2. HEGESZTÉS

2.1. A hegesztés általános kérdései

Gépalkatrészek vagy szerkezetek készítésekor elkerülhetetlen feladat az egyes különálló szerkezeti elemek összekötése. Az összekötés kétféle módon történhet:

- oldható kötéssel,
- oldhatatlan kötéssel.

Az oldható kötéshez külső erő szükséges. A külső erő közvetítésére huzal, ék, csavar vagy szegecs alkalmazható. A kötésfajták között a megbontás lehetősége szerint szokás különbséget tenni. A huzal-, ék- és csavarkötés általában bontható, a szegecskötést bonthatatlannak tekintik. A szegecskötés lángvágással ugyan bontható, de a szegecsek nem használhatók fel újból. A külső erővel létesített kötést foglalatos kötésnek is nevezik, mivel az egybefoglalt alkatrészek megtartják önállóságukat.

A hegesztés, mint oldhatatlan kötés, több száz éve ismeretes, igazi fejlődése azonban csak a múlt század végén kezdődött. Hegesztéskor a fémes alkatrészek összekötésére belső erőket, a fémek atomjait és molekuláit összetartó erőket használnak fel. Ezt a kötésmódot kohéziós kötésnek is nevezik.

A kétféle kötésmód összehasonlításakor az alábbiakat állapíthatjuk meg:

- statikus, egyszerű igénybevételek átadását illetően a két kötésmód egyenértékű,
- összetett és fárasztó igénybevételek elviselésére a hegesztés megfelelőbb, mint a foglalatos kötés,
- anyagtakarékosság szempontjából a hegesztett kötés mindig jobb,
- a munkaigényességet illetően az esetek többségében a hegesztés a kedvezőbb.

Hegesztéskor a kohéziós kapcsolatot többnyire úgy hozzák létre, hogy a hegesztés helyén az alkatrészek anyagát vékony rétegen megolvasztják és így kötik össze őket, vagy pedig az alapanyaghoz hasonló kémiai összetételű töltőanyag megolvasztásával kapcsolják össze az alapanyagokat.

Kohéziós kötést létre lehet hozni úgy is, hogy az összekötésre kerülő felületek közötti hézagot az alapanyaggal közel sem egyező, lényegesen kisebb olvadáspontú fémmel töltjük ki. Ezt az eljárást nevezzük forrasztásnak.

Két vagy több szerkezeti elem közötti molekuláris kapcsolatot pusztán erőhatással is létre lehet hozni anélkül, hogy az alapanyagokat megömlesztenénk (pl. kovácshegesztés, hideghegesztés).

A kohéziós kapcsolat létesítésének azt a módszerét, amelyben az alapanyagoknak a kötés helyével szomszédos kis részét helyileg egy közös fémfürdővé olvasztjuk és abba még esetleg egy harmadik anyagnak (hegesztőpálcának vagy elektródnak) egy részét is beolvasztjuk, és az így keletkezett hegfürdőt a kötést áthidaló varrattá dermesztjük, ömlesztő hegesztésnek hívjuk.

A 2.1/a. ábra vázlatosan azt szemlélteti, amikor az A és B munkadarab megfelelően előkészített összekötendő felületeit pl. egy lánghegesztő pisztoly lángjával közös fémfürdővé olvasztjuk össze, és ebbe még a C hegesztőpálca anyagát is beömlesztjük. A három anyag ömledékéből a fémfürdő az A és B anyag szilárdan maradt részével a részlegesen megolvadt átmeneti körzet útján kapcsolódik. A hegesztett kötést itt a közös fémfürdővé (hegfürdővé) összeömlesztett A + B + C anyag együttes dermedésével keletkező belső erő biztosítja.

2.1. ábra

A b) ábra azt az esetet szemlélteti, amikor az A alapanyagra a B hegesztőpálca anyagát a láng melegével átömlesztjük. Ilyenkor a keletkezett hegfürdő az A és a B anyagot tartalmazza, de nem minden helyen azonos mennyiségben. A hegfürdő megdermedésekor a keletkezett varrat kohéziós kapcsolatba kerül az alapanyaggal. Az ilyen hegesztést nevezzük felrakóhegesztésnek.

A kohéziós kapcsolat létesítésének másik ősrégi változata a sajtoló (tűzi) hegesztés, amelynek vázlatát a 2.2. ábra szemlélteti. A ferde véglapokkal összeillesztett lágyacél rúdvégek között úgy jön létre a kötés, hogy a g-mező hőmérsékletére hevített, revétől megtisztított ferde illesztési síkok mentén a két anyag külső erő, pl. kalapácsütések hatására egymásba sajtolódik. Közben az illesztés a 1 szöge a 2-re csökken, az l 1 illesztési hosszúság l 2 hegedési hosszúságra növekszik. A két lágyacél illesztési felületének vékony anyagrészei tehát eredeti helyzetükhöz képest elfordulnak, és képlékeny megnyúlás közben egymáshoz képest elcsúsznak. Az ilyen kötés tehát szilárd halmazállapotban jön létre.

2.2. ábra

A szilárd halmazállapotban végrehajtott hegesztés kötésmechanizmusát a 2.3. ábra alapján magyarázhatjuk. Az összekötendő két felületet egy-egy rácselemével ábrázolhatjuk (A és B). Ilyen helyzetben az egymáshoz legközelebb levő atomok között l távolság nagyobb a két rácselem azonos paraméterénél: l < p.

2.3. ábra

A két szomszédos szemcse térrácsának tengelyei általában nem párhuzamosak, tehát a szomszédos szemcsék orientációja különböző. A kohéziós kapcsolat feltétele az, hogy a két felület rácselemei egy közös térrácsban helyezkedjenek el. Ennek az a feltétele, hogy l = p és a = b = g = 0 legyen.

Az l = p feltételt megfelelő nagy erővel, az a = b = g = 0 feltétel teljesülését pedig az érintkező felületek rácselemeinek relatív elmozdulásával (elcsúszás, megnyúlás, elfordulás) érjük el. Az l = p feltétel kielégítése annál könnyebb, minél kisebb az l, és minél nagyobb a p. Az l csökkentését a sajtolóerő növelésével, a p növelését a fém hőmérsékletének a növelésével érhetjük el.

