מתכות ריתוך

ריתוך, טכניקה המשמשת לחיבור חלקים מתכתיים בדרך כלל באמצעות יישום חום. טכניקה זו התגלתה במהלך המאמצים לתמרן ברזל לצורות שימושיות. להבים מרותכים פותחו בסביבת האלף הראשון, כאשר המפורסמים שבהם היו אלה המיוצרים על ידי השריון הערבי בדמשק, סוריה. תהליך הפחמת הברזל לייצור פלדה קשה היה ידוע בזמן זה, אך הפלדה שהתקבלה הייתה שבירה מאוד. טכניקת הריתוך - שכללה שילוב ברזל רך וקשיח יחסית עם חומר פחמן גבוה, ואחריו חישול פטיש - הניבה להב חזק וקשיח.

בעידן המודרני השיפור בטכניקות ייצור הברזל, במיוחד החדרת ברזל יצוק, הגביל את הריתוך לנפח ולצורף. טכניקות חיבור אחרות, כמו חיבור ברגים או מסמרות, יושמו באופן נרחב על מוצרים חדשים, מגשרים ומנועי רכבת וכלים למטבח.

תהליכי ריתוך היתוך מודרניים הם התפתחות של הצורך להשיג מפרק רציף על לוחות פלדה גדולים. הוכח כי למסלול הדעת יש חסרונות, במיוחד עבור מיכל סגור כמו דוד. ריתוך גז, ריתוך בקשת וריתוך התנגדות הופיעו כולם בסוף המאה ה -19. הניסיון האמיתי הראשון לאמץ תהליכי ריתוך בהיקף נרחב נעשה במהלך מלחמת העולם הראשונה. עד שנת 1916 התפתח תהליך האוקסיאצטילן היטב וטכניקות הריתוך שהופעלו אז משמשות עדיין. השיפורים העיקריים מאז היו בתחום הציוד והבטיחות. ריתוך קשת, באמצעות אלקטרודה מתכלה, הוצג גם בתקופה זו, אך החוטים החשופים השתמשו בתחילה בריתוכים שבירים. נמצא פיתרון באמצעות עטיפת החוט החשוף באסבסט וחוט אלומיניום שזור. האלקטרודה המודרנית, שהוצגה בשנת 1907, מורכבת מחוט חשוף עם ציפוי מורכב של מינרלים ומתכות. ריתוך בקשת לא נעשה שימוש אוניברסלי עד מלחמת העולם השנייה, אז הצורך הדחוף באמצעי בנייה מהירים למשלוח, תחנות כוח, תחבורה ומבנים דרבן את עבודות הפיתוח הדרושות.

ריתוך התנגדות, שהומצא בשנת 1877 על ידי אליהו תומסון, התקבל הרבה לפני ריתוך קשת לצורך חיבור נקודה ותפר לסדין. ריתוך התחת לייצור שרשרת וחיבור מוטות ומוטות פותח במהלך שנות העשרים. בשנות הארבעים הוצג תהליך הגז הטונגסטן האינרטי, באמצעות אלקטרודה טונגסטן בלתי ניתנת לצריכה לביצוע ריתכות היתוך. בשנת 1948 תהליך חדש המוגן על גז השתמש באלקטרודה תיל שנצרכה בריתך. לאחרונה, פותחו ריתוך קרני אלקטרונים, ריתוך בלייזר, ומספר תהליכים בשלב-מוצק כגון מליטה דיפוזיה, ריתוך בחיכוך והצטרפות קולית.

עקרונות בסיסיים של ריתוך

ניתן להגדיר ריתוך כצפיפות מתכות המיוצרת על ידי חימום לטמפרטורה מתאימה עם או בלי הפעלת לחץ, ועם או בלי שימוש בחומר מילוי.

בריתוך היתוך מקור חום מפיק חום מספיק ליצירת ותחזוקה של בריכת מתכת מותכת בגודל הנדרש. החום עשוי להיות מסופק על ידי חשמל או על ידי להבת גז. ריתוך בהתנגדות חשמלית יכול להיחשב לריתוך היתוך מכיוון שנוצר מעט מתכת מותכת.

תהליכים בשלב מוצק מייצרים ריתוכים מבלי להמיס את חומר הבסיס וללא תוספת של מתכת מילוי. לחץ מופעל תמיד, ובאופן כללי מסופק מעט חום. חום חיכוך מפותח בהצטרפות קולי וחיכוך, וחימום תנורים משמש בדרך כלל במליטה דיפוזיה.

הקשת החשמלית המשמשת בריתוך הינה פריקה בעלת זרם גבוה ונמוך מתח בדרך כלל בטווח 10-2,000 אמפר במהירות של 10–50 וולט. עמוד קשת הוא מורכב אך, באופן כללי, מורכב מקתודה הפולטת אלקטרונים, פלזמת גז להולכת זרם ואזור האנודה ההופך לחם יחסית מהקתודה בגלל הפגזת אלקטרונים. בדרך כלל משתמשים בקשת זרם ישר (DC), אך ניתן להשתמש בקשתות זרם חילופי (AC).

