Svetsning i ovanliga miljöer

Efter att ha läst denna artikel kommer du att lära dig om svetsmetoderna i ovanliga miljöer: 1. Svetsning i vind 2. Svetsning vid låga omgivande temperaturer 3. Svetsning i vakuum 4. Svetsning i rymden.

Svetsning i vind:

Svetsning i blåsiga förhållanden resulterar i bågförlängning vilket leder till försämring av svetsbassängens avskärmning från de atmosfäriska gasernas skadliga effekter. Bågspänningen måste därför hållas i ett intervall för att säkerställa en defektfri svets vid en given vindhastighet.

Skyddsgasskärmen genom förbränning av beläggning i skärmad metallbågsvetsning och avskärmningsgasen i gasbågsvetsning har visat sig vara allvarligt påverkad av vindhastigheten; men självskyddande flusskärmade trådar befinner sig för att ge avsevärt bättre skydd.

Om man antar bågförlängning som ett kvantitativt kriterium för avskärmningseffektivitet rapporteras resultaten av ett varumärke av självskärmande fluxkärnad bågsvetsning (FCAW) tråd av Shlepakov et al. från simulerade laboratorieexperiment visas i figur 22.1.

Det är uppenbart att defektfria svetsar kan erhållas för mycket kort båglängd för ett bågspänningsområde av 21 till 22, 5 volt för vindhastighet upp till 15 m per sekund. Svetspärlekvaliteten påverkades emellertid allvarligt för en längre båge, särskilt vid en högre vindhastighet. Liknande data för andra typer av självskärmande FCAW-ledningar har också rapporterats av samma författare.

Svetsning vid låga omgivande temperaturer:

Svetsning under vintern i bergsområden i norr eller mer specifikt i arktiska och antarktiska regioner innebär att arbeta vid mycket låga temperaturer ner till -40 ° C eller ännu lägre. Produktiviteten hos maskiner och strukturer i Arktis på vintern är ungefär 1, 5 gånger lägre än den nominella och därigenom minskar den faktiska livslängden med 2 till 3, 5 gånger vilket resulterar i en obetydlig förlust för de berörda länderna.

Fel på bil-, traktor- och bulldozerkomponenter och -aggregat under vintertiderna rapporteras vara 4 till 6 gånger så höga som på sommaren. Den genomsnittliga månadsarbetet hos en bulldozer på vintern är 2, 7 till 7 gånger så låg som på sommaren. Mer än 75% av de totala registrerade svetsade grundkomponenterna och aggregat av grävmaskiner uppträder under vintern. Bräcklig fraktur och utmattningsbrott är de tillskrivande orsakerna till misslyckanden av svetsade leder i dredgers och annan jordgearutrustning.

Med sänkning av temperaturen på vintern i Arktis rapporteras ökade fel i rörledningar, broar, lastbärare, tankar, oljetankar och tryckkärl. Bland de främsta orsakerna till sprutfrakturer med låg temperatur är de dåliga urvalet av basmaterial och svetsförbrukningsmaterial samt den svetsteknik som antagits. Detta leder till bildandet av regioner med högre mottaglighet för sprödhet och initiering av kalla sprickor.

Bildandet av kalla sprickor i svetsfogar gjorda vid låga omgivningstemperaturer är hänförliga till snabbkylning och kristallisering av svetsbassäng som resulterar i infångning av väte, syre eller kväve och icke-metalliska material i svetsmetallen. På grund av snabb kylning vid låg temperatur smältningen av metall kan också vara otillräcklig vilket leder till ofullständig penetration och brist på fusion. Också påverkas kvaliteten på elektroder och fyllnadsledningar om fukt geler på dem.

För att motverka de skadliga effekterna av låg temperatur för att uppnå kvalitetssvetsar bör följande regler följas:

1. Den använda modermetallen ska vara fri från repor, indragningar eller ytskärningar för att undvika hakseffekten

2. Rengöring av arbetskanter är avgörande för att avlägsna föroreningar och fukt eller snö. Om så önskas kan kanterna förvärmas före montering och sedan svalna svetsfogen långsamt.

3. Endast högkvalitativa elektroder, grundligt torkade, bör användas med lämpliga svetsmetoder och variabler. Högre ströminställning kan krävas för att kompensera för låg omgivningstemperatur.

