המדריך לתהליכי הריתוך

ריתוך הוא תהליך שמתיך את מתכת האם, ולעיתים מוסיף לה חוט או מוט מילוי, כדי לחבר בין חלקים לחיבור אחד רציף. בריתוך בקשת חשמלית, הקשת שנוצרת בין האלקטרודה לחלק העבודה מייצרת את החום שמתיך את המתכת, והרתך מוביל את אמבט הריתוך לאורך התפר. תהליכי הריתוך הידניים הנפוצים הם ריתוך אלקטרודה מצופה, ריתוך MIG/MAG עם חוט רציף וגז מגן, וריתוך TIG עם אלקטרודת טונגסטן שאינה מתכלה. לצידם קיימים תהליכים ממוכנים כמו ריתוך קשת שקועה (SAW), ריתוך בהתנגדות וריתוך אורביטלי של צנרת. המדריך מסביר כל תהליך, את המונחים הבסיסיים ואת הכוחות שפועלים באמבט הריתוך.

למי שרוצה להעמיק, הספר "המדריך השלם לריתוך" מאת יצחק נוימן מרחיב על כל אחד מהנושאים.

לפני שמתחילים: תכנון, פיקוח ובטיחות בעבודות ריתוך

• עבודות ריתוך מבניות דורשות תכנון של קונסטרוקטור או מהנדס בניין ופיקוח ריתוך צמוד. מפקח הריתוך כותב את נוהלי הריתוך ואת תהליך הריתוך לכל מחבר, או לרצף מחברים, מתוך השרטוטים ההנדסיים שמסופקים לייצור.
• מכלי לחץ ומבנים לעומס גבוה או מחזורי מיוצרים לפי תקן ותהליך עבודה מוגדרים לכל אחת מהווריאציות, ואין לבצע אותם בלי פיקוח הנדסי, כדי לא לסכן חיי אדם.
• סכנות בריתוך, קרינה, התחשמלות, חום, שריפה ופליטה של חומרים רעילים. לפני תחילת העבודה עוברים קורס בטיחות מתאים, כדי להכיר את הסכנות ולהתמגן בהתאם.

מונחי יסוד בתהליכי ריתוך בקשת חשמלית

כדי להבין את ההבדלים בין תהליכי הריתוך כדאי להכיר כמה מונחים שחוזרים בכל אחד מהם:

• מתכת אם, החלק שעליו מבצעים את הריתוך. היא יכולה להיות ברזלית (ברזל, פלדה מסוגסגת או לא מסוגסגת, מגוון נירוסטות) או אל ברזלית (אלומיניום, פליז ועוד).
• אמבט ריתוך, האזור שהרתך מתיך. ריתוך הוא בעצם יציקה בממדים קטנים: המתכת המותכת מובלת למקום הנכון כשהרתך מושך את ידית הריתוך בכיוון הרצוי.
• קשת הריתוך, אזור "הקצר החשמלי" בין האלקטרודה לחלק העבודה. האלקטרונים מיננים את המרווח, נוצר הזוהר של הקשת, והיינון מייצר את החום שמתיך את האלקטרודה, החוט או מוט הריתוך ואת אמבט הריתוך.
• מרחק העבודה, הקשת מתחילה להיווצר כשמקרבים את האלקטרודה לחלק העבודה למרחק של הקוטר שלה (0.6-3.2 מ"מ). לא נוגעים בחלק עם האלקטרודה, אלא אם התהליך דורש זאת במפורש.
• סיגים (שלקה), חומר אל מתכתי שנוצר מאלקטרודות או מחוט ממולא. בסיום הריתוך הוא נשאר על התפר כחומר זר, ומסירים אותו אחרי שהתפר התקרר.
• חוט, מוט או אלקטרודת ריתוך, חומר המילוי שמשתתף בתהליך. בוחרים אותו לפי ההרכב הכימי של מתכת האם, ואת הקוטר לפי גודל הריתוך שצריך למלא.
• אלקטרודת טונגסטן, אלקטרודה לא מתכלה שיוצרת את הקשת בין ידית הריתוך לאמבט. היא מותאמת לסוג זרם הריתוך (AC או DC) ולחומר מתכת האם.

ריתוך באלקטרודה מצופה (SMAW): איך התהליך עובד

ריתוך באלקטרודה מצופה הוא תהליך ידני מלא. במהלך הריתוך ציפוי האלקטרודה מתפרק ומשמש כגז מגן, ובמקרים מסוימים גם מוסיף לתפר יסודות סגסוג. הרתך אחראי לייצב את הקשת תוך כדי תנועה, ולכן נדרשות יד יציבה והבנה של אופן התנועה.

