Spawanie w nietypowych środowiskach
Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się o metodach spawania w nietypowych warunkach: 1. Spawanie na wietrze 2. Spawanie w niskich temperaturach otoczenia 3. Spawanie w próżni 4. Spawanie w przestrzeni.
Spawanie na wietrze:
Spawanie w wietrznych warunkach powoduje wydłużenie łuku, co prowadzi do pogorszenia osłony jeziorka spawalniczego przed szkodliwym działaniem gazów atmosferycznych. Napięcie łuku musi więc być utrzymywane w pewnym zakresie, aby zapewnić spoinę bez defektów przy danej prędkości wiatru.
Osłona gazu ochronnego przez spalanie powłoki w ekranowanym spawaniu łukiem metalowym i silnym wpływem prędkości wiatru na gaz osłonowy w spawanie łukiem elektrycznym z gazu ziemnego; jednak samozasysające druty proszkowe zapewniają znacznie lepszą ochronę.
Zakładając wydłużanie łuku jako ilościowe kryterium skuteczności ekranowania, wyniki dla jednej marki samoosłonowego drutu do spawania łukowego rdzeniowego (FCAW) opisanego przez Shlepakova i in. z symulowanych eksperymentów laboratoryjnych pokazano na ryc. 22.1.
Oczywiste jest, że bezzapięciowe spoiny można uzyskać dla bardzo krótkich długości łuku dla zakresu napięć łuku od 21 do 22, 5 woltów dla prędkości wiatru do 15 m na sekundę. Jednak jakość zgrubienia spoiny została poważnie ograniczona w przypadku dłuższego łuku, szczególnie przy większej prędkości wiatru. Podobne dane dotyczące innych typów samouszczelniających drutów FCAW zostały również opisane przez tych samych autorów.
Spawanie w niskich temperaturach otoczenia:
Spawanie w zimie w regionach górskich na północy, a dokładniej w regionach arktycznych i antarktycznych, wymaga pracy w bardzo niskich temperaturach do -40 ° C lub nawet niższych. Wydajność maszyn i konstrukcji w regionie Arktyki w zimie jest około 1, 5 razy niższa od wartości znamionowej, a tym samym faktyczna żywotność ulega zmniejszeniu o 2 do 3, 5 razy, powodując w wyniku straty dla zainteresowanych krajów.
Niepowodzenie komponentów, zestawów i podzespołów samochodu, ciągnika i spycharki w okresie zimowym jest 4 do 6 razy większe niż latem. Średnia miesięczna praca buldożera w zimie wynosi od 2, 7 do 7 razy mniej niż latem. Ponad 75% awarii w stosunku do wszystkich zarejestrowanych spawanych elementów podstawowych i zespołów maszyn kopiących występuje w okresie zimowym. Kruche pęknięcie i pęknięcie zmęczeniowe są najczęstszymi przyczynami uszkodzeń połączeń spawanych w pogłębiarkach i innych urządzeniach do robót ziemnych.
Wraz ze spadkiem temperatury w zimie w regionie arktycznym odnotowano wzrost uszkodzeń w rurociągach, mostach, dźwigarach przenoszących obciążenie, zbiornikach, zbiornikach oleju i zbiornikach ciśnieniowych. Do głównych przyczyn niskiej temperatury kruchego pękania połączeń spawanych należy zaliczyć słaby dobór materiałów podstawowych i materiałów spawalniczych oraz przyjętej technologii spawania. Prowadzi to do powstawania regionów o większej podatności na kruchość i inicjacji pęknięć zimna.
Tworzenie zimnych pęknięć w połączeniach spawanych wykonanych w niskich temperaturach otoczenia przypisuje się szybkiemu chłodzeniu i krystalizacji jeziorka spawalniczego, co powoduje uwięzienie wodoru, tlenu lub azotu i materiałów niemetalicznych w stopiwie. Ze względu na szybkie chłodzenie w niskiej temperaturze; topnienie metalu może być również niewystarczające, co prowadzi do niepełnej penetracji i braku fuzji. Również jakość elektrod i drutów wypełniających ma niekorzystny wpływ na żele wilgoci na nich.
