel sem reakcióba nem lépnek, sem bennük nem oldódnak. Magas előállítási költségük miatt gyakran olcsóbb gázokkal helyettesítik őket, még akkor is, ha a nemkívánatos aktivitásuk semlegesítésére külön intézkedéseket kell tenni (pl. dezoxidens elemek és nitridképzők hegfürdőbe juttatása). 4.4.1.1.3. A gázközeg ionizációja

Az ionizációs folyamatban a molekulák előbb disszociálnak, majd az így létrejött semleges atomokból elektronleadással pozitív ionok, elektronbefogadással negatív ionok képződnek. Az elektronok a külső elektronpályákról távoznak, vagy az ionizációs folyamatban oda kerülnek. A hegesztés viszonyai között a pozitív ionok keletkezésének valószínűsége jóval nagyobb, mint a negatív ionoké [a fémgőzök (Ca, Mg, Na, K, Ba, Fe, Mn, Cr, Ni, Mo, W,…) és a nemesgázok (Ar, He,…) pozitív ionokat képeznek], ezért az ívben a pozitív ionok mellett nagyszámú elektron is található. A folyamat endoterm (külső energiaforrást igényel) és reverzibilis (a rekombináció bekövetkezik, ha annak energiakritériuma teljesül). Az ionizáció energiaszükséglete egyenlő az atomos vagy molekuláris kötések legyőzéséhez szükséges energiával. Semleges atomok (pl. Ar) elsődleges ionizációjával egy töltésű ion keletkezik (pl. Ar+). Ha az energetikai feltétel teljesül, az egyszeres ion tovább ionizálható (Ar++, ennek további ionizációjával akár Ar+++ is létrejöhet. Mivel a töltéssel rendelkező ion továbbionizálásához az elsődlegesnél nagyobb energia szükséges, a másodlagos ionizáció valószínűsége mindig kisebb, mint az elsődlegesé.

196

HEGESZTÉS


A kémiai elemek ionizációjához szükséges energia a rendszámmal összefüggő elektronszerkezettől függ. Az ionizációhoz szükséges energia (aminek az atommagnak a vegyértékelektronra gyakorolt vonzerejét kell legyőznie) annál nagyobb, minél közelebb van a külső elektronhéj az atommaghoz, vagyis minél kisebb az elem rendszáma. A periódusos rendszer azonos oszlopában található elemek közül legnehezebben a telített külső héjas nemesgázok ionizálhatók, legkönnyebben azok az elemek, ahol a telítettséghez (a nemesgázkonfigurációhoz) egy elektron hiányzik vagy egy elektrontöbblet van 4.11. ábra). 600

Első ionizációs energia, kJ/mol

He 500

Ne

400

Ar Kr

300 H

Xe Rn

200

100

0

Li

0

Na

10

K

20

Rb 30

40

Cs 50

Rendszám

60

70

80

90

100

4.11. ábra. Az elsődleges ionizációs energia, a rendszám és a vegyérték összefüggése A hegesztőív gázainak és fémgőzeinek ionizációs energiája különböző, az intervallum a céziumhoz (Cs) tartozó legkisebb értéktől (3,89 eV) a héliumot (He) jellemző legnagyobb értékig (24,59 eV) terjed. Az ionizáció Ei energiaszükségletét különböző forrásokból lehet fedezni, ennek megfelelően az ionizációnak a következő fajtái ismeretesek: − termikus ionizáció, − ütközési ionizáció, − fotoionizáció. 4.4.1.1.4. Az ionizáció mértéke

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

di = ahol: di, ni, n0,

[%] [db] [db]

ni ⋅100 % , n0

az ionizáció mértéke, az ionok száma, az összes atom és molekula együttes száma az ionizáció előtt.

197

(4.13)


HEGESZTÉS

Ha az ionizáció mértéke 40 %, az azt jelenti , hogy minden eredeti 100 atom és molekula közül 40 ionizálódott és 60 töltésnélküli maradt. Csak az elsődleges ionizációt tekintve, a pozitív ionok száma azonos a az elektronokéval. A hegesztőívben és a plazmaívben az ionizáció foka eltérő, az ívben 30…40 %, a plazmaívben ennek hozzávetőlegesen a duplája. A termikus ionizáció mértéke az ív hőmérsékletétől, az ívtérben uralkodó gáznyomástól (víz alatti hegesztés) és az anyagok Ui ionizációs potenciáljától függ. Minél nagyobb a hőmérséklet és minél kisebb a gáznyomás, illetve az adott elem ionizációs energiája, annál több ion keletkezik. Az ionizáció és a rekombináció az ív állandósult állapotában kiegyenlíti egymást, ezért az ívben dinamikus egyensúly valósul meg. Mivel a villamos ívoszlopban a pozitív és a negatív töltések száma statisztikusan egyenlő, a villamos ív kifelé villamosan semlegesnek tekinthető. A semlegesség nem áll fenn az elektródok közvetlen közelében (lásd: katódövezet, anódövezet), ahol valamelyik töltés túlsúlyba kerül és ún. tértöltés keletkezik. 4.4.1.2. Az ív hosszanti szerkezete

-

Katódövezet

+ + + + + + + +

-

+ + +

+ -

-

+ -

Ívoszlop

+ +

-

+

ANÓD

KATÓD

A villamos ív minden esetben szilárd vagy folyékony állapotú elektródok között ég. A két elektróda közötti, gázatmoszférával kitöltött részt ívköznek, más szóval ívtérnek nevezzük. A 4.12. ábrán is láthatóan a villamos ív hosszirányban három jól elkülönülő részre osztható, ezek neve katódövezet, ívoszlop, és anódövezet.

Anódövezet

4.12. ábra. A villamos ív részei Az ív és az elektróda érintkezési felületét az ív talpfoltjának (kevésbé precízen talppontjának) nevezik. Az ív éghet két elektród(a) között (közvetett vagy indirekt ív) vagy egy elektród(a) és a munkadarab között (közvetlen vagy direkt ív). Hegesztésre jobb hatásfoka miatt az utóbbi terjedt el. 4.4.1.3. Az ív hosszanti potenciáleloszlása

A villamos ív hossztengelye menti potenciál-eloszlása nem egyenletes, mivel az elektródok felületéhez közeli sávban a 4.12. ábrán látható tértöltések leküzdése nagy energiát igényel, ezért ott a potenciálváltozás (potenciálgradiens) is nagyobb (4.13. ábra). Az ív legnagyobb kiterjedésű része az ívoszlop, amelyben a villamos térerősség állandónak tekinthető. Az ívoszlopban az ív normál fogyasztóként viselkedik, amely az Ohm törvényt követi. Tértöltés nincs, a pozitív és a negatív töltések dinamikus egyensúlyban vannak. Az ívoszlop Uo feszültségesése ennek megfelelően csak az ívoszlop lo hosszától függ. A feszültséggradiens az ívoszlopban átlagos körülmények között 1…3 V/mm-re tehető, ami azt jelenti, hogy egy 3 mm-es ívoszlop feszültségesése 3…9 V közötti.

198

HEGESZTÉS


Ha az ívoszlop hosszát folyamatosan csökkentjük, akkor azt tapasztaljuk, hogy a feszültség nem zérushoz, hanem egy 10…20 V közötti Uc feszültséghez tart. Az Uc feszültség a villamos tértöltésekkel összefüggő Uk katódesés és Ua anódesés összege.

Uc ≅ Uk + Ua .

(4.14)

A bevontelektródás ívhegesztésre az EN 60974-1:1998 szabvány által meghatározott feszültségegyenes egyenlete:

U ív ≅ 20 + 0, 04 ⋅ I ,

(4.15)

ami azt jelenti, hogy ennél a hegesztőeljárásnál az Uc feszültség statisztikus átlagban 20 V-os.

ÍVOSZLOP

-

ÍVFESZÜLTSÉG

Uív KATÓDESÉS

+

KATÓD

lk

ANÓDÖVEZET

KATÓDÖVEZET

Uk

Uio

Ua

AZ ÍVOSZLOP FESZÜLTSÉGESÉSE

ANÓDESÉS

U

ANÓD

lío

la

lív

4.13. ábra. A villamos ív hosszanti potenciál-eloszlása A katód felületének szűk környezetében, a katódövezetben a pozitív ionok túlsúlya miatt pozitív tértöltés alakul ki, amelynek legyőzésére igen nagy térerősségre van szükség. A katódövezet ívtengely irányú mérete 0,1 μm-re tehető. A két számérték szorzata alapján a katódesés nagysága tíz volt nagyságrendben mozog (10…18 V). Egyes nézetek szerint a katódesés megközelítőleg a gázközeg ionizációs potenciáljával azonos értékű. Az anód felületének szűk környezetében, vagyis az anódövezetben az elektronok túlsúlya miatt negatív tértöltés alakul ki, amelynek legyőzésére jelentős térerősségre van szükség. Az anódövezet ívtengely irányú mérete 1 μm-re tehető. A két számérték szorzata alapján a katódesés nagysága szintén tíz volt nagyságrendben mozog, de értéke kisebb, mint a katódesésé (6…12 V).

199


HEGESZTÉS

4.4.1.4. Az ívfeszültség nagysága

A (4.14) összefüggés szerint katódesés és az anódesés összege az ívhossztól függetlenül konstans, az ívoszlop feszültségesése ezzel szemben az ívhossztól függő. Ennek alapján könynyen belátható, hogy az ív létrehozásához egy minimális Uc feszültség szükséges, ezen túlmenően az ívfeszültség az ívhossz (jó közelítéssel) lineáris függvénye. Ha pl. egy adott bevontelektródás ívhegesztési esetben a katódesés 12 V, az anódesés 8 V, az ívoszlop feszültséggradiense 2,0 V/mm és az ívhossz 3 mm, akkor a becsült ívfeszültség:

U ív ≅ U k + U a +

∂U ⋅ l = 12 + 8 + +2 ⋅ 3 = 26 V . ∂ l ív

Összehasonlításul ugyanerre az esetre 150 A hegesztőáramot beállítva a (4.15) képlettel adott feszültség-egyenes szerint: Uív≅20+0,04⋅150=20+6=26V. 4.4.1.5. Összefüggés az ívfeszültség és a hegesztő áramerősség között: a statikus ív jelleggörbe

A villamos ív (adott határokon belül) különböző áramerősség és ívfeszültség-tartományokban egyaránt fenntartható. A feszültség – áramerősség görbét az ív statikus jelleggörbéjének, más szóval statikus karakterisztikájának nevezik. A statikus ívkarakterisztika ismerete fontos információ a hegesztőmérnök, a hegesztőgép-gyártó és a hozaganyagelőállító számára. A 4.14. ábrán bemutatott ívjelleggörbének több azonosító adata van. A teljes egyértelműség kedvéért egy adott jelleggörbéhez a következő adatok ismeretére van szükség:

− katód anyaga, − katód geometriája és méretei, − anód anyaga, − anód geometriája és méretei, − elektródák/elektródok hűtése, − elektródák/elektródok távolsága (ívhossz), − ívatmoszféra összetétele, − ívatmoszféra nyomása, − áramfolytonosság, − áramnem, − polaritás (egyenáram esetén), − az impulzus jellemzői (nem folytonos ív esetén), − áramerősség. A különböző elektród(a) átmérőkkel létrehozott hegesztőívek összehasonlíthatósága érdekében a J (A/mm2) áramsűrűséget fogjuk használni: J=

Ih 4⋅ I = 2 h . Ae d e ⋅ π

(4.16)

A hegesztőív statikus jelleggörbéjén az áramsűrűségnek megfelelően négy jellegzetes szakasz különíthető el: I. kis áramsűrűségű (eső) szakasz (J<10 A/mm2), II. közepes áramsűrűségű (közel vízszintes) szakasz (10<J<100 A/mm2), III. nagy áramsűrűségű (emelkedő) szakasz 100<J<300 A/mm2), IV. igen nagy áramsűrűségű (forgóíves) szakasz J>300 A/mm2).

200

HEGESZTÉS


Uív V

Ayrton tartomány Ohmikus tartomány

I.

II.

III.

Ik0

Ik1

IV.

Ik2

I, A

4.14. ábra. A hegesztőív statikus jelleggörbéje, az ívkarakterisztika A villamos ív első, meredeken eső szakaszát (I<25 A) Hertha Ayrton, a világ első elismert női villamosmérnöke tanulmányozta. Az egyébként hegesztésre nem használt eső szakaszon (amit Ayrton csendes ívnek nevezett) az ívfeszültség fordítottan arányos az áramerősséggel, vagyis nem követi az Ohm törvényt:

U ív = a + b ⋅ lív +

c + d ⋅ lí v , I ív

(4.17)

ahol: a, b, c, d

Uív lív Iív

az elektródok/elektródák anyagától és a gázatmoszféra összetételétől függő konstansok, [V] ívfeszültség, [mm] ívhossz, [A] az íven átfolyó áramerősség.

Legyen az elektróda anyaga lágyacél, az ívhossz 2 mm, és az áramerősség 5 A. Ekkor az acélra vonatkozó konstansok behelyettesítésével:

U ív = 15, 0 + 9, 4 ⋅ 2 +

15, 7 + 2,5 ⋅ 2 ≅ 37,9 V . 5

A közepes áramsűrűségű szakaszon működnek a kézi (SWI és BKI) és a vastaghuzalos gépesített (FH) hegesztések. A nagy áramerősségű szakasz a vékonyhuzalos fogyóelektródás hegesztésekre (VFI) jellemző. A múlt század kilencvenes évei óta ismert forgóíves szakaszon igen szoros feltételek betartásával ma már szintén képesek vagyunk hegeszteni. A II, III és IV jelű hegesztésre alkalmas szakaszok együtt az ohmikus tartományt alkotják, ahol az ív az Ohm törvénynek megfelelően viselkedik, vagyis az áramerősség növelésével az ívfeszültség lineárisan növekszik. 4.4.1.6. Az ívkarakterisztika befolyásolása technológiai eszközökkel

A korábbiakban bemutattuk, hogy a villamos ív létesítésének és fenntartásának körülményei milyen tényezőktől függenek. A felsorolt tényezők közül az ömlesztőhegesztés gyakorlati eseteiben az ívhossz, az elektród(a)átmérő, az áramnem és polaritás, valamint az ívtér gázatmoszférájának összetétele és nyomása játszik elsődleges szerepet. A 4.15. ábra szemlélteti hogyan lehet az elsődleges befolyásoló faktorok segítségével az ívkarakterisztikát módosítani.

201


HEGESZTÉS

Uív V

Uív V

l ív2 > l ív1 l ív1 = co

Φd 2 >

nst.

Φd 1 onst.

Φd 1 = c

I, A

I, A

b.

a. 40

Uív V

35

He

Ívfeszültség, V

30

DCEP DCEN

25 20

Ar

Ne

15

Kr Xe

10 5 0

I, A

0

100

200

300

400

Áramerõsség, A

c.

d. 4.15. ábra. A hegesztés technológiájának hatása az ívkarakterisztikára 4.4.1.7. A villamos ív átlagos hőmérséklete és hőmérsékleteloszlása

A villamos ív átlagos hőmérsékletét először kalorimetrikus méréssel állapították meg. Úgy találták, hogy az átlagos ívhőmérséklet az ívtér gázösszetétele (ionizációs energiaszükséglete), az ionkoncentráció mértéke és az ív átmérője szerint 5 000 és 30 000 °C között változik. Az alacsony ionizációs potenciálú BKI ív hőmérséklete az alsó határ közelében van, Ar gázban az ívhőmérséklet nagyobb és még tovább növelhető He védőgáz felhasználásával. Az ionizáció mértékének növelése és egyúttal az ívoszlop átmérőjének csökkentése a plazmaívre jellemző magas hőmérsékleteket (15 000…40 000 °C) eredményezi. Korszerű mérési módszerekkel a villamos ív hőmérsékleteloszlása is feltérképezhető. A színképelemzéses mérés szerint az ívben a legnagyobb hőmérséklet az ívtengelyben uralkodik, ahol az ionizáció mértéke a legmagasabb, a tengelytől radiális irányban távolodva a hőmérséklet exponenciálisan csökken. Főleg egyenáramú hegesztésnél a hőmérséklet axiális irányban is változik, pl. magasabb a W elektród csúcsánál, mint a munkadarab felületén. Ez elsősorban a hűlési viszonyok különbözőségével áll összefüggésben. 4.4.2. Az ipari gyakorlat szempontjából lényeges ívhegesztő eljárások

Az ISO 4063 szabványban nevesített ívhegesztő eljárások az ipari alkalmazás szempontjából nem tekinthetők egyenértékűnek. A fejlett gazdasággal rendelkező országok éves statisztikáinak összegzett adataiból tudjuk, hogy mindössze az alábbi öt ívhegesztő eljárással készítik az ömlesztőhegesztésekkel hegesztett varratok 95…98 %-át: − Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés (131, 135, 136, 137), 202

HEGESZTÉS


− Bevontelektródás, kézi ívhegesztés (111), − Fedettívű hegesztés (121, 123, 124), − Önvédő porbeleshuzalos ívhegesztés (114), − Semlegesvédőgázas, volfrámelektródos ívhegesztés (141). A továbbiakban csak azokkal a hegesztőeljárásokat ismertetjük, amelyek a mechatronika területén felhasználhatók, ezért a fedettívű hegesztést és az önvédő, porbeles-huzalos ívhegesztést nem tárgyaljuk. 4.4.2.1. Bevontelektródás kézi ívhegesztés

A bevontelektródás kézi ívhegesztés (BKI) az egész világon ismert és páratlanul népszerű hegesztő eljárás. A csupasz elektródás ősváltozat feltalálása (1892.) az orosz Slavianov, a bevonat felvitelének ötlete és megvalósítása (1907-1914.) a svéd Kjellberg nevéhez fűződik. Az eljárás nemzetközileg elfogadott mai elnevezése: Shielded Metal Arc Welding (SMAW), de Európában a Manual Metal Arc Welding (MMAW) elnevezést is használják. Az eljárás egyezményes kódszáma: 111 (főcsoport: 1. jelű ívhegesztés, alcsoport: 11. jelű nyíltívű hegesztés külső gázvédelem nélkül). 4.4.2.1.1. A bevontelektródás kézi ívhegesztés elve

A bevontelektródás kézi ívhegesztés elvét bemutató vázlat a 4.16. ábrán látható. Hőforrása egy zömében nemfémes bevonattal ellátott, rövid fémelektróda és a munkadarab felülete között létesített villamos ív. Az ívet az elektróda tárgyhoz érintésével létesítjük. Hegesztés közben a védelemhez elengedhetetlenül szükséges salak és gáz a bevonatból képződik. Hozaganyagként maga a maghuzal szolgál, de kisebb-nagyobb mennyiségben a bevonatból is kerülnek fémötvözők a hegfürdőbe. A pillanatnyi idejű rövidzárlat felhevíti az elektróda csúcsát, ahonnan a termikus emisszió révén elektronok lépnek ki és az anód felé tartva ütköznek a gáztér atomjaival. Megfelelő mennyiségű töltéshordozó jelenlétében az ív meggyullad és önmagát fenntartó folyamat révén állandósul. Az ív hőjének hatására a maghuzal közepes vagy nagyméretű cseppek formájában leolvad. A cseppek (főleg rövid ívhossz és nagy cseppátmérő esetén) rövidzárlatokat is okozhatnak. A nemfémes bevonat hevítése közvetett, a benne található anyagok elégése vagy megolvadása lassabban következik be, így jellegzetes kúpos bevonatvég jön létre. A bevonatkúp javítja az ív védelmét és csökkenti a fröcskölést. A bevonatkúp magassága a bevonatvastagsággal arányosan növekszik, a vastag bevonatú, ún. nagyhozamú elektródáknál a 10 mm-t is elérheti.

203


HEGESZTÉS

Elektródabevonat Maghuzal Védőgázatmoszféra

DC vagy AC

Salak

Salak- és fémcseppek Beolvadás

Varrat Hegfürdő

4.16. ábra. A bevontelektródás kézi ívhegesztés elvi vázlata 4.4.2.1.2. Az eljárás levegő elleni védelme

A védelem elsődleges, aktív megvalósítója az elektródabevonatból keletkező salaktakaró. A salak a levegőatmoszférától mechanikusan elszigeteli a hegfürdőt és a hegvarratot, emellett kémiai és fizikai aktivitásával további védelmi funkciókat lát el. A védelem másik összetevőjét a gázatmoszféra képviseli. A bevonatból keletkező gázok (CO, CO2, H2, O2, SiF4) és az ív hőmérsékletén elgőzölgő fémek (Fe, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, Al, Zr, Ca, Mg, Ba, Na, K, …) alkotják a hegesztési atmoszférát. Ahogy a felsorolásból is látható, ez az atmoszféra nem inert, de még semlegesnek sem mondható. A BKI mindig aktív (oxidáló) atmoszférában megy végbe. Ezt a tényt az elektródabevonat receptúrájának kidolgozásakor figyelembe kell venni, mivel az oxidáló hatás az ötvözők kiégését okozza. 4.4.2.1.3. Az eljárás előnyei és hátrányai

A BKI olyan előnyökkel rendelkezik, amelyek mintegy hetven évig az alkalmazási ranglista első helyét biztosították számára: − olcsó, egyszerű, hordozható hegesztő berendezés, − könnyen megtanulható hegesztéstechnika, − csaknem minden anyagféleséghez megfelelő széles elektródaválaszték, − minden jellegzetes hegesztési helyszínen (műhely, gyárudvar, mező, víz alatt) alkalmazható, − minden hegesztési helyzetben használható, − minden falvastagsághoz alkalmas, − infrastruktúrával nem rendelkező, civilizálatlan helyeken is alkalmazható, − elfogadható leolvasztási teljesítmény és hegesztési sebesség, ami speciális elektródákkal még tovább növelhető (megduplázható). Az eljárás korlátai a következőkben összegezhetők: − nehezen gépesíthető, a gépesített változatok elterjedtsége közel nulla, − alacsony leolvasztási teljesítmény (1…3 kg/h), − az elektródacsere miatt ismételten megszakított hegesztés, 204

HEGESZTÉS


− 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, lassú hegesztés. A BKI eljárás előnyei és hátrányai a minőségi és a gazdaságossági tényezők együttes értékelésével ítélhetők meg. A BKI kommersz, sokoldalú, közepesen gazdaságos, mindennapi eljárásnak tekinthető. 4.4.2.1.4. A BKI eljárás alkalmazási területei

A BKI a legtöbb acélhoz és néhány nemvasfém hegesztéséhez alkalmas eljárás. Az ötvözetlen és ötvözött szerkezeti acélok, a melegszilárd és hidegálló acélok, az erősen ötvözött különleges (korrózióálló, hőálló) acélok és néhány, jobbminőségű öntöttvas egyaránt hegeszthető. A nemvasfémek közül a Ni és Cu ötvözetek hegesztése jól elvégezhető, de Al-t és Al ötvözeteket ma már nem hegesztenek BKI-val, mivel a kívánt minőség és termelékenység nem biztosítható. Falvastagság, hegesztési hely és hegesztési helyzet tekintetében az eljárásnak nincsenek technikai korlátai. Az eljárás optimális falvastagság-tartománya 1<s≤15. Az 1 mm-nél vékonyabb lemezekhez (pl. hajlított finomlemez-vázak, lemezburkolatok, gépjármű karosszériamunkák) alkalmazása azonban nem gazdaságos és ezért erre a célra ma már megfelelő hegesztőanyagot, és hegesztőberendezést sem gyártanak. Ugyancsak gazdaságtalan, és ezért az utóbbi húsz évben fokozatosan csökkent a közepes (15<s≤50) és a nagy (s>50) falvastagságú szerkezetek bevontelektródás hegesztésének aránya is (hídgyártás, hajó- és darugyártás). A BKI-t a szerelési munkahelyeken a csővezetékek helyszíni varratainak készítésére ma is nagy részaránnyal használják. Széleskörű a felhasználás a hajógyártásban és a nyomástartó edények hegesztésénél. Ma is töretlen népszerűségének legfőbb oka, hogy sok tekintetben jobb minőség érhető el a BKI-vel, mint a konkurens huzalos eljárásokkal. A BKI a kötőhegesztések mellett a felrakóhegesztések és javítóhegesztések élenjáró, sokoldalú eljárása. A mechatronika területén a karbantartásban, a szerszámgyártásban és felújításban lehet hosszú távon jelentős szerepe. A felhasználási rangsorban ma ezüstérmes bevontelektródás kézi ívhegesztés aranykorának már vége szakadt, de felhasználási aránya várhatóan a jövőben sem csökken 10…20 % alá. 4.4.2.1.5. A BKI gépi berendezése A BKI-nek a konkurrens eljárásokhoz viszonyítottan egyszerű hegesztő berendezése a következő fő részekből áll: − áramforrás, − elektródafogó, − hegesztő kábelek a csatlakozókkal, − kiegészítők és biztonsági felszerelések. Áramforrás

Az áramforrás a hegesztő berendezés központi eleme. Fő funkciója, hogy megfelelő áramerősséget (50…350 A) és feszültséget (15…40 V) biztosítson a stabil ív fenntartásához. A kézi hegesztés sajátosságaiból következően a szükséges bekapcsolási idő mindig kisebb, mint 50…60 %. Az áramforrás melegedésével kapcsolatos bekapcsolási idő (duty cycle) a szabványokban rögzített egyezményes ciklusidő (10 min) alatt megengedett ívidő-részarányt jelenti:

205


HEGESZTÉS

bi=

ívidő ⋅100 % ívidő+mellékidő

(4.18)

A bi=60 % azt jelenti, hogy a hegesztő áramforrással minden 10 min-os időszakaszban csak 6 min-ot szabad hegeszteni, 4 min-ot az áramforrás hűlésére kell fenntartani (üresjárat). Az áramforrásokat hevítő villamos energia azonos értékéből levezethető az egyik bekapcsolási időhöz tartozó megengedett áramerősség és a másik bekapcsolási időhöz tartozó megengedett áramerősség közötti kapcsolat: I 2 = I1 ⋅

bi1 bi2 .

(4.19)

A BKI áramforrása lehet egyenáramot szolgáltató generátor, félvezetős egyenirányító vagy inverter, illetve váltakozóáramú transzformátor. Az egykor nagyon népszerű generátorokat nagy üresjárási veszteségük és magas fenntartási költségeik miatt ma már csak elvétve, mint belsőégésű motorral hajtott gépcsoport részét, helyszíni hegesztéseknél használják. A hegesztés egyen- vagy váltakozóárammal végezhető. Az egyenáramú hegesztésnél mindkét polaritás alkalmazást nyer. Történelmileg korábban az egyenes polaritás (DCEN) volt az egyeduralkodó, manapság a korszerű elektródák azonban a fordított polaritást (DCEP) igénylik. A fordított polaritás azért is előnyösebb, mert velük mélyebb beolvadás érhető el. A BKI alacsony áramsűrűségéből (10…30 A/mm2) következik, hogy a belső szabályozás nem hatékony, ezért csak eső (drooping) áramforrás-karakterisztikával lehet stabil munkaponttal hegeszteni. Az ilyen karakterisztikát kissé pontatlanul áramtartónak is nevezik. A BKI áramforrások karakterisztikái a 4.17. ábrán látható módon enyhén és meredeken esők lehetnek.

U

V

U

Üresjárási feszültség

U0

0

V

Üresjárási feszültség

U0

Iz1

Iz2

0

Iz3 I, A

Zárlati áramok

Iz1

Iz2 I, A

Zárlati áramok

4.17. ábra. Enyhén és meredeken eső áramforrás-karakterisztikák bevontelektródás ívhegesztéshez Az áramerősség beállítása a megfelelő statikus karakterisztika (zárlati áram) előválasztásával lehetséges, de számolni kell azzal hogy a kívánt áramerősség csak adott ívhossznál fog pontosan megvalósulni. Az ívhossz növelésekor az áramerősség kismértékben csökken, az ívhossz csökkenésekor enyhén növekszik (4.18. ábra).

206

HEGESZTÉS


Stabil munkapont

Hasonlóan a többi kézi ívhegesztéshez, a BKI egyik nehézségét az jelenti, hogy az elektródafogó kézi vezetéséből adódó ívhossz-ingadozással a hőáramot befolyásoló munkaponti paraméterek (az áramerősség és az ívfeszültség) is folyamatosan változnak. A 4.18. ábrán az ív jelleggörbék bármelyik áramforrás karakterisztikát két pontban metszik. Hegesztés csak ezekben a metszéspontokban lehetséges, ahol az áramforrás éppen az ív fenntartásához szükséges áramot és feszültséget szolgáltatja. A metszéspontok közül az eredményez stabil hegesztést, ahol negatív visszacsatolás valósul meg, vagyis ahol az áramerősség véletlen megnövekedésére az áramforrás az áramerősség csökkenésével reagál. U

V

U0

Iív2 > Iív1

M

Uív

Iív1

Iz1

Ih

Iz2

Iz3

I, A

4.18. ábra. A BKI eső jellegű áramforrás-karakterisztikái és munkapontja két különböző ívhossznál A bal oldali munkapontban a visszacsatolás pozitív, ezért nem lehet stabil munkapont (azért sem, mert az Ayrton tartományba esik, ami hegesztésre nem használható). A jobb oldali, a 4.18. ábrán az Iz2 zárlati áramhoz tartozó áramforrás-karakterisztika és az lív2 ívhosszhoz tartozó ívjelleggörbe M-mel jelölt metszéspontjában a stabilitási feltétel teljesül, ezért ez lesz a stabil munkapont. Az ábrán a karakterisztika-választás és az ívhosszváltozás hatására megvalósuló munkapontvándorlást (karakterisztikák metszéspontjai) is megfigyelhetjük. A munkapontstabilitás feltétele matematikai formában is kifejezhető:

∂U ív ∂I ív

≥ M

∂U áf ∂Iáf

.

(4.20)

M

A stabilitási feltétel szavakkal kifejezve azt jelenti, hogy akkor stabil a munkapont, ha az ívkarakterisztika érintőjének munkaponti iránytangense nagyobb, mint az áramforrásé. A munkaponti paraméterek közötti összefüggés

Az ívfeszültség és az áramerősség tájékoztató összefüggését a BKI munkafeszültségegyenesének egyenlete adja meg (EN 60974-1:1998, salakvédelmű eljárásokra):

U ív = 20 + 0, 04 ⋅ I h ; de U ív ≤ 44 V .

(4.21)

A munkafeszültség egyenes a valóságban statisztikusan érvényesül (4.19. ábra). A szerző által egy n=450 elemű minta alapján meghatározott lineáris regressziós függvény (az ábrán folytonos, vastag fekete vonallal jelölve) alig tért el a szabvány által megadott egyenes egyenletétől (az ábrán szaggatott, vékony, piros egyenes). 207


HEGESZTÉS

Az ívfeszültség nagyságát leginkább az elektródabevonat és az elektródák végén kialakuló bevonatkúp magassága befolyásolja. Átlag alatti feszültséggel olvaszthatók le a bázikus, átlagossal a rutilos, átlag felettivel a cellulózos bevonatú elektródák, míg legnagyobb ívfeszültséget a nagyhozamú (bevonatukban fémport tartalmazó) elektródák igényelnek. 50

Ívfeszültség, V

40

30

20

Uív =20+0,04*I h

Umért Uszám

10

0

0

100

200

300

400

500

Áramerõsség, A

4.19. ábra. Az ívfeszültség függése a hegesztőáram nagyságától és a bevonat típusától Az áramerősség (A) és az elektróda-átmérő (mm) közötti kapcsolatot legjobban a következő regressziós összefüggések fejezik ki:

I köz = 60 ⋅ d e − 70

(4.22)

I köz = 20 × d e1,5

(4.23)

Elektródafogó

Az elektródafogó (a BKI szerszáma) az elektróda fix rögzítésére, vezetésére és az áram hozzávezetésére szolgál. Az elektródafogók többféle kialakításban kaphatók. Fontos tervezési szempont, hogy a szorítóerőt rúgóerő biztosítsa, ezért mára a kézi erővel szorító, a kezet fárasztó emelőszorítású fogók teljesen elavultak. Az elektródafogók jó villamosvezető képességű, egy bizonyos mértékig kopásálló rézötvözetből készülnek, ezért meglehetősen nehezek. A hegesztés alatt a teljes hegesztőáram átfolyik az elektródafogón, ezért jelentős melegedéssel kell számolni. A villamos és hőszigetelést hőálló gumi, vagy megfelelő szigetelőképességű műanyag biztosítja. Az összes alkatrésznek öregedésállónak kell lennie, vagyis hosszabb használat után is meg kell őriznie a hegesztés szempontjából lényeges tulajdonságokat (keménység, szigetelőképesség, vezetőképesség). Az elektródafogók kiválasztási paraméterei a következők: maximális áramerősség, bekapcsolási idő, csatlakozó kábel mérete, legnagyobb alkalmazható elektróda-átmérő. Hegesztőkábel

A BKI hegesztőgépet egy-egy hegesztőkábel kapcsolja az elektródafogóhoz (elektródakábel)és a munkadarabhoz (testkábel). A kábeleknek, de különösen a hegesztő által kézben tar208

HEGESZTÉS


tott elektródakábelnek flexibilisnek és viszonylag könnyűnek kell lennie. A flexibilitás miatt a kábelek gumiborítású rézsodratból készülnek. A hegesztőkábelek keresztmetszetét a melegedéssel összefüggő paraméterek (hegesztő áramerősség és a bekapcsolási idő) határozzák meg (az EN 60974-12:1999 szerint rendszerint 35, 50 és 70 mm2). A hegesztőkábelek szokásos hossza 20…25 m, amit a kábelen eső, még megengedett feszültség determinál. A hegesztőkábelek (az elektródafogóval alkotott fix rögzítésű kapcsolattól eltekintve) csatlakozókban végződnek. A hegesztő áramforráshoz jó kontaktust adó csavaros vagy gyorsszorítós (bajonettzáras) dugaszos toldattal csatlakoznak. A legkritikusabb csatlakozó a testkábelen található a hegesztendő darabhoz való fix és gyorsan oldható, néha még a munkadarab forgását is megengedő kapcsolat megvalósítására. A jó csatlakozók excenterszorításúak, vagy mágneses rögzítésűek. Az utóbbiak korlátja, hogy csak ferromágneses anyagokhoz használhatók. Kiegészítő és biztonsági felszerelés

A hegesztő munkáját néhány kényelmi kiegészítő és biztonsági felszerelés segíti. A hasznos kiegészítők közül említést érdemel az az egység, amelyik az üresjárási feszültséget a rövidzárlat idejére lecsökkenti. Az áram hegesztés közbeni szabályozására egyes gépekbe távszabályzót építenek be.

