Doktorat PhD Thesis Marjan Suban

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA TOKA Doktorsko delo

Predložil Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti

Marjan Suban Mentor: izr. prof. dr. Janez Tušek, univ. dipl. inž.

Ljubljana, Ljubljana, 2004 2 004

Odločba podiplomske po diplomske komisije komisije

Z A H V A L A

V prijetno dolžnost si štejem, da se lahko zahvalim mentorju izr.prof.dr. Janezu Tušku, univ.dipl.inž. za vodstvo, pomo č in strokovne nasvete pri raziskovalnem delu ter izdelavi pričujoče doktorske dokto rske naloge. Veliko znanja in pomo či sta pri pripravi varilne opreme ter preizkuševališ ča nudila Miro Uran, univ.dipl.inž. in Aleksander Bon, inž. Za pomo č pri pripravi varjencev in makroobrusov se zahvaljujem dobremu prijatelju Zdravku Kova čeviču. Zahvaliti se moram tudi prof.dr. Janezu Možini, univ.dipl.inž., ki je z dobro voljo in vztrajnostjo pripomogel, da sem se naloge lažje in odlo čneje lotil. Več ji del naloge je financiralo Ministrstvo za znanost in tehnologijo, delno pa tudi Fakulteta za strojništvo in Institut za varilstvo. Vsem navedenim se za materialno pomo č pri izdelavi doktorske dokto rske naloge zahvaljujem. zahvaljujem. En velik HVALA pa tudi moji družini, ženi Andreji in sinu Nejcu, za potrpljenje in zamujene skupne urice našega življenja. Hvala vsem.

Marjan Suban

Tek. štev.: Dr/264

UDK 621.791.75:621.791.753.9 621.791.75:621.791.753.9

Marjan Suban

RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA TOKA

Ključne besede: • • • • • • • • • •

obločno varjenje MIG/MAG načini varjenja varilna oprema zaščitni plin masivna žica analiza procesa prehajanje materiala talilni učinek matematični model oblika prereza navara

Izvleček: V pričujoči doktorski nalogi je poudarek na razvoju nove varilne opreme ter raziskavi tehnologije pulznega varjenja s tremi žicami v zaš čitnem plinu. Osnovni namen raziskav je povečanje produktivnost navarjenja z uporabo ve č žic. V prvem delu naloge je podan pregled literature o načinih varjenja z ve č žicami. Na osnovi praktično izvedenih preizkusov z navarjanjem z eno, dvema in tremi žicami je v drugem delu naloge izvedena analiza procesa varjenja. Iz analize procesa varjenja je možno sklepati na na čin prehajanja materiala in stabilnost varilnega procesa. V tretjem delu naloge je analizirana produktivnost produktivnost načina varjenja oz. pretaljevanje dodajnega materiala. V tem delu naloge so izdelani matematični modeli napovedi talilnega u činka za pulzno varjenje z ve č žicami. Zadnji del naloge je namenjen raziskavi vpliva na obliko pre čnega prereza navara in stopnjo razmešanja. Podani so tudi prakti čni rezultati navarjenja. Razvita varilna oprema zadovoljuje vse zahteve za stabilno pulzno varjenje z ve č žicami. Doseženo je pove čanje produktivnosti ter zmanjšanje stopnje razmešanja.

No.: Dr/264

UDC 621.791.75:621.791.753.9 621.791.75:621.791.753.9

Marjan Suban

DEVELOPMENT OF DEVICE AND WELDING TECHNOLOGY FOR WELDING WITH THREE WIRES WITH COMMON COMM ON POWER SOURCE

Key words: • • • • • • • • • •

arc weldin w eldingg MIG/MAG welding processes welding equipment shielding gas solid wire process analysis analysis material transfer melting rate mathematical model shape of weld cross section

Abstract: The present PhD thesis concerns design and development of welding equipment and research of gas shielded pulsed welding technology using three wires. The purpose of the research is to increase surfacing productivity using multiple-wire welding. The first part of the thesis comprises a survey of literature on multiple-wire welding processes. On the basis of practical tests of surfacing with one, two and three wires a welding process analysis is given in the second part. The welding process analysis permits us to draw some conclusions as to the mode of material transfer and welding process stability. In the third part of the thesis the welding process productivity and the melting of a filler material are analysed respectively. Also mathematical models for prediction of melting rate are presented in this part. The last part of the work deals with the influence on the shape of the weld cross section and mixing rate. Some practical examples are shown. The welding equipment developed satisfied all the demands for stable pulsed welding using multiplewire and it results in an increase of productivity and a decrease of mixing rate.


6

KAZALO Stran: KAZALO

6

UPORABLJENE KRATICE IN SIMBOLI

9

UVOD

11

1.

12

PREGLED LITERATURE

1.1 ZGODOVINSKI PREGLED VARJENJA 12 1.2 VARILNI OBLOK 12 1.2.1 SPLOŠNO 12 1.2.2 OSNOVE VARILNEGA OBLOKA 13 1.2.2.1 Katodno področ je 1.2.2.2 Steber obloka 14 1.2.2.3 Anodno področ je 1.2.3 STATIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA 15 1.2.4 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA 17 1.2.5 PREHAJANJE MATERIALA SKOZI VARILNI OBLOK 17 1.2.5.1 Sile v varilnem obloku pri prehodu materiala 17 1.2.5.2 Klasifikacija Klasifikacija prehajanja prehajanja materiala 20 1.3 OSNOVE NAČINOV VARJENJA V ZAŠČITNEM PLINU S TALJIVO ELEKTRODO 22 1.3.1 TALILNI UČINEK 23 1.3.2 ZAŠČITNI PLIN 26 1.3.2.1 Razdelitev zaščitnih plinov 26 1.3.2.2 Fizikalne lastnosti zaščitnih plinov 27 1.3.2.3 Vpliv zaščitnega plina na prehod materiala 28 1.3.2.4 Vpliv zaščitnega plina na normirani talilni učinek 29 1.3.2.5 Vpliv zaščitnega plina na obliko vara 30 1.3.3 DODAJNI MATERIAL 30 1.4 PULZNO VARJENJE 31 1.4.1 PRŠEČ, KAPLJIČAST IN KRATKOSTIČEN PREHOD MATERIALA PRI MIG/MAG VARJENJU 31 1.4.2 MIG/MAG PULZNO VARJENJE 31 1.4.3 PREDNOSTI PULZNEGA MIG / MAG 33 MAG VARJENJA 1.4.3.1 Učinek parametrov par ametrov pulziranja pulzira nja na proces 33 1.4.4 PREHAJANJE MATERIALA PRI PULZNEM VARJENJU 35 1.4.5 DRUGE OBLIKE MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA 36 1.4.6 PREDNOSTI IN SLABOSTI MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA 37 1.5 OPREMA ZA MIG/MAG PULZNO VARJENJE 37 1.5.1 MODERNI VIRI 39 1.5.2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI 40 1.5.3 TIRISTORSKI VIRI ENERGIJE 41 1.5.4 TRANZISTORSKI VIRI ENERGIJE 41 1.5.5 INVERTERSKI VIRI ENERGIJE 42 1.5.6 ZNAČILNOSTI VIROV ENERGIJE 42 1.5.6.1 Dinamična karakteristika karakt eristika vira energije 43


1.5.6.2 Dinamika pulznega toka 1.6 VISOKOPRODUKTIVNA OBLOČNA VARJENJA 1.6.1 UVOD 1.6.2 NAČINI VARJENJA Z VEČ ŽICAMI 1.6.2.1 Pregled stanja in trenutna situacija 1.6.2.2 Problemi varjenja z več žicami

2.

RAZVOJ OPREME ZA VARJENJE 2.1 ZAHTEVE ZA VARILNO OPREMO 2.2 OSNOVNI PRINCIP 2.3 OPIS SESTAVNIH DELOV VARILNE OPREME 2.3.1 OSNOVNI VIR ENERGIJE 2.3.2 SEKUNDARNI MOČNOSTNI DEL 2.3.3 KRMILJE SEKUNDARNEGA MOČNOSTNEGA DELA 2.3.4 PODAJALNI MEHANIZEM MEHANIZEM IN CEVNI PAKET 2.3.5 GORILNIK 2.4 OPIS PROGRAMIRANJ PROG RAMIRANJA A 2.5 DOLOČEVANJE PULZNIH PARAMETROV VARJENJA

3.

EKSPERIMENTALNA OPREMA, MATERIALI IN METODE 3.1 3.2 3.3

4.

VARILNA NAPRAVA MERILNA SHEMA IN METODE MERJENJA OSNOVNI, DODAJNI IN POMOŽNI MATERIALI

RAZISKAVA PREHAJANJA MATERIALA 4.1 UVOD 4.2 ANALIZA PROCESOV VARJENJA 4.2.1 PULZNO VARJENJE Z ENO ŽICO 4.2.2 PULZNO VARJENJE Z DVEMA ŽICAMA 4.2.3 PULZNO VARJENJE S TREMI ŽICAMI P REHAJANJA MATERIALA 4.3 RAZISKAVA PULZNEGA PREHAJANJA 4.4 VNOS TOPLOTE V PROSTI KONEC ŽICE

5.

RAZISKAVA PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA 5.1 TALILNI UČINEK 5.1.1 VPLIV JAKOSTI VARILNEGA TOKA 5.1.2 VPLIV DOLŽINE PROSTEGA KONCA ŽICE 5.1.3 MATEMATIČNI MODEL TALILNEGA UČINKA PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA 5.2 RELATIVNI IZKORISTEK PRETALJEVANJA

6.

TEHNOLOŠKA RAZISKAVA NAVARA 6.1 6.2

7.

ANALIZA OBLIKE NAVARA REDSTAVITEV POGOSTIH NAPAK PREDSTAVITEV

ZAKLJUČKI IN SMERNICE ZA NADALJNJE DELO 7.1

ZAKLJUČKI

7 43 44 44 45 45 51

54 55 55 56 56 58 60 62 63 65 67 70 70 71 74 75 75 77 77 84 86 93 95 99 99 100 101 104 110 113 113 117 121 121


7.2 7.3

DOPRINOS K ZNANOSTI SMERNICE ZA NADALJNJE DELO

8 122 122

LITERATURA

123

PRILOGE

128

PRILOGA 1 PRILOGA 2

128 132


UPORABLJENE KRATICE KRATICE IN SIMBOLI Kratice: EPP EPŽ GMAW IIS IIW MAG MAGM MIG MSG RO TIG T.I.M.E.

- Elektroobločno Pod Praškom - Elektro Pod Žlindro Žlindro - Gas Metal Arc Welding Welding - Institut International de la Soudure - International Inter national Institute Institut e of Welding Welding - Metal Active Gas - Metal Active Gas Mixed - Metal Inert Gas - Metal-SchutzGasschwei Metal-Schut zGasschweiβen - Ročno Obločno - Tungsten Inert Gas - Transferred Transferred Ionized Molten Energy

Simboli: ag - statistična teža atoma aip - statistična teža pozitivnih ionov b [mm] - razdalja med sosednima žicama bn [mm] - širina navara d [mm] - premer varilne žice d k k [mm] - premer kapljice kapljice e0 [As] - osnovni naboj elektrona elektro na E [V/m] - gradient gradient napetosti E p [J/g] - energija potrebna pot rebna za pretalitev pret alitev 1 g jekla - frekvenca pulziranja f [Hz] f t t [/] - faktor oblike temena navara f u [/] - faktor oblike oblike uvara F [N] - sila F p [%] - polnilni polnilni faktor 2 g [m/s ] - gravitacijski pospešek h [Js] - Planckova konstanta konstant a 3 - vnesena vnesena toplota H [J/mm ] 3 H L[J/mm ] - vnesena toplota to plota v prosti prost i konec žice hn [mm] - višina višina temena navara I [A] - jakost varilnega toka to ka I k k [A] - jakost kratkostičnega toka I m [A] - srednja jakost varilnega toka to ka pri pulziranju I o [A] - jakost osnovnega osnovnega toka - jakost pulznega pulznega toka I p [A] 2 j [A/mm ] - gostota toka k [J/K] - Boltzmannova konstanta konstant a - dolžina prostega prost ega konca žice L [mm] LK [mm] - razdalja med kontaktno kontak tno šobo in varjencem Lo [mm] - dolžina obloka M [kg/h] - talilni učinek

9


M r r [g/s] - količina izparene kovine M k k [g] - masa kapljice kapljice - masa elektrona elektro na me [g] m p [g] - masa varjenca pred varjenjem mv [g] - masa varjenca po varjenju m zice [g] - masa žice n [/] - št. varilnih varilnih žic p [%] - verjetnost verjetnost dogodka 2 pn [mm ] - površina prereza temena navara 2 - površina prereza uvara pu [mm ] Qa [W] - toplota generirana generirana na anodi Qc [W] - toplota generirana generirana na katodi Qk [J/g] - energija kapljice kapljice po odcepitvi r k k [mm] - polmer kapljice kapljice r v [mm] - polmer vrata varilne žice r z [mm] - polmer varilne žice 2 - presek varilne žice S [mm ] S R [%] - stopnja stop nja razmešanja o T [ C], [K] - temperatura - čas t [s] t k k [s] - čas kratkega stika t o [s] - čas trajanja osnovnega toka t p [s] - čas trajanja pulznega toka t v [s] - čas varjenja u [mm] - globina uvara U [V] - napetost obloka - napetost prostega teka U 0 [V] U A [V] - anodni padec napetosti U C - katodni padec napetosti C [V] U E [V] - prielektrodni prielektrodni padec napetosti 3 V k k [mm ] - prostornina prost ornina kapljice kapljice vk [m/s] - hitrost kapljice kapljice med preletom preleto m vr [m/s] - hitrost kovinskih par - hitrost varjenja vv [m/min] v ž [m/min] [m/min] - hitrost podajanja varilne žice X i [/] - stopnja stop nja ionizacije ionizacije

η [%] α [Ω mm] β [J/g] γ [o] ϕ p [s] ρ [kg/m3] σ [N/m] ν [s-1] Φ [V] µ 0 [Vs/Am]

- relativni izkoristek pretaljev pret aljevanja anja dodajnega materiala - specifična upornost prostega prost ega konca žice žice - toplotna to plotna energija v žici pri sobni temperaturi temperat uri - kot tangente iz fazne meje na površino temena navara - fazni zamik med pulzi - gostota - površinska napetost - frekvenca elektromagnetnega elektro magnetnega valovanja valovanja - izstopno delo elektronov elektronov - permeabilnost permeabilnost

10


11

UVOD MIG/MAG način varjenja je dale č najbolj razširjen postopek elektro oblo čnega varjenje. Hiter razvoj MIG/MAG načinov varjenja se je za čel po drugi svetovni vojni zaradi pospešenega razvoja industrije, ki mu je botrovala potreba po uvajanju novih tehnologij in tehnik spajanja kovin. Na čin varjenja je primeren za različne naloge, z njim pa dosegamo visoko kakovost varov. Na tem podro č ju so tudi stalno potekale različne raziskave, katerih rezulat je bil pojav pulznega varjenja, novi načini visokoproduktivnega varjenja (T.I.M.E., RAPID ARC, ...) ter na čini varjenja z ve č žicami. Temu razvoju sem želel slediti tudi s temo te doktorske naloge, pulzno varjenje s tremi žicami. Naloga raziskovalcev s podro č ja razvoja načinov varjenja je torej jasna: pove čati produktivnost načinov varjenja, pri tem naj se kakovost zvarnega spoja ne spremeni, zaželeno pa je celo izboljšanje. Raziskovalci so uporabili zelo razli čne pristope, med katerimi lahko naštejemo naslednje: • varjenje varjenje s podaljšanim prostim koncem žice; • uporaba dodatne hladne ali vro če žice; • večžična elektroda; • več elektrodnih glav; • uporaba dodatnega kovinskega prahu. Glede na to, da so se v zadnjem času pojavili razni raziskovalci in proizvajalci, ki opisujejo tudi varjenje z dvema žicama pri varjenju v zaš čiti plina in je pri njih v ospredje postavljeno dejstvo o povečanju produktivnosti, smo tudi sami želeli raziskati številne teoreti čne in praktične neznanke pri teh načinih varjenja. Razvoj ve čžičnega varjenja v zaš čitnem plinu sledi razvoju ve čžičnega varjenja pod praškom. Obstajata dve varianti: prva z dvema ali tremi žicemi, lo čene kontakne šobe, viri energije, podajalne enote ter druga s skupno kontaktno šobo, enim virom energije in skupno podajalno enoto. V doktorski nalogi je opisan sistem s tremi žicami, lo čenimi enimi kontakt ko ntaktnim nimii šobami, lo čene podajalne enote ter en vir energije z ustreznim krmiljem. Dobljeni rezultati so zadovoljivi in in nakazujejo, da bo mogo če tak način varjenja varjenja kmalu uporabiti upor abiti v praksi. Po podatkih iz doma če in tuje literature je o čitno, da je raziskav, ki prou čujejo omenjene na čine ine varjenja, relativno malo, kar je tudi razumljivo, saj so na čini varjenja z ve č žicami v zaščitnem plinu šele na za četku razvoja. V ve čini dosedanjih opisanih raziskav je bil poudarek predvsem na konstrukciji samega vira energije in manj na tehnoloških parametrih procesa. Še posebej skopo pa so opisani produktivnost na čina varjenja ter vplivi vplivi nanjo. Raziskava, ki smo jo izvedli, izvedli, je lo čena na tri faze: • razvoj varilne opreme za pulzno varjenje s tremi tr emi žicami; žicami; • opis in raziskava tehnologije t ehnologije varjenja varjenja v zaš čitnem plinu s tremi žicami; • modeliranje procesa ter izdelava ena čb za napoved talilnega u činka. V okviru doktorske naloge je bil torej zajet razvoj vira energije, predvsem sekundarnega močnostnega dela, d ela, podajalnega mehanizm mehanizmaa in goriln gor ilnika. ika. Na osnovi izdelane varilne varilne naprave so bila bila opravljena tudi številna varjenja, ki jim je sledila analiza procesa varjenja, na katerega vplivajo številni varilni parametri. Vse to vpliva tudi na na čin prehajanja materiala. V nadaljevanju naloge je podana raziskava pretaljevanja dodajnega materiala, ki na osnovi talilnega učinka prikazuje produktivnost načinov varjenja, prikazani pa so tudi pripadajo či matematični modeli za napoved talilnega učinka pri varjenju z eno, dvema, tremi in n-žicami. Zadnji del naloge je namenjen dogajanju v talini vara oziroma o vplivu na obliko navara in najbolj pogoste napake navara, ki smo jih opazili v razvojni fazi projekta. Razvoj varilne opreme, priprava varjencev za raziskave, priprava eksperimentalnega mesta ter raziskave varilnega procesa so potekali na Institutu za varilstvo v Ljubljani. Fakulteti za strojništvo pa gre zahvala za nabavo vitalnih delov varilne opreme.