Az előzőekből következik, hogy megfelelő nagy sajtolóerővel szobahőmérsékleten is lehet hegeszteni (hideghegesztés, robbantásos hegesztés).

A hegesztéshez szükséges kohéziós kapcsolat tehát elvileg kétféle módon hozható létre: ömlesztő hegesztéssel és sajtoló hegesztéssel. A két eljárás kombinálható is egymással. Eszerint a hegesztő eljárások három nagy csoportra oszthatók:

- sajtoló hegesztés,
- ömlesztő (olvasztó) hegesztés,
- ömlesztő hegesztés sajtolással.

Ahhoz, hogy ömlesztő hegesztéskor a hegesztendő alapanyagok csak hegesztési felületeken ömöljenek meg, olyan hőforrásra van szükség, amely a felületet csak egy keskeny csíkban ömleszti meg anélkül, hogy az alapanyag többi része megolvadna. Ezt olyan hőforrással lehet biztosítani, amelynek a hőmérséklete az alapanyag olvadáspontjánál lényegesen nagyobb.

2.2. Sajtoló hegesztések

2.2.1. Hideghegesztés

A hideghegesztés olyan eljárás, a melynek során az adott hideg anyag folyáshatáránál lényegesen nagyobb feszültséggel terhelik az összekötendő felületeket. A hegesztés során a munkadarabok nagy alakváltozást szenvednek. Ez az alakváltozás tompahegesztéskor zömítési dudorként, átlapolt hegesztéskor pedig keresztmetszet-csökkenésként jelentkezik (2.4. ábra). Minden anyaghoz tartozik egy meghatározott kritikus alakítási érték, amelynél a hegedés folyamata megindul. Ez az érték például alumíniumra 150%, rézre 175%.

2.4. ábra

Hideghegesztéskor a kifogástalan kötés előfeltétele a tiszta felület. Tiszta felületet megfelelő előkészítéssel, vagy igen nagy mértékű hidegalakítással lehet biztosítani. Mivel a hegesztés közbeni alakváltozás minimumon tartása érdekében a lehető legkisebb sajtolóerővel kell dolgozni, a felületek hegesztés előtti tisztítása nagy jelentőségű. A hegesztést közvetlenül a tisztítás után kell elvégezni, mivel az oxidképződés gyorsan bekövetkezhet (2.5. ábra).

2.5. ábra

Az oxidréteg keménysége is befolyásolja a hegeszthetőséget. A keményoxidú fémek jobban hegeszthetők, mint a lágyoxidúak. A roncsolt kemény oxidrétegek kifelé nyomulnak a hegesztési hézagból. Az oxidokkal együtt minden egyéb idegen szennyezőanyag kiszorul a zömítési dudorba, amely utólagos megmunkálással eltávolítható. A felületek tisztíthatók mechanikusan (kefélés, reszelés, esztergálás stb.), vegyi úton (pácolás), hőkezeléssel, vagy ezek kombinációjával. Szilárdsági szempontból a legjobb eredményt a forgó acél-drótkefékkel végzett tisztítás biztosítja.

A hideghegesztés készülékeinek egyetlen feladata van: a nyomóerő biztosítása. A kisméretű darabokhoz elegendő nagyságú erő fejthető ki pl. kézi működtetésű hegesztőfogóval. Nagyobb munkadarabok összehegesztéséhez hidraulikus működtetésű gépek használhatók, amelyek részben vagy egészben automatizáltak.

A hideghegesztés előnye, hogy kívülről nem kell hőt bevezetni, nincs szükség hegesztőanyagra, különféle minőségű anyagok is hegeszthetők egymással. A 2.6. ábra a hegeszthetőséget szemlélteti. Hátránya, hogy csak a hidegen jól alakítható anyagok hegeszthetők össze. A hideghegesztés fő alkalmazási területe az alumínium és réz alkat- részek kötése, valamint ezek kombinációja. A felhasználás területe döntően a villamosipar.

2.6. ábra

2.2.2. Robbantásos hegesztés

Robbantásos hegesztéskor az összekötendő, legtöbbször nagy felületű darabokat egymással párhuzamosan vagy szög alatt helyezik el, majd hirtelen keltett lökéshullámokkal a munkadarabokat egymáshoz csapják. Ennek hatására a munkadarabok összehegednek. A lökéshullámokat úgy keltik, hogy az egyik lemez külső felületére robbanóanyagot helyeznek el, amelyet az egyik végén begyújtanak, vagy mind a két lemezt robbanóanyaggal vonják be, és egyszerre gyújtják be (2.7. ábra). Robbanóanyagoknak azokat az anyagokat nevezik, amelyeknek az égési sebessége 3000...9000 m/s között van. A robbanóhüvely geometriai alakja meghatározza a lökéshullám terjedését. Ez síkban, gömb alakban, hengeresen vagy nyalábosított sugárként terjedhet tovább. A lökéshullám-frontokon 6·106 N/cm2 nyomásmaximumok mérhetők. A robbantásos eljárásokban kb. 2·106 N/cm2 nyomással dolgoznak.

2.7. ábra

A robbanóanyag fokozatos égése következtében az a munkadarab, amelyen a robbanóanyag van, kb. 1500...2000 m/s sebességgel közeledik a másik munkadarabhoz. Ez azt jelenti, hogy minden pillanatban egymás utáni ütközések érik a darabokat. Az ábra szerinti elrendezés esetén a darabok által bezárt szög csúcsa tehát a robbanóanyag égési sebességével halad jobbról balra. A két felület ütközésekor a szög csúcsából az oxidréteget és más szennyezőket a nagy sebességgel kiszoruló levegő kifújja. Közben a két darab felületi rétegei az ütközés hatására megfolynak, az atomok rácsparamétereiknek megfelelően megközelítik egymást, így a teljes felületen kialakul a kötés.