Aby przeciwdziałać szkodliwym skutkom niskiej temperatury do osiągnięcia jakości spoin należy przestrzegać następujących zasad:
1. Zastosowany metal macierzysty powinien być wolny od zadrapań, wgnieceń lub powierzchni, aby uniknąć efektu karbowania
2. Czyszczenie krawędzi roboczych jest niezbędne do usunięcia zanieczyszczeń i wilgoci lub śniegu. W razie potrzeby krawędzie można wstępnie podgrzać przed montażem, a następnie powoli schłodzić połączenie zgrzewane.
3. Stosować wyłącznie wysokiej jakości elektrody, dokładnie wysuszone, z odpowiednimi technikami i zmiennymi spawania. Wyższe ustawienie prądu może być wymagane, aby skompensować niską temperaturę otoczenia.
4. Spoiny powinny być starannie przycięte po zakończeniu, aby uniknąć tworzenia się zadrapań i wgłębień w metalu spoiny i HAZ.
5. Należy unikać rozwoju krateru, aby uniknąć powstawania pęknięć kraterów, które mogą prowadzić do kruchego złamania.
6. Stosuj mocowania zamiast sztywnych haków, aby uniknąć powstawania nadmiernych naprężeń w złączu spawalniczym; dobrą praktyką jest zwiększenie ilości dostarczanego ciepła o 4 do 5% za każde obniżenie o 10 ° C w temperaturze otoczenia z, powiedzmy, około 20 °.
Ze względu na zwiększony efekt radiatora, ciągliwość zgrzewu zmniejsza się wraz ze wzrostem grubości roboczej. Aby przeciwdziałać wpływowi grubości na plastyczność, ilość dostarczanego ciepła może być zwiększona, ale zwykle prowadzi to do zmniejszenia wytrzymałości spawanego metalu. Chłodzenie jest krytycznym parametrem w spoinach pachwinowych i wielorowkowych, dlatego unika się spoin ważnych spoin wykonanych w niskich temperaturach otoczenia.
Alternatywną metodą jest wykonanie spoin o grubszym przekroju. Na przykład, grubość przedmiotu obrabianego 16-24 mm, 25-40 mm i 41-50 mm należy spawać z minimalnym przekrojem spoiny lub odpowiednio 35 mm2, 50 mm2 i 60 mm2. Również szybkości chłodzenia takich spoin nie mogą przekraczać 30 ° C na sekundę.
Wzmacniające pręty ze stali konstrukcyjnych można z powodzeniem spawać w formach w niskich temperaturach. Właściwości uzyskane w takich przypadkach są zazwyczaj podobne do właściwości osiąganych w normalnych temperaturach w sklepie.
Rodzaj powłoki znacznie wpływa na wynik ekranowanego spawania łukowego w niskich temperaturach. Najlepsze wyniki można uzyskać stosując podstawowe powlekane elektrody, ponieważ otrzymany metal spoiny ma wysokie właściwości mechaniczne i udarność, ponieważ ma niską zawartość wodoru w metalu spoiny, który ma niewielką podatność na starzenie i kruche pękanie, a także na wzrost zawartości węgla i siarki. . Dobrej jakości spoiny można w ten sposób uzyskać za pomocą podstawowych powlekanych elektrod w niskich i wysokostopowych stalach.
W celu uzyskania spoin dobrej jakości w spawaniu rur w niskich temperaturach należy zaimpregnować kolbę zgodnie z warunkami podanymi w tabeli 22.1:
Spoiny czołowe w rurociągach ze stali martenzytycznej o dowolnej grubości ścianki należy wykonywać przy temperaturze otoczenia wynoszącej około 0 ° C; gdy temperatura otoczenia jest niższa niż 0 ° C, takie spoiny czołowe należy wykonywać w ogrzewanych pomieszczeniach lub obudowach. Spawanie rurociągów wykonanych ze stali rimmingowych i półoblewanych oraz ich podnoszenie, transport i montaż powinno odbywać się w temperaturze otoczenia nie niższej niż -20 ° C.