12

1. PREGLED LITERATURE 1.1 ZGODOVINSKI PREGLED VARJENJA Varjenje oz. spajanje materialov se je razvijalo vzporedno z razvojem znanja o materialih. Kljub temu pa je bilo do leta 1880 malo znanih postopkov spajanja materiala (spajkanje in kovaško varjenje). S pojavom elektrike se je pojavila tudi možnost uporabe elektri čnega obloka za varjenje. Prvič je oblok za varjenje uporabil N.N. Benardos leta 1882. Že leta 1885 sta N.N. Benardos in S. Olszewski v Franciji, Veliki Britaniji, Nem čiji in na Švedskem patentirala postopek elektroobločnega varjenja z ogleno elektrodo ob isto časnem dodajanju žice kot dodajnega materiala [44]. Začetki oplaščene elektrode segajo v letu 1907, izum pa pripada Kjellbergu [44]. Leta 1948 je bil v ZDA razvit elektrooblo čni način varjenja v zaš čiti inertnega plina (helij ali argon) s taljivo elektrodo ali kratico MIG ("Metal Inert Gas"). Postopek je bil patentiran leta 1949. V začetku so ga uporabljali predvsem za varjenje aluminija in njihovih zlitin, a se je kasneje uporaba razširila tudi na varjenje drugih kovi. V letih 1951/52 je Ljubovskij v nekdanji ZSSR poskusil namesto inertega plina uporabiti veliko cenejši plin ogljikov dioksid. Za razliko od helija ali argona je ogljikov dioksid aktiven plin, zato so na čin varjenja poimenovali s kratico MAG ("Metal Active Gas"). Ta na čin varjenje je bil primeren zlasti za varjenje malolegiranih jekel. Kot dodajni material so se uporabljale masivne žice, vendar so se zelo kmalu pojavile tudi strženske žice. S ciljem izboljšanja fizikalno metalurških lastnosti vara so se že takoj po 60-tih letih za čele uporabljati tudi t udi mešanice mešanice plinov argon, argo n, helij, ogljikov dioksid in kisik. Na osnovi problemov prehajanja materiala (predvsem brizganje), ki nastopa pri tem na činu inu varjenja, so konec 60-tih let razvili in tudi v praksi uporabili pulzno varjenje aluminija in njegovih zlitin. Uporabljali so se predvsem argon in helij. Kmalu je pulzno varjenje našlo uporabnost tudi pri varjenju jekel v plinskim mešanicah argona in helija z ogljikovim dioksidom ali kisikom. V zadnjih tridesetih letih so MIG/MAG na čini varjenja dosegli izjemno hiter razvoj ter tako postali najpogosteje uporabljan na čin varjenja. varjenja. Razlogi za to so naslednji: • enostavna oprema, • možnosti ro čnega, mehaniziranega mehaniziranega ali robot r obotiziranega iziranega varjenja, • ekonomičnost, • visok talilni učinek (visoka produktivnost), • relativno visoka kakovost zvarnih spojev, • enostavna priu čitev. S temi načini varjenje lahko varimo vse komercialno pomembnejše kovine, kot so konstrukcijska jekla, visokotrdnostna jekla, nerjavna jekla, nikelj in njegove zlitine, aluminij in njegove zlitine, baker ter njegove zlitine itd.

1.2 VARILNI OBLOK 1.2.1 SPLOŠNO Za segrevanje se uporabljajo pri varjenju razli čni energetski viri oz. oblike energije (električna, kemična, mehanska, svetlobna itd.), ki jih na razli čne načine pretvarjamo v toplotno energijo. V varilni tehniki se v najve č ji meri uporabljajo viri toplote, ki pretvarjajo električno energijo v toplotno. To je posledica dobro razvejanega elektri čnega omrežja ter dejstva, da je tak na čin segrevanja metalurško gledano čist (z gretjem se v var ne vnašajo drugi kemi čni elementi kot npr. pri plamenskem plamenskem varjenju).


13

Električni oblok je v varilni tehniki najpomembnejši vir toplotne energije. V času razvoja varjenja se je oblok kot vir energije vse bolj in bolj uveljavljal, tako da danes zavzema oblo čno varjenje že večino vseh varilskih del [46].

1.2.2 OSNOVE VARILNEGA OBLOKA V varilnem obloku se električna energija pretvarja v toplotno, ki tali osnovni in dodajni material. V literaturi, ki opisuje lastnosti in sestavo električnega obloka, najdemo številne definicije. Kot najbolj splošno veljavno definicijo definicijo elektri elekt ričnega obloka lahko navedemo slede čo: Električni oblok je električno praznenje med elektrodama v ioniziranem plinu [47]. Fiziki menijo, da je treba oblok definirati s stališ ča jakosti varilnega toka ter padca napetosti. Če opredelimo oblok na ta na čin, potem je zanj zna čilno področ je jakosti toka od 0,1 A oz. 1 A do zelo velikih vrednosti, kjer je padec napetosti v obmo č ju od nekaj voltov pa do nekaj deset voltov [48].

Slika 1.1:

Varilni oblok s taljivo elektrodo elektro do [47]

Na sliki 1.1 je shematsko prikazan varilni oblok s taljivo elektrodo. Varilni oblok, ki gori med negativno elektrodo (katodo) in pozitivno elektrodo (anodo), je del tokokroga, skozi katerega se prevaja varilni tok. Nosilci elektrenine so elektroni ter pozitivi ioni. Ker imajo elektroni 100-krat več jo gibljivost od ionov v ionizirani plazmi, se elektri čni tok prenaša skozi oblok v najve č ji meri z elektroni in le 0,2% do 3% z ioni [49]. Kato d a

S te b er o b lo k a

Anoda

U [V] E [V/m]

U(x) E(x)

Anodni padec napetosti

Katodni padec napetosti

Dolžina Dolžina o bloka

Slika 1.2:

Varilni oblok, padec napetosti napetost i in elektri čno polje v varilnem obloku [47]

Električno polje med elektrodama ni linearno. Tik ob elektrodah opažamo razmeroma velik padec napetosti, medtem ko je v stebru obloka padec napetosti enakomeren. Z ozirom na padec napetosti in procese, ki potekajo v obloku, lahko oblok razdelimo na tri zna čilna področ ja (glej tudi sliko sliko 1.1) [47]: • katodno podro č je s katodno pego,

14


• steber obloka, • anodno podro č je z anodno pego.

1.2.2.1 KATODNO PODROČJE Katodno podro č je zavzema zelo ozek prostor (5⋅10-6 m) ob negativni elektrodi [49]. To podro č je se nadalje deli še na tri dele (podro č je prostorskega naboja, podro č je visoke osvetlitve in zoženo podro č je). Pri varilnem obloku lo čimo naslednje izvore elektronov [47, 49]: a) termična emisija emisija elektronov: elekt ronov: Katoda, ki je segreta na dovolj visoko temperaturo, emitira elektrone v skladu z RichardsonDushmanovo ena čbo: 2

 e0 ⋅ Φ    k ⋅ T 

(1.1);

j = A ⋅ T ⋅ exp −

b) poljska emisija emisija elektronov: elektro nov:  e0 ⋅ Φ 4,39 ⋅ E 0,5   + j = A ⋅ T ⋅ exp − ⋅ ⋅ k T k T   2

(1.2);

c) fotoemis foto emisija ija zaradi obsevanj o bsevanjaa z elektromagnetnim elektro magnetnimii valovi: (1.3);

h ⋅ν = e0 ⋅ Φ

d) bombardiranje z ioni. Površino na katodi, iz katere izstopajo elektroni, imenujemo katodna pega. Ta z visoko gostoto toka "pleše" po površini in "iš če" najugodnejše mesto za emisijo elektronov, ki je v veliki meri odvisna od vrste materiala in poljske jakosti. Gostota toka na katodni pegi je lahko zelo razli čna. Spreminja se v odvisnosti od razli čnih faktorjev in znaša od 10 6 do 1012 A/m2 [47]. S toplotnega stališča moramo opazovati procese na katodni pegi, ki katodi energijo dovajajo (pozitivni ioni), ter procese, ki s katode energijo odvajajo (termi čne emisija elektronov, prevod toplote to plote po katodi, kat odi, energija potrebna pot rebna za segrevanje in taljenje katode kato de - delno delno tudi izparevanje, izparevanje, toplotne izgube zaradi sevanje). Toploto, ki se generira na katodi zaradi gorenja obloka, lahko matematično popišemo z ena čbo [29]: 

QC = I ⋅ U C − Φ −



2 ⋅ k ⋅ T  e0

 

(1.4).

Iz zgornje ena čbe vidimo, da je toplota, generirana na katodi, odvisna od: • jakosti varilnega toka I , • padca napetosti v katodnem obmo č ju U C C , • izstopnega dela elektronov Φ , • temperature T na katodi. Temperatura katodne pege pri varjenju s taljivo jekleno elektrodo znaša približno 2700 K [50].

1.2.2.2 STEBER OBLOKA Steber obloka zavzema del obloka med katodnim in anodnim podro č jem (glej sliko 1.2). Skozi steber obloka se prenaša varilni tok v glavnem z elektroni zaradi ve č je gibljivosti in v manjši meri z ioni, v njem pa so tudi nevtralni delci, atomi in molekule. Pogoji so v stebru obloka veliko bolj definirani kot v katodnem in anodnem podro č ju.


15

Pomembna lastnost stebra obloka je njegova elektri čna nevtralnost: pri atmosferskem in povišanem tlaku vsebuje vsaka enota prostornine stebra obloka enako število pozitivnih in negativnih nosilcev naboja. Posledica elektri čne nevtralnosti je konstantno elektri čno polje v stebru obloka. Gradient padca napetosti v stebru obloka je približno 10 3 V/m, vendar se lahko poveča, če se povečajo izgube toplote v okolico. Tako na primer znaša pri varjenju po MAG načinu z žico premera φ1,2 mm gradient padca napetosti od 1500 do 3500 V/m [51]. Gostota toka v stebru obloka znaša od 10 6 do 107 A/m2 [47]. Druga lastnost stebra obloka je približno termi čno ravnotežje pri atmosferskem tlaku. Pri tem je temperatura elektronov T e vedno več ja od temperature plina T g. Odstopanja od termičnega ravotežja v katodnem in anodnem podro č ju nastopijo zato, ker je v teh podro č jih malo trkov med delci in je s tem izmenjava energije med njimi nepopolna. Temperatura obloka dolo ča mnoge lastnosti stebra obloka, med njimi tudi stopnjo disociacije in ionizacije. ionizacije. Stop S topnjo njo ionizacije ionizacije lahko izra čunamo iz termodinam ter modinamiične zveze, ki jo je podal Saha [49]: 2

X i

2

1 − X i

=

2 ⋅ aip  2 ⋅ π ⋅ me  3 / 2 k ⋅ T 5 / 2 ag

⋅



h

 

2

⋅

p g

⋅ e0−W /( k ⋅T ) i

(1.5).

Za steber obloka sta zna čilni visoka temperatura in velika hitrost pretokov plazme. Na temperaturo v stebru obloka vpliva mnogo faktorjev. V splošnem znaša temperatura stebra obloka od 6000 do 27000 K [1, 47].

1.2.2.3 ANODNO PODROČJE Anodno podro č je je v nekaterih pogledih podobno katodnemu. V obeh primerih obstaja zoženo podro č je med stebrom obloka in površino elektrode, v katerem nastopi padec napetosti. Anodno podro č je zavzema prostor ob pozitivni elektrodi (anodi), ki znaša od 5 ⋅10-7 do 2⋅10-6 m [47]. Elektroni, ki so zapustili katodo in se gibljejo skozi katodno podro č je ter steber obloka, so del energije že oddali, del pa jo oddajo na površini anode in jo segrejejo do vreliš ča. Po nekaterih podatkih anoda ne emitira pozitivnih ionov, tako da so nosilci naboja izklju čno elektroni [47]. Vpliv anode na oblok je manjši od vpliva katode, zato je bilo tudi narejeno manj raziskav o tem podro č ju. Padec napetosti v anodnem podro č ju je odvisen od vrste in sestave materiala, ni pa odvisen od jakosti varilnega toka. Anodni padec napetosti je manjši od katodnega in znaša od 2 do 10 V [47]. Gostota toka na anodni pegi je manjša kot na katodni pegi ter se giblje od 10 6 do 108 A/m2 [47]. Temperatura, ki jo dosega anodna pega, je višja od temperature katodne pege in znaša od 2530 do 3440 K (manjša gibljivost anodne pege, zaletavanje elektronov) [29]. Toplota, transformirana na anodo, se po Lancastru popiše z naslednjo ena čbo [52]: 

Q A = I ⋅ U A + Φ A −



2 ⋅ k ⋅ T  e0

 

(1.6).

1.2.3 STATIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA Statična karakteristika varilnega obloka podaja odvisnost med varilnim tokom in napetostjo obloka med varjenjem, neodvisno od časa: U = f ( I )

(1.7).


16

Karakteristika varilnega obloka pri nižjih jakostih varilnega toka se razlikuje od karakteristike ohmskega upora. Stati čno karakteristiko obloka lahko razdelimo na tri zna čilna območ ja (glej sliko 1.3). U [V] lobl,1 > l obl,2

l obl,1 l obl,2

dU/dI < 0

dU/dI = 0

dU/dI > 0 I [A]

Slika Slika 1.3:

Statična karakteristika varilnega obloka

Ayrtonova [47] je bila prva, ki je na osnovi eksperimenta z ogleno elektrodo naredila matemati čen zapis U-I karakteristike varilnega obloka: U = A + B ⋅ Lo +

C + D ⋅ Lo

(1.8).

I

Enačba (1.8) velja za padajo či in vodoravni del statične karakteristike. Nekoliko druga če je U-I karakteristiko zapisal Goldman [47]: U = A + B ⋅ I +

C

(1.9),

I

kjer so vrednosti konstant A, B in C odvisne od dolžine obloka Lo in vrste medija, v katerem gori oblok. U [V]

U [V]

Uo

DELOVNA TOČKA

oblok

Uo Uo Uv Uo

Uv vir

I k Iv I k

Slika 1.4:

Ik

I [A]

oblok

DELOVNA TOČKA

Iv

vir

I [A]

Delovna to čka pri padajo či in vodoravni statični karakteristiki vira energije

Delovna to čka oz. ustrezna varilna napetost ter jakost varilnega toka sta dolo čeni s presečiščem statične karakteristike obloka in statične karakteristike vira energije (glej sliko 1.4). V tej to čki mora biti izpolnjen še pogoj stabilnosti gorenja obloka: dU obl dI obl

−

dU vir dI vir

>0

Stabilnost gorenja obloka je odvisna od elektri čnih in energetskih razmer med elektrodama.

