ויקיפדיה

ריתוך

ריתוך הוא תהליך ייצור (אנ') לחיבור חומרים, בדרך כלל מתכות או תרמופלסטיים (אנ'), בעיקר על ידי שימוש בטמפרטורה גבוהה כדי להתיך את חלקיהם ולאפשר להם להתקרר יחד. שיטות חלופיות נפוצות כוללות ריתוך מֵמֵס (אנ') (של תרמופלסטיים) תוך שימוש בכימיקלים להתכת חומרים המתלכדים ללא חום, ותהליכי ריתוך במצב מוצק המתחברים ללא התכה, כגון לחץ, ריתוך קר וריתוך בדיפוזיה (אנ').

רתך בעבודתו
ריתוך מעל הראש

ריתוך מתכת נבדל מטכניקות התקשרות בטמפרטורה נמוכה יותר כמו הלחמה קשה (אנ') והלחמה רכה (אנ'), שאינן ממיסות את המתכת הבסיסית (מתכת אב) ובמקום זאת דורשות הזנת חומר מילוי (אנ') מתכתי כדי לגבש את הקשריהם הכימיים.

בנוסף להתכת המתכת הבסיסית בריתוך שיוצרת גומה של חומר מותך (אמבט ריתוך (אנ')) מוסיפים בדרך כלל לאזור המחבר חומר מילוי שמתקרר לכדי יצירת מחבר שיכול להיות חזק יותר מחומר הבסיס. הריתוך דורש גם סוג של מגן מבודד כדי להגן על מתכות המילוי או המתכות המותכות מפני זיהום או חמצון מהאוויר.

ניתן להשתמש במקורות אנרגיה רבים ושונים לריתוך, כולל להבת גזית (כימי), קשת חשמלית (חשמלי), לייזר, אלומת אלקטרונים, חיכוך (אנ') ואולטרה סאונד. אמנם הריתוך לעיתים קרובות הוא תהליך תעשייתי, אך עשוי להתבצע בסביבות רבות ושונות, כולל באוויר הפתוח, מתחת למים (אנ') ובחלל החיצון. ריתוך הוא משימה מסוכנת ונדרשים אמצעי זהירות כדי למנוע כוויות, התחשמלות, נזקי ראייה, שאיפת גזים ואדים רעילים וחשיפה לקרינה אולטרה סגולה עזה.

עד סוף המאה ה-19, תהליך הריתוך היחיד היה ריתוך בחישול, שבו השתמשו נפחים במשך אלפי שנים כדי לחבר ברזל ופלדה על ידי חימום ומכות פטיש. ריתוך בקשת (אנ') וריתוך בחמצן אצטילן (אנ') היו בין התהליכים הראשונים שהתפתחו בסוף המאה ה-19, וריתוך בהתנגדות חשמלית הגיע זמן קצר לאחר מכן. טכנולוגיית הריתוך התקדמה במהירות בתחילת המאה ה-20, כאשר מלחמות העולם הניעו את הדרישה לשיטות חיבור אמינות וזולות. בעקבות המלחמות פותחו מספר טכניקות ריתוך מודרניות, כולל שיטות ידניות כמו ריתוך באלקטרודה מצופה, כיום אחת משיטות הריתוך הפופולריות ביותר, וכן תהליכים חצי-אוטומטיים ואוטומטיים כגון ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, ריתוך בקשת חסויה (אנ'), ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה (אנ') וריתוך באמבט סיגים מוליך זרם (אנ'). במחצית השנייה של המאה ה-20 המשיכו הפיתוחים עם המצאת ריתוך בקרן לייזר, ריתוך באלומת אלקטרונים, ריתוך בפולס מגנטי (אנ') וריתוך בחיכוך וערבוב (אנ'). כיום, כשהמדע ממשיך להתקדם, ריתוך רובוטי (אנ') הוא דבר נפוץ במסגרות תעשייתיות, וחוקרים ממשיכים לפתח שיטות ריתוך חדשות ולהשיג הבנה טובה יותר של איכות הריתוך.[1]

היסטוריה

עריכה
 
עמוד הברזל של דלהי, הודו

ראשית ההיסטוריה של חיבור מתכות החלה לפני אלפי שנים.[2] תהליכי ריתוך התכה (אנ') המחברים מתכות על ידי התכתן לא היו בשימוש נרחב בריתוך טרום תעשייתי (אנ'). טכניקות ריתוך מוקדמות השתמשו בלחץ כדי לחבר מתכות, לעיתים קרובות עם חום שאינו מספיק להתכה מלאה של מתכות הבסיס.[3] יוצאת דופן בולטת אחת הייתה טכניקה לחיבור קטעים של פסלים גדולים. בשיטת השעווה האבודה היוונית והרומית, נוצקו הפסלים למרכיביו הקטנים וברונזה מותכת נוצקה לתוך החיבורים בטמפרטורות גבוהות דיין ליצירת ריתוך היתוך.[4]

הריתוך המוקדם ביותר הידוע מתוארך לתקופת הברונזה. זהב רך מספיק כדי להיות מרותך בלחץ עם מעט או ללא חום, וארכאולוגים מצאו קופסאות קטנות שנוצרו על ידי ריתוך בלחץ יריעות זהב חופפות. בתקופת הברזל, פיתחו החברות באזור הים התיכון ריתוך בחישול.[5] בריתוך בחישול, המתכת מחוממת עד כדי כך שהיא הופכת רכה מספיק כדי שנפח יחבר חלקים נפרדים יחדיו.[6] דוגמאות בולטות מוקדמות מאוד הן חפצי הברזל שנמצאו עם תות ענח' אמון (אנ') כולל משענת ראש ופגיון.[7][8] הפגיון חושל מברזל מטאורי (אנ') בטמפרטורות מתחת ל-950 מעלות צלזיוס.[9] בדרך כלל, ברזל מחושל בסביבות 1,350 מעלות צלזיוס.[10] ההיסטוריון היווני הקדום הרודוטוס מזכה את גלאוקוס מכיוס (אנ') בגילוי "ריתוך ברזל".[11] גלאוקוס ידוע בכַּן ברזל מרותך המחזיק קרטר (אנ') (קערה רחבה לערבוב יין ומים) מכסף בדלפי.[12]

ריתוך בחישול בשנת 1904[13]

בימי הביניים חלה התקדמות בשיטת הריתוך בחישול, שבה נפחים הכו במתכת מחוממת שוב ושוב עד שהחיבור התבצע.[14] באירופה ובאפריקה, החישול עבר משריפות פחם פתוחות לכבשנים (אנ'). סין פיתחה תנור רם בסוף האלף הראשון.[15] ריתוך בחישול שימש בבניית עמוד הברזל של דלהי, שהוקם בעיר דלהי, הודו בערך בשנת 310 לספירה ומשקלו 5.4 טונה.[16] בשנת 1540 פרסם (Vannoccio Biringuccio) את (De la pirotechnia), הכולל תיאורים של פעולת החישול.[14] בעלי מלאכה מתקופת הרנסאנס היו מיומנים בתהליך, והתעשייה המשיכה לצמוח במהלך המאות הבאות.[14]

בשנת 1800 גילה סר האמפרי דייווי את הקשת החשמלית הפולסית הקצרה והציג את תוצאותיו בשנת 1801.[17][18][19] בשנת 1802, המדען הרוסי וסילי פטרוב (אנ') יצר את הקשת החשמלית המתמשכת,[19][20][21] ולאחר מכן פרסם את "חדשות על ניסויים גלווניים-וולטאיים" ("News of Galvanic-Voltaic Experiments") בשנת 1803, שבו הוא תיאר ניסויים שבוצעו בשנת 1802. חשיבותה הרבה בעבודה זו הייתה בתיאור השימוש האפשרי שלו וההתכה האפשרית ליישומי קשת רבים במתכות.[22] בשנת 1808, דייווי, שלא היה מודע לעבודתו של פטרוב, גילה מחדש את הקשת החשמלית המתמשכת.[18][19] בשנים 1881–1882 הממציאים ניקולאי בנרדוס (אנ') (רוסי) וסטניסלב אולשבסקי (אנ') (פולני)[23] יצרו את שיטת ריתוך הקשת החשמלית הראשונה הידועה בשם ריתוך בקשת פחם (אנ') באמצעות אלקטרודות פחמן. ההתקדמות בריתוך קשת נמשכה עם המצאת אלקטרודות מתכת בסוף המאה ה-19 על ידי ניקולאי סלביאנוב (אנ') (1888), וצ'ארלס קופין (אנ') (1890). בסביבות שנת 1900, החל ארתור פרסי סטרומנגר בהפצת אלקטרודת מתכת מצופה בבריטניה, אשר יצרה קשת יציבה יותר. בשנת 1905, המדען הרוסי ולדימיר מיטקביץ' (אנ') הציע להשתמש בקשת חשמלית תלת פאזית לריתוך. בשנת 1919 הומצא הריתוך בזרם חילופין על ידי קורנליס יוהנס הולסלג (Cornelis Johannes Holslag), אך הפך פופולרי רק עשור לאחר מכן.[24]

