PRIVATNA SREDNJA STRUKOVNA ŠKOLA S PRAVOM JAVNOSTI LIBAR ŠIROKI BRIJEG
MATURSKI RAD Osnove tehnike zavarivanja
Polaznik: Mahir Sakic
Mentor: Jozo Pinjuh
Lipanj, 2012
SADRŽAJ
1.UVOD............................................................................................................................................................3 2. PODJELA ZAVARIVANJA.....................................................................................................................4 2.1. PODJELA POSTUPAKA ZAVARIVANJA.........................................................................................5 2.2 ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE TOPLJIVOM ELEKTRODOM POD ZAŠTITOM AKTIVNOG (MAG) - C02 PLINA...............................................................................................................6 2.2.1 OPIS POSTUPKA ................................................................................................................................6 2.2.2 PRINCIP POSTUPKA .........................................................................................................................6 2.3. DODATNI MATERIJAL ZA MAG (C02) ZAVARIVANJE.............................................................7 2.4. RUČNO ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE OBLOŽENIM ELEKTRODAMA (REL)............8 3. ZAVARLJIVOST MATERIJALA.........................................................................................................11 3.1. NELEGIRANI KONSTRUKCIJSKI ČELICI...................................................................................11 4. KONTROLA KVALITETA ZAVARENIH SPOJEVA....................................................................14 4.1 KONTROLA U TOKU PRIPREME ZA ZAVARIVANJE...............................................................14 4.2 KONTROLA U TOKU ZAVARIVANJE............................................................................................14 4.3 KONTROLA POSLIJE ZAVARIVANJE...........................................................................................14 5. PROPISI ZAŠTITE NA RADU..............................................................................................................15 6.
ZAKLJUČAK...........................................................................................................................................16
LITERATURA..............................................................................................................................................17
2
1.UVOD Zavarivanje je spajanje dvaju ili više, istovrsnih ili raznovrsnih materijala, taljenjem ili pritiskom, sa ili bez dodavanja dodatnog materijala, na način da se dobije homogen zavareni spoj. Povijest spajanja metala je započelo prije nekoliko tisuća godina, u brončano doba i u željezno doba, na prostorima današnje Europe i Bliskog istoka. Razvilo se kao sastavni dio
vještina kovača,
zlatara
i ljevača pri
izradi
oruđa
za
rad,oružja,
posuda, nakita i građevina. U srednjem vijeku se razvilo kovačko zavarivanje, gdje su se dva dijela koja su se spajala, na kovačkoj vatri, doveli do bijelog usijanja i ako je bilo potrebno, posipali bi se određenim prahom ili pijeskom za “čišćenje”. Čekićanjem spoja istiskivali bi se s dodirnih površina rastaljeni oksidi ili troska, te se sučeljavaju čiste metalne površine, kada počinju djelovatimeđuatomske sile dvaju dijelova i dolazi do čvrstog spoja. Najbolji mačevi iz čelika u srednjem vijeku bili su rađeni izniskougljičnog čelika (do 0,4% ugljika), a na njihove rubove su kovački zavarivane (udarcima čekića u toplom stanju) trake od visokougljičnog čelika (od 1,0 do 2,1% C), koje su uz određenu toplinsku obradu davale tvrde i oštre bridove. Mačevi, vrhovi strijela i koplja, noževi i drugo, kod kojih