(1.10).


17

1.2.4 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA Zaradi spremembe dolžine varilnega obloka se spremeni tudi jakost varilnega toka in napetost obloka, kar prikaže tudi dinamična karakteristika varilnega obloka. Spremembe napetosti in toka so v praksi zelo hitre in so pod vplivom razli čnih faktorjev, kot so: • električna in toplotna prevodnost obloka, elektrode in varjenca; • dolžina prostega konca žice in dolžine obloka; • vrsta zaščitnega sredstva itd. Dinamično karakteristiko lahko posnamemo npr. z elektronskim ve čkanalnim osciloskopom (glej sliko 1.5) in tako dobimo slede či odvisnosti: U = f (t )

in I = f (t )

(1.11).

Z dinamično karakteristiko lahko ugotovimo primernost varilnih parametrov ter na čin prehajanja materiala. Pojav kratkega stika med elektrodo in varjencem ter prehod ve č je ali manjše kapljice spremljata povečanje jakosti varilnega toka in padec varilne napetosti.

Slika 1.5:

Časovni

potek varilnega toka in napetosti pri razli čnih načinih prehajanja materiala

1.2.5 PREHAJANJE MATERIALA MATERIALA SKOZI SKOZI VARILNI OBLOK Dodajni material se v obloku raztali, preide v teko če stanje in zaradi delovanja sil oblikuje kapljico raztaljene kovine, ki nato preide skozi oblok v talino. Na čin prehoda materiala skozi varilni oblok do varjenca predstavlja pri oblo čnem varjenju pomembno vlogo. Oblika prehoda materiala vpliva na: • metalurške in kemične procese med raztaljeno kovino in zaš čitnim sredstvom; • obliko vara; • brizganje; • posredno tudi na mehanske lastnosti zvarnega spoja.

1.2.5.1 1.2.5 .1 SILE V VARILNEM OBLOKU PRI PREHODU MATERIALA Pri varjenju s taljivo elektrodo se zaradi uporovnega segrevanja ter segrevanja s strani varilnega obloka tali dodajni material. Na konici elektrode se oblikuje kapljica, ki se nato odtrga ter preide v talino pod vplivom različnih sil, ki delujejo nanjo. Varilni tok je eden od osnovnih dejavnikov, ki


18

vplivajo na velikost sil v obloku ter s tem tudi na na čin prehoda materiala. Nanj delujejo v varilnem obloku naslednje sile, ki pospešujejo ali zavirajo prehod kapljice (glej sliko 1.6) [47, 49]: • sila gravitacije, • sila površinske napetosti, • elektromagnetna sila, • sila reakcijskega delovanja zaradi izparevanja kovine, • sila, povzro čena zaradi pretokov plinov in plazme, • sila zaradi plinskih in parnih izbruhov, • sila, povzro čena z zunanjim magnetnim poljem, • zunanje mehanske sile. dz

dz

Fpn

dv Fpn ds Fg

Slika 1.6:

Fem r Fem a Fem

Fem r ds

Fr

Fg

Fr

Shematski prikaz nekaterih sil pri varjenju varjenju s taljivo žično elektrodo [47, 49]

a) Sila gravitacije F g Sila gravitacije deluje v smeri prehoda materiala ali pa v nasprotni smeri, odvisno od položaja varjenja. Za kapljico kroglaste kro glaste obli o blike ke velja, da je gravitacijska g ravitacijska sila enaka F g =

4 ⋅ π ⋅ r k 3 ⋅ ρ ⋅ g 3

(1.12).

b) Sila površinske napetosti F pn Ko je raztaljena kapljica na koncu varilne žice, sila površinske napetosti nasprotuje prehodu kapljice. Na velikost sile površinske napetosti vpliva koeficient površinske napetosti σ , ki je odvisen od vrste dodajnega materiala, temperature kapljice (glej sliko 1.9), oblike kapljice ter plinske atmosfere, v kateri se odvija proces varjenja. ] m 2 / N [ t s 1,95 o t e p a 1,9 n a k s n 1,85 i š r v o P 1,8

15 00

155 0

1600

16 50

Temperatura [ oC]

1700

1750

Slika 1.7: Vpliv temperature temperat ure na površinsko napetost staljenega železa [53] Vrednost sile površinske napetosti lahko izra čunamo s pomo č jo naslednje ena čbe [54]: 2

F pn = 2 ⋅ π ⋅ σ ⋅

r z

r k

c) Sila S ila reakcijskega delovanja F r r

(1.13).


19

Sile reakcijskega delovanja se pojavi zaradi izparevanja kovine na elektrodi. Izparevanje na kapljici se pojavlja na ve č mestih. Velikost rezultante sil je odvisna od jakosti varilnega toka, deluje pa v smeri zaviranja odcepitve kapljice od žice. Na osnovi ena čbe (1.14) lahko izra čunamo njeno vrednost [54]: (1.14).

F r = M r ⋅ v r

d) Sila, povzro čena zaradi pretoka plinov in plazme F pl Zaradi pretoka plazme se ustvarja pritisk na kapljico, kar pospešuje hitrost kapljice pri prehodu. Hitrost plazemskega pretoka lahko izra čunamo s pomo č jo enačbe [47]: v pl =

I

π ⋅ r

⋅

µ 0

(1.15).

2 ⋅ ρ

e) Elektromagnetna sila F em em Pri pretoku toka skozi kapljico se tvori magnetno polje, ki vpliva na nastanek elektromagnetne sile (Lorentzova sila). Sila je sestavljena iz radialne F em,r em,r ter aksialne komponente F em,a em,a, kar prikazuje tudi slika 1.6. Radialna komponetna elektromagnetne sile se imenuje tudi sila pinch efekta (efekt stiskanja). Pri delovanju te sile (ter drugih sil) se zaradi deformacije varilne žice (stiskanja) tvori vrat varilne žice. Radialna komponenta sile ne vpliva na prehod kapljice od varilne žice proti talini, izračunamo pa jo lahko po ena čbi: µ 0 ⋅ I 2 F em,r = 8 ⋅ π

(1.16).

Velikost aksialne komponetne lahko izra čunamo po slede čih enačbah: • pred tvorjenjem vratu F em,a =

µ 0 ⋅ I 2

4 ⋅ π

⋅ ln

r s r z

(1.17),

• ko je vrat že oblikovan F em, a =

µ 0 ⋅ I 2

4 ⋅ π

⋅ ln

r s r v

(1.18).

Sila F em,a em,a je lahko ve č ja od nič (pospešuje odcepitev kapljice), manjša od ni č (zavira odcepitev kapljice) ali enaka ni č. Da bi bila vrednost izraza ve č ja od nič, mora biti polmer stebra obloka na površini kapljice ( r s) več ji od polmera vratu (r v). Polmer stebra obloka je odvisen od jakosti varilnega toka, polaritete ter vrste zaš čitnega plina. Ve čanje jakosti varilnega toka ter pozitivna polariteta večajo polmer stebra obloka. Zanimiv je slučaj, ko je F em,a em,a = 0. V tem primeru se ustrezna jakost varilnega toka imenuje "kritična jakost varilnega toka", prehod materiala pa se spremeni iz kapljastega na čina prehoda v pršečega. Hitra sprememba iz enega na čina prehoda v drugega se lahko dogodi le v plinskih mešanicah, mešanicah, ki niso preve č bogate z ogljikovim dioksidom, kot je prikazano na sliki 1.8.

20

RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA TOKA 200 1 - 100% Ar 2 - Ar + 25% CO2 3 - Ar + 60% CO2 4 - 100% CO2 5 - Ar + 13% CO2+ 3% O2

] 1 -

s [ v 150 o k i t s h i k t 100 a r k a c n e 50 v k e r F

0

2 4 5

3

1 0

100

200

300

400

500

600

Jakost varilnega varilnega toka [A]

Slika 1.8:

Odvisnost števila kratkih krat kih stikov pri prehodu materiala od jakosti varilnega toka ter zaščitnega plina [55]

1.2.5.2 1.2.5 .2 KLASIFIKACIJA PREHAJANJA MATERIALA Odvisno od bilance sil v varilnem obloku lahko nastopijo razli čni načini prehajanja materiala. Tabela 1.1 ter slika 1.9 prikazujeta klasifikacijo po priporo čilu študijske skupine 212 in komisije XII-F Mednarodnega instituta za varjenje (IIW) [56]. Klasifikacija prehoda materiala temelji na fenomenoloških študijah z uporabo hitroteko če kamere. Tabela 1.1:

Klasifikacij Klasifikacijaa prehajanja materiala po priporo čilih IIW [56]

NAČIN PREHAJANJA MATERIALA 1 prehajanje s prostim preletom 1.1 prehajanje kapelj 1.1.1 kapljasti prehod 1.1.2 prehod z odbojem odbojem 1.2 pršeče prehajanje 1.2.1 usmerjen prehod 1.2.2 prehod s tečenjem 1.2.3 prehod z vrtenjem (rotirajoč) 1.3 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2

eksplozijsko prehajanje (z razpočenjem) prehajanje s premoščanjem prehod s kratkim stikom trajno premoščanje prehajanje ob zaščiti žlindre prehod ob steni žlindre žlindr e drugi načini prehoda

PRIMER

SLIKA 1.9

MIG, nizek tok MAG (CO2)

a b

MIG, MAGM, pulzno MIG/MAG, več ji tok PLAZMA-MIG, MIG/MAG z zelo visokim tokom RO, MAG

c d e f

MAG, nizek tok hladna ali vroča dodatna žica

g

EPP RO, EPŽ, strženska žica

h

Na sliki 1.9 so prikazani posamezni na čini prehoda, spodaj pa je podan opis vsakega od njih. a) Pri kapljastem prehodu je gravitacijska sila najvplivnejša sila, ki pripomore k prehodu kapljice. Ta ima več ji premer, kot je premer elektrode. V takem primeru je gostota toka v varilni žici nizka, prav tako pa je majhna tudi frekvenca prehoda kapljic. b) Pri uporabi molekularnega plina z višjo disociacijsko energijo se steber obloka zoža. Pojavi se delovanje odbojne sile, ki nasprotuje prehodu kapljice. Delovanje odbojne sile je poleg tega tudi asimetrično, zato pride do rotacije kapljice izven osi elektrode. Kapljica je nepravilno oblikovana ter ima ve č ji premer, kot je premer elektrode. Pri tem načinu prehoda je obi čajen pojav nekoliko ve č je brizganje. c) Usmerjen prehod materiala se pojavi pri uporabi pulznega varilnega toka ter v zaš čiti plina z majhno toplotno prevodnostjo. K prehodu pripomore v veliki meri elektromagnetna sila, zato se kapljica odtrga še predno je njena masa zadosti velika. Skozi oblok leti kapljica z visoko hitrostijo. Premer kapljice je približno enak ali manjši od premera elektrode.


21

d) Slika 1.9 d prikazuje prehod materiala s te čenjem, ki je v bistvu posebna oblika usmerjenega prehoda. Tvori se koni čna oblika staljene konice elektrode, na koncu katere se odcepijo drobne kapljice druga za drugo, skoraj v curku. Gostota varilnega toka v tem primeru ni visoka samo v času trajanja pulza, kot v primeru prehoda na sliki 1.9 c, ampak je celotna raven gostote toka veliko višja. Uvar ima zna čilno obliko, t. j. na sredini je globok, ob straneh pa plitek (uvar v obliki prsta). e) Z večanjem gostote varilnega toka preide staljena konica elektrode v obliko spirale in za čne rotirati. Po Schellhaseju nastane tak prehod materiala zaradi podaljšanega prostega konca žice ter močnega longitudinalnega magnetnega polja ali zaradi magnetnega polja sosednjega obloka (v primeru varjenja z ve č obloki). Zaradi rotacije padajo kapljice v talino vara radialno, uvar je zato širok in plitek. f) Prehod z razpo čenjem je posledica kemi čnih reakcij v staljenem dodajnem materialu in se večinoma pojavi pri varjenju z oplaš čeno elektrodo. Isto časno preide iz elektrode do varjenca več različno velikih ter nepravilno oblikovanih kapljic. Zaradi burnih reakcij se pove ča količina ina obrizgov. g) Kadar sta gostota varilnega toka ter varilna napetost nizka, je velika možnost, da se pri odcepitvi kapljice tvori most med elektrodo in varjencem. Pojavi se kratek stik. Naraš čanje kratkostičnega toka pove čuje tudi silo pinch efekta, ki zožuje most. Prehod materiala se izvede s silo površinske napetosti ob pomo či elektromagnetne sile. Pri ponovni vzpostavitvi obloka se most sunkovito sunkovito pretrga, del čki, ki poletijo, pa tvorijo obrizge. h) Prehod ob steni žlindre nastopi pri varjenju pod praškom EPP ter pri varjenju z oplaš čeno elektrodo. Staljena kapljica zdrsne ob steni žlindre ali ob staljenem prašku v talino. Za prehod kapljice je pomembno omo čenje med kapljico in žlindro.

Slika 1.9:

Načini prehajanja prehajanja materiala mater iala po klasifikacij klasifikacijii IIW [49]

Z namenom, da se izboljša nadzor prehoda materiala, so bili v zadnjih letih razviti elektronsko krmiljeni viri energije. Z modifikacijo jakosti varilnega toka glede na čas je možno dose či zadovoljiv nadzor prehoda materiala. Obstajata dva tipa krmiljenega prehoda materiala: • pulzni, • krmiljeni kratkostični. ni. Pulzni načini varjenja v zaščitnih plinih so bili uvedeni z namenom, da se doseže prše či prehod materiala pri jakostih varilnega toka (srednja vrednost), ki so manjše od "kriti čne jakosti varilnega toka". Gorenje obloka se vzdržuje z nizko jakostjo varilnega toka, medtem ko se prehod materiala izvede pri visoki jakosti toka. Pulzni na čin varjenja je podrobneje obdelan v nadaljevanju.


22

Pri krmiljenem kratkostičnem načinu prehajanja materiala je bistvo v krmiljenju jakosti varilnega oz. kratkostičnega toka kot odgovor o dgovor na dogodke pri kratkem stiku [57].

1.3 OSNOVE NAČINOV VARJENJA V ZAŠČITNEM PLINU S TALJIVO ELEKTRODO Obločno varjenje v zaš čiti plina s taljivo elektrodo je na čin varjenja, kjer oblok gori med dodajnim materialom v obliki brezkončne žične elektrode ter varjencem. Dodajni material se tali zaradi uporovnega segrevanja v prostem koncu žice ter zaradi oblo čne energije. Varjenec se pretaljuje pretežno zaradi energije obloka. Dodajni material se tali in prehaja v talino v zaš čitni atmosferi. Istočasno mora biti zaščitena tudi talina vara, sicer bi vodik, kisik in dušik iz okoliške atmosfere prešli v talino, rezultat tega pa je porozen var. Zaščitni plin se v tem primeru dovaja v oblo čno podro č je skozi gorilnik. Dodajni material, ki je žica, navita na kolut, se prek podajalnega mehanizma podaja v varilni proces. Shemati čna zgradba naprave za varjenje v zaš čiti plina je prikazana na sliki 1.10. Gorilnik je s cevnim paketom povezan z virom energije. Cevni paket vsebuje vodilo ži čne elektrode, cev za dovod zaš čitnega plina, vodilo elektri čnega toka, dovod in odvod hladilne tekočine. Naloga vira energije je nemotena preskrba z elektri čno energijo za vžig in gorenje obloka. Krmilna omarica s podajalnim mehanizmom služi krmiljenju procesa varjenja ter podajanju žične elektrode skozi cevni paket do gorilnika, kjer se odtaljuje.

Slika 1.10:

Shematična zgradba naprave za varjenje v zaš čiti plina

Osnovna zna čilnost tega načina varjenja je visoka gostota toka. Glede na vrsto elektrode lo čimo imo načine varjenja z netaljivo in s taljivo elektrodo. Glavna delitev na činov varjenja v zaš čitnem plinu s taljivo elektrodo se nanaša na vrsto zaš čitnega plina, in sicer: • varjenje v zaš čiti inertnega plina - MIG Uporabljajo se inertni plini helij, helij, argon ter njihove njihove mešanice z ogljikovim dioksidom dioksidom in kisikom, katerih delež v mešanici je zelo majhen, • varjenje v zaš čiti aktivnega plina - MAG Uporablja se aktivni plin ogljikov dioksid, ki pa je lahko tudi v mešanici z argonom, helijem ter kisikom. Načini varjenja v zaš čiti aktivnih plinskih mešanic se ozna čujejo tudi s kratico MAGM.