במהלך העשורים האחרונים של המאה ה-19 פותח גם ריתוך בהתנגדות חשמלית, כאשר בשנת 1885 אושרו הפטנטים הראשונים של אליהו תומסון (אנ'), אשר הביא להתקדמות נוספת במהלך 15 השנים הבאות. בשנת 1893 הומצא ריתוך תרמיט (אנ'), ובאותה תקופה התבסס תהליך נוסף, ריתוך בחמצן אצטילן (אנ'). האצטילן התגלה על ידי אדמונד דייווי (אנ') בשנת 1836, אך השימוש בו לא היה מעשי בריתוך עד לשנת 1900 לערך, אז פותח מבער מתאים.[25] בתחילה, ריתוך בחמצן אצטילן היה אחת משיטות הריתוך הפופולריות יותר בשל הניידות והעלות הנמוכה יחסית. עם זאת, ההתקדמות הטכנולוגית במאה ה-20 גרמה להזנחת השיטה מכל שימוש ביישומים תעשייתיים. השיטה הוחלפה ברובה בשיטת הריתוך בקשת, שכן נעשו התקדמויות בתחום כיסויי המתכות (הידועים כתלחימים).[26] תלחים המכסה את האלקטרודה מגן בעיקר על חומר הבסיס מפני זיהומים, אך גם מייצב את הקשת ויכול להוסיף רכיבי סגסוג למתכת הריתוך.[27]

 
ריתוך אצטילן על מיכל מים גלילי, צבא ארצות הברית 1918

מלחמת העולם הראשונה גרמה לעלייה גדולה בשימוש בריתוך, כאשר המעצמות הצבאיות השונות ניסו לקבוע איזה מבין מספר תהליכי הריתוך החדשים יהיה הטוב ביותר.[28] הבריטים השתמשו בעיקר בריתוך בקשת חשמלית. דוגמה לכך היא בניית גוף ספינת ה"פולגר" (Fullagar) שהייתה מרותכת כולה.[29][30] במהלך המלחמה הוחל ריתוך בקשת חשמלית לראשונה גם על מטוסים, שכן חלק מחלקי המטוסים הגרמניים נבנו תוך שימוש בתהליך.[31]

במהלך המאה העשרים הומצאו שיטות ריתוך חדשות רבות, כולל כניסת הריתוך האוטומטי בשנת 1920, שבו תיל האלקטרודה הוזן באופן רציף.[32] גז המגן (אנ') זכה לתשומת לב רבה, שכן מדענים ניסו להגן על ריתוכים מפני השפעות החמצן והחנקן באטמוספירה. נקבוביות ושבריריות היו הבעיות העיקריות, והפתרונות שהתפתחו כללו שימוש במימן, ארגון והליום כגזי מגן לריתוך.[33] הוכנסו שיטות בדיקה לשלמות הריתוך. בדיקת רטט ראשונה נעשתה באמצעות פטיש ומסכת; מאוחר יותר פותחו בדיקות קרני רנטגן כדי לראות את תוך הריתוך.[34] במהלך שנות השלושים של המאה העשרים, התקדמות טכנולוגית נוספת אפשרה ריתוך של מתכות תגובתיות כמו אלומיניום ומגנזיום.[35] זאת בשילוב עם התפתחויות בריתוך אוטומטי, זרם חילופין ותלחימים יצרו התפתחות רבה בשיטת הריתוך בקשת חשמלית במהלך שנות השלושים של המאה העשרים.[36] הממציא הרוסי קונסטנטין חרנוב (אנ') יישם את ריתוך הקשת החשמלית התת-מימי הראשון.[37] בשנת 1930, קייל טיילור היה אחראי לפיתוח של ריתוך מיתדים (אנ'), שהפך במהרה לפופולרי בבניית ספינות ובבניה בכלל. באותה שנה הומצא גם ריתוך בקשת חסויה (אנ').[38] במהלך מלחמת העולם השנייה, היה ריתוך בקשת חסויה בשימוש נרחב לבניית ספינות מכיוון שהוא אפשר לבצע סוגים מסוימים של ריתוכים עד פי עשרים מהר יותר בהשוואה לטכניקות קודמות.[39]

שיפורים בתהליכי ריתוך פתחו אפשרויות חדשות בתחום הבנייה.[40] בעבר, מבני מתכת גדולים יוצרו ממתכות המחוברות מכנית באמצעות מסמרות וברגים. למבני המתכת המחוברים אך לא מרותכים הללו היו חולשות טבועות.[41] טביעת אוניית הקיטור סולטנה גרמה ליותר מאלף נוסעים להיהרג באסון כאשר הדוד המסומר שלה כשל בלחץ.[42] הטיטניק ה"בלתי ניתנת לטביעה" טבעה בין השאר עקב כשלים בגוף המסמרות שלה.[43] בשנת 1930 הושקה ספינת הסוחר (MS Carolinian) שהייתה מרותכת כולה.[44] החוזק של הפלדה המרותכת איפשר גם יצירת סוגים חדשים לחלוטין של ספינות, בעיקר מכלית הגז הטבעי הנוזלי (LNG). תקן הדוודים ומיכלי הלחץ של ASME (אנ'), שנוצר בתגובה לכשלים קטלניים בדוודים שימש לפיתוח המיכלים הכדוריים במיכליות הגז הטבעי הנוזלי במהלך ההובלה הימית.[45] ראוי לציין גם את גשר הכביש המרותך הראשון בעולם, גשר מאורזיצה (אנ') בפולין (1928).[29] גורדי שחקים מוקדמים וגשרי מסבכי פלדה (אנ') נבנו מקורות פלדה מסומרות.[46][47] ריתוך מאפשר בניית מבנים חזקים וקלים יותר ויצירת מגוון גדול יותר של צורות.[48] הצורה האייקונית של בית האופרה של סידני בנויה כמבנה מסגרות מרותכות באמצעות מיתדים.[49]

לאחר עשרות שנים של פיתוח, שוכללו לכדי כדאיות יישום שיטת ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז (1941) ושיטת ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז (1948), מה שאיפשר ריתוך מהיר של חומרים לא ברזליים אך דרש גזי מגן יקרים. ריתוך באלקטרודה מצופה פותח במהלך שנות ה-50 של המאה ה-20, באמצעות אלקטרודה מתכלה מצופה בתלחים, והפך במהרה לתהליך ריתוך בקשת מתכת הפופולרי ביותר. בשנת 1957, הופיע לראשונה תהליך ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה (אנ'), שבו ניתן היה להשתמש באלקטרודת התיל המוגנת עצמית עם ציוד אוטומטי, וכתוצאה מכך מהירויות הריתוך הוגברו מאוד, ובאותה שנה, הומצא תהליך הריתוך בקשת פלזמה (אנ') על ידי רוברט גייג'. ב-1958 הוצג ריתוך באמבט סיגים מוליך זרם (אנ'), וב-1961 הגיע "בן-דודו", ריתוך אלקטרו גזי (אנ').[50] בשנת 1953, הציע המדען הסובייטי ניקולאי פדורוביץ' קזאקוב (Nikolai Fedorovich Kazakov) את שיטת הריתוך בדיפוזיה (אנ').[51]

פיתוחים אחרים בריתוך כוללים את פריצת הדרך של ריתוך באלומת אלקטרונים ב-1958, מה שמאפשר ריתוך עמוק וצר דרך מקור החום המרוכז. בעקבות המצאת הלייזר בשנת 1960, ריתוך בקרן לייזר הופיע לראשונה מספר עשורים מאוחר יותר, והוכח כיעיל במיוחד בריתוך אוטומטי במהירות גבוהה. ריתוך פולס מגנטי (אנ') (MPW) נמצא בשימוש תעשייתי מאז 1967. ריתוך בחיכוך וערבוב (אנ') הומצא בשנת 1991 על ידי וויין תומאס במכון הריתוך (אנ') (TWI, בריטניה) ומצא יישומים באיכות גבוהה בכל רחבי העולם.[52] כל ארבעת התהליכים החדשים הללו יקרים מאוד בשל העלות הגבוהה של הציוד הדרוש לביצועם, דבר המגביל את היישומים שלהם.[53]

תהליכים

עריכה

ריתוך מחבר שני חלקי מתכת באמצעות חום, לחץ או שניהם. שיטות הריתוך המודרניות הנפוצות ביותר משתמשות בחום גבוה דיו כדי להתיך את מתכות הבסיס שיש לחבר ואת חומר המילוי המתכתי.[54] זה כולל ריתוך בחמצן וגז בעירה (אנ') וכל צורות ריתוך בקשת (אנ').[55] האזור שבו מתכות הבסיס והמילוי מותכות נקרא אמבט הריתוך (אנ') או גומת הריתוך.[56] יש להגן על אמבט הריתוך מפני החמצן ומגזים אחרים שבאוויר, פן יחל תהליך חימצון עם המתכת המותכת, שעלול לזהם ולהחליש את הריתוך.[57] רוב שיטות הריתוך כוללות דחיפת הגומה לאורך המחבר (אנ') כדי ליצור את זחל הריתוך.[58] ניתן לחבר פיסות מתכת חופפות על ידי יצירת אמבט ריתוך בתוך חור שנוצר בחתיכת המתכת העליונה ביותר ליצירת ריתוך מגופה.[59]

תהליכי ריתוך במצב מוצק מחברים שתי חתיכות מתכת באמצעות לחץ.[60] ריתוך בהתנגדות חשמלית הוא תהליך תעשייתי נפוץ המשלב חום ולחץ כדי לחבר מתכות בסיס חופפות ללא כל חומר מילוי.[61]

ריתוך בחמצן וגז בעירה

עריכה
 
ראש מבער גז המשמש לריתוך או חיתוך
 
מכלי גז דחוס

ריתוך בחמצן וגז בעירה, הידוע גם בשם ריתוך בחמצן אצטילן, משתמש בלהבה פתוחה כדי ליצור חום ולהגן על הריתוך. בהשוואה לריתוך בקשת, הלהבה פחות מרוכזת והטמפרטורה נמוכה יותר, בערך 3,100 מעלות צלזיוס בסמוך לקצה המבער. זה גורם לקירור ריתוך איטי יותר, מה שעלול להוביל למאמצים שיוריים ועיוותים גדולים יותר בריתוך. בריתוך של פלדות סגסוגת גבוהה התופעה מצומצמת יותר. המעטפת החיצונית המפוזרת של הלהבה צורכת חמצן לפני שהיא יכולה להגיע לאמבט הריתוך המותך.[26] כאשר עובדים עם מתכות המתחמצנות בקלות, כגון נירוסטה, ניתן להבריש תלחים על המתכות הבסיסיות.[62] שיטה זו הומצאה ב-1903 על ידי צמד המהנדסים הצרפתיים צ'ארלס פיקארד ואדמונד פאוצה.

