Γιάννης Ωραιόπουλος

Σύμβουλος Συγκολλλήσεων

Ενότητα 1η

Εισαγωγικά

Όλα τα μέταλλα, με εξαίρεση τα ευγενή μέταλλα όπως ο χρυσός (Au), ο άργυρος (Ag), ο Λευκόχρυσος (Pt), το Παλλάδιο (Pd), Ιρίδιο (Ir), Όσμιο (Os), Ρουθήνιο (Ru) και Ρόδιο (Rh), προσβάλλονται από την υγρασία και οξειδώνονται (σκουριάζουν). Η οξείδωση είναι η δημιουργία διαφόρων οξειδίων του, δηλαδή η ένωση του οξυγόνου με το μέταλλο. Αυτά τα οξείδια δημιουργούν προβλήματα σε μια κατασκευή και είναι ανεπιθύμητα. Αν και η οξείδωση εμφανίζεται στις επιφάνειες των μετάλλων, κατά την συγκόλληση τα οξείδια αυτά συχνά εγκλωβίζονται μέσα στην ραφή συγκόλλησης και αποτελούν πολύ σοβαρές ατέλειες οδηγώντας ακόμη και σε πλήρη κατάρρευση μια συγκολλητή κατασκευή.

Τα μέταλλα δεν οξειδώνονται όλα με την ίδια ευκολία και το ίδιο γρήγορα. Άλλα οξειδώνονται πολύ εύκολα και άλλα πολύ δυσκολότερα. Η ταχύτητα όμως της οξείδωσης εξαρτάται άμεσα και από την θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το μέταλλο. Σαν χαρακτηριστικό παράδειγμα μπορεί να θεωρηθεί η κοπή με το οξυγόνο. Ο σίδηρος σκουριάζει σχετικά εύκολα αλλά και σε βάθος χρόνου. Κατά την κοπή, θερμαίνουμε τον σίδηρο σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και εν συνεχεία με την παροχή επί πλέον οξυγόνου υπό μεγάλη πίεση, δημιουργούνται οξείδια του σιδήρου τα οποία απομακρύνονται από την υψηλή πίεση του οξυγόνου. Η οξυγονοκοπή είναι μια ταχύτατη οξείδωση του σιδήρου.

Σαν δεύτερο παράδειγμα μπορεί να λεχθεί η ακίδα του βολφραμίου στις συγκολλήσεις TIG. Το βολφράμιο, αν και αντέχει σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και η φθορά του κατά την εργασία, στα χέρια ενός έμπειρου συγκολλητή, είναι ελάχιστη, εάν βρεθεί σε περιβάλλον ατμοσφαιρικού αέρα κατά την λειτουργία του, αυτό οξειδώνεται ταχύτατα και καταστρέφεται. Ένα πρόβλημα που δημιουργείται είτε από κακής ποιότητας αδρανούς αερίου προστασίας είτε όταν ο συγκολλητής ξεχνά να ανοίξει την ροή του προστατευτικού αερίου.

Στην ηλεκτροσυγκόλληση, τα μέταλλα φθάνουν σε θερμοκρασίες τήξης τους και αυτό δημιουργεί την ανάγκη της προστασίας τους από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο αλλά και την υγρασία. Επί πλέον απαιτείται και προστασία από το άζωτο το οποίο δημιουργεί διάφορα νιτρίδια και άλλα προβλήματα στις μηχανικές ιδιότητες της ραφής.

Δημιουργείται έτσι η ανάγκη προστασίας του λουτρού τήξης, μέχρι αυτό να στερεοποιηθεί και μάλιστα σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτή η προστασία προσφέρεται από τα αέρια προστασίας που χρησιμοποιούμε άμεσα στις συγκολλήσεις σύρματος και ακίδας βολφραμίου αλλά και έμεσα στις συγκολλλήσεις με ηλεκτρόδιο (επενδεδυμένο ηλεκτρόδιο).