4.20. ábra. A különféle ömlesztőhegesztő, vágó és hornyoló eljárásokhoz ajánlott védőszűrők számjelzése Kis praktikus műszer szolgál az egyenáramú hegesztés polaritásának kijelzésére. A hegesztő védőöltözékére országonként eltérő előírások vonatkoznak. A ruhának zártnak, lángállónak és a szétrepülő fémcseppekkel szemben ellenállónak kell lennie. A zárt bakancs csak

209


HEGESZTÉS

bőr talppal készülhet. Térbeni hegesztéshez bőr védőkalap, vagy az egész fejet befedő zárt fejpajzs szükséges. Az ív hő-, fény- és ultraibolya sugárzása ellen a hegesztő arcát pajzs védi. A szem védelmére sötét üveg, ún. védőszűrő szolgál. A többféle méretben szabványosított (pl. 51 x 130 mm) méretű védőszűrő cserélhető, a fröcsköléstől egyszerű ablaküveg védi. A védőszűrő sötétsége változó, a sötétségi fokozatot 1 és 20 közötti jelzőszámmal jelölik (EN 169). Az ívhegesztések védőszűrőjének jelzőszáma 8 és 15 között, a plazmaíves hegesztésé 6 és 15 között változik. A védőszűrő eljárásonként annál sötétebb, minél nagyobb a hegesztőáram, illetve minél sötétebb a háttér (nagyobb a kontraszt, 4.20. ábra). Az 1990-es években megjelentek az automatikusan sötétedő LC paneles pajzsok, amelyek a pajzsra eső fényt fotoelektromos úton érzékelik és nagyon rövid idő alatt (a szem észlelési időküszöbén belül) az ablakot a kívánt sötétségűre állítják be. Használata nagyban javítja a hegesztő kényelmét és fejpajzsként kiképezve felszabadítja a hegesztő egyik kezét. 4.4.2.1.6. Bevonatos elektródák

A BKI eljárás egyetlen hegesztőanyaga a bevonatos elektróda, amelyet egy rövid (többnyire 450 mm-nél nem hosszabb) maghuzalon elhelyezett bevonat alkot. Nagyon korlátozott mennyiségben és adott (főleg felrakóhegesztési) célokra portöltetű (cső) és bevonatosportöltetű elektródákat is gyártanak. A BKI gépesített alváltozataihoz (gravitációs ívhegesztés, befektetett elektródás ívhegesztés) 450 mm-nél hosszabb elektródákat is forgalmaznak. Az elektróda egyik végén a befogásra szolgáló csupasz rész, a másik végén az első ívgyújtást megkönnyítő grafitréteg található 4.21. ábra). Az elektródák azonosítására a befogóvéghez közeli bevonatfelületre rövid azonosítót (márkajelet) nyomtatnak. le Maghuzal

Befogóvég

Grafit

φ Db

φ de

Márkajel

Bevonat

4.21. ábra. A bevonatos elektróda részei és jellemző méretei Az elektróda átmérősorozata szabványosított. Többnyire a 2; 2,5; 3,25; 4; 5 és 6 mm átmérőket forgalmazzák. Az elektródahosszakat a túlmelegedés és a kéz remegéséből eredő pontatlanságok mérséklésére korlátozzák és az elektróda átmérőjével növekvő nagyságúakra tervezik. A vékony elektródák 150…250 mm, a vastagabbak 300…450 mm hosszúságúak. A legnépszerűbbnek tekinthető 3,25 mm átmérőjű elektródák a legtöbb gyártónál 350 mm hoszszúságúak. Ahogy az a 4.21. ábrán is látható, az elektróda-átmérő a maghuzal átmérőjével azonos. A bevonat vastagsága különböző, szokásos csoportosítás szerint az elektródák vékony, normál és vastag bevonatúak lehetnek.

210

HEGESZTÉS


Az elektródák bevonata

Az elektródákat célszerűbb és gazdaságosabb néhány maghuzaltípus felhasználásával bevonatötvözésű kivitelben gyártani. Ez azt jelenti, hogy sokféle bevonatösszetételt kell kifejleszteni és a maghuzalra extrudálással felvinni. A bevonat olyan mint egy szakácsművészeti remek: 15…30-féle alkotóelemből többé-kevésbé titkos receptura szerint készítik.

A bevonatalkotók szerepe A különféle bevonatalkotókat a feladatuk szerint az alábbiak szerint csoportosíthatjuk. 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. A bevonatalkotók általában tisztított ásványok (karbonátok, oxidok, fluoridok, szilikátok,…), egyes komponenseket tiszta állapotban (Al, Cu, grafit,…), vagy olcsóbban előállítható és alacsonyabb olvadási hőköze miatt előnyösebb ferroötvözet formájában (FeMn, FeSi, FeCr, FeMo, FeV,…) adagolnak a bevonatba. Egy komponens több funkciót is elláthat: pl. a K2O⋅SiO2 (káli-vízüveg) elsődleges funkciója szerint kötőanyag, de a K ívstabilizáló, a Si dezoxidáló szerepű, a maradék szilikát pedig salakképző. Az elektródák minősége a komponensek tisztaságának függvénye: rosszminőségű alapanyagokból a legkorszerűbb gyártóberendezéssel sem lehet megfelelő terméket előállítani. 4.4.2.1.7. Az elektródák rendszerezése

Az elektródákat rendeltetésük szerint a következő csoportokba sorolják: 1. kötőelektródák, 2. felrakóelektródák, 3. 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 alapanyag rendszerezését követi. Vasötvözeteknél a legfontosabb elektróda ötvözet-főcsoportok 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 elektródák ömledék-összetétele és a velük készített varrat mechanikai (főként szilárdsági) jellemzői szerencsés esetben az alapanyagéval megegyeznek vagy ahhoz nagyon közel állnak (matching). Ettől eltérő esetek (mismatching vagy undermatching és overmatching) is

211


HEGESZTÉS

előfordulnak, amennyiben az adott alapanyag hegesztése ezt szükségessé teszi (lásd pl. a termomechanikusan kezelt acélok alapanyagnál erősebben ötvözött elektródáit). Az elektródák bevonattípusai

Az elektródák különböző bevonat-összetétellel készülnek. Az elektróda bevonattípusa a bevonat megolvadásával képződő salak típusára és/vagy fő jellemzőire utal. A lehetséges esetek és jelölésük az angol szavak kezdőbetűi alapján a következők: − A savas (acid), bázikus (basic), − B cellulózos (cellulose), − C rutilos (rutile), − R vastag rutilos (thick rutile), − RR rutil-cellulózos (rutile-cellulose), − RC rutil-savas (rutile-acid), − RA rutil-bázikus (rutile-basic). − RB Szemben az előbbi felsorolással, amely a rutilbevonat elsődlegességét sugallja, a legjobb mechanikai jellemzőket a bázikus bevonat biztosítja, ezért az elektródák több, mint kétharmada bázikus bevonattal készül. Magyarországon a jelenlegi hazai felhasználást messze meghaladó kapacitású (25 000 t/év), az ESAB csoporthoz tartozó elektródagyár található Móron. 4.4.2.1.8. A BKI technológiai jellegzetességei

A BKI kis (10…30 A/mm2) áramsűrűsége miatt az ívkarakterisztika vízszintesközeli szakaszán elhelyezkedő munkapontban üzemel. A hegesztés jellegzetesen egyparaméteres eljárás, ami azt jelenti, hogy a hegesztő az áramforráson található potenciométerrel kiválaszt egy statikus karakterisztikát és a munkapont két koordinátája (a hegesztő áramerősség és az ívfeszültség) elsődlegesen az ívhossznak, másodlagosan az elektródabevonatnak, elektródaátmérőnek és az áramnemnek, illetve a polaritásnak megfelelően beáll egy adott értékre. A kézi hegesztés hozzávetőlegesen 4 mm/s körüli sebesességgel végezhető. Egy elektróda átlagos leolvasztási ideje 1 és 2 min közé esik. A lerakott varratkeresztmetszet a haladási sebesség és a hegesztési technika (keresztirányú ívelés) függvénye. Egy hegesztő egy óra effektív ívidő (kb. 2 h munkaidő) alatt 1…5 kg elektródát tud leolvasztani. 1 kg elektródából a salaktömeget és a veszteségeket levonva mintegy 0,6 kg hegömledékre lehet számítani. 4.4.2.2. Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés

A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés (rövidítve VFI) az első számú hegesztőeljárás a világon. A külső forrásból (palack vagy tartály) származó védőgázzal védett ívvel, gépi mechanizmussal adagolt huzalelektródával jellemezhető ívhegesztés első működő berendezése 1941-ből származik (előbb He, majd Ar védőgázzal). Az eljárás mai, nemzetközileg elfogadott elnevezése Gas Metal Arc Welding (GMAW), de Európában (és így Magyarországon is) használják a MIG/MAG jelölést is, ami a Metal Inert Gas / Metal Active Gas rövidítése. Az eljárás több egyezményes kódszámmal (131, 135, 136, 137, 138) rendelkezik, mivel a tömör- és porbeleshuzalos, illetve a semleges és aktív védőgázas alváltozatokat megkülönböztetik. A legfontosabb és legtöbbet használt tömörhuzalos, aktív gázvédelmű eljárásváltozat számkódja 135.

212

HEGESZTÉS


4.4.2.2.1. A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés elve

A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés azt a hőt hasznosítja, amit a folyamatosan előtolt elektródahuzal és az alapanyag közötti villamos ív szolgáltat. A villamos ív védőgázburokban ég, az ív jellemzői a védőgáz összetételének célszerű megválasztásával széles sávban befolyásolhatók. Hegesztés közben salak az aktív védőgáz reakcióiból és a hegfürdőben lezajló kémiai folyamatokból csak elenyésző mennyiségben keletkezik, ami kis foltokban dermed a varrat felületének szélére. A huzalelektróda 4.22. szerinti fordított polaritású (DCEP) kapcsolása általánosnak tekinthető, mivel stabilabb ívet, jobb anyagátvitelt, kisebb fröcskölési veszteséget és kedvezőbb varratbeolvadási alakot garantál. Az egyenes (DCEN) kapcsolás mellett csak a nagyobb leolvasztási teljesítmény szól, ami azonban a sekély beolvadás és a nagy varratdudor miatt nem igazán előnyös. Huzalelőtoló ve Vezetőcső Védőgáz Huzaldob

Gáz fúvóka Védőgáz burok + DCEP -

Ív

Hegfürdő

Árambevezető

Huzalelektróda

Alapanyag

4.22. ábra. A védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztés vázlata A VFI hegesztés a végtelen hosszúságúnak tekinthető tekercselt huzal hozaganyag folyamatos adagolása és a huzalelektródától fizikailag elválasztott védőgázvédelem miatt kiválóan gépesíthető és jól automatizálható, ezzel magyarázható, hogy ma mindhárom (kézi, gépesített és automatizált) változata egyaránt elterjedt. 4.4.2.2.2. Az eljárás levegő elleni védelme

Az ív előre megválasztott összetételű védőgázburokban, annak ionizációjával hozható létre, ugyanakkor a gázatmoszférát úgy kell megválasztani, hogy az ívtér és az olvadt alapanyag védelmét is elláthassa. Mindkét funkcióra a természetben nagyobb koncentrációban előforduló nemesgázok (Ar és He) a leginkább alkalmasak, de hegesztési előnyök és gazdaságossági okok miatt a legolcsóbb aktív monogáz (CO2) és a nemesgáz(ok) és aktív gáz(ok) keveréke is gyorsan népszerűvé vált.

213


HEGESZTÉS

Inert védelem mellett a huzalelektróda összetétele az alapanyagéval közel megegyezik, de a metallurgiailag aktív (oxidáló hatású) védőgázokhoz az alapanyagtól kissé eltérő (többnyire ötvözöttebb) hozaganyagra van szükség. Az eljárás elvéből következik, hogy a hegfürdő felületén található jelentéktelen mennyiségű salak metallurgiai szerepéről le kell mondani, a többnyire aktív védőgázok pedig metallurgiailag inkább károsak, mint hasznosak. Ezen a téren a portöltetű elektródahuzalok kidolgozása döntő változást hozott, mivel a receptura szerinti portöltet mindazon funkciók betöltésére képes, mint amit az elektróda-bevonatoknál megismertünk. 4.4.2.2.3. Az eljárás előnyei és hátrányai

A VFI azon előnyös tulajdonságai, amelyek az eljárás vitathatatlan elsőségét biztosítják a legfőbb riválissal, a BKI-vel szemben, a következőkben összegezhetők: − nagy leolvasztási teljesítmény ( m le ), − az eljárás jól gépesíthető és automatizálható, − mélyebb beolvadás, kedvezőbb varratalak, − kevesebb hozaganyag-veszteség (végmaradék, fröcskölés és salak együtt; 2…8 % a BKI 30…40 %-ával szemben) − folyamatos hegesztés, (az ívidő (60…80 %) közel duplája a BKI-vel elérhetőnek (30…50 %), − a salakeltávolítási művelet elmaradása, − kevesebb gőz és füst, kisebb egészségi ártalom és elszívási kényszer, − könnyebben elsajátítható és végrehajtható kézi hegesztési technika, mint bevonatos 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 pozícióban használható. A sokféle előnyös tulajdonság mellett az eljárás alkalmazásakor néhány alkalmazási korláttal és hátránnyal kell számolni: − összetettebb és drágább gépi berendezés, korlátozottabb hordozhatóság, − a BKI-hez viszonyítottan korlátozottabb hozzáférés, − vékony és lágy huzalok előtolása problematikus, − kiépített gáz infrastruktúrát igényel, − szél- és huzatérzékenység. A kétségkívül meglevő objektív hátrányokat az elmúlt évek fejlesztő munkájával nagymértékben sikerült csökkenteni. 4.4.2.2.4. A VFI eljárás alkalmazási területei

Kezdetben a VFI eljárást He védőgázzal a repülőgépgyártó iparban alumíniumötvözetek hegesztésére használták, ma már azonban az acélok elsőszámú hegesztőeljárása, mivel éppen a bevontelektródás kézi ívhegesztésével közel megegyező széles felhasználási területen jóval termelékenyebben alkalmazható. A VFI eljárás a védelem célszerű megválasztásával a legtöbb acél és szinte minden hegeszthető nemvasfém hegesztésére alkalmas eljárás. Az ötvözetlen és ötvözött szerkezeti acélok, a melegszilárd és hidegálló acélok, az erősen ötvözött különleges acélok és a jobb minőségű öntöttvasak egyaránt hegeszthetők. A nikkel-, a réz- és alumíniumötvözetek hegesztése

214

HEGESZTÉS


megfelelő huzalelektróda segítségével problémamentesen megoldható, de az ilyen célú felhasználáson vékonylemezek esetében az SWI eljárással kell osztozni. A VFI a kötőhegesztések mellett a felrakóhegesztésekhez és a javítóhegesztésekhez is használható, ezen a területen részesedése folyamatosan növekszik és a portöltetű huzalelektródák megjelenésével a BKI versenytársává vált, különösen a nagytömegű, illetve a nagysorozatú felrakásoknál. Kézi és gépesített változata igen alkalmas csőtávvezetékek helyszíni varratainak készítésére is. Falvastagság, hegesztési hely és hegesztési helyzet tekintetében az eljárás előtt nincsenek jelentős korlátok. Az 1 mm körüli lemezvastagságokhoz és a vastaglemezekhez gazdaságos alváltozatokat fejlesztettek ki. Az igazi alkalmazási terület azonban ma is a közepes vastagságtartomány (3…15 mm). Az eljárás szabad téren is alkalmazható, ilyenkor a szél ellen hatékony árnyékolás (pl. védősátor) szükséges. Megfelelő anyagátviteli móddal a VFI eljárással tetszőleges térbeli helyzetben lehet hegeszteni. Azt azonban ilyenkor sem szabad szem elől téveszteni, hogy térbeli helyzetekben a hegesztés minősége és termelékenysége egyaránt csökken. 4.4.2.2.5. Az eljárás gépi berendezése

A VFI hegesztő berendezése általános esetben a következő fő egységekből áll: − áramforrás a testkábellel, − huzaltovábbító, − hegesztő pisztoly a kábel- és tömlőköteggel, − védőgázellátó egység, − vezérlő egység, − hűtőegység (opcionális), − programozó és programtároló egység (opcionális), − mozgatókészülék (opcionális, csak gépesített hegesztéshez). Áramforrás

Áramforrásként az egykor igen népszerű generátorokat ma már egyáltalán nem gyártják. A nagy teljesítményigényű, folyamatos munkához egyenirányítókat, a vékonylemezes alkalmazásokhoz invertereket alkalmaznak. Az áramforrások 50…150 A-es (kisgépek), 150…500 Aes (középgépek), 500…750 A-es (nagyteljesítményű gépek) áramerősség-tartományban kaphatók. Az áramszükséglet a BKI-hez viszonyítva tízszeres áramsűrűség (100…300 A/mm2, és a huzalkeresztmetszet alapján könnyen kiszámítható. A VFI berendezések statikus karakterisztikája közel vízszintes, más néven feszültségtartó (4.23. ). Az ilyen karakterisztika emelkedő ívjelleggörbével együtt belső szabályozásra alkalmas feltételeket biztosít. Az áramforrások szükséges bekapcsolási ideje kézi hegesztéskor közel duplája (60 %) a BKI hegesztőgépekének, de gépesített hegesztéshez az áramforrásokat 100 %-os bekapcsolási időre kell választani. Folyamatos és nagy hőbevitelt igénylő munkákhoz a vízhűtésű áramforrások nélkülözhetetlenek. Ahogy azt már korábban kifejtettük, hegesztés csak az ívjelleggörbe és az áramforrás jelleggörbe metszéspontjában, a munkapontban lehetséges. A két lehetséges metszéspont közül csak az tekinthető stabilnak, amelyben a hegesztőgép bármilyen zavarásra úgy reagál, hogy a zavaró hatás következménye gyengüljön (negatív visszacsatolás).

215


HEGESZTÉS

U V

U0

M

Uív

Ív Áramforrás

0

Ih

I, A

4.23. ábra. A VFI hegesztés stabil munkapontja közel vízszintes (kvázi feszültségtartó) áramforrás-karakterisztikával A kisgépeket zárlatos technikára, a középgépeket nagycseppes vagy finomcseppes anyagátvitelre optimalizált, egyébként változtatható induktivitással tervezik, ami nagymértékben megszabja az áramforrás dinamikus viselkedését. (A dinamikus viselkedés főleg az áramváltozási jellemzőkkel [tranziensekkel] van összefüggésben). A jó dinamikus jellemzőkkel rendelkező áramforrással könnyebb az ívgyújtás, váltakozóáramú hegesztésnél az ív-újragyújtás, emellett az ív kedvezőbben reagál a hegesztés közben bekövetkező zavaró jelekre. Huzaltovábbító berendezés

A huzalokat a kereskedelemben kapható, szabványosított méretű dobról, tekercsről, drótkosárról vagy belső lefejtésű tárolóhordóból kiindulva kell eljuttatni a hegesztőpisztolyba. A relatíve és gyakran abszolút értelemben is vékony huzalokkal operáló VFI hegesztés egyik elsőrendű gépészeti problémája a huzaltovábbítás megoldása. Kézi hegesztésnél a kényelmes munkavégzés a pisztoly és a huzaltovábbító mechanizmus között legalább 3 m hoszszúságú kábelt igényel. Bár gépesített hegesztésnél a rövidebb kábelhossz miatt a probléma mérsékeltebb, de a huzaltovábbításnál mindenképpen meg kell oldani a karcsú, sokszor lágy huzalok változtatható, egyenletes sebességű, akadásmentes eljuttatását a pisztolyba. A huzaltovábbítás nyomó, húzó vagy húzó-nyomó mechanizmussal lehetséges. A nyomott huzalok kihajlási problémája a húzó (pull) rendszerű továbbítók alkalmazásának elsőbbségét indokolná, de ilyen esetben a húzó mechanizmust, sőt esetenként a huzaltároló dobot is a pisztolyra kell szerelni, ami csak gépi hegesztésnél elképzelhető, másrészt a tömegés méretcsökkentést szolgáló kis átmérőjű előtológörgőket igen nagy fordulatszámmal (pl. levegőmotorral) kell hajtani. Ezzel szemben a toló (push) rendszerű huzaltovábbítók a pisztolytól kényelmes távolságban helyezhetők el, terjedelmesek is lehetnek és a görgőhajtás egyenáramú villanymotorral könnyen megoldható. A huzalkihajlás ellen flexibilis vezetőcsövet alkalmaznak, amibe a súrlódóerő csökkentése érdekében (ma már minden esetben) műanyagcsövet húznak be. A tolt huzal így nem tud kihajlani, de a csomóképződés elkerülésére a görgőknél és a pisztolybemenetnél is megfelelő megtámasztást garantáló átmeneteket kell beépíteni. A toló-húzó (push-pull) huzaltovábbítók az előbbi két rendszer kombinációjaként a kényes esetekben (vékony, lágy huzal) is jól működnek, de a húzó rendszerű előtolók problémáit magukon viselik és emellett igen drágák.

216

HEGESZTÉS


Finommechanikai alkalmazásoknál a húzó és toló-húzó rendszerek mindenképpen szükségesek a kis áramerősséggel végzett, vékonyhuzalos hegesztéshez szükséges kényes előtolási funkció megbízható megoldására. A kompakt gépekbe a huzaltároló dobot és a huzalelőtoló rendszert beépítik. A hatósugár növelésére a huzaldobot is tartalmazó huzalelőtolót az áramforrástól különálló egységként, hordozhatóan képezik ki. Az áramforrás és a huzalelőtoló egység közötti összekötő kábel hossza akár 10 m is lehet, így szerelő munkáknál nagy területen lehet munkát végezni (pl. hajó-, híd- és darugyártás). 4.4.2.2.6. Hegesztőpisztoly a kábel- és tömlőköteggel

A hegesztőpisztoly a hegesztés szerszáma, amit a hegesztő vezet, vagy mechanizmus mozgat. A pisztolynak a hegesztő művelet elvégezhetőségét, könnyű kezelhetőséget, a varratvonalhoz való jó hozzáférést és hatékony baleset elleni védelmet kell biztosítania. A pisztolykonstrukciók a felhasználási célhoz alkalmazkodnak. Kézi hegesztéshez görbenyakú, gépi hegesztéshez egyenestörzsű pisztolyt fejlesztettek ki. A hegesztő robotokat mindig görbenyakú pisztollyal látják el, mivel ez jobb hozzáférést tesz lehetővé. Pisztolynyak

Kábel- és tömlőköteg

Főkapcsoló Markolat Gázfúvóka

Huzalelektróda Árambevezető hüvely

4.24. ábra. Kézi VFI hegesztőpisztoly fő részei A pisztolyok maximum 750 A áramerősségre készülnek. A bekapcsolási időtől függően 200…250 A-ig gázhűtéssel, efölött vízhűtéssel működnek. A gázhűtésnél a védőgáz hűtőhatását mindig figyelembe kell venni: a rossz hővezető Ar védőgázhoz csak 300…350 A-es, a sokkal jobb hővezetőképességű CO2 gázhoz maximum 600 A-es pisztolyokat is gyártanak. A kereskedelemben levegőhűtésű (komprimált levegőárammal hűtött) pisztolyok is kaphatók. Egy tipikusnak tekinthető kézi hegesztő pisztoly vázlatát a 4.24. mutatja be. A pisztoly és a hegesztőberendezés kapcsolatát kábel-és tömlőköteg biztosítja. A tolt huzaloknál a kábelköteg hossza limitált, ezért szokásos, hogy a huzalelőtoló egységet elválasztják az áramforrástól és hordozhatóra képezik ki. Húzó, vagy toló-húzó rendszereknél a kábelköteg hossza akár 10 m is lehet. A szigetelő burkolattal összefogott, flexibilis kábel és tömlőköteg általános esetben a következő elemeket tartalmazza: − erősáramú kábel, − pisztolykapcsoló (trigger) vezetéke, − szabályozó vezeték(ek) (a pisztoly típusától függően), − védőgáz tömlő,

217


HEGESZTÉS

− sűrített levegő tömlő, − hűtővíz pisztolyhoz tömlő, − hűtővíz pisztolytól tömlő. 4.4.2.2.7. Gázellátó berendezés

A VFI eljárás külső gázvédelemmel működik, ezért a gázellátást minden esetben biztosítani kell. A gázok szállítása és tárolása palackban, palackkötegben vagy cseppfolyós tartályokban történik. A gázkeverékek palackozottan megvásárolhatók, vagy helyi keveréssel állíthatók elő. A védőgázellátó rendszer gáztároló edényből, nyomáscsökkentőből, átfolyásmérőből és gáztömlőből áll. A hegesztőüzemben kiépített fém vezetékrendszert gáztartályokból párologtatón keresztül vagy palackkötegből (egymással összekötött, raklapra rögzített palackegyüttesből) táplálják. 4.4.2.2.8. Hűtőrendszer

A folyamatosan nagy áramerősséggel üzemelő hegesztőpisztolyok túlmelegedését 1…2 l/min vízárammal lehet megakadályozni. A lágyított vízzel üzemelő zártrendszerű hűtőkör 20…50 l-es víztartályból, szivattyúból, szűrőből, átfolyásmérőből és csővezetékekből áll. A vízellátás felügyeletét mágnesszelep (vízőr) biztosítja. A hűtővíz korrozív hatását inhibitálással, a vízkőlerakódásokat lágyított vagy ioncserélt víz használatával lehet kiküszöbölni. A hűtőrendszert közvetlen csapvízzel nem célszerű táplálni. Téli körülmények között, 0 °C alatti hőmérsékletek előfordulása esetén a vizet hűtőfolyadékra kell kicserélni. 4.4.2.2.9. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer

A mai korszerű VFI berendezést összetett elektronikus rendszer szolgálja ki. A rendszerhez tartoznak a kapcsolók, a távszabályzók, a választókapcsolók, a beállító gombok, a különféle digitális és analóg kijelzők, figyelemfelhívó eszközök (lámpa, led, csengő) és a gáz-, illetve a vízfelügyelet. A sok beállítási feladatot egyszerűsíti le a szinergia elv alkalmazása: a hegesztő választókapcsolókkal kiválasztja a hegesztési feladatot (anyag, huzalátmérő, védőgázfajta) és a vezérlőegység az összes paramétert az optimális értékre állítja be. A legmodernebb gépeket programozó és programtároló egység egészíti ki. Egy hegesztési programot 24=16 változóval a legtöbb esetben le lehet írni. A programokból különböző menynyiség (gyakran 50…100) tárolására van lehetőség. Ez bőven elégséges kapacitás, mivel 10...12 programmal a gyakorta előforduló feladatok már elvégezhetők. 4.4.2.2.10. Huzalelektróda

A 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 választékát gyártják. A különféle acélok, alumínium-, nikkel és rézötvözetek a legfontosabb felhasználási területhez tartoznak.

218

HEGESZTÉS


A külső védelmű huzalokat tömör kivitelben gyártják, de Fe és Ni ötvözetekhez porbeles huzalok is kaphatók. A nemesgázvédelmű huzalelektródák, amennyiben ennek hegeszthetőségi szempontok nem mondanak ellent, az alapanyaghoz nagyon hasonló összetételben készülnek. 4.4.2.2.11. Védőgázok

A védőgázok a VFI hegesztés minőséget és gazdaságosságot befolyásoló fontos hegesztőanyagai. A védőgáz az elsődleges védelmi funkción kívül befolyással van az ívstabilitásra, az ívhőmérsékletre, a hőmérséklet íven belüli eloszlására, az anyagátmenetre, a varrat beolvadási alakjára és méreteire, a felülettisztítás hatásosságára, a varratban zajló metallurgiai folyamatokra, a varrathibákra, a varrat mechanikai jellemzőire és közvetve a hegesztési paraméterekre, a hegesztés teljesítményadataira és a varrat fajlagos költségeire. A legfontosabb védőgázok és gázkeverék alkotók fizikai adatait a 4.5. táblázatban foglaltuk össze. A védőgázok sűrűsége a védelem hatékonysága szempontjából érdekes. Vályúhelyzetben a levegőnél nehezebb gázok, fejfeletti helyzetben a levegőnél könnyebb gázok alkalmazása előnyös. Azonos védőhatás kifejtéséhez a könnyebb védőgázból nagyobb térfogatáramra van szükség: 10…15 l/min Ar védőgázárammal 25…40 l/min He tekinthető egyenértékűnek.

4.5. táblázat. A legfontosabb védőgázok és gázkeverék komponensek fizikai adatai Gáz Hidrogén Hélium Nitrogén Oxigén Argon Széndioxid

Vegyjel Képlet

Atomtömeg Molekulatömeg

Sűrűség a levegőhöz

Sűrűség kg/m3

H2 He N2 O2 Ar CO2

2,016 4,00 28,01 32,0 39,95 44,01

0,0695 0,1368 0967 1,105 1,38 1,53

0,090 0,178 1,25 1,43 1,784 1,978

Ionizációs energia, eV 13,5 24,5 14,5 13,2 15,7 14,4

Eredetileg védőgáz minőségben csak nemesgázokat (időrendben először He-ot, majd Ar-t) és redukáló H-t használtak és csak később került sor a kémiailag aktív (oxidáló) CO2 és a nemesgáz – aktív gáz (Ar, He+CO2, O2) keverékek alkalmazására. Ez utóbbiaknál a következő, hegesztés közben jelentkező hatásokkal kell számolni (és ha lehetséges), megelőzni, vagy kompenzálni: − a hegfürdőben oldódó vasoxidul (FeO) dezoxidálása, − az aktív védőgázban kiégő ötvözők pótlása a hozaganyagból. A védőgázok rendszerezése

A védőgázok több szempont alapján rendszerezhetők. A legfontosabb osztályozási szempontokat és a hozzárendelt osztályokat a következőkben ismertetjük. Komponensek száma szerint

A védőgázok a komponensek száma szerint lehetnek monogázok, kétkomponensű gázkeverékek, háromkomponensű gázkeverékek, négykomponensű gázkeverékek. Az egykomponensű, vagy monogázok önmagukban is képesek a szükséges védőhatás kifejtésére. Védőgázas, fogyóelektródás ívhegesztést Ar, He, CO2, H2 és N2 gázban lehet végezni. Két vagy több gáz összekeverésével az előnyös tulajdonságok összegzését kívánjuk elérni, anélkül, hogy a negatív hatások is összegződnének. A legfontosabb gázkeverékek Ar és/vagy 219


HEGESZTÉS

He nemesgázokból és az O2 és/vagy CO2 oxidáló hatású (az ISO szerint aktív) gázokból állnak. Egyes gázok korlátlanul keverhetők, mások koncentrációja a keverékben csak korlátozott lehet. A koncentrációt mindig térfogatszázalékban mérik. A védőgáz (keverék) kémiai jellege szerint

Kémiai szempontból a védőgázok és védőgázkeverék - komponensek az alap- és hozaganyag 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 EN 439 szabvány tartalmazza. Az osztályozási rendszer az aktív gázokat aktivitásuk szerint csoportosítja, vagyis megkísérli az ötvözőkiégésre gyakorolt hatást sorrendbe állítani. A besorolási rendszer a redukáló védőgázokat R (reducing), a nemesgázokat I (inert), az aktív CO2 gázt vagy CO2 bázisú gázkeveréket C (carbondioxid), az aktív gázkeverékeket M (mixed), a gyökvédőgázokat F (forming) betűvel jelöli. A védőgázokkal szemben szabványban előírt, szigorú tisztasági követelményeket támasztanak. A különböző alapanyagokhoz eltérő tisztasági fokozatú védőgázokat forgalmaznak. Széles körben használt védőgázkeverékek:

− 80 Ar + 20 CO2, (más forgalmazóknál 75 Ar + 25 CO2, illetve 82 Ar + 18 CO2), − 98 Ar + 2 O2, − 80 Ar + 15 CO2 + 5 O2. Különleges gázkeverékek:

− 80 CO2 + 20 O2, − 60 Ar + 30 He + 10 CO2, − 65 Ar + 26,5 He + 8 CO2 + 0,5 O2. Az utolsóként felsorolt gázkeverék négykomponensű, kereskedelmi márkaneve T.I.M.E. (Transferred Ionised Molten Energy), amely (az utolsó előtti gázkeverékhez hasonlóan) forgóíves cseppátvitel megvalósítására is alkalmas. 4.4.2.2.12. A VFI hegesztés finomlemez hegesztésre alkalmas anyagátvitele

Az impulzusíves cseppátmenet a múlt század végéhez kötődő hatalmas elektronikai fejlesztések eredményeként jöhetett létre. Olyan anyagátvitelt jelent, ahol a cseppátmeneti frekvencia nem spontán értéket vesz fel, hanem nagysága pontosan tervezhető. Lényege, hogy állandó áramerősség helyett – az egyes impulzusok között megfelelő hosszúságú szünetet tartva – áramimpulzusokkal hegesztünk (4.25. ábra). Mivel minden ciklushoz egy, és csakis egy csepp leválása tartozik, az impulzus- és a cseppfrekvencia megegyezik. Az impulzusalak a kívánalmaknak megfelelő téglalap-, trapéz-, szinusz- vagy összetett geometriájú. A 4.25. ábrán az egyszerűség kedvéért téglalapalakú impulzusképet adtunk meg. Az impulzusáramot a következő független adatok jellemzik: − csúcsáram, Ics, [A], − alapáram, Ia, [A], − csúcsidő, tcs, [s], − alapidő, ta, [s].