הציוד זול ופשוט יחסית, ומורכב ממבער, צינורות, ווסתי לחץ, מיכל חמצן ומיכל גז בעירה (בדרך כלל אצטילן).[63] זהו אחד מתהליכי הריתוך הוותיקים והמגוונים ביותר, אך הוא הפך לפחות פופולרי ביישומים תעשייתיים. הוא עדיין נמצא בשימוש נרחב לריתוך צנרת פלדה, כמו גם עבודות תיקון.[26] תהליך דומה, הנקרא בדרך כלל חיתוך בחמצן וגז בעירה, משמש לחיתוך מתכות. ניתן להשתמש בציוד Oxyfuel גם לחימום מתכת לפני כיפוף או יישור.[63]

ריתוך בקשת

עריכה
  ערכים מורחבים – ריתוך באלקטרודה מצופה, ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז, ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז

כל תהליכי הריתוך בקשת משתמשים בספק כוח לריתוך כדי ליצור ולשמור על קשת חשמלית בין אלקטרודה לחומר הבסיס כדי להתיך מתכות בנקודת הריתוך. הם יכולים להשתמש בזרם חילופין (AC) או זרם ישר (DC). עבור ריתוך בזרם ישר, ניתן לחבר את האלקטרודה להדק החיובי (DCEP) או להדק השלילי (DCEN) של המכונה, ולשנות את כיוון הזרם. התהליך וסוג האלקטרודה בשימוש יקבעו בדרך כלל את הזרם.[64][65]

גז מגן (אנ') מונע מחמצן באטמוספירה להיכנס לאמבט הריתוך המותך. בתהליכים מסוימים, גז המגן מועבר ממכל גז המכיל גז אדיש או אדיש למחצה. באחרים, מתפרק ציפוי תלחים על אלקטרודה מתכלה כדי ליצור את ההגנה.[66][67] חומר מילוי מתווסף בדרך כלל לאמבט הריתוך המותך והכרחי לתהליכים המשתמשים באלקטרודה מתכלה.[68]

ריתוך בהתנגדות חשמלית

עריכה

ריתוך בהתנגדות חשמלית מייצר חום מהתנגדות חשמלית (אנ') במתכות הבסיס. שתי אלקטרודות משמשות בו זמנית ללחיצת פיסות המתכת ולהעברת זרם דרכן. האלקטרודות עשויות מחומר בעל מוליכות חשמלית גבוהה, בדרך כלל נחושת. במעבר זרם גבוה (1,000-100,000 אמפר) ההתנגדות הגבוהה יותר במתכות הבסיס גורמת להיווצרות גומות קטנות של מתכת מותכת באזור הריתוך.[69]

ריתוך נקודות היא שיטה פופולרית המשמשת לחיבור פיסות מתכת חופפות בעובי של עד 3 מילימטרים. יתרונות השיטה כוללים שימוש יעיל באנרגיה, עיוות מוגבל של חלקי העבודה, קצבי ייצור גבוהים, אפשרות לאוטומציה קלה וללא חומרי מילוי נדרשים. חוזק הריתוך נמוך משמעותית מאשר בשיטות ריתוך אחרות, מה שהופך את התהליך למתאים ליישומים מסוימים בלבד. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיית הרכב - במכוניות רגילות יכולים להיות כמה אלפי ריתוכים נקודתיים המבוצעים על ידי רובוטים תעשייתיים. באופן כללי, שיטות ריתוך בהתנגדות הן יעילות וגורמות לזיהום מועט, אך היישומים שלהן מוגבלים במקצת ועלות הציוד עשויה להיות גבוהה. תהליך מיוחד הנקרא ריתוך שוט (אנ'), יכול לשמש לריתוך בנקודות של פלדת אל-חלד.[69]

ריתוך תפר מסתמך גם על שתי אלקטרודות להפעלת לחץ וזרם כדי לחבר פיסות מתכת. עם זאת, במקום אלקטרודות שפיציות, אלקטרודות גליליות מתגלגלות ולעיתים קרובות מזינות את חומר המילוי, מה שמאפשר לבצע ריתוכים רציפים ארוכים. בעבר, תהליך זה שימש לייצור פחיות משקה, אך כיום השימושים בו מוגבלים יותר.[69] שיטות ריתוך בהתנגדות אחרות כוללות ריתוך בהשקה (אנ'),[70] ריתוך בהבזקה (אנ'), ריתוך בליטות (אנ') וריתוך מעוות (אנ').[69]

ריתוך בקרן אנרגיה

עריכה

שיטות ריתוך בקרן אנרגיה, כלומר ריתוך בקרן לייזר וריתוך באלומת אלקטרונים, הן תהליכים חדשים יחסית שהפכו פופולריים למדי ביישומי ייצור מהירים. שני התהליכים דומים למדי ונבדלים בעיקר במקור הכוח שלהם. ריתוך בקרן לייזר משתמש בקרן לייזר ממוקדת ביותר, בעוד ריתוך באלומת אלקטרונים נעשה בוואקום. לשניהם צפיפות אנרגיה גבוהה מאוד, המאפשרת חדירת ריתוך עמוקה וממזערת את גודל שטח הריתוך. שני התהליכים מהירים במיוחד, והם אוטומטיים לחלוטין, מה שהופך אותם ליצרניים ביותר. החסרונות העיקריים הם עלויות הציוד הגבוהות מאוד שלהם (אם כי אלו הולכות ופוחתות) והרגישות לסדיקה תרמית. ההתפתחויות בתחום זה כוללות ריתוך בקרן לייזר היברידית (אנ'), העושה שימוש בעקרונות הן בריתוך בקרן לייזר והן בריתוך בקשת עבור השגת תכונות ריתוך טובות עוד יותר, ריתוך בקרן לייזר עם ציפוי מגן (אנ') וריתוך בקרני רנטגן (אנ').[71]

ריתוך במצב מוצק

עריכה

בדומה לריתוך בחישול (תהליך הריתוך המוקדם ביותר שהתגלה), חלק משיטות הריתוך המודרניות אינן כרוכות בהתכה של החומרים המתחברים. אחד הריתוכים הפופולריים ביותר, ריתוך בגלים על קוליים (אנ'), משמש לחיבור פיסות דקות או תילים העשויים ממתכת או תרמופלסטיים על ידי ריטוטם בתדירות גבוהה ובלחץ גבוה.[72] הציוד והשיטות המעורבים דומים לזה של ריתוך בהתנגדות, אך במקום זרם חשמלי, הרטט מספק את קלט האנרגיה. בעת ריתוך מתכות, הרעידות מכוונות בצורה אופקית, והחומרים אינם ניתכים. בריתוכי חומרים פלסטיים, אשר דורשים טמפרטורות התכה דומות, הרעידות מכוונות בצורה אנכית. ריתוך בגלים על קוליים משמש בדרך כלל ליצירת חיבורים חשמליים של אלומיניום או נחושת, וזהו גם תהליך ריתוך פולימרי נפוץ מאוד.[72]

תהליך נפוץ נוסף, ריתוך בפיצוץ (אנ'), כולל חיבור של חומרים על ידי לחיצתם יחד בלחץ גבוה במיוחד. האנרגיה הרבה גורמת לחומרים להפוך לפלסטיים, ויוצרת ריתוך, למרות שרק כמות מוגבלת של חום נוצרת. התהליך משמש בדרך כלל לריתוך חומרים לא דומים, כולל ריתוך אלומיניום לפלדת פחמן בבניית גופי ספינות ונירוסטה או טיטניום לפלדת פחמן בכלי לחץ פטרוכימיים.[72]

תהליכי ריתוך במצב מוצק אחרים כוללים ריתוך בחיכוך (אנ') (כולל ריתוך בחיכוך וערבוב (אנ') וריתוך נקודות בחיכוך וערבוב (אנ')),[73] ריתוך פולס מגנטי (אנ'),[74] ריתוך בטרוד מקביל (co-extrusion welding), ריתוך קר, ריתוך בדיפוזיה (אנ'), ריתוך אקסותרמי (אנ'), ריתוך בתדר גבוה (אנ'), ריתוך בלחיצה חמה (hot pressure welding), ריתוך בהשראה (אנ'), וריתוך בגלילי לחץ (אנ').