4. Svetsar ska noggrant trimmas efter färdigställandet för att undvika bildandet av repor och indragningar i svetsmetall och HAZ.

5. Utveckling av krater bör undvikas för att undvika bildandet av kratersprickor som kan leda till spröda frakturer.

6. Använd fixturer istället för styva klämmärken för att undvika utveckling av överdrivna påkänningar i svetsfoget. en bra övning är att öka värmeingången med 4 till 5% för varje minskning av 10 ° C i omgivningstemperatur, t ex ca 20 °.

På grund av ökad värmepannaffekt minskar svetskanaliteten med ökningen av arbetstjockleken. För att motverka effekten av tjocklek på duktilitet kan värmeingången ökas men det leder vanligen till svetsmetallens reducerade hållfasthet. Kylhastighet som är en kritisk parameter i filet och flervägsslagsvetsar, svetsar, undviks sålunda för att underlätta viktiga svetsar gjorda vid låga omgivande temperaturer.

En alternativ metod är att göra svetsar av tjockare tvärsnitt. Exempelvis svetsas arbetsstyckets tjocklek 16-24 mm, 25 till 40 mm och 41-50 mm med minsta svetsfogtvärsnitt respektive 35 mm ², 50 mm ² respektive 60 mm ² . Kylhastigheterna hos sådana svetsar får inte heller överstiga 30 ° C per sekund.

Förstärkande stavar av konstruktionsstål kan svetsas framgångsrikt i formar vid låga temperaturer. De egenskaper som uppnås i sådana fall är vanligen lika med de som uppnås vid normala butiks temperaturer.

Beläggningstypen påverkar avsevärt resultatet av skärmad metallbågsvetsning vid låga temperaturer. De bästa resultaten kan erhållas genom användning av basbelagda elektroder, eftersom den erhållna svetsmetallen har höga mekaniska och slagegenskaper på grund av låg vätehalt av svetsmetall med liten känslighet för åldrande och spröd spricka samt att öka i kol- och svavelhalten . Godkvalitativa svetsar kan sålunda erhållas med basbelagda elektroder i låg- och höglegerade stål.

För att uppnå goda svetsar i rörsvetsning vid låga temperaturer bör skottet klibbas enligt villkoren i tabell 22.1:

Buttsvetsar i rörledningar av martensitiskt stål av vilken väggtjocklek som helst bör göras vid en omgivningstemperatur på ca 0 ° C; när omgivningstemperaturen är under 0 ° C, bör stavsvetsar göras i uppvärmda lokaler eller inneslutningar. Svetsningen av rörledningar av rimmande och halvrödda stål samt lyftning, transport och montering bör utföras vid omgivande lufttemperaturer inte under 20 ° C.

Känsligheten hos en svetsad ledd till spröd fraktur ökar väsentligt när även de minsta kalla sprickorna eller utmattningsskadorna uppträder under alternerande belastningar blir detta mer uttalat när temperaturen minskar. För att förbättra prestanda hos svetsade fogar vid belastningsbelastningar och vid negativa temperaturer rekommenderas hög temperaturhärdning för ökad hakgrahet genom värmebehandling på HAZ-metallkonstruktionen.

En annan metod för att förbättra svetsarnas slag- och utmattningsegenskaper gjorda vid låga omgivningstemperaturer är argonbågens behandling av svetsningen. I denna behandling används argonbågen för att skapa en jämn övergång av kontur från svetsning till basmetall såväl som för att förbättra svetsmetall genom metallurgiska förändringar som avsvavling, avgasning, raffinering av icke-metalliska inneslutningar och variation av deras former.

Denna behandling leder inte bara till minskningen av spänningskoncentrationen i HAZ men förbättrar också strukturen hos ytskiktet hos metallen och ökar därigenom de svetsade ledarens mekaniska egenskaper.

Effekterna av hög temperaturhärdning och argonbågsbehandling vid förbättring av slaghållfastheten hos lågkolstål och det nitrerade stålet i jämförelse med samma stål utan någon behandling är som visas i fig 22.2.

Svetsning i vakuum:

Vid fusionssvetsning är effektiv avskärmning av svetsbassängen från de sjuka effekterna av de atmosfäriska gaserna (syre och kväve) väsentlig för att uppnå kvalitetssvetsar. Svetsmetallen kan också hämta väte från fukt, rost, elektrodbeläggning, flöde etc.

