Svejsning i usædvanlige omgivelser
Efter at have læst denne artikel vil du lære om svejsemetoderne i usædvanlige omgivelser: 1. Svejsning i vind 2. Svejsning ved lave omgivelsestemperaturer 3. Svejsning i vakuum 4. Svejsning i rummet.
Svejsning i vind:
Svejsning i blæsende forhold resulterer i bueforlængelse, hvilket fører til forringelse af svejsepolens afskærmning fra de skadelige virkninger af de atmosfæriske gasser. Buespændingen skal derfor holdes inden for en rækkevidde for at sikre en defektfri svejsning ved en given vindhastighed.
Beskyttelsesgasskjoldet ved forbrænding af belægning i afskærmet metalbuesvejsning og afskærmningsgasen i gasbuesvejsning med gasbearbejdning viser sig at være alvorligt påvirket af vindhastigheden; Imidlertid findes selvbeskyttende fluxkernede ledninger at give en betydelig bedre beskyttelse.
Hvis man antager bueforlængelse som et kvantitativt kriterium for afskærmningseffektivitet, rapporteres resultaterne af et mærke af selvafskærmende flux-cored buesvejsning (FCAW) wire af Shlepakov et al. fra simulerede laboratorieforsøg er vist i figur 22.1.
![](http://triangleinnovationhub.com/img/welding/786/welding-unusual-environments.jpg)
Det er tydeligt, at fejlfri svejsninger kan opnås med meget kort lysbue for et buespændingsområde på 21 til 22, 5 volt for vindhastighed op til 15 m pr. Sekund. Imidlertid blev svejsestrådekvaliteten alvorligt påvirket for en længere bue især ved en højere vindhastighed. Lignende data for andre typer selvafskærmende FCAW-ledninger er også blevet rapporteret af de samme forfattere.
Svejsning ved lave omgivelsestemperaturer:
Svejsning om vinteren i bjergområder i nord eller mere specifikt i arktiske og antarktiske regioner indebærer at arbejde ved meget lave temperaturer ned til -40 ° C eller endda lavere. Produktiviteten af maskiner og strukturer i den arktiske region om vinteren er ca. 1, 5 gange lavere end den nominelle værdi, og dermed reduceres den faktiske levetid med 2 til 3, 5 gange, hvilket resulterer i et stort tab for de involverede lande.
Manglende bil-, traktor- og bulldozerkomponenter og samlinger i vintertider er rapporteret at være 4 til 6 gange så høje som om sommeren. Den gennemsnitlige månedlige arbejde af en bulldozer om vinteren er fra 2, 7 til 7 gange så lav som om sommeren. Mere end 75% af de samlede registrerede svejsede grundkomponenter og samlinger af gravemaskiner forekommer i vinterperioden. Skør brud og træthedssvigt er de tilskrivende årsager til svigt af svejsede led i dredgers og andet jordgearudstyr.
Ved sænkning af temperaturen om vinteren i det arktiske område rapporteres der stigende fejl i rørledninger, broer, lastbærende bjælker, tanke, olieopbevaringstanke og trykbeholdere. Blandt de væsentligste årsager til lav temperatur sprøde frakturer af svejsede ledd er det ringe udvalg af basismaterialer og svejsningsprodukter samt den vedtagne svejseteknologi. Dette fører til dannelsen af regioner med højere følsomhed over for sprøjtning og indledning af kolde revner.
Dannelsen af kolde sprækker i svejsearbejder lavet ved lave omgivelsestemperaturer skyldes hurtig afkøling og krystallisation af svejsebassin, hvilket resulterer i indfangning af hydrogen, oxygen eller nitrogen og ikke-metalliske materialer i svejsemetallet. På grund af hurtig afkøling ved lav temperatur; smeltningen af metal kan også være utilstrækkelig, hvilket fører til ufuldstændig indtrængning og manglende fusion. Også kvaliteten af elektroder og fyldtråd er påvirket negativt, hvis fugt geler på dem.
For at modvirke de skadelige virkninger af lav temperatur for at opnå kvalitetssvejsninger skal følgende regler overholdes:
1. Det anvendte forældremetal skal være fri for ridser, indrykning eller overfladeafskæringer for at undgå hakseffekten
2. Rengøring af arbejdskanter er afgørende for at fjerne forurenende stoffer og fugt eller sne. Om nødvendigt kan kanterne forvarmes før montering og derefter afkøles svejsearmen langsomt.
