Prinsip asas kimpalan

Kimpalan boleh ditakrifkan sebagai gabungan logam yang dihasilkan melalui pemanasan pada suhu yang sesuai dengan atau tanpa penggunaan tekanan, dan dengan atau tanpa penggunaan bahan pengisi.

Dalam kimpalan gabungan sumber haba menjana haba yang mencukupi untuk mencipta dan mengekalkan kolam lebur logam pada saiz yang diperlukan. Haba boleh dibekalkan oleh elektrik atau oleh nyalaan gas. Kimpalan rintangan elektrik boleh dianggap sebagai kimpalan gabungan kerana beberapa logam cair terbentuk.

---

Proses fasa pepejal menghasilkan kimpalan tanpa mencairkan bahan asas dan tanpa penambahan logam pengisi. Tekanan sentiasa digunakan, dan secara amnya beberapa haba disediakan. Haba geseran dibangunkan dalam penyambung ultrasonik dan geseran, dan pemanasan relau biasanya digunakan dalam ikatan resapan.

Arka elektrik yang digunakan dalam kimpalan ialah nyahcas arus tinggi, voltan rendah secara amnya dalam julat 10–2,000 ampere pada 10–50 volt. Lajur arka adalah kompleks tetapi, secara umum, terdiri daripada katod yang memancarkan elektron, plasma gas untuk pengaliran arus, dan kawasan anod yang menjadi lebih panas secara perbandingan daripada katod akibat pengeboman elektron. Arka arus terus (DC) biasanya digunakan, tetapi arka arus ulang alik (AC) boleh digunakan.

Jumlah input tenaga dalam semua proses kimpalan melebihi yang diperlukan untuk menghasilkan sambungan, kerana tidak semua haba yang dijana boleh digunakan dengan berkesan. Kecekapan berbeza dari 60 hingga 90 peratus, bergantung kepada proses; beberapa proses khas menyimpang secara meluas daripada angka ini. Haba hilang melalui pengaliran melalui logam asas dan oleh sinaran ke persekitaran.

Kebanyakan logam, apabila dipanaskan, bertindak balas dengan atmosfera atau logam lain yang berdekatan. Tindak balas ini boleh sangat memudaratkan sifat sambungan yang dikimpal. Kebanyakan logam, sebagai contoh, cepat teroksida apabila cair. Lapisan oksida boleh menghalang ikatan logam yang betul. Titisan logam cair yang disalut dengan oksida menjadi terperangkap dalam kimpalan dan membuat sendi rapuh. Sesetengah bahan berharga yang ditambah untuk sifat tertentu bertindak balas dengan cepat apabila terdedah kepada udara sehingga logam yang dimendapkan tidak mempunyai komposisi yang sama seperti pada mulanya. Masalah ini telah membawa kepada penggunaan fluks dan atmosfera lengai.

Dalam kimpalan gabungan, fluks mempunyai peranan pelindung dalam memudahkan tindak balas terkawal logam dan kemudian menghalang pengoksidaan dengan membentuk selimut di atas bahan cair. Fluks boleh menjadi aktif dan membantu dalam proses atau tidak aktif dan hanya melindungi permukaan semasa bercantum.

Atmosfera lengai memainkan peranan perlindungan yang serupa dengan fluks. Dalam kimpalan arka logam terlindung gas dan arka tungsten terlindung gas, gas lengai—biasanya argon—mengalir dari anulus yang mengelilingi obor dalam aliran berterusan, menyesarkan udara dari sekeliling arka. Gas tidak bertindak balas secara kimia dengan logam tetapi hanya melindunginya daripada sentuhan dengan oksigen di udara.

Metalurgi penyambungan logam adalah penting kepada keupayaan fungsi penyambung. Kimpalan arka menggambarkan semua ciri asas sambungan. Tiga zon terhasil daripada laluan arka kimpalan: (1) logam kimpalan, atau zon gabungan, (2) zon terjejas haba, dan (3) zon tidak terjejas. Logam kimpalan ialah bahagian sambungan yang telah dicairkan semasa mengimpal. Zon terjejas haba ialah kawasan bersebelahan dengan logam kimpalan yang belum dikimpal tetapi telah mengalami perubahan dalam struktur mikro atau sifat mekanikal akibat haba kimpalan. Bahan yang tidak terjejas ialah bahan yang tidak dipanaskan secukupnya untuk mengubah sifatnya.

Komposisi kimpalan-logam dan keadaan di mana ia membeku (menguatkan) dengan ketara mempengaruhi keupayaan sambungan untuk memenuhi keperluan perkhidmatan. Dalam kimpalan arka, logam kimpalan terdiri daripada bahan pengisi ditambah dengan logam asas yang telah cair. Selepas arka berlalu, penyejukan pantas logam kimpalan berlaku. Kimpalan satu laluan mempunyai struktur tuangan dengan butiran kolumnar memanjang dari pinggir kolam lebur ke tengah kimpalan. Dalam kimpalan berbilang laluan, struktur tuangan ini boleh diubah suai, bergantung pada logam tertentu yang sedang dikimpal.

Logam asas bersebelahan dengan kimpalan, atau zon terjejas haba, tertakluk kepada julat kitaran suhu, dan perubahan strukturnya secara langsung berkaitan dengan suhu puncak pada mana-mana titik tertentu, masa pendedahan, dan kadar penyejukan. Jenis logam asas terlalu banyak untuk dibincangkan di sini, tetapi ia boleh dikumpulkan dalam tiga kelas: (1) bahan yang tidak terjejas oleh haba kimpalan, (2) bahan yang dikeraskan oleh perubahan struktur, (3) bahan yang dikeraskan oleh proses pemendakan.

Kimpalan menghasilkan tegasan dalam bahan. Daya ini disebabkan oleh penguncupan logam kimpalan dan oleh pengembangan dan kemudian penguncupan zon terjejas haba. Logam yang tidak dipanaskan mengenakan sekatan pada perkara di atas, dan apabila penguncupan mendominasi, logam kimpalan tidak boleh mengecut dengan bebas, dan tegasan terbina dalam sambungan. Ini secara amnya dikenali sebagai tegasan sisa, dan untuk beberapa aplikasi kritikal mesti dikeluarkan dengan rawatan haba bagi keseluruhan fabrikasi. Tegasan sisa tidak dapat dielakkan dalam semua struktur yang dikimpal, dan jika ia tidak dikawal tunduk atau herotan kimpalan akan berlaku. Kawalan dilakukan dengan teknik kimpalan, jig dan lekapan, prosedur fabrikasi, dan rawatan haba akhir.