Även om olika gaser reagerar annorlunda med svetspumpens metall, men de oundvikligen försämrar svetsmetallens fysikalisk-mekaniska egenskaper. När de fångas i stora mängder kan upplösta gaser leda till bildning av blåsor, blåhål och porositet och minskad metalldensitet med följd av minskad plasticitet och hållfasthet. Gaser som finns till och med som kemiska föreningar som oxider, nitrider och hydrider kan också påtagligt försämra styrkan och segheten i metallen vilket kan leda till sprött misslyckande.

Detta är särskilt fallet med aktiva metaller. Förutom att de mekaniska egenskaperna svekas, minskar oxidationen metallernas motstånd mot korrosion. Oxidinklusioner kan också producera gasporositet eftersom de absorberar och behåller gaser medan metallen är i smält tillstånd.

För att skydda svetsbassängen används olika avskärmningsmedier med var och en med sina fördelar och begränsningar. De flesta av de tekniska metallerna är adekvat avskärmade av argon och helium, men dessa gaser visar sig vara otillräckliga som avskärningsmedier för svetsning. Metaller som zirkonium och tantal. Vätgas absorberas också lätt av zirkonium, tantal och niob för att bilda hydrider som uppträder som strejk längs korngränserna.

Även en minut mängd väte i zirkonium, kan tantal eller niob producera porositet och minska deras plasticitet och hållfasthet. För att göra svetsar av tillräcklig plasticitet i reaktiva och eldfasta metaller bör skyddsmediet innehålla minimala mängder syre, kväve, väte och fukt.

Effektiviteten av vakuum som ett skärmedium bestäms av mängden föroreningar som är närvarande per volymmängd av vakuumkammaren. Tabell 22.2 visar att även ett relativt dåligt vakuum har en låg föroreningshalt per volymenhet. Jämfört med syre- och kväveinnehållet av O 005% och O 01% av högrenad och dyr argonkvalitet A har ett grovt vakuum av 01 mm Hg syre- och kväveinnehållet av O 003% respektive O 01%.

De överlägsna mekaniska egenskaperna hos svetsar gjorda i vakuum bekräftas av det faktum att hårdheten hos metallen i zirkoniumsvetsar gjorda genom argonbågsprocessen var nästan dubbelt så stor som för vakuumsvetsarna. Dessutom reducerar sänkt gasinnehåll i svetsmetallen genom vakuumskärmning sin plasticitet som det hittas vid svetsar gjorda i molybden.

Vakuumskärmning påverkar svetsmetallaktiviteten genom att avgasa den, öka densiteten, ta bort oxider, föroreningar och föroreningar från både ytan och huvuddelen av metallen. När föroreningen av svetsmetallen reduceras blir korngränserna renare vilket resulterar i ökad korrosionsbeständighet hos svetsmetallen. Svetsar gjorda av argonbågsprocessen korroderas snabbare än svetsar gjorda i vakuum.

Vakuumskärmning eliminerar också möjligheten att bilda gasfickor i svetsmetall eftersom inga gaser är tillgängliga för att absorberas av det. Därmed ger vakuumsvetsning av många reaktiva och eldfasta metaller svetsar fritt från porositet.

Vakuumskärmning minskar gasinnehållet i svetsmetall på grund av dissociationen av oxider, nitrider och hydrider. Väte, även om det finns i kombinerat tillstånd, kan lätt avlägsnas från svetsmetallen.

Syre och kväve kan endast avlägsnas från svetsmetallen när partialtrycket av dessa gaser i svetskammaren ligger under trycket av dissociation av oxider och nitrider vid svetspoolens temperatur. Eftersom syre har extremt lågt partialtryck är det mycket svårt att ta bort det helt från den överväldigande majoriteten av metaller förutom koppar, nickel och kobolt.

Men nitrider av aluminium, niob, krom, magnesium, kisel och tantal har ett relativt högt tryck av dissociation av nitrider utom i fallet med zirkonium och tantal eftersom deras nitrider har lågt tryck av dissociation. Vakuumskärmning är således ett aktivt avskärmningsmedium eftersom det gör det möjligt för svetsmetallen att bli av med ytföroreningar, absorberade gaser av flytande filmer. Vanligtvis tar metallen en hög glans i en bred zon intill kanterna som svetsas.

