Kas ir metināšana?

Metināšana ir materiālu savienošanas process kurā tos karsē līdz kušanas temperatūrai savienojuma vietā, izveidojot stipru, neizjaucamu savienojumu. Savienošanas process, kas nodrošina savienojamo detaļu materiālu vienlaidu struktūru, izmantojot siltumu, spiedienu vai abu kombināciju, lai izveidotu pastāvīgu savienojumu. Tā tiek plaši pielietota  dažādās nozarēs, piemēram, būvniecībā, kuģu būvē un kuģu remontā, ražošanā dažādās industrijas nozarēs, transporta līdzekļu remontā un citur.

Metināšanas laikā materiāli tiek uzkarsēti līdz kušanas temperatūrai vai savienoti, izmantojot spiedienu, un, atdziestot, veido stabilu savienojumu. Dažos gadījumos tiek izmantots arī metāla pildmateriāls, lai aizpildītu savienojuma vietu.

Galvenie metināšanas veidi:

1. MMA / SMAW – Elektriskā loka metināšana ar elektrodiem:

• Elektrods kūst, un metāls veido šuvi, bet pārklājuma gāzes aizsargā metināšanas zonu no atmosfēras ietekmes. Galvenā priekšrocība – laba ražība ar nelieliem ieguldījumiem.
• Šī tehnoloģija tiek plaši izmantota smagajā rūpniecībā, kā arī dažādos remonta un apkopes darbos.

2. MIG / MAG (GMAW) – pusautomātiska metināšana ar elektrodu stiepli aizsarggāzes – inertas (argona) vai aktīvas (ogļskābās) gāzes – vidē:

• Plaši izmanto tērauda, nerūsējošā tērauda un alumīnija konstrukciju metināšanai.
• MIG (Metal Inert Gas) - izmanto inerto gāzi, piemēram, argonu.
• MAG (Metal Active Gas) - izmanto aktīvo gāzi, piemēram, CO₂ vai maisījumus.

3. TIG (GTAW) - Volframa inertās gāzes (TIG) metināšana ir metode, kas pazīstama precīzai metālu savienošanai:

• Izmantoti volframa elektrodi, lai izveidotu karstu loku metāla kausēšanai, atšķirībā no parastās metināšanas.
• Izmantojot rokas degli un aizsarggāzi, parasti argonu.
• To pielieto nerūsējošā tērauda, alumnīja, vara un citu krāsaino metālu metināšanai biezumā no 0,3 mm līdz 4 mm.

4. PAW - Plazmas loka metināšana:

 Plazmas loka metināšana ir sarežģīta loka metināšanas tehnika, kurā metālu kausēšanai un savienošanai izmanto koncentrētu plazmas strūklu. Tas tika izstrādāts kā sasniegums salīdzinājumā ar TIG metināšanu un var piedāvāt labāku precizitāti un kontroli.

• Izmantojot elektrisko loku kā siltuma avotu, plazmas loks rada augstu temperatūru, kā rezultātā apšuvuma materiāls izkūst un nogulsnējas uz pamatmateriāla.
• Parasti izmanto gadījumos, kad ir paaugstinātas prasības pret metinātās šuves kvalitāti, piemēram, metinot augsti leģētus tēraudus un titānu.
• Ideāli piemērots plāniem materiāliem un mikro metināšanai.

5. Gāzes metināšana (Oksigāzes metināšana) ar stieņiem:

• Degošo gāzu atšķirīgās īpašības nosaka to pielietojumu.
• Gāzes metināšanā tiek izmantots skābeklis un deggāze, kas nodrošina augstu temperatūru un kontrolējamu liesmu.
• Izmanto neleģēta un mazleģēta tērauda metināšanā.
• Gāzes metināšanā pamatā izmanto acetilēnu un tīru skābekli vai odorizēto skābekli
• Tradicionāla metode, kas joprojām tiek izmantota cauruļu remontdarbos.