23

1.3.1 TALILNI UČINEK Talilni učinek je definiran s količino pretaljenega dodajnega materiala v časovni enoti in je najpomembnejši faktor za oceno produktivnosti vsakega varilnega postopka. Pri ročnem oblo čnem varjenju z oplaščenimi elektrodami je gostota varilnega toka v mejah med 12 in 20 A/mm2. Glavni razlog, ki prepre čuje močnejšo tokovno obremenitev elektrode, je segrevanje elektrode zaradi ohmskega upora pri prevajanju varilnega toka. Pri MIG/MAG načinih varjenja je glavna ovira za pove čanje gostote toka odstranjena, saj tok dovajamo po posebnem kablu do same kontaktne šobe, nameš čene v neposredni bližini obloka, ki je včasih tudi vodno hlajena. S tako visoko gostoto toka dosežemo zelo hitro odtaljevanje materiala. Znano je, da se pri varjenju s taljivo elektrodo za taljenje dodajnega materiala izrablja elektri čna moč, ki je izražena s produktom jakosti varilnega toka s padcem napetosti v prostem koncu žice in v obloku oz. pri varjenju s plus polom na elektrodi v anodnem podro č ju in pri varjenju z minus polom na elektrodi v katodnem podro č ju obloka. V varilni proces dovedena električna energija se pretvori v toplotno energijo in ta pove ča notranjo energijo dodajnemu materialu do tališ ča. Oblikuje se kapljica, ki preide v talino vara. Prehod kapljice je povzro čen predvsem zaradi delovanja sil, opisanih v poglavju 1.2.5.1. Celotno energijo, ki je dovedena dodajnemu materialu, lahko popišemo s splošno ena čbo: M ⋅ (Qk + β ) = U E ⋅ I +

α ⋅ I 2 ⋅ L S

(1.19).

V enačbi (20) predstavlja oznaka α specifično upornost na konici prostega konca žice, oznaka β pa toplotno energijo, vsebovano v žici pri sobni temperaturi. Obe vrednosti sta konstantni za določen dodajni material. Konstanta Qk predstavlja celotno energijo, ki jo vsebuje kapljica takoj po odtrganju od žice, in znaša pri varjenju s taljivo elektrodo φ1,2 mm v zaš čitnem plinu 1440 J/g [58]. Paton [59] navaja, da znaša potrebna energija za raztalitev 1 g jekla brez izgub 1340 J. Vrednosti U E predstavljajo anodni oz. katodni padec napetosti. Halm φy [58] je v svojem delu izračunal anodni padec napetosti, ki znaša 3,48 V za elektrodo premera φ1,2 mm v zaščiti CO2. V največ ji meri vpliva na talilni učinek jakost varilnega toka, kar je prikazano tudi na sliki 1.11. Istočasno je na tej sliki prikazan tudi vpliv premera elektrode na talilni u činek. Tudi dolžina prostega konca žice ni zanemarljiv podatek, saj se v tem delu žica segreva zaradi ohmske upornosti in s tem vpliva na talilni u činek.

Slika 1.11:

Odvisnost talilnega u činka od jakosti varilnega toka za razli čne premere žičnih elektrod; zaščitni plin CO2 [60] V literaturi s podro č ja varjenja je bilo objavljeno mnogo člankov raziskovalcev, ki so raziskovali talilni učinek pri varjenju s taljivo elektrodo in so želeli opisati proces z ena čbo ali modelom za napoved talilnega u činka. Do rezultatov lahko pridemo na dva oz. tri razli čne načine: • izvedemo veliko število eksperimentov ter dobljene vrednosti statisti čno obdelamo; • izdelamo izdelamo matematični model, ki temelji na fizikalnih zakonitostih;


24

• kombiniramo kombiniramo oba na čina (fizikalne poenostavitve + statisti čna obdelava podatkov).

Med prvimi je obsežne raziskave na podro č ju talilnega učinka izvedel Wilson s svojimi sodelavci [61]. Proučeval je talilni u činek pri varjenju z enojno ži čno elektrodo v različnih zaščitnih medijih. Na osnovi eksperimentalnih rezultatov je navedel slede čo enačbo za napoved talilnega u činka: M = 9,53 ⋅ 10

−3

−5

2

⋅ I + 4,22 ⋅ 10 ⋅ d ⋅ I + 2,93 ⋅ 10

−7

⋅

I 2, 22 ⋅ L1, 22 2, 44

d

(1.20).

V današnjem času samo ena ena čba za napoved talilnega u činka ne zadostuje ve č, saj enačba (1.20) ne pokriva vpliva vrste varilnega toka, polaritete, vrste zaš čitnega medija in drugo. Zato so se kmalu za čele pojavljati nove ena čbe za napoved talilnega u činka. Lesnewich [62] je že dve leti za Wilson-om razvil nov matemati čni model za napoved talilnega učinka. V svojih raziskavah je prou čeval tudi vplive polaritete, vrste zaš čitnega plina ter kemične sestave elektrode na talilni u činek. Z upoštevanjem vseh vplivov je priredil empiri čno enačbo, ki matematično napove talilni u činek za enosmerni tok, s plus polom na elektrodi, za malo legirana jekla: M = 7,71 ⋅ 10

−3

⋅ I + 2,043 ⋅ 10

−4

2

⋅ d ⋅ I + 3,1 ⋅ 10

−6

⋅

L ⋅ I 2 2 ,52

d

(1.21).

Pri raziskavi je upošteval tudi vpliv zaš čitnega plina na talilni u činek, vendar je ugotovil, da je vpliv zanemarljiv. Izredno preprost matemati matematični model talilnega u činka navajata avtorja v članku [64]: M = A ⋅ I + B ⋅ L ⋅ I 2

(1.22).

Ker sta v ena čbi upoštevani le jakost varilnega toka ter dolžina prostega konca žice, je veljavnost omenjene enačbe (1.22) omejena zgolj na en premer elektrode. V ena čbi zajema konstanta A vpliv segrevanja s strani obloka, medtem ko konstanta B zajema vpliv segrevanja v prostem koncu žice zaradi ohmske upornosti. Avtorja Halmφy [58] in Waszink [63] sta se lotila izdelave matemati čnega modela za napoved talilnega učinka na drugačen način. Izhajala sta iz fizikalnih zakonitosti segrevanja prostega konca žice. Enačbe, ki sta jih izpeljala avtorja, so zelo posplošene, zato je potrebno dolo čiti koeficiente v enačbah za izbran dodajni material. Če v enačbe vstavimo konstante ter jih prevedemo v želeno obliko, se za primer malo legiranega jekla ter prše č prehod materiala ena čbi za napoved talilnega učinka glasita: • Halmφy M = 6,5 ⋅ 10

−3

−6

⋅ I + 2,88 ⋅ 10 ⋅

L ⋅ I 2 d 2

(1.23),

• Waszink M = 7,92 ⋅ 10

−3

−6

⋅ I + 2,34 ⋅ 10 ⋅

L ⋅ I 2 2

d

(1.24).

V literaturi nisemo uspeli najti nobenega zapiska, ki bi opisoval ali celo navajal matemati čne modele talilnega u činka za varjenje v zaš čitnem plinu z dvema ali ve č varilnimi žicami, zato tudi tu niso opisani op isani.. Raziskava in matematično modeliranje talilnega u činka za primer varjenja v zaš čiti praška z ve č žicami pa je izredno podrobno opisano v lit. [29]. V delu so opisani naslednji vplivi varilnih parametrov na talilni učinek:


25

jakost varilnega toka, premer varilne žice, dolžina prostega konca žice, polariteta, št. varilnih žic, razdalja med varilnimi žicami. V nalogi so predstavljeni tudi številni matematični modeli za varjenje v zaš čiti praška s plus in minus polom na elektrodi. Ena čbe 1.25, 1.26 in 1.27 predstavljajo matemati čne modele talilnih učinkov z enojno, dvojno in trojno elektrodo s plus polom na elektrodi pri varjenju v zaš čiti praška. V ena čbi 1.28 je naveden matemati čni model za varjenje v zaš čiti praška s plus polom na varilni žici, kjer je n število varilnih žic: • • • • • •

M = 0,00938 ⋅ I − 0,234 + 2,0194 ⋅ 10

M = 0,02393 ⋅ I − 0,739 + 3,6093 ⋅ 10

M = 0,0474 ⋅ I − 1,996 + 4,0618 ⋅ 10

2 ,19

M = 0,00185 ⋅ I ⋅ (n + 1)

Slika 1.12:

Slika 1.13: 1.13 :

−6

−6

−6

⋅

⋅

⋅

L ⋅ I 2

(1.25).

d 2

L ⋅ I 2

(1.26).

d 2

L ⋅ I 2

(1.27).

2

d

− 0,367 + 2, 2497 ⋅ 10

−6

⋅

L ⋅ I 2 2

d

⋅ n 0,87

(1.28).

Medsebojni vpliv oblokov pri varjenju z ve č žicami

Vpliv razdalje razd alje med žicami na talilni učinek pri varjenju s trojno elektrodo različnih premerov [29] Pri varjenju z več žicami pa ne smemo pozabiti na medsebojni vpliv oblokov. Medsebojni vpliv med obloki (glej sliko 1.12) se spreminja glede na spremembo razdalje med žicami b. Za primer varjenja v zaš čiti praška je to opisano v delu [29], iz katerih rezultatov je razvidno, da je sprememba talilnega u činka odvisna, ne samo od razdalje med žicami, ampak tudi od premera varilne žice. Z zmanjševanjem razdalje med žicami se talilni u činek povečuje. Iz diagrama je

26


razvidno, da je v primeru, kjer je premer varilne žice enak 1,2 mm, medsebojni vpliv oblokov zanemarljiv, saj se talilni učinek s spreminjanjem razdalje med varilnimi žicami ne spreminja.

1.3.2 ZAŠČITNI PLIN Na mestu varjenja, kjer sta prisotni raztaljena kapljica, ki leti skozi elektri čni oblok, ter ve č ja količina taline, je potrebna ustrezna zaš čita pred oksidacijskim delovanjem okolne atmosfere. Ta zaščita se lahko uspešno izvede z uporabo ustreznih zaš čitnih plinov. Varilna Varilna okolica Zaščitni plin vpliva na emisijo dima in plinov.

Izgled površine vara Količina obrizgov in žlindre je odvisna od zaščitnega plina.

Metalurške in mehanske lastnosti Zaščitni plin vpliva na odgor legirnih elementov ter prigor kisika, dušika, ogljika. To vpliva na mehanske lastnosti.

Efekt zaščite Staljeni in segreti material je zaščiten pred okolno atmosfero. Prenos materiala Tip prenosa materiala je močno odvisen od vrste zaščitnega plina. Zaščitni plin vpliva tudi na velikost sil, ki delujejo na kapljico.

Geometrija vara Zaščitni plin vpliva na obliko temena ter uvara.

Stabilnost obloka Vžig obloka ter stabilnost gorenja obloka sta odvisna od zaščitnega plina.

Slika 1.14:

Vpliv zaščitnega plina pri MIG/MAG na činih varjenja

Glavne naloge zaš čitnega plina so (glej tudi sliko 1.14): • ščitenje staljene kovine pred okolno atmosfero; • olajšanje vžiga obloka ter stabiliziranje gorenja obloka; • skupaj z drugimi parametri varjenja vpliva na prehod materiala, obliko vara ter brizganje; • prek kemijsko-metalurških reakcij vpliva na mehanske lastnosti ter kakovost vara; • v manjši meri vpliva tudi na emisijo dima in plinov.

1.3.2.1 RAZDELITEV ZAŠČITNIH PLINOV Od decembra 1995 v Sloveniji velja standard SIST EN 439, ki dolo ča razdelitev zaš čitnih plinov, podro č je uporabe, čistost itd. Razdelitev je podana v tabeli 1.2 (zaš čitni plini za MIG/MAG načine varjenje varjenje so v tabeli osen čeni). Argon in helij sta inertna plina, zato lahko v plinski mešanici skupine R in M deloma nadomestita drug drugega. Med plinoma je seveda razlika pri obnašanju v elektri čnem obloku, predvsem pa tudi v ceni plina. plina. V tabeli 1.2 so skupine plinskih mešanic M1, M2, M3 ter C urejene po oksidacijskem potencialu od slabo oksidacijskih mešanic (M11) do mo čno oksidacijskih (C2). Oksidacijski potencial zaščitnega plina vpliva na koli čino žlindre, emisijo dima in plinov, tvorjenje ozona, te čnost taline vara, žilavost in trdnost vara. Vrednost oksidacijskega potenciala zaš čitnega plina je odvisna od vsebnosti oksidativnih komponent v zaš čitnem plinu. Tabela 1.2: Razdelitev zaš čitnih plinov za oblo čno varjenje in rezanje [65] Označba Skupina Oznaka

Komponente v volumskih % oksidacijski inertni

CO2

O2

Ar

He

reducirni

reakcijski

H2

N2

Način varjenja TIG

Opombe

27


R

I

M1

M2

M3 C F

1 2

Ostalo1) Ostalo1)

1 2 3

100

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 1 2

Ostalo 0 do 5 0 do 5 0 do 5 5 do 25 0 do 5 5 do 25 25 do 50 5 do 50 100 Ostalo

0 do 3 0 do 3 3 do 10 3 do 10 0 do 8 10 do 15 8 do 15

Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1) Ostalo1)

plazemsko varjenje in rezanje zaščita korena MIG, TIG, plazemsko varjenje, zaščita korena

0 do 15 15 do 35

100 0 do 95

inertni

0 do 15

MAG

slabo oksidac.

močno oksidac.

0 do 30

1 2

reduktivni

0 do 50

100 Ostalo

plazemsko rezanje, zaščita korena

reakcijski reduktivni

1) Argon se lahko deloma nadomesti zshelijem (glej tabelo 2).

1.3.2.2 FIZIKALNE LASTNOSTI ZAŠČITNIH PLINOV a) Osnovne lastnosti, disociacija in ionizacija Kar zadeva osnovne lastnosti plina ima gostota zaš čitnega plina velik vpliv na u činkovitost zaščite obloka in taline od okolne atmosfere. Zanimive so predvsem vrednosti, ki podajajo relativno gostoto zaščitnega plina glede na zrak. Argon in ogljikov dioksid sta dale č najgostejša plina, zato oblikujeta dober zaš čitni plašč okoli obloka. Na drugi strani pa sta vodik in helij (helij je kar 10krat redkejši od argona), ki sta nagnjena k turbulentnemu toku plina po iztekanju iz plinske šobe (vzrok temu je termični vzgon). Pri segrevanju dvoatomnih plinov, kot so dušik, vodik ali kisik, se molekulam pove čuje kinetična energija (gibanje atomov relativno drug proti drugemu). Ko vibracijska energija preseže dolo čno raven (valenčna energija), se vez med dvema atomoma pretrga in molekula preide v atomarno stanje ali v ione. Ta pojav se imenuje disociacija. Pri nadaljnjem segrevanju se energija absorbira v zunanji elektronski lupini in morebiti povzro či odcepitev enega zunanjega elektrona. Pravimo, da se atom ionizira, tvorita se elektron in pozitivno nabit ion. Še nadaljnje pove čevanje temperature povzroči večkratno ionizacijo (odcepi se ve č elektronov). Disociacijska energija je energija, ki je potrebna, da razpade molekula na atome ali ione. Ionizacijska energija je energija, ki je potrebna, da pretrgamo/ustvarimo vez med elektronom in jedrom atoma. Obe energiji podajamo v elektronvoltih (eV). Procesi disociacije in ionizacije v plinski atmosferi vplivajo vplivajo na lastnosti lastnost i elektri čnega obloka, predvsem na vžig in stabilnost obloka. Plin z višjim ionizacijskim potencialom potrebuje ve č energije za ionizacijo, da postane prevoden za tok. Ko tak plin pride v stik z relativno hladnim osnovnim materialom, pride do rekombinacije, pri čemer se vrne absorbirana energija. Plini z višjim ionizacijskim potencialom torej bolj učinkovito segrevajo osnovni material. b) Električna prevodnost Električna prevodnost obloka je odvisna od vrste zaš čitnega plina ter temperature obloka. Iz slike 1.15 je razvidno, da z naraš čanjem temperature naraš ča tudi električna prevodnost. To je razumljivo, saj so pri višji temperaturi lažji procesi disociacije in ionizacije, nastopi pa tudi večkratna krat na ionizacija. ionizacija.