Vakuumskärmning är inte bara enkel och lätt att underhålla men erbjuder också ekonomiska fördelar. Exempelvis är vakuumskärmning nästan hälften så kostsam som argonskärmning och ibland kan det kosta lika mycket som CO ₂ -skärmning. Det eliminerar också behovet av gasflaskor och kostnaden för transport och hantering.

Vakuumskärmning ger inte bara en idealisk skärm för svetsning av metaller, men är också effektivt för att säkra högkvalitativa svetsade leder i icke-metalliska material. För vissa material är vakuumskärmning det enda avskärmningsmediet för att åstadkomma erforderliga kvalitetssvetsar.

Svetsning i rymden:

Med utvecklingen av storskaliga orbitalstationer som rymmer många besättningsmedlemmar, storskaliga radioteleskop, antenner, reflekterande och absorberande skärmar, solstrålningstekniska system ökar behovet av inflight-reparation och återhämtning med förlängning av driftstiden, medan problemen med utplacering, montering och erektion blir allt mer brådskande med ökningen av massa och storlekar av strukturer.

Behovet av brådskande uppmärksamhet på de sjuka satelliterna för att hålla det världsomspännande kommunikationsnätet löpande blir det nödvändigt att utveckla lämpliga metoder för materialanslutning. Svetsprocesser verkar vara nödvändiga för användning i rymden, där förhållandena för svetsning skiljer sig radikalt från de på jorden.

Jämfört med miljön på jorden kännetecknas rymden av tre huvudfaktorer, t ex gravitation, högvakuum och hög kontrast på grund av ljusskugggränser.

en. Noll gravitation:

Detta orsakar frånvaro eller undertryckning av flytkraft och konvektion. Det speciella särdraget hos noll-G är emellertid att kosmonauten måste arbeta utan stöd som orsakar stora olägenheter vid manuell drift.

b. High Space vakuum:

Det atmosfäriska trycket i låghöjdsregionen där stora orbitalstationer nu flyger och förväntas flyga inom en snar framtid är ^10-2 till 10 ^-4 Pa. Denna tryckregion kan mastas mycket bra av markindustrin som använder elektronstråle och diffusionssvetsning. Det speciella inslaget i rymdsvakuum är emellertid den extremt höga eller nära oändliga evakueringshastigheten.

c. Hög kontrast på grund av ljusskuggande gränser:

På grund av plötslig förändring från ljus till skuggzon kan temperaturskillnaden vara mellan 150 och 500 ° C. På grund av minskad värme- och massöverföring i rymden kan zonen med högtemperaturskillnaderna ligga nära varandra på arbetsstycket.

På grund av dessa speciella egenskaper vid svetsning i rymden är det viktigt att välja en industriell applikationsprocess som har mångsidighet, enkelhet, tillförlitlighet, säkerhet, låg energiförbrukning, minsta massa och volym utrustning. Med tanke på alla dessa krav konstateras att EBW är den mest effektiva metoden för svetsning i rymden.

Grundfaktorn för det utrymme som mest påverkar svetsprocesserna i samband med närvaron av vätskefasen är noll-gravitation. Under noll-G är den uttalade verkan av ytskrafter agitation av smält metall under påverkan av elektronstråle och dissipationseffekter orsakad av viskositet och termisk diffusivitet. Majoriteten av smälta metallmaterial har låg kinetisk viskositet, måttlig termisk diffusivitet och hög ytspänning.

Möjligheten att bränna i arkmaterial under noll-G vid ostödd svetsning med låg koncentration av värmeenergi är svår. Svetspoolens diameter kan emellertid vara tio gånger (eller ännu mer) så stor som materialtjockleken med följdproblem vid hantering av stor mängd smält i den.

Fördelarna med hög ytspänning med noll-G i rymden är att om en genombränning inträffar eller ett hål skärs i ett ark klamrar den smälta metallen till underkanten av arbetet eller kan till och med stänga hålet eller "hälen" skuren. Om det inte var så skulle det vara mycket farligt på grund av dessa flygande metallbitar i rymden.