3. Kun højkvalitetselektroder, grundigt tørrede, skal anvendes med korrekt svejseteknik og variabler. Højere nuværende indstilling kan være nødvendig for at kompensere for den lave omgivelsestemperatur.
4. Svejsninger bør omhyggeligt trimmes efter færdiggørelse for at undgå dannelse af ridser og indrykning i svejsemetal og HAZ.
5. Udvikling af krater bør undgås for at undgå dannelsen af kratersprækker, som kan føre til sprøde brud.
6. Brug armaturer i stedet for stive klæbemidler for at undgå udvikling af for store belastninger i svejsesamlingen; en god praksis er at øge varmetilførslen med 4 til 5% for hvert fald på 10 ° C i omgivelsestemperatur fra f.eks. ca. 20 °.
På grund af den øgede køleskabseffekt reduceres svejsesduktiliteten med øget arbejdstykkelse. For at modvirke tykkelsen af duktiliteten kan varmeindgangen øges, men det fører normalt til svejsemetallets reducerede styrke. Kølehastighed er en kritisk parameter i filet og flerkørsslagssvejsninger, såsom svejsninger undgås derfor med lette vigtige svejsninger lavet ved lave omgivelsestemperaturer.
En alternativ metode er at lave svejsninger af tykkere tværsnit. For eksempel svejses arbejdstykketykkelsen på 16-24 mm, 25 til 40 mm og 41 til 50 mm med et minimumssvejsetværsnit eller henholdsvis 35 mm 2, 50 mm 2 og 60 mm 2 . Kølehastighederne for sådanne svejsninger må også ikke overstige 30 ° C pr. Sekund.
Forstærkning stænger af strukturelle stål kan svejses med succes i forme ved lave temperaturer. Egenskaberne opnået i sådanne tilfælde svarer normalt til dem, der opnås ved normale butikstemperaturer.
Belægningstypen påvirker væsentligt resultatet af afskærmet metalbuesvejsning ved lave temperaturer. De bedste resultater kan opnås ved anvendelse af basisbelagte elektroder, da det opnåede svejsemetal har høje mekaniske og slagegenskaber på grund af lavt hydrogenindhold af svejsemetal, der har ringe modtagelighed for aldring og sprød brud samt forøgelse af kulstof og svovlindhold . Gode kvalitetssvejsninger kan således opnås ved basisbelagte elektroder i lav- og højlegerede stål.
For at opnå god kvalitet svejsninger i rørsvejsning ved lave temperaturer skal buttningen klæbes i henhold til betingelserne i tabel 22.1:
![](http://triangleinnovationhub.com/img/welding/786/welding-unusual-environments-2.jpg)
Butt svejsninger i rørledninger fremstillet af martensitisk stål af enhver vægtykkelse bør foretages ved en omgivende lufttemperatur på ca. 0 ° C; Når omgivelsestemperaturen er under 0 ° C, skal sådanne svejsesvejsninger laves i opvarmede lokaler eller kabinetter. Svejsning af rørledninger lavet af rystende og halvdræbte stål samt løft, transport og montering skal udføres ved omgivende lufttemperaturer ikke under 20 ° C.
Følsomheden af en svejset ledd til sprød brud stiger kraftigt, når selv de mindste koldt revner eller træthedskader forekommer under skiftende belastninger, bliver det mere udtalt, da temperaturen falder. For at forbedre svejsede ledders ydeevne under slagbelastninger og ved negative temperaturer anbefales høj temperatursænkning for stigningen i hakhårdhed ved varmebehandling på HAZ metalstrukturen.
En anden metode til forbedring af svejsningernes påvirkning og udmattelsesegenskaber lavet ved lave omgivelsestemperaturer er argonbuebehandlingen af svejsningen. I denne behandling anvendes argonbuen til at skabe en jævn overgang af kontur fra svejsning til basismetal samt for at forbedre svejsemetallet ved metallurgiske ændringer som desulfurisering, afgassning, raffinering af ikke-metalliske indeslutninger og variation af deres former.
Denne behandling fører ikke kun til faldet i spændingskoncentrationen i HAZ, men forbedrer også strukturen af overfladelaget af metallet og derved forøger de svejsede leders mekaniske egenskaber.
Effekten af høj temperaturhærdning og argonbuebehandling med henblik på at forbedre slagstyrken af lavt kulstofstål og det nitreret stål i sammenligning med det samme stål uden nogen behandling er som vist i figur 22.2.