גאומטריה

עריכה
 
סוגי מחברי ריתוך נפוצים:
1. מחבר השקה ניצב
2. מחבר השקה V
3. מחבר חפייה
4. מחבר T

ניתן להכין את גאומטריית הריתוכים בדרכים רבות ושונות. חמשת הסוגים הבסיסיים של מחברי ריתוך הם: מחבר השקה, מחבר חפייה, מחבר פינתי, מחבר פדחתי ומחבר T (הגרסה האחרונה של סוג זה היא מחבר צלב). קיימות גם וריאציות אחרות - לדוגמה, מחברי ראש חץ כפול (מחבר V כפול) המאופיינים בשתי פיסות חומר שכל אחת מהן מתחדדת לנקודת מרכזית אחת בחצי גובהן. מחברי פרסה (מחבר U יחיד) ופרסה כפולה (מחבר U כפול) גם הם נפוצים למדי - במקום קצוות ישרים וחדים כמו מחברי ראש חץ (מחבר V יחיד ו-V כפול), הם מעוקלים, ויוצרים צורה של פרסה (U). מחברי חפייה הם בדרך כלל בעובי של יותר משתי פיסות - תלוי בתהליך המשמש ובעובי החומר, פיסות רבות יכולות להיות מרותכות יחד בגאומטריה של מחבר חפייה.[75]

תהליכי ריתוך רבים דורשים שימוש בתכן מחבר מסוים; לדוגמה, ריתוך נקודות בהתנגדות, ריתוך בקרן לייזר וריתוך באלומת אלקטרונים מבוצעים לרוב על מחברי חפייה. שיטות ריתוך אחרות, כמו ריתוך באלקטרודה מצופה, הן מגוונות ביותר ויכולות לרתך כמעט כל סוג של מחבר. תהליכים מסוימים יכולים לשמש גם ליצירת ריתוכים מרובי-מעברים, שבהם נותנים לריתוך אחד להתקרר, ולאחר מכן מבצעים עליו ריתוך נוסף. זה מאפשר ריתוך של חלקים עבים המסודרים במחבר ראש חץ יחיד (מחבר V יחיד), למשל.[76]

לאחר הריתוך, ניתן לזהות מספר אזורים מובחנים באזור הריתוך. הריתוך עצמו נקרא אזור ההתכה - ליתר דיוק, זה המקום שבו הונחה מתכת המילוי במהלך תהליך הריתוך. המאפיינים של אזור ההתכה תלויים בעיקר במתכת המילוי המשמשת ובתאימות שלה לחומרי הבסיס. הוא מוקף באזור מושפע מחום, האזור שהמיקרו-מבנה והתכונות שלו השתנו עקב הריתוך. תכונות אלו תלויות בהתנהגות חומר הבסיס כאשר הוא נתון לחום. המתכת באזור זה היא לרוב חלשה יותר הן מחומר הבסיס והן מאזור ההיתוך, והיא גם המקום שבו נמצאים מאמצים שיוריים.[77]

איכות

עריכה
 
האזור הכחול נובע מחמצון בטמפרטורה מתאימה של 316 מעלות צלזיוס. זוהי דרך מדויקת לזהות טמפרטורה, אך היא אינה מייצגת את רוחב האזור מושפע חום. האזור מושפע חום הוא האזור הצר המקיף מיד את המתכת הבסיסית המרותכת.

גורמים מובהקים רבים משפיעים על חוזק הריתוכים והחומר שסביבם, לרבות שיטת הריתוך, כמות וריכוז צריכת האנרגיה, רמת הרתיכות (אנ') של חומר הבסיס, חומר המילוי וחומר התלחים, תכן המחבר ויחסי הגומלין בין כל הגורמים הללו.[78]

לדוגמה, הגורם של מיקום הריתוך משפיע על איכות הריתוך, כך שתקנים ומפרטי ריתוך עשויים לדרוש בדיקה - הן נוהלי ריתוך והן רתכים - תוך שימוש בעמדות ריתוך שצוינו: 1G (שטוחה), 2G (אופקית), 3G (אנכית), 4G (מעל הראש), 5G (צינור קבוע אופקי) או 6G (צינור קבוע משופע).

כדי לבדוק את איכותו של ריתוך, ישנן שיטות בדיקה הורסות (אנ') או לא הורסות, המשמשות בדרך כלל כדי לוודא שריתוכים נקיים מפגמים, יש בהם רמות מקובלות של מאמצים ומעוותים שיוריים, ויש להם תכונות מקובלות של אזור מושפע חום (HAZ). סוגי פגמי ריתוך (אנ') כוללים סדקים, עיוותים, תכלילי גזים (נקבוביות), תכלילים לא מתכתיים, חוסר התכה, חדירה לא מלאה, סדיקה שכבתית וקיעקוע.

תעשיית עיבוד המתכת הנהיגה תקנים ומפרטים להנחיית רתכים, מפקחי ריתוך (אנ'), מהנדסים, מנהלים ובעלי קניין בטכניקת ריתוך נכונה, תכנון ריתוכים, כיצד לשפוט את איכות מפרט הליך הריתוך, כיצד לשפוט את המיומנות של מי שמבצע את הריתוך וכיצד להבטיח את איכות עבודת הריתוך.[78] שיטות כגון בדיקה חזותית, רדיוגרפיה, בדיקה אולטרסונית (אנ'), מערך שלבים אולטרסוני (אנ'), בדיקת נוזל חודר, בדיקת חלקיקים מגנטיים או טומוגרפיה ממוחשבת תעשייתית (אנ') יכולות לסייע באיתור וניתוח של פגמים מסוימים.

אזור מושפע חום

עריכה

אזור מושפע חום הוא טבעת המקיפה את הריתוך בה טמפרטורת תהליך הריתוך, בשילוב עם הלחצים של חימום וקירור לא אחידים, משנה את תכונות הטיפול בחום (אנ') של הסגסוגת. השפעות הריתוך על החומר המקיף אותו עלולות להיות מזיקות - בהתאם לחומרים שנבחרו ולכמות החום של תהליך הריתוך בו נעשה שימוש, האזור מושפע מחום יכול להיות בגודל ובחוזק משתנים. רמת הדיפוזיות התרמית (אנ') של חומר הבסיס משפיעה באופן רב - אם רמת הדיפוזיות גבוהה, קצב קירור החומר גבוה והאזור מושפע מחום קטן יחסית. לעומת זאת, רמת דיפוזיות נמוכה מובילה לקירור איטי יותר ולאזור מושפע מחום גדול יותר. כמות החום הנכנסת בתהליך הריתוך משחקת תפקיד חשוב גם כן, שכן לתהליכים כמו ריתוך בחמצן אצטילן יש קלט חום לא מרוכז, המגדיל את גודל האזור מושפע חום. תהליכים כמו ריתוך בקרן לייזר מכניסים כמות חום מרוכזת מאוד, מוגבלת, וכתוצאה מכך נוצר אזור מושפע חום קטן. ריתוך בקשת נופל בטווח שבין שני הקצוות הללו, כאשר התהליכים הייחודים משתנים במקצת בהכנסת החום.[79][80] כדי לחשב את קלט החום עבור הליכי ריתוך בקשת, ניתן להשתמש בנוסחה הבאה:

 

כאשר Q = קלט חום (קילוג'ול למילימטר), V = מתח (וולט), I = זרם (אמפר) ו-S = מהירות ריתוך (מילימטר לדקה). היעילות תלויה בתהליך הריתוך בו נעשה שימוש, כאשר ריתוך באלקטרודה מצופה בעל ערך של 0.75, ריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז בעל ערך של 0.8, ריתוך בקשת מתכת מוגנת בגז וריתוך בקשת חסויה בעלי ערך של 0.9.[81] שיטות להקלה על הלחצים והפריכות שנוצרו באזור מושפע חום כוללות שחרור מתחים (אנ') והרפיה (אנ').[82]

פגם עיקרי אחד הנוגע לאזור מושפע חום הוא סדיקה במפגש של פני הריתוך ומתכת הבסיס. בשל ההתפשטות המהירה (חימום) והתכווצות (קירור), ייתכן שלחומר לא תהיה את היכולת לעמוד בלחץ והוא עלול להיסדק. שיטה אחת לשלוט בלחץ היא לשלוט בקצב החימום והקירור, כגון חימום-קְדַם וחימום-אַחַר.[83]

הארכת חיים בשיטות לאחר טיפול

עריכה

העמידות ואריכות החיים של מבני פלדה מרותכים ועמוסים באופן דינמי נקבעים במקרים רבים על ידי הריתוכים, במיוחד מעברי הריתוך. באמצעות טיפול סלקטיבי במעברים על ידי שחיקה (חיתוך שוחק) (אנ'), הקשה מכנית במהלומות (אנ'), טיפול בהשפעת תדירות גבוהה (אנ'), טיפול בהשפעת גלים על קוליים (אנ') וכו' עולה העמידות של מבנים רבים באופן משמעותי.