בסוף ריתוך באלקטרודות נוצרת שכבת סיגים, שבעגה המקצועית נקראת "שלקה" (מהמילה הגרמנית Schlacke). הסיגים הם תוצר לוואי של התוספים שמקלים על יצירת הקשת ומונעים את התחמצנות האמבט. מרכיב מרכזי בהם הוא סיליקון, שמקנה לשלקה את המראה הזכוכיתי שלה, ועוביה ומבנה תלויים ישירות בציפוי האלקטרודה. קצב תנועה נכון מונע כליאה של חלקי שלקה בתוך התפר, מצב שמוגדר ככשל ריתוך. אחרי שהתפר מתקרר השלקה מוסרת בקלות, ואם צריך מעבר ריתוך נוסף מעליו, מנקים קודם את פני התפר במברשת כדי לוודא שלא נשארו שאריות.

את המכונה לתהליך הזה, מיישר זרם, ואת השאלה כמה אמפר צריך, מסביר המדריך לבחירת רתכת אלקטרודה.

ארבעה סוגי ציפוי של אלקטרודות והשפעתם על הריתוך

סוג הציפוי מגן על אמבט הריתוך מפני מזהמי אוויר, וקובע את איכות מתכת הריתוך ואת אופי הקשת. אלה ארבעת סוגי הציפוי העיקריים:

• ציפוי רוטילי, רב שימושי ונפוץ מאוד. נותן תפר נאה וחלק עם מעט ניתזים, מתאים לריתוך בזרם ישר (DC) וגם בזרם חילופין (AC), ומועדף לעבודות ריתוך כלליות בזכות קשת נוחה וקלות השימוש.
• ציפוי צלוליטי (תאית), מתוכנן במיוחד לריתוך אנכי. נותן קשת עם חדירה גבוהה, ולכן מתאים לחומרים עבים ולחדירת שורש טובה, גם בתנוחות ריתוך מאתגרות.
• ציפוי בסיסי, ליישומים שדורשים חוזק מתיחה גבוה ועמידות גבוהה בפני אימפקט, כמו פלדות בחוזק גבוה, פלדות אל חלד ומתכות עם תכולת גופרית או זרחן גבוהה. נותן תכונות מכניות טובות ועמידות בפני סדקים.
• ציפוי חומצי, ליישומי ריתוך מיוחדים, כשנדרשת שליטה מדויקת בתהליך. נותן ריתוך נאה עם מעט שאריות סיגים.

הציפוי משפיע ישירות על יציבות הקשת: קשת יציבה מפחיתה ניתזים, נקבוביות ופגמים אחרים. בזמן הריתוך הציפוי מתפרק לאדים, מתערבב עם מתכת הבסיס ומתכת המילוי ומשנה את המיקרו-מבנה של התפר, וכך משפר תכונות כמו חוזק מתיחה, קשיות וקשיחות. טבלה של מספרי האלקטרודות הנפוצים ושימושיהם נמצאת במדריך סוגי אלקטרודות לריתוך.

ריתוך MIG/MAG: חוט מילוי רציף וגז מגן

ריתוך MIG/MAG הוא תהליך חצי אוטומטי: הרתכת מזינה חוט מילוי רציף לפי הדרישות של אמבט הריתוך, וגז מגן יוצא מפיית ידית הריתוך כשהריתוך מתחיל ונעצר כשהוא מסתיים. אפשר לעבוד עם חוט ממולא, שיוצר שלקה בסוף התהליך, או עם חוט "סוליד" שנעזר רק בגז המגן. האות I בשם מציינת גז מגן אינרטי והאות A גז אקטיבי.

• גז אקטיבי, CO₂, או תערובת שמכילה חמצן או CO₂ (ריתוך MAG).
• גז אינרטי, ארגון (Ar) או הליום (He) (ריתוך MIG).
• ספיקת הגז, הגז זורם מבלון שמחובר לרתכת, והרתכת שולטת בכמות שמגיעה לידית. ספיקה נמוכה מדי לא מגינה מספיק ועלולה להשאיר תחמוצת על התפר. ספיקה גבוהה מדי יוצרת מערבולות סביב הקשת, עלולה להיכלא בתפר או לקרר את פניו ולגרום לסדקים ולבועות.

ברתכות MIG מודרניות יש תוכנות שמזינים להן פרמטרים כמו סוג החומר, עובי הריתוך, עובי החוט וסוג גז המגן, והמערכת מכוונת את פרמטרי הריתוך בעצמה לקבלת איכות מרבית. בעבודה תעשייתית כבדה משתמשים ברתכות CO₂ בזרם גבוה, למשל רתכת 500A CO2. מדריך נפרד מסביר איך בוחרים רתכת מיג, כולל עבודה עם חוט ממולא בלי גז חיצוני.

ריתוך TIG: אלקטרודת טונגסטן וגז מגן אינרטי

ריתוך TIG הוא תהליך ידני מלא עם אלקטרודת טונגסטן שאינה מתכלה (עם יסודות סגסוג שתלויים בסוג הזרם, AC או DC), גז מגן אינרטי, ארגון או הליום, ולרוב גם מוטות מילוי שהרתך מוסיף ביד לאמבט הריתוך. זה ריתוך איטי ואיכותי, שמתאים לחלקים קטנים ובינוניים בעובי דופן של עד 5 מ"מ.