A robbantásos hegesztés időtartama néhány ezred másodperc. Ez nem elegendő a diffúzió lefolyására, ezért a különnemű fémek kötésében nem alakulnak ki átmeneti kémiai vegyületek, illetve a különböző acélok hegesztett kötésében átmeneti szövetszerkezetek.

A robbantásos hegesztés sikeresen alkalmazható kettősfémek (bimetallok) kialakítására, a szerkezeti és különleges acélok, illetve ötvözetek egyesítésére (pl. plattírozás), elkopott szerkezeti elemek felújítására.

2.2.3. Kovácshegesztés

A kovácshegesztés a legősibb hegesztési eljárás, amelyet lágyacélok kötésére használnak. Bonyolult kovácsdarabokat ugyanis csak úgy lehet elkészíteni, ha egyes részeit külön kovácsolják, és ezeket utólag kovácshegesztéssel egyesítik. Kovácshegesztéskor a hegesztési hőmérsékletre hevített alkatrészeket egymásra helyezik, és a kötést külső erőhatással biztosítják. A kovácshegesztést az acél összetételétől függően 1350 °C körüli hőmérsékleten végzik. Jól hegeszthető a kis karbontartalmú lágyacél, 0,15% C-tartalomig. E fölötti C-tartalom mellett a hegesztés korlátozott. A jó kötés feltétele a tiszta, oxidmentes érintkező felületek biztosítása. Ennek elérését segítik elő a különféle hegesztőporok (bórax, vörösvérlúgsó, szalmiák, hamuzsír, kvarchomok). Ezek a hegesztőporok a revével (FeO, Fe2O3 vagy Fe3O4) könnyen olvadó, hígfolyós salakot képeznek, és megóvják a felületet a további oxidációtól. Hegesztéskor az alakítóerő hatására ez a hígfolyós salak a hegesztendő felületek közül könnyen kifröccsen, és ezáltal a fémtiszta felületek lehetővé teszik a kohéziós kötést. A hegesztőport közvetlenül a hegesztési hőmérséklet elérése előtt szórják a felületre. A munkadarabot ezután visszahelyezik a kemencébe, és elvégzik a készrehevítést.

A munkadarabokat úgy kell kialakítani, hogy az egymásra helyezett hegesztési felületek tegyék lehetővé a salak könnyű eltávolítását. Ezért a felületek először mindig középen érintkezzenek egymással, és ne zárjanak be üreget. A hegesztést könnyű ütésekkel kell kezdeni, és erős ütésekkel kell befejezni.

A kovácshegesztés különböző módszereinek vázlatát szemlélteti a 2.8. ábra.

2.8. ábra

A legegyszerűbb, de egyúttal a legkevésbé megbízható a tompahegesztés (a). Jobb kötést biztosít az átlapoló hegesztés (b). A darabok végeit előduzzasztják, majd 30-40°-os szögben kikovácsolják, gondoskodva arról, hogy a hegesztés kezdetén a felületek középen egy pont vagy vonal mentén érintkezzenek. Nagy darabok, illetve különböző anyagú alkatrészek egyesítésére használják a záróhegesztést (c), ahol az érintkezés az előzőekhez viszonyítva nagyobb felületen történik. Duzzasztás után az egyik darab végét bevágják és szétfeszítik, a másikat pedig kihegyezik. Ezután egymásba helyezve a darabot, elvégzik a hegesztést. Ez a módszer azzal a veszéllyel jár, hogy a hegesztés gyökerében salak maradhat vissza, ami rontja a varrat szilárdságát. Ha a hegyezett darab felületét lépcsőzetesre kovácsolják, növelni lehet az érintkezési felületet, ami a kötés szilárdságát növeli. A salakbezáródás veszélyével itt is számolni kell (d). Vékony lemezek hegesztését az e) ábrán látható behasításos módszerrel lehet a legjobban megoldani. Számítani kell azonban arra, hogy a felhevítéssel járó revésedés, majd az ezt követő salakképzés a lemezvastagság csökkenését eredményezi.

A kovácshegesztés minősége nagyon sok tényezőtől függ, és a szilárdsági értékek még az azonos módon elvégzett hegesztés esetén is nagy szórást mutatnak. A hegesztési hely szilárdsága erősen függ a kötés helyén visszamaradt salakfészkek elhelyezkedésétől. A kovácshegesztéssel elérhető maximális szilárdsági érték az adott anyagból készült tömör rúd szilárdságának kb. 85...90%-a.

A kovácshegesztés egyik változata az átlapoló csőhegesztés. A hegeszteni kívánt cső kiinduló anyaga lemezcsík, amelyet a hegesztés előtt csővé hajlítanak. Hajlítás után az éleknek fedniük kell egymást. A hegesztést külön erre a célra készült speciális gépeken lehet elvégezni (2.9. ábra). A csövet a hegesztőkocsi görgőire fektetik úgy, hogy forgatása és tengelyirányú mozgatása lehetővé váljék. A kocsit ezenkívül emelni és süllyeszteni is lehet. A kocsival a csövet végig lehet mozgatni az üllőrúdon. Az üllő előtt helyezik el a két gázégőt. Az alsó égőt az üllőrúdra, a felsőt a gép állványára szerelik. Amikor a cső egy szakasza elérte a hegesztési hőmérsékletet, a kocsit úgy mozdítják el, hogy a felmelegített rész az üllő fölé kerüljön. A kocsit ezután lesüllyesztik, a cső felfekszik az üllőre. Ezt követően a pneumatikus kalapács szapora ütéseivel elvégzik a hegesztést. Ezt a módszert általában 320...1300 mm átmérőjű, 5...80 mm falvastagságú csövek hegesztésére használják.

2.9. ábra

2.2.4. Termithegesztés

A termithegesztés az egyik legrégibb hegesztési eljárás. Felfedezése H. Goldschmidt nevéhez fűződik, aki már 1899-ben vasúti sínek összehegesztésére alkalmazta. Jelentősége a lánghegesztés és a villamos hegesztési eljárások fejlődésével erősen csökkent. Ma leginkább vasúti sínek és csövek kötésére, valamint hibás, illetve törött öntvények javítására használják.