220

HEGESZTÉS


I A

ta

tcs

Ics

Ia

t, s

4.25. ábra. A cseppátmenet összefüggése az impulzusáram jellemzőivel Az impulzusíves technika nagy előnye, hogy a négy független impulzusparaméter beállításával a hőbevitel tetszőlegesen szabályozható (elsősorban csökkenthető), miközben az ív stabilitása nem romlik. Az impulzusívvel megoldható, hogy finomcseppes (permetes) cseppátvitelt hozzunk létre a folyamatos áramerősséghez viszonyítottan töredék átlagárammal (hőárammal). Az impulzusíves hegesztés ennek megfelelően a vékonylemezekhez, a gyökvarrat hegesztéshez és a térbeli helyzetekhez ajánlott. Az impulzusíves hegesztés áramváltozásának szabályossága a varrat külsején is feltűnően jelentkezik, vagyis nagyon szép varratfelület elérését teszi lehetővé. Az impulzusíves technika jól szabályozható hőbevitele, kedvező finomcseppes anyagátmenete és az elérhető szép varratkülsővel párosuló kiváló varratminősége révén a mechatronika területén előnyösen és perspektivikusan alkalmazható. 4.4.2.2.13. A VFI gépesíthetősége és automatizálhatósága

A VFI kézi változata a BKI-hoz viszonyítva legalább két-háromszoros termelékenységű. Mivel az eljárás jól gépesíthető, ez a különbség tovább fokozható. Az eljárás elektromos, kinematikai és geometriai paraméterei villamos úton jól mérhetők és szabályozhatók, az ív könnyen gyújtható, stabilan fenntartható és könnyen eloltható. Mindezek miatt a rugalmas ívhegesztő automaták (az ún. hegesztő robotok) csaknem kizárólagos jelleggel VFI berendezéssel vannak ellátva. A VFI nemcsak az ezredforduló vezető hegesztő eljárása, de a közeljövőben felhasználási részarányának további növekedése várható. 4.4.2.2.14. A VFI eljárásváltozatai

Az utóbbi évtizedekben a világelső hegesztő eljárásként ismert VFI-nek számos speciális célzatú eljárásváltozatát fejlesztették ki; ezek valamilyen alkalmazási cél jobb, gazdaságosabb megvalósítását teszik lehetővé. Néhány fontosabb variáns ezek közül: − védőgázas, fogyóelektródás ívponthegesztés, − elektrogáz-hegesztés, − keskenyrés-hegesztés. Az alapváltozathoz hasonlóan a három alváltozat tömör és porbeles huzallal, inert vagy aktív védőgázzal is végezhető, így az említett, fontosabb eljárásváltozatok száma többszöröző221


HEGESZTÉS

dik. A vékonylemez konstrukcióknál az ívponthegesztésnek van kitüntetett szerepe, ezért a továbbiakban csak ezt ismertetjük. VFI ívponthegesztés

Az ívponthegesztés az ív mozgatása nélkül, speciális fúvókával és időkapcsoló segítségével pontosan szabályozható idejű hőbevitellel történik, átlapolt lemezkötések létesítése céljából. A VFI ívponthegesztés egyoldali hozzáférést igényel. A pisztoly fúvókája speciális kiképzésű, ami lehetővé teszi a gáz oldalirányú kiáramlását és a felső lemez alsóhoz való mechanikus szorítását is. A hőközlés ideje néhány másodperc.

F

Furat nélkül

F s

s ≤ 3 mm

DCEP

Furattal Védõgáz s

s > 3 mm

4.26. ábra. A védőgázas, fogyóelektródás ívponthegesztés elve és alkalmazása vékony és normál lemezekhez A VFI ponthegesztés nagymértékben hasonlít az SWI ívponthegesztéshez; a fő különbség a jól szabályozható mennyiségű huzalelektróda leolvasztásában van, ami minden esetben pozitív varratdudort eredményez, és lehetővé teszi a furatos ívponthegesztés megvalósítását is (4.26. ábra). A hozaganyagos hegesztés a hegeszthetőségi problémákat is mérsékli. Az ívponthegesztést leggyakrabban a vékony lemezek átlapolt kötéseihez használják. Másik alkalmazási terület vékony lemez és vastag szelvény összekötése (burkolatok nem oldható felerősítése pl. autókarosszériáknál). A védőgázt az alapanyag, az anyagátvitelt a térbeli helyzet függvényében választják ki. Az eljárás az ellenállásponthegesztés alternatívája, ezért előnyeit és korlátait a vele való összehasonlításban célszerű értékelni. Az ívponthegesztés mellett hordozhatósága, egyoldali hozzáférési követelménye, egyszerűsége és a felület-előkészítéssel szembeni kisebb követelménye, ellene a kisebb teljesítmény és az egyes anyagoknál (pl. Al) elérhető alacsonyabb kötésminőség szól. Az ívponthegesztés vékonylemez-konstrukciók összeállításához és az elemek önálló egymáshoz rögzítési céljaira egyaránt jól használható. Az átlapolt lemezkötések a szerkezetek megfelelő kialakítását igénylik. 4.4.2.3. Semlegesvédőgázas, volfrámelektródos ívhegesztés

A BKI és a VFI a fogyóelektródás ívhegesztések közé tartoznak, ezzel szemben a semlegesvédőgázas, W elektródos ívhegesztést (SWI) a W elektródja után nemolvadó elektró-

222

HEGESZTÉS


dos ívhegesztésnek nevezzük. Az első nemolvadó elektród szénből készült (Benardos, Olszevski), ma már a szén-, illetve grafitelektródokat csak hornyolásra használják. A hegesztésre használt nemolvadó elektród leggyakrabban W, vagy W mátrixú kompozit. A ma ismert legfontosabb W elektródos ívhegesztések a következők: − Hidrogén védőgázas, W elektródos ívhegesztés (HWI), − Hélium védőgázas, W elektródos ívhegesztés (HeWI), − Argon védőgázas, W elektródos ívhegesztés (ArWI, az ipari gyakorlatban AWI), − Argon + hélium védőgázkeverékes, nemolvadó W elektródos ívhegesztés [(Ar+He)WI], − Plazmaívhegesztés (PI). A nem aktív (semleges (Ar, He, Ar+He keverék és ugyanezen gázok keveréke kismennyiségű redukáló jellegű H-nal) gázokat használó, volfrámelektródos ívhegesztéseket semleges gázvédelmű, volfrámelektródos ívhegesztés (SWI) gyűjtőnévvel foglaljuk össze. Hivatalos angol elnevezésük: Gas Tungsten Arc Welding (GTAW). Alternatív elnevezésként a TIG (Tungsten Inert Gas) illetve a német nyelvterületen a WIG (Wolfram inert Gas) is gyakori. A további nemesgázok (Ne, Kr, Xe) kis természetbeli előfordulási koncentrációjukkal öszszefüggő magas előállítási költségük miatt védőgázként nem jöhetnek számításba. A HWI és a PI eljárásoknál teljes egészében vagy részlegesen H-t tartalmazó, vagyis redukáló hatású védőgázt, vagy gázkeveréket használnak. Ez – szemben az oxidáló, vagy másképpen aktív védőgázokkal – azért nem okoz problémát, mert a W elektród hidrogén atmoszférában még igen magas hőmérsékleten sem károsodik. A W elektródos ívhegesztések összegzett részaránya az összes ömlesztő hegesztő eljáráson belül világátlagban mintegy 3…5 %-ra tehető. Főleg a kézi változatok terjedtek el, de az eljárások kiválóan gépesíthetők és robotizált hegesztésre is alkalmasak. 4.4.2.3.1. A semlegesvédőgázas, W elektródos ívhegesztés elve

Az eljárás egyszerűsített vázlata a 4.27. ábrán látható. Az SWI olyan hegesztő eljárás, amelyben az egyesítendő fémeket egy nemolvadó W elektród és az alapanyagok között semleges, vagy enyhén redukáló (de sohasem aktív) gázban égő ívvel hevítjük. W elektród

Gázfúvóka

Ar Árambevezető rézhüvely Pálca

DCEN

Varrat

Ív

+

Alapanyag Hegfürdő

4.27. ábra. A kézi semleges-védőgázas, W elektródos ívhegesztés vázlata A hegesztéshez pálca vagy huzal hozaganyagot használnak, de a hegesztés hozaganyag nélkül is végezhető (autogén hegesztés). Az eljárás nemzetközileg egységesített számkódja 141. A W elektród és az alapanyag között létesített ívet, a W elektród forró végét és a hegfür-

223


HEGESZTÉS

dőt nemesgáz védi a levegő káros gázaitól (N2, O2, H2). Vékony lemezek peremvarrataihoz és I varrataihoz hozaganyagot nem használnak, de relatíve vastagabb lemezek leélezett varratfajtáihoz pálca vagy huzal töltőanyagra mindenképpen szükség van, amit azonban nem kötnek be az ívet tápláló áramkörbe. A hozaganyagot az ív hője hevíti olvadáspontja fölé, ezért viszonylag nagyméretű folyadékcseppként kerülnek a hegfűrdőbe. A nemesgázban fenntartott W ív stabil, jól szabályozható, hegesztés közben alig van fröcskölés és füstképződés. 4.4.2.3.2. Az eljárás előnyei és korlátai

Az SWI valamennyi ívhegesztő eljárás közül a legideálisabb körülmények között létesített, nagyon rugalmas, stabil és szabályozható ív hőforrással működik, emellett igen jó minőségű varratot eredményez. Az eljárás fő előnyei a következők: − a W ideális, a ma ismert legjobb elektródanyag, kiváló elektronemissziós képességgel, csekély fogyással és jelentős áramterhelhetőséggel, − a nemesgázok (ezen belül főleg az Ar) ideális védőgázok, amelyek az ív meggyújtását, újragyújtását (AC) és stabil égését egyaránt támogatják, a héliumot kivéve a levegőnél nehezebbek, ezért a legfontosabb hegesztési helyzetekben a hegfürdő felé áramlanak, − a W ív rugalmas, széles teljesítménytartományban szabályozható, impulzusívű áramforrással, egyenárammal és váltakozóárammal egyaránt táplálható, − nincs salakképződés, alig van fröcskölés, ezért hegesztés után tisztító műveletre gyakorlatilag nincs szükség, − nincs füstképződés, ezért a hegesztő az ívet és a hegfürdőt jól látja, egészsége nem forog veszélyben, − a varrat minősége kifogástalan, külső megjelenése esztétikus, mérhető geometriai és 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 költségei és 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 végezhető, − berendezése, elektródanyaga és védőgáza nagyon drága, ezért a varrat-hosszegységre vonatkoztatott fajlagos költsége magas, − kiépített védőgázellátó infrastruktúrát igényel. 4.4.2.3.3. Az eljárás alkalmazási területei

Az eljárás jellemzőiből, valamint az előzőkben felsorolt előnyeiből és hátrányaiból következik, hogy az alkalmazás csak relatíve szűk terülten lehet gazdaságos. Az alkalmazási területek tárgyalásakor nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy az SWI a hegesztőeljárások királya, amit csak indokolt esetben célszerű választani. A kis szelvényméretekkel és különleges anyagokkal operáló mechatronika területén sok felhasználási lehetőséggel találkozhatunk. Az előző nézőpontnak megfelelő tipikus alkalmazási lehetőségeket a következők szerint osztályozhatjuk. a. Értékes, vagy leolvadó hozaganyagos eljárásokkal nehezen hegeszthető anyagok hegesztése.

224

HEGESZTÉS


Erősen ötvözött, korrózióálló, hőálló acélok hegesztése. A drága alapanyag és a magas minőségi követelmények miatt. A varrat külső megjelenésének szabályossága impulzus áramú hegesztéssel tovább javítható. Alumínium, titán, réz, nikkel, cirkónium és egyéb nemvasfémek és ötvözeteik hegesztése, főleg olyan esetekben , amikor aktív védőgázzal egyáltalán nem lehet hegeszteni (Al, Ti, Zr) vagy nem lehet a kívánt magas minőséget biztosítani. Repülőgépgyártás és űrberendezések hegesztése. b. A hegesztés szempontjából nehezen kivitelezhető esetek

Olyan esetekben, amikor szabályozott hőbevitelre, kistömegű hegfürdőre és gyors fürdődermedésre van szükség (térbeli hegesztés, vékonylemezek hegesztése és gyökhegesztés). A hőbevitel és a tőle független hozaganyag-adagolásból származó előnyöket használjuk ki, tetszőleges alapanyagok esetén. Pl. helyszíni csőhegesztés gyöksora, vagy a teljes vastagságra kiterjedő varrata. Vékony lemezek peremvarratainál hozaganyag alkalmazása nélkül. Az impulzusáram itt is reális lehetőség. Bevonatos anyagok (plattírozott lemezek, bimetállok, galvanikusan bevont lemezek) hegesztése. A nehéz hegeszthetőségi esetekben az alapanyagból levágott lemezcsík hozaganyag és az SWI kombinációval mindig érdemes kísérletezni. A kötéseket 3 mm lemezvastagságig egyrétegű I varratokkal, efelett többrétegű, leélezett lemezszéleket igénylő varratokkal tervezik. Vékony lemezek vázszerkezetre SWI ívponthegesztéssel esztétikusan felrögzíthetők. c. Igényes felületi bevonatok készítése

Magas olvadáspontú öntött, keramikus vagy kompozit pálcák, esetleg porhozaganyagok ráolvasztása fém alaptestekre a kívánt felületi tulajdonságok (kopásállás, korrózióállás, hőállás, vagy ezek kombinációjának) elérésére. Elsősorban kistömegű alkatrészeknél használják, mint ülékek, zárófelületek. 4.4.2.3.4. Az SWI eljárás gépi berendezése

Az SWI eljáráshoz sok részből álló, bonyolult, magas szinten elektronizált, igen drága gépi berendezés tartozik. A költségek csökkentése csak úgy lehetséges, ha a mindent tudó gépek helyett csak korlátozott célra használható, egyszerűsített berendezést vásárolunk. A teljes körű gépi berendezés fő részei a következők: − áramforrás az AC hegesztéshez szükséges kiegészítőkkel, − pisztoly a kábel- és tömlőköteggel, − védőgázellátó rendszer, − hűtőrendszer, − vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer, − huzalelőtoló és előmelegítő rendszer (opcionális), − hegesztő készülék (elsősorban gépi hegesztéshez), − védőfelszerelés. Áramforrás és kiegészítői

A hegesztőberendezés legfontosabb egysége az áramforrás. A korszerű áramforrás egyenirányító, vagy inverter típusú, stabil vagy hordozható kivitelben. Az áramforrás egyenáramú (DC) és váltóáramú (AC) üzemre egyaránt alkalmas. A csak egyenáramú gépekkel alumínium és hasonlóan stabil oxidokkal borított felületű fémek és ötvözeteik nem hegeszthetők.

225


HEGESZTÉS

A hegesztőgépek eső statikus karakterisztikájú, ún. áramtartó áramforrások Minél meredekebb a statikus karakterisztika, annál stabilabb hegesztőív tartható fenn. A kézi ívhegesztéseknél óhatatlanul előforduló ívhosszváltozáskor ugyanis a hegesztőáram ilyen esetekben alig változik. A kézi hegesztésre szánt áramforrások 50 %-ot nem meghaladó bekapcsolási idővel készülnek. Gépi hegesztéshez célszerű 100 % bekapcsolási idejű gépet vásárolni. A hegesztőgépek áramtartománya 150 A alatti, 150 és 350 A közötti és 350 A feletti alcsoportokra osztható. A 350 A feletti gépeket csak ritkán alkalmazzák. Az áramtartomány alsó határa szokatlanul alacsony, mintegy 5 A-re tehető. A munkaponthoz tartozó feszültségintervallum Ar védőgáz esetén 10 és 30 V közé esik, a sok He-ot tartalmazó védőgázban ennek mintegy 1,5…2-szerese is lehet. Az Ih [A] hegesztő áramerősség és az Uív [V] ívfeszültség közötti összefüggés az ISO ajánlása szerint, Ar védőgázhoz:

U ív = 10 + 0, 04 ⋅ I h

(4.24)

Az áramforrások a hegesztő nagyobb kényelme és a kedvezőbb varratminőség elérése érdekében áramnövekedés és áramcsökkenés távszabályozóval, távolsági áramszabályozóval, sőt a legkorszerűbbek ezen kívül kisfrekvenciás (ún. lassú) impulzusegységgel és programegységgel is fel vannak szerelve.

A váltakozó áramú áramforrások kiegészítő egységei

A váltóáramú ívben az áramforrás eredetileg szabályos szinuszhullámmal leírható szekunder feszültsége eltorzul, mivel az ívgyulladási és ívfenntartási differenciák miatt a kedvezőbb adottságokkal bíró egyenes polaritású (DCEN) félperiódus időtartama a fordított polaritású (DCEP) félperiódus rovására megnövekszik. Az ívégési aszimmetria hatására az íváram úgy torzul el, hogy a közelítőleg trapézhullám középvonala felfelé tolódik, vagyis a váltakozó áramhullám egy egyenáramú komponensre szuperponálódik (4.28. ábra). i, A 200

100

DCEN 0

t, ms

DCEP -100

-200

4.28. ábra. Egyidejű vízszintes és függőleges szabályozás az egyenáramú komponens kiszűrésére (jellemző értékek: 3 ms, 21 ms, 180 A, 140 A) Mivel a stabil oxiddal borított könnyűfémek felülettisztítása a DCEP félperiódusban megy végbe, a fordított félperiódus lerövidülése a hegesztés sikerét veszélyeztetné, ezért nem meg-

226

HEGESZTÉS


tűrhető jelenség, ami ellen védekezni kell. A hatékony védelemnek a következő módjai ismeretesek: − az üresjárási feszültség 5…6-szoros megnövelése (balesetelhárítási szempontból nagyon kedvezőtlen), − nagyfrekvenciás áram szuperponálása a hegesztő áramra (rádió, televízió és telefonvételi zavarokat okozhat), − aszimmetrikus négyszöghullám alkalmazása. Mivel valamennyi módszer közül az utolsó a legkorszerűbb és a legperspektivikusabb, ezt a módszert egy konkrét példán keresztül ismertetjük. A vezérelt egyenirányítós (tiriszitoros) áramforrások esetében az egyes, téglalap alakú félhullámokat külön tirisztor szabályozza, ezért lehetőség van a DCEP félhullám idejének meghosszabbítására (vízszintes szabályozás), vagy a DCEP polaritáshoz tartozó áramerősség megnövelésére (függőleges szabályozás). A 4.28. ábra bemutatott módon arra is lehetőség van, hogy mindkét irányú szabályozást egyidejűleg alkalmazzák. A fordított polaritású félhullám idejének és/vagy áramerősségének beállítása a hegesztőgépen elhelyezett potenciométerekkel vagy programból oldható meg. Hegesztőpisztoly

Az SWI hegesztés szerszáma a hegesztő pisztoly (4.29. ábra). Feladata az ív létrehozásához, fenntartásához, szabályozásához és védelméhez szükséges alkatrészek befoglalása és a szükséges villamos, gáz-, illetve hűtővízáramlás biztosítása. A pisztolyokat a rajtuk átfolyó áramerősség folyamatosan hevíti, ezért hűtésükről gondoskodni kell. A 100 %-os bekapcsolási idő esetén mintegy 150-200 A-ig a védőgáz hűtőhatása kielégítő, ezen felül vízhűtés kötelező. (Azokban a ritka esetekben, amikor a hegesztőgép hőmérséklete 0 °C alá csökkenhet, víz helyett alacsony fagyáspontú hűtőfolyadékot kell használni). A bekapcsolási idő csökkenésével az adott áramhatár a nagyobb értékek felé tolódik el. A ma a kereskedelemben kapható legnagyobb pisztolyok 600 A-rel terhelhetők. A gépi pisztolyok lineáris kialakításúak, vagyis a W elhelyezése és a kábelcsatlakozás is tengelyirányú. A biztonságos megfogás a hengeres pisztolytesten könnyen megoldható.

4.29. ábra. SWI hegesztőpisztoly összeszerelt és szétszedett állapotban A bal oldali ábrán különféle, kerámiából készült gázfúvóka-kialakítások láthatók A kézi pisztolyok a kényelmes tartás és vezetés érdekében többnyire pisztoly alakúak, vagyis a W elektród és a markolattengely kb. 75°-os szöget zár be. Szűk helyekre rövidvolfrámos kialakítású pisztolyt, kis áramerősségekhez ceruzaként fogható lineáris típust is forgalmaznak. A szűk helyen végzett hegesztéshez és a kényelmes térbeli hozzáféréshez gömbcsuklós fejű, egy, vagy két forgástengely körül elfordítható kialakítású pisztolyokat gyártanak. A hegesztőpisztoly fontos eleme a gáz(terelő) fúvóka, amely a védőgáz irányítását és lamináris áramlását hivatott megvalósítani. Mivel a fúvókából kiáramló védőgáz sebessége a szokásos térfogatáramoknál nagyobb, mint a lamináris áramláshoz tartozó (a Reynolds számból

227


HEGESZTÉS

meghatározható) kritikus érték, a fúvóka optimális alakjának és méretének meghatározása komoly fejlesztőmunkát igényel. A vízhűtéses fúvókák anyaga Cr bevonatú réz, a gázhűtésű fúvókáké Al2O3 alapú kerámia. Az SWI hegesztéshez az utóbbi években a fúvókába elhelyezhető gázlencsét fejlesztettek ki. A gázlencse egy sárgarézből, vagy bronzból gyártott többrétegű szitaszövet, amely a kiáramló gázt párhuzamosítja, ezzel a W pisztolyból való kinyúlásának megengedett maximális méretét a gázlencse nélküli 3…5 mm-ről kb. 15…20 mm-re növeli meg. Nehéz hozzáférésű helyeken, például vastagfalú cső gyökvarratának készítésekor a hosszabb elektródkinyúlás a munkavégzést nagyon megkönnyíti. Tömlő- és kábelköteg

A hegesztő pisztolyt az áramforrással egy közös szigetelőburkolattal egybefogott vezetékés tömlőegyüttes köti össze. A tömlő- és kábelkötegnek nevezett egység a következő elemeket tartalmazza: − főáram kábel, − nagyfrekvenciás (NF) vezeték, − a pisztolykapcsoló (trigger) vezetéke, − távszabályzó vezeték(ek), − védőgáz tömlő, − hűtővíz pisztolyhoz tömlő, − hűtővíz pisztolytól tömlő. Az összekötő tömlő- és kábelköteg optimális hossza 3 m körül van, amely már kényelmes munkavégzést tesz lehetővé, ugyanakkor még elfogadható mértékű feszültségesést, védőgázés időveszteséget okoz. Ennél rövidebb kábelhossz csak gépesített hegesztésnél fordul elő, ahol a hosszúság akár fél m-re is csökkenhet. 4.4.2.3.5. Védőgázellátó rendszer

A védőgázellátó rendszer technikailag azonos a VFI-nél megismerttel, vagyis gáztároló edényből (tartály vagy palack), nyomáscsökkentőből, átfolyásmérőből és műanyagtömlőből áll. A megfelelő védelemhez szükséges védőgázmennyiség a védőgáz sűrűségétől és a pisztoly nagyságától függ. Átlagos pisztolyméretet feltételezve argonból 5…15 l/min, a levegőnél jóval könnyebb héliumból 20…50 l/min gázáramra van szükség. Hűtőrendszer

A folyamatosan nagy áramerősséggel üzemelő hegesztőpisztolyok túlmelegedését 1…2 l/min vízárammal el lehet hárítani. A lágyított vízzel üzemelő zártrendszerű hűtőkör 20…50 l-es víztartályból, szivattyúból, szűrőből, átfolyásmérőből és csővezetékekből áll. A vízellátás felügyeletét mágnesszelep (vízőr) biztosítja. A hűtőrendszer normális működését rendszeres karbantartással kell elősegíteni. Vezérlő, szabályzó, programozó és kijelző rendszer

A sokfunkciós hegesztő berendezést összetett elektronikus rendszer szolgálja ki. A rendszerhez tartoznak a kapcsolók, a távszabályzók, a választókapcsolók, a beállító gombok, a különféle kijelzők, figyelemfelhívó eszközök és a gáz-, illetve a vízfelügyelet. A W elektród védelme miatt a hegesztés indításakor és leállításakor a funkciók csak szigorú sorrendben kapcsolhatók.

228

HEGESZTÉS


Bekapcsoláskor a hűtőkör aktivizálása után a gázáramlást kell megindítani. Ekkor 10…20 s késleltetési idő biztosítja, hogy a több méter hosszúságú védőgáz tömlőből a levegő eltávozzon és az ív csak nemesgázban legyen meggyújtható. Az adott időtartamú öblítés után a nagyfrekvenciás áram és a főáram indítható. Kikapcsoláskor a sorrend fordított: a főáram és a NF kikapcsolása után ismét 10…20 s időnek kell eltelnie, hogy a forró elektródvég nemesgázban hűljön le és levegővel semmi esetre se érintkezhessen. A be- és kikapcsolási sorrendet az automatika biztosítja; a hegesztő a folyamatot a pisztolyon elhelyezett pisztolykapcsolóval (trigger) csak elindítja. A legmodernebb gépeket programozó és programtároló egység egészíti ki. Az on-line vagy off-line programozás és a WPS szerinti programválasztás növeli a rendszer rugalmasságát és egyszerűsíti a hegesztő beállítási tevékenységét. 4.4.2.3.6. W elektród

A W fémet mai ismereteink szerint a legkedvezőbb elektródanyagnak tekintjük, mivel magas olvadáspontja és kis elektronemissziós energiája erre a célra igen alkalmassá teszi (lásd még: világítótest izzószála, elektronágyú katódja). A W-ot magas olvadáspontja miatt hagyományos olvasztásos kohászati eljárással nem lehet kohósítani, ezért a (FeMn)W3-at tartalmazó volframit nevű ércéből porkohászati úton állítják elő. A W port kötőanyaggal keverik, majd alakra sajtolják és szinterizálják. A szinterrudakat melegen kovácsolják, melegen méretre húzzák és csúcsnélküli köszörüléssel finiselik. A W elektród különböző átmérőkben (0,5…6 mm) és hosszúságokban (50…600 mm) kerül forgalomba. Az ismertetett módon előállított W tisztasága legalább 99,9 %. Régi tapasztalat, hogy az idegen anyagot tartalmazó W elektronemissziós energiája csökken (5,2 eV-ról egészen 2,6 eV-ig). Az idegen anyagot tartalmazó W (fém-kerámia) kompozit, ezért a nem helytálló ötvözött W helyett helyesebb ezeket kompozit elektródnak nevezni. A kompozit elektródanyagok W mátrixban egyenletesen elkevert keramikus anyagot, mégpedig különböző fémoxidokat tartalmaznak. A leggyakoribb kombinációkat az EN ISO 6848:2005 alapján a 4.6. táblázatban foglaljuk össze.

4.6. táblázat. Különféle szabványosított kompozit elektródok jellemző adatai Jel WP WT4 WT10 WT20 WT30 WT40 WZ3 WZ8 WC20 WL10

Kerámia adalék – ThO2 ThO2 ThO2 ThO2 ThO2 ZrO2 ZrO2 CeO2 La2O3

A kerámia adalék koncentrációja – 0,35…0,55 0,80…1,20 1,70…2,20 2,80…3,20 3,80…4,20 0,15…0,50 0,70…0,90 1,80…2,20 0,90…1,20

Egyezményes színjelölés zöld kék sárga piros ibolya narancs barna fehér szürke fekete

Mivel a W-ThO2 kompozit radioaktív, köszörülésnél a finom por belégzése súlyos egészségkárosodást okozhat. A sugárveszély kiküszöbölése érdekében ThO2-ot nem tartalmazó elektród használatát javasoljuk.

229


HEGESZTÉS

Természetesen a kompozitban többféle oxidkerámia egyidejű jelenléte is lehetséges. Nagyon ígéretesnek látszik az a kombináció, amely a mátrixfémen kívül a következő fémoxidokat tartalmazza: 1,2 % CeO2+0,4 % Y2O3+0,4 % La2O3. A kompozit W elektródok nagyobb áramterhelhetőséggel, hosszabb élettartammal és jobb ívstabilitási tulajdonsággal jellemezhetők. Váltakozóáramú hegesztéshez a jó ívújragyújtási képességű W+ZrO2 kombináció szükséges. Normális körülmények között a W elektród átlagos fogyása 0,1 mm/min. Ha a W forró fémolvadékkal érintkezik, vele ötvözetet alkotván az olvadáspontja lecsökken és emissziós képessége leromlik. Az ilyen szennyezett elektród hegesztésre alkalmatlan, a szennyezett részt továbbfelhasználás előtt el kell távolítani. 4.4.2.3.7. Az SWI hegesztés technológiai jellegzetességei

Az SWI relatíve alacsony (5…50 A/mm2) áramsűrűsége miatt az ívkarakterisztika vízszintes-közeli szakaszán elhelyezkedő munkapontban üzemel. A hegesztés jellegzetesen egyparaméteres eljárás, ami azt jelenti, hogy a hegesztő az áramforráson található potenciométerrel kiválaszt egy statikus karakterisztikát és a munkapont két koordinátája (a hegesztő áramerősség és az ívfeszültség) elsődlegesen a védőgáznak és az ívhossznak, másodlagosan az elektródátmérőnek és az áramnemnek, illetve a polaritásnak megfelelően beáll egy adott értékre. Áramnem és polaritás

Az SWI hegesztést a legtöbb alapanyag (mindenféle acél, öntöttvas, réz- és nikkelötvözetek) esetében egyenárammal, egyenes polaritással (DCEN) végzik. Az alumíniumot, magnéziumot és ezek ötvözeteit váltakozóárammal (AC) kell hegeszteni. Az áramnembeni különbség azzal magyarázható, hogy a hegesztés számára ideális körülményeket a DCEN beállítás jelenti. A töltéshordozók közül az elektronok a kiváló emitternek számító, nagy hőmérsékletre hevült W elektródtól a tárgy felé, a pozitív ionok az elektród felé vándorolnak. A töltésáramlás következtében a hőforrás energiájának hozzávetőlegesen 70 %a az alapanyagot, 30 %-a az elektródot hevíti. Ennek hatására az alapanyagban keskeny, mély beolvadás jön létre (4.30. ábra), az elektród melegedése mérsékelt. u DCEN 0 DCEP

-

+

+

-

t

4.30. ábra. Az SWI DCEN és DCEP kapcsolásának jellegzetességei A DCEP beállításban a lehető legkedvezőtlenebb a helyzet, mivel az elektronemisszió a rosszabb emitternek számító, alacsonyabb hőmérsékletű alapanyagból történik. A fordított irányú töltésáramlás miatt a nagyobb hevítőhatás az elektródot, a kisebb az alapanyagot éri. 230

HEGESZTÉS


Következményként az elektród túlhevül, az alapanyag elégtelen melegedése miatt széles, sekély fürdő képződik. Az elektród túlterhelése olyan nagymértékű, hogy tartós hegesztés csak a DCEN polaritásra megengedett áramerősség negyedével-ötödével végezhető. Ezért a DCEP polaritást hegesztésre célszerűtlen és gazdaságtalan használni. Az alumínium és magnéziumötvözetek azonban egy vékony, tömör és kémiailag nagyon stabil, magas olvadáspontú oxidhártya borítja, ami a minőségi hegesztést lehetetlenné teszi. Az oxidréteg elbontása a DCEN polaritásban nem következik be, a DCEP során azonban a nagytömegű Ar ionok szétbombázzák az oxidhártyát és a felület szépen megtisztul. Az oxidhártya eltávolítása és az elfogadható varratalak, valamint a hegesztési teljesítmény biztosítása kompromisszumosa a váltakozóáramú (AC) hegesztéssel lehetséges. A váltakozóáramú SWI hegesztés során azonban az egyenáramú komponens megjelenésével kell számolni, amit a korszerű gépeknél a DCEP félperiódus időtartamának olyan lehetséges legkisebb mértékű megnövelésével lehet kompenzálni, ami az oxidot még megbízhatóan elbontja. Egyéb jellegzetességek

A semlegesvédőgázas, W elektródos kézi hegesztés hozzávetőlegesen 2…4 mm/s körüli sebesességgel végezhető. A lerakott varratkeresztmetszet a haladási sebesség, a pálcaátmérő, a pálcaadagolás és a keresztirányú ívelés függvénye. Egy hegesztő egy óra effektív ívidő (kb. 2 óra munkaidő) alatt 0,5…1 kg pálcát tud leolvasztani. 1 kg pálcából a nagyon minimális veszteségek miatt közel 1 kg hegömledékre lehet számítani. Az SWI jellegzetesen kétkezes hegesztés. A pisztolyt a jobb, a pálcát a bal kezében tartó (jobbkezes) hegesztő jobbra és balra egyaránt hegeszthet. A hegesztőpajzs a kezek foglaltsága miatt fejre erősíthető kivitelű. 4.4.2.3.8. Az SWI hegesztés legismertebb alváltozatai

Az SWI hegesztés sok módosulata közül a következők a legnépszerűbbek: − impulzushegesztés, − ívponthegesztés, − hideg- és meleghuzalos gépi hegesztés, − keskenyréshegesztés, − gépesített, orbitális csőkörvarrathegesztés, − hőcserélő csövek gépesített behegesztése a végfalba. A sokféle alváltozat közül a finomlemezes tartományban az impulzushegesztés kézi és gépesített változata alkalmazható legelőnyösebben, ezért a következőkben csak ennek vázlatos ismertetésére szorítkozunk. SWI (lassú) impulzushegesztés

Az impulzusíves hegesztés a hőbevitel szabályozhatóságának kiterjesztésével és azonos módon ismétlődő, ezért különösen a gépesített hegesztéseknél szép varratot eredményező megolvasztási-kristályosítási folyamatával az SWI hegesztés alkalmazási területét a finomlemez tartományra is kiterjeszti. A legkisebb hegeszthető vastagság acélok esetében 0,3 mm, alumínium- és rézötvözeteknél 0,5 mm. Az impulzusív a 4.31. ábrán látható módon egy kisértékű, az ívet még éppen fenntartó alapáram és egy nagyobb, erős ívet eredményező csúcsáram szabályos ismétlődéséből áll öszsze. Az Ics csúcsáram a tcs csúcsidő alatt egy jól beállítható hőimpulzussal egy előre meghatározott térfogat kívánatos mélységű megolvasztását hozza létre (olvasztó szakasz). Az Ia alap-

231


HEGESZTÉS

áramot a hozzá tartozó ta alapidővel együtt úgy kell megválasztani, hogy a hegesztendő tárgy hőelvonása nagyobb legyen a bevitt hőmennyiségnél (hűlési szakasz). Az impulzusáram frekvenciája:

f =

1 1 = tc ta + tcs

(4.25)

Az olvasztási és a hűlési folyamat 0,5…10 Hz közötti frekvenciával követi egymást. Ez a frekvencia jóval alacsonyabb a tervezett cseppátvitelű VFI hegesztésnél alkalmazott néhány száz Hz-es nagyságrendnél, mivel a célja nem a cseppleválasztáshoz köthető. Az alacsony frekvencia egyik nemkívánatos mellékhatása, hogy az ív lassan változó fényintenzitása emberi szemmel látható, ezért a hagyományos védőszűrővel ellátott fejpajzsot használó hegesztő szemének gyors fáradásához vezetne. A korszerű, rövid időállandójú, fényre sötétedő, LCD paneles pajzsokkal ezt a probléma kiküszöbölhető.