Podatność połączenia spawanego na kruche pękanie znacznie wzrasta, gdy nawet najmniejsze pęknięcia na zimno lub uszkodzenia zmęczeniowe pojawiają się pod naprzemiennymi obciążeniami, co staje się bardziej wyraźne wraz ze spadkiem temperatury. Aby poprawić wydajność połączeń spawanych pod wpływem obciążeń udarowych i przy ujemnych temperaturach, zaleca się odpuszczanie w wysokiej temperaturze w celu zwiększenia odporności na karb przez obróbkę cieplną na metalowej konstrukcji HAZ.
Inną metodą polepszenia udarności i zmęczenia spawów wykonanych w niskich temperaturach otoczenia jest obróbka spawana argonem. W tej obróbce łuk argonowy służy do płynnego przejścia konturu od spoiny do metalu podstawowego, a także do ulepszania metalu spoiny przez zmiany metalurgiczne, takie jak odsiarczanie, odgazowywanie, uszlachetnianie wtrąceń niemetalicznych i zmiany ich kształtu.
Obróbka ta prowadzi nie tylko do zmniejszenia koncentracji naprężeń w strefie wpływu ciepła, lecz także poprawia strukturę warstwy powierzchniowej metalu, zwiększając w ten sposób charakterystykę mechaniczną połączenia spawanego.
Skutki odpuszczania w wysokiej temperaturze i obróbki za pomocą łuku argonu w poprawie udarności stali niskowęglowej i stali azotowanej w porównaniu z tą samą stalą bez żadnej obróbki są takie, jak pokazano na Rys. 22.2.
Spawanie próżniowe:
W spawaniu termojądrowym skuteczne osłanianie jeziorka spawalniczego przed szkodliwym działaniem gazów atmosferycznych (tlenu i azotu) jest niezbędne do uzyskania wysokiej jakości spoin. Metal spoiny może również odbierać wodór z wilgoci, rdzy, powłoki elektrody, strumienia itp.
Chociaż różne gazy reagują odmiennie z metalem basenu spoiny, ale nieuchronnie pogarszają właściwości fizyko-mechaniczne spoiny metalowej. W przypadku uwięzienia w dużych ilościach, rozpuszczone gazy mogą prowadzić do tworzenia się pęcherzy, pęcherzy i porowatości oraz zmniejszonej gęstości metalu, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia plastyczności i wytrzymałości. Gazy występujące nawet jako związki chemiczne, takie jak tlenki, azotki i wodorki, mogą równie znacząco wpływać na wytrzymałość i wytrzymałość metalu, co może prowadzić do kruchego uszkodzenia.
Dotyczy to w szczególności metali aktywnych. Oprócz utrudnień w zakresie właściwości mechanicznych, utlenianie zmniejsza odporność metali na korozję. Wtrącenia tlenków mogą również powodować porowatość gazu, ponieważ pochłaniają one i zatrzymują gazy, podczas gdy metal znajduje się w stanie stopionym.
W celu ochrony jeziorka spawalniczego stosuje się różne media ekranujące, z których każdy ma swoje zalety i ograniczenia. Większość metali technicznych jest odpowiednio osłonięta przez argon i hel, ale gazy te okazują się niewystarczające jako media osłonowe do spawania .metale takie jak cyrkon i tantal. Wodór jest również łatwo absorbowany przez cyrkon, tantal i niob, tworząc wodorki, które pojawiają się jako smugi wzdłuż granic ziaren.
Nawet niewielka ilość wodoru w cyrkonie, tantalu lub niobu może wytworzyć porowatość i zmniejszyć ich plastyczność i wytrzymałość. Zatem, aby wykonać spoiny o wystarczającej plastyczności w reaktywnych i ogniotrwałych metalach, ośrodek ekranujący powinien zawierać minimalne ilości tlenu, azotu, wodoru i wilgoci.
Skuteczność próżni jako medium osłonowego zależy od ilości zanieczyszczeń obecnych na jednostkę objętości komory próżniowej. Tablica 22.2 pokazuje, że nawet stosunkowo niska próżnia ma niską zawartość zanieczyszczeń na jednostkę objętości. W porównaniu z zawartością tlenu i azotu odpowiednio 0 005% i 0 01% wysoko oczyszczonego i drogiego argonu o czystości A, w surowej próżni wynoszącej 01 mm Hg zawartość tlenu i azotu wynosi odpowiednio 0 003% i 0 01%.