![](http://triangleinnovationhub.com/img/welding/786/welding-unusual-environments-3.jpg)
Svejsning i vakuum:
Ved fusionssvejsning er effektiv afskærmning af svejsepoolen fra de dårlige virkninger af de atmosfæriske gasser (ilt og nitrogen) afgørende for at opnå kvalitetssvejsninger. Svejsemetallet kan også afhente hydrogen fra fugt, rust, elektrodbelægning, flux osv.
Skønt forskellige gasser reagerer forskelligt med svejsepumpemetallet, men de uundgåeligt nedbryder svejsemetallets fysisk-mekaniske egenskaber. Når fanget i store mængder kan opløste gasser føre til dannelse af blærer, blæsehuller og porøsitet og reduceret metaldensitet med følgelig reduceret plasticitet og styrke. Gasser til stede selv som kemiske forbindelser som oxider, nitrider og hydrider kan også markant forringe styrken og sejheden af metallet, som kan føre til sprød fiasko.
Dette er især tilfældet med aktive metaller. Ud over at forringe de mekaniske egenskaber reducerer oxidationen metallernes modstand til korrosion. Oxidindeslutninger kan også producere gasporøsitet, fordi de absorberer og fastholder gasser, mens metallet er i smeltet tilstand.
For at beskytte svejsepoolen anvendes forskellige afskærmningsmedier med hver deres fordele og begrænsninger. De fleste ingeniørmetaller er tilstrækkeligt afskærmet af argon og helium, men disse gasser er fundet utilstrækkelige som afskærmningsmedier til svejsning. Metaller som zirconium og tantal. Brint absorberes også let af zirconium, tantal og niob til dannelse af hydrider, der fremstår som streger langs korngrænserne.
Selv et minuts brint i zirconium kan tantal eller niob producerer porøsitet og reducere deres plasticitet og styrke. For at gøre svejsninger af tilstrækkelig plasticitet i reaktive og ildfaste metaller bør afskærmningsmediet således indeholde mindste mængder oxygen, nitrogen, hydrogen og fugt.
Effektiviteten af vakuum som et afskærmningsmedium bestemmes af mængden af urenheder, der er til stede pr. Enhedsvolumen i vakuumkammeret. Tabel 22.2 viser, at selv et relativt dårligt vakuum har et lavt urenhedsindhold pr. Enhedsvolumen. Sammenlignet med oxygenindholdet og nitrogenindholdet på henholdsvis 0 005% og 0 01% af stærkt oprenset og dyr argonklasse A har et groft vakuum på 01 mm Hg oxygenindholdet og nitrogenindholdet henholdsvis 0 003% og 0 01%.
![](http://triangleinnovationhub.com/img/welding/786/welding-unusual-environments-4.jpg)
De overordnede mekaniske egenskaber ved svejsninger fremstillet i vakuum bekræftes af det faktum, at hårdheden af metallet i zirkoniumsvejsninger lavet af argonbueprocessen var næsten dobbelt så stor som vakuumsvejsningerne. Også reduceret gasindhold i svejsemetallet ved vakuumafskærmning forbedrer dets plasticitet, som det findes ved svejsninger fremstillet i molybdæn.
Vakuumafskærmning påvirker svejsemetalaktiviteten ved at afgassere den, forøge dens densitet, fjerne oxider, urenheder og forureninger fra både overfladen og massen af metal. Da forurening af svejsemetallet reduceres, bliver korngrænserne renere hvilket resulterer i øget korrosionsbestandighed af svejsemetallet. Svejsninger lavet af argonbue proces korroderer hurtigere end svejsninger lavet i vakuum.
Vakuumafskærmning eliminerer også muligheden for dannelse af gaslommer i svejsemetal, da der ikke er nogen gasser til at blive absorberet af det; således vakuumsvejsning af mange reaktive og ildfaste metaller frembringer svejsninger fri for porøsitet.
Vakuumafskærmning reducerer gasindholdet i svejsemetal på grund af dissociationen af oxider, nitrider og hydrider. Hydrogen kan, selv om den er til stede i kombineret tilstand, let fjernes fra svejsemetallet.
Oxygen og nitrogen kan kun fjernes fra svejsemetallet, når partialtrykket af disse gasser i svejsekammeret er under trykket af dissociation af oxider og nitrider ved svejsepoolens temperatur. Da ilt har ekstremt lavt partialtryk er det meget svært at fjerne det helt fra det overvældende flertal af metaller bortset fra kobber, nikkel og kobolt.