I

ti

ta

Ic

Ieff Ia

t

tc

4.31. ábra. Négyzetes áramimpulzusok lassú SWI impulzushegesztéshez Az impulzusáram effektív értéke (a 4.31. ábrán piros eredményvonallal jelölve):

I eff =

I a ⋅ ta + I cs ⋅ tcs tc

(4.26)

Az impulzusív stabilitása kedvezőbb, mint az Ieff-vel azonos nagyságú folytonos áramerősséggel végzett SWI ívhegesztés. Az impulzusvarrat kialakulása

Az SWI impulzusvarratának kialakulása az ellenállás-vonalhegesztés varratkialakulásának analógiájára megy végbe. Egy áramimpulzus alatt egy ll hosszúságú, bl szélességű térfogat megolvad (heglencse). Az alapidő során a hőelvonás kerül túlsúlyba és a heglencse megdermed. A beállított vh hegesztési sebességnél a pisztoly a ta alapidő alatt t1=vh⋅ta távolságot tesz meg, vagyis ez lesz a heglencsék közötti osztástávolság (4.32. ábra).

232

HEGESZTÉS

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK ll: lencsehossz lát: lencsék átlapolása tl: lencse osztástávolság

ll lát

tl

bl

vh

x

y

4.32. ábra. A heglencsék átlapolásával létrejövő impulzusvarrat Az impulzusfrekvencia növelésével a heglencsék távolsága csökken. A frekvencia optimuma 5 Hz körül van. A hegesztési sebesség helyes megválasztása esetén a varrat felületi képe nagyon szép, szabályos, a varratfelszín egyenletes. 4.4.2.4. Plazmaívhegesztés

A W elektródos ívhegesztések családjának legfiatalabb tagja, a plazmaívhegesztés (PI) 1958. óta ismert. A plazmaívhegesztés arra a fizikai felismerésre épül, hogy a villamos ív keresztmetszetének szűkítésével a gáz ionizációs mértéke növelhető. A gázok ionizált állapotban magas (10 000…40 000 °C) hőmérsékletűek, és a korlátozott keresztmetszet miatt a plazmaív nagy hőáramsűrűséggel bíró hőforrásként hegesztéshez kiválóan alkalmazható. A plazmaívhegesztés angol elnevezése: Plasma Arc Welding, elfogadott rövidítése: PAW. Az eljárás ISO számjele 15. A berendezés bonyolultsága és különösen a pisztoly élettartam-problémái miatt a plazmaívhegesztés elterjedtsége messze elmarad az SWI eljárásokétól, a plazmaív vágási célokra jóval szélesebb körben nyer alkalmazást. 4.4.2.4.1. A plazmaívhegesztés hőforrása és varratképzése

A PI olyan hegesztő eljárás, amelyben az egyesítendő fémeket egy nemolvadó W elektród és az alapanyagok között létesített és egy gyűrű alakú fúvókával szűkített plazmaívvel hevítjük. A közvetlen íves eljárás működésének egyszerűsített vázlata a 4.33. ábrán látható.

DCEN DCEN

Közvetlen ív

Közvetett ív

4.33. ábra. A közvetlen és közvetett íves plazmaívhegesztés vázlata

233


HEGESZTÉS

A hegesztéshez pálca vagy huzal hozaganyagot használnak, de a hegesztés hozaganyag nélkül is végezhető (autogén hegesztés). A W elektród és egy segédelektród között nagyfrekvenciás árammal a belső fúvókán áramoltatott plazmagázt ionizálják. A részlegesen ionizált gáztérben a W elektród és az alapanyag között az ív meggyullad, áthalad a szűkítő fúvókán, és koncentráltsága, ionizációs mértéke és hőáramsűrűsége megnövekszik. A plazmaív kis keresztmetszetű, az SWI ívtől eltérően nem széttartó, jól irányítható hőforrás. A plazmaívet a külső fúvókán áramoltatott, inert, vagy enyhén redukáló védőgázzal védik a levegőtől. A közvetett íves változatnál az ívet a W elektród és a szűkítő fúvóka között a pisztolyon 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 változatot termikus szórásra vagy nemfémek hevítésére használják. A közvetlen íves PI varratképzésére a hagyományos, hővezetés determinálta varratképzés és az alapanyagon áthatoló íves változat a jellemző. A hővezetés determinálta, nem áthatoló íves (melt-in) varratképzés megegyezik az SWI eljárásokéval. Ekkor a munkadarab megolvadása csészealakban a plazmaív alatt következik be, a beolvadási mélység kisebb, mint a lemezvastagság (4.34. ábra). A nem áthatoló ívet finomlemezek (s≤3 mm), gyökvarratok és sarokvarratok hegesztéséhez lehet alkalmazni. A szokásos áramerősség felső határa 100 A. Plazmageneráló-gáz

Védőgáz

Hűtővíz

W elektród

Védőgázfúvóka

Szűkítőfúvóka

DCEN Védőgázburok

Varrat

Hegfürdő

vh

Plazmaív

Pálca

Alapanyag

4.34. ábra. A plazmaíves hegesztés áthatoló íves varratképzése (kulcslyuktechnika) Az átmenő íves (keyhole) varratképzésnél a plazmaív áthatol a hegesztendő darabokon, mintegy átszúrja azokat. A plazmasugár áthatolási helye a kulcslyuk, amely a hőforrás elhaladtával a folyadék felületi feszültsége miatt megszűnik és normális varrat alakul ki. Az átmenő ívet vastagabb darabok hegesztéséhez alkalmazzák. Feltétel, hogy a plazmasugár szabadon áthatolhasson a munkadarabokon, azaz a varrathely alatt nem lehet semmilyen szilárd test. A plazmaív áramerőssége ilyen esetekben mindig meghaladja a 100 A-t.

234

HEGESZTÉS


4.4.2.4.2. Az eljárás előnyei és korlátai

A plazmaívhegesztés előnyeit és hátrányait az SWI eljáráshoz hasonlítva érthetjük meg leginkább. Az összehasonlításhoz vegyük alapul az átvitt- és áthatoló íves alapváltozatot. Az eljárás fő előnyei a következők: − a munkadarab - pisztoly távolság a nagy hosszúságon is párhuzamos plazmaív miatt tág határok között mozoghat, ami a hegfürdő jobb megfigyelhetőségét és jobb hozzáférést tesz lehetővé. − a W elektród forró csúcsa a felfröccsenő szennyeződésektől és a véletlen érintkezésektől védetten, a pisztoly belsejében helyezkedik el. − a nagy hőáramsűrűség lehetővé teszi az áthatoló íves varratképzést, ami vastagabb lemezek vagy csövek gyökhibamentes egyrétegű hegesztését teszi lehetővé és csökkenti a lemezleélezési és hozaganyag költségeket. − a nagy hőáramú, koncentrált hőforrás lehetővé teszi a hegesztési sebesség növelését, ami a termelékenység növelése mellett keskenyebb hőhatásövezetet eredményez. − a beolvadási alak kedvezőbb, mint az SWI-nél, mivel a beolvadás mélyebb és keskenyebb, a hozaganyagigény kisebb. Az eljárás alacsony népszerűsége arra enged következtetni, hogy a PIH-t a felsorolt előnyökkel 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. 4.4.2.4.3. Az eljárás alkalmazási területei

Az alapanyagok tekintetében nincsenek jelentősebb hegeszthetőségi korlátok, inkább a gazdaságosság dönti el, hogy milyen anyagok indokolnak plazmaívhegesztést. Az elsődleges fontosságú korrózióálló acélokon kívül ötvözetlen és ötvözött szerkezeti acélok, szerszámacélok, alumínium-, titán-, nikkel-, réz-, cirkónium-, volfrám- és tantálötvözetek hegesztése megoldottnak tekinthető. A széles palettából azokat az anyagokat érdemes kiemelni, amelyek ugyan hegeszthetők, de az ipari gyakorlat esetükben inkább a többi eljárást preferálja. Ezek: egyes bronzok, öntöttvasak, magnéziumötvözetek és az alacsony olvadáspontú anyagok (ón, ólom, cink). A lehetséges falvastagságok az anyagminőség függvényében a századmillimétertől az egy lépésben meghegesztett 12 mm-es I varratig terjednek. Vastagabb lemezek többrétegű hegesztéssel, leélezéssel korlátlanul hegeszthetők. A munkadarab-geometria tekintetében a szalagból hajlított csövek hosszvarrat hegesztését lehet kiemelni, de az eljárás tartályok kör- és hosszvarrataihoz és egyéb gyártmányok esetében is jól alkalmazható. Az eljárás megbízhatóságát jellemzi, hogy az amerikai űrrepülőgépek nagyméretű hengeres, külső üzemanyagtartályait is plazmaíves hegesztéssel hegesztették. A plazmaívhegesztés minden hegesztési helyzetben jól alkalmazható. A plazmaívhegesztés jellegzetes alkalmazási területei: repülőgépgyártás, sugárhajtóművek, űreszközök, csövek, precíziós alkatrészek. 4.4.2.4.4. A PI eljárás gépi berendezése

A plazmaívhegesztő berendezés a következő fő egységekből áll: − áramforrás, − plazmapisztoly az összekötő kábelköteggel, 235


HEGESZTÉS

− 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 eltérnek az SWI-nél megismertektől. Áramforrás

Az áramforrás többnyire egyenáramú, egyenirányítós vagy inverteres kivitelben, de AC/DC áramforrások is beszerezhetők. Az áramforrás statikus karakterisztikája az SWI-hez hasonlóan eső jellegű. Szűkített ív létrehozásához és fenntartásához a szabadon égő ívnél nagyobb feszültség szükséges (lásd a 4.36. ). Az üresjárási feszültség felső határa 80 V, a bekapcsolási idő kézi hegesztéshez 60 %, gépi hegesztéshez 100 %. A legnagyobb teljesítményű gépek maximálisan 500 A áramerősséget biztosítanak. A legkorszerűbb gépek az áramnövekedés és csökkenés sebességének előválasztására, távszabályozásra és impulzusüzemre is képesek. Ez utóbbi esetben az egygombos beállítású (ún. szinergikus) belső program teszi egyszerűbbé az impulzusparaméterek összehangolt beállítását. Plazmapisztoly

A plazmaívhegesztés szerszáma, a pisztoly kézi és gépesített hegesztéshez különböző kialakításban kapható. Az átlagos kézi plazmapisztoly külsőre nagyon hasonlít az SWI pisztolyra, de annál bonyolultabb szerkezetű. Egy tipikus átvitt íves plazmapisztoly metszeti képét a 4.35. ábrán tanulmányozhatjuk. W elektród

Markolat

Védőgázfúvóka Szűkítőfúvóka

4.35. ábra. A plazmapisztoly fő részei és szerkezeti megoldása

236

HEGESZTÉS


A DCEN kapcsolású W elektródot patron fogja be és tartja koncentrikus helyzetben. Az egytengelyűség mellett nagyon fontos az elektród végének és a szűkítő fúvókának a tengelyirányú távolsága. Mivel a W elektród csúcsa minden esetben a pisztolyon belül található, szennyeződésének veszélye jóval kisebb, mint SWI hegesztés esetén. A szűkítő fúvóka speciális rézötvözetből készül, kritikus fontosságú felület-érdességgel, furatkiképzéssel és méretekkel. A védőgáz fúvóka anyaga alumíniumoxid bázisú kerámia. A plazmapisztoly mindig vízhűtésű, mivel a pisztolyon belül jelentős hő fejlődik. A vízhűtés megbízhatósága kritikus, mivel a generálódó hő a vízhűtés kimaradása vagy egyéb zavara esetén megolvaszthatja a drága alkatrészeket. A pisztoly és a hegesztőberendezés közötti kapcsolatot biztosító tömlő- és kábelköteg ugyanazokat az elemeket tartalmazza, mint azt az SWI eljárásnál megismertük. A PIH pisztoly tömlő- és kábelkötegéből a nagyfrekvenciás vezeték és a hűtővíztömlők sohasem hiányozhatnak. Védőgázellátó rendszer

A PIH generáló gáza minden esetben Ar, a védőgáz Ar, He, vagy Ar-H2, He-Ar keverék. A levegőnél nehezebb Ar jobb védelmet biztosít, és kisebb gázmennyiséget igényel, a hidrogént tartalmazó keverékek a plazmasugár koncentráltságára kedvező hatással vannak. A He tartalmú védőgáz a varratot szélesíti, a H2 keskenyebbé teszi, az utóbbinál a varratfelület is tisztább. Mindkét gáz szeparált rendszerből származik, külön nyomáscsökkentővel, beállító szeleppel és átfolyásmérővel. A palackos gázellátásnál a tartályos sokkal gazdaságosabb, de a hordozhatóságot korlátozza. A generáló gázból a pisztolymérettől függően 0,5…1 l/min, a védőgázból 5…15 l/min térfogatáram szükséges. A PI berendezés további elemei

A 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 ívgyújtás nem lehetséges. A plazmaív indítására segédívet (pilot arc) kell létrehozni, amelyet NF egységgel létesítenek, majd külön áramforrásról táplálnak. A segédív beindulása után egy 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 szabályozott idejű gázáramlást kell biztosítani. A szabályozó egység felügyeli a kétféle gáz és a hűtővíz áramlását és a pisztoly túlhevülés elleni védelmét. Gépesített, hideghuzalos plazmaívhegesztéshez állandó sebességű huzalelőtoló egységet alkalmaznak. A szokásos huzalelőtolási sebességintervallum 0,25…4 m/min. 4.4.2.4.5. Elektródanyag

Az egyenáramról táplált plazmaív legkedvezőbb elektródanyaga a 2 % ThO2 tartalmú kompozit volfrám. A W átmérőjét az alkalmazott legnagyobb áramerősség függvényében választják meg. Az új típusú (ritkaföldfém-oxidos) elektródanyagoknak csak a mikroplazmahegesztéskor van a nagyobb árral arányos előnye.

237


HEGESZTÉS

A W csúcsát szigorú szimmetriakövetelménnyel kúposra köszörülik. Csak készülékben végzett köszörülés lehetséges. A teljes kúpszög 30 és 60 °közé esik, úgy, hogy nagyobb áramhoz nagyobb kúpszög tartozik. 4.4.2.4.6. Hozaganyag

A kis áramerősségű alkalmazásoknál hozaganyagot nem használnak, a további esetekben a pálca és huzalanyag az alapanyaggal egyező összetételű lehet. A hozaganyag átmérője az alapanyag falvastagságával és a hegesztő áramerősséggel arányosan növekszik. 4.4.2.4.7. Teljesítmény

A plazmaíves hegesztés hozaganyag-leolvasztási teljesítménye nagyobb, mint a konkurens SWI eljárásé. Az eljárás nagy előnye, hogy nagysebességű hegesztést tesz lehetővé, ami olyan esetekben, mint a nagy tételben gyártott korrózióálló acélcsövek hosszvarratainak egylépesben való hegesztése, igen nagy előny. 4.4.2.4.8. A plazmaívhegesztés eljárásváltozatai

A PIH alváltozatai közül a legfontosabbaknak tekinthetők a mikroplazma-hegesztés (I<30 A), impulzusíves hegesztés és a plazma-MIG hegesztés. A mechatronika területén a mikroplazmahegesztésnek sok potenciális alkalmazási lehetősége van, ezért csak ennek a rövid ismertetésére szorítkozunk. A további alváltozatokra vonatkozó ismeretanyag az ajánlott szakirodalomban megtalálható. Mikroplazma-hegesztés

Ellentétben az SWI szabadon égő ívével, a szűkített plazmaív szokatlanul kis áramerősségeknél (1…30 A) is stabil. A meglepő jelenség magyarázata a 4.36. ábrán bemutatott plazmaív karakterisztika, ami a nagyon kis áramerősségeknél a szabadívek Ayrton szakaszától eltérően csak kis emelkedésű, ezért a megfelelő esésű áramforrás-karakterisztikával stabil ívet eredményez. U V

szűkített ív

PIH

ő ív szabadon ég

SWI

I, A

4.36. ábra. A szűkített ív (PIH) statikus jelleggörbéje a szabadon égő ívhez (SWI) képest A mikroplazmahegesztést kis hőáramokkal végezve a fóliatartomány hegesztésére nyújt lehetőséget: ipari példák vannak a 0,01…1 mm vastagságú anyagok (acélok és Al, Cu, Zr, Ti, Ni Co alapú ötvözetek) sikeres hegesztésére. A varratképzési technika a hővezetés szabályozású, a hagyományos (az SWI-re jellemző) módra jellemző. A mikroplamahegesztés hozaganyag nélkül, hézag nélkül illesztett felületekkel, szimmetrikus vagy aszimmetrikus élperem-

238

HEGESZTÉS


varratokkal végezhető. A mikroplazmahegesztés ívpont változata az ellenállásponthegesztés kiváltására jól használható minden olyan helyen, ahol a hozzáférés problémás. Néhány alkalmazási példa: − elektronikai készülékek vázai, szenzorok, jeladók, mikrokapcsolók, − acélcsövek hossz- és körvarratai, csőkompenzátorok, − orvosi inplantátumok (pl. pészmékerek), − hermetikusan záró mikrotárolók, − nagy megbízhatóságot igénylő nukleáris, repülési és űrtechnikai készülékek. 4.4.3. Sugárhegesztő eljárások

A sugárhegesztések a ma ismert legfiatalabb hegesztő eljárások, kifejlesztésük a múlt század ötvenes és hatvanas éveire tehető. A sugárhegesztések az ívhegesztésektől jelentősen eltérnek, mivel jól párhuzamosítható és fókuszálható hőforrásuk kis hőfoltátmérőre koncentrálható, ezáltal bennük nagy hőáramsűrűség hozható létre. A szokatlanul nagy (10 kW/mm2-et is meghaladó) hőáramsűrűség olyan speciálisan gyors varratképzési módot tesz lehetővé, amelyet a hegesztendő alapanyag hővezetőképessége alig befolyásol. Ilyen varratképzés mellett a beolvadási mélység a varratszélességhez mérten nagyon megnövekszik, a varratalak az ívhegesztésnél megszokotthoz viszonyítva nagyon eltérő lesz. A sugárhegesztések drága, nagy szakértelmet igénylő, bonyolult berendezéssel csak speciális feladatok megoldására alkalmasak. A hegesztett tárgyak kis, vagy közepes méretűek és tömegűek lehetnek. A sugárhegesztések részaránya jelenleg az ömlesztőhegesztéseken belül az 1 %-ot sem éri el, ennek az aránynak a jelentős növekedése a jövőben sem várható. 4.4.3.1. Lézersugárhegesztés

A lézersugárhegesztés, rövidítve LSH (angol nevén Laser Beam Welding, LBW, németül Laserstrahlschweissen) az ömlesztő hegesztések nagy hőáramsűrűségű, gázvédelmű csoportjához tartozik, amelynek hőforrása monokromatikus, koherens fénysugárnyaláb. Az eljárás egyezményes ISO számjele 521 (szilárdtest lézerforrással) és 522 (gáz lézerforrással). A lézersugárhegesztés eredeti változatát, az impulzus mikrolézerhegesztést a rendelkezésre álló lézerberendezés (hőforrás) kis teljesítménye miatt kezdetben (az 1960-as és 70-es években) a mm alatti anyagvastagságoknál, főleg mikroelektronikai célokra alkalmazták, pl. lábak és érintkezők forrasztást helyettesítő összehegesztésére. A nyolcvanas évektől állnak rendelkezésre azok a nagyobb teljesítményű (Nd:YAG és CO2 lézerforrások) amelyek néhány száz W-os impulzus, vagy néhány kW-os folyamatos teljesítménnyel már alkalmasak voltak mm-es nagyságrendű beolvadási mélységek elérésére (hozzávetőlegesen 1 mm beolvadási mélység eléréshez 1 kW lézerteljesítmény szükséges). A lézersugárhegesztés a villamos ívnél kényelmesebb, nagyon jól szabályozható, az ideálist megközelítő tulajdonságú hőforrással precíz, kiváló minőségű hegesztett kötések elkészítésére ad lehetőséget. A lézerhegesztett kötés a nagyvákuumos elektronsugárhegesztéssel készítettel azonos értékű, de vákuum nélkül atmoszférikus nyomáson végezhető. A lézersugárhegesztés további terjedésének egyelőre technikai korlátai vannak, mivel az igazán nagy teljesítményű (10 kW feletti) ipari használatra szánt lézerforrások ma még nem elég kiforrottak, nagy méretűek, kritikus alkatrészeik rövid élettartamúak és rendkívül drágák. A lézersugárhegesztés blokkvázlatát a 4.37. ábrán mutatjuk be. A LSH-hez külső gázvédelemre van szükség. A szokásos védőgázok Ar, He vagy ezek keveréke. A védőgázt a lézersugár nyalábbal egytengelyűen vezetik a hegesztés helyére. Indokolt esetben a kész varratot külön kell védeni, mert a gyorsan elhaladó hegesztőfej védőhatása

239


HEGESZTÉS

a nagy hőmérsékletű varratra már nem érvényesül. A mechatronika területén perspektívikus nagyon rövid impulzusidejű mikroponthegesztést védőgáz nélkül is lehet végezni, mivel a néhány ms-os fürdő létidő alatt a levegő káros hatásai nem érvényesülnek. A hegesztési folyamatban salak csak akkor keletkezik, ha valamilyen okból a hegesztéshez portöltetű hozaganyagot használnak. A LSH alapváltozatát szoros illesztéssel, hozaganyag nélkül végzik. Az eljárás előnyei a hozaganyagmentes (autogén) esetben érvényesülnek kellőképpen, de ha szükséges, az SWI-hez hasonlóan (hideg) huzal hozaganyaggal hagyományos varratok is készíthetők vele. Villamos tápegység

Lézersugár generátor

Lézersugár

Tükör

Fókuszáló optika

Munkadarab

4.37. ábra. A lézersugárhegesztő berendezés blokkvázlata A makroméretű lézersugárhegesztést számjegyvezérléses automatákkal végzik, csaknem kizárólagosan álló hőforrás és alatta 2D koordinátaasztalon mozgatott, vagy forgatott munkadarabbal. Az alkalmazási lehetőségek kiterjesztése végett jelenleg nemzetközi együttműködéssel kísérletek folynak kézi hegesztésre lehetőséget adó száloptikás mikro-hegesztőfejek kifejlesztésére. 4.4.3.1.1. Az eljárás fizikai háttere

A lézersugárhegesztés két lényeges fizikai felfedezésen alapszik: a lézerfény előállításán és a hegesztés helyére való vezetésének megoldásán. A lézersugár és előállítása

A lézer (laser) betűszó az angol Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation kifejezés kezdőbetűiből származik, ami magyarul gerjesztett emisszióval létrehozott fényerősítést jelent. Townesnak a lézersugárra vonatkozó 1951-es ötletét mesterséges rubinkristály segítségével egy kaliforniai repülőkísérleti intézetben 1960-ban sikerült megvalósítani (Maiman). 1961ben He és Ne keverékével gerjesztettek koherens fényt, míg a CO2 lézer előállítására 1964-ig kellett várni (Bell Laboratories, USA). A lézersugár történeti áttekintéséből kiderül, hogy ma szilárdtest (rubint, Nd:YAG, Nd:üveg), folyadék (rhodamine-6G, cyanine-22, tetracyanine) és gázlézerek (excimer, HeNe, Ar, Kr, CO2) léteznek, amelyek fotonkibocsátása impulzusszerű, vagy folytonos lehet. Az excimer lézerek nemesgázok (Ar, Kr, Xe) és halogenidek (Cl, Br) keverékével működnek. A lézersugár koherens (azonos fázisban levő) és monokromatikus (egyhullámhosszú, egyszínű), ezen tulajdonságai révén a sugárnyaláb divergenciája kiküszöbölhető és a nyaláb kis-

240

HEGESZTÉS


átmérőjű foltba koncentrálható, ami által nagy hőáramsűrűség (q=(104…106) W/mm2) érhető el. A monokromatikusságot statisztikusan kell érteni, azaz a hullámhosszak egy középérték körül igen kis szórású eloszlást követnek. A három vegyértékű króm Cr2O3 képletű oxidjával szennyezett rubin (Al2O3), a Nd:üveg és a Nd:YAG (Yttrium Aluminium Garnet) lézerek lézeraktív eleme szilárd fázisú. Az előbbi kettő impulzusüzemben, az utolsóként említett impulzus- és folytonos üzemmódban képes működni. Mindhárom lézerforrás a 10…1000 W teljesítménytartományban üzemel, ezért fóliák és apró alkatrészek mikrolézer-hegesztésére alkalmasak. A Nd:YAG lézer hullámhossza 1060 nm, pontosan tizede a CO2 gázlézernek. Az ívhegesztésekhez vagy az elektronsugárhegesztéshez hasonló mély beolvadású hegesztés 1 kW teljesítmény felett lehetséges. Ebben a teljesítménytartományban (1…25 [csúcsként 75] kW) a folyamatos hullámkibocsátású CO2 gázlézerek találhatók, ezért hagyományos hegesztési feladatok ellátására csak ezek a lézerforrások képesek. A gázlézer CO2, N és He gázok keverékével működik. Nagyfrekvenciás villamos ívkisülés energiájának felhasználásával az áramló gázkeverék (tartalma: molekula, atom ion) lézeraktív CO2 molekuláit a nitrogén gerjesztésével közvetve gerjesztik, amelyek a stabil energiaszintre visszatérve fotonokat bocsátanak ki. A fotonokat a cső két végén elhelyezett speciális (egy teljesen záró és egy 95 %-ban záró, 5 %-ban áteresztő) tükrök segítségével a csőben alternáló mozgásra késztetik, ami a gerjesztéses láncreakciót fenntartja. A kellő energiaszint elérésekor az egyik tükör átereszti a lézersugarakat amelyeket optikai rendszerrel a hegesztési helyre vezetnek és ott a tárgy felületére összpontosítanak. A CO2 lézerfény hullámhossza 10 600 nm, ami a látható fénynél (390…750 nm) jóval hosszabb (far infrared tartomány), ezért a kezelő személyzet számára szabad szemmel nem érzékelhető. A maximum 1 kW teljesítményű, axiális gázáramlású CO2 lézer impulzusüzemben is képes működni, ekkor teljesítménye értelemszerűen kisebb. A gázt az optikai rezonátor körül keringető transzverzális lézerek a legnagyobb teljesítmény elérésére képesek, ezért makroméretű varratok hegesztésekre főként csak ezek a berendezések alkalmasak. A nagy teljesítmény elérésének és a folyamatos energiasugárzás fenntartásának akadálya a lézergenerátor túlhevülése, amit nagyon intenzív hűtéssel lehet csak kivédeni. A gázkeverék legnagyobb koncentrációjú (75 %) He gáza valamennyi ismert ipari gáz közül a legnagyobb hővezetőképességgel rendelkezik, ezért erre a célra kiválóan megfelel. A lézersugárnyaláb vezetése

A lézer elektromágneses sugár, fénytermészete miatt optikai eszközökkel (tükör és lencse) jól irányítható. Hegesztéskor a lézerforrás sugárnyalábját a munkadarabhoz kell vezetni. A lézerútvonal megválasztásakor tekintettel kell lenni a lézersugárnyaláb széttartására (divergencia), ami szerencsére mindössze néhány mrad. (pl. CO2 lézer: tipikusan 3 mrad, Nd:YAG lézer: 20 mrad). A legegyszerűbb esetben egy-két speciális tükör vagy lencse elégséges erre a feladatra, de bonyolultabb esetekben összetett optikai rendszer szükséges a hegesztési hely eléréséhez. A tükrök és lencsék átmérőjét úgy választják meg, hogy a sugárnyaláb mindig a belső kétharmad átmérőn haladjon át, ahol az optikai eszközök pontossága a legjobb. A divergenciát is figyelembe véve ez a távolsággal arányosan egyre nagyobb átmérőt jelent. A tükrök bevonatát a lézersugár használat közben felhevíti, ezért a tükröket teljesítményre és élettartamra méretezik. A porszennyezés, de különösen a hegesztés közben keletkező fémgőzök és az esetleges fröcskölés idő előtt tönkre teheti az optikai eszközöket. A nagyteljesítményű lézereket a kezelőszemélyzet védelme és a szennyeződés megakadályozása érdekében zárt csőben vezetik. A csőben gyakran tiszta, száraz levegőt vagy nitrogént 241


HEGESZTÉS

keringetnek, nehogy a szennyezett közeg a sugárnyalábot gyengítse, és/vagy divergenciáját növelje. A sugárnyaláb vezetésének modern és kényelmes eszköze a száloptika. Ezen a téren a teljesítmény növelése érdekében jelenleg is komoly fejlesztőmunka folyik. 4.4.3.1.2. A lézersugárhegesztés előnyei és korlátai

Az ismert hegesztő eljárások legfiatalabbikára, az alig félszázados fizikai találmányon alapuló lézersugárhegesztésre főleg alkalmazástechnikai jellegű előnyök és a berendezéssel öszszefüggő technikai és gazdasági természetű hátrányok a jellemzőek. Előnyök

− jól koncentrálható, irányítható és szabályozható, tehetetlenségmentesen indítható, gyorsítható és kikapcsolható, kémiailag tiszta, a ma ismert legnagyobb hőáramsűrűségű hőforrás, nagy sebességű hegesztési eljárás, − légköri nyomáson végezhető, vákuumkamrát nem igényel, a konkurens elektronsugárhegesztésnél olcsóbb és azonos minőséget garantál, − a rendkívüli gyorsaságú hegesztési folyamat miatt nehezen hegeszthető anyagok és anyagpárok is hegeszthetők, − nem igényel sem nemolvadó elektródot sem hozaganyagot, bár az utóbbi használata lehetséges, − alacsony hőnergiaveszteséggel keskeny, pontos, jó minőségű varrat állítható elő, nagyon keskeny hőhatásövezettel, és kismértékű deformációval, emberi tényezőktől függetlenül, Korlátok és hátrányok

− a berendezés helyhez kötött és nagyméretű, a villamos energiát 2…15 % hatásfokkal alakítja át lézerfénnyé, intenzív hűtést és sok hűtővizet igényel, − a berendezés ára mintegy tízszerese az ívhegesztő berendezésekének, − nagyon precíz varratelőkészítésre van szükség, mivel az átlagos hőfoltátmérő 100 és 1000 μm tartományba esik, − a beolvadási mélység kisebb, mint a konkurens elektronsugár-hegesztésé, − a szokatlanul nagy hevítési és hűlési sebességek hegeszthetőségi problémákhoz vezethetnek, − hozzáférési gondok összetett gyártmányoknál és varratképzéssel összefüggő mozgatási problémák nagyméretű, nehéz konstrukcióknál. 4.4.3.1.3. A lézersugárhegesztés varratképzési mechanizmusa

A lézersugár és a tárgy találkozása az elektromágneses fényenergia egy részének hőenergiává alakulását teszi lehetővé. Sajnálatos módon a lézersugár nagy része a felületről visszaverődik és kárba vész, ezért a lézersugárhegesztés energiahasznosítási hatásfoka külön intézkedések foganatosítása nélkül mindössze csak néhány százalékra (pl. a lézeraktív Nd:YAG rudat lámpákkal gerjesztő típus esetében 4 %-ra) tehető. A reflektált energia egy adott anyagféleségnél annál nagyobb, minél simább és fényesebb a felület. Ha tehát a tárgy felületét mesterségesen eldurvítják és mattsötétre színezik, a reflexiós veszteség csökkenthető. A tárgyba hatoló energiahányad még az abszorpció számára kedvező körülmények elősegítésével is csak mintegy 25 %-ig növelhető. A lézersugárral végzett hegesztéskor a hegvarrat kétféle mechanizmus segítségével hozható létre (4.38. ). Hővezetés szabályozta varratképzés

242

HEGESZTÉS


A kisebb hőáramsűrűségű (conduction-mode welding) hegesztéseknél a lézersugár megolvasztja az alapanyag egy meghatározott tömegét. Hasonlóan az ívhegesztésekhez, a hegfürdő méreteit és alakját a hővezetés határozza meg. Pl. a jó hővezető Al esetében ugyanakkora hőbevitel keskenyebb és sekélyebb hegfürdőt képez, mint a rosszabb hővezető acélok esetében, ugyanakkor a hőmérsékletgradiens nagyobb lesz. Hővezetés típusú varratképződés

Mélybeolvadású varratképződés

Hővezetés a munkadarabba Mélybeolvadású varrat

Lézersugár fémgőzburokkal

y

Olvadék x

z

4.38. ábra. A lézersugárhegesztés varratának kialakulási lehetőségei A hőforrás a folyadéktömeg felületét melegíti. A hővezetés szabályozó hatása úgy érvényesül, hogy a hegfürdő mélyülése (az alapanyagba való beolvadás mélysége) a folyadék hővezetőképességével arányosan következik be. Mivel a hegfürdő különböző helyein a hőmérséklet eltérő, és a folyadékra a lézersugár elektromágneses nyomása is hat, a folyadék a fürdőn belül áramlik, keveredik. Az alapanyag megolvadását ezért a a hővezetőképességen túl a fémolvadék felületi feszültsége, a kinematikai viszkozitása és a diffúzivitása is befolyásolja, de a varratképzés szempontjából mégis a hővezetőképesség a legfontosabb tényező. A hővezetőképesség szabályozta varratok mérete és alakja az ívhegesztéseknél megszokotthoz hasonló. Mély beolvadású varratképzés

A mély beolvadású (deep penetration-mode welding) hegesztést a plazmaívhegesztésre és az elektronsugárhegesztésre emlékeztető kulcslyuk képződés jellemzi. A kulcslyuk alakú üreg úgy alakul ki, hogy a nagy hőáramsűrűségű plazmasugár a hőfoltnak megfelelő átmérőben megolvasztja és elpárologtatja a fémet, ennek hatására egy függőleges, közel azonos átmérőjű csatorna alakul ki, amit folyadék vesz körül. A folyadékot a fémgőz nyomása tartja távol az üreg középvonalától. A hőforrás tovahaladtával a gőzcsatorna is új helyre kerül, mögötte pedig a folyadék összezárul és a szokásos hegfürdő alakul ki. A kulcslyuk nagyon mély és igen keskeny beolvadást tesz lehetővé, vagyis nagyon lecsökkenti a varrat belső formatényezőjét. A kulcslyuk minimalizálja a fényreflexiós problémát és fekete testként nyeli el a sugárnyaláb energiáját, amit aztán a környező fémbe sugároz. A lé-

243


HEGESZTÉS

zersugár anyagba hatolását az ionizálódó fémgőzök és ionizálódó védőgázatomok gátolják, amin úgy lehet segíteni, hogy a védőgázt nem a lézersugárral koncentrikusan, hanem a hegesztendő tárgy felülete mentén áramoltatják. 4.4.3.1.4. A lézersugárhegesztés technológiai jellegzetességei

Az ívhegesztésekhez hasonlóan a lézersugárhegesztés is rendelkezik néhány olyan elsőrendű paramétererrel, amelyek nagymértékben befolyásolják a hegesztés menetét és a létrehozott varrat méreteit, tulajdonságait és minőségi jellemzőit. A lézersugár átmérője

A lézersugár átmérője vagy beesési hőfoltja a hőáramsűrűség sugár menti Gauss görbe szerinti eloszlása miatt nehezen definiálható. Egy szokásos értelmezés szerint a lézersugár egyezményes dh átmérője ott van, ahol a középvonalon mérhető q0 hőáamsűrűség az 1/e2 részére csökken. Ekkor a teljes hőáram több mint 86 %-a a dh átmérőn belül halad: A lézersugár átmérőjének mérésére többféle kereskedelmi készülék kapható. A lézersugár fókuszálási paraméterei: fókusztávolság, fókuszált átmérő és a fókuszálási mélység

Az 1 és 10 mm közötti átmérőtartományba eső lézersugárnyalábot a lézerforrástól a hegesztési hely közelébe vezetik, ahol optika segítségével egy adott helyre fókuszálják. Általános elv, hogy a hőáramsűrűség növelésre a fizikailag elérhető lehető legkisebb fókuszált átmérő elérése kívánatos, de a legkedvezőbb hegesztési jellemzők eléréséhez a hegesztendő anyag minőségét, vastagságát, az illesztési paramétereket és a hegesztési sebességet is figyelembe kell venni. Általánosan alkalmazott szabály szerint a fókuszált átmérő a kívánt beolvadási mélység hetede…ötöde. Az optika legkedvezőbb fókusztávolsága 75 mm körüli. A tárgy felületétől mért fókuszálási mélység nagymértékben befolyásolja a beolvadási alakot és az egy oldalról elérhető beolvadási mélységet. A kísérleti eredmények szerint a fókuszált átmérőt (a fókuszpontot) mindenképpen a tárgy felülete alá kell bevinni. A felülettől mért távolság a lézersugár teljesítményétől, a tárgy vastagságától és sok más tényezőtől befolyásoltan 1…3 mm. A lézersugár abszorpciójának növelése

A hővezetés szabályozta varratképzésnél a teljes hegesztési idő alatt, a kulcslyukképződéssel járó mély beolvadású hegesztésnél a hegesztés kezdeti perióduában meghatározó szerepű a lézersugár elnyelődésének (abszorpció) és visszaverődésének (reflexió) aránya. Az elnyelődés a hegesztendő anyagtól és a lézersugár hullámhosszától függ (4.39. ). A legkedvezőtlenebb esetben (polírozott Al hegesztésekor) ez az arány akár 1 % is lehet, más esetekben (pl. acéloknál) 8…30 %. Az ábra szerint a két iparilag elterjedt lézerforrás (Nd:YAG λ=1,060 μm és CO2 λ=10,6 μm) használata a technikai fémeknél a kedvezőtlen tartományba esik. Adott alapanyag és lézerforrás esetén az energiahasznosítási hatásfok javítására különféle előkészítési módok között lehet választani. Ezek közül a leggyakrabban alkalmazottak a következők: − nemfémes (sötét, matt) bevonat felvitele, − előmelegítés, − a felület érdességének növelése (pl. szemcseszórással vagy forgácsolással), − megfelelő előjelű villamos erőtér alkalmazása.