Slika 1.15:

28

Električna prevodnost zaš čitnih plinov pri tlaku 1 atm [68]

c) Toplotna prevodnost Razlike v toplotnih prevodnostih zaš čitnih plinov povzro čajo razlike v obliki električnega obloka kakor tudi v obliki prereza vara. Slika 1.16 podaja temperaturno odvisnost toplotne prevodnosti najpogosteje uporabljenih zaš čitnih plinov.

Slika Slika 1.16:

Toplotna prevodnost zaščitnih plinov plinov [67] [6 7]

Iz slike je razvidno, da imajo molekularni plini (vodik, kisik in ogljikov dioksid) najve č jo vrednost toplotne prevodnosti pri nižjih temperaturah (okoli 3000 K), žlahtna plina helij in argon pa pri višjih temperaturah (okoli 9000 K). Toplotna prevodnost plina vpliva na višino temperature električnega obloka ter taline vara. Tako je npr. prenos toplote v smeri proti varjencu boljši pri plinih z več jo toplotno prevodnostjo.

1.3.2.3 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA PREHOD MATERIALA Kot je bilo že omenjeno v poglavju 1.2.5, je na čin prehoda materiala odvisen tudi od vrste zaščitnega medija. V primeru varjenja v inertem zaš čitnem plinu lahko že majhen dodatek kisika ali ogljikovega dioksida (pri disociaciji se tvori kisik) znatno zmanjša silo površinske napetosti (glej sliko 1.17). S tem se olajša prehod kapljice, še zlasti v fazi odcepitve kapljice od elektrode.


29

1,8 1,8 ] m / N [ t 1,2 s 1,2 o t e p a n a 0,6 k s 0,6 n i š r v o P

Fe-C

Fe-N Fe-S Fe-O

0 0,001

0,01

0,1

1

10

Vsebnost [%]

Slika 1.17:

Vpliv C, N, S in O na površinsko napetost staljenega staljenega železa [69]

Velika razlika pri delovanju sil na kapljico je tudi med uporabo argona ter ogljikovega dioksida. Pri uporabi argona kot zaš čitnega plina je polmer stebra obloka ve č ji kot pri ogljikovem dioksidu. Zato aksialna komponenta elektromagnetne sile deluje v smeri proti varjencu (glej sliko 1.18), kapljice pa so manjše. Vzrok je treba najverjetneje poiskati v razli čnih vrednostih toplotne prevodnosti plinov [70]. Posledica razli čnega razmerja sil v obloku je tudi razli čen mehanizem prehoda materiala pri plinskih mešanicah. Iz navedenih razlogov je treba za pulzen na čin varjenja uporabiti mešanice, bogate z argonom. Prevelika vsebnost ogljikovega dioksida (prek 50% v mešanici mešanici z argonom) argo nom) namre č preprečuje usmerjeni na čin prehajanja materiala. mater iala.

Ar

CO2 Fem

Fema Femr emr Femr Fema ema

Slika 1.18:

Fem

Vpliv zaščitnega plina na sile ter obliko kapljice

1.3.2.4 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA NORMIRANI TALILNI UČINEK Faktorja, ki vplivata na taljenje žice pri varjenju v zaš čitnem plinu, sta segrevanje zaradi Joulove toplote v prostem koncu žice ter segrevanje zaradi oblo čne toplote. Generirana Joulova toplota je proporcionalna dolžini prostega konca žice ter jakosti varilnega toka, vrsta zaš čitnega plina pa nanjo bistveno ne vpliva. Oblo čna toplota pa je prav gotovo odvisna tudi od vrste zaš čitnega plina, torej lahko sklepamo, da bo tudi talilni u činek odvisen od zaš čitnega plina. Prav to prikazuje slika 1.19, kjer je podan normirani talilni u činek (talilni učinek v g/s, deljen z jakostjo varilnega toka v A) pri ničti dolžini prostega konca žice (dobimo z ekstrapolacijo) [71]. ] 6 s A / g m 5 [ k e n i č u 4 i n l i l a t i 3 n a r i m r o 2 N

1 - 100%Ar 2 - 100%He 3 - 100%CO 4 - Ar + 5%O

2 1

2 2

4 0

50

100

150

200

3 250

Jakost v arilnega arilnega toka [A]

300

350

400


Slika 1.19:

30

Odvisnost normiranega talilnega u činka od jakosti varilnega toka in vrste zaščitnega plina za žico premera φ1,6 mm [71]

Če

si ogledamo krivuljo normiranega talilnega u činka za argon, ugotovimo slede če. Do "kritične jakosti varilnega toka", ki je približno 270 A, je normirani talilni učinek neodvisen od jakosti varilnega toka in je enak 3,0 mg/As. Odcepitev staljene kapljice je v glavnem odvisna od sile površinske napetosti ter gravitacijske sile. Pri višjih jakostih varilnega toka se za čne normirani talilni učinek povečevati s porastom jakosti varilnega toka. Sklepamo lahko, da so pomemben delež k odcepitvi kapljice prispevale elektromagnetne sile.

1.3.2.5 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA OBLIKO VARA Vplive zaščitnega plina na obliko vara lahko delimo na slede či način: in: • toplotna prevodnost, disociacijski in ionizacijski procesi zaš čitnega plina vplivajo na porazdelitev energije na površini varjenca in s tem na obliko vara; • zaščitni plin vpliva na temperaturo taline ter površinsko napetost (glej sliki 1.7 in 1.17), kar povzroča različne pretoke v talini in s tem različne oblike vara; o bliki ki vara. • različni prehodi materiala, na katere vpliva tudi zaš čitni plin, povzro čajo razlike v obli Z izbiro različnih plinskih mešanic dobimo različne prehode materiala in tudi razli čne oblike vara (predvsem oblika uvara - glej sliko 1.20). Čisti ogljikov dioksid tvori najglobji uvar. Čisti argon tvori plitvejši uvar z zna čilno obliko. Z dodatkom kisika k čistemu argonu ali mešanici Ar/CO 2 vplivamo na površinsko napetost in s tem tudi na pretoke v talini. Rezultat tega so širši vari ter nekoliko plitvejši uvari. Helij s svojo visoko toplotno prevodnostjo povzro či širši var ter plitev uvar.

Ar

Slika 1.20:

CO 2

He

Vpliv zaščitnega plina na obliko uvara [74]

1.3.3 DODAJNI MATERIAL Pri MIG/MAG načinih varjenja služi kovinska žična elektroda isto časno za gorenje obloka ter kot dodajni material za zapolnitev zvarnega žleba ali za navarjanje. Kemijska sestava ži čne elektrode v kombinaciji z zaš čitnim plinom vpliva na kon čno kemijsko sestavo vara ter s tem dolo ča kemijske in mehanske lastnosti zvarnega spoja. Glavni faktorji, ki vplivajo pri izbiri vrste ži čne elektrode, elektrode, so: kemijska sestava osnovnega materiala, mater iala, • kemijska • mehanske lastnosti osnovnega materiala, • vrsta zaščitnega plina, • lega varjenja, • zahtevane lastnosti zvarnega spoja pri uporabi itd. Po obliki lahko žične elektrode delimo v dve skupini: okro gle: - masivne masivne žice, • okrogle: - strženske žice, • ploščate žice (trakovi). V predhodnih poglavjih o varilnem obloku, prehodu materiala, talilnem u činku ter vplivu zaščitnega plina so podani opisi in podatki samo za primer uporabe masivne žice, ki je v tej doktorski nalogi tudi uporabljena. Stržensko žico bi lahko uporabili brez zadržkov, vendar bi to le dodatno povečalo obseg doktorske dokto rske naloge.


31

1.4 PULZNO VARJENJE Modulacija varilnega toka se izjemno veliko uporablja pri kontroli prehoda materiala in kontroli obloka pri MIG/MAG na činih varjenja. Pri pulziranju varilnega toka se ustvarijo pogoji, kjer prehod kapljice postane skoraj neodvisen od sile težnosti in postane predvsem odvisen od elekromagnetnih sil. Zaradi tega je možno varjenje v vseh legah tudi pri nizkih jakostih varilnega toka s prše čim prehodom materiala brez pojavljanja kratkih stikov. S tem obdržimo nizek vnos energije v zvar, kar rezultira v majhni talini, pri čemer je proces brez brizganja in zlepov, ki se pogosto pojavljaj pojavljajoo pri kratkosti čnem varjenju.

1.4.1 PRŠEČ, KAPLJIČAST IN KRATKOSTIČEN PREHOD MATERIALA PRI MIG/MAG VARJENJU Pri klasičnem MIG/MAG varjenju se pojavljata dva glavna izvora problemov: nepr avilnoo oblikovanje kapljic; kapljic; • neenakomerno in nepraviln • nestabilnost obloka, še posebej v bližini prehodne jakosti varilnega toka (med kratkosti čnim in pršečim prehodom materiala). Problem je še posebej izrazit pri nizkih jakostih varilnega toka, kjer se pojavlja kapljica, katere premer je enak ve čkratnemu premeru varilne žice. Sila težnostni s časoma pretrga most med kapljico in žico in kapljica poleti ter pade v talino, pri čemer pa se najve čkrat pojavljajo tudi veliki obrizgi (brizganje). Pred prehodom kapljice se stožec obloka "sprehaja" po veliki površini, kar pomeni povečanje izgube energije v okolico. To je varjenje s kapljastim prehodom materiala, ki je uporabo le v vodoravni legi in ga pogosto povezujemo z napakami, kot so slaba globina uvara, napake v pretaljevanju osnovnega materiala, neenakomerna oblika temena vara. Pri kratkostičnem varjenju je hitrost žice namenoma hitrejša od hitrosti odtaljevanja. Posledica tega je periodično pojavljanje kratkih stikov, med katerimi staljeni konec žice pride v stik s talino. Prehod materiala se pojavlja zaradi sile površinske napetosti, še preden se žica pretali zaradi uporovnega varjenja. Periode kratkih stikov se ponavljajo s frekvenco med 50 in 200 Hz, kar je odvisno predvsem od kemi čne sestave varilne žice ter zaš čitnega plina, premera varilne žice, jakosti varilnega toka in dolžine prostega konca žice. Kratkostično varjenje je zaradi nezveznosti gorenja obloka "hladen" proces spajanja materialov, zaradi česar je primeren za varjenje v vseh legah in za zvarjanje tankih materialov. Vendar se pogosto zgodi, da je proces "prehladen", kar privede do nepretaljenosti v podro č ju zvara.

1.4.2 MIG/MAG PULZNO VARJENJE Needham [18] je v letih 1962 in 1963 predstavil pulzni nadzor prehoda materiala in stabilnosti obloka predvsem pri MIG varjenju aluminija. V tistem času je bila oblika pulzov sinusna, ker je pač taka oblika toka izvirala neposredno iz omrežja. Tudi frekvence pulziranja so bile povezane s frekvencami, ki izhajajo iz omrežja, kot so: 16,67; 25; 33,33; 50; 100; 150 in 300 Hz. V osnovi je bilo pulziranje uvedeno zaradi kontrole prehoda materiala z uvedbo "umetnih" pulzov, ki pripomorejo k prehodu materiala. Perioda se sestoji iz periodi čnega ponavljanja faze nizke in visoke ravni jakosti varilnega toka (glej sliko 1.21). Osnovni namen nizkega jakosti varilnega je ohranjanje pilotnega obloka, s čimer se ohranja teko čnost taline zvara ter tudi stabilnost obloka. Visoka raven pulza pa zagotavlja hitro taljenje in prisiljeno enakomeren prehod materiala.


Slika 1.21:

32

Tipična oblika poteka pulznega varilnega toka

Moderni polprevodniški viri energije omogo čajo uporabo širokega spektra amplitud, trajanja in oblike pulza pri frekvencah od nekaj Hz po do nekaj kHz. S tako vsestranskostjo je mogo če uporabiti pulziranje za dosego razli čnih efektov. Jakost varilnega toka in gostota toka v pulzu morata biti dovolj visoka, da vedno zagotovita prše č prehod materiala (ne kapljasti), tako da je možno varjenje v vseh legah. Najboljša kombinacija trajanja pulza in amplitude pulza je takrat, ko je dosežen prehod ene kapljice na en pulz, pri čemer je premer kapljice enak premeru žice. Trajanje pulza mora biti zadosti dolgo, da Lorentzova elektromagnetna sila v obloku odcepi in pospeši kapljico prek obloka z zadostno hitrostijo, da postane prehod materiala neodvisen od sile težnosti in lege. Posledično imajo kapljice višjo kinetično energijo, kar pove ča tudi razmešanje taline. Trajanje pulza pa ne sme biti tako dolgo, da se pojavi prehod ve č jih kapljic v času trajanja enega pulza, ali pa kapljica ne doseže taline, preden se pulz kon ča, sicer se v nasprotnem primeru lahko pojavi brizganje. Namen osnovnega (baznega) toka je ohranjanje pilotnega obloka, ki je dovolj tog, da oblok ne "pleše" naokoli, dokler se ne pojavi nov pulz. Čas pulza in jakost pulznega tok morata biti optimirana tako, da se doseže prehod ene kapljice na en pulz (prikaz na sliki 1.22). Pri ve č jem številu kapljic na pulz je kontrola vnosa materiala omejena, pogosto prihaja do mo čnega brizganja. Klasična zveza med časom trajanja pulza t p ter jakostjo pulznega toka I p je podana z ena čbo (1.29) in je grafično ponazorjena na sliki 1.22 [75, 76, 77]: (1.29),

t p ⋅ I p x = konst .

kjer je eksponent x odvisen od kemične sestave dodajnega materiala ter uporabljenega zaš čitnega plina. Vrednosti eksponenta x se gibljejo med 1,5 in 2,3 [76, 77]. Ip

ena kaplja na impulz

več kapelj na impulz

področ je pršečega ega prehodamaterial materialaa

tp

Slika 1.22:

Optimiranje prehoda materiala pri pulznem varjenju


33

1.4.3 PREDNOSTI PULZNEGA MIG/MAG VARJENJA S pulziranjem varilnega toka premaknemo naravno mejo prehoda med kratkosti čnim in pršečim prehodom (običajno 180-220 A za žico premera 1,0-1,2 mm) do nižjih vrednosti, kar nam omogoča gladko varjenje brez brizganja pri srednjih jakostih varilnega toka npr. 50 do 150 A (glej sliko 1.23). V nasprotnem primeru bi pri takih jakostih varilnega toka prehod materiala potekal kratkostično z vsemi svojimi zna čilnostimi (neregularen prehod, brizganje).

Slika 1.23:

Pretaljev Pret aljevalna alna karakteristika karakt eristika za žico premera 1,0 mm (nizkolegirano jeklo) in mešanico 95%Ar/5% CO2

S pojavom sodobnih polprevodniških virov energije se je pojavila tudi pravokotna oblika pulza. Pri pravokotnem pulzu znaša čas naraščanja toka od osnovnega do pulznega 10 do 50 µs. S tem se doseže bolj tog oblok in hitrejše ter bolj kontrolirano taljenje in odcepljanje kapljic kot pri sinusoidni obliki pulza. V kombinaciji s prav tako hitrim znižanjem toka iz pulznega na osnovnega je energija obloka koristno uporabljena le za zaželjeni namen taljenja in prehajanje kapljice in kontrole obloka in ne za nezaželjeno segrevanje elektrode in varjenca. Za dolo čen linijski vnos energije je zvar pri pulznem na činu varjenja ožji in globji kot pri klasičnem enosmernem varjenju, prav tako je ožje tudi toplotno vplivano podro č je. Dosežena sta boljša kontrola oblike temena in korena zvara ter zveznejši vnos toplote.