Az eljárás alapja az, hogy a fém alumínium a vas oxidjait hőfejlődés közben tiszta vassá redukálja, miközben alumíniumoxid képződik. Hegesztés céljára a vas oxidjai közül főleg az Fe2O3 és az FeO jöhet számításba. A reakcióegyenletek:

A gyakorlatban 18...20% FeO és 79...85% Fe2O3 összetételű revét használnak fel termithegesztőporok gyártásához. A szennyezés megengedett mértéke legfeljebb 1%. A hengerdei revét (vasoxidot) osztályozni, pörkölni és tisztítani kell, hogy hegesztőporok gyártására alkalmassá váljon. Az előkészített reve 0,1...5 mm szemnagyságú, amelyet alumíniumdarával egyenletesen elkevernek. Ez az ún. alapelegy, amelyhez a hegesztésre kerülő acél (pl. vasúti sín) összetételétől függően megfelelő mennyiségű, 0,5...3 mm szemnagyságúra őrölt ferroötvözetet kell adagolni.

A folyamat erősen exoterm. A hőfejlődés hatására a keletkező vas megolvad. A reakció azonban csak nagyobb hőmérsékleten indul meg, ezért a keverék meggyújtására báriumszuperoxidból és alumíniumból álló keveréket kell alkalmazni. Ez a keverék könnyen meggyújtható, a keletkező hő hatására a termitpor már tovább ég. Termithegesztéskor vagy csak a képződött salak hőtartalmát használják fel a hegesztés céljaira, vagy pedig a redukció utján keletkezett termitacél használható kötőanyagul.

Eszerint a termithegesztést háromféle formában lehet alkalmazni:

- termithegesztés nyomással
- termithegesztés öntéssel
- termithegesztés öntéssel és nyomással.

2.10. ábra

Az első eljárást pl. csővégek tompahegesztéséhez használják. A csővégek összeillesztési helyét tűzálló anyaggal bélelt forma veszi körül (2.10. ábra). A csövekre karimát erősítenek, amelyek csavarokkal összehúzhatók. A hegesztés úgy történik, hogy a tégely tartalmát, amelyben a termitreakció már lefolyt, beleöntik a formába. Mivel a salak sűrűsége a vas sűrűségénél kisebb, a felszínen úszik, tehát beöntéskor ez kerül a formába. Ezáltal elérhető, hogy a csővégek csupán felizzanak, de nem ömlenek meg, így alakjuk nem torzul el. A hegesztés azáltal történik, hogy a felizzott csővégeket a csavarokkal összeszorítják. Ez a hegesztési eljárás tisztán sajtoló hegesztésnek tekinthető.

Ömlesztő hegesztésnek nevezzük azt a termithegesztő eljárást, amelynél a termitacélt töltőanyagul használják fel, amint az a 2.11. ábrán is látható. A törött géprészt tűzálló anyaggal kell körülvenni, a termitacél részére beömlő nyílást kell hagyni. Gondoskodni kell a gázok elvezetéséről is. Ömlesztő hegesztéskor a tégelyt alul csapolják meg, hogy öntéskor előbb a túlhevített vas folyjon ki. Az erősen túlhevített vas (2200-2400 °C) a hegesztendő anyagokat is megolvasztja a hegesztés helyén, tehát biztosítja a teljesen fémes kapcsolatot.

2.11. ábra

Sínhegesztéskor hasonló elven végezzük el a talp és a gerinc ömlesztő hegesztését (2.12. ábra). A termitacél után a salak is kifolyik a tégelyből, és egy átömlő nyíláson keresztül a sín fejéhez jut. A salak a fejet hegesztési hőmérsékletre melegíti, de már nem ömleszti meg. A hegesztési hőmérséklet elérésekor a sínekre gyakorolt hosszirányú nyomással a fejeket is össze lehet hegeszteni. A nyomás következtében természetesen a folyékony állapotban levő termitacél és a salak egy része is kiszorul. A kötésnek azokat a felesleges részeit, amelyek a gerincet és a talpat megvastagítják, de a futófelületet nem zavarják, nem szokták utólag lemunkálni.

2.12. ábra

2.2.5. Villamos ellenálláshegesztés

Az ellenálláshegesztéshez a villamos áram Joule-hőjét használják fel. A Joule-törvény értelmében az áramkörben az áramkört alkotó elemek ellenállásával arányos hő fejlődik (2.19. ábra).

2.13. ábra

A hegesztőgép szekunder áramkörébe kapcsolt munkadarabok homlokfelülete R á átmeneti ellenállást jelent, és mivel ehhez képest a többi ellenállás értéke elhanyagolható, csaknem a teljes hőmennyiség itt fejlődik. A hegesztésre kerülő munkadarabok ohmikus ellenállása (R m), valamint a befogópofák és a munkadarab közötti átmeneti ellenállás (R b) értéke ugyanis a nagy keresztmetszetek következtében, a vezetékek R v ellenállása pedig azok jó vezetőképessége miatt lényegesen kisebb.

Az R á átmeneti ellenálláson és a munkadarabon t idő alatt fejlődő Q hőmennyiség az alábbiak szerint számítható:

Ezért a villamos ellenálláshegesztést nagy áramerősségű (J = 3000...15000 A) és kis feszültségű (U = 1...10 V) árammal végzik.

A hegesztőáramot réz szorítópofákon át vezetik a munkadarabba. Amikor a hegesztendő felületek hőmérséklete elérte a hegesztési hőmérsékletet, a munkadarabokra gyakorolt erőhatással a kötés elvégezhető.

Az ellenálláshegesztés főbb módszerei: tompahegesztés, ponthegesztés, vonalhegesztés, dudorhegesztés.

Tompahegesztés
A zömítő tompahegesztés elvi vázlatát a 2.14. ábra szemlélteti. A közel azonos keresztmetszetű, hegesztésre kerülő felületeken átfolyó áram a nagy átmeneti ellenállás miatt nagy hőt fejleszt, a darabok végei felmelegszenek. A felmelegedett felületekre merőleges erő hatására létrejön a kohéziós kötés. Amint a 2.14/b. ábrán is látható, az erő hatására a hegesztés helyén az anyag felduzzad. Ha egyenletes keresztmetszetre van szükség, akkor a hegesztés helyét utólag le kell munkálni.