מטלורגיה

עריכה

רוב המוצקים שמשתמשים בהם הם חומרים הנדסיים המורכבים ממוצקים גבישיים שבהם האטומים או היונים מסודרים בתבנית גאומטרית חוזרת ונשנית המכונה מבנה סריגי. היוצא מן הכלל היחיד הוא חומר העשוי מזכוכית שהוא שילוב של נוזל מקורר-על ופולימרים שהם אגרגטים של מולקולות אורגניות גדולות.[84]

לכידות מוצקים גבישיים מתקבלת על ידי קשר מתכתי או כימי שנוצר בין האטומים המרכיבים אותם. ניתן לחלק קשרים כימיים לשני סוגים המורכבים מיונים וקוולנטיים. כדי ליצור קשר יוני, אלקטרון ערכיות (אנ') או קושר נפרד מאטום אחד ונקשר לאטום אחר כדי ליצור יונים בעלי מטען הפוך. הקשר במצב סטטי הוא כאשר היונים תופסים מיקום בשיווי משקל שבו הכוח הנוצר ביניהם הוא אפס. כאשר היונים פועלים בכוח מתיחות, המרווח הבין-יוני גדל ויוצר כוח משיכה אלקטרוסטטי, בעוד שכוח דחיה תחת כוח דחיסה בין גרעיני האטום הוא דומיננטי.[84]

קשר קוולנטי מתרחש כאשר אחד מהאטומים המרכיבים מאבד אלקטרון אחד או יותר, והאטום השני קולט את האלקטרונים, וכתוצאה מכך ענן האלקטרונים משותף למולקולה כולה. הן בקשרים יוניים והן בקשרים קוולנטיים המיקום של היונים והאלקטרונים מוגבל זה לזה, ובכך מביא לכך שהקשר הוא פריך (אנ') באופן אופייני.[84]

ניתן לסווג קשר מתכתי כסוג של קשר קוולנטי שעבורו האטומים הקשורים הם מאותו סוג ואינם מתחברים אחד עם השני ליצירת קשר כימי. אטומים מאבדים אלקטרון (ים) ויוצרים מערך של יונים חיוביים. האלקטרונים הללו משותפים לסריג כולו מה שהופך את צביר האלקטרונים לנייד, שכן האלקטרונים חופשיים לנוע כמו גם היונים. בזכות כך, הוא נותן למתכות את המוליכות התרמית והחשמלית הגבוהה יחסית שלהן, כמו גם היותן בעלות משיכות (אנ') אופיינית.[84]

שלושה מבני הסריג הקריסטלי הנפוצים ביותר במתכות הם קובייתי ממורכז גוף, קובייתי ממורכז פאה והקסגונלי ארוז בצפיפות (אנ'). לפלדת פריט (Ferritic steel) יש מבנה סריג קובייתי ממורכז גוף ולפלדה אוסטניטית ומתכות לא ברזליות (אנ') כמו אלומיניום, נחושת וניקל יש מבנה סריג קובייתי ממורכז פאה.[84]

משיכות היא גורם חשוב בהבטחת שלמותם של מבנים בכך שהיא מאפשרת להם לשמור על ריכוזי מאמצים מקומיים ללא שבר. בנוסף, מבנים נדרשים להיות בעלי חוזק מתוכנן, הקשור לחוזק הכניעה של החומר. באופן כללי, ככל שחוזק הכניעה של חומר עולה, יש ירידה מקבילה בקשיחות השבר (אנ').[84]

הפחתה בקשיחות השבר עשויה להיות מיוחסת גם להשפעת ההתפרקות של זיהומים, או מהפחתת הטמפרטורה עבור מתכות בעלות סריג קובייתי ממורכז גוף. למתכות ובפרט לפלדות יש טווח טמפרטורת מעבר כאשר מעל לטווח זה למתכת יש יכולת משיכות אופיינית ידועה בעוד שמתחת לטווח זה החומר הופך פריך. בתוך הטווח, התנהגות החומרים אינה ניתנת לחיזוי. הירידה בקשיחות השבר מלווה בשינוי במראה השבר. כאשר מעל טמפרטורת המעבר, השבר נובע בעיקר מהתלכדות מיקרו-חללים, מה שמביא לכך שהשבר נראה סיבי. כאשר הטמפרטורות יורדות, השבר יראה סימני ביקוע. שני המופעים הללו נראים בעין בלתי מזוינת. שבר פריך בלוחות פלדה עשוי להופיע תחת מיקרוסקופ כסימני שברון. בליטות דמויות חץ אלו על פני הסדק מצביעות על מקור השבר.[84]

קשיחות השבר נמדדת באמצעות דגימה מלבנית מחורצת וסדוקה מראש, שהמידות שלה מצוינות בתקנים, למשל ASTM E23. ישנם אמצעים אחרים להערכה או מדידה של קשיחות שבר על ידי הפעולות הבאות: מבחן ההשפעה של Charpy לפי תקן ASTM A370, בדיקת תזוזת פתח קצה הסדק (CTOD) לפי תקן BS 7448-1, בדיקת J האינטגרלית לפי תקן ASTM E1820 ומבחן פליני בהעמסת משקל לפי תקן ASTM E208.[84]

תנאים לא שגרתיים

עריכה
 
ריתוך תת-מימי

בעוד יישומי ריתוך רבים נעשים בסביבות מבוקרות כגון מפעלים ומוסכים, חלק מתהליכי הריתוך משמשים בדרך כלל במגוון רחב של תנאים, כגון אוויר פתוח, מתחת למים וריק (כמו החלל החיצון). ביישומים באוויר הפתוח, כגון בנייה ותיקוני חוץ, ריתוך באלקטרודה מצופה הוא התהליך הנפוץ ביותר. תהליכים המשתמשים בגזים אדישים כדי להגן על הריתוך אינם ניתנים לשימוש בקלות במצבים כאלה, מכיוון שתנועות אטמוספיריות בלתי צפויות עלולות לגרום לריתוך פגום. ריתוך באלקטרודה מצופה משמש לעיתים קרובות גם בריתוך תת-מימי בבנייה ותיקון של ספינות, פלטפורמות ימיות וצינורות, אך תהליכים אחרים, כגון ריתוך בקשת מתכת באלקטרודה לבובה וריתוך בקשת טונגסטן מוגנת בגז, נפוצים גם הם. גם ריתוך בחלל החיצון אפשרי - זה נוסה לראשונה בשנת 1969 על ידי קוסמונאוטים רוסים במהלך משימת סויוז 6, כאשר הם ביצעו ניסויים לבדיקת ריתוך באלקטרודה מצופה, ריתוך בקשת פלזמה וריתוך באלומת אלקטרונים בסביבת לחץ נמוך. בדיקות נוספות של שיטות אלו נעשו בעשורים הבאים, וכיום ממשיכים החוקרים לפתח שיטות לשימוש בתהליכי ריתוך אחרים בחלל, כמו ריתוך בקרן לייזר, ריתוך בהתנגדות וריתוך בחיכוך. התקדמות בתחומים אלה עשויה להיות שימושית עבור מאמצים עתידיים בדומה לבניית תחנת החלל הבין-לאומית, שיוכלו להסתמך על ריתוך בחלל החיצון לחיבור החלקים שיוצרו על פני כדור הארץ.[85]

בטיחות

עריכה
 
ריתוך בקשת באמצעות קסדת ריתוך, כפפות וביגוד מגן (1942)

עבודת הריתוך כרוכה בקרבה למקור של חום גבוה, כמו כן בזמן הריתוך נפלטים גזים המסוכנים לנשימה ועלולים לסכן את העובד. מסיבה זו קיים צורך מובהק בשימוש באמצעי הבטיחות המתאימים כדי למזער את הסיכונים ולמנוע נזק מידי ונזק מצטבר לאורך זמן. אמצעי המיגון המודרניים מספקים לרתכים רמת הגנה גבוהה תוך כדי הורדת רמת הסיכון של עבודת הריתוך, עבודה שגרמה במהלך השנים לפציעות רבות ואף למקרי מוות. על מנת למזער סיכונים יש לגשת לקורס ולקבל הדרכה מקצועית מרמת הדרכת מסגר חובב בחוג ריתוך עד רמת הדרכה מקצועית בקורס ריתוך במכללה לריתוך, הכל בהתאם למטרת העבודה. אנשי מקצוע בארץ ובעולם עוברים בתום ההדרכה בחינת הסמכת רתך לפי התקן.

בזמן הריתוך נעשה שימוש בכפפות עור ובביגוד הכולל שרוולים ארוכים כדי להגן על העובד מכוויות כתוצאה מפליטת החום והקרינה העל סגולה הרבה הנגרמת בזמן הריתוך.

בזמן הריתוך נוצרים הבזקי אור ונפלטות רמות גבוהות של קרינה על סגולה העלולות לגרום נזק לראייה. על מנת להימנע מפגיעה זו נעשה שימוש במשקפי מגן מיוחדים המיועדים במיוחד לריתוך. משקפי מגן אלה כוללים עדשות כהות במיוחד המונעות מעבר של אור חזק אל עיני הרתך. במשקפי מגן חדישים קיים מנגנון הגורם להחשכת העדשות רק בזמן שרמת האור הנפלטת היא גבוהה ועלולה לסכן את הרתך.

שיטות שונות של ריתוך כוללות פליטת עשן העלול לגרום נזק לעובד אם הוא אינו מוגן. כדי למנוע זאת במקומות עבודה רבים מציידים את הרתך בערכה לאספקת אוויר טרי לנשימה וקיימת רמת אוורור גבוהה בשטח העבודה.

שימוש לקוי בגזים דחוסים ובלהבות בתהליכי הריתוך עלול לגרום אף לפיצוץ או לשרפה. לכן הרתכים עוברים סדרה של הכשרות מיוחדות המלמדות כיצד יש לנהוג בציוד הריתוך וכיצד למנוע סיכונים.