244

HEGESZTÉS


A hegesztési sebesség

Az abszorbeált energia aránya, %

Adott hasznos lézerteljesítmény csak egy bizonyos anyagtérfogat megolvasztására elegendő: ha tehát a hegesztési sebesség nő, a megolvasztott keresztmetszet (beolvadási mélység és fürdőszélesség) szükségszerűen csökkenni fog. Nd:YAG

30

Cu

CO2

Acél

20

Al 10

0

0,1

0,2

0,5 1 2 5 A lézersugár hullámhossza, m m

10

20

4.39. ábra. A lézersugár elnyelődési mértéke az alapanyag és a lézersugár hullámhosszának függvényében A hegesztési sebesség lézersugárhegesztéskor széles határok között változhat, de az ívhegesztéseknél megszokottnál jóval nagyobb sebességek is elérhetők (vékonylemezhegesztés). Az austenites korrózióálló acélok lézersugárhegesztésére vonatkozó adatok szerint a beolvadási mélység az 1…16 mm, a hegesztési sebesség a 0,5…25 m/min intervallumba esik. A sebesség növelésével azonban a beolvadási mélység erőteljesen csökken. A sugárteljesítmény (hőáram) csökkenése szintén a beolvadási mélység mérséklődése irányában hat. Védőgáz

A hegfürdő és a megszilárdult, de nagyhőmérsékletű varrat védelmére védőgáz alkalmazása szükséges minden olyan esetben, amikor a káros fizikai és kémiai hatások kifejtésére a levegő gázainak (N2, O2, H2) elégséges idő áll rendelkezésére. Védőgázként csak nemesgázokat (Ar, He, Ar+He) használnak, mivel a nagyon rövid fürdő létidő miatt dezoxidációs és egyéb kémiai folyamatokra nincs lehetőség. A védőgázok ionizációja és az ennek következtében létrejövő plazma a lézersugárnyalábbal interakcióba lép és a sugár behatolási képességét nagymértékben lerontani képes. Ha a védőgázáramlás tengelyét elmozdítjuk a lézersugárnyaláb tengelyétől, a plazmaképződés veszélye csökken. A legkedvezőbb kísérleti eredményeket a lézersugárra merőleges irányú, vagyis a tárgy felületén áramoltatott védőgázzal kapták. A He valamennyi védőgáz közül a legnagyobb ionizációs energiájú, vagyis ionizációja kevésbé valószínű, mint a többi gázé, ezért a He a LSH elsőszámú védőgázának tekinthető. 4.4.3.1.5. Alkalmazási példák

A lézersugárhegesztés rövid fejlesztési periódusa (40…45 év) ellenére sokféle alkalmazási lehetőséget dolgoztak ki. Elsősorban a szigorú tűrésű alkatrészek, a nagyon jól illesztett darabok és a hegeszthetőségi nehézségeket okozó anyagok vagy anyagpárok hegesztése tartozik a lézersugárhegesztés ideális alkalmazási körébe. A varratok lehetnek pontvarratok 0,2…2 mm 245


HEGESZTÉS

átmérővel vagy vonalvarratok 0,2…2 mm szélességgel. Ezek a varratméretek nagyon gyakoriak a finommechanika, az elektronika és az orvosi-gyógyászati ipar területén. Néhány tipikusnak tekinthető alkalmazási példa: − televíziós képcsövek, − integrált áramkörök kivezetői, − gépjárművek halogén izzói (izzószál és láb), − titánötvözetből készülő pészmékerek, − orvosi katéterek és implantátumok, − gépkocsi szélvédő keretek, − sebességváltóművek fogaskerekei (CO2 lézerrel), − torziós lengéscsillapítók (CO2 lézerrel), − személygépkocsi padlóvázak és karosszéria-elemek (szilárdtest és CO2 lézerrel), − lemeztáblák összehegesztése nagyméretű mélyhúzott autó-karosszériához (tailor blanking), − óra, fényképezőgép, filmfelvevő, nyomtató alkatrészek, − elemek és újratölthető elemek, − ékszerek, − használati tömegcikkek. 4.4.3.1.6. A lézersugárhegesztés veszélyforrásai

A lézersugárhegesztés veszélyes kísérőjelenségei érzékszervileg nem annyira evidensek és jól érzékelhetők, mint az ívhegesztések esetében, ezért a képzetlen vagy nemtörődöm hegesztők és egyéb személyek komoly károsodást szenvedhetnek. A legfontosabb veszélyforrások a következők. − áramütés a nagyfeszültségű és jelentős kapacitásokkal felszerelt lézerforrástól, − szemkárosodás az elsődleges és visszaverődött lézersugártól, − bőrkárosodás az elsődleges és visszaverődött lézersugártól, − a hegesztés során keletkező gőzök belégzése. A veszélyforrások ellen a lézerberendezés gondos tervezésével, védőeszközökkel, elszívóberendezések használatával és a személyzet képzésével lehet hatékonyan védekezni. 4.4.3.2. Elektronsugárhegesztés

Az elektronsugárhegesztés (más elnevezéssel elektronsugaras hegesztés), rövidítve ESH (angol nevén Electron Beam Welding, EBW, németül Elektronenstrahlschweissen) az ömlesztő hegesztések nagy hőáramsűrűségű, vákuumvédelmű (egyik alváltozata: gázvédelmű) csoportjához tartozik. Az eljárás hőforrása az elektronikusan felgyorsított, a fénysebesség 30…70 %-ával mozgó elektronok alkotta elektronsugárnyaláb. Hozaganyag adagolása nem jellemző, de alkalmazása nincs kizárva. Az eljárás egyezményes ISO számjele 76. Az elektronsugárhegesztést az 1950-es években a nukleáris iparban fejlesztették ki nagy olvadáspontú és oxigén iránt nagy affinitású fémek hegesztésére. Az elsőség a francia szakembereké volt (1957.), akiket az amerikaiak és a németek követtek. Az elektronsugárhegesztés berendezései a kereskedelemben az 1960-as években jelentek meg és azóta folyamatos fejlesztés alatt állnak. Az első berendezések a nagyvákuumos elven működtek és a röntgensugárcsövet másolták. A röntgensugárcsőben a katódból kilépő és villamos térrel felgyorsított elektronok az anódba ütköznek, amit felhevítenek és röntgensugár kibocsátására késztetnek. Az elektronsugár-

246

HEGESZTÉS


hegesztéskor az anód helyét maga a hevítendő tárgy veszi át és a röntgensugárkeltés csak káros kísérő jelenségként szerepel. Az elektronsugár-hegesztés a villamos ívnél kényelmesebb, nagyon jól szabályozható, nagy hőáramsűrűségű hőforrás, amivel kiváló minőségű hegesztett kötések készíthetők (az elektronsugár-hegesztéssel készített kötés a lézerhegesztettel azonos értékű). Az ESH-hoz vákuumkamrára és elég jelentős (pl. néhány Pa) vákuumra van szükség. A hegfürdőt és környékét a vákuum úgy védi, hogy nincsenek (illetve csak nagyon kis koncentrációban vannak) jelen a levegő komponensei. A közepes vákuum kb. olyan védelmet nyújt, mint a 99,995 % tisztaságú Ar védőgáz a VFI hegesztésnél. A hegesztési folyamatban salak nem keletkezik, a varratfelület tiszta, szabályos, esztétikus megjelenésű. Az ESH-t normál esetben szoros illesztéssel, hozaganyag nélkül végzik. Az eljárás előnyei a hozaganyagmentes esetben érvényesülnek kellőképpen, de ha szükséges, a hegesztés során hozaganyag is alkalmazható. Az elektronsugár a vákuumkamrában maradt néhány gázatomot gerjeszti, a gerjesztett atomok fénykibocsátása így láthatóvá teszi a sugárnyalábot, ami a hegesztési folyamat kényelmes követhetőségét lehetővé teszi. Az elektronsugárhegesztés széleskörű terjedésének legnagyobb akadálya a vákuum alkalmazási kényszere, mivel az atmoszférikus nyomáson, védőgázban végzett elektronsugárhegesztés technikai jellemzői sokkal rosszabbak, mint a vákuumos változaté.

4.5. Villamos ellenálláshegesztés Az ellenállás hőforrást használó eljárások zöme sajtolóhegesztés, de a folyékony salakfürdő ellenállására épülő villamos salakhegesztés az ömlesztőhegesztések közé tartozik. Ennek a fejezetnek kizárólag az ellenálláshevítésen alapuló sajtolóhegesztések, rövid nevén az ellenálláshegesztések a témája. A villamos ellenálláshegesztés (VEH), a sajtolóhegesztések legnépszerűbb, legnagyobb ipari felhasználással rendelkező csoportját alkotja. A villamos ellenálláshegesztés definíciója (az MSZ ISO 857-1 meghatározása alapján) a következő: Olyan sajtolóhegesztés, amely a sajtolóerővel összeszorított munkadarabokat a rajtuk átvezetett, vagy bennük indukált áram ellenálláshőjével felhevítve, a sajtolóerő folytonos fenntartása mellett, jellemzően hozaganyag alkalmazása nélkül egyesíti. Az ellenálláshegesztések zömében (pont-, vonal-, dudorhegesztés, leolvasztó tompahegesztés, stb.) a hegesztendő anyag egy meghatározott része megolvad, ezek az eljárások az ömlesztő sajtolóhegesztések csoportjába tartoznak. Az ellenálláshegesztések egy kisebb csoportjában (pl. zömítő tompahegesztés) az anyag megolvadása még helyileg sem jön létre; ezért ezek az eljárások a szilárd fázisú, vagy más néven ömlesztés nélküli sajtolóhegesztések közé sorolhatók. A hevítési és a kötéskialakulási folyamat befolyásolásán keresztül a sajtolóerő mindkét csoport eljárásainál alapvető szerepet tölt be. 4.5.1. Rövid történeti áttekintés

Történetileg az ellenálláshegesztés a villamos áram egyik első ipari alkalmazásai közé tartozott. Az eljárás történelmének legfontosabb állomásai a következőkben foglalhatók össze . Angliában 1856-ban James Joule huzalokat hegesztett össze ellenálláshővel, majd erre a szabadalomra építve 1877-ben az angol Thomson az Egyesült Államokban megkezdte az ellenállás-hegesztőgép kifejlesztését. Az ellenálláshegesztés az előző adatok szerint megelőzte

247


HEGESZTÉS

az ívhegesztés felfedezését, mivel Benardos és Olszewaski karboníves hegesztésre vonatkozó szabadalma csak 1885-ben született meg Franciaországban (Cabot Laboratory). Az ellenálláshegesztés első jelentős alkalmazása az autókarosszériák gyártáshoz kötődik (1912., Budd, Philadelphia, USA), ahol ezen a területen máig megőrizte vezető szerepét. 1924-ben került sor először vasúti sínek ellenálláshegesztésére. 1939-ben elkezdték a repülőgépek alumínium ötvözetből készült elemeinek ponthegesztését, ami azért is figyelmet érdemel, mivel az Al ötvözetek ellenálláshegesztése a mai technikai szint mellett is igen nehéz feladatnak számít és elsődleges gátja az alumíniumból készülő autókarosszériák térnyerésének. Az ellenálláshegesztés nagy sikere volt az 1944-es normandiai partraszállás üzemanyag szükségletét biztosító, az óceán fenekére fektetett 3 inch átmérőjű acél csővezeték leolvasztó tompahegesztése, amin naponta 1 millió gallon üzemanyagot lehetett szállítani. 1943-ban a Sciaky Incorporated (Chicago, Illinois, USA) megjelent az első háromfázisú ellenálláshegesztő gépével a piacon, amivel sikerült a sokat kifogásolt aszimmetrikus hálózati terhelés kiegyenlítése. A Sciaky jelentős sikereket ért el az Al ellenálláshegesztésében is, ami a polgári és katonai repülőgépgyártásban jelentős megrendeléshez juttatta. 1962-ben (a lézersugárhegesztés első kezdeti lépéseivel nagyjából egyidejűleg) ugyanez a cég már háromfázisú vonalhegesztőgéppel hegesztette a Mercury űrkapszula titánhéjait. Az ellenálláshegesztés a robotosításban is jelentős eredménnyel dicsekedhet. A ma működő robotok mintegy harmada ellenállás-ponthegesztést végez. Az ellenálláshegesztés történetének utolsó húsz-harminc évében már nem születtek jelentős felfedezések, de az eljárás erősáramú berendezései, szabályozása és programozása olyan léptékben fejlődött, hogy az ellenálláshegesztő berendezések sok szempontból a szerszámgépek színvonalára emelkedtek. 4.5.2. Az ellenálláshegesztések rendszerezése

A villamos ellenálláshegesztések többféle rendezőelv szerint csoportosíthatók. A legkézenfekvőbb rendszerezés a tárgy geometriáját és a kötéstípust veszi alapul. Eszerint a következő osztályok léteznek (4.40. ábra). 1. Vékony- és normállemezek ellenálláshegesztése Ebbe a csoportba azok az eljárások tartoznak amelyek lemezek vagy lemezszerű termékek ellenálláshegesztésére alkalmasak. Vékonylemez (finomlemez) alatt a 3 mmnél nem vastagabb lemezeket értjük. A vékonylemezeket leggyakrabban átlapolt kötéssel hegesztik, de kifejlesztettek vékonylemezeknél alkalmazható tompahegesztő eljárást is. A csoportba tartoznak a vékony- vagy normállemezből készült csövek hossz-, illetve spirálvarratainak hegesztésére szolgáló ellenálláshegesztések is. Annak ellenére, hogy az ellenálláshegesztéseket főként a vékonylemezek hegesztésére alkalmazzák, a 3 mm-nél vastagabb lemezek hegesztése is szokásos. A falvastagság felső határát egy adott anyagminőségnél a hegesztőgép villamos és mechanikai jellemzői határozzák meg. 2. Rudak ellenálláshegesztése Ebbe a csoportba a tömör és az üreges keresztmetszetű rudak (csövek) és rúdszerű termékek hossztengelyre merőleges tompakötéseinek hegesztésére alkalmas eljárások tartoznak.

248

HEGESZTÉS

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK Fs

Fs

Fs

Fs

b.

a. Fs

Fs

Fs

b.

Fs

Fs

d.

Fs

e.

4.40. ábra. Illusztráció a villamos ellenálláshegesztések termékgeometria alapú csoportosításához a. átlapolt lemezkötés; b. tompa lemezkötés; c. tompa rúdkötés; d. tompa csőkötés; e. rúd keresztkötés; Fs sajtolóerő Az ISO 4063:2000 szabvány szerinti egyezményes rendszerezés a következő felépítésű. 2 Ellenálláshegesztés (Resistance welding) − 21 Ponthegesztés (Spot welding) * 211 Egyoldali (indirekt) ponthegesztés (Indirect spot welding) * 212 Kétoldali (direkt) ponthegesztés (Direct spot welding) − 22 Vonalhegesztés (Seam welding) * 221 Átlapolt vonalhegesztés (Lap seam welding) * 222 Zömítő vonalhegesztés (Mash seam welding) * 225 Fóliás vonalhegesztés (Foil butt-seam welding) * 226 Szalagos vonalhegesztés (Seam welding with strip) − 23 Dudorhegesztés (Projection welding) * 231 Egyoldali (indirekt) dudorhegesztés (Indirect projection welding) * 232 Kétoldali (direkt) dudorhegesztés (Direct projection welding) − 24 Leolvasztó tompahegesztés (Flash welding) * 241 Előmelegítéses leolvasztó tompahegesztés (Flash welding with preheating) * 242 Előmelegítés nélküli leolvasztó tompahegesztés (Flash welding without preheating) − 25 Zömítő tompahegesztés (Resistance butt welding, Resistance upset welding) − 29 Egyéb ellenálláshegesztő eljárások (Other resistance welding processes) * 291 Nagyfrekvenciás ellenálláshegesztés (High frequency resistance welding) Az ellenálláshegesztő eljárások megkülönböztető vázlatai az egyes eljárások ismertetésénél találhatók.

249


HEGESZTÉS

4.5.3. Az ellenálláshegesztés elméleti sajátosságai

Az ellenálláshegesztés néhány olyan (a hőforrással, a sajtolóerővel, a felülettisztítással és a varratképzéssel kapcsolatos) elméleti sajátossággal rendelkezik, amelyek sem az ömlesztőhegesztésekre, sem a többi sajtolóhegesztésre nem jellemzők, így ezek rövid áttekintése a továbbiak megértése érdekében nélkülözhetetlen. 4.5.3.1. Az ellenálláshegesztések hőforrása

A villamos ellenálláshegesztések hőforrása a villamos árammal átjárt vezetők hatásos ellenállásán fejlődő ellenálláshő. Az áram lehet a hegesztendő darabokon közvetlenül átfolyó (pl. ponthegesztés) vagy magában a hegesztendő anyagban indukált (pl. indukciós hegesztés). A következőkben az ellenállásponthegesztés példáján keresztül a gyakoribb esetre vonatkozó, átfolyó árammal működtetett hőforrást írjuk le. A Joule-Lenz törvény értelmében a szilárd fázisú villamos vezetőt a rajta átfolyó áram a következő energiával hevíti: th

ER =

∫ I (t )

2

⋅ R ( t ) ⋅ dt

(4.27)

t =0

ahol: ER, [J] a villamos ellenálláson fejlődő energia, I, [A] az ellenálláson átfolyó áram erőssége, R, [Ω] az ellenállás nagysága, t, [s] idő, t h, [s] hevítési idő. A hegesztési folyamatban szerepet játszó villamos ellenállás alapjában kétféle lehet: − vezetők belső ellenállása, − vezetők érintkezési (átmeneti) ellenállása. 4.5.3.1.1. A vezetők belső ellenállása

A fémek villamos ellenállása a szabadelektronok számával és mozgási lehetőségével kapcsolatos. Az ismert képlet szerint az A keresztmetszetű, l hosszúságú vezető villamos ellenállása:

R= ρ⋅

1 A

(4.28)

ahol: ρ, [Ωmm]a vezető anyagának fajlagos ellenállása, l, [mm] a vezető hossza, A, [mm2] a vezető keresztmetszete. Az anyagok fajlagos ellenállása különböző. Néhány, az ellenálláshegesztési gyakorlatban fontos szerepet játszó fém(ötvözet) szobahőmérsékleti villamos ellenállása a 4.7. táblázatban található.

4.7. táblázat. Néhány fém(ötvözet) fajlagos villamos ellenállása szobahőmérsékleten Fém(ötvözet) Vas Alumínium Réz Nikkel

Rendszám

Fajlagos ellenállás T=20 °C-on μΩ.cm

26 13 29 28

9,0…10,0 2,7…2,8 1,7…1,8 7,4…9,0

250

HEGESZTÉS


Ötvözetlen szerk. acél Austenites CrNi acél NiCr ellenállásötvözet

− − −

12,0…15,0 70,0…75,0 100,0…110,0

A rácsszerkezettel szoros összefüggésben lévő fajlagos ellenállás a hőmérséklet függvénye: minél nagyobb a hőmérséklet, annál nagyobb a fajlagos ellenállás. A nem ferromágneses anyagok (Al, Cu, austenites acél) esetében a fajlagos ellenállás a hőmérséklettel másodfokú függvény szerint növekszik:

ρT = ρ0 ⋅ (1 + β1 ⋅ T + β 2 ⋅ T 2 ) , [Ω mm] ahol: ρT, ρ0 , [Ω mm] β1 , β2 , T [°C]

(4.29)

a fajlagos ellenállás T hőmérsékleten, a fajlagos ellenállás szobahőmérsékleten, a fajlagos ellenállás hőmérséklettényezői, hőmérséklet.

Lágyacélok esetén a β1 tényező értéke hozzávetőlegesen 0,004 1/°C. Ferromágneses anyagok fajlagos ellenállása a bemutatottól eltérő, szintén nemlineáris hőmérsékletfüggést mutat, amit az allotróp átalakulással rendelkező fémeknél és ötvözeteknél (pl. a vasötvözeteknél) a fázisátalakulások is bonyolítanak (4.41. ábra). Van néhány olyan fémötvözet, amelynek villamos ellenállása a hőmérséklettel alig változik, de sokkal gyakoribb, hogy a fémvezetők ellenállása a hőmérséklettel kisebb-nagyobb mértékben növekszik. 4.5.3.1.2. Érintkezési (átmeneti) ellenállás vezetők között

Fajlagos ellenállás, μΩ . cm

Villamos vezetők összenyomott felületén áthaladó áram az érintkezési helyen feszültségesést okoz, vagyis a nem tökéletes érintkezés ellenállásként szerepel. Az érintkezési, vagy más néven átmeneti ellenállás a körülményektől függően jóval szélesebb sávban változik, mint a vezetők belső ellenállása. 140 120

Austenites Cr-Ni acél

100 80 60 Ferrit-perlites acél

40 20 0

200

400

600

800 1000 1200 1400

Hőmérséklet, °C

4.41. ábra. A fajlagos villamos ellenállás hőmérsékletfüggése A kontaktusok átmeneti ellenállása adott anyagpárosításnál az érdességtől, az érdességet deformáló sajtolóerőtől, a hőmérséklettől, valamint a felületi szennyezés jellegétől és vastagságától függ leginkább. Az Re érintkezési ellenállás nagysága néhány µΩ-tól a mΩ-os nagyságrendig terjed. Különösen nagy a reveréteggel borított (melegen hengerelt) termékek érint-

251


HEGESZTÉS

kezési ellenállása. A felületi szennyezés erős befolyása miatt reprodukálható ellenálláshegesztett kötéseket csak tisztított felületeken lehet készíteni. 4.5.3.2. Az ellenállásponthegesztés energiaforrása

Ellenállásponthegesztésnél a vékony lemezek átlapolt kötését hengeres elektródokon átfolyó áram segítségével hozzák létre. A rézötvözetből készült (tehát jó villamosvezető) elektródokat a kN-os nagyságrendű Fe elektróderő szorítja a lemezekhez. Az összenyomás után az áramkörben th ideig nagy áramerősségű, alacsony feszültségű áram folyik, amely az egyes ellenállásokon hőt fejleszt. Az eljárás sikerének feltétele, hogy a kívánt hegesztési helyen a hegesztéshez elégséges hőenergia fejlődjön, emellett más ellenállások túlzott mértékben ne hevüljenek fel. Teljesen hasonló elven, de más geometria mellett valósítható meg a rúdanyagok ellenálláshevítése, amelynek részleteire itt nem térünk ki. Az ellenálláshőforrás annyiban különbözik a villamos ívtől, hogy a villamos energia éppen a legmegfelelőbb helyen, magában a hegesztendő darabban, ott is a kívánt térfogatban alakul át hőenergiává. A hőforrás ennélfogva térfogati hőforrásként kezelendő. 4.5.3.2.1. A hegesztőkör villamos ellenállásai

A 4.42. ábra a ponthegesztőgép szekunder körében levő ellenállásokat mutatja. Az ellenállások közül az R1, R2, R3 és R5 vezetők belső ellenállása, az R4 és R6 átmeneti ellenállás. Az ellenállások megnevezése és relatív nagysága a 4.8. táblázatban találhatók.

Fe

R4'

R3'

R2' R5' AC R1

R6

R4''

R3''

400 V

R5'' R2''

Fe 4.42. ábra. Az ellenállás-ponthegesztőgép szekunder körében található ellenállások vékonylemezek átlapolt kötéseinek hegesztésekor Az R2, R3, R4 és R5 ellenállás a nem szükségképpen azonos egyvesszős és kétvesszős ( R i' és R i'' , i = 2,3, 4,5 ) ellenállások összegeként értelmezhető. A szekunder kör Re eredő ellenállása ezek után a részellenállások szummájaként számítható: Re = R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6

252

(4.30)

HEGESZTÉS


Az ellenállások összegzésekor a 4.8. táblázatban közölt relatív értéke miatt az R1 és R2 ellenállások figyelmen kívül hagyhatók. Az R3 ellenálláson fejlődő hő az elektródot hevíti, a fejlődő hő elvonásáról vízhűtés gondoskodik. Az elektród vízhűtésével, a tárgy- és az elektródfelszín tisztaságával, simaságával és kellő összeszorításával védekezünk az ellen, hogy az R4 átmeneti ellenállás nagyra nőjön, különben az elektród a lemezhez hegedne, ahogy az durva hibás technológia mellett be is következik. A hegesztés szempontjából hasznos ellenállások (R5 és R6) a legnagyobbak. Az összes befolyásoló tényezőt (közöttük elsősorban a felületi állapotot és az összeszorító erőt) úgy kell beállítani, hogy ez a relatív nagyság-sorrend fennmaradhasson. 4.8. táblázat. Az ellenállásponthegesztés jellegzetes ellenállásai Az ellenállás jele R1 R2 R3 R4 R5 R6

Az ellenállás megnevezése A transzformátor szekunder tekercsének ellenállása Nagy keresztmetszetű rézvezető a szekunder tekercs és az elektród között Az elektród ellenállása Érintkezési ellenállás a lemez és az elektród között A lemez ellenállása (de átmérőjű, s vastagságú hengerek az elektródok között) Érintkezési ellenállás az összehegesztendő lemezek között

Az ellenállás relatív nagysága igen kicsi igen kicsi kicsi közepes nagy legnagyobb

Ha a nagyon kis értékű R1 és R2, valamint a kis R3 ellenállásokat elhanyagoljuk és az R4 ellenállást tudatosan korlátozzuk, akkor a hegesztés szempontjából mértékadó Re eredő ellenállás a következő alakúra egyszerűsödik: Re ≅ R5 + R6

(4.31)

Az R5 ellenállás azzal a közelítő feltételezéssel számítható, hogy az összenyomott lemezeken csak az elektródátmérő által meghatározott hengeres anyagtérfogaton folyik áram: R5' ≅ ρ ⋅

4⋅ s d e2 ⋅ π

(4.32)

A hegesztési folyamat közben a hőmérséklet exponenciális jelleggel növekszik. A hőmérséklet növekedése az R5 ellenállásra a 4.41. ábrának megfelelően növelő hatással van. Az R6 érintkezési ellenállás szobahőmérsékleten nagy értékű, a hőmérséklet növekedésével azonban a képlékeny alakváltozás feltételei javulnak, a makrokiemelkedések fokozatosan deformálódnak, a szennyezők összetöredeznek, egy részük megolvad és elgőzölög, ennek következtében az érintkezés egyre jobb lesz és az R6 jelű átmeneti ellenállás értéke erőteljesen csökken. A 4.43. ábra szemléletesen mutatja a két ellenállás értékének hőmérséklet-növekedés okozta változási tendenciáját. A folyamat kezdetén kisebb R5 ellenállás a hőmérséklettel nő. A monoton növekedést az elektródok benyomódása lelassítja, túlzott mértékű benyomódáskor az R5 anyagellenállás értéke akár csökkenhet is, mivel a benyomódással a két elektród homlokfelülete közelebb kerül egymáshoz és az elektródok közötti anyagtérfogat csökkenése miatti ellenálláscsökkenés akár túl is kompenzálhatja a melegedés okozta ellenállásnövekedést. A kezdetben jelentős R6 átmeneti ellenállás nagysága a hőmérséklet növekedésével erőteljesen mérséklődik (lásd 4.43. ábra). Az R5 és R6 ellenállás eredője maximumos görbét ad ugyan, de a két ellentétes változási tendencia nagyjából kiegyenlíti egymást, ezért a teljes hegesztési folyamatban az ellenállás azonos nagyságrendje fenntartható.

253


HEGESZTÉS

R μΩ R5+R6

R5 R6

T °C

4.43. ábra. A hőforrás hőáramát meghatározó ellenállások változása a hegesztési folyamatra jellemző hőmérsékletnövekedés közben 4.5.3.3. Felülettisztítás

Az összehegeszteni kívánt felületek a gyakorlati esetekben sohasem fémtiszták. Az ellenálláshegesztések előnyös tulajdonságai közé tartozik, hogy (az ömlesztőhegesztésekkel ellentétben) a szennyezők nagy része magában a hegesztési folyamatban kerül eltávolításra, és csak egyes szennyezőfajták és érzékenyebb alapanyagok esetében van szükség előzetes tisztító műveletre. Az egyenletes kötésminőségi és főként a reprodukálhatósági elvárások miatt azonban az átlagosan tiszta felület mindig követelmény. 4.5.3.3.1. Az ellenálláshegesztendő tárgyak felületi szennyezettsége

A lemez, rúd vagy egyéb kialakítású hegesztendő tárgyakon található leggyakoribb felületi szennyeződések a következők: − mechanikus (szervetlen eredetű) szennyeződések, mint fémes és nemfémes porszemcsék, − nedvesség (víz), − szerves szennyeződések (zsír, olaj), − forgácsolási vagy alakítási műveletek hűtő-kenő folyadékai (emulziók, sztearátok), − vegyületszennyeződések (rozsda, reve), − adszorbeált felületi gázok. A felületi szennyeződések a hegesztési folyamat akadályozói, ezért eltávolításukra mindenképp szükség van. A szennyeződés eltávolítása, vagy más szóval a hegesztendő felületek tisztítása a következő módokon oldható meg: − hegesztési folyamaton kívüli (előzetes) szennyeződés-eltávolítás, − hegesztési folyamaton belüli (egyidejű) szennyeződés-eltávolítás, − az előző kettő kombinációja. Az ellenálláshegesztési folyamaton kívüli szennyeződés-eltávolítás fizikai és/vagy kémiai eszközökkel végezhető. Nagy hátránya, hogy külön műveletet és gyakran környezetszennyező vegyszerfelhasználást igényel. Az előzetes tisztítás csak ideiglenes megoldást jelent, mert a felület újraszennyeződése egyes esetekben igen rövid időn belül bekövetkezhet (pl. alumínium tárgyak felületi oxidációja), emellett nagyon tisztaság-igényes műveletközi kezelést feltételez (pl. a hegesztendő tárgyfelületeket csak tiszta textíliával szabad megérinteni). Sokkal szerencsésebb, ha a tisztítás a sajtolóhegesztés kezdeti fázisában megy végbe. Ennek többnyire technikai-gazdasági ára van, mégis ez jelenti az állandó minőséget garantáló megoldást. 254

HEGESZTÉS


Vannak olyan esetek, amikor a durva szennyeződéseket előzetesen, a finomabbakat a hegesztési folyamaton belül távolítják el. Ez a módszer szerencsésen ötvözi az előző két megoldás előnyeit. Jó példa rá a melegen hengerelt lemezek és profilok ellenállás-ponthegesztése, amikor is a hengerlési revét a hegesztést megelőzően kell eltávolítani. Az olyan ellenálláshegesztő eljárásoknál, ahol makroszkópikus anyagáramlásra nincs lehetőség (pont-, dudor és vonalhegesztések, zömítő tompahegesztés), a mechanikai eredetű (a felületi nyomás okozta) felülettisztítás elégtelen mértékű és csak a hegesztést megelőző gondos felülettisztítás vezet eredményre. 4.5.3.4. A sajtolóerő szerepe a hegesztésnél

Az előzőkben már rámutattunk arra, hogy a sajtolóerő az ellenálláshőforrás létrehozásában kitüntetett szerepet játszik, mégpedig elsősorban az átmeneti ellenállás nagyságának és időbeli változásának befolyásolásában. A valóságban sohasem fémtiszta felületek közötti villamos érintkezés minősége, ami leginkább az átmeneti ellenállással jellemezhető, erőteljesen függ a felületegységre ható normál irányú sajtolóerőtől, vagyis a felületi nyomástól. Ennél is jelentősebb a sajtolóerő szerepe a hegesztőáram átfolyásának első pillanataiban, amikor már a felületi mikro- és makrokiemelkedések deformációja és a szennyezőeloszlás módosítása révén a kontaktus javulása és ezzel az átmeneti ellenállás csökkenése következik be. A folyamat kezdetén az anyagellenállás (R5) még nem elegendően nagy, ezért a hegesztendő felületek közötti átmeneti ellenállás (R6) túlzott mértékű, vagy nagyon gyors csökkenése egyáltalán nem kívánatos. Kísérletileg bizonyítható a nagy sajtolóerő káros hatása, ami kezdetben csak a kötés terhelhetőségének (pl. nyíróerejének) csökkenését okozza, de a normálist többszörösen meghaladó sajtolóerővel hegesztve a kötés már nem is következik be. A sajtolóerő másik fontos szerepe, hogy a megfelelő helyeken a szükséges mértékű nyomófeszültséget biztosítsa. A nyomófeszültségnek minimálisan akkora nagyságúnak kell lennie, hogy az érdességgel összefüggő kiemelkedéseket képlékenyen alakítsa. Az ellenálláshegesztő eljárások többségében azonban ennél jóval nagyobb, makroméretű alakításra is sor kerül, aminek elektródbenyomódás és sorja kitüremkedés formájában szemmel jól látható jelei vannak. A sajtolóerő okozta képlékeny alakításnak a hegesztési folyamat sikeréhez és a minőségi kötés létrehozásához a következők feladatokat kell ellátnia: − a felületi érdesség csökkentése (részben a hevítés előtti periódusban) az átmeneti (R4 és R6) ellenállások mérséklése és az áramátfolyás feltételeinek javítása, az elektród élettartamának meghosszabbítása céljából, − az érintkezési felületről a szennyeződéseket el kell távolítania (ez többnyire úgy történik, hogy a szennyeződéssel együtt az alatta elhelyezkedő (szilárd vagy megolvadt) felületi fémréteget is eltávolítjuk), − szilárd fázisú ellenálláshegesztéskor a felületi réteg anyagának atomsíkjait és kristálytani irányait egymáshoz közelíteni, annak érdekében, hogy a megfelelő közelség és kedvező orientáció következtében erős fémes kötés jöhessen létre, − az üregképződés elhárítása az olvadékfázis (helyi megolvadással járó ellenálláshegesztéskor olvadékfázis is kialakul) kristályosodásának és teljes lehűlésének folyamán, − a levegő gázai elleni, ún. mechanikai védelem fenntartása a teljes hegesztési művelet alatt.