6. Pretestības metināšana (kontaktmetināšana) - efektīvs un ātrs metāla detaļu savienošanas veids, kurā materiālus lokāli uzkarsē ar elektrisko strāvu un sakarsēto vietu saspiež, panākot plastisku vai izkusušu stāvokli:

• Autobūve: Visplašākais pielietojums – automašīnu virsbūvju, paneļu un rāmju punktmetināšana masveida ražošanā.
• Sadzīves tehnika: Ledusskapju, veļas mašīnu, mikroviļņu krāšņu un citu metāla korpusu izgatavošana.
• Elektronika un baterijas: Akumulatoru kontaktu savienošana (piemēram, elektroinstrumentos) un precīzu detaļu montāža.
• Hermētiskas tvertnes: Degvielas bāku, radiatoru un cauruļu ražošana, izmantojot šuvju metināšanu.
• Metāla konstrukcijas: Armatūras sietu, režģu un žogu ražošana, kā arī uzgriežņu/skrūvju piemetināšana pie loksnēm.

7. Lāzermetināšana - metode, kas izmanto lāzeru kā siltuma avotu. Izkausē daļu vai visu sagataves šķērsgriezumu. Un noteiktos apstākļos sacietē, lai izveidotu organisko metināšanas metodi.

• Princips ir izmantot lāzera staru, lai uzsildītu apstrādājamo priekšmetu līdz izkusušam stāvoklim, lai izveidotu iztvaikošanas caurumus vai kausējuma baseinus.
• Galvenokārt izmanto plānu materiālu un precīzu detaļu metināšanai.
• Izmanto augstas precizitātes un ātruma darbiem tādās nozarēs kā auto un aviācijas rūpniecība, medicīna un elektronika, kur nepieciešamas vizuāli tīras, izturīgas šuves bez materiāla termiskas deformācijas

8. Ultraskaņas metināšana - process, kurā detaļas tiek savienotas, izmantojot augstfrekvences (20–40 kHz) mehāniskās vibrācijas. Atšķirībā no pretestības metināšanas, šeit siltums tiek radīts ar berzi starp molekulām, nevis ar elektrisko strāvu.

• Plastmasas detaļu savienošana: Ātra un tīra korpusu, rotaļlietu un iepakojuma montāža bez līmes vai skrūvēm.

• Elektronika un akumulatori: Smalku vadu, mikroshēmu un bateriju kontaktu savienošana, neradot bīstamu pārkaršanu.
• Medicīnas un higiēnas preces: Hermētiska sejas masku, filtru un sterilu iepakojumu izgatavošana, izmantojot augstfrekvences vibrācijas.

Metināšanas veida izvēle ir atkarīga no:

• Materiāla veids un biezums:

1. Pretestības metināšana ir ideāla tērauda loksnēm (virsbūves, korpusi).
2. Ultraskaņas metināšana vislabāk piemērota termoplastmasām un ļoti plāniem, krāsainajiem metāliem (folija, vadi).

• Ražošanas apjoms un ātrums:

1. Abas metodes ir paredzētas masveida ražošanai. Ja nepieciešams izgatavot tūkstošiem detaļu stundā, izvēlas pilnībā automatizētas pretestības vai ultraskaņas iekārtas.

• Prasības savienojumam:

1. Ja nepieciešama mehāniska izturība lielām konstrukcijām, izvēlas pretestības metināšanu.
2. Ja nepieciešama tīrība un precizitāte (medicīna, elektronika) vai hermētiskums bez materiāla pārkaršanas, izvēlas ultraskaņu.

Materiālu tehnoloģisko metināmību un savienojuma integritāti nosaka to fizikāli ķīmisko īpašību kopums, kur izšķiroša nozīme ir fāžu pāreju metalurģiskajai saderībai, termiskās izplešanās koeficientu starpībai un oksidācijas kinētikai, kas tieši ietekmē kristalizācijas plaisu veidošanās risku un atlikušo spriegumu koncentrāciju šuvē. Siltumvadītspējas un īpatnējās pretestības variācijas nosaka nepieciešamo enerģijas blīvumu lokālai kušanas nodrošināšanai, savukārt sakausējumu ķīmiskā neviendabība var radīt trauslu intermetālisko savienojumu slāņus, kas būtiski ierobežo tradicionālo termiskās saplūšanas procesu pielietojamību specifiskām metālu kombinācijām.

Metāli, kurus var metināt:

Tradicionālajiem un industriālajiem metināšanas procesiem vislabāk piemēroti ir metāli ar labu tehnoloģisko metināmību, kas nodrošina stabilu savienojuma struktūru un minimālu defektu risku.