Wyższe właściwości mechaniczne spoin wykonanych w próżni są potwierdzone faktem, że twardość metalu w spawach cyrkonowych wykonanych metodą łuku argonu była prawie dwukrotnie większa niż w przypadku zgrzewów próżniowych. Ponadto, zmniejszona zawartość gazu w metalu spoiny przez ekranowanie próżniowe poprawia jego plastyczność, jak w przypadku spoin wykonanych z molibdenu.
Osłona próżniowa wpływa na aktywność spoiny metalowej poprzez jej odgazowanie, zwiększając jej gęstość, usuwając tlenki, zanieczyszczenia i zanieczyszczenia zarówno z powierzchni jak i z metalu. Ponieważ zanieczyszczenie metalu spoiny jest zmniejszone, granice ziaren stają się czystsze, co powoduje zwiększoną odporność na korozję stopiwa. Spoiny wykonane metodą łuku argonowego korodują szybciej niż spoiny wykonane w próżni.
Ekranowanie próżniowe eliminuje również możliwość tworzenia kieszeni gazowych w metalu spoiny, ponieważ nie są dostępne żadne gazy do pochłaniania przez niego; w ten sposób spawanie próżniowe wielu reaktywnych i ogniotrwałych metali wytwarza spoiny wolne od porowatości.
Ekranowanie próżniowe zmniejsza zawartość gazu w metalu spoiny dzięki dysocjacji tlenków, azotków i wodorków. Wodór, nawet jeśli występuje w stanie złożonym, może być łatwo usunięty z metalu spoiny.
Tlen i azot mogą być usuwane z metalu spoiny tylko wtedy, gdy ciśnienie cząstkowe tych gazów w komorze spawalniczej jest niższe od ciśnienia dysocjacji tlenków i azotków w temperaturze jeziorka spawalniczego. Ponieważ tlen ma ekstremalnie niskie ciśnienie cząstkowe, bardzo trudno jest go całkowicie usunąć z przytłaczającej większości metali, z wyjątkiem miedzi, niklu i kobaltu.
Jednakże azotki z aluminium, niobu, chromu, magnezu, krzemu i tantalu mają stosunkowo wysokie ciśnienie dysocjacji azotków, z wyjątkiem cyrkonu i tantalu, ponieważ ich azotki mają niskie ciśnienie dysocjacji. Osłona próżniowa jest tym samym czynnym środkiem ochronnym, ponieważ umożliwia stopieniu metali pozbyć się zanieczyszczeń powierzchniowych, pochłoniętych gazów płynnych błon. Zasadniczo metal przyjmuje wysoki połysk w szerokiej strefie sąsiadującej ze zgrzewanymi krawędziami.
Ekranowanie próżniowe jest nie tylko proste i łatwe w utrzymaniu, ale oferuje także korzyści ekonomiczne. Na przykład ekranowanie próżniowe jest o połowę tak kosztowne, jak ekranowanie argonem, a czasami może kosztować tyle samo, co ekranowanie CO 2 . Eliminuje to również potrzebę butli z gazem oraz kosztów transportu i obsługi.
Ekranowanie próżniowe zapewnia nie tylko idealną osłonę do spawania metali, ale jest również skuteczne w zabezpieczaniu wysokiej jakości połączeń spawanych w materiałach niemetalicznych. W przypadku niektórych materiałów ekranowanie próżniowe jest jedynym medium ekranującym, które umożliwia uzyskanie spawów o wymaganej jakości.
Spawanie w kosmosie:
Wraz z rozwojem wielkogabarytowych stacji orbitalnych, w których znajduje się wielu członków załogi, duże teleskopy radiowe, anteny, ekrany odbijające i pochłaniające, systemy inżynierii promieniowania słonecznego, potrzeba naprawy i odnawiania samolotów rośnie wraz z wydłużeniem czasu pracy, podczas gdy problemy z rozmieszczeniem montaż i montaż stają się coraz pilniejsze wraz ze wzrostem masy i rozmiarów konstrukcji.