255


HEGESZTÉS

4.5.3.5. Az ellenálláshegesztések védelme a levegő gázai ellen

A levegő gázainak (O2, N2, H2) káros következményekkel járó kémiai és fizikai hatásaitól a hegesztési helyet és környezetét védeni kell. A környezet kiterjedését a hegesztendő anyag rekrisztallizációs hőmérsékletének (a melegalakítás alsó hőmérséklet-határának) segítségéval definiálhatjuk: eszerint a védendő zóna az a tartomány, amelynek a hőmérséklete az anyag rekrisztallizációs hőmérsékletét (acéloknál kb. 450 °C-ot) meghaladja. Az ismert ömlesztőhegesztő eljárásoknál ezt a védelmet vákuummal, salakkal, védőgázzal, vagy ezek lehetséges kombinációival (salak + védőgáz) biztosítják. Az ellenálláshegesztéseknél ezzel szemben a védelemnek az ún. mechanikai módszerét alkalmazzák, amit a hegesztési folyamat időtartama alatt a sajtolóerő működtet. A mechanikai védelem lényege, hogy a hegesztendő felületek közötti levegőmennyiséget az elősajtolási művelettel zömében eltávolítjuk, a felületi érdesség mélyedéseibe bezáródó kismennyiségű levegőt a felhevített anyag képlékeny alakításával, a felületi réteggel együtt a sorjába préseljük (leolvasztó tompahegesztés). Azoknál az ellenálláshegesztő eljárásoknál, ahol ilyen sorja nem képződik (pl. ellenállásponthegesztés), a levegő gázainak egy része a hegfürdőben oldódik és amennyiben a gyors dermedéskor az eltávozásához szükséges feltételek nem állnak fenn, az alapanyag gázoldóképessége csökkenésével gázzáródmányokat okoz. Jó példa erre az alumíniumötvözetek ponthegesztése, ahol a pontvarratban a hidrogénzárványok meglehetősen gyakoriak, sok esetben elkerülhetetlenek. 4.5.4. Ellenálláshegesztő eljárások

A 4.2. pontban Az ISO számjelek felhasználásával osztályoztuk az ellenálláshegesztő eljárásokat. A továbbiakban ezek közül csak a mechatronika területén számottevő alkalmazási lehetőségekkel bíró eljárásokat ismertetjük. 4.5.4.1. Ellenállásponthegesztés

Az ellenállásponthegesztés a legszélesebb körben használt sajtolóhegesztés. Elterjedt alkalmazását egyszerűsége, gépesíthetősége, robothegesztésre való alkalmassága, jó reprodukálhatósága, egyenletes jó kötésminősége, kiemelkedő termelékenysége és gazdaságossága indokolja. 4.5.4.2. Az ellenálláshegesztés alapváltozatai

Az ellenállásponthegesztések alapváltozatait a 4.44. ábra szemlélteti. A 211 számjelű indirekt ellenállásponthegesztés az ellenállásponthegesztés egyoldali változata. A kétoldali hozzáférés hiányában minden elektród azonos oldalon, párhuzamos tengelyelrendezéssel helyezkedik el. Az elektródokat a velük érintkező lemezekhez szorítják. Az áramkör zárását a lemezek túloldalán jól vezető rézsín helyettesíti. Ezzel az elrendezéssel egyidejűleg több pont hegesztésére is lehetőség nyílik (4.44. ábra a- és b-részlete). Az ellenállásponthegesztés 212 számkódú, direkt ellenállásponthegesztés elnevezésű alapváltozatában a 4.44. ábra c. és d. ábra szerinti elrendezésnek megfelelően az átlapolt helyzetű vékonylemezeket a lemezek átellenes oldalán elhelyezkedő elektróddal szorítják össze, majd az áramot bekapcsolva összehegesztik. Az elrendezésből eredően a direkt változatot kétoldali ellenállásponthegesztésnek nevezik, vagy a kétoldali jelzőt elhagyva (mivel ez az alapváltozat) egyszerűen ellenállásponthegesztésként említik. A 4.44. ábrából láthatóan az egyponthegesztéssel (a. és c. ábra) szemben lehetőség van egyidejűleg több pont készítésére is (b. és d. ábra). Ez utóbbi hegesztési elrendezést többponthegesztésnek nevezik.

256

HEGESZTÉS


K E

E a.

b.

c.

d.

4.44. ábra. a. A ponthegesztés alapváltozatai: a. és b egyoldali (indirekt) ponthegesztés; c. és d. kétoldali (direkt) ponthegesztés; a. és c. egyponthegesztés; b. és d. többponthegesztés; (Jelölések: E: ellenoldali alátétsín; K: kontaktelektród) Az egypontkötéseket rendszerint a hagyományos (a 4.44. ábra c.-vel jelölt) kétoldali elektród elrendezéssel hegesztik. Az elektródok a hegesztő transzformátor szekunder tekercséhez kapcsolódnak, a hegesztés során egy szekunder tekercs csak egy elektród-párt szolgál ki. Egyoldali hozzáférés esetén az egypontkötéseket ellenoldali alátétsínnel és/vagy kontaktelektróddal hegesztik. Az alátétsín a hegesztési folyamatban hármas funkciót lát el: − az elektromos áram vezetése (villamos funkció), − az alsó munkadarab megtámasztása és az alsó elektródbenyomódás kiküszöbölése (mechanikai funkció), − hőelvezetés, a varratdermedés és a kötés hűlésének gyorsítása (termikus funkció). A kontaktelektródának csak villamos funkciója van, a benyomódás és a kopás csökkentése érdekében az átmérője nagyobb lehet, mint a pontátmérőt meghatározó hegesztő elektródának. A teherviselő szerkezeteken általában több, esetenként igen sok (pl. az autókarosszériákon hat-nyolcezer) pontkötést alkalmaznak. Ezek elkészítésére a többponthegesztés (más néven sokponthegesztés) a gazdaságos. 4.5.4.2.1. A pontkötés kialakulásának mechanizmusa

A ponthegesztés varratának (más néven hegpontjának, heglencséjének) kialakulását a 4.45. ábrán követhetjük nyomon. A hegesztés a munkadarabok elektródok közé helyezésével kezdődik (4.45. ). Az elektródok zárásával a lemezek között helyi érintkezést hoznak létre, ezzel az áramátfolyás lehetőségét biztosítják (4.45. ábra). Az érintkezési felületet és szűk környezetét rövid ideig (t<1 s) átfolyó, alacsonyfeszültségű, de nagy áramerősségű I=1…25 kA árammal hevítik (4.45. ábra). A lokális ellenálláshevítés hatására a lemezek helyileg megolvadnak (4.45. ábra). A megolvadt térfogat lencse alakú, nagyjából az elektródátmérőnek megfelelő átmérőre és a lemezvastagságnak a technológiai körülmények által befolyásolt vastagsághányadára terjed ki. Az áramátfolyás megszűnte után a két lemezből származó hegfürdő mechanikai nyomás alatt kristályosodva összeköti a két munkadarabot (4.45. ábra). A kristályosodás a vízhűtésű, jó hővezető rézelektródák, valamint a hegesztendő munkadarabok hővezetése és a környezet felé történő hőtranszfer hatására gyorsabb az ívhegesztésnél megszokottnál, a 257


HEGESZTÉS

kristályosodás közben fenntartott szorítóerő pedig elősegíti a szívódási üreg képződésének elhárítását. A hegesztés az elektródok nyitásával ér véget (4.45. ábra), ezután lehetőség van a munkadarab (vagy az elektródok) léptetésére.

Fe

Fe

a.

b.

Fe

Fe

Fe

Fe

d.

e.

Fe

Fe

c.

f.

4.45. ábra. A ponthegesztett kötés kialakulásának fázisai 4.5.4.2.2. Az ellenállásponthegesztés gépi berendezése

A berendezéseknek két fő típusa ismert, mégpedig a helyhez kötött, állványos berendezések a könnyen mozgatható gyártmányokhoz, és a mozgatható elektródfogók (más néven ollók) az álló szerkezetekhez. A ponthegesztőgépek egy-, két- és sokponthegesztő kialakításúak lehetnek, aszerint, hogy egyidejűleg hány pont elkészítésére képesek. A 4.46. ábrán egy tipikus felépítésű, állványos (stabil) ponthegesztőgép vázlata látható. Az ellenállásponthegesztő berendezések teljesítményüket, szerkezeti megoldásukat, méretüket, automatizáltsági mértéküket tekintve igen változatosak lehetnek, de mindegyik berendezésben a következő fő részek megtalálhatók: áramforrás, mechanikai egység, szabályozóegység, hűtőegység. Áramforrás

Az áramforrások története az egyfázisú, váltakozóáramú (AC) transzformátorokkal kezdődött, ezt követően a hálózati terhelés aszimmetriájának csökkentésére megjelentek a háromfázisú egyenirányítós, majd az energiatárolós (kondenzátor-kisütéses) és főleg a robotizált hegesztéshez a kisebb tömegű inverteres, egyenáramú (DC) gépek. Ma a DC gépek lassú, de feltartóztathatatlan térnyerésének időszakát éljük, mivel a nagyobb beruházási költségüket a rövidebb ideig tartó, egyenletesebb hevítés lehetősége és a jobb kötésminőség kompenzálja.

258

HEGESZTÉS


Az ellenállásponthegesztő gépek transzformátorait rendszerint 50 %-os bekapcsolási időre tervezik, 1 min-os alapidővel. 10

5

2

6 9

8

7

4 3 1

11 1- Áramforrás 2- Szabályozó egység 3- Levegő csatlakozás 4- Transzformátor 5- Erő- és áramerősség kijelző 6- Felső elektróda tartó

7- Alsó elektróda tartó 8- Elektródák 9- Elektróda befogók 10- Pneumatikus henger 11- Lábkapcsoló

4.46. ábra. Állványos (stabil) ellenállásponthegesztőgép szerkezeti felépítése Egyfázisú áramforrások

Az áramforrás központi része hagyományosan egy egyfázisú transzformátor, amely a hálózati vonali áramot kisfeszültségű, nagy áramerősségű árammá alakítja át. Az alacsony (1…20 V közötti) hegesztési feszültség miatt a szekunder tekercs legfeljebb néhány (igen gyakran csak egy) menetű, az 1…20 kA tartományba eső hegesztőáram miatt a szekunder tekercs(ek) nagy keresztmetszetű(ek), kör, vagy téglalap szelvényűek, a túlhevülés ellen (a kisteljesítményű gépeket kivéve) rendszerint vízzel hűtöttek. A primer és szekunder tekercseket vagy külön-külön vasmagon helyezik el, vagy a szorosabb mágneses csatolás érdekében a szekunder tekercse(ke)t a két vasmagra elosztott primer tekercsek közé teszik. A sokponthegesztő gépeknél egy primer tekercshez több szekunder tekercs tartozik. A primer tekercsek menetszáma több (igen gyakran 8) fokozatban változtatható. A primer menetszám változtatásával a transzformátor áttétele, és így a szekunder oldali feszültség (ennek révén közvetve a hőbevitel) állítható be. A menetszám változtatása csak kikapcsolt helyzetben végezhető. Szokásos a választókapcsolók alkalmazása. A primer tekercseket közvetett módon, a szekunder tekercsek vízhűtéséből eredő hőelvonással hűtik. Az egyfázisú áramforrások egyszerűek, olcsók, de üzemük a 0,4…0,5 körüli teljesítménytényező, és az ebből következő nagyobb S névleges teljesítményigény miatt nem gazdaságos. Ha egy üzemben a ponthegesztés tömeges felhasználású, mint pl. a személygépkocsi gyártásban vagy a fémtömegcikk iparban, akkor a kisebb méretek, alacsonyabb üzemi költségek, ki-

259


HEGESZTÉS

sebb hálózati teljesítményigény és egyenletes hálózati terhelés miatt a háromfázisú gépeket részesítik előnyben. Háromfázisú áramforrások

A mindhárom fázist egyformán terhelő háromfázisú gépek egyenirányítós, vagy inverter típusúak lehetnek. Teljesítménytényezőjük elérheti a 0,85-ös értéket. Az egyenirányítós gépek három primer és ugyanannyi szekunder tekercset tartalmaznak, a szekunder oldalon háromfázisú, kétutas egyenirányítással. Az inverter típusú gépekben három primer és egy szekunder tekercs található. A frekvencia célszerű megválasztásával (növelésével) a transzformátor vasmagjának tömege csökkenthető. Bár az egyenáram a hőfejlődés szempontjából kissé kedvezőbb, mint a váltakozóáram, a háromfázisú gépek mindenekelőtt méretüket, fajlagos üzemi költségüket és hálózati terhelésüket illetően tekinthetők előnyösebbnek. Mechanikai egység

A ponthegesztőgépek mechanikai egysége a gépvázat és az elektródmozgató mechanizmusokat foglalja magába. Az állványos gépek masszív felépítésűek, megerősített nyitott (C típusú) állvánnyal. Különösen nagy torokmélységnél a szerkezet rugalmas deformációja a ponthegesztés minőségét veszélyeztetné és az elektródok élettartamát előnytelenül befolyásolná. A mozgatható és a többponthegesztő gépek hegesztő fejei anyagukat és szerkezeti kialakításukat tekintve könnyűszerkezetes kivitelűek, amihez speciális, szabadalmakkal védett villamos megoldások tartoznak. Elektródegység

Amint azt a 4.46. láttuk, az elektródmozgató mechanizmus, vagy más néven elektródegység az elektródokból, az elektródtartókból, a mozgató mechanizmusból, és az elektróderőt megvalósító részegységből áll. Az elektródokkal fontosságuk miatt a későbbiekben külön foglakozunk. Az elektródtartó a tőle elvárt jó villamos- és hővezetőképesség miatt minden esetben rézötvözetből készül. Az elektród szabványos morse kúppal csatlakozik az elektródtartóhoz, ami az áram- és erőátadás mellett a hűtővízzel szembeni tömítést is megvalósítja. Az elektródtartók méretét és alakját a gyártmányhoz igazítják. A gyártók ponthegesztőgépeikhez sokféle kialakítást kínálnak. A katalógusból rendelhető elektródtartókkal a hegesztőgépek alkalmazási területe jelentősen bővíthető. Az elektródtartók mérete és kialakítása az ablakveszteség révén jelentősen befolyásolja a megvalósuló hegesztési paramétereket (főként az áramerősséget). Szabályozóegység

A szabályozó- (régi elnevezéssel: vezérlő-) egység egyik fő feladata az áramkör ki- és bekapcsolása. Itt a feladat bonyolultságát az okozza, hogy igen nagy áramerősségek kapcsolásáról van szó és a kapcsolásnak adott időpontban és rendkívül rövid idő alatt kell megtörténnie. A szabályozóegységnek kontrollálnia kell bekapcsoláskor az áramnövekedés sebességét, a hegesztési ciklusban az áramerősség nagyságát és kikapcsoláskor az áramcsökkenés sebességét. Az elektrotechnika és elektronika mai fejlettségi szintje lehetővé teszi, hogy a hőáram

260

HEGESZTÉS


finom beállítását a félperióduson belüli gyújtásszög (fázisszög) változtatásával oldják meg (ún. vízszintes szabályozás). A egység másik feladata, hogy a hegesztési ciklushoz tartozó időket a lehető legnagyobb pontossággal határozza meg. Mivel az előnyomási idő, a hegesztési főidő és az utánnyomási idő az esetek többségében jóval egy másodpercen belüli érték, a reprodukálható és pontos kapcsolás különleges és pontos elektronikát igényel. 4.5.4.2.3. Elektródok

Az elektródok az ellenállásponthegesztés összetett feladatkört ellátó, nemolvadó hegesztőanyagai. Az elektródok anyagai

A villamos ellenálláshegesztés elektródájával szemben a következő követelményeket támasztják: − ne szennyeződjön a hegesztendő fémmel, − legyen jó villamosvezető, − legyen jó hővezető, − legyen szilárd és kopásálló, − mechanikai tulajdonságai a hőmérséklet növekedésekor csak lassan romoljanak. Mivel a felsorolt igények egymásnak ellentmondóak, nincs olyan anyag, amely valamenynyi szempontnak egyaránt eleget tenne, ezért az elektródokat kompromisszumként réz helyett keményebb és megeresztésállóbb rézötvözetből (bronzok), vagy újabban réz mátrixú, diszperziós kompozitokból készítik. A legismertebb elektródbronzok Cd-ot, Cr-ot, Ni-t, Be-ot és Co-ot tartalmaznak. A gyártók az új fejlesztéseik eredményeként az ónozott, horganyzott vagy más fémbevonattal ellátott lemezek ponthegesztéséhez a régebben használt Cu-Zr és Cu-Cd-Zr ötvözetek helyett a Cu-Al2O3 kompozit anyagú, porkohászati úton előállított elektródokat ajánlják. Ezek az ötvözetek kevésbé hajlamosak a bevonófém oldására, ezért kevésbé szennyeződnek, eredeti tulajdonságaikat tovább megtartják. Különösen nagy terhelésre (nagy áramerősség, hosszú hegesztési idő, nagy elektródnyomás és nem kielégítő hűtés) porkohászati Cu-W kompozitokat fejlesztettek ki. Ezekben a modern elektródanyagokban a W tartalom az 50 %-ot is meghaladhatja. Ugyancsak nehéz körülmények közötti hegesztéshez réz vagy bronz foglalatú, volfrámból vagy molibdénből gyártott elektródcsúcsokkal (betétekkel, rátétekkel) ellátott elektródokat alkalmaznak. Ezekben a kombinációkban a a réz biztosítja a jó villamos- és hővezetést, míg az elektródcsúcsok a szilárdságot, keménységet, kopásállást és a hosszú élettartamot. A legkorszerűbb, legnagyobb igénybevételnek kitehető elektródák szintén porkohászati módszerekkel készülnek. A réz mátrixban elkevert, néhány százaléknyi, mikrométernél finomabb méretű Al2O3 szemcsék a villamosan és termikusan jól vezető mátrixfémet diszperziósan keményítik. Mivel az alumíniumoxid a rézben nem oldódik, az elektródanyag nagyobb hőmérsékleten is megőrzi keménységét, vagyis megeresztésálló. A kompozit elektródokkal az élettartam a hagyományos elektródbronzokhoz képest akár tízszeresére is megnövelhető. Az elektródanyagokkal kapcsolatos további információk az IIW és az RWMA (Resistance Welder Manufacturers Association) elektródokkal foglalkozó direktíváiban találhatók.

261


HEGESZTÉS

Az elektródok geometriai kialakításai

Az ellenállásponthegesztés elektródjai funkcionálisan a következő részekből épülnek fel (4.47. ábra): csatlakozó kúp, hűtőfurat, elektródtest, hegesztőcsúcs. Hűtőfurat

Csatlakozó kúp

Elektródatest

Csúcsbetét Hegesztőcsúcs

Cserélhető elektródacsúcs

4.47. ábra. Az elektródok szerkezeti kialakításai A szabványos kúpszögű és átmérőjű csatlakozó kúp az elektródtartóval biztosítja a központos, jól tömítő, erőátvitelre alkalmas kapcsolatot. A hűtés céljára kiképzett zsákfurat a hűtővízzel való hőcserét és a vízáram megfordítását szolgálja. Az elektródtest kialakításakor a munkadarab geometriai sajátosságait veszik figyelembe. A hegesztési hozzáférés biztosítása miatt a szimmetrikus, egyenes elektródok nem mindig elégségesek, ezért időnként mechanikailag kedvezőtlenebb, hajlított és aszimmetrikus elektródalakokra és bonyolult geometriájú elektródtartókra is szükség lehet. A hegesztőcsúcs az elektród legfontosabb része. Szerepe kiterjed a hegesztendő alkatrészek összeszorítására, az árambevitel biztosítására, a szilárduló heglencsék hűtésére, a felsoroltak eredőjeként az elkészítendő hegpont méreteinek (átmérő és vastagság) befolyásolására. A csúcsbetétek anyaga rendszerint porkohászati úton gyártott W vagy Mo. A réz elektródtest a jó villamos- és hővezetőképességet biztosítja, a betét anyaga kemény, megeresztésálló és a hegesztendő tárggyal a réznél kevésbé szennyeződik. A cserélhető hegesztőcsúcsok (betétek és rátétek) anyagtakarékosak, mert a kritikus mértékű kopás után az egész elektród helyett csak a hegesztőcsúcsot kell kicserélni. Az elektródtest és a hegesztőcsúcs menetesen vagy kúposan kapcsolódik. A hegesztőcsúcsokat, amelyek katalógusból rendelhető, kereskedelmi árucikkek, külső- és belsőmenetes, vagy kúpos csatlakozóvéggel gyártják. Az elektródok különböző geometriai kialakítással készülnek. A legelterjedtebb hat elektródalakot az MSZ EN 25184:1995 alapján a 4.48. ábra szemlélteti. A 4.48. ábra szerint az elektródoknak a munkadarabbal érintkező felülete sík (B, C, D típus) vagy gömbsüveg (A, E, F típus) geometriájú. Az elektródvég geometriai kialakítása a hevítési, alakítási és anyagszerkezeti folyamatok befolyásolásával és időbeli lefolyásának megváltoztatásával aktívan hat a kötés minőségére, ami alatt a hegpont keresztmetszeti alakját, átmérőjét és magasságát, a benyomódás alakját és méretét, a varrathibákat (eltéréseket) és a kötés mechanikai jellemzőinek alakulását kell érteni.

262

HEGESZTÉS


A típus

R gö

mb

B típus

C típus

E típus

F típus

30°

D típus

gö

R

20°

m b

30°

4.48. ábra. Különböző szabványosított elektródkialakítások ellenállásponthegesztéshez Vegyük példának a gömbsüveg végű elektródokkal végzett ponthegesztés esetét. Az elektród (állandó elektróderőt és hegesztőáramot feltételezve) kezdetben csak kis felületen érintkezik a munkadarabbal, a nagy felületi nyomás segít az esetleges felületi hártyák áttörésében (lásd az alumíniumot) és a helyi kontaktus minőségének javításában. A kis érintkezési felületen áthaladó hegesztőáram nagy áramsűrűséget hoz létre. A folyamat előrehaladtával az elektród homlokfelülete időben lassuló jelleggel nyomódik az anyagba, növekszik az érintkezési felület nagysága, csökkennek a felületi jellemzők (nyomás és áramsűrűség). A folyamat végére kialakuló gömbsüveg alakú benyomódás íves, folyamatosan változó jellege kevésbé észrevehető és zavaró, mint a csonkakúppal létrehozott bemélyedés. Hozzáférési problémák (peremek, sarkok) esetén az elektródvégződéseket excentrikusan alakítják ki, vagyis a munkadarabbal érintkező felületet az elektród tengelyvonalától valamelyik irányban eltolják (D típus). Az ilyen kialakítású elektródok a gyártmányhoz igazított elektródtartókkal együtt igen változatos gyártmányok hegesztését teszik lehetővé. A síklapvégződésű elektródokat (C típus) elsősorban dudorhegesztéshez használják. Előnyös ez az elektródkialakítás akkor is, amikor a ponthegesztett gyártmány legalább egyik oldalán a lehető legkisebb felületi bemélyedés a kívánatos. Az elektródcsúcsok átmérője

A csonkakúp végződésű elektródok de átmérőjét a készítendő pontátmérő nagysága (dp) és az s lemezvastagság függvényében választják meg. A ponthegesztéssel létrehozandó varratátmérő alsó és felső határértéke, valamint optimuma a következő:

263


HEGESZTÉS

d ρ min = 3,5 ⋅ s , d ρ opt = 5 ⋅ s ,

(4.33)

d ρ max = 7 ⋅ s Mivel jó közelítés szerint a pontátmérő intervallumának közepe az elektródátmérővel egyezik meg, az elektródátmérőket a dp opt-ra adott összefüggéssel szokás meghatározni. A összefüggés szerint 1 mm-es lemezvastagságok összehegesztéséhez 5 mm-es, 2 mm-esekhez 7 mm-es elektródátmérőt használnak. Különböző lemezvastagságok hegesztésekor az adott oldali lemezvastagságnak megfelelő, tehát eltérő csúcsátmérőjű elektródokat célszerű használni, ezért a képletbe az elektróddal érintkező lemez vastagságát kell behelyettesíteni. Ha a hegesztést az általános gyakorlattól eltérően azonos elektródátmérővel végzik, akkor két lemez ponthegesztésekor a kisebbik, három lemez hegesztésekor a második legnagyobb lemezvastagságot kell a számítóképletbe behelyettesíteni. A csonkakúp végű elektródok hegesztés közben kopnak, ezért az átmérő folyamatosan növekszik. Amikor az elektródátmérő eléri a névleges érték 1,3-szorosát, az elektródot fel kell szabályozni. A felszabályozás az elektród kiszerelésével vagy anélkül is elvégezhető. Az utóbbi sorozatgyártásban ma már rutinnak számít. A gömbsüvegben végződő elektródok gömbjének sugarát a hegesztendő lemezvastagság függvényében kell megválasztani: 1 mm-es lemezvastagsághoz 50 mm, 2 mm-eshez 75 mmes gömbrádiusz használata ajánlott. Az ellenállásponthegesztés geometriai korlátai

Korábban már utalás történt arra, hogy a ponthegesztett szerkezetek nagyon gyakran (sőt szinte kizárólagosan) egynél több pontot tartalmaznak. Többpontkötéseknél a második és azt követő pontok hegesztésekor az áram egy része (a Kirchoff törvényeknek megfelelően) a már elkészült ponto(ko)n halad, az így fellépő sönthatás miatt az aktuális pontot a beállítottnál kisebb áramerősséggel hozza létre, ami a pontátmérő csökkenéséhez, ennek következtében a hegpont mechanikai jellemzőinek romlásához vezet. A söntveszteség elfogadható mértékűre való csökkentése érdekében a pontok egymástól mért e1 minimális távolságát (közelállását) szabályozni kell (4.49. ábra). A minimális ponttávolságot többnyire a pontátmérőre vonatkoztatják, ennek mérési nehézségei miatt a pontátmérőt az elektródátmérővel fennálló korreláció dp≈de miatt az elektródátmérővel fejezik ki. Ökölszabályként kezelhető, hogy a pontok középvonalainak távolsága nem lehet kisebb, mint az elektródátmérő háromszorosa. Az egyes ágazati követelmények ennél a határértéknél nagyobb távolságot is előírhatnak. A vékony lemezekben vezetés révén gyorsan terjedő hőenergia a hegesztendő lemez éleinél feltorlódik, a pont körüli hőmérsékleteloszlás aszimmetrikussá válik. A lemezélek közelében a fém kifröccsenését megakadályozó zárógyűrű kialakulása nehézségekbe ütközik, emiatt a lemezél felé mutató irányban az olvadt fém nagyobb valószínűséggel fröccsen ki. Végül, de nem utolsósorban a pontkötés terhelés hatására a lemezéltől kiinduló repedés terjedése révén kisebb terhelhetőségű, mint az éltől távoli pontkötések. A felsorolt három ok miatt a pontkötések lemezéltől való minimális távolságát (minimálisan az elektródátmérő kétszeresében) szintén korlátozzák (lásd 4.49. ábra).

264

HEGESZTÉS


de e3

F

e1

F

e1 e3

e2

e1

e1

e2

4.49. ábra. A többpontkötések javasolt geometriai korlátai acél vékonylemezek ponthegesztéséhez: e1=(3…6)de; e2=(2,5…4,5)de; e3=(2…4)de 4.5.4.2.4. A ponthegesztés technológiája

A ponthegesztés munkarendi adatait a gépkezelő (operátor) részére készített hegesztési utasítás (WPS) összegzi. A WPS-ben szereplő adatoknak egyértelműen össze kell foglalnia a hegesztés körülményeit, az operátor teendőit és utalniuk kell egyéb fontos információkra. A ponthegesztés WPS-ének tartalmáról az EN ISO 15614-12:2004 intézkedik. A ponthegesztés ciklusdiagramja

Az egymásután készített, egymástól t osztástávolságra elhelyezett pontkötések elkészítésének lépéseit a hegesztés négy nagyobb szakaszt tartalmazó ciklusdiagramjából olvashatjuk le 4.50. ábra). A tc ciklusidő négy, egymástól jól elkülöníthető szakaszra osztható. Az első, előszorításnak nevezett fázis te ideje alatt az elektródok összezárnak és a beállított nyomóerővel a két megtisztított felületű lemez között kontaktust létesítenek. A pneumatikus hengerek véges működési sebessége és a munkadarab geometriájából következő esetleges hosszabb megközelítési utak, valamint a jó érintkezés kialakításának időigénye miatt az előszorítási időnek megfelelő hosszúságúnak kell lennie. A hegesztési ciklus második szakasza az áramátfolyás, ahol a tulajdonképpeni hegesztés játszódik le. A hőfejlődés szempontjából kiválasztott nagyságú átmeneti ellenállást létrehozó kontaktus kialakulása után az Ih hegesztőáram szikrázás és elektródkárosodás veszélye nélkül bekapcsolható. Az áramátfolyás th ideje a hegesztési idő, más néven főidő. Fe Ih

Fe Ih

t te

th

tu

tsz

tc

4.50. ábra. A ponthegesztés ciklusdiagramja váltakozóáramú hegesztésnél A harmadik ciklus az utánszorítás, amelyben az áram kikapcsolása utáni hűtést elsősorban a kristályosodás közbeni térfogatcsökkenés kompenzálása miatt összeszorított elektródokkal 265


HEGESZTÉS

végzik. Az utánszorítás idejét tu-val jelöljük. Az utánnyomás során a vízhűtésű elektródok hűtőhatása érvényesül, a pontvarratok a léghűtésnél gyorsabban hűlnek. A növelt hűtési sebességre az edződésre hajlamos acélok (pl. a gyengén ötvözött nagyszilárdságú acélok (HSLA), egyes légköri korrózióálló acélok, a közepes karbontartalmú, nemesíthető acélok) rosszul reagálnak. Többponthegesztésnél a munkadarab (hegesztő fogónál a hegesztőgép) léptetését a tsz szünetidő alatt végzik el. Automatikus üzemben a szünetidő programozott, kézi üzemben a gépkezelőtől függ. A ponthegesztés munkarendje

A ponthegesztés közben képződő ellenálláshőt a Φ hőáram idő szerinti integrálja adja. Időben állandó áramerősség és hegesztő feszültség esetén az integrálás egyszerűen elvégezhető: tf

E=

tf

∫ Φ ⋅ dt = ∫ U

t =0

h

⋅ I h ⋅ cos ϕ ⋅ dt =U h ⋅ I h ⋅ cos ϕ ⋅ t f

t =0

(4.34)

Az összefüggés szerint ugyanazt a hőenergiát rövidebb ideig ható nagyobb hőárammal (nagyobb hegesztőárammal) és hosszabb ideig ható kisebb hőárammal (alacsonyabb hegesztőárammal) is elő lehet állítani 4.51. ábra). Az előbbi kombinációt kemény, az utóbbit lágy munkarendnek nevezik. Minden olyan esetben a kisebb veszteségekkel járó és rövidebb ideig tartó, tehát gazdaságosabb kemény munkarendet kell használni, amikor ennek feltételei fennállnak.

th t3

Φopt ( d p = 5 s ) lágy munkarend

Φmax( d p = 7 s ) t2 kemény munkarend

Φmin( d p = 3,5 s ) t1 extrakemény munkarend

Ih 4.51. ábra. A ponthegesztés munkarendjeinek szemléltetése: adott anyagminőségű és vastagságú lemezek ponthegesztése a sraffozott területen belül lehetséges Lágy munkarend használatára edződő anyagoknál a hűléssebesség csökkentése céljábó kényszerülünk, illetve ha nem áll rendelkezésünkre elég nagyteljesítményű hegesztőberendezés a kemény munkarend használatához. Az utóbbi évtizedekben olyan kisebb tömegű és nagy villamos teljesítményű ponthegesztőgépeket fejlesztettek ki, amelyekkel az energiatárolós hegesztésekhez hasonló extrakemény munkarendű hegesztés vált lehetővé. Az extrakemény munkarendet az öt ciklusnál nem hosszabb hegesztési főidő és a hozzá tartozó, igen nagy áramerősség jellemzi. Az extrakemény munkarendnél (korrekten megválasztott elektróderőt és jó kontaktust feltételez-

266

HEGESZTÉS


ve) fröccsenésmentes, kis benyomódású pontkötések készíthetők a lehető legkisebb hővezetésből eredő veszteséggel. A kötési hely felületelőkészítése

A reprodukálhatóság és a minőségi követelmények egyenletesen tiszta felületeket kívánnak. A jó és közel azonos átmeneti villamos kontaktus csak tiszta és sima felületen valósul meg leginkább. A szennyeződések a kötésben maradva gáz- és salakzáródmányokat, súlyosabb esetben kötéshibát okozhatnak. A szennyeződések az elektródok élettartamát csökkentik. Ellenállásponthegesztéshez a fényes felületű, hidegen hengerelt termékek felelnek meg leginkább. A melegen hengerelt, vagy levegőatmoszférában hőkezelt, revés felületű lemezek hegesztése nem hozza a kívánt minőséget. A festett vagy zománcozott felület nem hegeszthető. A galvanikus bevonattal ellátott lemezek hegesztése különleges technológiát kíván. A felülettisztítást mindig közvetlenül a hegesztő művelet előtt kell elvégezni. Tisztítás után a munkadarabokat úgy kell megfogni és mozgatni, hogy a hegesztési helyek újraszennyezése elkerülhető legyen. A technológiai paraméterek megválasztása

A ponthegesztési műveletben adott alsó határnál nagyobb heglencseátmérő és lencsevastagság, az alkalmazási célból következő kis benyomódási mélység és keskeny hőhatásövezet, illetve kisterületű hőhatásövezeti elszíneződés és a megengedett értékeket meg nem haladó eltérésekkel (MSZ EN ISO 6520-2:2001 szerinti porozitás, repedés, salakzárványok, kifröcscsenési nyomok, stb.) jellemzett kötés létrehozása a cél. A ponthegesztés technológiai munkarendjét úgy kell megválasztani, hogy a meghatározó paraméterek együttesen az elvárt pontátmérőjű és minőségű kötést eredményezzék. Ennek érdekében a következőkre kell megkülönböztetett figyelmet fordítani: − megfelelő hőáramsűrűség és energiabevitel biztosítása, − a szükséges összenyomás és képlékeny alakítás biztosítása, − hegeszthetőségi nehézségek elkerülése, vagy mértékének csökkentése. A technológia meghatározása az elektród geometriai típusának, átmérőjének és anyagának meghatározását, az elektróderő megállapítását, a hegesztőáram nagyságának és a hegesztési időnek a meghatározását jelenti. A további körülmények a ponthegesztés eredményét kevésbé befolyásolják, de helyes megválasztásukkal és állandó értéken tartásukkal a hegesztés megbízhatósága és reprodukálhatósága biztosítható. Az MSZ EN ISO 14327:2004 szabvány szerint egy ponthegesztési feladat megoldására számításba vehető th-Ih kombinációkat az állandó elektróderőhöz tartozó hegesztési áram-idő tartomány jelöli ki. Ennek származtatását a 4.52. ábra követhetjük. A tartományt bal oldalról a még elfogadható legkisebb pontátmérő (d p = 3,5 s) , jobb oldalról a kifröccsenés határolja. Szaggatott vonallal a legkedvezőbbnek tartott pontátmérőhöz (d p = 5 s) tartozó hőáramot jelöltük. A minimális idő acéloknál 5 periódus, jó vezetőképességű, extrakemény munkarendet igénylő anyagoknál (pl.: Al ötvözetek) ennél kevesebb is lehet. A legnagyobb időt a benyomódási vagy elszíneződési kritériummal állapíthatjuk meg, vagy a rendelkezésre álló hegesztőgép áramerősség korlátja határozza meg. Gyakori, hogy a hegesztőgép gyártók és forgalmazók az adott gépre vonatkozó, a gép beállíthatósági tartományába eső (tájékoztató jellegű) adatok megadásával segítik a hegesztéstechnológiát kidolgozó mérnök munkáját.

