ריתוך היא טכנולוגיית עיבוד המשיגה קשר אטומי בין המשטחים של שני חלקי עבודה נפרדים או יותר על ידי חימום, הפעלת לחץ או שילוב של שניהם, בתוספת חומרי מילוי. כמרכיב מפתח במכונות בנייה כבדות, איכות בומות הריתוך קשורה ישירות לביצועי הבטיחות של המכונה כולה. בניגוד לחיבורים מכניים, ריתוך יוצר קשר מתכתי, שתנאי הליבה שלו כוללים תנאי אנרגיה, תנאי סביבה ותנאי מליטה. על פי מקור האנרגיה, ניתן לחלק את הריתוך לשלוש קטגוריות: ריתוך היתוך, ריתוך בלחץ והלחמה. ביניהם, ריתוך היתוך הוא הנפוץ ביותר בשימושייצור בום ריתוך, המהווה יותר מ-90% מהיישומים התעשייתיים.
I. עקרונות מטלורגיית ריתוך ובחירת חומרים עבור זרועות ריתוך
מטלורגיית ריתוך היא תיאוריית מפתח החוקרת את חוקי היווצרות בריכות מותכות, התמצקות, טרנספורמציה של פאזה ושינויי הרכב כימיים במהלך תהליך הריתוך, וממלאת תפקיד מכריע בביצועים של בומות ריתוך. הבריכה המותכת של בומות הריתוך מאופיינת בנפח קטן, טמפרטורה גבוהה, זמן קיום קצר וקצב קירור מהיר, המוביל לתהליך התגבשות מהיר. ההתמצקות של מתכת ריתוך מבוססת על גרגרי המתכת הבסיסית הבלתי מותכת באזור ההיתוך וגדלה לאורך כיוון פיזור החום, ויוצרות מורפולוגיות התגבשות שונות מגרגרים מישוריים ועד גרגירים עמודים. האזור המושפע מחום-(HAZ) הוא האזור של המתכת הבסיסית המושפע מחום הריתוך אך לא נמס. השינויים המיקרו-סטרוקטורליים שלו נקבעים במשותף על ידי טמפרטורת החימום וקצב הקירור, וכתוצאה מכך לאזורים שונים כגון אזור ההיתוך, אזור התחמם יתר על המידה ואזור הנורמליזציה.
זרועות ריתוך עשויות ברובן מפלדה בעלת חוזק-ממסגסוגת גבוהה-, כגון לוח חוזק- BS700MCK2 גבוה, בעלת חוזק תפוקה של יותר מ-700MPa או שווה ל-700MPa ויכולת ריתוך מצוינת, יכולת צורה קרה וקשיחות-בטמפרטורה נמוכה. סוג זה של חומר הוא פלדה מבנית נמוכה ב-פחמן נמוכה-, המשיגה ביצועי ריתוך מצוינים על ידי הפחתת שווה ערך הפחמן ומדד הרגישות לסדק ריתוך. במהלך תהליך הריתוך שלבום ריתוך, סדרה של תגובות כימיות כגון חמצון, הפחתה וניטרידציה מתרחשות בין מתכת הבריכה המותכת לבין המדיום שמסביב. יש צורך להבטיח את ההרכב הכימי הסביר של הריתוך ולהימנע מפגמים באמצעות חומרי ריתוך מתכלים ובקרת תהליכים מתאימים.
II. חוק ההשפעה של תהליך תרמי ריתוך על איכות בום הריתוך
תהליך הריתוך התרמי הוא המקור לתגובות מתכות לריתוך, טרנספורמציות מיקרו-מבניות ועיוות מתח. מחקר-מעמיק של חוקי יצירת החום, ההעברה והפיזור הוא חיוני לשיפור האיכות של בומות ריתוך. לשיטות ריתוך שונות יש הבדלים משמעותיים במאפייני מקור החום: לריתוך בקשת מתכת מסוככת יש צפיפות אנרגיה נמוכה יחסית, חום מפוזר ואזור מושפע חום גדול-; בעוד לריתוך לייזר ולריתוך קשת פלזמה יש אנרגיה מרוכזת ואזור מושפע חום קטן-.