Również potrzeba pilnej uwagi chorych satelitów, aby sieć komunikacyjna na całym świecie działała sprawnie, staje się koniecznością opracowanie odpowiednich metod materialnego łączenia się. Procesy spawania wydają się niezbędne do zastosowania w przestrzeni kosmicznej, gdzie warunki spawania różnią się radykalnie od warunków panujących na Ziemi.
W porównaniu do środowiska na Ziemi, przestrzeń charakteryzuje się trzema głównymi czynnikami, mianowicie: zerową grawitacją, wysoką próżnią kosmiczną i wysokim kontrastem ze względu na granice światło-cień.
za. Brak grawitacji:
Powoduje to brak lub tłumienie siły wyporu i konwekcji. Szczególną cechą zerowej litery G jest to, że kosmonauta musi pracować bez wsparcia, co powoduje znaczne niedogodności w operacjach ręcznych.
b. Wysoka próżnia kosmiczna:
Ciśnienie atmosferyczne w rejonie małej wysokości, na którym obecnie latają duże stacje orbitalne i które mają lecieć w niedalekiej przyszłości, wynosi od 10 -2 do 10-4 Pa. Ten region ciśnienia może być doskonale opanowany przez przemysł naziemny wykorzystujący wiązkę elektronów. i spawanie dyfuzyjne. Cechą szczególną próżni kosmicznej jest jednak niezwykle wysoki lub prawie nieskończony stopień ewakuacji.
do. Wysoki kontrast dzięki granicom jasności:
Z powodu nagłej zmiany strefy światła w cień różnica temperatur może wynosić od 150 do 500 ° C. Również ze względu na zmniejszony charakter przenoszenia ciepła i masy w przestrzeni strefa o wysokich różnicach temperatur może znajdować się blisko siebie na obrabianym przedmiocie.
Ze względu na te szczególne cechy spawania w przestrzeni, ważne jest, aby wybrać proces zastosowania przemysłowego o wszechstronności, prostocie, niezawodności, bezpieczeństwie, niskim zużyciu energii, minimalnej masie i objętości sprzętu. Mając na uwadze wszystkie te wymagania, stwierdzono, że EBW jest najbardziej wydajną metodą spawania w kosmosie.
Podstawowym czynnikiem przestrzeni, który najbardziej aktywnie wpływa na procesy spawania związane z obecnością fazy ciekłej, jest zerowa grawitacja. Poniżej zera-G wyraźne działanie sił powierzchniowych to mieszanie się stopionego metalu pod wpływem wiązki elektronów i efekty dyssypacji spowodowane lepkością i dyfuzyjnością cieplną. Większość stopionych materiałów metalicznych ma niską lepkość kinetyczną, umiarkowaną dyfuzyjność cieplną i wysokie napięcie powierzchniowe.
Możliwość przepalenia z materiału arkuszowego pod zerową masą G w przypadku nieobsługiwanego spawania przy niskiej koncentracji energii cieplnej jest trudna. Jednakże średnica puli spawalniczej może być dziesięciokrotnie (lub nawet więcej) tak duża, jak grubość materiału, co powoduje trudności w obsłudze dużej ilości stopionego materiału.
Zalety wysokiego napięcia powierzchniowego o zerowej wartości G w przestrzeni to taka, że w przypadku przebicia lub wycięcia otworu w arkuszu stopiony metal przylgnie do dolnej krawędzi pracy lub może nawet zamknąć otwór lub "piętę" Cięcie. Gdyby tak nie było, byłoby to bardzo niebezpieczne ze względu na latające metalowe kawałki w kosmosie.
Przestrzeń i szczególny charakter pracy w niej wymaga zapewnienia najwyższej możliwej niezawodności sprzętu, bezwzględnego bezpieczeństwa osób, które z nim pracują oraz eliminacji ryzyka uszkodzeń jednostek kosmicznych. Opracowane narzędzie powinno również charakteryzować się zwartością, niskim zużyciem energii, niewielką masą i przypadkiem działania.
Wszechstronne narzędzie do spawania ręcznego opracowane w celu zaspokojenia wszystkich tych wymagań w możliwym zakresie opiera się na użyciu EBW i nosi nazwę VHT, czyli narzędzie Versatile Hand Tool. Jednak EB W wiąże się z wysokim napięciem przyspieszającym i może skutkować generowaniem promieniowania rentgenowskiego. Kontakt zewnętrznej osłony garnituru ze stopionym metalem lub wiązką elektronów może również prowadzić do poważnych konsekwencji.