כאמצעי למניעת התלקחות מקובל במקומות עבודה מסוימים לצמצם את כמות החמצן בסביבת העבודה ולהרחיק ממנה חומרים דליקים. סיכוני בטיחות בריתוך – הרחבה, העוסק בריתוך פועל בזירה בעלת השלכות רבות עליו ועל סביבה. חיתוך והשחזה – אפיון סיכונים. סכנת פציעה במהלך העבודה – עבודות הריתוך והחיתוך הן עבודות המסכנות את הרתך והסובבים במהלך העבודה. החל מסיכוני כווייה דרך התחשמלות, ועד פציעות מגוונות. קריסת האביזר המרותך – עבודת הריתוך מיועדת לעמוד שנים רבות בעומסים, ויברציות, רוחות, נוזלים, שינויי אקלים ועוד גורמי החלשה רבים. עבודה כושלת של הרתך היום עשויה לסכן מרגע ביצוע העבודה ועשרות שנים קדימה את הסובבים באזור העבודה. קיימות לצעריינו אין ספור דוגמאות של קריסות אביזרים מרותכים מכל רחבי העולם. מקרים אשר גרמו לגורמי ההדרכה והבטיחות בתעשייה להבין כבר לפני שנים רבות כי רתך חייב לעבור הכשרה המותאמת למשימות אותן יבצע. בתום ההכשרה הרתך נבחן בחינה מעשית לפי התקן ואם עבר יוסמך כרתך.

עלויות ומגמות

עריכה
 
תא שנועד להכיל אדי ריתוך לצורך ניתוח

כתהליך תעשייתי, עלות הריתוך ממלאת תפקיד מכריע בהחלטות ייצור. משתנים רבים ושונים משפיעים על העלות הכוללת, כולל עלות הציוד, עלות העבודה, עלות החומר ועלות האנרגיה.[86] עלות הציוד יכולה להשתנות בהתאם לתהליך, החל ממחיר זול עבור שיטות כמו ריתוך באלקטרודה מצופה וריתוך בחמצן אצטילן (אנ'), ועד יקר ביותר עבור שיטות כמו ריתוך בקרן לייזר וריתוך באלומת אלקטרונים. בשל עלותם הגבוהה, הם משמשים רק בפעולות ייצור בתפוקות גבוהות. באופן דומה, מכיוון שאוטומציה ורובוטים מגדילים את עלויות הציוד, הם מיושמים רק כאשר נחוץ ייצור בתפוקה גבוהה. עלות העבודה תלויה בקצב הריתוך, בשכר השעתי ובזמן הפעולה הכולל, כולל הזמן המושקע בהרכבה, ריתוך וטיפול בחלק. עלות החומרים כוללת את עלות חומר הבסיס והמילוי, ואת עלות גזי המגן. לבסוף, עלות האנרגיה תלויה בזמן הקשת ובדרישת כוח הריתוך.[86]

עבור שיטות ריתוך ידניות, עלויות העבודה מהוות בדרך כלל את הרוב המכריע של העלות הכוללת. כתוצאה מכך, אמצעים רבים לחיסכון בעלויות מתמקדים במזעור זמן הפעולה. לשם כך, ניתן לבחור הליכים עם קצבי ריתוך גבוהים, ולכוון את פרמטרי הריתוך כדי להגביר את מהירות הריתוך. מיכון ואוטומציה מיושמים לעיתים קרובות כדי להפחית את עלויות העבודה, אך אלו לעיתים קרובות מגדילים את עלות הציוד ומאריכי את זמן ההקמה. עלויות החומר נוטות לעלות כאשר יש צורך בתכונות מיוחדות, ועלויות האנרגיה בדרך כלל אינן מסתכמות ביותר מכמה אחוזים מעלות הריתוך הכוללת.[86]

בשנים האחרונות, על מנת למזער את עלויות העבודה בייצור בעל קצב גבוה, ריתוך תעשייתי הפך לאוטומטי יותר ויותר, בעיקר עם השימוש ברובוטים בריתוך נקודות בהתנגדות (במיוחד בתעשיית הרכב) ובריתוך בקשת. בריתוך רובוטי, מכשירים ממוכנים מחזיקים את החומר ומבצעים את הריתוך.[87] בתחילה, ריתוך נקודות בהתנגדות היה היישום הנפוץ ביותר שלו, אך ריתוך בקשת רובוטי גובר בפופולריות ככל שהטכנולוגיה מתקדמת. תחומי מחקר ופיתוח מרכזיים אחרים כוללים ריתוך של חומרים שונים (כגון פלדה ואלומיניום, למשל) ותהליכי ריתוך חדשים, כגון חיכוך וערבוב, פולס מגנטי, תפר חום מוליך וריתוך לייזר-היברידי. יתר על כן, יש צורך בהתקדמות בהפיכת שיטות מיוחדות יותר כמו ריתוך בקרן לייזר למעשיות עבור יישומים רבים יותר, כגון בתעשיות התעופה והחלל והרכב. חוקרים מקווים גם להבין טוב יותר את התכונות הבלתי צפויות של ריתוכים, במיוחד מיקרו-מבנה, מאמצים שיוריים (אנ'), ונטיית הריתוך להיסדק או להתעוות.[88]

המגמה של האצת המהירות שבה מבוצעים ריתוכים בתעשיית בנייה מפלדה (אנ') מסכנת את שלמות החיבור. ללא היתוך נכון לחומרי הבסיס המסופקים על ידי זמן קשת מספיק על הריתוך, מפקח פרויקטים אינו יכול להבטיח את הקוטר האפקטיבי של ריתוך ההצפה, ולכן הוא או היא אינם יכולים להבטיח את קיבולות העומס שפורסמו אלא אם כן הם עדים ליישום בפועל.[89] שיטה זו של ריתוך הצפה נפוצה בארצות הברית ובקנדה לחיבור יריעות פלדה לקורות מוט ולחלקי פלדה מבניים (אנ'). סוכנויות אזוריות אחראיות על הבטחת התקנה נכונה של ריתוך שלוליות באתרי בנייה של פלדה. נכון לעכשיו, אין תקן או נוהל ריתוך שיכול להבטיח את קיבולת ההחזקה שפורסמה של כל חיבור לא עד, אך הדבר נמצא בבדיקה על ידי האגודה האמריקאית לריתוך (אנ').

ריתוך זכוכית ופלסטיק

עריכה
 
ריתוך של שני צינורות עשויים מזכוכית עופרת
 
קערה עשויה מזכוכית יצוקה. שני חצאיה מחוברים יחד על ידי ריתוך תפר, העובר במרכז.

זכוכיות וסוגים מסוימים של פלסטיק הם בדרך כלל חומרים הניתנים לריתוך. בניגוד למתכות, שהן בעלות נקודת התכה מסוימת, לזכוכית ולפלסטיק יש טווח התכה, הנקרא טמפרטורת מעבר זכוכיתי. כאשר מחממים את החומר המוצק מעבר לטווח טמפרטורת המעבר הזכוכיתי (Tg), הוא בדרך כלל יהפוך לרך וגמיש יותר. כאשר הוא חוצה את הטווח, מעל טמפרטורת המסת הזכוכית (Tm), הוא יהפוך לנוזל סמיך מאוד, איטי וצמיגי, שצמיגותו יורדת לאט ככל שהטמפרטורה עולה. בדרך כלל, לנוזל צמיגי (אנ') זה יהיה מתח פנים קטן מאוד בהשוואה למתכות, ויהפוך לדביק, טופי (אנ') עד דמוי דבש, כך שהריתוך יוכל להתבצע בדרך כלל על ידי לחיצה פשוטה של שני המשטחים המותכים זה לזה. שני הנוזלים הצמיגיים יתערבבו בדרך כלל ויתחברו במגע הראשון. עם התקררות דרך טמפרטורת המעבר הזכוכיתי, החלק המרותך יתמצק כחתיכה אחת מוצקה ומבנהו הסריגי יהיה כשל חומר אמורפי.

ריתוך זכוכית

עריכה
  ערך מורחב – ניפוח זכוכית

ריתוך זכוכית הוא הליך נפוץ בניפוח זכוכית. הוא משמש לעיתים קרובות בבניית תאורה, שלטי ניאון (אנ'), נורות הבזק (אנ'), ציוד מדעי וייצור כלים וכלי זכוכית אחרים. הוא משמש גם במהלך יציקת זכוכית (אנ') לחיבור חצאי תבניות זכוכית ולייצור פריטים כמו בקבוקים וצנצנות. ריתוך זכוכית מתבצע על ידי חימום הזכוכית דרך טמפרטורת מעבר זכוכית, והפיכתה למסה נוזלית עבה וניתנת לעיצוב. חימום נעשה בדרך כלל באמצעות מבער גז, גז חמצני או תנור, מכיוון שהטמפרטורות להיתוך זכוכית הן לרוב גבוהות למדי. טמפרטורה זו עשויה להשתנות, בהתאם לסוג הזכוכית. לדוגמה, זכוכית עופרת הופכת לנוזל הניתן לריתוך בטמפרטורה של כ-870 מעלות צלזיוס, וניתן לרתך אותה באמצעות מבער פרופאן פשוט. מצד שני, זכוכית קוורץ (סיליקה מותכת (אנ')) חייבת להיות מחוממת ליותר מ-1650 מעלות צלזיוס, אך היא מאבדת במהירות את צמיגותה ויכולת העיצוב שלה אם היא מתחממת יתר על המידה, ולכן יש להשתמש במבער חמצן-מימן. לעיתים ניתן לחבר צינור לזכוכית, מה שמאפשר לנפח אותה לצורות שונות, כגון נורות, בקבוקים או צינורות. כאשר שני חלקי זכוכית נוזלית נלחצים יחד, הם בדרך כלל יתרתכו בקלות רבה. ריתוך ידית על קנקן יכול בדרך כלל להיעשות בקלות יחסית. עם זאת, כאשר מבצעים ריתוך צינור לצינור אחר, נעשה שימוש משולב של ניפוח ויניקה, לחיצה ומשיכה כדי להבטיח איטום טוב, עיצוב הזכוכית ומניעת מתח פנים כדי שהצינור לא ייסגר על עצמו. לעיתים ניתן להשתמש במוט מילוי, אך בדרך כלל הליך זה לא נפוץ.