267


HEGESZTÉS

th tmax

Kifröccsenés

d p = 3,5 s

dp = 5 s

tmin

Ih 4.52. ábra. Ponthegesztési áram-idő tartományok származtatása A ponthegesztés technológiai adatainak beállítása és ellenőrzése

A ponthegesztés technológiai utasításában (WPS-ében) összegzett paramétereit és nem paraméter jellegű körülményeit pontosan és reprodukálhatóan kell beállítani. Biztosítani kell, hogy a beállítások az idő előrehaladtával is azonosak maradjanak. A modern ponthegesztőgépek programozhatók, ez különösen érvényes a robotmechanizmussal mozgatott ponthegesztő fogókra és sorozathegesztést végző állványos gépekre.

4.53. ábra. Jellegzetes áramalakok megjelenítése a digitális árammérőhöz csatolt oszcilloszkóppal A régebbi gyártású, vagy olcsóbb kivitelű mai ponthegesztőgépeket nem látták el a minőségbiztosítás által megkövetelt beállítás-ellenőrző és a tényleges hegesztési adatokat kijelző műszerekkel. Ezeknek a gépeknek a műszak-kezdeti beállítása és időszakos ellenőrzése csak

268

HEGESZTÉS


hordozható műszerekkel oldható meg. Ilyen kiegészítő eszközök ma már kereskedelmi áruként beszerezhetők, illetve erre szakosodott vállalkozásokkal „méretre” is elkészíttethetők. Különösen hasznos a mérőműszerek használata olyan esetekben, amikor az irodalmi ajánlások fizikai egységekben állnak rendelkezésünkre, a hegesztőgépen pedig skálaértékeket (ún. gépi változókat) kell beállítani. A hegesztési ciklus áramváltozása oszcilloszkóppal követhető. Az oszcilloszkóp képernyőjén (4.53. ábra) az áramfelfutás, konstans áram, áramlefutás, áramszünet, hőkezelő áram jól megfigyelhető és a gép működése ellenőrizhető. 4.5.4.2.5. A ponthegesztett kötés minőségvizsgálata

A ponthegesztett kötés minőségét különböző vizsgálatokkal ellenőrzik. Közülük kétségtelenül a mechanikai vizsgálatoké a vezető szerep, de a további (geometriai eltérések, mikroszkópiai és roncsolásmentes hibakereső) vizsgálatok jelentősége sem vitatható. A vizsgálati ajánlások és előírások az általános felhasználáson kívül az egyes alkalmazások speciális követelményeit is figyelembe veszik. Az ellenálláspont-, vonal- és dudorhegesztésre vonatkozó technológiai utasítást (WPS-t) az MSZ EN ISO 15609-5:2004 alapján kell elkészíteni. A technológia minősítésekor (WPQR) az elvégzendő vizsgálatok körét az MSZ EN ISO 15614-12:2004 jelű szabvány a következőkre terjeszti ki: − szemrevételezés, − nyíróvizsgálat, − keresztszakító vizsgálat, − csavaróvizsgálat, − felszakító vizsgálat, − szétfeszítő vizsgálat, − keménységvizsgálat (opcionális), − makrovizsgálat). A kevésbé elterjedt vizsgálatokat terjedelmi okokból itt nem részletezzük. Szemrevételezés

A ponthegesztett kötéseket 6…10-szeres nagyítású nagyítóval, a takart részeket tükörrel és/vagy és endoszkóppal vizsgálják. A vizsgálat során az elektródok benyomódását, a lemezek szétnyílását, a felületi repedéseket, krátereket, a fémolvadék kinyomódását és kifröccsenését, valamint az elektródokból esetlegesen átkerült réznyomokat ellenőrzik. A szemrevételezéssel hibátlannak talált pontkötés még lehet csökkent értékű, mivel a varrat belső hibái (üregek, zárványok, repedések, összeolvadási hibák) kívülről nem láthatók. Nyíróvizsgálat

A 0,5…10 mm vastag lemezek pont-, dudor- és vonalhegesztett kötéseinek nyíróvizsgálatát az MSZ EN ISO 14273:2002 szerint végzik. A nyíró- (régebbi, pontosabb szóhasználattal nyíró-szakító) vizsgálat a pontkötések legáltalánosabban használt roncsolásos vizsgálata, ami leginkább figyelembe veszi a pontkötések átlapolt jellegét és vékonylemezes felépítését. A próbatestkialakítások többsége 4.54. ábra) tiszta nyírás körülményeinek megteremtését célozza.

269


HEGESZTÉS

F

F a.

F

F

F

F

F b.

c.

F d.

4.54. ábra. Különféle próbatestkialakítások nyíróvizsgálathoz: a. egyszerű nyíró próbatest; b. javított nyíró próbatest; c. háromlemez-kötés; d. hevederes kötés A nehezen biztosítható tiszta nyírási körülmények és a hasonlóan körülményesen meghatározható nyírt keresztmetszet miatt a vizsgálatból nem származtatható feszültség jellegű szilárdsági mérőszám, csak törést okozó erő, amit elfogadható mechanikai nagyvonalúsággal nyíróerőnek neveznek. A szabványosított nyíróvizsgálathoz (az ellenálláshegesztésekre kidolgozott többi mechanikai vizsgálathoz hasonlóan) 11 db próbatestet kell készíteni. A nyíróvizsgálat során a kötés törése a lemezek szétválásával (a pont elnyíródásával) vagy a hegpont kiszakadásával (kifordulásával, kigombolódásával) megy végbe. A vizsgálat eredménye a tönkremenetelt okozó Fny nyíróerő, amit kN egységben szokás megadni. A 11 elemű minta statisztikai jellemzői (terjedelem, átlag, szórás, az átlag szórása, konfidencia intervallum) jó tájékoztatást adnak a kötés terhelhetőségéről és a technológia stabilitásáról. Az n<30 elemű minták esetében a nagy (elméletileg ∞) elemszámú sokaságra vonatkozó normális eloszlást a mintaelemszámot is figyelembe vevő, ezért jóval pontosabb eredmény adó Student eloszlással célszerű helyettesíteni. A Student eloszlás segítségével meghatározható a pontkötés Fm méretezési nyíróereje, vagyis az a nyíróerő, amit a pontkötések 95 %-a még törés nélkül elvisel. A méretezési nyíróerő az átlagos nyíróerőnek az átlag szórásának tszeresével (a konfidencia intervallum félszélességével) csökkentett értéke: Fm = F − t(95%;10) ⋅ ahol:

s n

t95

[kN] a minta átlaga, 95 % megbízhatósági szinthez és f=10 szabadságfokhoz tartozó Student tényező ( t 95%; f =10 = 2, 228 ),

s n

[kN] [db]

F

(4.35)

a minta szórása, a minta elemszáma.

Makrovizsgálat

A hegesztett kötésekről készített keresztcsiszolat 4.55. ábra) igen fontos és látványos információkat szolgáltat magáról a kötésről és közvetve a hegesztéstechnológiáról. 270

HEGESZTÉS


A maratott keresztcsiszolati képeken 5…10-szeres nagyításban jól látszik az alsó és felső elektród benyomódása, a benyomott felületek esetleges rézszennyezettsége, a lemezek szétnyílása, a lemezek közé kinyomódott fémolvadék nyoma, a megolvadt heglencse elhelyezkedése, alakja és méretei, az elsődleges dendritek főirányai, a varratkörüli, szilárdfázisban hegedt (nem olvadt) zóna és az esetleges varrathibák.

4.55. ábra. 1,5 és + 2,5 mm névleges vastagságú acéllemezek ponthegesztett kötésének makroképe Hibakereső vizsgálatok

A ponthegesztett kötések roncsolásmentes vizsgálata a minőségellenőrzésben nem tölt be olyan fontos szerepet, mint azt az ívhegesztéseknél megszoktuk. Konstrukciós és biztonsági okokból a pontkötésekből szinte minden szerkezeti részegységben egynél többet alkalmaznak, ezért egy-egy kötés esetleges értékcsökkenése nem vezet katasztrófához. Az ismert eljárások közül az ultrahangos és a hangemissziós vizsgálatot érdemes megemlíteni, amit folyamatközi minőségfelügyelet céljából magába a hegesztőberendezésbe építetten alkalmaznak. A jó kötésre jellemző jelalak betáplálásával és eltárolásával a szabályzó egység képes a csökkent értékű kötéseket felismerni és megjelölni. Alacsony feszültségű röntgensugárral a pontkötésekről igen jó minőségű felvételek készíthetők, amiken a hegpont belső hibái és eltérései jól felismerhetők. 4.5.4.2.6. A ponthegesztés alkalmazási területe

A ponthegesztés elsősorban a vékonylemezek kötéstechnológiája, mivel az 5 mm-nél vastagabb lemezek hegesztéséhez (különösen a kemény munkarendhez) igen nagyteljesítményű gépek szükségesek. Ezek jelentős primer áramfelvétele különleges nagykeresztmetszetű hálózatot igényel, sokszor önálló transzformátorral. Megfelelő hálózat és hegesztőgép birtokában az 5 mm-nél vastagabb lemezek is ponthegeszthetők, a ma ismert rekordvastagság 25…30 mm-re tehető. Mindazonáltal a rendelkezésre álló korlátozott gépteljesítménnyel vastagabb lemezek is hegeszthetők, ha egy hevítő ciklus helyett több ciklust alkalmazunk (impulzus ponthegesztés), szükséges esetben a 4.17. ábrával kapcsolatban ismertetett különleges nyomásciklusok valamelyikével párosítva. Az anyagféleségek tekintetében a fém(ötvözetek) és a fémbázisú kompozitok ponthegeszthetők. Az autóiparban pl. hegesztenek olyan réteges kompozitot is, ahol két acéllemez között vékony rezgéselnyelő polimerréteg helyezkedik el. A széles körben használt acélok közül az ötvözetlen, vagy gyengén ötvözött szerkezeti acélok, a gyengén ötvözött időjárásálló acélok, az erősen ötvözött (ferrites, duplex és austenites) korrózióálló acélok egyaránt jól hegeszthetők.

271


HEGESZTÉS

Az edződésre hajlamos acéloknál a karbontartalom és a lemezvastagság felülről korlátozva van, ennek túllépésekor a hegesztési cikluson belüli utóhőkezelés (megeresztés) válik szükségessé. Az ón és cinkréteg az elektródák élettartamát csökkenti, de a bevont lemezek hegesztése a bevonatlan lemezekre meghatározott adatoktól eltérő villamos és mechanikai paraméterekkel lehetséges. A hegesztési paraméterek a bevonat anyagától és vastagságától függenek. A szükséges hőáram általában nagyobb, mint az azonos vastagságú és anyagú, de bevonatlan lemezekhez szükséges érték. Az elmúlt években (az autóiparból) erőteljes igény jelentkezett az alumíniumötvözetek ellenállásponthegesztésére. Az alumínium és ötvözeteinek hegesztés szempontjából kedvezőtlen tulajdonságai (nagy hővezetőképesség, lunker- és repedésképződési hajlam, nagy hidrogénelnyelés, a képlékenységi küszöb és az olvadáspont közelsége) ellenére a hegesztés megfelelő hegesztőgépek és technológia birtokában kivitelezhető. A hegesztés kemény, vagy extrakemény munkarenddel lehetséges, ez nagyteljesítményű áramforrásokkal és kondenzátorokban tárolt energia (igen rövid idejű) kisütésével állítható elő. Az alumínium fokozottan igényes hegesztéséhez (repülőgépipar) egyenáramú gépeket és invertereket gyártanak. Igen gyakori a hevítési elektróderőhöz képest megnövelt zömítőerő alkalmazása is. 4.5.4.3. Dudorhegesztés

Az ellenállásponthegesztés egyik gyengesége, hogy a lemezek közötti optimális helyi érintkezést az elektródok összeszorításával kell létrehozni. A jó érintkezéshez a lemezeket deformálni kell, ami a különböző alakváltozási lehetőségek (kötöttségek) miatt pontról-pontra változó nagyságú erőt igényelne. Más probléma adódik abból, hogy a lemezeket deformálni hivatott elektróderő növelésével a lemezek közötti (R6 jelű) átmeneti ellenállás a kívánt érték alá csökkenhet, az elektródok élettartama megrövidülhet. Az adott nehézségek kiküszöbölésére fejlesztették ki a dudorhegesztést, ami vékonylemezek esetében a ponthegesztés javított változatának tekinthető. A 23-as alcsoportba tartozó dudorhegesztésnek két alváltozata van, a 231 számjelű egyoldali vagy indirekt, és a kétoldali vagy direkt dudorhegesztés (számjele 232). A két alváltozat geometriai elrendezése megegyezik a ponthegesztésnél bemutatottal. 4.5.4.3.1. A dudorhegesztés elve

A dudorhegesztés olyan villamos ellenálláshegesztés, amelynél az áramkör záródása és az anyag helyi hevítése a hegesztendő munkadarabok előre meghatározott (természetes vagy mesterségesen kialakított) kiemelkedésein (dudorain) valósul meg. A dudorok miatt nincs szükség arra, hogy (a ponthegesztésnél megismert módon) az érintkezési és áramátfolyási helyet és felületet adott geometriájú és méretű elektródokkal jelöljük ki, ezért dudorhegesztéskor hosszabb élettartamú, nagy kiterjedésű síkelektródok alkalmazására nyílik lehetőség. Az ilyen elektródokkal egyszerre több pont is készíthető és élettartamuk a nagy érintkező felület miatt összehasonlíthatatlanul hosszabb lesz, mint a ponthegesztő elektródoké. A dudorhegesztett hegesztett kötés kialakulásának menete a 4.56. ábra követhető. A dudorhegesztés sikerét a technológiai paraméterek helyes megválasztása mellett a dudorok elhelyezése, geometriája és méretei nagymértékben befolyásolják. A dudorok tulajdonképpen az egyik vagy mindkét darabon megtalálható kiemelkedések, amelyek a hegesztés során az előre meghatározott nagyságú felületi érintkezést éppen a kívánt helyen biztosítják. A dudorok mesterségesen, többnyire hidegalakító, vagy forgácsoló művelettel készülnek. A természetes dudorkialakítású kötések a mesterséges dudorok általánosításának tekinthetők, amelyekkel a dudorhegesztés a vékonylemezekről további geometriai alakzatokra is kiterjeszthető. 272

HEGESZTÉS


a.

b.

c.

d.

4.56. ábra. A dudorhegesztett kötés kialakulása mesterséges dudorral ellátott finomlemezeknél 4.5.4.3.2. Dudorhegesztés mesterséges dudorokkal

Mesterséges dudorokkal alapvetően vékonylemezeket hegesztenek. A legfontosabb kötéstípusok a következők: − lemez–lemez átlapolt kötés, − lemez–lemez merőleges kötés, − lemez–csap merőleges kötés, − lemez–cső merőleges kötés. A mesterséges dudorkiképzésű dudorhegesztés kevésbé érzékeny a felületi szennyeződésre, mint a ponthegesztés, mivel a dudor képlékeny alakítása, vagy forgácsolása közben a komoly problémát okozó szennyezők (pl. jól tapadó reve) a művelet során spontán leválnak vagy más módon eltávolíthatók. Átlapolt helyzetű lemez-lemez kötés

A legáltalánosabbnak és a legtipikusabbnak valamennyi eset közül a lemez–lemez kötés tekinthető. Ezeknél rendszerint csak az egyik lemezen alakítanak ki kiemelkedéseket, a másik lemez sík marad. A dudorhegesztés akkor a leggazdaságosabb, ha az előgyártmányok egyébként is valamilyen képlékeny hidegalakító művelettel (kivágás, lyukasztás, sajtolás, hajlítás, mélyhúzás, stb.) készülnek, mivel ekkor a dudorok elkészítése az alakítási műveletek sorába könnyen beilleszthető. A dudorok geometriája a 4.57. ábra szerint többféle lehet. Leggyakoribbak a gömbsüveg és csonkakúp-szelvényű szerszámmal készített pont-, illetve foltszerű kiemelkedések, de kisebb méreteknél hosszúkás, vagy gyűrű alakú dudorok is kiképezhetők, sőt utóbbiakkal akár hermetikusan záródó kötések is készíthetők. A dudorok felületét és magassági méretét alulról az a feltétel korlátozza, hogy az előszorítási erőt a dudoroknak összerogyás nélkül kell elviselniük. Felső korlátként az áramigény és az alakítás erőigénye szerepel, amik különösen vastagabb lemezek többdudoros hegesztésénél lehetnek jelentősek. A nagyon vékony lemezek s≤0,5 mm hegesztéséhez a dudorok alakítási ellenállásának növelésére a gyűrűs dudorkialakítás javasolható. A ferde, vagy íves oldalfelületű gyűrű középátmérője 1,5…3 mm, a magassága 0,4…0,5 mm közötti legyen. A dudorok osztástávolságának megválasztásánál a sönthatás korlátozása miatt a 3.dp méretből célszerű kiindulni.

273


HEGESZTÉS

45...60°

Ød

a.

b.

Ød

d.

c.

Ød

e.

f.

4.57. ábra. Átlapolt lemezkötéseknél alkalmazható dudorkialakítások: a., c., e.: kördudor; b., d.: gyűrűalakú dudor; f.: vonaldudor A finomlemezek tartománya tekinthető a dudorhegesztés igazi területének. Az egyszerűen alakítható gömbsüveg vagy csonkakúp alakú dudorok ebben az intervallumban előnyösen alkalmazhatók. A vékony lemezkonstrukciókhoz előszeretettel használt jól alakítható lágyacél vékonylemezekhez kipróbált és bevált dudorméreteket adunk meg a 4.9. táblázatban. 4.9. táblázat. Süllyesztett dudorkialakítás hidegen alakított, alacsony karbontartalmú, ötvözetlen lágyacélból gyártott vékonylemezekhez Lemezvastagság Dudorátmérő Dudormagasság hd, mm s, mm dd, mm 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0

1,5 1,75 1,75 2,0 2,25 2,5 3,0 3,5 4,0 4,75 5,5 7,0

0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,9 1,0 1,25 1,5

Min. átlapolás lát, mm

Pontátmérő dp, mm

3,0 4,0 4,0 4,5 5,0 5,5 6,2 7,0 9,0 11,0 12,5 17,5

2,8 3,0 3,3 3,5 3,8 4,2 4,5 5,0 5,8 7,2 9,0 11,0

Az s>3,0 mm vastagságú lemezek a dudorhegesztés szempontjából már „vastagnak” számítanak, mivel a kúpos dudorok elkészítéséhez komoly présteljesítmény (akár több száz kN is lehet) szükséges. A dudorok anyagának hevítéses meglágyításához és gyors képlékeny alakításához nagy villamos teljesítmény és nagy erőkapacitás szükséges, miközben a varrathibák (porozitás, fémkifröccsenés, csökkent kötésszilárdság) gyakorisága is megnőhet. A porozitás csökkentésére zömítő erőciklust, a hevített átmérő növelésére impulzushevítést alkalmaznak.

274

HEGESZTÉS


Az átlapolt helyzetű lemezkötések mechanikai vizsgálatára 3 mm lemezvastagság-határig a ponthegesztésnél ismertetett ajánlások vonatkoznak. Merőleges helyzetű lemez – lemez kötés

Merőleges helyzetű lemezkötéseknél az egyik lemez élfelülete a másik lapjával találkozik 4.58. ). A dudorok a kialakításból következően mindkét elemen elhelyezhetők.

4.58. ábra. Merőleges lemezkötéseknél alkalmazható dudorkialakítások Az élen elhelyezett dudorokat legegyszerűbben lézersugaras vágással képezhetjük ki. Ez akkor nem okoz többletköltséget, ha az alkatrészt lemeztáblából vagy szalagból egyébként is ezzel az eljárással vágják ki. A lemezfelületre merőleges dudorok képlékeny benyomással képezhetők ki. Ezt a megoldási változatot szintén olyan esetekben célszerű választani, amikor a lemezen egyéb alakító művelete(ke)t is kell elvégezni. A merőleges helyzetű lemezkötés egyik tipikus példája a kerékabroncs-keréktárcsa kapcsolatának elkészítése. Ebbe a csoportba tartozik a dobfék pofák hengeres, kompozit fékbetétet hordozó részének az íves tartóbordához való tömeghegesztése, amihez a mérettől függően a hengeres elemen 8…12 db benyomott dudort alakítanak ki. Merőleges helyzetű lemez – csap kötés

Kisebb finommechanikai és könnyű gépszerkezetekben (nyomdagépek, írógépek, nyomtatók, varrógépek, háztartási gépek, ipari kisgépek, kertészeti gépek, barkácsgépek, személygépkocsi és egyéb járműalkatrészek) esetében eléggé gyakori, hogy valamilyen funkciójú csapot vagy csavart merőleges helyzetű lemezhez vagy ezzel egyenértékű síkfelülethez kell hegeszteni. A szerelőipar erre a célra a hordozható, kézi működtetésű csaphegesztő berendezéseket használja. Amennyiben a hordozhatóság nem feltétel, a csaphegesztési feladatra a könynyen automatizálható és tömeggyártásban állandó minőséget eredményező, nagyon termelékeny dudorhegesztés ideális megoldásnak tekinthető. A hegesztésre előkészített alkatrész-párokat furattal, vagy furat nélkül hegesztik, amint azt a 4.59. ábrán is látható. Az ábrán bemutatott példák jól mutatják, hogy a hevítendő és deformálandó dudortérfogatokat a darab méretéhez és az átviendő terheléshez igazítják. A dudorokat a csap homlokfelületén vagy kúposra alakított palástján képezik ki. A dudor legtöbbször gyűrű formájú, de a méretektől függően a síkfelület és a kúp- vagy gömbalakú, szegmenses kialakítás is szokásos.

275


HEGESZTÉS

a.

e.

b.

f.

c.

g.

d.

h.

R gö mb

α

4.59. ábra. Merőleges lemez csap kötéseknél alkalmazható dudorkialakítások: a. kúpos; b. gömb; c. alászúrt kúpos; d. csapos; e. gyűrűs; f. és g kúpvégű csapos-furatos; h. gömbvégű csapos-furatos Merőleges helyzetű lemez – cső kombináció

A lemez-cső kombinációk a lemez-csap párosításokhoz hasonlóan merőleges helyzetűek. A lemez-csap párokhoz viszonyítottan nagy előnyük, hogy a gyűrűalakú dudorkiképzés, vagy a kerületi dudorszegmensek kialakítása egyszerűbb és nagyobb méretű alkatrészek is jól hegeszthetők. Vékonyfalú csövek vagy hengeres mélyhúzott termékek fenékelemhez hegesztése, csőtengelyek síklemezre való konzolos felfogása tipikus alkalmazásnak számít. Ilyen kötéseket többek között a kerékpár, robogó és motorkerékpár vázszerkezeten is találhatunk. Ha cső szelvényét általánosan fogjuk fel és nem csak a körkeresztmetszetben gondolkodunk, akkor ebbe a csoportba igen változatos, vékonyfalú csőelemek, sőt nyitott keresztmetszetek is beletartozhatnak. Dudorhegesztés természetes dudorokkal

Vannak olyan elempárosítások, ahol a dudorok (természetes kiemelkedések formájában) előzetes képlékeny alakítás nélkül is rendelkezésre állnak. Ilyen eset fordul elő a huzalok, köracélok és csövek merőleges helyzetű kötéseinél, vagy a rövid lemez-körhuzal és a lemezkörcső párosításoknál (4.60. ábra).

276

HEGESZTÉS


a.

d.

b.

e.

c.

f.

s

s

4.60. ábra. Természetes dudorok különféle elempárok érintkezésénél: a. rúd-rúd; b. rúd- cső; c. rúd-lemez; d. cső-rúd; e. cső-cső; f. cső-lemez Hálóhegesztés

A bemutatott geometriai variációk tipikus képviselője a hálóhegesztés. Hálót kell hegeszteni az építőipari vasbetonszerkezetekhez, falakhoz, héjakhoz (acélváz, létra), a huzalból készülő háztartási (kosarak, fürdőszobai tárolók), mezőgazdasági (betakarítógépek, kerítések, állattartó ketrecek, kalitkák), kereskedelmi (raktári berendezések, bevásárlókocsik, polcok, konténerek) és ipari termékekhez (szövőgépek, hűtőgépek és hűtőberendezések, járművek, stb.). A hálók síkbeliek és térbeliek lehetnek. A hálók hidegen vagy melegen hengerelt, illetve húzott lágyacélokból, korrózióálló acélból, réz- és nikkelötvözetekből készülhetnek. A Zn, Sn, Al, Cd, Cu, Ni, Cr bevonatú acélok hegesztése szintén lehetséges, de a bevonatok sérülése a hegesztési hely közelében elkerülhetetlen. Az alumínium- és titánötvözetek felületi oxidhártyájuk és egyéb nehézségek miatt ipari körülmények között rosszul dudorhegeszthetők. Az optimális értékről a huzal-keresztkötések csavaró, nyíró vagy szakító vizsgálatával győződhetünk meg. Azonos huzalátmérők esetén az optimális relatív összenyomódási érték rendszerint a vékonyabb huzalátmérő 15…60 %-át nem haladja meg (a nagyobb számok a nagyobb karbontartalomhoz tartoznak). Esztétikai vagy egyéb okokból szükséges esetekben a benyomódás elérheti azt a 100 %-os értéket is, aminél az azonos átmérőjű huzalok kitérő helyzetű tengelyvonalai egy síkba kerülnek.A huzal-keresztkötéseket egyedi gyártásban ponthegesztőgépen síkvégű hengeres elektródával, kissorozatú gyártásban dudorhegesztőgépen síklapú tömbelektródával, tömeggyártásban többdudorhegesztő célgépeken jobb érintkezést biztosító íves kiképzésű elektródával hegesztik. 4.5.4.4. Vonalhegesztés

A vonalhegesztés az MSZ EN ISO 4063:2000 szerint a 2. jelű Ellenálláshegesztések főcsoport tagja, számjele 22. A különféle eljárásváltozatokat háromjegyű számmal (22x) jelölik. 4.5.4.4.1. A vonalhegesztés elve

Az ellenállásponthegesztés jól ismert és tervezők által is alkalmazott korlátja, hogy a sönthatás korlátozása érdekében a szomszédos pontok távolságát legalább három pontátmérőnyire kell választani. Amennyiben a söntveszteségeket a szekunder áram növelésével kompenzáljuk, ennél sűrűbb pontsort is készíthetünk, ez a pontsor varrat. Az olyan pontsor, ahol a 277


HEGESZTÉS

pontok érintik, sőt átfedik egymást, az ívhegesztéseknél megszokott hagyományos varratvonalra emlékeztet. Egymást részben átfedő pontok sorozatával hermetikusan záró vonalvarrat hozható létre. Ilyenre van szükség pl. a lemezradiátorok, szárítóberendezések, folyadék- vagy gáztároló edények és vezetékek gyártásához. A vonalvarrat megvalósítására a ponthegesztő elektródpár sokpontvarrata drágasága és lassúsága miatt technikailag alkalmatlan. A vonalvarrat gazdaságos elkészítése az elektródgörgők (görgős elektródok, tárcsaelektródok) kifejlesztésével vált lehetővé. A diszkrét pontok sokaságát szaggatottan forgó elektródgörgőkkel és folytonos árammal, vagy folytonosan forgó elektródgörgőkkel és szaggatott (impulzusos) áramfolyással lehet elkészíteni (4.61. ábra).Vékonylemezeknél és kellően nagy hegesztési sebességnél a váltakozóáram nullátmenete körüli időtartam az áramfolyás közti szünetek szerepét betöltve lehetővé teszi a folytonos áramfolyás, folytonos elektródforgású hegesztést. Fe

n vh

s

n Fe

4.61. ábra. Hermetikusan záró vonalvarrat létrehozása folyamatosan forgó elektródgörgőkkel, impulzus árammal A ponthegesztés szakaszosságával szemben a vonalhegesztés a hegesztés kezdetétől a végéig folyamatosan fenntartott elektróderővel, az elektródok eltávolítása nélkül történik. Az elektródgörgők forgás közben hűlnek, az árambevezetés mindig újabb felületen megy végbe, ezért az élettartamuk összehasonlíthatatlanul hosszabb, mint a ponthegesztésnél alkalmazottaké. Az elektródok vízhűtése ennek ellenére ugyanolyan fontos, mint a ponthegesztésnél. A vonalhegesztés során képződő első hegpont a ponthegesztéshez hasonló geometriájú. Amennyiben konstans áramerősséggel hegesztünk, akkor az elektródgörgők elfordulása után képződő második pontvarrat az elsőnél jóval kisebb méretű lesz, mivel a hegesztőáramnak csak egy bizonyos része folyik át az új pontvarrat helyén, a fennmaradó része azonban a már előzőleg elkészült pontvarraton keresztül záródik (sönthatás). A képet árnyalja, hogy az első pontvarrat készítésekor bevitt energia vezetéssel gyorsan terjed és a második pont helyén az anyagot felmelegítve az elektróderő hatására végbemenő képlékeny alakváltozás az átmeneti ellenállást csökkenti. Ha az áramerősség nem ér el egy adott nagyságot, akkor az első pontvarrat létrejötte után egy ideig újabb pontvarrat nem képződik. Az újabb pontvarrat csak akkor jön létre, amikor a görgők már annyira eltávolodtak a korábbi ponttól, hogy a sönthatás miatti áramveszteség és a hevítés ellenálláscsökkentő hatása kellően mérséklődik. 4.5.4.4.2. A vonalhegesztés jellegzetességei

A vonalhegesztés az alapvető villamos, termikus és mechanikai elvekben közeli rokona (leszármazottja) a ponthegesztésnek, néhány vonatkozásban viszont attól erősen eltér.