2.14. ábra

A leírt, egyszerű tompahegesztésnél jobb eredményt biztosít az ún. leolvasztó tompahegesztés. Az eljárás elvi elrendezése hasonló az előbbihez, csak a folyamat elvégzése eltérő. A hegesztésre kerülő felületeket először összeérintik, majd a hegesztőáram bekapcsolása után egy bizonyos határig széthúzzák a munkadarabokat. A laza érintkezés miatt igen nagy lesz az áramsűrűség, ív keletkezik, a fém felületi rétegei elgőzölögnek, egy vékony sáv megolvad, amely minden szennyezőtől mentes, így fémtiszta felületet kapunk. Az eljárás harmadik szakaszában a két munkadarabot dinamikus lökéssel egyesítik. A leolvasztó tompahegesztésre jellemző dudor alakját a 2.14/c. ábra szemlélteti.

Példaként megemlítjük, hogy a vasúti sínek legjobb minőségű kötőhegesztését a villamos leolvasztó tompahegesztés biztosítja. Az áramtól átjárt sínvégeket rövid érintkezés után többször széthúzzák, majd végül duzzasztással kötik össze a síneket. Az ilyen eljárást szakaszosnak vagy előmelegítésesnek nevezik.

A leolvasztó eljárással csaknem tetszőleges alakú és méretű tárgyak is összeköthetők. Az eltérő összetételű acélok, a könnyű- és színesfémek (egymással is) hegesztése is megoldottnak tekinthető. Az eljárás előnye az egyszerű felületelőkészítés, és a viszonylag kis energiaszükséglet. Hátránya a leolvasztással elveszített nagyobb anyagmennyiség, ami pl. a gyorsacélok hegesztésekor jelentős érték.

A folyamatos leolvasztó tompahegesztéskor a munkadarabokat befogás után egymástól eltávolítják, majd bekapcsolják a hegesztőáramot. A mozgópofába fogott munkadarabot egy vezértárcsa által meghatározott sebességgel közelítik az álló munkadarabhoz. Az érintkezés kezdetben - a felületek érdességétől függően - csak néhány ponton következik be. Ennek megfelelően a kis keresztmetszeten átfolyó igen nagy erősségű áram megolvasztja, majd forráspontig hevíti a kis tömegű fémhidakat. Mivel az előtolás tovább tart, a fém leolvadása miatt az érintkezés újabb pontokon következik be, míg végül a teljes homlokfelület megolvad. Ekkor bekapcsolják a zömítő áramot és a zömítő erőt, majd ezután kikapcsolva az áramot, létrejön a hegesztett kötés.

Ponthegesztés
Ponthegesztést vékony lemezek és egymást keresztező acélhuzalok, hálók kötésére alkalmazzák. Ezzel a hegesztési módszerrel a szegecseléshez hasonló kötést kapunk, mivel a hegesztésre kerülő lemezeket csak egyes helyeken fogja össze. A lemezeket átlapolva hegesztik úgy, hogy a hegesztendő helyen két, rendszerint vörösrézből készült kúpos szerszámot szorítanak a lemezekre. A szerszámok egyúttal az áram vezetésére is szolgálnak (2.15. ábra). A hőhatás a tompahegesztéshez hasonlóan a lemezek közötti átmeneti ellenállás miatt a két lemez érintkezési felületén lesz a legnagyobb. Amikor elérik a hegesztés hőmérsékletét, illetve amikor a lemezek megolvadnak, az elektródokkal kifejtett erő hatására a lemezek az elektródok átmérőjének megfelelő felületen összehegednek, A hegesztési pont felülnézete gyakorlatilag kör alakú, oldalnézetű metszete ellipszis.

2.15. ábra

A munkamenet három szakaszra osztható:

- a nyomás megindításával és annak növelésével a hegesztendő részeket a belső érintkezés kialakulásáig összesajtolják;
- konstans nyomáson bekapcsolják az áramot, amelynek hatására az elektródok közötti anyagrész felmelegszik, majd megolvad, így kialakul a kötés;
- az áram kikapcsolásával megkezdődik a hegesztési hely lehűlése, majd a nyomás fokozatos csökkentése közben a folyékony fémmag megszilárdul. Ezzel megszűnik a lunkerképződés lehetősége is.

Ponthegesztett kötés készíthető lágy és kemény munkarenddel. Acélokat lágy munkarenddel hegesztve az elektródon átfolyó áramsűrűség kb. 100 A/mm2, kemény munkarend esetén elérheti a 300 A/mm2-t is. A kemény munkarend nagyobb teljesítményű berendezést igényel, de a kis ciklusidő nagy termelékenységet biztosit. Az öntött, edződésre hajlamos acélok lágy munkarenddel és növelt elektródnyomással egyesíthetők. A kemény munkarend az ilyen acélok kötésében martenzites szövetet eredményezhet, amit utólagosan lehet megereszteni a hegesztőgépen.

Az alumínium és a réz jó hő- és villamos vezető, ezért ponthegesztése csak különösen nagy áramsűrűséggel (1000...1500 A/mm2) és nagyon rövid hegesztési idővel (0,01...0,1 s) végezhető el.

A ponthegesztés különleges változata az ún. kettős ponthegesztés, amelynek vázlatát a 2.16. ábra szemlélteti.

2.16. ábra

A ponthegesztés teljesen automatizálható, ipari robotokkal is elvégezhető. Elterjedten alkalmazzák a karosszériagyártásban.

Dudorhegesztés
Dudorhegesztéskor egymással párhuzamos, nagy felületű elektródok vezetik az áramot, és viszik át az erőt a közéjük helyezett munkadarabokra. Az elektródok közül legalább az egyiken sajtolással készített kiemelkedések, dudorok vannak a szükséges hegesztési keresztmetszet kialakításához. A dudorok alakja különféle lehet, méreteik elsősorban a lemezvastagságtól függnek (2.17. ábra).