1.4.3.1 UČINEK PARAMETROV PULZIRANJA NA PROCES Pulzni in osnovni tok nista zna čilno vplivana s spremembo napetosti, zato se za definiranje procesa uporabljajo naslednji parametri: • jakost varilnega toka in čas trajanja pulza ( I p, t p); • jakost varilnega toka in čas trajanja osnovnega toka ( I o, t o); • hitrost podajanja varilne žice v ž ; • napetost, ki regulira dolžino obloka. Pri pravokotni obliki pulza je odcepljanje kapljic odvisno od jakost varilnega toka in časa trajanja I p, t p), prostornina kapljice s hitrostijo podajanja varilne žice v ž in frekvenco f (definarana je pulza ( I s časoma t p in t o) in stabilnost obloka z jakostjo varilnega toka in časom trajanja osnovnega toka I o, t o). Z natančno kontrolo teh osnovnih varilnih parametrov je fleksibilnost procesa bistveno ( I izboljšana v primerjavi s klasi čnim enosmernim MIG/MAG varjenjem. Odcepljanje kapljic je dolo čeno z ena čbo (1.30). Konstanta Konstanta je dolo čena z materialom in premerom dodajnega materiala. Prostornina kapljice je dolo čena z enačbo: V = v ž ⋅

A f

Srednja jakost varilnega toka pri pravokotni obliki pulza je podana z ena čbo:

(1.30).


I m = I p ⋅ t p +

I o ⋅ t o t p + t o

34 (1.31).

Moderni tranzistorski viri energije proizvajajo pravokotne pulze, katerih oblika je skoraj podobna idealni pravokotni obliki pulza. Parameter, ki bistveno vpliva na obliko pulza, je frekvenca pulziranja (glej sliko 1.24).

Slika 1.24:

Oblika Oblika pravokotnega pravoko tnega pulza pri 500 A tranzistorskem tranzisto rskem viru, delujo č pri a) 100 Hz in b) 2,5 kHz

S kombinacijo omenjenih varilnih parametrov želimo dose či prehod ene kapljice na pulz s to čno določeno prostornino kapljice. To je mogo če doseči na dva načina: a) spreminjanje spreminjanje frekvence pulziranja pri konstantnih ko nstantnih časih trajanja pulza (glej sliko 1.25 zgoraj); b) spreminjanje časa trajanja pulza pri konstantni frekvenci pulziranja (glej sliko 1.25 spodaj). V praksi se je zaradi enostavnosti kontrole uveljavila predvsem druga metoda. Tri karakteristike, značilne za to metodo, so: • parametri pulziranja so izbrani avtomatsko; • frekvenca pulziranja je neposredno povezana s hitrostijo podajanja žice; • kontrola parametrov zagotavlja enakomerno globino uvara in obliko profila vara.

Slika 1.25:

Tipični obliki modulacije pulziranja

Amplituda pluza in njegova širina sta izbrana tako, da se pretali in odcepi le ena kapljica na pulz premera, približno enakega premeru varilne žice. Pri kaplji častem prehajanju materiala je premer kapljic več ji od dvakratnega premera varilne žice. Razlika med pršečim prehajanjem in prehajanjem s tečenjem je v premeru kapljic, ki znaša v prvem primeru polovico premera žice, v drugem primeru pa le četrtino etr tino premera pr emera žica, in v frekvenci prehajanja kapljic. Frekvenca pulziranja


35

je določena na osnovi hitrosti podajanja varilne žice, če se poveča hitrost podajanja varilne žice, se poveča tudi frekvenca pulziranja. Tudi jakost osnovnega varilnega toka se spreminja s spreminjanjem spreminjanjem hitro hitrosti sti podajanja po dajanja žice in frekvenco pulziranja. Produkt med jakostjo varilnega toka in časom trajanja pulza ( I p, t p) je konstanten in variira, kot je to prikazana na sliki 1.26. S tem je dosežena popolna kontrola nad varilnim procesom. Vpliv časa trajanja pulza na globino uvara je bistven. Krajši časi trajanja pulza rezultirajo v plitvejšem uvaru, globejši uvar pa dosežemo, če uporabimo daljše čase trajanja pulza.

Slika 1.26:

Vpliv časa trajanja pulza na profil vara [18]

Vrsta in premer dodajnega materiala, vrsta in debelina osnovnega materiala dolo čata jakost osnovnega in pulznega toka varjenja. Želja je dobiti relativno nizko vrednost srednje jakosti varilnega toka pri zadosti velikem osnovnem in pulznem toku, da dosežemo pretaljevanje osnovnega materiala, taljenje dodajnega materiala in prehajanja kapljic s prostim preletom, brez brizganja in kratkih stikov. Jakost osnovnega varilnega toka mora biti takšne vrednosti, da zagotovi zadosti veliko segrevanje vrha elektrode, zadosti veliko segrevanje in pretaljevanje osnovnega materiala pri dovolj dobri ionizaciji električnega obloka. Vrsta in debelina osnovnega materiala sta odlo čujoči za izbor velikosti osnovnega toka. Velik osnovni tok pomeni tudi velik vnos energije in obratno. Pri varjenju tankih plo čevin mora biti osnovni toka majhen, pri varjenju debelih varjencev pa mora biti dovolj velik, da se prepre čijo zlepi. Pri dolo čenju velikosti osnovnega toka pa malenkostno vpliva tudi premer dodajnega materiala. Vrednosti osnovnega toka so v principu ve č je pri varjenju z nižjimi frekvencami kot pri varjenju z višjimi frekvencami. V praksi se najpogosteje vrednosti osnovnega toka gibljejo med 20 A in 150 A.

1.4.4 PREHAJANJE MATERIALA MATERIALA PRI PULZNEM VARJENJU Pri varjenju z enosmernim električnim oblokom je karakter prehajanja materiala v osnovi opredeljen z jakostjo varilnega toka in varilno napetostjo, torej so to parametri, ki jih zahteva geometrija vara. V vrsti primerov spremlja proces varjenja, še posebej v procesu prehajanja materiala, povečano nezaželeno brizganje. Pri varjenju z druga čnom obliko varilnega toka je mogoče prisilno, neodvisno od jakosti varilnega toka in varilne napetosti, dose či želeni način prehajanja materiala, kar zelo razširi obmo č je režimov in tehnološke možnosti varjenja v zaščitnem plinu s taljivo elektrodo. Najbolj razširjeno krmiljeno prehajanje materiala je kapljičast prehod s prostim preletom brez kratkih stikov, ki ga dobimo pri varjenju s pulznim elektri čnim oblokom. Oblikovanje kapljice na konici varilne žice in njen prehod proti talini v smeri osi varilne žice dosežemo s pomo č jo pulza varilnega toka. Prisiljena odcepitev kapljice je možna v vseh legah varjenja. Premer kapljice se običajno giblje v obmo č ju 0,5- do 1,5-krat premer varilne žice (glej primer na sliki 1.27). Osnovni sili, ki dolo čata tak način prehajanja materiala sta elektrodinamična sila in sila površinske napetosti. Sile težnosti in sila pritiska električnega obloka na kapljico sta zanemarljive zanemarljive v primerjavi s prej omenjenima. S pove čanjem pulza varilnega toka se pove ča elektrodinamična sila, ki


36

povzroča oblikovanje vratu med kapljico in varilno žico in s tem dolo ča dimenzijo kapljice. V procesu oblikovanja in odtrganja kapljice se sila površinske napetosti prav tako spreminja. Osnovne zna čilnosti prehajanja materiala pri pulznem na činu varjenja (premer kapljice, frekvenca prehajanja kapljic, hitrost poleta kapljic in druge) so dolo čene s parametri pulziranja (energijo pulza). Energijo pulza dolo čata višina in širina pulza. Pojavljajo se trije zna čilni načini prehajanja materiala, in sicer: a) en pulz ne odtrga kapljice; b) pulz odtrga in povzro či prehod ene kapljice; c) pulz odtrga in povzro či prehod več kapljic.

Slika 1.27:

Karakteristika Karakter istika prehoda kapljic kapljic pri pulznem MAG varjenju (premer varilne varilne žice 1,0 mm)

V prvem primeru se pod vplivom elektrodinamične sile v času delovanja pulznega toka tvori kapljica, ki je usmerjena v smeri taline. Sila površinske napetosti je sila, ki ne glede na položaj varjenja preprečuje prehod kapljice. Že predhodno so bili omenjeni vplivi, s katerimi je možno zmanjšati silo površinske napetosti. Samo en pulz pa je nezadosten, da bi tudi povzro čil odcepitev in prelet kapljice v talino. Kapljica naraš ča tudi v času delovanja osnovnega varilnega toka. Ko kapljica naraste do dolo čene velikosti, ko že za čne bistveno vplivati tudi sila težnosti, ta v kombinaciji z elektrodinamično silo v enem izmed naslednjih pulzov povzro či odtrg in prelet kapljice. Premer odtrganih kapljic v takem primeru ni konstanten. Hitrost preleta kapljice je nizka in znaša od 0,4 do 0,7 m/s. V primeru b) je glavna sila, ki povzro či prehod ene kapljice na pulz, elektrodinami čna sila. V odvisnosti od parametrov pulziranja je odtrg kapljice mogo č na koncu pulza ali pa celo dolo čen čas po zaklju čku pulza. Premer kapljic je konstanten in je približno enak premeru varilne žice. Hitrost preleta kapljice je višja in znaša od 1,2 do 2,0 m/s. Pri pravilno izbranih parametrih pulziranja se brizganje ne pojavi. V zadnjem primeru se varilna žica intenzivno tali zaradi previsoke energije pulza. V času do konca pulza se odtrga ve č kapljic. Dimenzije odtrganih kapljic so neenakomerne. Hitrost preleta kapljic pa znaša tudi prek 2,5 m/s. Pri tako veliki hitrosti kapljice zadenejo ob talino in povzro čijo ijo brizganje, ki je posledica po sledica pluskanje taline.

1.4.5 DRUGE OBLIKE MIG/MAG PULZNEGA PULZNEGA VARJENJA VARJENJA Poleg klasičnega pulziranja so v praksi znane še druge oblike pulziranja, in sicer: a) termično pulziranj p ulziranjee Osnovni namen tega pulziranje ni kontrola prehoda materiala, ampak kontrola vnosa energije v var. Bistvena razlika med termičnim in klasičnim pulziranjem je tudi v tem, da se pri termi čnem pulziranju pojavlja tudi pulziranje hitrosti podajanja varilne žice. Frekvence pulziranja so nizke (v območ ju nekaj Hz).


37

b) izmenično pulziranj pu lziranjee Za razliko od klasičnega pulziranja temelji to pulziranje na izmeničnem toku, kjer pride do veljave izraba različnih značilnost ilnostii obloka v pozitivni pozit ivni in v negativni fazi. fazi. c) pulziranje varilne napetosti Pri konstantni hitrosti podajanja žice in srednji jakosti varilnega toka se spreminja varilna napetost, kar posledično pomeni tudi spreminjanje dolžine obloka. Ta varianta je bila razvita za uporabo pri varjenju v ozki reži.

1.4.6 PREDNOSTI IN SLABOSTI MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA Pulzno varjenje združuje prednosti varjenja s kratkosti čnim oziroma s prše čim prehodom materiala, pri tem pa so slabosti obeh na činov varjenja zmanjšane. Pulzno varjenje namre č omogoča varjenje s prše čim prehodom, pri čemer je povprečni tok takšen kot pri kratkostičnem varjenju. Tako se je mogo če izogniti prevelikemu vnosu toplote, kot tudi slabi prevaritvi in brizganju, kar je zna čilno ilno za kratkosti kratkost ično varjenj var jenje. e. Prednosti pulznega varjenja so: a) Izkoristek toplote je več ji zaradi izjemno hitrega porasta vnosa toplote pri pulzu. Ponor toplote (varjenec) ni sposoben tako hitro odvesti toplote, zato je pretaljevanje hitrejše, izgube toplote zaradi prevoda pa manjše. b) Toplota se v talini prenaša hitreje zaradi ve č jega razmešanja (gibanje taline), kar preprečuje nastanek več jih termičnih gradientov. Zmanjša se izparevanje in poroznost. c) Visoka jakost varilnega toka v pulzu proizvede izredno stabilen (tog) oblok, kar je še zlasti prednost pri varjenju korenskih varkov, kjer je pomembna stabilnost vodenja obloka. d) Podobno kot z jakostjo varilnega toka je tudi z varilno napetostjo. Višja varilna napetost pomeni več jo stabil st abilnost nost obloka oziroma o ziroma zmanjšanje zmanjšanje pihalnega pihalnega u činka [113] e) Popolna kontrola nad tvorbo in odcepljanjem kapljic, prehodom material in obnašanjem obloka v širokem polju srednje jakosti varilnega toka. Posledica je minimalno brizganje, kar pove ča izkoristek pretaljevanja materiala ter zmanjša čase potrebne za čiščenje varjenca in plinske šobe. f) Uporaba stabilnega prše čega oziroma usmerjenega na čina prehajanja materiala pri nizkih jakostih varilnega toka, kjer bi se običajno pojavil kratkostični prehod materiala. Omogo čeno je varjenje v vseh legah varjenja ob doseganju ustrezne kakovosti varov. g) Neposredna povezava med frekvenco pulziranja in hitrostijo podajanja varilne žice omogo ča prehod ene kapljice na en pulz s premerom, enakim premeru varilne žice. h) Pulzno varjenje je primerno za varjenje v vseh legah, ker je prehod kapljice neodvisen od težnosti in zato ker nizka povpre čna jakost varilnega toka oz. nizek linijski vnos energije proizvaja manjšo količino taline. i) Boljše oziroma lažje razplinjevanje razplinjevanje taline vara. Pulzno varjenja pa ima tudi svoje slabosti: a) Nepravilna izbira pulznih parametrov lahko privede do razpokljivosti v vro čem. b) Ker se pri pulznem varjenju sproš ča manj dima in plinov ter zaradi tega, ker je jakost varilnega toka v pulzu izredno visoka, je pove čano ultravijolično (UV) sevanje v okolico. c) Več ja količina UV sevanja pomeni tudi ve č jo količino ozona ozo na v varilni okolici. d) Enoličen, enofrekvenčen zvok pulznega varjenja je za človeško uho lahko dokaj neugoden pojav.

1.5 OPREMA ZA MIG/MAG MIG/ MAG PULZNO VARJENJE Viri energije za pulzno varjenje so se najprej pojavili pri TIG na činu varjenja, in sicer leta 1962 [17], ko je bil razvit vir energije na sliki 1.28. Vir energije je zgrajen primitivno, vendar je popolnoma popo lnoma funkcionalen. funkcionalen.


Slika 1.28:

38

Vir energije za TIG pulzno varjenje iz leta 1962 [17]

Leta 1966 sta dva avtorja [38] objavila članek o razvoju enostavnega vira energije za pulzno varjenje v zaš čitnem plinu s taljivo elektrodo. Na sliki 1.29 je prikazana shema vira energije, ki je bil v bistvu sestavljen iz dveh lo čenih virov enegije, prvi za osnovni tok in drugi za pulzni tok.

Slika 1.29:

Blokovni diagram vira energije za pulzno varjenje [38]

To so bili za četki razvoja pulznih virov energije, na osnovi katerih so izvedeni moderni viri. Že kmalu je bilo namre č ugotovljeno, da enostavno dobljeni sinusni polvali ne zadoš čajo vsem zahtevam [37]. Želja je bila dose či ožji čas pulza, višje jakosti pulznega toka ter sistem, ki bo manj odvisen od nihanja varilne napetosti. Ugotovljeno je bilo namre č, da se z znižanjem časa trajanja pulza in povečanjem jakosti pulznega varilnega toka zmanjša premer plazme v obloku in zaradi tega poveča togost togo st obloka, kar pomeni pove čanje stabilnosti obloka. Konec sedemdesetih let je bil že razvit tranzistorski vir energije [17]. Njegov razvoj je temeljil predvsem na potrebah iz industrije, ki so zahtevale natan čnejšo in enostavnejšo kontrolo varilnih parametrov. Cena takega vira energije je bila takrat ogromna. Trenutni razvoj novih tranzistorskih, tiristorskih in invertorskih virov energije pa je omogo čil padec cen in dostopnost »pulziranja« vsakemu zaradi padca cen polprevodniške elektronike. Slikovni prikaz razvoja na podro č ju virov energije je prikazan pr ikazan na sliki 1.31. V praksi pr aksi je uveljavljena uveljavljena uporaba naslednjih naslednjih oblik pulzov: • sinusna oblika, • pravokotna oblika, o blika. ka. • poljubna obli Da dobimo želeno obliko pulza, moramo seveda imeti tudi ustrezne konstrukcije virov energije. Na sliki 1.31 so prikazane oblike pulzov. Sinusne oblike pulzov lahko dobimo izredno enostavno s pomoč jo dodatnega transformatorja in usmernika, ki je opremljen z diodami ali tiristorji. Pravokotno obliko pulza pa dobimo s pomo č jo dodatnega tranzistorskega vira energije.