Visplašāk metināšanai izmanto mazoglekļa un mazleģētos tēraudus, jo tiem ir zems plaisu veidošanās risks un prognozējama termiskā reakcija. Augstāka oglekļa satura tēraudiem nepieciešama iepriekšēja uzkarsēšana, lai novērstu struktūras trauslumu. Nerūsējošais tērauds ir labi metināms, taču prasa precīzu siltuma padeves kontroli, lai saglabātu pretkorozijas īpašības šuvē.

No krāsainajiem metāliem visbiežāk metina alumīniju un tā sakausējumus, kaut arī tie prasa specifisku aizsarggāzu vidi vai maiņstrāvu oksīda slāņa sagraušanai. Varš un tā sakausējumi (piemēram, misiņš) ir metināmi, taču to augstā siltumvadītspēja pieprasa lielu enerģijas koncentrāciju, savukārt titāns ir metināms tikai inertas gāzes atmosfērā, lai novērstu tā trauslumu gaisa ietekmē.

1. Tērauds - (oglekļa un leģētais):
   • Zemoglekļa tērauds: Visplašāk izmantotais un vieglāk metināmais veids ar izcilu savienojumu izturību un minimālu plaisu risku.
   • Leģētais tērauds: Prasa īpašu temperatūras kontroli (uzkarsēšanu un lēnu dzesēšanu), lai novērstu metāla struktūras kļūšanu trauslai.
   • Nerūsējošais tērauds: Labi metināms, taču prasa precīzu siltuma vadību, lai izvairītos no detaļu deformācijas un saglabātu pretkorozijas īpašības.
2. Alumīnijs un tā sakausējumi:

• Oksīda slānis: Virsmu klāj cieta Al₂O₃ plēve ar ļoti augstu kušanas temperatūru (~2000°C), kas pirms metināšanas ir mehāniski jānotīra vai jāizskalda, izmantojot maiņstrāvu (AC).
• Augsta siltumvadītspēja: Alumīnijs ļoti ātri aizvada siltumu no metināšanas zonas, tādēļ ir nepieciešams liels enerģijas blīvums un bieži vien visas detaļas iepriekšēja uzkarsēšana.
• Porainības un plaisu risks: Materiāls ir ļoti jutīgs pret ūdeņradi un piemaisījumiem, kas dzesēšanas laikā var radīt poras vai karstās plaisas, tādēļ nepieciešama īpaši tīra aizsarg gāzes (Argona) vide.

3. Varš un bronza:

• Ekstremāla siltumvadītspēja: Varš aizvada siltumu līdz pat 10 reizēm ātrāk nekā tērauds, tādēļ ir nepieciešama ļoti liela strāvas jauda un bieži vien visas detaļas iepriekšēja uzkarsēšana (līdz 300–600°C), lai vispār panāktu kušanu.
• Liela plūstamība: Izkusušā stāvoklī varš un bronza ir ļoti šķidri, kas apgrūtina vertikālu vai virs galvas esošu šuvju veidošanu, tādēļ parasti metina tikai horizontālā stāvoklī.
• Ķīmiskā aktivitāte un poras: Metāls viegli reaģē ar skābekli un ūdeņradi, dzesēšanas laikā veidojot gāzes pūslīšus (poras), tāpēc nepieciešama augstākās tīrības pakāpes aizsarggāze (Argons vai Hēlijs).

4. Titāns:

• Gāzu absorbcija un trauslums: Titāns augstās temperatūrās (virs 430°C) kā "sūklis" uzsūc skābekli, slāpekli un ūdeņradi no gaisa, kas padara metinājuma šuvi trauslu un nederīgu.
• Absolūta aizsardzība: Nepieciešama nevainojama inertās gāzes (parasti Argona) aizsardzība ne tikai metinājuma vannai, bet arī šuves karstajai apakšpusei un jau nostiprinātajai, bet vēl karstajai šuvei.
• Virsmas sterilitāte: Pirms procesa ir obligāta ķīmiska vai mehāniska oksīda slāņa un jebkādu taukvielu (pat pirkstu nospiedumu) likvidēšana, lai izvairītos no šuves piesārņojuma un porainības.