בריתוך TIG בזרם חילופין, החצי החיובי של כל מחזור (אלקטרודה חיובית) מפרק את התחמוצות שעל פני החומר, למשל שכבת תחמוצת האלומיניום (Al₂O₃), ופועל כניקוי חשמלי של פני השטח. לכן מרתכים אלומיניום ב-TIG בזרם AC, כמו שמפורט במדריך רתכת אלומיניום. את מכונות ה-TIG שלנו תמצאו בקטגוריית רתכות TIG.

תהליכי ריתוך ממוכנים: קשת שקועה, התנגדות וריתוך אורביטלי

ריתוך קשת שקועה (SAW)

ריתוך קשת שקועה אינו ידני: הוא מתבצע במכונה ייעודית, קווית או אורביטלית. משפך שופך חומר רתך גרגירי לפני האלקטרודה, שהיא חוט רציף, והאלקטרודה שוקעת בתוך החומר באזור התפר. כך נוצרת קשת מכוסה שאינה חשופה למזהמי אוויר. חומר הרתך משמש כתוסף לאמבט ויוצר שכבת מגן עד שמסירים אותה בסוף. זה ריתוך מדויק ואיכותי שמתאים לעוביים גדולים.

ריתוך בהתנגדות (RW)

בריתוך בהתנגדות הזרם עובר בין שני החלקים לפרק זמן קצר מאוד ומתיך את פני השטח שלהם. החלקים נלחצים זה אל זה, מוחזקים עד שהמתכת מתמצקת ומשוחררים. בריתוך נקודתי, "כוח האלקטרודה" הוא הלחץ המכני שהאלקטרודות מפעילות כדי להחזיק את החלקים יחד, והוא נמדד בדרך כלל ב-kN.

ריתוך אורביטלי של צנרת, עוגנים ומופות

ריתוך אורביטלי (טבעתי) שבו הצינור מקובע במקומו והרתך מרתך סביבו דורש מיומנות גבוהה מאוד, ברמת 6G: הרתך עובר בדרך בריתוך אנכי ובריתוך מעל הראש, ולכן צריך להתאים פרמטרים, מהירות תנועת יד ושליטה באמבט. יש רתכות עם מתקן מובנה לריתוך אורביטלי ששולטות לגמרי בפרמטרים ובתנועה, אבל גם רתכי צנרת מיומנים מגיעים לרמה גבוהה. כשהצינור מסתובב מול ידית הריתוך, העבודה פשוטה יותר: צריך רק לתאם בין עוצמת הריתוך לקצב הסיבוב, ובדרך כלל בוחרים בתנוחת הריתוך הפשוטה ביותר.

הכוחות החשמליים שפועלים באמבט הריתוך

הכוחות שפועלים באמבט הריתוך הם בעיקר כוחות אלקטרומגנטיים, כוחות לורנץ, שנוצרים מהמפגש בין זרם הריתוך הגבוה שעובר במתכת המותכת לבין השדה המגנטי שלו. הם קובעים איך המתכת עוברת מהאלקטרודה, איך הנוזל זורם ומה תהיה צורת התפר, ובזכותם הרתך יכול לשלוט באמבט.

• כוחות לורנץ, הזרם (I) זורם מהאלקטרודה דרך הקשת אל האמבט וחזרה להארקה, ויוצר שדה מגנטי (B). האינטראקציה ביניהם (J×B) דוחפת את המתכת המותכת למרכז הקשת וכלפי מטה, ומשפיעה על עומק החדירה.
• צביטה מגנטית, כשטיפה גדלה בקצה החוט או האלקטרודה, צפיפות הזרם עולה והשדה המגנטי "צובט" את צוואר הטיפה ומנתק אותה לתוך האמבט.
• כוח קשת (Dig), תכונה במכונות ריתוך שמספקת זרם נוסף במתח נמוך כדי שהאלקטרודה לא תידבק. היא שימושית במיוחד בריתוך אלקטרודה: שומרת על קשת יציבה ומשפרת חדירה, אבל כוח קשת גבוה מדי מגביר ניתזים ועלול לשרוף חומרים דקים.
• כוח הפלזמה והגז, סילון הפלזמה והגזים החמים מהקשת לוחצים על פני האמבט ומשפיעים על צורתו, גם אם זה לא כוח חשמלי ישיר.
• לחץ רתע, בריתוך לייזר או בקשת בעוצמה גבוהה, אדי המתכת יוצרים לחץ (4-5 kPa) שפותח חלל, "חור מנעול", באמבט.
• מכת קשת, כשהשדה המגנטי מעוות בגלל מגנטיזציה לא אחידה של החלק, לרוב ליד הקצה או ליד חיבור ההארקה, הקשת סוטה והריתוך יוצא לא אחיד.
• זרם דרך הסיגים, בריתוך קשת שקועה הזרם עובר גם דרך הקשת וגם דרך הסיגים והמתכת המותכת המוליכה.