2.17. ábra

A dudorok alakjának és méreteinek a meghatározásakor az alábbiakat kell figyelembe venni:

- azonos vezetőképességű, de különböző vastagságú lemezekhez a vékonyabb lemez szabja meg a dudor méreteit;
- a dudorokat mindig a vastagabb lemezen kell kialakítani;
- ha a vezetőképesség különböző, akkor a dudorokat a jobb vezetőképességű lemezen kell elhelyezni.

A dudorhegesztés melegen hengerelt lemezeken is megbízható kötést biztosít, mivel a dudor készítésekor a rideg reveréteg lepattogzik a dudor felületéről.

Vonalhegesztés
Vonalhegesztéskor egymással szemben elhelyezett görgő alakú elektródok veszik át az áramvezetés, az erőátvitel és a görgők között elhelyezett munkadarabok mozgatásának szerepét. Ezek a görgők az áram és a nyomás helyes beállításakor hegesztett pontsort hoznak létre egyenletes ponttávolsággal (osztótávolság). A hegesztett pontok e távolsága a görgők v előtolási sebességétől, illetve a hozzájuk kapcsolt vezérlőelemek beállítási értékeitől függ (2.18. ábra).

2.18. ábra

Amennyiben tömítő varratra van szükség, akkor az osztótávolságot a hegesztett pont átmérőjénél kisebbre kell választani.

Vonalhegesztéskor a legnagyobb nehézséget az okozza, hogy az áram alatti görgők továbbfordulásakor a lemezfelülettől távolodó él és a lemez között villamos ív keletkezik, amely a görgőt és a lemezt oxidálja, sőt el is égetheti. Ennek a problémának a kiküszöbölése csak bonyolult vezérlőberendezéssel ellátott gépekkel lehetséges.

A vonalhegesztőgépek drágák, energiaigényük is jelentős, aminek eredményeként a vonalhegesztés elterjedése a ponthegesztéshez és a tompahegesztéshez képest mérsékelt.

A vonalhegesztés egyik speciális esete a fóliahegesztés. Fóliahegesztéshez a tompán illesztett lemezekre alul-felül egy-egy 4 × 0,2 mm méretű lágyacél szalagot (acélfóliát) helyeznek (2.19/a. ábra). A lemezeket pontosan kell illeszteni, az illesztési hézag legfeljebb 0,3 mm lehet. A fóliaszalagok részben beolvadnak az alapanyag olvadékba. A kötés helyén a vastagodás legfeljebb néhány század mm. A varrat minősége kifogástalan, 200 bar túlnyomásig megfelelő tömítést biztosit. A berendezés és a fólia ára miatt a hegesztés fajlagos költsége jelentős.

2.19. ábra

A vonalhegesztés másik speciális esete a csőhegesztés (2.19/b. ábra). A hegesztett csövek alapanyaga szalagacél, amelyet a hegesztést megelőzően görgősoron csővé hajlítanak. A hegesztőgörgőn kívül még két görgőpárra van szükség, amelyeknek egyrészt az a feladata, hogy a csövet továbbítsák, másrészt az, hogy a cső varrata a hegesztés után, amikor a heganyag még nagyon képlékeny, szét ne nyílhasson. A hegesztés sebessége 10...60 m/min. Az eljárás alkalmazási területe elég széles: a vékonyfalú (0,5 mm), kis átmérőjű (6 mm) csövektől a vastagfalú (20 mm), nagy átmérőjű (660 mm) csövekig terjed. Az első ilyen gépet Harmatta János szabadalmaztatta.

2.2.6. Ultrahangos hegesztés

Ultrahangos hegesztéshez kívülről nem kell hőt bevezetni. Az ultrahang által előidézett rezgőmozgás a hegesztendő felületek érdességi kiemelkedéseit és az oxidrétegeket elroncsolja, és a fémes felületeket egymásba dörzsöli. A rezgések a kis sajtolóerővel együtt idézik elő a fém folyását.

Az ultrahangos ponthegesztőgép külsőleg ellenálláshegesztőgéphez hasonlít. A munkadarabok a szonotróda és gép üllője között fekszenek. A szorítónyomást hidraulikusan vagy pneumatikusan hozzák létre. Az ultrahangos hegesztőgép rezgéstechnikai elvét a 2.20. ábra szemlélteti.

2.20. ábra

Az ultrahangos hegesztőgépekben az ultrahangkeltők a magnetostrikciós hatáson alapulnak. Ha ferromágnes rudat vele párhuzamos mágneses térbe helyezünk, a rúd hosszváltozást szenved. Ha ezt a rudat váltakozó mágneses tér hatása alá helyezzük, akkor a rúd a tér mágneses váltakozásának ütemében deformálódik. Ha a váltakozó tér frekvenciája és a rúd önrezgése azonos, akkor rezonancia lép fel, a rúdvégek azonos frekvenciájú hanghullámokat sugároznak szét.

A magnetostrikciós rezgőfej elvben egy rúdból áll, amelyet elektromágneses gerjesztés céljából tekerccsel vesznek körül. A váltakozóáramú gerjesztés során váltakozó mágneses tér keletkezik. A rúdban, a hossztengely irányában rugalmas deformációk lépnek fel a mágneses tér változásának az ütemében.

A rúd anyagaként csak olyan fémek használhatók, amelyeknek egyrészt nagy a magnetostrikciós hatásuk, másrészt megfelelően nagy a szakítószilárdságuk. Legalkalmasabbak a nikkel és nikkelötvözetű rudak.

A hegesztéshez szükséges nagy hangerősséget úgy érik el, hogy a hangenergiát a legkisebb térre koncentrálják az ún. koncentrátorral vagy akusztikai transzformátorral.

Kevés olyan technikai fém van, amely ultrahangos módszerrel nem hegeszthető. Legjobban hegeszthetők a nagy csillapítási tényezőjű, jól alakítható anyagok, míg a kemény anyagokban gyorsan jelentkeznek a kifáradás jelei (repedések). Kis csillapítási képességű anyagok ponthegesztésekor a pontok közötti távolságot nagyra kell választani.