מכיוון שזכוכית במצבה המוצק שבירה מאוד, היא נוטה לעיתים קרובות להיסדק בחימום וקירור, במיוחד אם החימום והקירור אינם אחידים. הסיבה לכך היא ששבריריותה של הזכוכית אינה מאפשרת התפשטות תרמית לא אחידה. זכוכית שרותכה תצטרך בדרך כלל להתקרר לאט ובאופן שווה במהלך מעבר בנקודת טמפרטורת המעבר הזכוכיתית, בתהליך הנקרא ריכוך (אנ'), כדי להקל על כל המאמצים הפנימיים שנוצרים על ידי מפל טמפרטורה (אנ').

ישנם סוגים רבים של זכוכית, והריתוך הנפוץ ביותר הוא ריתוך זכוכית מאותו סוג. לזכוכיות שונות יש לעיתים קרובות קצב התפשטות תרמית שונה, מה שעלול לגרום להן להיסדק בעת קירור כאשר הן מתכווצות בצורה שונה. לדוגמה, לקוורץ יש התפשטות תרמית נמוכה מאוד, בעוד שלזכוכית סודה-ליים (אנ') יש התפשטות תרמית גבוהה מאוד. בדרך כלל, בעת ריתוך זכוכיות שונות זו לזו, חשוב להתאים את מקדמי ההתפשטות התרמית שלהן קרוב ככל הניתן, כדי להבטיח שלא יתרחשו סדקים. כמו כן, חלק מהזכוכיות לא יתאחדו עם אחרות, כך שריתוך בין סוגים מסוימים עשוי להיות בלתי אפשרי.

ניתן לרתך זכוכית גם למתכות ולקרמיקה, אם כי התהליך עם מתכות מתאפיין בדרך כלל בהידבקות חזקה יותר לפני השטח של המתכת ולא מתאפיין בערבוב של שני החומרים. עם זאת, זכוכיות מסוימות בדרך כלל יתחברו רק למתכות מסוימות. לדוגמה, זכוכית עופרת נקשרת בקלות לנחושת או מוליבדן, אך לא לאלומיניום. אלקטרודות טונגסטן משמשות לעיתים קרובות בתאורה אך אינן יתחברו לזכוכית קוורץ, ולכן הרטבת הטונגסטן נעשה לרוב בזכוכית בורוסיליקט מותכת, אשר נקשרת גם לטונגסטן וגם לקוורץ. עם זאת, יש להבטיח שלכל החומרים יש מקדמי התפשטות תרמית דומים כדי למנוע סדיקה הן כאשר האובייקט מתקרר והן כאשר הוא מחומם שוב. סגסוגות מיוחדות משמשות לעיתים קרובות למטרה זו, ומבטיחות התאמה בין מקדמי ההתפשטות. לעיתים ניתן למרוח ציפויים מתכתיים דקים על מתכת כדי ליצור קשר טוב עם הזכוכית.[90][91]

ריתוך פלסטיק

עריכה

פלסטיק מחולק בדרך כלל לשני סוגים: "תרמוסט" ו"תרמופלסט". פולימר תרמוסטי (אנ') הוא פלסטיק שבו תגובה כימית מקבעת את הקשרים המולקולריים לאחר יצירת הפלסטיק, ולאחר מכן הקשרים לא ניתנים לשבירה מבלי לפגוע בפלסטיק. לא ניתן להתיך פולימר תרמוסטי ולכן, לאחר שהתרמוסט התייצב, לא ניתן לרתך אותו. דוגמאות לפולימרים תרמוסטיים כוללות אפוקסי, סיליקון, גומי מגופר, פוליאסטר ופוליאוריטן.

לעומת זאת, פולימרים תרמופלסטים (אנ') מורכבים משרשראות מולקולריות ארוכות, שלעיתים קרובות מפותלות או שזורות זו בזו, ויוצרות מבנה אמורפי ללא כל סדר גבישי ארוך טווח. חלק מהתרמופלסטים עשויים להיות אמורפיים לחלוטין, בעוד שאחרים בעלי מבנה גבישי חלקי או אמורפי חלקי. גם לתרמופלסטים אמורפיים וגם לתרמופלסטים חצי-גבישיים יש נקודת התכה ספציפית שהיא מעל נקודת טמפרטורת המעבר הזכוכיתי. מעל נקודת התכה זו, הנוזל הצמיג יהפוך לנוזל הזורם בחופשיות (ראה ריתוך ריאולוגי (אנ') עבור פולימרים תרמופלסטים (אנ')). דוגמאות לפולמירים תרמופלסטים כוללות פוליאתילן, פוליפרופילן, פוליסטירן, פוליוויניל כלוריד (PVC) ופלואורפלסטים כמו טפלון וספקטרלון (אנ').

הליך ריתוך פולימרים תרמופלסטים בחום דומה מאוד להליך ריתוך זכוכית. יש לנקות תחילה את הפלסטיק ולאחר מכן לחמם אותו דרך טמפרטורת המעבר הזכוכיתי, מה שהופך את ממשק הריתוך לנוזל סמיך וצמיגי. לאחר מכן ניתן ללחוץ שני ממשקים מחוממים יחד, מה שמאפשר למולקולות להתערבב דרך דיפוזיה בין-מולקולרית, ולאחד אותם לאחד. לאחר מכן, הפלסטיק מקורר דרך טמפרטורת המעבר הזכוכיתי, מה שמאפשר לריתוך להתמצק. לעיתים קרובות ניתן להשתמש במוט מילוי עבור סוגים מסוימים של חיבורים. ההבדלים העיקריים בין ריתוך זכוכית לריתוך פלסטיק הם סוגי שיטות החימום. טמפרטורות ההיתוך של פלסטיקים נמוכות בהרבה מטמפרוטורות ההיתוך של זכוכיות. נוסף לכך הוא שפלסטיק נשרף אם מתחמם יתר על המידה. בעקבות זאת פותחו שיטות רבות ושונות לחימום פלסטיקים לטמפרטורות ריתוך מבלי לשרוף אותם. ניתן להשתמש בתנורים או בכלי חימום חשמליים כדי להתיך את הפלסטיק. שיטות נוספות הן חימום אולטרסאונד, לייזר או חיכוך. ניתן להשתיל מתכות התנגדותיות בפלסטיק, אשר מגיבות לחימום השראתי (אינדוקציה). חלק מהפלסטיקים יתחילו להישרף בטמפרטורות נמוכות יותר מטמפרטורת המעבר הזכוכיתי שלהם, כך שניתן לבצע ריתוך על ידי הנחת גז אינרטי מחומם על הפלסטיק, התכתו ובמקביל הגנה עליו מפני חמצן.[92]

ריתוך מֵמֵס

עריכה

ניתן לרתך פולימרים תרמופלסטים רבים גם באמצעות ממסים כימיים. כאשר הם באים במגע עם הפלסטיק, הממס יתחיל לרכך אותו, מה שמביא את פני השטח למצב תמיסה נוזלית סמיכה. כאשר שני משטחים מותכים נלחצים יחד, המולקולות בתמיסה מתערבבות ומחברות אותן לאחד. מכיוון שהממס יכול לחלחל לפלסטיק, הממס מתאדה דרך פני הפלסטיק, וגורם לריתוך ליפול מהתמיסה ולהתמצק. שימוש נפוץ בריתוך ממס הוא לחיבור צינורות פוליוויניל כלוריד (PVC) או אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן (ABS) במהלך שרברבות, או לריתוך פלסטיק סטירן ופוליסטירן בבניית מודלים (אנ'). ריתוך ממס יעיל במיוחד על פלסטיקים כמו PVC אשר נשרף בטמפרטורת המעבר הזכוכיתי שלו או מתחתיו, אך עשוי להיות לא יעיל על פלסטיק כמו טפלון או פוליאתילן העמיד בפני פירוק כימי (אנ').[93]

ראו גם

עריכה

קישורים חיצוניים

עריכה
מיזמי קרן ויקימדיה
  תמונות ומדיה בוויקישיתוף: ריתוך

לקריאה נוספת

עריכה
  • נוימן יצחק, "ריתוך באלקטרודה מצופה" - מאה, המחלקה לפיתוח פדגוגי טכנולוגי. משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים, האגף להכשרה מקצועית ולפיתוח כוח אדם, תחום פדגוגיה. 2019.
  • נוימן יצחק, "ריתוך בשיטת MIG" - מאה, המחלקה לפיתוח פדגוגי טכנולוגי. משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים, האגף להכשרה מקצועית ולפיתוח כוח אדם, תחום פדגוגיה. 2018.
  • נוימן יצחק, "ריתוך בשיטת TIG" - מאה, המחלקה לפיתוח פדגוגי טכנולוגי. משרד העבודה, הרווחה והשירותים החברתיים, האגף להכשרה מקצועית ולפיתוח כוח אדם, תחום פדגוגיה. 2019.