קלט חום ריתוך מתייחס לחום המתקבל ליחידת אורך של הריתוך, המחושב לפי הנוסחה E=60IU/(vη), כאשר I הוא זרם הריתוך, U הוא מתח הריתוך, v היא מהירות הריתוך ו-η היא היעילות התרמית. במהלך תהליך הריתוך של בומים לריתוך, כניסת חום מוגזמת תגביר את טמפרטורת השיא, תאט את קצב הקירור, ירחיב את האזור המושפע מהחום ותגסה את הגרגרים, ובכך תפחית את הקשיחות; הזנת חום לא מספקת תאיץ את קצב הקירור, ויוביל בקלות להיווצרות מבנים מוקשים וסדקים קרים.
בייצור שלריתוך בוזMS, יש צורך לשלוט במדויק על טמפרטורת המעבר ולאמץ תהליכי חימום מוקדם וחימום לאחר-המתאימים. עבור לוחות פלדה עבים, יש לבצע חימום מוקדם כדי לפצות על קצב איבוד החום המוגבר ולמנוע סדקים קרים. גם סביבת הריתוך זקוקה לשליטה קפדנית, כולל דרישות כגון עוצמת תאורה באזור העבודה, מהירות רוח מתחת ל-2m/s, ולחות מתחת ל-60%.
III. אסטרטגיות בקרת פגמי ריתוך והבטחת ביצועי בום ריתוך
פגמי ריתוך הם בעצם ביטויים של-תהליכים מתכתיים שאינם-בשליטה או תהליכים תרמיים לא מאוזנים. פגמים נפוצים של בום ריתוך כוללים נקבוביות, הכללת סיגים, סדקים וחיתוך. נקבוביות היא חורים הנוצרים כאשר גזים מומסים בבריכה המותכת אינם מצליחים לברוח במהלך הקירור וההתמצקות, בעוד שהכלת סיגים מקורה מתחמוצות וסולפידים הנוצרים על ידי תגובות מתכות שאינן מצליחות לצוף אל פני השטח של הבריכה המותכת בזמן.
סדקים מחולקים לשתי קטגוריות: סדקים חמים וסדקים קרים. סדקים חמים נגרמים על ידי היווצרות של סרטים נוזליים עקב העשרה של אלמנטים בנקודות -התכה- נמוכות בגבולות התבואה וסדקים תחת לחץ ריתוך; סדקים קרים נוצרים עקב היווצרותם של מבנים מוקשים הנגרמים מקצב קירור מוגזם והצטברות מימן שניתן להפיץ. כדי להבטיח את אמינות הביצועים שלבום ריתוך, יש צורך להעריך באופן שיטתי את התכונות המכניות של המפרקים, כולל חוזק, קשיחות, פלסטיות וקשיות.
מפרק מרותך מורכב משלושה חלקים: מתכת ריתוך, אזור היתוך ואזור מושפע-חום, והביצועים הכוללים שלו הם השתקפות מקיפה של השלושה. אזור ההיתוך הוא החוליה החלשה של המפרק, אשר נוטה להפוך לאתר התחלת סדק עקב מבנה לא אחיד וגרעינים גסים. על ידי אימוץ רצפי ריתוך ופרמטרים סבירים של תהליך, כגון תהליך אופטימלי של שימוש בריתוך של חמישה-מקטעים אחורי לריתוך שורש וריתוך סימטריה מרכזית של שני-חתכים לריתוך מכסה, ניתן להפחית ביעילות את המתח והעיוות של הריתוך. עם ההתקדמות הטכנולוגית, יעילות הייצור ויציבות איכות המוצר של בומות ריתוך ישתפרו מאוד.