2.21. ábra

Az ultrahangos vonalhegesztőgép elve megegyezik a ponthegesztő elvével (2.21. ábra). A fő különbség az, hogy a vonalhegesztő gépen a hangkeltő az átviteli tagokkal együtt forgatható. Ugyancsak forgatható a szonotróda és az üllő is. A rendszert, a ponthegesztőgéphez hasonlóan, a rezgési csomópontokban kell csapágyazni. A szorítónyomást a 3 jelű csomópontra kell adni. A szonotródát nem szabad megnyomni, mivel ennek teljes terjedelmében egyenletesen kell rezegnie.

Az ultrahangos hegesztés jól alkalmazható műanyagok hegesztéséhez. A legtöbb műanyagot a nyomóerővel párhuzamos rezgésekkel hegesztik. Ezért a fémek hegesztésére készült gépekkel műanyag nem hegeszthető.

2.2.7. Diffúziós hegesztés vákuumban

Diffúziós hegesztéskor a kötés a szilárd halmazállapotú, érintkezésben álló fémek felületi rétegében lévő atomok kölcsönös diffúziója révén alakul ki. A hegesztésre kerülő munkadarabok hőmérsékletét úgy kell megállapítani, hogy az közel álljon a kisebb olvadáspontú fém újrakristályosodási hőmérsékletéhez (kb. az olvadási hőmérséklet 0,7-0,8-szorosa).

Egyrészt a hegesztendő felületeket borító idegen rétegek (oxid, szennyezés) leoldásának biztosítása, másrészt a hosszú diffúziós idők során az újabb, vagy további oxidálódás elkerülése érdekében a hegesztést 10-2...10-4 Pa vákuumban végzik. A melegítéssel egyidejűleg létesített nyomás (1...20 MPa statikus nyomás) hatására létrejön a diffúziós kötés. Ez a nyomás lényegesen kisebb a hideghegesztéshez szükséges nyomásnál, ezért a munkadarabok alig deformálódnak. A statikus nyomás ideje néhány perctől néhányszor 10 percig tarthat. A diffúziós hegesztés semleges védőgáz alatt is elvégezhető, ilyenkor azonban sokkal nagyobb nyomásra van szükség.

A hegesztett kötés minősége nagymértékben függ az összekötendő felületek tisztaságától. A felületeket hegesztés előtt acetonnal vagy alkohollal zsírtalanítják, különleges esetekben vegyi maratást alkalmaznak. A felületek mechanikai megmunkálása is nagyon fontos, lehetőleg csiszolni kell azokat. Minden esetben célszerű az esetleges oxidréteg eltávolítása, mivel a viszonylag kismértékű képlékeny alakváltozás hatására a felületi rétegek nem sajtolódnak ki a kötésből úgy, mint a hideghegesztéskor. Az oxidáció elkerülésére ezért az alumínium hegesztését ajánlatos a felületi tisztítást követően azonnal elvégezni.

Diffúziós hegesztéskor a kötés a két összekötendő munkadarab atomjainak a helycseréjével jön létre. Ha két különböző anyagú darabot kötünk össze, akkor két különböző diffúziós sebességgel kell számolnunk. Ennek dudorodás, beszívódás vagy pórusosság lesz a következménye. Pórusok és beszívódások mindig a gyorsabban diffundáló anyag oldalán keletkeznek.

A kifogástalan hegesztési kötéshez gyakran nagyon hosszú diffúziós időre van szükség. A hegesztési idő megrövidíthető olyan közbenső réteg behelyezésével, amelynek anyaga mindkét összekötendő anyagba gyorsabban diffundál, mint a két alapanyag. Ezt a közbenső réteget fémszórással, galvanikus úton, elektroplattírozással, por alakjában stb. viszik fel. Több egymásra helyezett réteg is alkalmazható.

Meghatározott kötésekhez olyan közbenső rétegeket is használnak, amelyek a diffúziós folyamat során folyékony fázist alkotnak. A diffúziós hegesztés abban különbözik a forrasztástól, hogy hegesztés közben a folyékony fázis teljesen eltűnik, továbbá kémiai összetétele a hegesztés után azonosul az alapanyaggal. A folyékony közbenső réteg a diffúziós folyamat gyorsítására és a hőmérséklet csökkentésére való.

A diffúziós hegesztéshez szükséges berendezés elrendezési vázlatát szemlélteti a 2.22. ábra. A vákuumberendezés egy szivattyúval és szivattyúszelepekkel felszerelt vákuumkamra, amelyben a munkadarab felmelegítésére alkalmas fűtőrendszert helyeznek el. A kívánt hőmérsékletet indukciós melegítéssel, elektronsugárral, esetleg wolframból vagy molibdénből készült fűtőtesttel lehet biztosítani. A hegesztéshez szükséges nyomást legtöbbször hidraulikusan állítják elő.

2.22. ábra

A diffúziós hegesztés alkalmas például acélnak alumíniummal, öntöttvassal, wolframmal, titánnal és fémkerámiával, ezüstnek rozsdamentes acéllal, platinának titánnal való egyesítésére. Az eljárás előnye, hogy olyan nagy, bonyolult keresztmetszetek is összehegeszthetők egymással, amelyeket semmiféle más hegesztési módszerrel nem lehet összekötni. Hátránya a drága berendezés.

2.2.8. Dörzshegesztés

Dörzshegesztésnek nevezzük azt a hegesztési módszert, amelynél a kötés létesítéséhez szükséges hőenergiát az egyesítésre kerülő felületeken súrlódással állítják elő.

A kötőhegesztés elvi vázlatát szemlélteti a 2.23. ábra. A hegesztés kezdeti szakaszában alkalmazott kis erővel szabályozzák a hőképződést. A kívánt hőmérséklet elérésekor a forgó- vagy alternáló mozgás megszüntetésével egyidejűleg a kötés létrehozásához szükséges nagy erőt fejtenek ki.

2.23. ábra

Felrakóhegesztéskor egy forgó pálcáról képlékeny réteget raknak fel a munkadarabra (2.24. ábra). Ez a módszer még kevésbé terjedt el az iparban.