5. Niķelis un tā sakausējumi:

• Niķeļa un tā sakausējumu (piemēram, Monel, Inconel, Hastelloy) metināšana ir kritiski svarīga ķīmiskajā un aviācijas rūpniecībā, pateicoties to karstumizturībai un korozijas noturībai.
• Zema saplūšanas dziļuma kontrole: Niķeļa kausējuma vanna ir "vīstīga" (slikti plūstoša), tādēļ ir grūtāk panākt pilnu saknes sakusumu un nepieciešama precīza degļa vadība.
• Karsto plaisu risks: Materiāls ir jutīgs pret sēra, fosfora un svina piemaisījumiem, kas dzesēšanas laikā izraisa plaisāšanu, tādēļ nepieciešama sterila tīrība pirms metināšanas.
• Siltuma ietekmes zona: Niķeļa sakausējumi ir jutīgi pret pārkaršanu, kas var mazināt to korozijas izturību, tāpēc metināšana jāveic ar mazu siltuma ievadi un ātru dzesēšanu.

6. Čuguns

• Termiskā plaisāšana: Straujas sakaršanas vai dzesēšanas laikā čuguns mēdz plīst, tādēļ detaļa ir vai nu obligāti jāuzkarsē līdz 300–600°C ("karstā metināšana"), vai jāmetina ar ļoti īsām šuvēm, neļaujot metālam uzkarst ("aukstā metināšana").
• Struktūras izmaiņas: Pārāk ātra atdzišana metinājuma zonā izveido "balto čugunu" – ekstrēmi cietu un trauslu slāni, ko pēc tam nav iespējams apstrādāt ar urbi vai frēzi.
• Speciālie materiāli: Kvalitatīvam savienojumam izmanto elektrodus ar augstu niķeļa saturu, jo tie ir plastiskāki un spēj absorbēt metāla iekšējos spriegumus, neļaujot šuvei saplīst.

7. Magnijs un tā sakausējumi:

• Aizdegšanās risks: Magnija skaidas un smalkas daļiņas var viegli uzliesmot, tāpēc procesā nepieciešama stingra temperatūras kontrole un sterila darba vide, lai izvairītos no ugunsbīstamības.
• Oksīda slānis un porainība: Līdzīgi kā alumīnijam, magniju klāj oksīda plēve, kas jāsagrūž ar maiņstrāvu (AC), taču magnijs ir vēl jutīgāks pret ūdeņradi, kas dzesēšanas laikā var radīt izteiktu porainību.
• Zema kušanas temperatūra un deformācija: Tā kā magnijs kūst pie salīdzinoši zemas temperatūras (~650°C) un tam ir augsts termiskās izplešanās koeficients, detaļas metinot ļoti strauji deformējas vai var "izpeldēt" (izkust cauri).

Metāli, kurus grūti vai neiespējami metināt:

Metālus parasti ir grūti metināt to ķīmisko īpašību, augstās siltum vadītspējas vai oksidēšanās dēļ. Metināšanas grūtības nosaka ar faktoru kombināciju, ieskaitot materiālu īpašības, kopīgu dizainu, metināšanas vidi un procesa prasības. 

1. Cinkots tērauds:

• Cinks iztvaiko metināšanas laikā (Iztvaikojušais cinks rada burbuļus metinājuma vannā)
• Metināms, bet cinka pārklājums izdala toksiskus tvaikus, kas padara darbu bīstamu tāpēc nepieciešama ventilācija un aizsardzība.

2. Svins:

• Svins kūst jau pie ~327 °C, tāpēc metināšanas laikā tas ātri pārkarst un kļūst grūti kontrolējams: viegli izkūst cauri, grūti noturēt formu, nestabils metināšanas process
• Svins ir ļoti mīksts metāls, tāpēc metinājuma vieta nav pietiekami izturīga: viegli deformējas, zema stiprība, savienojums nav ilgmūžīgs. Parasti izmanto lodēšanā, nevis metināšanā.
• Metinot svinu, izdalās kaitīgi tvaiki, kas var izraisīt svina saindēšanās: bīstami ieelpojot, nepieciešama ventilācija, jālieto aizsardzības līdzekļi

3. Volframs:

• Volframs (Volframs) kūst pie ~3422 °C, kas ir viena no augstākajām temperatūrām starp metāliem: nepieciešama ļoti augsta temperatūra, grūti nodrošināt vienmērīgu kušanu, prasa speciālu aprīkojumu.
• Volframs ir ciets, bet arī trausls metāls: viegli plaisā metināšanas laikā, slikti iztur termiskos spriegumus, nepieciešama priekš sildīšana.
• Augstā temperatūrā volframs viegli oksidējas: veidojas oksīdi, kas bojā šuvi, nepieciešama aizsarggāze (piemēram, argons).