Slika 1.30:

Zgodovinski razvoj virov energije [42]

I [A]

I [A]

t [ms]

Slika 1.31:

39

I [A]

t [ms]

t [ms]

Oblike Oblike pulzov toka tok a (levo - sinusna oblika, sredina - pravokotna pravoko tna oblika, desno - poljubna oblika)

Prvi viri energije za pulzno varjenje so bili izvedeni za sinusno obliko pulza. Višina pulza se spreminja v odvisnosti od števila ovojev na transformatorju, pri čemer se čas trajanja pulza ne spreminja. To ni posebno ugodno. Viri energije, ki se danes uporabljajo v svetu, so ve činoma tiristorski. V tem primeru dobimo višino pulza s spremembo števila ovojev na transformatorju, s spremembo kota odpiranja tiristorja pa spreminjamo čas trajanja pulza. Najnovejši viri energije so izvedeni s tranzistorji, s katerimi lahko dobimo tudi pravokotno obliko pulza. Na ta na čin lahko nastavimo jakost pulznega varilnega toka in čas trajanja pulza, neodvisno drug od drugega. V nadaljevanju tega poglavja so na kratko predstavljene tipi čne konstrukcije virov energije za pulzno varjenje. varjenje.

1.5.1 MODERNI VIRI Moderni viri varilnega toka so osnovani na napredku mo čnostne elektronike, in tako sta se pojavili dve tipični vrsti virov varilnega toka, ki se delita glede na vrsto mo čnostnih elementov, ki so vgrajeni v mo čnostni tokokrog, ki preskrbuje varjenje z varilnim tokokrogom. Prva je tranzistorska izvedba, druga pa tiristorska. Nadaljnji razvoj je omogo čil, da so bili viri varilnega toka konstruirani s klasi čnim omrežnim transformatorjem, ali pa so bili izvedeni z invertorjem, kjer se uporablja visokofrekven čni transformator. Prav zaradi tega smo dobili t.i. analogne vire varilnega toka in inverterske. Slednje odlikuje odli čna dinamična karakteristika, tako za primer klasičnega kot tudi pulznega MIG/MAG varjenja. Poleg hitrosti delovanja odlikuje invertorske vire tudi majhna teža, kajti velik omrežni transformator, ki najve č prispeva k skupni masi vira, je nadomeščen z visokofrekven čnim transformatorjem, katerega masa je odvisna od uporabljene frekvence pretvorbe in je nižja od omrežnega. To pa pomeni, da je tak na čin gradnje virov varilnega toka tehnološko najbolj zanimiv. Poleg najboljših rezultatov, ki jih prispeva tehni čni in tehnološki razvoj, pa omenjen razvoj tudi zelo vpliva na ekonomi čnost gradnje virov. Seveda je


40

bil razvoj virov varilnega toka zaradi prednosti tranzistorske tehnike obrnjen prav k njej. Zaradi tega, ker se je tranzistorska tehnika tako hitro razvijala, so se razvijale tudi metode za optimiranje varilnih parametrov le za primer uporabe pravokotnih pulzov, to je za primer tranzistorskih virov. Velika prednost teh je tudi kontinuirana spremenljivost pulzne frekvence, kar v primeru tiristorskih virov to ni mogo če. Pulzna frekvenca je v tem primeru konstantna in jo je mogo če prednastaviti kot mnogokratnik omrežne. Ker pa v praksi odlo ča poleg že naštetih prednosti tudi ekonomija, to je cena za nabavo, vzdrževanje in servis naprave za varjenje, postajajo zanimivi za uporabo tudi tiristorski viri zaradi napredka tiristorske tehnike in njihove cene.

1.5.2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI Glavna značilnost, ki karakterizira moderne vire varilnega toka, je uporaba polprevodniških elementov za neposredno krmiljenje izhodnega toka ali napetosti. To je nekako povsem v nasprotju s starimi konstrukcijami, kjer je bilo krmiljenje izhoda mehansko (pretikalo) in je zaradi tega bilo nemogo če hitro spreminjanje izhoda. To tudi onemogo ča izvedbo povratne zanke in s tem vseh lastnosti, lastnost i, ki nam jih prinaša regulacijska tehnika. Moderen vir varilnega toka mora imeti sposobnost krmiljenja s šibkim signalom, le na ta na čin dobimo ustrezne odzivne čase, po drugi strani pa lahko vklju čimo mikroprocesorsko krmiljenje in izvedemo regulacijo s povratno zanko. Princip take regulacije je prikazan na sliki 1.32.

Slika 1.32:

Regulacija Regulacija izhoda s pomo č jo povratne zanke

Senzor M meri izhodni signal vira varilnega toka b in ga primerja z referen čno vrednostjo signala r. Razlika obeh signalov e pa je informacija za krmiljenje vira varilnega toka, ki ga je treba predhodno prirediti v oja čevalniku A. Referen čni signal r, ki ga dobimo iz bloka referen čne vrednosti (želena vrednost), je lahko nastavljiv, konstantne vrednosti, ali pa se spreminja po izbranem programu. Povratni signal b pa je lahko proporcionalen izhodnemu toku, izhodni napetosti napetost i ali kombinaciji kombinaciji obeh: • Ko merimo tok, je stati čna karakteristika strmo padajo ča. To pomeni, da je tok vseskozi konstanten v procesu varjenja (vertikalni del krivulje), kar je razvidno iz slike 1.33-krivulja a. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za razli čne neklasične postopke varjenja. • Če želimo imeti ravno statično karakteristiko vira energije, potem merimo izhodno napetost. To pomeni, da je napetost vseskozi konstantna, kot prikazuje slika 1.33-krivulja b. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za MIG/MAG varjenje. • Ko merimo izhodni tok in izhodno napetost, dobimo padajo čo statično karakteristiko, kot je prikazano na sliki 1.33-krivulja c. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za ročno obločno in TIG varjenje. Glede na način konstrukcije delimo moderne vire varilnega toka v tri skupine: 1. tiristorski viri varilnega toka, 2. tranzistorski viri varilnega toka, 3. inverterski viri varilnega toka.


Slika 1.33:

41

Različne izhodne karakteristike virov energije

1.5.3 TIRISTORSKI VIRI ENERGIJE Za tiristorske vire varilnega toka je zna čilno, da imajo v mo čnostni tokokrog vgrajene vgrajene tiristorje, ki izhodno izmenično napetost usmerijo in krmilijo njeno višino z zakasnitvijo to čke vklopa tiristorjev, torej to čke, kjer pride do prevajanja tiristorjev. To moramo ponoviti pri vsakem prehodu toka skozi 0. Pri izmeni čni napetosti je to dolo čeno z njeno frekvenco. Shema takšnega vira varilnega toka je prikazana na sliki 1.34.

Slika 1.34:

Tiristorski Tiristor ski viri varilnega toka tok a

Napajanje je trifazno. Viri varilnega toka v opisani izvedbi so primerni za varjenje po postopku MAG/MIG, pulzno MAG/MIG, TIG, pulzno TIG.

1.5.4 TRANZISTORSKI VIRI ENERGIJE Karakterizira jih sklop vzporedno delujo čih tranzistorjev, ki so vgrajeni na enosmerni strani vira varilnega toka. Usmernik ima pogosto vgrajene še dodatne gladilne filtre v obliki elektrolitskih kondenzatorjev, s čimer odpravljamo višje harmonske komponente usmerjene napetosti. Pri linearni izvedbi (imenovani linearni oja čevalnik), ki jo prikazuje slika 1.35, se znaten del energije izgubi v linearnem oja čevalniku v obliki toplote. Izkoristek je zgolj okrog 50%, vendar pa ima naprava zelo dobro dinami čno karakteristiko.

Slika 1.35:

Tranzistorski Tranzistor ski vir varilnega toka tok a z linearnim linearnim oja čevalnikom


42

Primeren je za uporabo v virih varilnega toka za varjenje po postopku MIG, pulzno MIG in TIG ter pulzno TIG. Pri nelinearni izvedbi je namesto linearnega oja čevalnika uporabljeno stikalno preklapljanje, s katerim je mogo če znatno zmanjšati izgube, vendar pa je treba elektri čni tok še dodatno gladiti, kar prispeva k slabši odzivnosti in višji ceni. Shema takega vira varilnega toka je prikazana na sliki 1.36.

Slika 1.36:

Tranzistorski Tranzistor ski vir varilnega toka tok a s stikalnim preklapljanjem preklapljanjem

Stikalno preklapljanje deluje s frekvenco od 30 do 40 kHz, jakost povpre čnega toka pa je odvisna od časa prevajanja in časa izklopa tranzistorjev. Primeren je za vir varilnega toka za varjenje po postopku MAG/MIG; pulzno MAG/MIG, TIG, pulzno pulzno TIG. T IG.

1.5.5 INVERTERSKI VIRI ENERGIJE tranzistor ski tehniki, je izvedba Čeprav so inverterski viri varilnega toka danes obi čajno izvedeni v tranzistorski mogoča tudi v tiristorski tehniki. Izvedba virov v inverterski tehniki zagotovi lahek vir toka v primerjavi s klasičnimi viri. Napajalni izmenični tok najprej usmerimo, stikalni elementi pa spremenijo enosmerni tok v izmenični tok visoke frekvence (obi čajno od 16 do 100 kHz). Tega nato transformiramo in ponovno usmerimo, pri tem je transformator zaradi uporabe višje frekvence pretvorbe napetosti bistveno manjši in lažji. Napetost, ki jo dobimo iz visokofrekvenčnega transformatorja, moramo usmeriti in dobro zgladiti. Celotna naprava je zaradi uporabe dvojnega usmernika, inverterja in visokofrekven čnega transformatorja dražja, v primerjavi s klasičnimi, vendar je veliko lažja in ima zelo dobre dinami čne lastnosti. Osnovna shema je prikazana na sliki 1.37.

Slika 1.37:

Tranzistorski Tranzistor ski vir varilnega toka tok a z inverterjem

1.5.6 ZNAČILNOSTI VIROV ENERGIJE Viri varilnega toka, ki so izdelani na podlagi moderne polvodniške tehnike, imajo lahko razli čne statične karakteristike, kot je to razvidno iz slike 1.33. Čeprav imajo vsi sistemi izvedeno regulacijo na podlagi povratne zanke, pa se vseeno razlikujejo predvsem v razli čni obliki izhoda ter dinamičnih karakteristikah karakt eristikah in vrsti uporabljenih up orabljenih krmilnih krmilnih elementov, elementov, kajti kajt i to vpliva vpliva na delovanje varilne naprave.


43

1.5.6.1 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VIRA ENERGIJE Poleg statične karakteristike, ki je dolo čena s povratno zanko in obliko izhoda, ki pa je zopet določen z vrsto vira varilnega toka, je zelo pomembna lastnost dinami čna karakteristika oziroma odziv na spremembo referen čnega signala, kot tudi na spremembo zunanjega bremena. Slednje pride še posebno v poštev pri CO 2 MAG kratkostičnem varjenju, prvo pa pri pulznem varjenju. Odziv sistema lahko prikažemo kot spremembo izhoda zaradi trenutne spremembe referen čnega signala ali zunanjega bremena. Kriterij za ocenjevanje odziva je prehodni čas t 0, ki predstavlja čas v katerem se regulacijska spremenljivka c ustali pri ± 5% kon čne izhodne vrednosti. Glede na to ločimo sisteme z dobrim in s slabim odzivom. 1.5.6.2 1.5.6 .2 DINAMIKA PULZNEGA TOKA Ko govorimo o pulznem MIG/MAG varjenju, obi čajno mislimo na pulzno varjenje s pulzi toka, ki delujejo v srednjefrekvenčnem obmo č ju. Obstajajo pa tudi drugi načini pulznega varjenja, ki so že opisani v poglavju 1.4.5. Za primer pulznega MIG/MAG varjenja s pravokotno obliko pulzov toka je zna čilno, da uporabljamo obmo č je pulzne frekvence, ki se giblje od 20-500 Hz, uporabljamo torej t.i. srednje frekvenčno obmo č je s periodo od 2 do 50 ms. Obseg pulzne frekvence je omejen z induktivnostjo v močnostnem tokokrogu (transformator, varilni kabli itd.). Še en podatek je zna čilen za opisano pulzno varjenje. To je hitrost porasta elektri čnega toka od vrednosti osnovnega do vrednosti pulznega toka. Čim hitrejši je porast, tem regularnejši prehod kapljice dobimo, ob zmanjšanem brizganju, ki je že tako manjši kot pri klasi čnem MIG/MAG varjenju. Ugotovljeno je bilo, da hitrost porasta toka v obmo č ju 10-50 µs zagotovi želene pogoje. Za primer pulznega MIG/MAG varjenja s sinusno širinsko krmiljeno obliko toka je zna čilno, da je pulzna frekvenca v izbranem obmo č ju varjenja konstantna, je prednastavljena, lahko jo sicer spremenimo, vendar le z zunanjim posegom. Druga zna čilnost pa je, da uporabljamo pulze toka s sinusno obliko, ki jih lahko kontinuirano spreminjamo z zakasnitvijo vklopa tiristorja. Že nespremenljivost pulzne frekvence zelo zmanjša uporabnost take naprave za varjenje, obenem pa zahteva zelo natan čno nastavitev varilnih parametrov. Obi čajno uporabljamo frekvence, ki so mnogokratnik omrežne frekvence (25, 50, 100 in 300 Hz), prav tako je sinusna oblika pulza toka določena s frekvenco napajanja, ki je obi čajno 50 Hz. Sinusna oblika pulza toka prav tako omejuje podro č je uporabe. Sinusni pulz toka lahko razdelimo v dva dela: • vklop tiristorja v delu od 0 do T/4 povzro či sinusni pulz toka, ki relativno dolgo traja in doseže amplitudno vrednost sinusnega pulza toka; • vklop tiristorja v delu T/4 do T/2 povzro či sinusni pulz toka, ki relativno kratko traja in ne doseže amplitudne vrednosti sinusnega pulza toka. Pulz toka traja toliko časa, dokler skozi tiristor te če minimalni tok. Ko pa pade pod minimalno vrednost, tiristor preneha prevajati. To je zagotovljeno z uporabo izmeni čne napetosti. Hitrost narasta toka je omejena s sinusno obliko pulza toka (pri 50 Hz znaša čas polperiode 10 ms), kar pri zakasnitvi vklopa tiristorja 0 ms pomeni 5 µs in se zmanjšuje s pove čevanjem časa zakasnitve vklopa tiristorja do 5 µs, kjer dosežemo hitrost narasta tudi okrog 50 µs. Enako je pri upadu toka. Vsi ti dolgi časi narasta in upada lahko povzro čijo težave pri prehodu kapljic in brizganje. Poleg zgoraj opisanih pomankljivosti pa, če primerjamo obe vrsti pulzov toka, je sinusni pulz toka, gleden na pravokotni pulz toka, pri enakem času trajanja in pri enaki jakosti pulznega toka brez zakasnitve vklopa tiristorjev (dobimo polno sinusno obliko) za faktor 2/ π manjši po površini, kot jo ima pravokotna oblika pulzov toka z enako površino, to pomeni, da je sinusni pulz toka po moči toliko šibkejši in da moramo, če želimo dose či isti efekt varjenja, uporabiti ustrezno višjo jakost pulznega toka.


44

1.6 VISOKOPRODUKTIVNA OBLOČNA VARJENJA 1.6.1 UVOD V zadnjih letih se je mo čno povečalo zanimanje za na čine varjenja, ki ponujajo visoke talilne učinke. Visok talilni u činek pomeni ve č jo produktivnost in s tem manjše stroške proizvodnje, kar pa je vsekakor interes vsake industrije. Pri povečanem talilnem u činku pa ne gre samo za ve č jo količino pretaljenega dodajnega materiala, ampak tudi za ve č jo količino energije, ki se vnese v var, kar lahko negativno vpliva na njegove mehanske lastnosti. Pri varjenju z visokoproduktivnimi na čini je zatorej treba biti previden in upoštevati kemično sestavo in mehanske lastnosti materiala. Iz literature in tudi že v praksi poznane številne metode ter novi na čini varjenja, s katerimi je možno povečati produktivnost pri oblo čnem varjenju varjenju z eno žico, so naslednje: 1. Švedska firma AGA je v okviru programa RAPID PROCESSING razvila dva varilna procesa na osnovi MAG na čina varjenja ter ju poimenovala RAPID ARC in RAPID MELT proces [78, 79]. Pri obeh na činih varjenja se uporablja trokomponentna plinska mešanica (92% Ar + 8% CO2 + NO), klasičen vir energije ter izboljšan sistem za pogon žice. Da je bila dosežena več ja produktivnost pri ustrezni kakovosti zvarnega spoja, je bila uporabljena nekonvencionalna nastavitev varilnih parametrov [79]. Taka nastavitev vodi k razširitvi delovnega podro č ja MAG načina varjenja, kot je prikazano na sliki 1.38.