A dörzshegesztett kötés jó minőségét az alábbi paraméterek helyes megválasztása biztosítja: a fordulatszám, az előmelegítési erő, a zömítőerő és a hegesztési idő.

Kis fordulatszám esetén az anyag erősen fékezi a motort, és hideghegedések keletkezhetnek. Nagy fordulatszámhoz nagy fékezési nyomaték tartozik, hosszú hegesztési időt és nagyteljesítményű csapágyakat igényel. Általában kedvező a 800-3000 1/min fordulatszám-tartomány.

2.24. ábra

Az előmelegítő nyomás nagysága elsősorban a hegesztendő anyag képlékenységétől és méreteitől függ. Lágy és képlékeny anyagokhoz elegendő 25 N/mm2, rideg ötvözetekhez és speciális acélokhoz viszont 280 N/mm2. A hegesztési idő az előmelegítés és a zömítés időszükségletének az összege. Nagyobb keresztmetszeteket hosszabb ideig kell előmelegíteni, míg a zömítés ideje megközelítően állandó, vagyis nem függ a keresztmetszet nagyságától. A hegesztés ideje általában 3-120 s.

A dörzshegesztőgépek fél- vagy teljesen automatikus módszerrel dolgoznak. A dörzshegesztés elvileg esztergagépeken is elvégezhető, a gyakorlatban azonban kivihetetlen, mert a zömítésre alkalmas gépen zömítőerőre méretezett csapágyakra, megfelelő fékezőrendszerre és egyéb kiegészítő berendezésekre van szükség. Az esztergagép csapágyai a dörzshegesztés indításakor fellépő erős rezgések következtében nagyon gyorsan kopnak, a továbbiakban esztergálásra alkalmatlanná válik az esztergagép.

A dörzshegesztés előnyei főleg fémkombinációk esetén jelentkeznek. A hegesztés folyamata rövid, a túlhevülés elkerülhető, a hőhatásövezet nagyon keskeny, az eljárás könnyen automatizálható, jelentős anyagmegtakarítás érhető el, csökken az energiaköltség. Elsősorban tengelyek, csapok, menetes csapok, rotorok, forgácsolószerszámok (fúrók, dörzsárak, marók), tányérszelepek stb. gyártására lehet gazdaságosan alkalmazni.

2.2.9. Sajtoló gázhegesztés

A sajtoló gázhegesztés olyan hegesztési módszer, amelyben az egyesítendő elemeket acetilén-oxigén gázkeverékkel egy adott hőmérsékletre (acélokat pl. 1200...1300 °C-ra hevítik, vagy a felületi réteget megolvasztják, majd ezt követően a darabokat összesajtolják (2.25. ábra).

2.25. ábra

A zömítő hegesztés a munkadarabok befogásával és központosításával kezdődik. Ezt követően mérsékelt nagyságú erővel összeszorítják a darabokat, a sokégős fejet begyújtják, a hegesztési hely közelében alternáló mozgást végeznek vele, amíg el nem érik a kívánt hőmérsékletet, majd tengelyirányú erővel (p = 15-25 MPa) összesajtolják a darabokat. A leolvasztó sajtoló gázhegesztés alkalmazásakor a befogott és központosított darabok homloklapját sokégős fejjel olvadáspontig hevítik, majd az égőfej kiemelése után a munkadarabokat összesajtolják. Eközben a folyékony fém a felületek közül kisajtolódik, és létrejön a jó minőségű fémes kötés.

A sajtoló gázhegesztés előnye, hogy nagy villamos teljesítményt igénylő eljárásokat lehet vele helyettesíteni. Gázként földgáz is használható, az eljárás ideiglenes munkahelyen is alkalmazható. Az ellenálláshegesztéssel szembeni hátránya a kisebb termelékenység. A kötés minősége a hevítés egyenletességétől függ.

Ezt a hegesztési eljárást főleg acélból készült kör és négyszög keresztmetszetű tömör anyagok, valamint különböző átmérőjű és falvastagságú csövek hegesztésére használják.

2.2.10. Nagyfrekvenciás indukciós hegesztés

A nagyfrekvenciás indukciós hegesztés ellenálláshegesztési eljárás érintkezés nélküli energiaátvitellel.

2.26. ábra

Az indukciós hegesztést túlnyomóan csövek hosszvarratos tompahegesztésére alkalmazzák. A hegesztés folyamatának a vázlatos elvét a 2.26. ábra szemlélteti. Az ábra a mágneses mező által indukált örvényáramok pályáját is ábrázolja vázlatosan. A szalagéleken és az érintkezési helyeken nagy árampálya-koncentrációval lehet számolni. Az áramsűrűség ezeken a helyeken olyan nagy lesz, hogy a csőlemez élei megolvadnak. A kis behatolási mélység miatt ez a felhevített zóna nagyon kicsi, ezért az érintkezési pont mögött lévő összenyomási helyen csak minimális sorja keletkezik. A hőnek a lemezélektől a cső belsejébe irányuló áramlását nagy hegesztési sebességek alkalmazásával akadályozzák meg. A nagy hegesztési sebesség kedvezően gátolja a felhevített csőzónák oxidációját is.

A nagyfrekvenciás indukciós hegesztőberendezés nagyfeszültségű transzformátorból, nagyfeszültségű egyenirányítóból, csőgenerátorból, induktorból, tartozékokból, hűtőrendszerből és gépi berendezésekből áll. A gépi berendezéseknek kell a csövet vezetni, a hegesztési nyomást kifejteni, és a hasított csőéleket az érintkezési pontig nyitva tartani. A rést általában réstartó görgővel vagy rögzített réstartóval tartják nyitva. Az ilyen hegesztő berendezések teljesítménye 30...1000 kW között váltakozik. A berendezések túlnyomó többségében a frekvencia 450 kHz.

A hosszvarrat-hegesztés mellett az indukciós hegesztést rövid csövek vagy profilok tompahegesztésére is alkalmazzák. Ilyenkor a két összekötendő darab végét indukciós tekercsben felhevítik, és ezt követően összenyomják.

      A jegyzet elejére     Az oldal elejére     A következő oldalra