4. Cinks un tā sakausējumi:

• Cinks (Cinks) kūst pie ~419 °C un sāk vārīties jau pie ~907 °C. Tas metināšanas laikā ātri iztvaiko, kas pagrūtina procesa kontroli, tā rezultātā veidojas gāzes un defekti.
• Iztvaikojušais cinks rada burbuļus metinājuma vannā, kā rezultātā veidojas poras, samazinās stiprība, un lielāka iespējamība plaisām.
• Metinot cinku vai tā sakausējumus, izdalās kaitīgi dūmi, kas var izraisīt metāla dūmu drudzis, bīstami ieelpot.

5. Plastifikētie un porainie metāli (piem., dažas sakausējumu kombinācija):

• Plastificētie un porainie metāli (piemēram, dažādi sakausējumi) bieži nav vienmērīgi pēc sastāva. Vienā materiālā dažādi kušanas punkti, un kušana ir nevienmērīga, kā rezultātā grūtības iegūt kvalitatīvu šuvi.
• Dēļ porainās struktūras uzkrājās gāzes metināšanas laikā un veidojas tukšumi un caurumi, kas samazina mehānisko izturību.
• Plastificētie materiāli var mainīt savas īpašības temperatūras ietekmē. Tie deformējas metināšanas laikā, veidojas spriegums, un ir augsts plaisu risks pēc atdzišanas.

6. Hroms tīrā formā:

• Hroms kūst pie ~1907 °C, tāpēc metināšanai nepieciešama ļoti augsta temperatūra, kas apgrūtina vienmērīgu materiāla kušanu un padara procesu sarežģītu.
• Tīrs hroms ir ciets, bet trausls metāls, tāpēc metināšanas laikā tas viegli plaisā un slikti iztur termiskos spriegumus, kas rodas uzkarsēšanas un atdzišanas procesā.
• Metināšanas laikā hroms reaģē ar skābekli un veido oksīdus, kas pasliktina šuves kvalitāti, tāpēc nepieciešama aizsarggāze, lai samazinātu defektu veidošanos.

7. Metāli ar augstu oglekļa saturu:

• Metāli ar augstu oglekļa saturu (piemēram, augstoglekļa tēraudi) metināšanas laikā ir ļoti jutīgi pret plaisām, jo straujas temperatūras izmaiņas rada iekšējos spriegumus.
• Augsts oglekļa saturs veicina cietas un trauslas struktūras veidošanos pēc atdzišanas, kas samazina materiāla izturību pret slodzēm.
• Šādu metālu metināšanai nepieciešama īpaša apstrāde, piemēram, priekšsildīšana un kontrolēta atdzesēšana, lai samazinātu defektu risku.

Kas ietekmē metināšanas iespējamību?

• Oksidēšanās: Daži metāli, piemēram, Alumīnijs un Titāns, oksidējas ļoti ātri; augstā temperatūrā uz to virsmas veidojas stabila oksīda kārta, kas traucē metālu savienošanai un var radīt nekvalitatīvu šuvi, tāpēc nepieciešama rūpīga virsmas attīrīšana un aizsarggāze.
• Termiskā vadītspēja: Metāli ar augstu siltumvadītspēju, piemēram, Varš, ātri izkliedē siltumu no metināšanas zonas; tas apgrūtina nepieciešamās temperatūras sasniegšanu un uzturēšanu, palielina enerģijas patēriņu un var radīt nepietiekamu izkausējumu.
• Metāla sakausējumi: Daži sakausējumi var būt savstarpēji nesaderīgi; atšķirīgi kušanas punkti, ķīmiskais sastāvs un struktūra var izraisīt nevienmērīgu kušanu, trauslu fāžu veidošanos vai plaisas, kas būtiski samazina metinājuma izturību un kvalitāti.