ΤΟΥ ΓΙΩΡΓΟΥ ΜΑΛΙΩΤΗ
Τα ηλεκτρόδια είναι το θυσιαζόμενο υλικό που εξασφαλίζει την βέλτιστη σύνδεση μεταξύ των συγκολλούμενων επιφανειών στις συγκολλήσεις τόξου.
Η συγκόλληση είναι μια τεχνική σύνδεσης μεταλλικών τεμαχίων εξαιρετικά σημαντική για τις κατασκευές. Οι τρεις βασικές μέθοδοι συγκολλήσεων είναι η συγκόλληση τόξου, η συγκόλληση αερίου και η συγκόλληση αντίστασης. Από τις τρεις μεθόδους η συγκόλληση τόξου καλύπτει τη συντριπτική πλειοψηφία των εφαρμογών.
Αρχή της μεθόδου
Στις συγκολλήσεις τόξου το υλικό σύνδεσης των δύο στοιχείων προσφέρεται από θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια, σύρματα και επενδεδυμένα ηλεκτρόδια. Στη συγκόλληση τόξου το ηλεκτρόδιο που έχει τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή σύνδεσης των τεμαχίων τροφοδοτείται με εναλλασσόμενο ρεύμα από μια γεννήτρια. Πεδία υψηλών τάσεων ανα πτύσσονται σε διάφορα σημεία του τόξου με συνέπεια την μεταφορά ιόντων στον ατμοσφαιρικό αέρα στην περιοχή του διακένου μεταξύ του ηλεκτροδίου και των πλευρών των τεμαχίων που θα συγκολληθούν. Τα ηλεκτρόδια μπορούν να είναι είτε αρνητικά φορτισμένα(ευθεία πολικότητα), είτε θετικά(ανάστροφη πολικότητα) και η πολικότητα κατά την εναλλασσόμενη λειτουργία μπορεί να αλλάξει μέχρι 60 φορές το δευτερόλεπτο. Τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται αποκτούν κινητική ενέργεια και προσκρούουν είτε στις προς συγκόλληση επιφάνειες, είτε στο ηλεκτρόδιο. Με την αναπτυσσόμενη θερμότητα το ηλεκτρόδιο και το βασικό μέταλλο λιώνουν μέσα στην περιοχή στην οποία θα γίνει η συγκόλληση.
Το υλικό των ηλεκτροδίων εναποτίθεται στη περιοχή της συγκόλλησης ανάμεσα σε δύο επιφάνειες από συγκεκριμένο μέταλλο. (Είναι σπάνιες και εντελώς ιδιαίτερης αντιμετώπισης οι περιπτώσεις που κάνουμε συγκόλληση μεταξύ διαφορετικών μετάλλων). Για το λόγο αυτό ενδείκνυται το υλικό των ηλεκτροδίων να είναι ίδιο ή συναφές από χημική και μεταλλουργική σκοπιά με το υλικό των προς συγκόλληση τεμαχίων. Σημειώνεται πως αν τα ηλεκτρόδια έχουν ευθεία πολικότητα τότε επιτυγχάνεται μεγαλύτερη διείσδυση στην περιοχή της ραφής, ενώ αν έχουν ανάστροφη πολικότητα τοποθετείται περισσότερο υλικό πλήρωσης στη ραφή.
Πάντως οι χημικές και μηχανικές ιδιότητες μιας ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου επηρεάζονται από πολλές παραμέτρους, όπως τη διάμετρο του ηλεκτροδίου και την ένταση του ρεύματος που χρησιμοποιήθηκε, το μέγεθος των πάσων, το συγκολλούμενο πάχος μετάλλου, τη γεωμετρία της φρέζας, την προθέρμανση του μετάλλου, τη ακριβή χημική σύσταση του μετάλλου, την κατάσταση της επιφάνειας του μετάλλου και τη μεταξύ των πάσων ενέργεια.