Το οξυγόνο και το άζωτο, χρησιμοποιούνται ως πρόσθετα μιγμάτων για την προστασία της ραφής, αλλά οι ποσότητες είναι απόλυτα ελεγχόμενες και χρησιμοποιύνται ανάλογα με το υλικό συγκόλλησης και τις προδιαγραφές.

Σύντομη ιστορική αναδρομή

Στις συγκολλλήσεις με ηλεκτρόδιο η καύση της επένδυσης του ηλεκτροδίου παράγει μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα. Το παραγόμενο αυτό αέριο προστατεύει το λουτρό τήξης από την επίδραση του ατμοσφαιρικού αέρα.

Κατά την διάρκεια του Α΄ Παγκοσμίου Πολέμου, όταν οι ΗΠΑ προσπάθησαν να κατασκευάσουν σκάφη και άλλο πολεμικό υλικό από αλουμίνιο παρουσιάστηκαν τα πρώτα σοβαρό προβλήματα κατά την συγκόλληση του αλουμινίου με ηλεκτρόδιο. Πόροι και ρηγματώσεις ταλαιπωρούσαν έντονα τους κατασκευαστές. Έτσι τέθηκαν οι πρώτες σκέψεις να για προστασία του λουτρού τήξης με αέριο.

Η τεχνολογία όμως δεν επέτρεπε ακόμη την υλοποίηση αυτής της σκέψης η οποία ολοκληρώθηκε και πραγματοποιήθηκε είκοσι περίπου χρόνια αργότερα κατά την διάρκεια του Β΄Παγκοσμίου Πολέμου. Το 1943 πραγματοποιούνται οι πρώτες συγκολλήσεις με ακίδα βολφραμίου και προστασία αδρανούς αερίου και λίγα χρόνια αργότερα, το 1948 οι συγκολλήσεις με μηχανή σύρματος και προστασία αερίου αδρανούς ή οξειδωτικού.

Το πρώτο αέριο που χρησιμοποιήθηκε ως αέριο προστασίας ήταν το διοξείδιο του άνθρακα για τις συγκολλήσεις μηχανής σύρματος ενώ για τις συγκολλήσεις ακίδας βολφραμίου ήταν το ήλιο.

Από τότε μέχρι σήμερα τα αέρια έχουν γνωρίσει πολύ μεγάλη ανάπτυξη και συνεχώς αποτελούν πεδίο έρευνας για τους επιστήμονες.

Ο ρόλος των αερίων

Οι περισσότεροι  συγκολλητές γνωρίζουν, σαν μοναδικό ρόλο των αερίων προστασίας, την προστασία του λουτρού τήξης από τον ατμοσφαιρικό αέρα.

Αυτό αποτελεί μια πολύ περιορισμένη και απλοποιημένη γνώση των αερίων.

Ένας κύριος ρόλος τους είναι η δημιουργία του πλάσματος τόξου συγκόλλησης και ως εκ τούτου μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τις παραμέτρους λειτουργίας του τόξου ανάλογα με τα τεχνικά τους χαρακτηριστικά.

Εκτός από το πλάσμα τόξου επηρεάζουν πολύ σημαντικά, τόσο τις μεταλλουργικές όσο και μηχανικές ιδιότητες της ραφής όπως την αντοχή στην διάβρωση, την θραύση, την σκληρότητα, την ολκιμότητα.

Σοβαρή είναι επίσης η επίδρασή τους στην γεωμετρία της ραφής επηρεάζοντας την μορφή της επιφάνειάς της, την διόγκωσή, την διείσδυση, το πλάτος αλλά και την διαβροχή της.

Το περιβάλλον του συγκολλητή επίσης επηρεάζεται, αλλά και γενικότερα ολόκληρος ο χώρος εργασίας, από την ποσότητα και την ποιότητα των καπναερίων που αυτά προκαλούν.

Τελικά όλα αυτά, ενώ το κόστος του αερίου ανά μονάδα συγκόλλησης είναι πολύ μικρό, είναι δυνατόν να αυξήσουν ή να ελαττώσουν το τελικό κόστος μιας συγκολλητής κατασκευής.