ביבליוגרפיה

עריכה

הערות שוליים

עריכה
  1. ^ Brown & Brown 2011, p. 422
  2. ^ "History of Metal" 2020
  3. ^ Maryon 1949, pp. 102–103
  4. ^ Azéma et al. 2011, pp. 71–80
  5. ^ Cary & Helzer 2005, p. 4
  6. ^ Maryon 1949, p. 103
  7. ^ Maryon 1949, p. 103
  8. ^ Matsui et al. 2022
  9. ^ Matsui et al. 2022
  10. ^ Khurmi & Gupta 2008, p. 275
  11. ^ Greenewalt & Heywood 1992, p. 24, iron "κόλλησις" or "kollisis"; "Archaeological Discussions" 1901, p. 460
  12. ^ Whitehouse 1989, p. 120
  13. ^ Bitzer, G.W. (1904). Welding the Big Ring. Westinghouse Works. United States: American Mutoscope and Biograph Company.
  14. ^ 1 2 3 Lincoln Electric 1994, p. 1.1-1
  15. ^ "Iron History" 2020
  16. ^ Cary & Helzer 2005, p. 4
  17. ^ Lincoln Electric 1994, p. 1.1-1
  18. ^ 1 2 Ayrton 1902, pp. 20, 24, 94
  19. ^ 1 2 3 Anders 2003, pp. 1060–1069
  20. ^ Great Soviet Encyclopedia, Article "Дуговой разряд" (eng. electric arc)
  21. ^ Lazarev, P.P. (December 1999). "Historical Essay on the 200 Years of the Development of Natural Sciences in Russia" (PDF). Physics-Uspekhi. 42 (1247): 1351–1361. doi:10.1070/PU1999v042n12ABEH000750. S2CID 250892442. Archived from the original (Russian) on 11 February 2011.
  22. ^ "Complete Dictionary of Scientific Biography". Encyclopedia.com. Charles Scribner's Sons. 2008. Retrieved 9 October 2014.
  23. ^ US 363,320, Nikołaj Benardos & Stanisław Olszewski, "Process of and apparatus for working metals by the direct application of the electric current", issued 17 May 1887
  24. ^ Cary & Helzer 2005, pp. 5–6
  25. ^ Cary & Helzer 2005, p. 6
  26. ^ 1 2 3 Weman 2003, p. 26
  27. ^ "Lesson 3: Covered Electrodes for Welding Mild Steels". Retrieved 18 May 2017.
  28. ^ Albloushi & Albloushi 2019, p. 33
  29. ^ 1 2 Sapp 2012, 1900-1950
  30. ^ Cammell, Laird and Co. (6 February 1920). "Cammellaird-Fullagar Diesel Engine - (No. II)". The Engineer. pp. 132–144 – via Grace's Guide to British Industrial History.
  31. ^ Lincoln Electric 1994, p. 1.1–5
  32. ^ Cary & Helzer 2005, p. 7
  33. ^ Cary & Helzer 2005, p. 7
  34. ^ Irving 1999, pp. 61–64
  35. ^ Lincoln Electric 1994, p. 1.1–6
  36. ^ Lincoln Electric 1994, p. 1.1–6
  37. ^ Cary & Helzer 2005, p. 9
  38. ^ Cary & Helzer 2005, p. 9
  39. ^ Irving 1999, pp. 61–64
  40. ^ Irving 1999, pp. 61–64
  41. ^ Voynick 1998, p. 178
  42. ^ Irving 1999, pp. 61–64
  43. ^ Voynick 1998, p. 178
  44. ^ "Science: Welded Steamer". Time. 17 March 1930. ISSN 0040-781X.
  45. ^ Irving 1999, pp. 61–64
  46. ^ Voynick 1998, p. 178
  47. ^ Sieber, Urbanek & Bär 2019, sec. 1.1
  48. ^ "Welding in Architecture: Why It Matters - The Welding Academy". Welding Academy. 17 October 2023.
  49. ^ "4 Famous Landmarks that Used Structural Steel Welding in Their Construction". Northland. 28 April 2020.
  50. ^ Cary & Helzer 2005, p. 9
  51. ^ Kazakov, N.F (1985). "Diffusion Bonding of Materials". University of Cambridge. Archived from the original on 1 September 2013. Retrieved 13 January 2011.
  52. ^ Mel Schwartz (2011). Innovations in Materials Manufacturing, Fabrication, and Environmental Safety. CRC Press. p. 300. ISBN 978-1-4200-8215-9.
  53. ^ Lincoln Electric 1994, pp. 1.1–10
  54. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, p. 48
  55. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, pp. 35–57
  56. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, p. 48
  57. ^ Weman 2003, p. 12
  58. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, p. 96
  59. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, pp. 118, 120
  60. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, p. 542
  61. ^ Bowditch, Bowditch & Bowditch 2017, pp. 39, 486
  62. ^ Weman 2003, p. 30
  63. ^ 1 2 Weman 2003, pp. 26–29
  64. ^ "How Polarity Affects Electrode Performance in Arc Welding". Kobelco. Retrieved 3 February 2025.
  65. ^ Hughes, S. E. (20 October 2009). A Quick Guide to Welding and Weld Inspection. Elsevier. ISBN 978-1-84569-767-9.
  66. ^ Thomas, Daniel J. (1 April 2018). "Analyzing the Failure of Welded Steel Components in Construction Systems". Journal of Failure Analysis and Prevention. 18 (2): 304–314. doi:10.1007/s11668-018-0392-x. ISSN 1864-1245. S2CID 139797543.
  67. ^ Molyneaux, Justin (1 March 2024). "Flux-Cored Arc Welding Shielding Gas Basics". Canadian Metalworking. FMA Communications Canada.
  68. ^ "Difference between Filler Metal and Electrode". AQC Inspection. 21 November 2022. Retrieved 3 February 2025.
  69. ^ 1 2 3 4 Weman 2003, pp. 80–84
  70. ^ John Jernberg (1919). Forging. American Technical society. p. 26.
  71. ^ Weman 2003, pp. 95–101
  72. ^ 1 2 3 Weman 2003, pp. 89–90
  73. ^ Stephan Kallee (August 2006) "NZ Fabricators begin to use Friction Stir Welding to produce aluminium components and panels". New Zealand Engineering News.
  74. ^ Stephan Kallee et al. (2010) Industrialisation of Electromagnetic Pulse Technology (EMPT) in India 38th Anniversary Issue of PURCHASE India.
  75. ^ Hicks, John (1999). Welded Joint Design. New York: Industrial Press. pp. 52–55. ISBN 0-8311-3130-6.
  76. ^ Cary & Helzer 2005, pp. 19, 103, 206
  77. ^ Cary & Helzer 2005, pp. 401–404
  78. ^ 1 2 Weman 2003, pp. 60–62
  79. ^ Lincoln Electric 1994, pp. 6.1-5–6.1–6
  80. ^ Kalpakjian & Schmid 2001, pp. 821–22
  81. ^ Weman 2003, p. 5
  82. ^ How To Weld By Todd Bridigum - Motorbook 2008 Page 37
  83. ^ "How Expansion and Contraction of Metals Affect Aviation Welding Process". Knisley Welding. 15 September 2022. Archived from the original on 9 December 2024. Retrieved 22 December 2022.
  84. ^ 1 2 3 4 5 6 7 8 Lancaster, J.F. (1999). Metallurgy of Welding (6th ed.). Abington, Cambridge: Abington Pub. ISBN 1-85573-428-1.
  85. ^ Cary & Helzer 2005, pp. 677–683
  86. ^ 1 2 3 Weman 2003, pp. 184–89
  87. ^ Lincoln Electric 1994, p. 4.5-1
  88. ^ ASM International (2003). Trends in Welding Research. Materials Park, Ohio: ASM International. pp. 995–1005. ISBN 0-87170-780-2.
  89. ^ Gregory L. Snow and W. Samuel Easterling (October 2008) Strength of Arc Spot Welds Made in Single and Multiple Steel Sheets Archived 2014-06-11 at the Wayback Machine , Proceedings of the 19th International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, Missouri University of Science and Technology.
  90. ^ Freek Bos, Christian Louter, Fred Veer (2008) Challenging Glass: Conference on Architectural and Structural Applications. JOS Press. p. 194. ISBN 1-58603-866-4
  91. ^ Bolas, Bernard D. (1921). A Handbook of Laboratory Glass-Blowing. London: G. Routledge & Sons.
  92. ^ Plastics and Composites: Welding Handbook By David A. Grewell, A. Benatar, Joon Bu Park – Hanser Gardener 2003
  93. ^ Handbook of Plastics Joining: A Practical Guide By Plastics Design Library – PDL 1997 Page 137, 146
אוחזר מתוך "https://he.wikipedia.org/w/index.php?title=ריתוך&oldid=41001634"