סך כניסת האנרגיה בכל תהליכי הריתוך עולה על מה שנדרש כדי לייצר מפרק, מכיוון שלא ניתן לנצל את כל החום שנוצר באופן יעיל. היעילות משתנה בין 60 ל 90 אחוז, תלוי בתהליך; כמה תהליכים מיוחדים סוטים במידה רבה מהנתון הזה. החום אבוד על ידי הולכה דרך המתכת הבסיסית ועל ידי קרינה לסביבה.

מרבית המתכות, כשהן מחוממות, מגיבות עם האטמוספירה או מתכות סמוכות אחרות. תגובות אלה יכולות להזיק באופן קיצוני לתכונותיו של מפרק מרותך. מרבית המתכות, למשל, מתחמצנות במהירות כשהן מותכות. שכבת תחמוצת יכולה למנוע התקשרות נכונה של המתכת. טיפות מתכת מותכת המצופות בתחמוצת נלכדות בריתוך והופכות את המפרק לשברירי. כמה חומרים יקרי ערך שנוספו לתכונות ספציפיות מגיבים כל כך מהר על חשיפה לאוויר שלמתכת המופקדת אין את אותו הרכב כמו שהיה בהתחלה. בעיות אלה הביאו לשימוש בשטפים ובאטמוספרות אינרטיות.

בריתוך היתוך יש לשטף תפקיד מגן להקל על תגובה מבוקרת של המתכת ואז למנוע חמצון על ידי יצירת שמיכה על החומר המותך. שטפים יכולים להיות פעילים ולעזור בתהליך או לא פעילים ופשוט להגן על המשטחים בזמן ההצטרפות.

אטמוספרות אינרטיות ממלאות תפקיד מגן דומה לזה של שטף. בריתוך קשת מתכת מוגן גז וקשת טונגסטן מוגן-גז, זורם גז אינרטי - בדרך כלל ארגון - מבלול העוטף את הלפיד בזרם רציף, ומעביר את האוויר מסביב לקשת. הגז אינו מגיב כימית עם המתכת אלא פשוט מגן עליו מפני מגע עם החמצן באוויר.

המטלורגיה של חיבור המתכת חשובה ליכולות התפקודיות של המפרק. ריתוך הקשת ממחיש את כל התכונות הבסיסיות של מפרק. שלושה אזורים נובעים ממעבר קשת ריתוך: (1) מתכת הריתוך או אזור ההיתוך, (2) האזור המושפע מחום, ו (3) האזור שלא הושפע. מתכת הריתוך היא החלק של המפרק שנמס במהלך הריתוך. האזור המושפע מחום הוא אזור הסמוך למתכת הריתוך שלא הותך אך עבר שינוי במיקרו-מבנה או בתכונות מכניות עקב חום הריתוך. החומר שלא הושפע הוא זה שלא התחמם מספיק כדי לשנות את תכונותיו.

הרכב המתכת הריתוך והתנאים בהם הוא קופא (מתמצק) משפיעים באופן משמעותי על יכולתו של המפרק לעמוד בדרישות השירות. בריתוך קשת, מתכת הריתוך כוללת חומר מילוי בתוספת המתכת הבסיסית שנמסה. לאחר חולשת הקשת, מתרחשת קירור מהיר של מתכת הריתוך. לרתך חד-מעברי יש מבנה יצוק עם גרגרים עמודים המשתרעים מקצה הבריכה המותכת למרכז הריתוך. בריתוך רב-גדי, מבנה יציקה זה עשוי להשתנות, תלוי במתכת המסוימת המסוימת.

המתכת הבסיסית הסמוכה לרתך, או לאזור המושפע מחום, נתונה לטווח של מחזורי טמפרטורה, ושינוי המבנה שלה קשור ישירות לטמפרטורת השיא בכל נקודה נתונה, זמן החשיפה וקצבי הקירור.. סוגי המתכת הבסיסית רבים מכדי לדון בהם כאן, אך ניתן לקבץ אותם בשלוש כיתות: (1) חומרים שלא הושפעו מחום הריתוך, (2) חומרים שהוקשחו על ידי שינוי מבני, (3) חומרים שהתקשו בתהליכי משקעים.

ריתוך מייצר מתח בחומרים. כוחות אלה נוצרים על ידי התכווצות המתכת הריתוך ועל ידי התפשטות ואז התכווצות של האזור המושפע מחום. המתכת הלא מחוממת מטילה ריסון על האמור לעיל, וככל שההתכווצות שולטת, מתכת הריתוך לא יכולה להתכווץ בחופשיות, ומתח מובנה במפרק. זה מכונה בדרך כלל לחץ שיורי, ולכמה יישומים קריטיים יש להסיר על ידי טיפול בחום של הייצור כולו. אין להימנע מלחץ שיורי בכל המבנים המרותכים, ובמידה והוא לא ישול מבוקר יתבצע כיפוף או עיוות של הריתוך. השליטה מופעלת על ידי טכניקת ריתוך, ג'יגים וגופי גוף, נהלי ייצור וטיפול בחום סופי.

ישנם מגוון רחב של תהליכי ריתוך. להלן כמה מהחשובים ביותר.