VHT opracowany przez rosyjskich inżynierów spełniających większość wyżej wymienionych wymagań ma następujące specyfikacje.
Próbki spawane przy użyciu powyższego VHT w kosmosie spełniają wszystkie aktywne wymagania przemysłowe. W przeciwieństwie do innych procesów spawania łukowego, ręczny EBW pozwala na utrzymanie wielkości puli spawów i głębokości penetracji w ramach kontroli nie tylko poprzez obsługę narzędzia, ale także przez zmianę skupienia wiązki; minimalizuje to ryzyko poparzenia. Wadą częściej spotykaną w spawaniu kosmicznym przy użyciu VHT jest brak przenikania, który jest generalnie przypisywany ludzkiej reakcji na własny lęk operatora spowodowania nieodwracalnej wady wypalenia.
Pomimo występowania braku penetracji spawanie w przestrzeni jest wysoko oceniane.
Chociaż EBW był z powodzeniem stosowany do spawania w przestrzeni kosmicznej od około 1990 roku, ale ostatnie osiągnięcia w procesie zgrzewania tarciowego (FSW) przewidywały niektóre jego warianty do zastosowania w spawaniu spawania i naprawach spawania w przestrzeni. Niektóre z tych udoskonaleń obejmują High Speed FSW (HS-FSW), Ultradźwiękowe mieszanie spieków (USW) i Thermal Stir Welding (TSW).
za. High Speed FSW :
Opiera się on na założeniu, że wysokie prędkości wrzeciona do setek tysięcy obrotów na minutę w FSW zmniejszają siły niezbędne do produkcji zgrzewów do poziomu pozwalającego na ręczne urządzenia ręczne. Obecnie trwają prace nad spawaniem stopu miedzi o grubości 1, 5 mm przy prędkości obrotowej trzpienia do 30 000 obrotów na minutę i prędkości spawania do 5 m / min.
Trwają równoległe badania nad rozwojem zrobotyzowanego działania ręcznego ręcznego urządzenia półprzewodnikowego do użycia HS-FSW.
b. Ultradźwiękowe mieszanie spawania (USW):
Ta energia ultradźwiękowa podgrzewa materiały do stanu plastycznego. W przeciwieństwie do standardowego FSW nie ma obracających się ramion i sworzni, które wytwarzają ciepło tarcia. Oczekuje się, że koncepcja ta będzie bardziej praktyczna niż HS-FSW jako proces spawania i naprawy na orbicie, ponieważ problem z wysoką stabilnością prędkości obrotowej zostanie wyeliminowany.
do. Spawanie termiczne (TSW):
To kolejny proces spawania grubszych elementów. TSW różni się od FSW tym, że podgrzewanie, mieszanie i elementy procesu kucia znalezione w FSW są kontrolowane niezależnie. Występuje niewielkie nagrzewanie cierne i brak szybko obracających się kołków / ramion. Podobnie jak USW, TSW unika również problemów ze stabilnością związanych z częściami obrotowymi o wysokiej prędkości. Oprócz zastosowania w spawaniu i naprawach w przestrzeni, TSW może być wykorzystywany w konstrukcjach okrętowych do stosowania w spawaniu stopów tytanu w przemyśle stoczniowym, jak również w produkcji wysokowydajnych jachtów osobistych z tytanu.
Oprócz spawania; cięcie, lutowanie i natryskiwanie metali były również wykonywane w przestrzeni kosmicznej. Lutowanie okazało się najtrudniejszym procesem do przeprowadzenia w kosmosie. Jest to związane z tym, że w kosmosie jasność promieniowania słonecznego jest niezwykle wysoka, prawie niemożliwe jest zobaczenie zmiany barwy w metalu z temperaturą, a zatem spawacz-kosmonauta musi określić zakres ogrzewania pracy do czasu interwał.
Natryskiwanie metalu w ogóle nie jest trudne do przeprowadzenia w kosmosie, a rozpylane w kosmosie elementy spełniają wymagania najbardziej rygorystycznych norm.