Imidlertid har nitrider af aluminium, niob, krom, magnesium, silicium og tantal et relativt højt tryk på dissociation af nitrider, undtagen i tilfælde af zirconium og tantal, fordi deres nitrider har lavt tryk på dissociation. Vakuumafskærmning er således et aktivt afskærmningsmedium, fordi det gør det muligt for svejsemetallet at slippe af med overfladeforurenende stoffer, absorberede gasser af flydende film. Generelt tager metallet en høj glans i en bred zone ved siden af kanterne, der svejses.
Vakuumafskærmning er ikke kun enkel og nem at vedligeholde, men giver også økonomiske fordele. Eksempelvis er vakuumafskærmning næsten halv så dyr som argonafskærmning, og det kan til tider koste lige så meget som CO 2 -afskærmning. Det eliminerer også behovet for gasflasker og omkostningerne ved deres transport og håndtering.
Vakuumafskærmning giver ikke kun et ideelt skjold til svejsning af metaller, men er også effektivt til sikring af svejsede led af høj kvalitet i ikke-metalliske materialer. For nogle materialer er vakuumafskærmning det eneste afskærmningsmedium for at opnå krævede kvalitetssvejsninger.
Svejsning i rummet:
Med udviklingen af storstormede kredsløbsstationer, der rummer mange besætningsmedlemmer, store radioteleskoper, antenner, reflekterende og absorberende skærme, solstrålingstekniske systemer, er behovet for inflight-reparation og -udvækst stigende med forlængelse af driftstiden, mens problemerne med implementering, montering og montage bliver mere og mere presserende med stigningen i masse og størrelser af strukturer.
Desuden er behovet for hurtig opmærksomhed på de syge satellitter for at holde det verdensomspændende kommunikationsnet løber glat, og det bliver afgørende at udvikle passende metoder til materialeforening. Svejseprocesser virker uundværlige til brug i rummet, hvor betingelserne for svejsning afviger radikalt fra dem på jorden.
Sammenlignet med miljøet på jorden er rummet præget af tre hovedfaktorer, nemlig tyngdekraften, højtryksvakuum og høj kontrast på grund af lysskygge grænser.
en. Ingen tyngdekraft:
Dette forårsager fravær eller undertrykkelse af opdriftskraft og konvektion. Det særlige træk ved nul-G er imidlertid, at kosmonauten skal arbejde uden støtte, der forårsager stor ulejlighed ved manuelle operationer.
b. High Space vakuum:
Det atmosfæriske tryk i lavhøjregionen, hvor store orbitalstationer nu flyver og forventes at flyve i den nærmeste fremtid er 10-2 til 10 -4 Pa. Denne trykregion kan styres meget godt af jordindustrien, der bruger elektronstråle og diffusionssvejsning. Det særlige træk ved rumvakuum er imidlertid den ekstremt høje eller næsten uendelige evakueringsrate.
c. Høj kontrast på grund af lysskyggebrænder:
På grund af pludselige ændringer fra lys til skyggezone kan temperaturforskellen ligge mellem 150 og 500 ° C. Også på grund af reduceret varme- og masseoverførsel i rummet kan zonen med højtemperaturforskelle være tæt på hinanden på emnet.
På grund af disse særlige egenskaber ved svejsning i rummet er det vigtigt at vælge en proces med industriel anvendelse, der har alsidighed, enkelhed, pålidelighed, sikkerhed, lavt energiforbrug, minimumsmasse og volumen af udstyr. I betragtning af alle disse krav konstateres det, at EBW er den mest effektive metode til svejsning i rummet.
Grundfaktoren for rummet, som mest aktivt påvirker svejseprocesserne forbundet med tilstedeværelsen af væskefase, er nul-tyngdekraft. Under nul-G er den udtalte virkning af overfladestyrkerne omrøring af smeltet metal under påvirkning af elektronstråle- og dissipationseffekter forårsaget af viskositet og termisk diffusivitet. Størstedelen af smeltede metalliske materialer har lav kinetisk viskositet, moderat termisk diffusivitet og høj overfladespænding.
Mulighed for gennembrænding i arkmateriale under nul-G i ikke-understøttet svejsning med lav koncentration af termisk energi er vanskelig. Svejsebassens diameter kan dog være ti gange (eller endnu mere) så stor som materialetykkelsen med følgeskaderne i håndtering af stor mængde smeltet indeholdt i den.
Fordelene ved høj overfladespænding med nul-G i rummet er, at hvis der opstår en gennembrænding eller et hul skæres i et ark, klæber det smeltede metal sig til underkanten af arbejdet eller kan endda lukke hullet eller hælen skæret. Hvis det ikke var tilfældet, ville det være meget farligt på grund af disse flyvende metalbitar i rummet.