Slika 1.38:

Delovno podro č je MAG in RAPID na činov varjenja [79]

RAPID ARC je na čin varjenja, ki omogo ča povečanje hitrosti varjenja (tudi do 2 m/min) ob zagotovitvi dobre kakovosti zvarnega spoja. Princip temelji na pove čanju hitrosti podajanja žice ter podaljšanem prostem koncu žice. Napetost obloka je zaradi tega nižja, pojavi se tako imenovani imenovani prisiljeni prisiljeni kratkost krat kostiični oblok. RAPID MELT je namenjen varjenju ve č jih debelin pločevin. Značilnost tega načina varjenja je visok talilni učinek (do 25 kg/h) [79]. Glede na prehod materiala pri RAPID MELT na činu inu ločimo: • modificirani pršeči prehod (nižja napetost varjenja), • rotirajoči prehod materiala (višja napetost varjenja). Razlika med obema prehodoma se pokaže tudi v obliki prereza zvara. Modificirani prše či prehod materiala ima zna čilen globok uvar, medtem ko je pri rotirajo čem prehodu uvar širok in plitek [79]. 2. Drugi način varjenja, ki si je tudi že utrl pot v industrijo, pa je T.I.M.E. (Transferred Ionized Molten Energy) na čin varjenja. Postopek je sad dvajsetletnega razvoja s strani W.P.I. (Kanada) ter raziskovalcev J.G. Churcha in H. Imaizumija [80]. Tehni čna novost, ki je bila uporabljena pri T.I.M.E. na činu varjenja, je štririkomponentna plinska mešanica s kemi čno sestavo 65% Ar; 26,5% He; 8% CO 2 ter 0,5% O2. Avtorja izhajata iz dejstva, da je možno s


45

sestavo plinske zaš čite obloka bistveno vplivati na fiziko obloka, predvsem pa tudi na talilni učinek. 3. Med zadnjimi se je pojavil LINFAST koncept. Za zaš čito se uporabljajo različne trokomponentne plinske mešanice (Ar, He, CO2). Kot zagotavlja avtor [81], je možno dose či prehod materiala v obliki visoko u činkovitega pršečega prehoda ali v obliki stabilnega rotirajočega prehoda.

1.6.2 NAČINI VARJENJA Z VEČ ŽICAMI Obstajajo mnoge prednosti, ki narekujejo uporabo varjenja z dvema ali ve č žicami, kot so: • varjenje v ozki reži za doseganje optimalnega pretaljevanja robov zvarnega žleba; • pri navarjenju se enostavneje dosegajo enakomerne porazdelitve legirnih elementov ter optimalna oblika navara (plitek uvar); • pri varjenju kotnih in so čelnih zvarov se v primeru razli čne širine špranje lažje dosega prevaritev (globina uvara); • več ji izkoristek dovedene energije; • boljši ekonomski u činek. Seveda je razumljivo, da sistemi z dvema ali ve č žicami dosežejo ve č jo produktivnost oz. talilne učinke kot v primeru varjenja z eno žico. Sistemi z dvema ali ve č žicami omogo čajo tehnologijo varjenja, kjer se doseže nizek vnos energije v zvar ob isto časni visoki produktivnosti (visok talilni u činek), kar je še posebej ugodno pri varjenju "občutljivih" utljivih" jekel [1]. [1] .

1.6.2.1 PREGLED STANJA IN TRENUTNA SITUACIJA Med prvimi, ki se je ukvarjal z varjenjem z ve č žicami, točneje z dvojno žico, je bil Brown [2]. Njegov sistem je bil sestavljen iz dveh lo čenih virov energije: • prvi za oskrbo obloka z osnovnim tokom, • drugi za oskrbo obloka s pulznim tokom, superponirano na osnovni tok, ter preklopnega sistema, ki je izmeni čno preklapljal med obema žicama. V delu je prikazal sposobnost, da dve žici pri varjenju v zaš čitnem plinu lahko tvorita skupno talino vara, isto časno pa je dosegel tudi dobro kontrolo globine uvara. Trenutni razvoj polprevodniške elektronike krmiljenega pulznega MIG/MAG varjenja prinaša tri bistvene prednosti: 1. Prehajanje materiala je bolje kontrolirano. Prehod kapljic je kontroliran z obliko in frekvenco pulziranja. 2. Doseganje usmerjenega prehajanja (podro č je prehoda materiala s prostim preletom) je doseženo pri nižjih povpre čnih jakostih varilnega toka. S tem je omogo čena boljša kontrola nad vnosom energije v zvar in varjenje v prisilnih legah brez problemov, ki se pojavijo pri kratkostičnem varjenju (brizganje, zlepi). 3. Sposobnost uvajanja elektronske kontrole v vse aspekte pulznega varjenja. Na Institutu za varjenje v Kanadi so v letu 1987 razvili nov pristop h kontroli pulznega varjenja [1]. Razviti sistem temelji na povratni zanki varilne napetosti, ki kontrolira frekvenco pulziranja (frekvenčna modulacija). Sprememba v dolžini bloka (motnja) povro či spremembo v varilni napetosti. Razlika med referen čno (prednastavljeno) vrednostjo varilne napetosti in izmerjeno rezultira v spremembi frekvence pulziranja, katere namen je izni čiti motnjo. Proces zagotavlja, da je dolžina obloka ves čas konstantna, poleg tega pa sistem omogo ča tudi spreminjanje jakosti pulznega varilnega toka, časa trajanja pulza in jakosti osnovnega varilnega toka, s čimer je sistem primeren za vse aplikacije. aplikacije. Sistem varjenja z dvojno žico ne temelji na superponiranju ("add-on" koncept), ampak je raziskovalcem bolj ustrezal razvoj dvojnega vira energije, ki sta temeljila na inverterski tehnologiji. K viroma energije je bil dodan še sklop za frekven čno modulacijo za sinhronizacijo


46

obeh podsklopov med seboj ("slave" in "master"). Shematsko je koncept sistema prikazan na sliki 1.39.

Slika 1.39:

Koncept varjenja varjenja z dvojno žično elektrodo [1]

V sistem je integriran nadzor nad varilno napetostjo "slave" in "master" varilne žice. V primeru odstopanja od referenčne varilne napetosti je sistem sposoben spreminjanja jakosti osnovnega toka in časa trajanja pulza na "slave" žici. Isto časno pa se spremeni tudi frekvenca pulziranja oz. srednja jakost varilnega toka na obeh varilnih žicah. Taka metoda kontrole varilnega toka zagotavlja stabilen oblok brez motenj, prše č prehod materiala na obeh varilnih žicah, kljub temu, da je polariteta obeh varilnih žic ista. Sistem omogo ča, da je razdalja med elektri čno izoliranima žicama lahko izredno majhna (do 3 mm) ob tem, da je pihalni u činek in nezaželjen vpliv na prehod materiala neopazen. Opisane značilnosti sistema indicirajo uporabo takega sistema za navarjanje. Za razliko od navarjanja z enojno žico se pri navarjanju z dvojno žico doseže manjša globina uvara ter manjše toplotno vpliva vplivano no podro č je. Izdelani sistem je omogo čal tudi različne variacije, kot so: • uporaba dveh žic z razli čno kemično sestavo (kemična sestava navara ni ve č odvisna samo od ene žice in osnovnega materiala, ampak jo je možno prilagajati s kemi čno sestavo druge žice), • uporaba dveh žic z razli čnima premeroma, hitrostijo podajanja ter parametri varjenja. Na sliki 1.40 sta prikazana dva pre čna prereza navarov, izvedena s 5 mm in 7 mm razdaljo med varilnima žicama.

Slika 1.40:

Pre čni prerez navara pri varjenju z dvojno žico (razdalja med elektrodama 5 mm - levo; 7 mm - desno; I p = 275 A; I o = 40 A; t p = 4 ms; t o = 5 ms) [1]


47

V istem prispevku je v besedilu tudi že nakazana možnost uporabe istega principa pri varjenju z večžično elektrodo. Navajajo naslednji zahtevi za izvedbo takega sistema: • neodvisne kontrole med varilnimi žicami; • fazni zamik med posameznimi pulzi. Bolj raziskovalno delo sta opravila Rehfeld in Polte [32] z Analizatorjem Hannover. Raziskovala sta proces varjenja z dvema žicama. V svojem pregledu literature navajata dva sistema za varjenje z dvema žicama, in sicer sistema "twin" in "tandem" (glej sl. 1.41). Prvi je sistem z dvojno žico v skupni kontaktni šobi in enim virom energije. Sistem "tandem" je sistem varjenja z dvema žicama z ločenimi kontaktnimi šobami in dvema viroma energije. Od teh dveh virov je eden glavni ali "master" in drugi pomožni ali "slave".

Slika 1.41:

Princip varjenja z dvojno žico žico "twin" (levo) in dvema žicama "tandem" (desno) [32]

Za izvedbo takega sistema se priporo ča uporaba prše čega ali pulznega na čina prehajanja materiala. Za sistem z dvema žicama se v splošnem lahko uporabi le sistem s pulziranjem, ki imata za 180o premaknjeno fazo pulza. Na sliki 1.42 je prikazana eksperimentalna postavitev. Kot je razvidno, sta uporabila dva vira energije in lo čene kontaktne šobe, vse skupaj pa sta merila tudi z dvema ločenima enima merilnima merilnima sistemoma, ki sta bila bila med seboj sinhronizirana z enoto enot o DSO. D SO.

Slika 1.42:

Eksperimentalna oprema za spremljanje spremljanje procesa varjenja z dvema žicama v zaščitnem plinu [32]

Prvi, bolj komercialno široko zastavljeni razvoj vira energije, je bil osnovan na procesu T.I.M.E. in ga je podjetje Fronius predstavilo v 90-tih letih pod imenom T.I.M.E.-TWIN [39]. Njihov razvoj je temeljil predvsem na pove čanju produktivnosti varjenja malolegiranega jekla. Sistem se je izkazal za uspešnega in v nekaj letih so ga že uporabili tudi za varjenje aluminija in njegovih zlitin. V začetni fazi razvoja so poskušali izvesti sistem s skupno kontaktno šobo, vendar so kmalu ugotovili, da taka zasnova ne zagotavlja ustrezne stabilnosti procesa varjenja. Njihov novi koncept temelji na dveh lo čenih sistemih, ki sta med seboj povezana s sinhronizacijsko enoto (glej sliko 1.43). Ta je uporabljena z namenom, da se natan čno kontrolira pulziranje in s tem prehajanje materiala med obema žicama izmenično. Varilni žici sta dve in sta med seboj v kontaktni šobi električno ločeni. Prednosti uporabe sistema z dvema žicama se pokažejo v ve č ji produktivnosti (talilni učinek) in z njim povezane ve č je hitrosti varjenja (glej tabelo 1.3).

48


Odvisnost hitrosti hitrost i varjenja od višine višine kotnega kot nega vara in uporabljenega na čina ina varjenja (material: malolegirano jeklo) [12]

Tabela 1.3:

Višina kotnega vara

a3,5

MAG T.I.M.E. T.I.M.E. TWIN

0,7 1,0 1,5

Slika 1.43:

a4 a5 Hitrost varjenja [m/min] 0,6 0,4 0,9 0,7 1,4 1,2

a6 0,3 0,6 1,0

Shematski prikaz sistema T.I.M.E.T.I. M.E.-TWIN TWIN [12]

Na potrebe tržišča so se kmalu odzvala tudi druga podjetja. Med prvimi, ki je sledilo razvoju je bilo podjetje KUKA, ki je leta 1998 predstavili svoj sistem varjenja z dvema žicama za zvarjanje [9]. Varilni žici sta postavljeni zaporedno in zato oblok vodilne žice gori na osnovni material, oblok sledilne žice pa v talino. Podjetje je predstavili sistem, ki je zasnovan na robotski manipulaciji in v že v osnovi lo či dva sistema, in sicer sistem z dvema kontaktnima šobama, ki sta med seboj izolirani, in sistem z dvema povsem lo čenima enima goriln gor ilnikoma ikoma (glej sl. 1.44). 1.4 4).

Slika 1.44:

Shematski prikaz sistema KUKA, levo elektri čno izolirani kontaktni šobi in desno sistem z dvema gorilnikoma [9]

Sistem, ki ima lo čena potenciala med dvema kontaktnima šobama, omogo ča veliko več jo stabilnost procesa, poleg tega pa tudi uporabo dveh razli čnih hitrosti podajanja varilne žice ali pa dveh različnih premerov varilne žice. Sistem je izveden tako, da omogo ča tudi nastavljane različne razdalje med kontaktnima šobama, kakor tudi spreminjanje naklona kontaktne šobe. Glede na naklon kontaktne šobe se za primer zvarjanja uporabljajo naslednje kombinacije (odvisno od aplikacije, aplikacije, predvsem pr edvsem od debeline osnovnega materiala): mater iala): sledilna varilna žica - nevtralno; • vodilna varilna žice - vle čenje, sledilna varilna žice - nevtralno, sledilna sledilna varilna žica - potiskanje; po tiskanje; • vodilna varilna sledilna varilna žica - postiskanj post iskanje; e; • vodilna varilna žice - vle čenje, sledilna Prispevek [10], objavljen leta 1999, predstavlja raziskave podjetja Lincoln na podro č ju varjenja z več žicami v zaščitnem plinu. Podobno, kot že prej omenjeni sistemi so, tudi tu izbrali sistem z dvema žicama z lo čenima kontaktnima šobama. Njihov prispevek k znanosti temelji predvsem na raziskavah, kjer so poskušali ugotoviti stabilnost varilnega procesa in s tem povezano kakovost vara v odvisnosti od oblike varilnega toka na posamezni žici. Rezultat njihovega dela je


49

predstavljen v obliki matrike v tabeli 1.4. Njihova raziskava je temeljila le na dveh na činih prehajanja materiala, saj smo že prej omenili, da se kratkosti čen prehod materiala pri varjenju z več žicami v zaščitnem plinu ni izkazal za primernega. Avtorji v istem članku podajajo tudi priporočeno (opt ( optimal imalno) no) razdaljo r azdaljo med dvema varilnima varilnima žicama, in sicer znaša ta približno približno 5 mm mm.. Tabela 1.4:

Matrika primernosti uporabe prše čega in pulznega prehoda materiala pri varjenju varjenju z dvema žicama žicama [10] [10 ]

Sledilni oblok prše č prehod Sledilni oblok pulzni prehod

Vodilni oblok pršeč prehod

Vodilni oblok pulzni prehod

NE

NE

DA

DA

Podjetje CLOOS je za čelo razvijati sistem za varjenje z dvema žicama že leta 1980, v letu 1999 pa predstavilo moderen, izpopolnjen sistem. Prva njihova izvedba je bil sistem s skupno kontaktno šobo, vendar jim je nadaljnji razvoj nakazal uporabo sistema z lo čenimi kontaktnimi šobami. Na sliki 1.45 je shematično prikazan moderen sistem za varjenje z dvema žicama in dvema lo čenima viroma energije.

Slika 1.45:

Shematski prikaz sistema CLOOS [11]

Njihov sistem omogo ča varjenje samo z eno žico ali z dvema varilnima žicama, ki imata razli čne premer in različno kemično sestavo. Možno je klasi čno varjenje ali varjenje s pulznim tokom, različnih materialov, kot so navadna jekla, aluminij in nerjavno jeklo. Na osnovi njihovih raziskav navajajo znatno pove čanje talilnega učinka v primerjavi z visokoproduktivnimi procesi z eno žico ali s klasičnim varjenjem z eno žico (glej sliko 1.46). Na osnovi pove čanja talilnega učinka je možno znatno pove čati hitrost varjenja, zaradi česar se tudi zmanjša vnos energije v var. ESAB-ov sistem za varjenje z dvema žicama podrobneje opisuje Goecke [16]. Podobno kot do zdaj opisani sistemi, tudi ta temelji na lo čeni kontaktni šobi ter "master" in "slave" viru energije, ki sta med seboj povezana s sinhronizacijsko enoto. V svojem prispevku tudi pojasni terminologijo, in sicer pomen izrazov: • "twin" - sistem, ki ima en ali dva lo čena podajalna mehanizma, en vir energije in skupno kontaktno šobo; • "tandem" - sistem z dvema podajalnima mehanizmoma in viroma energije ter elektri čno ločeni kontaktni šobi.

Doktorat PhD Thesis Marjan Suban

Recommend Documents