Αέρια προστασίας και χαρακτηριστικά

Τα αέρια που χρησιμοποιούνται για την προστασία στις συγκολλήσεις, είναι έξι.

Το διοξείδιο του άνθρακα, το αργό, το ήλιο, το οξυγόνο, το υδρογόνο και το άζωτο.

Από αυτά, το διοξείδιο του άνθρακα, το αργό και το ήλιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνα τους χωρίς προσμίξεις άλλων αερίων. Το οξυγόνο, το υδρογόνο και το άζωτο χρησιμοποιούνται μόνο ως πρόσθετα σε μικρές ποσότητες με το αργό. Ως πρόσθετα στο αργό και σε μεγαλύτερες ποσότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν και το διοξείδιο του άνθρακα και το ήλιο. Ο συνδυασμός των πρόσθετων είναι δυνατόν να μας δώσουν μίγματα αερίων διμερή, τριμερή ή τετραμερή. Ένα μίγμα αργού με διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα μίγμα διμερές ενώ ένα μίγμα αργού με ήλιο, διοξείδιο το άνθρακα και υδρογόνο είναι ένα μίγμα τετραμερές.

Από τα αέρια το αργό και το ήλιο είναι αδρανή που σημαίνει ότι δεν μας επηρεάζουν με κανένα τρόπο την ποιότητα του μετάλλου.

Το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο είναι οξειδωτικά, δραστικά, που σημαίνει ότι όταν έρχονται σε επαφή με το τηγμένο μέταλλο, οξειδώνουν κάποια από τα κραματικά του στοιχεία και δημιουργούν διάφορα οξείδια.

Το υδρογόνο δρα ως  ένα αναγωγικό αέριο και το άζωτο δρα κατά ουδέτερο τρόπο.

Από την χημική συμπεριφορά των αδρανών και των οξειδωτικών αερίων προήλθε και η διεθνής ονοματολογία των βασικών διαδικασιών συγκόλλησης που χρησιμοποιούν αυτά τα αέρια.

Η συγκόλληση σιδηρούχων υλικών με μηχανή σύρματος καλείται διαδικασία MAG:

Metal Active Gas Συγκόλληση με προστασία οξειδωτικού αερίου

Η συγκόλληση μη σιδηρούχων υλικών με μηχανή σύρματος καλείται διαδικασία MIG:

Metal Inert Gas Συγκόλληση με προστασία αδρανούς αερίου

Και οι δύο διαδικασίες ανήκουν στην οικογένεια GMAW:

Gas Metal Arc Welding Συγκόλληση με γυμνό ηλεκτρόδιο και προστασία αερίου.

Ο κωδικός κατά ISO 9606-1 είναι 13Α όπου Α ο τύπος του σύρματος που χρησιμοποιείται,

Η συγκόλληση με ακίδα βολφραμίου καλείται διαδικασία TIG:

Tungsten Inert Gas Συγκόλληση με ηλεκτρόδιο βολφραμίου και προστασία αδρανούς αερίου.

Ο κωδικός κατά ISO 9606-1 είναι 14Α όπου Α ο τύπος του προστιθέμενου υλικού και εάν χρησιμοποιείται.

Ως κύριο κοινό χαρακτηριστικό όλων των αερίων προστασίας, και το οποίο αφορά την υγεία των χρηστών είναι ότι, αυτά τα αέρια δεν είναι τοξικά. Είναι όμως ασφυξιογόνα. Είναι απαραίτητο ο κάθε χρήστης να διαβάζει με πολύ προσοχή το Δελτίο Δεδομένων Ασφαλείας, SDS – Safety Data Sheet, του κάθε αερίου ώστε να γνωρίσει τόσο τις χημικές του ιδιότητες όσο και τις φυσικές. Αυτό το δελτίο μπορεί να το ζητήσει από τον προμηθευτή του.

ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