Τεχνικές ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου
Οι τεχνικές των συγκολλήσεων έχουν αναπτυχθεί ραγδαία από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα, όταν είτε σε περίοδο πολέμων είτε σε περίοδο έντονης οικονομικής και βιομηχανικής ανάπτυξης υπήρξε ανάγκη για επιτάχυνση των βιομηχανικών κατασκευών. Οι βασικές τεχνικές ηλεκτροσυγκόλλησης τόξου είναι η ηλεκτροσυγκόλληση τόξου σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου (MIG) και η ηλεκτροσυγκόλληση επενδενδυμένου ηλεκτροδίου σε ατμόσφαιρα CO2. Αυτές οι μέθοδοι περιορίζονται πρακτικά σε ρεύματα 300 Α, ενώ η τεχνική της ηλεκτροσυγκόλλησης με προστασία μεταλλικής σκόνης λειτουργεί με ρεύμα μέχρι 1000 Α. Μια άλλη τεχνική με ιδιαίτερες εφαρμογές είναι η ηλεκτροσυγκόλληση τόξου με ηλεκτρόδιο βολφραμίου και αδρανές αέριο (ΤIG). Το βολφράμιο έχει ως γνωστόν πολύ υψηλό σημείο τήξης και έτσι το ηλεκτρόδιο κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης δεν λιώνει, συνεπώς δεν είναι αναλώσιμο όπως τα σύρματα που χρησιμοποιούνται στη μέθοδο MIG. Το συγκολλητικό υλικό τοποθετείται εξωτερικά στη ραφή συγκόλλησης. Μια άλλη ενδιαφέρουσα τεχνική είναι η μέθοδος πλάσματος-τόξου που μοιάζει με τη μέθοδο ΤIG, στην οποία όμως το τόξο παρέχει μεγάλη ποσότητα θερμότητας κι έτσι δίνεται η δυνατότητα για συγκολλήσεις σε μεγάλο βάθος.
Γκάμα ηλεκτροδίων και συρμάτων
Η παραγωγή ηλεκτροδίων που καλύπτουν μια τεράστια γκάμα συγκολλούμενων μετάλλων έχει εξελιχθεί από δεκαετίες κι έχουν διαμορφωθεί αντίστοιχες προδιαγραφές συγκολλήσεων αλλά και των αντίστοιχων ηλεκτροδίων και συρμάτων. Για τις συγκολλήσεις η πιο σημαντική προδιαγραφή είναι ο αμερικάνικος κώδικας ASME IX “Welding Procedure Specification”, ο οποίος χρησιμοποιείται επίσης και για την κατάταξη του πλήθους των ηλεκτροδίων και συρμάτων. Έχουμε λοιπόν τις παρακάτω περιπτώσεις ηλεκτροδίων και συρμάτων.
~ Επενδεδυμένα ηλεκτρόδια ηλεκτροσυγκόλλησης χρησιμοποιούνται για συγκολλήσεις των πιο σημαντικών για τη βιομηχανία μετάλλων και κραμάτων και συγκεκριμένα για συγκόλληση ανθρακοχαλύβων, νικελίου και κραμάτων νικελίου, χρωμονικελιούχων κραμάτων, αλλά ακόμα και χαμηλών κραμάτων χάλυβα, καθώς επίσης και χαλκού και κραμάτων χαλκού.
~ Για μια σειρά βασικών εφαρμογών όπως οι συγκολλήσεις ανθρακοχαλύβων, χαμηλών κραμάτων χάλυβα, χρωμιούχων και χρωμονικελιούχων κραμάτων χρησιμοποιούνται εναλλακτικά προς τα επενδεδυμένα ηλεκτρόδια κοίλα σύρματα με γόμωση βόρακα συγκόλλησης. Στις συγκολλήσεις χαλκού και κραμάτων χαλκού χρησιμοποιούνται εναλλακτικά σύρματα, ενώ στις πολύ βασικές συγκολλήσεις ανθρακοχαλύβων τα σύρματα συγκόλλησης χρησιμοποιούνται με κάλυψη αερίου.
~ Σύρματα και ηλεκτρόδια συγκόλλησης χρησιμοποιούνται στις συγκολλήσεις αλουμινίου και κραμάτων αλουμινίου, τιτανίου και κραμάτων τιτανίου, ζιρκονίου και κραμάτων ζιρκονίου, χυτοσιδήρου, στις επιμεταλλώσεις, αλλά επίσης σαν εναλλακτική λύση στις συγκολλήσεις νικελίου και κραμάτων νικελίου.
~ Για τις οξυγονοκολλήσεις σιδήρου, χαλύβων, χαλκού και κραμάτων χαλκού χρησιμοποιούνται σύρματα.
Η παραπάνω τεράστια γκάμα ηλεκτροδίων και συρμάτων παραπέμπει σε ένα πολύ μεγάλο όγκο αντίστοιχων τεχνικών στοιχείων για τις διάφορες περιπτώσεις ηλεκτροσυγκολλήσεων τόξου και την αντίστοιχη ποικιλία χρησιμοποιούμενων ηλεκτροδίων. Παρακάτω θα κάνουμε μια συνοπτική προσέγγιση ορισμένων από τις πιο ενδιαφέρουσες εφαρμογές συγκολλήσεων τόξου.