Utrymmet och den speciella karaktären av arbetet i den kräver att säkerheten garanteras av högsta möjliga tillförlitlighet, absolut säkerhet för de personer som arbetar med det och eliminering av risk för eventuella skador på rymdfartyg. Det utvecklade verktyget bör också präglas av kompaktitet, låg energiförbrukning, lätt vikt och drift.

Ett mångsidigt handsvetsverktyg utvecklat för att uppfylla alla dessa krav i den utsträckning det är möjligt baseras på användningen av EBW och heter VHT, det vill säga Versatile Hand Tool. EB W är emellertid förknippad med hög accelerationsspänning och kan resultera i alstring av röntgenstrålar. Kontakt av det yttre kostymkuvertet med smält metall eller elektronstråle kan också leda till allvarliga konsekvenser.

En VHT utvecklad av ryska ingenjörer som uppfyller de flesta ovanstående krav har följande specifikationer.

Prover som svetsas genom att använda ovanstående VHT i rymden uppfyller alla aktiva industriella krav. Till skillnad från andra bågsvetsningsprocesser möjliggör manuell EBW att hålla svetsbassängens storlek och penetrationsdjupet inom kontroll, inte bara genom att hantera verktyget utan även genom att ändra strålfokuseringen. Detta minimerar risken för brännskador. Den defekt som oftast uppträder vid rymdsvetsning med hjälp av VHT är brist på penetration vilket generellt hänför sig till den mänskliga reaktionen på operatörens egen rädsla för att orsaka en irreparabel bristningsbrist.

Trots förekomsten av brist på penetration uppskattas svetsningen i rymden högt.

Även om EBW har använts framgångsrikt för svetsning i rymden sedan omkring 1990, men den senaste utvecklingen i Friction Stir Welding (FSW) -processen har projicerat några av dess varianter för användning i svets- och svetsreparationer inom rymden. Några av dessa utvecklingar inkluderar, High Speed ​​FSW (HS-FSW), Ultrasonic Stir Welding (USW) och Termisk Rörsvetsning (TSW).

en. High Speed ​​FSW :

Det bygger på konceptet att högspindelhastigheter på upp till hundra tusen varvtal i FSW minskar krafterna som krävs för att producera ljudsvetsar till en nivå som möjliggör manuella handhållna enheter. Arbetet är redan på gång för att svetsa 1, 5 mm tjock kopparlegering med en rotationshastighet på upp till 30 000 rpm och en svetshastighet på upp till 5 m / min.

En parallell utredning pågår för utveckling av robotoperation av en manuell, handhållen, solid state-apparat för användning av HS-FSW.

b. Ultrasonic Stir Welding (USW):

Denna ultraljudsenergi värmer materialet i plasttillståndet. Till skillnad från standard FSW finns det inga roterande axlar och stift för att producera friktionsvärme. Detta koncept förväntas vara mer praktiskt än HS-FSW som en svets- och reparationsprocess i omlopp, eftersom ett högt rotationshastighetsstabilitetsproblem kommer att elimineras.

c. Termisk omröringssvetsning (TSW):

Detta är ännu en svetsprocess för svetsning av tjockare delar. TSW skiljer sig från FSW genom att uppvärmning, omrörning och smältning av processelement som finns i FSW styrs oberoende. Det finns liten friktionsuppvärmning och inga höghastighets roterande stift / axlar. Liksom USW, undviker TSW också stabilitetsproblem i samband med höghastighets rotationsdelar. Bortsett från användningen i svetsning och reparation i rymden, kan TSW användas för Navalkonstruktion för användning vid svetsning av titanlegeringar för varvsindustrin, liksom för tillverkning av högpresterande personliga yachter från titan.

Förutom svetsning; skärning, hårdlödning och metallbesprutning har också utförts i rymden. Svetsning visar sig vara den svåraste processen att utföra i rymden. Detta beror på det faktum att ljusstyrkan i solstrålningen är extremt hög i rymden är det nästan omöjligt att se färgförändringen i metall med temperatur och således måste svejsaren-kosmonauten bestämma omfattningen av uppvärmning av arbetet då intervall.

Metallsprutning är inte alls svår att utföra i rymden och komponenterna som sprutas i rymden uppfyller kraven i de strängaste kraven.