278

HEGESZTÉS


A sönthatás miatti áramveszteság

Sönthatás és az ebből adódó áramveszteség a ponthegesztésnél és a dudorhegesztésnél is fellép, ha a szerkezet legalább két, egymástól villamosan nem elszigetelt pontkötést tartalmaz, mivel a második pont hegesztése közben az áram egy része a már elkészült ponton halad át és nem vesz részt az új pont létrehozásához szükséges koncentrált, helyi hevítésben. Ebből a tényből következik, hogy a pontsor első tagja a többihez képest nagyobb pontátmérőjű és teherbírású lesz. A vonalhegesztésnél, ahol a pontok nagyon közel, vagy átfedetten helyezkednek el, a sönthatás fokozottan van jelen (4.62. ábra). Vonalhegesztésnél akár a hegesztőáram fele is a söntön haladhat keresztül; ez a jelenség a technológia tervezésekor nem hagyható figyelmen kívül. A sönthatás miatt a 3 mm-nél vastagabb lemezek vonalhegesztése az ipari gyakorlatban ritka. Fe Fe

Isv>Isp Isp

Ihv

Isv

Ihp

Fe Fe

a.

b.

4.62. ábra. Az áram söntölődése ponthegesztésnél (a.) és vonalhegesztésnél (b.). Az ábra jelölései: Is– söntáram, Ih– hegesztőáram; p ponthegesztés, v vonalhegesztés Elektródgörgők

A vonalhegesztés nagy előnye, hogy a kis munkafelületű, ezért gyorsan kopó, alternatív mozgást végző elektródok helyett görgő alakú elektródokat használ. A forgó elektród teljes palástja munkafelület, ezért a fogyás a ponthegesztő elektródokhoz mérten jóval kisebb mértékű. Geometriai korlátok

A vonalhegesztés jelentős hozzáférési nehézségekkel jellemezhető. Az elektródgörgő szélessége és átmérője elég jelentős helyigénnyel jár. Ehhez járul a hegesztendő lemezek varrathosszirányú mozgása, ami a hegesztőgép homlokfelületével párhuzamos és arra merőleges lehet 4.63. ábra). Mindkét megoldásnak szerkezeti korlátai vannak és a munkadarab méretei is korlátozottak, mivel a hegesztőgépre jellemző munkatérben el kell férniük. 4.5.4.4.3. Vonalhegesztő gépek

A vonalhegesztő gépek masszív felépítésük miatt döntő mértékben helyhez kötött kivitelben készülnek. Ritka kivételnek számít, amikor a nagyméretű, nehezen vagy nem mozgatható munkadarabokat hordozható vonalhegesztő géppel (pl. robotra szerelten) hegesztik. A helyhez kötött gépeket az elektródgörgők tengelyelrendezési iránya szerint a következő kialakítással gyártják:

279


HEGESZTÉS

♦ keresztvarrat hegesztőgépek (az elektródgörgő tengelye merőleges a gép homloklapjára), ♦ hosszvarrat hegesztőgépek (az elektródgörgők tengelye párhuzamos a gép homloklapjával), ♦ univerzális hegesztőgépek (az elektródgörgők tengelye 90 °-os szögben elforgatható).

a.

b.

4.63. ábra. Az elektródgörgők tengelyelrendezési lehetősége: a. hosszvarrat hegesztés; b. keresztvarrat hegesztés A keresztvarrat hegesztő berendezések alkalmasak hosszú, egyenes varratok hegesztésére, míg a hosszvarrat hegesztőknél az ablakmélységet az ablakveszteség és a szilárdsági kritériumok korlátozzák, ezért csak rövid varratokhoz használhatók. Áramforrás

A vonalhegesztő gépek áramforrása a ponthegesztő gépekével azonos felépítésű. A sönthatás okozta energiaveszteség miatt azonos lemezvastagságok hegesztéséhez jóval nagyobb villamos teljesítményre van szükség, illetve azonos gépteljesítménnyel csak vékonyabb lemezek hegeszthetők. A nagy teljesítményigény előtérbe helyezi a háromfázisú áramforrások használatát. Árambevezetés az elektródokba

Az elektródok forgása miatt az árambevezetés nehezebben kivitelezhető, mint a ponthegesztésnél. Kisebb áramerősség tartományban a siklócsapágyas ágyazást alkalmazzák, de nagyobb áramerősségeknél kompozit anyagú csúszógyűrűvel, vagy higanyfürdős érintkezővel kell az árambevezetést megoldani. A szorítóerőt kifejtő felső elektródgörgő függőleges irányú elmozdulása miatt a szekunder tekercs egyik végét flexibilis vezetővel (pl. rézszalag-köteggel) kapcsolják a felső görgőhöz. Az alsó görgőtartó függőlegesen állítható, de merev kialakítású, ezért az árambevezetés itt merev kapcsolattal is kivitelezhető.

280

HEGESZTÉS


Elektróderő

Az elektródgörgőkre ható hevítő és sajtoló nyomást pneumatikus vagy hidraulikus hengerek biztosítják. A hengerek hatásukat a felső görgőre fejtik ki, amely rendszerint a hegesztőgép többi egységétől villamosan szigetelt. Az alsó görgő (amit egyes gépkialakításoknál támaszkar helyettesíthet) fix alátámasztást ad a munkadaraboknak. Az elektródgörgők hajtása

Az elektródok forgatását közvetlen hajtással vagy a súrlódáson alapuló dörzshajtással oldják meg. A közvetlen meghajtást villanymotor, ritkábban hidraulikus vagy pneumatikus henger végzi, hajtómű közbeiktatásával, vagy anélkül. A leginkább elterjedt megoldás szerint mindkét görgőt forgatják, de kisebb méreteknél a hajtott felső görgő, súrlódással forgatott (nem hajtott) alsó görgő párosítás is gyakorta előfordul. Ez utóbbi jellemző az egygörgős, alsótámaszos hegesztőgépekre is. A görgőket a súrlódás forgatja minden olyan esetben, amikor a görgős elektród és a munkadarab közötti relatív elmozdulást a munkadarab mozgatásával oldják meg. A súrlódóerő növelésére a görgőpalástot recézik. 4.5.4.4.4. A vonalhegesztés elektródjai

A vonalhegesztés elektródjai hengeres kialakításúak, amelyek a munkadarabon legördülnek, ezért az elektródgörgő kifejezőbb elnevezés, mint a tárcsaelektród, vagy az elektródkerék. A görgők a ponthegesztő elektródákhoz hasonlóan többféle kialakításúak lehetnek (4.64. ábra). A görgő munkafelülete lehet hengeres, ekkor a görgő a teljes szélessége mentén érintkezik a hegesztendő lemezzel. Az érintkezési szélesség korlátozása, illetve a görgő merevségének növelése miatt a görgő egyik, vagy mindkét oldalon kúpos kialakítást kaphat. Az íves görgők ugyanolyan típusú érintkezést tesznek lehetővé, mint a ponthegesztés gömbvégű elektródjai.

a.

b.

c.

d.

e.

f.

4.64. ábra. A görgős elektródok legfontosabb munkafelület kialakításai: a. hengeres, b. félkúp-hengeres, c. kettőskúp-hengeres, d. íves, e. hornyos, f. kúpos A hornyos palástú elektródgörgőket az alacsony olvadáspontú fémekkel (Zn, Al, Sn) bevont acéllemezek hegesztésére lehet használni, ahol az elektródgörgőket a bevonat okozta szennyeződéstől folyamatosan adagolt, egyszer használatos rézhuzallal védik. Az elektródok ennél a megoldásnál a huzalátmérőnek megfelelő hornyot tartalmaznak. Mindkét elektródhoz egy pár csévetest tartozik: a rézhuzal egyik dobról lefejtve áthalad az elektród palástján és a másik dobra csévélődik fel. 281


HEGESZTÉS

A görgős elektródok geometriai kialakítása a ponthegesztésnél megismert módon a hegesztendő gyártmányhoz igazítható. Az alkatrészekkel való villamos érintkezés elkerülésére pl. szokás a görgőpalástot a görgőtengelyhez 5…10 °-os félkúpszöggel hajlóan kialakítani (kúpos görgő). A nagyobb kúpszögek az erőátvitelt rontanák. A görgők átmérője leggyakrabban 50 és 600 mm (ezen belül legnépszerűbb a 100…300 mm intervallum), vastagsága 5 és 25 mm között változik. A görgők anyaga többnyire a ponthegesztő elektródokkal azonos, hidegen alakított vagy kiválással keményített rézötvözet (jellegzetesen króm-, cirkónium-, vagy berilliumbronz), de ettől eltérő új anyagokat is kifejlesztettek. Tömeggyártásban az elektródok kopási ellenállása fontosabb, mint a kiemelkedően jó villamos vezetőképesség. Az elektródok a vízhűtés ellenére felmelegednek, ezért anyaguknak legalább 500 °C-os lágyulási hőmérséklettel kell rendelkezniük. Az elektródgörgők felületét egy bizonyos meghegesztett varrathossz után a kopások és felületi szennyeződések miatt fel kell szabályozni. A szabályozás kiszereléssel esztergán, vagy magán a hegesztőgépben, az elektródák kiszerelése nélkül is elvégezhető. Az utóbbi esetben a hegesztőgépeket görgőlehúzó (szabályozó) szerkezettel látják el. 4.5.4.4.5. A vonalhegesztés technológiájának kidolgozása

A vonalhegesztés technológiájának kidolgozásakor a következő mérnöki szempontokra kell tekintettel lenni: ♦ a gyártandó sorozatnagyság, ♦ a rendelkezésre álló hegesztőgép-állomány technikai lehetőségei, ♦ a hegesztendő munkadarabok adatai (méretek, alak, anyagminőség, gyártási eljárás, hőkezeltségi állapot, felületminőség, felülettisztaság), ♦ a vonalhegesztett kötés típusa (átlapolt, tompa, fóliás tompa), ♦ a hegesztett kötéstől elvárt minőségi követelmények (szilárdság, keménység, felületi elektródbenyomódás, gáz- és folyadéktömörség, porozitás). A kidolgozott technológiának az előzőkből következően szívódási üregektől, gázzárványoktól mentes, megfelelő szélességű és vastagságú varratot kell eredményeznie, az elemi pontok optimális távolságával, vagy a hermetikussági követelmény esetén megfelelő átfedési mértékével. Szívódási üreg

A hegfürdő megdermedésekor a sűrűség növekedéséből adódó szívódási üreg az elektróderő helyes megválasztásával, kritikus esetekben növelt zömítőerő alkalmazásával küszöbölhető ki. Porozitás

A varrat porozitása főként a felületi szennyeződésekből származik és elsősorban a hidrogénfejlődéssel kapcsolatos. Acéloknál, a korrózióálló kategóriát is beleértve a porozitás gondos felülettisztítással többnyire elkerülhető, az alumínium és ötvözetei viszont erősen hajlamosak a gázporozitásra.

282

HEGESZTÉS


A varrat szélessége

A varratvonal bv szélessége az s lemezvastagság függvényében a következő empirikus öszszefüggéssel határozható meg (minden méret mm-ben): bv = 2 ⋅ s + 2

(4.36)

Eltérő lemezvastagságok esetén a képletbe a kisebb méretet kell behelyettesíteni. Ha hengeres munkafelületű elektródgörgőket használunk, ehhez a varratszélességhez az elektród munkafelületének be szélessége: be = b v + 1...2

(4.37)

A varrat beolvadási mélysége

A vonalhegesztett varrat beolvadási mélységének a vékonyabb lemez vastagságának 30…70 %-a által kijelölt tartományba kell esnie. Első közelítésként a beolvadási mélységet a tartomány közepét jelentő 50 %-os értékre célszerű beállítani és a mechanikai vizsgálati eredmények alapján módosítani. Az elemi pontok távolsága, illetve átfedési mértéke

Vékony (max. 0,8 mm vastag) lemezeket folyamatos árammal is lehet hegeszteni. Ilyenkor a váltakozóáram minden félperiódusa alatt képződik egy pont, ami a következő félperiódus alatt még olvadékfázisban van, ezért a pontok állandó vastagságú és szélességű vonalvarratot alkotnak 4.65. ábra). A nagy gépteljesítmény és a szükséges nagy hegesztési sebesség miatt ez a változat csak az s < 0,8 mm vastagságoknál alkalmazható. Sokkal jobban kézben tartható az impulzusárammal végzett vonalhegesztés, ahol a varratvonalat alkotó elemi pontok elkészítéshez th hevítési idő és tsz szünetidő alkotta hegesztési ciklus szolgál. Impulzusárammal szakaszos, érintkező és átfedett pontelhelyezésű varrat készíthető (4.65. ). A vonalhegesztésre leginkább a pontátfedéses változat a jellemző, mivel ekkor gáz- és folyadéktömör varrat állítható elő. Hermetikus záráshoz a pontok átfedését az elemi pontátmérő 20…25 %-ára célszerű beállítani. Az átfedés nagyságát elsődlegesen a th hevítési idő, a tsz szünetidő és a vh hegesztési sebesség határozza meg. 4.5.4.4.6. A fő technológiai paraméterek megválasztása

A vonalhegesztés fő paramétereinek a hőbevitelt és a varratgeometriát elsődlegesen befolyásoló áramerősség, hegesztési idő, szünetidő, elektróderő és a hegesztési sebesség tekintendő. Áramerősség

A vonalvarratot nagysebességű hegesztéseknél folyamatos árammal készítik. Ezeknél a gépeknél a kívánt pontátmérőt és átfedési mértéket a félhullám vízszintes szabályozásával (fázismetszéses teljesítményvezérlésével) állítják be. Az impulzusáram alkalmazásával a hegesztési hőbevitel jobban ellenőrizhető, a hűlési folyamat és a hőmérsékletgradiens jobban kézben tartható, egyenletesebb hegpontok hegeszthetők a lemezfelület kisebb mértékű károsodásával. Előnyei és széles alkalmazási lehetőségei

283


HEGESZTÉS

miatt az impulzusáram használata általánosnak tekinthető. A továbbiakban a technológia kidolgozási alapelveket az impulzushegesztés körülményeire vonatkoztatjuk. A sönthatásból eredő energiaveszteség miatt azonos lemezvastagság vonalhegesztéséhez nagyobb áramerősségre van szükség, mint ponthegesztéséhez. A hőbevitelt alapvetően meghatározó hegesztési (más néven hevítési) áramerősséget a szakaszos hevítési és szünetidővel és a hegesztési sebességgel összhangban kell meghatározni. Az áramerősség irányértékét azonos vastagságú lágyacéloknál a következő regressziós összefüggéssel határozhatjuk meg: I h = 14,3 ⋅ s0,4 ahol: Ih s

(4.38)

kA hegesztési (hevítési) áramerősség, mm az összehegesztendő lemezek egyikének (különböző vastagságok esetében a vékonyabbnak) vastagsága.

a.

th

tsz

b.

th

tsz

c.

tsz

th

d. tsz=0

4.65. ábra. A varratot alkotó elemi pontok relatív helyzete vonalhegesztéskor: a :szakaszos pontsor, b: érintkező pontsor, átfedett pontsor (a, b. c: impulzushegesztés); d: folyamatos árammal hegesztett varratvonal A tervezett varratméreteket biztosító áramerősségnél nagyobb érték használata nem gazdaságos, emellett túlzott varratbeolvadási és átfedési értékeket eredményez, növeli az elektródok kopását, az elektród benyomódási mélységét és felesleges deformációkhoz, illetve ezek gátlása esetén belső feszültségekhez vezet, anélkül, hogy a varrat szilárdsági jellemzőit javítaná. Hevítési idő

Adott hőbevitel mellett a pontátmérőt alapvetően a th hevítési idő határozza meg. A th idő alatt egy meghatározott anyagtérfogat megolvadása következik be. Ennek hosszát a hegesztési sebességgel állítjuk be. 284

HEGESZTÉS


A hevítési idő nagysága a hegesztendő anyagok vastagságától függ. A lágyacélokra vonatkozó irányérték a következő regressziós összefüggéssel számítható: t h = 28,5 ⋅ e0,59⋅s

(4.39)

ms hegesztési (hevítési) idő. ahol: th A képlettel számított időt 0,02 s-ra (20 ms-ra) kell kerekíteni, mivel 50 Hz-es váltakozóáramú hálózat esetén egy periódus ennyi ideig tart. Hűlési idő

A hűlési idő alatt hőbevitel nincs, a hevítési idő alatt bevitt hő hővezetés révén szétterjed, a pontkörüli hőmérsékletgradiens csökken. A hűlésidő alatt megolvadt térfogatok megszilárdulnak és létrejön a hegpont. A hűlési idő (a hegesztési sebességgel együtt) a pontok átfedési mértékét határozza meg. A hűlésidőt a hevítési időhöz szokás viszonyítani. A hegesztés termikus hatásfoka akkor a legkedvezőbb, ha a két idő megegyezik ( t h /t sz =1 ). Ha a pontok átfedését adott értéken (pl. 20 % pontátmérőn) akarjuk tartani, az azonos hevítési és hűlési időhöz adott sebesség tartozik. A hűlési idő tájékoztató értéke a következő összefüggéssel számítható: t sz = 47 ⋅ s0,77

(4.40)

ms a hűlésidő. ahol: tsz A hevítési és a hűlésidő képleteiből következik, hogy azonos lemezvastagságnál a hűlésidő a hevítési időnél sohasem lehet hosszabb. Hegesztési sebesség

A hegesztési sebesség növelésének határt szab a vonalenergia állandó értéken tartásához szükséges hőáram (áramerősség) növelése, ami az előzőkben kifejtett minőségromlással jár. A hegesztési sebesség növelésének a kötés rohamos szilárdságcsökkenése a következménye. Ezért a 0,5…3,0 mm-es lemezvastagság-intervallumban a 2 m/min sebességhatár átlépése nem szokásos. A hegesztési sebesség nem választható önkényesen. Ezt a következő gondolatmenet igazolja. A szükséges pontátmérő nagysága: dp = db = 2 ⋅ s + 2

(4.41)

A pontok osztása 20%-os átfedés esetén: Egy tc (s) ciklusidő alatt a vh (mm/s) sebességgel mozgó munkadarab éppen e (mm) távolságot tesz meg, vagyis ennyi lesz a pontok osztástávolsága: e = v h ⋅ t c = v h (t h + t sz )

(4.43)

A két utóbbi összefüggés bal oldalai azonosak, ezért a vh sebesség kifejezhető: vh =

1, 6 ⋅ s + 1, 6 (t h + t sz )

(4.44)

Ha a legjobb hatásfokú hegesztést (th/tsz=1 arányt) választjuk, a hevítési és a szünetidő megegyezik: 285


HEGESZTÉS

vh =

0,8 ⋅ s + 0,8 th

(4.45)

Legyen a hegesztendő lemezvastagság 1+1 mm, a hevítési idő 2 periódus, vagyis 0,04 s. A 20 %-os átfedéshez a következő sebességgel kell hegeszteni: vh =

0,8 ⋅ s + 0,8 0,8 ⋅1 + 0,8 mm cm = = 40 = 240 th 0, 04 s min

(4.46)

Ennél a sebességnél a pontok osztástávolsága éppen 3,2 mm, ez 1 m varrathosszúságon n = 312,5 pontot jelent. A hegesztési sebesség növelésekor azonban a pontok átfedése csökkenne, ezért a (th/tsz hányadost növelni, kell (akár három fölötti arány is elképzelhető)). Ha a th és tsz időkre megadott előző összefüggésekkel számolunk, a lágyacélok vonalhegesztésénél a th/tsz arány 1…2 tartományban változik. A varrat hosszegységére eső pontok száma

A választott pontátfedéshez tartozó pontosztásból a hosszegységre eső varratszám számolható. Ha a pontok átfedése 20 %, akkor: n=

1000 1, 6 ⋅ s + 1, 6

(4.47)

A képlet alapján 1, 2 és 3 mm lemezvastagsághoz rendre 312; 208 és 156 db pont tartozik. Elektródgörgők nyomóereje

A vonalhegesztésnél képződő hő jelentős része a lemezek közötti átmeneti ellenálláson fejlődik, amit az elektróderő (az elektródgörgőket összeszorító erő) nagymértékben befolyásol. A jó kötéshez adott áramerősség-tartomány tartozik, ezért az elektróderőt úgy kell megválasztani, hogy a kívánt áramerősség tartható legyen. Másrészről az elektróderő a sajtolóhegesztésekre jellemző módon fontos szerepet tölt be a kötés kialakításában is. A ponthegesztéshez viszonyítva jelentős különbség (minőségcsökkentő következménnyel), hogy a megolvasztott ponttérfogat gyorsan kikerül az elektródgörgő alól és zérusközeli nyomóerő alatt hűl le. A probléma nagyobb görgőátmérő használatával csökkenthető, amikor a görgő alóli kifutás hosszabb idő alatt, folyamatos átmenettel következik be. Szerencsés esetben a görgő alatt egyidejűleg legalább két-három pont tartózkodik. Az elektróderő a hegesztett pont beolvadási mélységét (vastagságát) maximumos görbe szerint befolyásolja. A maximumpont után a beolvadási mélység enyhén csökken, a pontátmérő (a varratszélesség) ehhez képest erőteljesebben nő. Az elektróderő a lemezvastagsággal lineáris képlet szerint növekszik. A lágyacélokra vonatkozó irányérték: Fe = 2, 75 ⋅ s + 1, 05

(4.48)

ahol: Fe, kN az elektróderő. A szükségesnél kisebb elektróderő rossz villamos kontaktust és a kívánatosnál nagyobb átmeneti ellenállást eredményez. Az elektródfelületen beégések keletkezhetnek, a lemezek közötti elégtelen mértékű záróövezet miatt az olvadt fém kifröccsenhet. Túlzottan nagy elektróderőnél a görgőfelület mélyebben és szélesebben nyomódik a lemezfelületbe, az elektródfelület gyorsabban kopik és az átmeneti ellenállás csökkenése miatt egyre nagyobb áramerősségre lehet szükség. 286

HEGESZTÉS


4.5.4.4.7. A vonalhegesztett kötések vizsgálata

Az átlapolt helyzetű lemezkötések mechanikai vizsgálatára 3 mm lemezvastagság-határig a ponthegesztésnél ismertetett ajánlások vonatkoznak. A vonalhegesztett kötések geometriájából és terhelési módjaiból következően a varrat minőségéről a felszakítóvizsgálattal nyerhetjük a legtöbb információt. A hermetikusan záró varratok jóságát az ún. párnapróbával ellenőrzik. A próba során a kötés csak a hőhatásövezetben szakadhat fel, a varratnak sértetlennek kell maradnia. 4.5.4.4.8. A vonalhegesztés alváltozatai

A vonalhegesztésnek három egymástól jelentősen különböző alváltozata van (4.66. ) emellett a speciális termékek (pl. csövek) nagyfrekvenciás árammal hegesztett varratai is tulajdonképpen vonalvarratok. Átlapolásos vonalhegesztés

Az átlapolásos vonalhegesztés (4.66. ábra) a vonalhegesztés alapesete, amit az jellemez, hogy az összehegesztendő lemezek átlapolt helyzete a hegesztés után is megmarad.

a.

b.

c.

d.

4.66. ábra. A vonalhegesztés legfontosabb változatai: a. átlapolásos vonalhegesztés; b. zömítő vonalhegesztés; c. tompavarratos vonalhegesztés fólia nélkül, d: tompavarratos vonalhegesztés fóliával (fóliás vonalhegesztés) Ez a megoldás a legáltalánosabban használt, ennek megfelelően a vonalhegesztések alcsoportban az első, vagyis a 221-es azonosító számot kapta. Különösen széles körben használja az autóipar (üzemanyagtartályok, katalizátorok, hangtompítók, kipufogók, karosszéria elemek), de az egyéb iparágak is (hőcserélők, víztartályok, kannák, hordók). Tompavarratos vonalhegesztés átlapolásos illesztéssel

A 222 azonosítójú tompavarratos vonalhegesztés, más néven zömítő vonalhegesztés (a 4.66. b. változat) esetében az átlapolás csak a lemezvastagság egy…kétszeresére terjed ki és a hegesztés közben az ellenálláshőforrással felhevített lemezszélek intenzív képlékeny alakítás révén tompakötéses helyzetbe kerülnek (a folyamat a kézi kovácshegesztésre emlékeztet). A tompavarratos vonalhegesztés tehát átlapolt lemezekkel indul és tompaillesztéssel fejeződik be. A szokásos impulzushegesztésnél a vastagságirányú varratdudor mérete a lemezvastagság 5 és 25 %-a között változik. Ahol a varratdudor esztétikai vagy egyéb okokból nem engedhető meg, folyamatos árammal hegesztenek, vagy az impulzusparaméterek speciális beállításával a lehető legkisebb pontosztást hoznak létre, illetve utólagos hengerlést végeznek.

287


HEGESZTÉS

A tompavarratos vonalhegesztés merev hegesztőgépet és gyors, nagyteljesítményű erőegységet igényel. A tompavarratos vonalhegesztést az autóipar a lemeztáblák tompakötésére használja, mivel kevésbé érzékeny a pontos illesztésre, mint a lézersugárhegesztés, de alkalmazást nyer hűtőberendezések, kályhák, mosógépek, aerosolos flakonok, vödrök, hordók hegesztésénél, hengerdei szalagok toldásánál is. A hegesztés után zománcozott termékeket is rendszerint ezzel a változattal hegesztik. A zománcozásra kerülő oldalon az elektródgörgőket fix rúdelektródokkal helyettesítik. Szükséges esetekben a kötéseket utólagos művelettel hidegen áthengerlik. A hengerlés a varratdudorokat elsimítja, a belső feszültségeket csökkenti. A tompavarratos vonalhegesztést az erőteljes képlékenyalakítási követelmény miatt csak lágyacéloknál és egyes korrózióálló acéloknál alkalmazzák. Színes és könnyűfémek tompavarratos vonalhegesztésre nem alkalmasak. Tompavarratos vonalhegesztés tompaillesztéssel

A 4.66. c-vel és d-vel jelölt tompavarratos vonalhegesztés a lemezélek tompa illesztésével, fólia nélkül, vagy szalag (más néven fólia) alkalmazásával végezhető. Tompavarratos vonalhegesztés tompaillesztéssel, fólia nélkül

A fólia nélküli változatnál a szorosan lefogott lemezek a hevítés hatására helyileg felzömülnek, ami a hevített zónában a görgős elektródák nyomásával együtt axiális irányú feszültséget (sajtolónyomást) hoz létre, így a hegesztés a lemezélek megolvadása nélkül, az átlapolással indított tompavarratos vonalhegesztéshez hasonlóan megy végbe. A kötés alacsony szilárdságú, az elektródák érintkezésénél enyhén benyomódott. Az EN ISO 4063:2000 szabvány nem adott ennek az eljárásváltozatnak önálló kódszámot. Fóliás tompavarratos vonalhegesztés

A tompavarratos vonalhegesztés fóliás változata a fóliás tompavarratos vonalhegesztés) elnevezést kapta, 223-as számjellel (4.67. ábra). Fe fólia Fsz

Fsz

asztal

Fe

asztal

4.67. ábra. A fóliás tompavarratos vonalhegesztés (223) vázlata A hozaganyagot (néhány tizedmilliméter vastagságú és néhány mm szélességű lágyacél fémfóliacsík) a technikailag lehetséges minimális (0,4 mm-t meg nem haladó) résmérettel tompán illesztett vékonylemezek egyik vagy mindkét oldalán alkalmazzák. A fólia hidat képez a két lemezél között, ezért a vonalhegesztésre jellemző hőfejlődés a hozaganyag és a lemezszélek találkozásánál kezdődik, majd a lemezszélek hőtágulásból eredő expanziója révén a lemezek élfelületén folytatódik.

288

HEGESZTÉS


A fóliás vonalhegesztés tompavarratának kialakulása a következő: az elektróderő bekapcsolása után a fóliák és az alapanyagok közötti ellenálláson hő fejlődik, ami a lemezvégek hőmérsékletét helyileg megnöveli. A hőmérsékletnövekedés következtében a szorosan illesztett lemezek kitágulni igyekeznek, de a leszorító erő miatt oldalirányban elmozdulni nem képesek. Így a hőtágulásból az illesztési síkra merőleges nyomófeszültség (nyomóerő) alakul ki, ami a lemezélek között a megfelelő kontaktust (érintkezési ellenállást) létrehozza. A lemezéleken ezt követően átfolyó áram hatására hő fejlődik, ami a lemezéleket összeolvasztja. A kötés a hegfürdő nyomás alatti lehűlésével jön létre. Helyesen vezetett hegesztésnél a lemezélek megolvadnak és valódi tompakötés keletkezik, aminek kiváló szilárdságát nem az átlapolásos helyzetű fólia adja. A fólia részben beleolvad a kötésbe, kiálló részei pedig nem túlzottan költséges utólagos művelettel eltávolíthatók és a lemezkötés minden utólagos felületbevonó eljárásra alkalmassá tehető. A fóliás tompavarratos vonalhegesztés tökéletesen tiszta, jó minőségű, egyenes vonal mentén vágott, sorjamentes felületet igényel. A fóliás vonalhegesztéssel a vékonylemezek tökéletes tompakötése állítható elő, ami mechanikai tulajdonságait és esztétikai megjelenését illetően is teljes értékűnek tekinthető. A fóliás vonalhegesztést az autóiparon kívül a különféle háztartási gépek és kannák, tartályok, tárolóedények gyártásában, közúti járművek és vasúti személyvagonok oldalfalainak vagy tetőrészének elkészítésekor is előszeretettel használják.

289

5. FELHASZNÁLT IRODALOM

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Atlas zur Wärmebehandlung der Stähle, Band 1., Verlag Stahleisen M. B. H., Düsseldorf, 1961. Balogh, A.: Hegesztett szerkezetek. Miskolci Egyetem Továbbképző Intézete, 2002. Balogh, A.: Ömlesztő hegesztések. Miskolci Egyetem Továbbképző Intézete, 2001. Balogh, A; Sárvári, J.; Schäffer, J.; Tisza, M.: Mechanikai technológiák. Miskolci Egyetem, 2003. Beckert-Neumann: A hegesztés alapismeretei. Hegesztési eljárások. Műszaki, Budapest, 1972. Beukowszky, G.: Indukciós hevítés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1984. Bödök, K.: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött szerkezeti acélok korrózióállósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére. CORWELD, Budapest, 1997 Chatterjee–Fischer, R., u.a.: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, Nitrieren und Nitrocarburieren, expert verlag, Renningen, 1986. Daves, C.; Tranter, D. F.: Kontrolle des Gasaufkohlens in der Produktion, TZ für paktische Metallbearbeitung, 1979.3. Eckstein, H.-J.: Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1987. Eckstein, H.-J.: Wärmebelhandlung von Stahl (Metallkundliche Grundlagen), VEB Deutscher Verlag für Grundsoffindustrie, Leipzig, 1969. Feldmann, H. D.: Cold Forging of Steels, Hutchinson Scientific Publ., London, 1981. Gál, G., Kiss, A., Sárvári, J., Tisza, M.: Képlékeny hidegalakítás, Tankönyvkiadó, Budapest, 1981. p. 1-356. Gáti, J. (szerk): Hegesztési zsebkönyv. Műszaki Kiadó, Budapest, 1996. Gremsperger, G.; Kristóf, Cs.: CO2 védőgázas ívhegesztés. Műszaki, Budapest, 1981. Herden, G.: Hegesztési kézikönyv. Műszaki, Budapest, 1973. Horn, W.; Horn, H. J.; Marfels, W.: Wärmebehandlung von Stahl, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1987. Kalpakjan, S.: Manufacturing Engineering and Technology, Addison Wesley, New York, 1989. Karsai, I.: A hegesztés biztonságtechnikája. Táncsics, Budapest, 1976 Komócsin, M.: Gépipari anyagismeret, Miskolc, 2001.

290

FELHASZNÁLT IRODALOM

21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49.


Liedtke, D.: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen II., Nitrieren und Nitrocarburieren, expert verlag, Renningen, 2007. Liedtke, D.: Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen I., Grundlagen und Anwendungen, Expert Verlag, 2007. Lizák, J.: Hőkezelés, Gyakorlati segédlet, Tankönyvkiadó, Budapest, 1987. Mielnik, E.: Metalworking Science and Engineering, McGraw Hill Co., New York, 1991. Metals Handbook, 10th Edition, Volume 6. AWS, 1995. Neményi, R.: Védőgázas hőkezelés, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1974. Probst, R.: Grundlagen der Schweisstechnik. Schweissmetallurgie.VEB Verlag Technik, Berlin, 1970. Reinbold, H.: Stähle und ihre Wärmebehandlung, Werksoffprügung, VEB Deutscher Verlag für Grundsoffindustrie, Leipzig, 1973. Richter, H.: Fügetechnik, Schweisstechnik. DVS Verlag, Düsseldorf, 1990 Romvári, P.; Béres, L. : Javító és felrakóhegesztés. Műszaki, Budapest, 1984 Ruge, J.: Handbuch der Schweisstechnik, Band I. Springer, Berlin, Heidelberg, NewYork, Tokyo, 1985 Schatz, W.: Fedettívű hegesztés. Műszaki, Budapest, 1974 Schön, Gy.: Vasötvözetek és hőkezelésük, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968. Smoling, K.: Az acélok és a vas hőkezelése, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1976. Spur, G.: Handbuch der Fertingungstechnik Band H/2, Wärmebehandeln, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1987. Szőke, L.: A hőkezelés fizikai alapjai I., II., Tankönyvkiadó, Budapest, 1964., 1965. Szunyogh, L.: Hegesztési kézikönyv. GTE, Budapest, 2007 Thomsen, E., Yang, C., Kobayashi, S.: Mechanics of Plastic Deformation in Metal Processing, MacMillan Co., New-York-London, 1965. Tisza, M.: A képlékenyalakítás elmélete, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 1985. Tisza, M.: Mechanical Technologies, University Publisher, Miskolc, 1995. Tisza, M.: Metallográfia, Egyetemi Kiadó, Miskolc, 1998. p. 1-394. Tisza, M.: Anyagvizsgálat, Miskolci Egyetemi Kiadó, Miskolc, 2001. p. 1-495. Tisza, M.: Physical Metallurgy, American Society of Materials, Ohio Park, Columbus, London, 2001. Tisza, M.: Introduction to Materials Sciences, University Publisher, Miskolc, 2001. Ushio, M.: Automation Technology of Arc Welding. Japan Welding Society, 1996 Verő, J.: Vaskohászati Enciklopédia IX/1., IX/2., Az ipari vasötvözetek metallográfiája, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1960., 1964. Verő, J.; Káldor, M.: Vasötvözetek fémtana, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1966. Welding Handbook, 8th Edition, Volume 1 to 4. AWS, Miami, 1991 Zorkóczy, B.: Metallográfia és anyagvizsgálat, Tankönyvkiadó, Budapest, 1968.

291

MECHANIKAI TECHNOLÓGIÁK

Recommend Documents