Επενδεδυμένα ηλεκτρόδια ανθρακοχαλύβων
Οι συγκολλήσεις ανθρακοχαλύβων με επενδεδυμένα ηλεκτρόδια παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον γιατί αφορούν ένα πολύ μεγάλο φάσμα βιομηχανικών και μη κατασκευών, αλλά και μηχανολογικών δικτύων. Η χρησιμοποίηση των επενδενδυμένων ηλεκτροδίων δίνει πολύ καλά αποτελέσματα στις κατασκευές μηχανών και βαρέος εξοπλισμού(π.χ λέβητες), αλλά και στις μεταλλικές κατασκευές, καθώς και σε κατασκευές ιδιαίτερων απαιτήσεων, όπως πλοίων, γεφυρών κ.λ.π.
Τα ηλεκτρόδια χάλυβος έχουν μια τυπική κωδικοποίηση κατά ASME IX:
E R XX X X
Όπου: Ε = το ηλεκτρόδιο, R = το σύρμα συγκόλλησης,
ΧΧ = τα δύο πρώτα ψηφία δείχνουν την εφελκυστική αντοχή της συγκόλλησης που αποδίδει το ηλεκτρόδιο σε λίβρες Χ 1000 ανά τετραγωνική ίντσα.
Χ = το τρίτο ψηφίο δείχνει τη θέση στην οποία μπορεί να συγκολλήσει το ηλεκτρόδιο και η σχετική κωδικοποίηση έχει ως εξής:
1= για όλες τις θέσεις
2= μόνο για δάπεδο και κολλήσεις γωνιακές σε οριζόντια θέση
4= μόνο κατεβατό σε όλες τις θέσεις
ΧΧ = τα δύο τελευταία ψηφία μαζί δείχνουν τον τύπο του ρεύματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια συγκόλληση στην οποία χρησιμοποιούμε το συγκεκριμένο ηλεκτρόδιο καθώς και τον τύπο του βόρακα με τον οποίο αυτό είναι επενδεδυμένο.
Επενδεδυμένα ηλεκτρόδια χρωμιούχων και χρωμονικελιούχων χαλύβων
Σε βιομηχανίες με ιδιαίτερες λειτουργικές συνθήκες (π.χ πετρελαιοειδή, χημικές βιομηχανίες) συχνά χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί εξοπλισμός από κραματωμένους χάλυβες. Η σχετική γκάμα κραμάτων είναι επίσης αρκετά μεγάλη και από αυτήν ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχουν οι χρωμιούχοι και χρωμονικελιούχοι χάλυβες.
Στα επενδεδυμένα ηλεκτρόδια για τις συγκολλήσεις των παραπάνω χαλύβων καθοριστικός είναι ο ρόλος του φερρίτη ως συστατικό τους. Η περιεκτικότητα του φερρίτη στη συγκόλληση ανοξείδωτων χαλύβων επηρεάζει την τάση ορισμένων κραμάτων να εμφανίσουν ρωγμές, ιδιαίτερα αν συγκολλούνται ελάσματα μεγάλου πάχους. Από την άλλη πλευρά δεν βοηθάει ιδιαίτερα στον περιορισμό της διάβρωσης στη συγκόλληση και σε ορισμένες εφαρμογές μειώνει την αντοχή του κατασκευασθέντος εξαρτήματος σε σχέση με την αντοχή των τεμαχίων που συγκολλήθηκαν.
Μια από τις πιο σημαντικές λειτουργικές παραμέτρους είναι η συνιστώμενη μέγιστη και ελάχιστη θερμοκρασία μεταξύ των πάσων κατά τη συγκόλληση. Στις σειρές ηλεκτροδίων Ε 200, Ε 300, Ε 400, Ε 7 Cr κατά την κωδικοποίηση AWS η μέγιστη θερμοκρασία μεταξύ των πάσων πρέπει να είναι 150 βαθμοί Κελσίου και η ελάχιστη 15. Στις σειρές ηλεκτροδίων Ε 500, Ε 630, Ε 16-8-2 κατά την κωδικοποίηση AWS η μέγιστη θερμοκρασία μεταξύ των πάσων πρέπει να είναι 260 βαθμοί Κελσίου και η ελάχιστη 150.