Rum og den særlige karakter af arbejdet i det kræver sikring af udstyrets højest mulige pålidelighed, den absolutte sikkerhed for de mennesker, der arbejder med det og elimineringen af risikoen for skader på pladsfartøjer. Det udviklede værktøj skal også karakteriseres af kompaktitet, lavt energiforbrug, letvægt og driftssituation.
Et alsidigt håndsvejseværktøj udviklet til at opfylde alle disse krav i videst muligt omfang er baseret på brugen af EBW og hedder VHT, det vil sige Versatile Hand Tool. EB W er dog forbundet med høj accelerationsspænding og kan resultere i generering af røntgenstråler. Kontakt af den ydre kuvertkuvert med smeltet metal eller elektronstråle kan også medføre alvorlige konsekvenser.
En VHT udviklet af russiske ingeniører, der opfylder de fleste ovennævnte krav, har følgende specifikationer.
![](http://triangleinnovationhub.com/img/welding/786/welding-unusual-environments-5.jpg)
Prøver svejset ved hjælp af ovenstående VHT i rummet opfylder alle aktive industrielle krav. I modsætning til andre buesvejseprocesser giver manuel EBW mulighed for at holde svejsepolens størrelse og penetrationsdybden inden for kontrol, ikke kun ved at håndtere værktøjet, men også ved at ændre strålefokusering; dette minimerer enhver risiko for forbrænding igennem. Den defekt, der hyppigst opstår i rumssvejsning ved hjælp af VHT, er manglende penetration, hvilket generelt er tilskrevet den menneskelige reaktion på operatørens egen frygt for at forårsage en uoprettelig mangelfuld brændbarhed.
Til trods for forekomsten af manglende penetration vurderes svejsningen udført i rummet meget.
Selvom EBW er blevet brugt succesfuldt til svejsning i rummet siden omkring 1990, men den seneste udvikling i Friction Stir Welding (FSW) -processen har projiceret nogle af sine varianter til deres anvendelse i forbindelse med svejsning og svejsning i rummet. Nogle af disse udviklinger omfatter High Speed FSW (HS-FSW), Ultrasonic Stir Welding (USW) og Thermal Stir Welding (TSW).
en. High Speed FSW :
Det er baseret på konceptet, at høje spindelhastigheder på op til hundrede tusinde omdr./min. I FSW reducerer de kræfter, der er nødvendige for at producere lydsvejsninger til et niveau, der tillader manuelle håndholdte enheder. Arbejdet er allerede på vej til svejsning af 1, 5 mm tykt kobberlegering med rotationshastighed på op til 30.000 omdr./min. Og en svejses hastighed på op til 5 m / min.
En parallelundersøgelse er i gang for udvikling af robotoperation af et manuel håndholdt solid state apparat til brug af HS-FSW.
b. Ultrasonic Stir Welding (USW):
Denne ultralydsenergi opvarmer materialerne i plasttilstanden. I modsætning til standard FSW er der ingen roterende skuldre og stifter til fremstilling af friktionsvarme. Dette koncept forventes at være mere praktisk end HS-FSW som en svejsnings- og reparationsproces i kredsløb, fordi det høje rotationshastighedstabilitetsproblem vil blive elimineret.
c. Termisk omrøring (TSW):
Dette er endnu en svejseproces til svejsning af tykkere medlemmer. TSW er forskellig fra FSW, idet opvarmning, omrøring og smedning af proceselementer fundet i FSW styres uafhængigt. Der er lidt friktionsopvarmning og ingen højhastighedstaster / skuldre. Som USW undgår TSW også stabilitetsproblemer forbundet med rotationsdele med høj hastighed. Bortset fra dets anvendelse i svejsning og reparation i rummet kan TSW anvendes til Navalkonstruktion til brug i svejsning af titaniumlegeringer til skibsbygning, som også til fremstilling af højtydende personlige yachter fra titanium.
Bortset fra svejsning; skæring, lodning og metalbesprøjtning er også blevet udført i rummet. Lodning er fundet at være den sværeste proces at udføre i rummet. Dette skyldes, at i rummet er lysstyrken af solstråling ekstremt høj, er det næsten umuligt at se farveændringen i metal med temperatur, og således skal svejseren-kosmonauten bestemme omfanget af opvarmning af arbejdet på det tidspunkt interval.
Metal sprøjtning er slet ikke svært at udføre i rummet, og komponenterne sprøjtet i rummet opfylder kravene i de strengeste standarder.