su
primjenjivali
kovačko
zavarivanje,
bili
su
poznati
u Grčkoj, Franačkojdržavi, Kini, Japanu, Indoneziji, te u Siriji. Poznata je bila tehnika spajanja traka iz različitih vrsta željeznih materijala kovanjem kao “damasciranje” (od Damask , Sirija), a u cilju postizanja posebnih dobrih svojstava za mačeve i puške. 1802. ruski znanstvenik Vasilij Petrov istražuje električni luk za opću namjenu i predlaže primjenu za zavarivanje. 1882. ruski znanstvenik Nikolaj Benardos prvi koristi električni luk između ugljene elektrode i metala, uz dodavanje žice u metalnu kupku. 1888. ruski znanstvenik Nikolaj Slavjanov je predložio postupak elektrolučnog zavarivanja metalnom elektrodom. 1895. počinje se koristiti aluminotermijsko zavarivanje tračnica i za popravak odljevaka. U isto vrijeme prvi puta se zavaruje plinskim plamenikom, koji je koristio kisik i vodik . Kasnije se razvija plinsko zavarivanje kisik -acetilenskim (O2 + C2H2) plamenom. 3
1907. švedski znanstvenik prvi patentira i primjenjuje obloženu elektrodu. Obložena elektroda se proizvodila uranjanjem gole žice u otopinu minerala, a od 1936. obloga se nanosi isprešavanjem ili ekstrudiranjem. Od 1925. počinje zavarivanje u zaštitnoj atmosferi vodika, a kasnije se prešlo na argon i helij. Od 1930. primjenjuje se automatsko zavarivanje pod praškom u brodogradnji SAD-a. Pred, a posebno poslije Drugog svjetskog rata, počinje razvoj i primjena zavarivanja u zaštitnom plinu - zavarivanje TIG postupkom. Zavarivanje MIG postupkom se počinje primjenjivati 1948., a od 1953. u Sovjetskom Savezu se prvi puta primjenjuje zavarivanje MAG postupkom s CO2 zaštitnim aktivnim plinom. Hladno zavarivanje pod pritiskom se primjenjuje od 1948. Iza 1950. se razvijaju mnogi novi postupci kao što su: zavarivanje pod troskom , zavarivanje trenjem, zavarivanje snopom elektrona, zavarivanje ultrazvukom, zavarivanje laserom, zavarivanje plazmom i drugi. Prvo zavarivanje i toplinsko rezanje u svemiru izveli su 1969. u sovjetskom svemirskom brodu Sojuz 6. 1932. u Rusiji, Konstantin Khrenov je prvi uspješno primjenio podvodno elektrolučno zavarivanje.
2. PODJELA ZAVARIVANJA
Prema načinu spajanja metode zavarivanja se dijele u dvije velike grupe: 4
1. Zavarivanje taljenjem, zavarivanje materijala u rastaljenom stanju na mjestu spoja, uz dodatni materijal ili bez njega. - Plinsko zavarivanje - Elektrolučno zavarivanje
2. Zavarivanje pritiskom zavarivanje materijala u čvrstom ili omekšanom stanju na mjestu spoja s pomoću pritiska ili udarca. - Kovačko zavarivanje - Elektrootporno zavarivanje
2.1. Podjela postupaka zavarivanja Prema postupku zavarivanja razlikujemo 2 vrste zavarivanja: Zavarivanje taljenjem i zavarivanje pritiskom. Zavarivanje taljenjem -Elekrolučno, Elektro
pod
Aluminotermitsko,
Zavarivanje pritiskom EPT
Kovačko, Plinsko, Difuzijono,
troskom,
Elektronskim Hladno, Elektrootporno, Eksplozijom, mlazom, Ljevačko, Laserom, Plazmom, Aluminotermitsko, Trenjem, MPL-Magnet Elektrolučno, pokretnim lukom, VF-visokofrekventom Plinsko: Kisik acetilen , Kisik propan, Kisik strujom, vodik
Elektrolučno
svornjaka,
Infracrvenim zračenjem
Tabela 1. Podjela postupaka zavarivanja
5
2.2 Elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodom pod zaštitom aktivnog (MAG) - C02 plina 2.2.1 Opis postupka Elektrolučno zavarivanje pod zaštitom plina topljivom elektrodom je visokoučinski postupak zavarivanja, kod kojega električni luk gori između metalne elektrode, koja se tali, i osnovnog materijala. Žica se automatski odmata s koluta, ovisno o jakosti struje i dovodi na mjesto zavarivanja.
2.2.2 Princip postupka Princip postupka i uređaji za MAG zavarivanje su jednaki. Razlika je u vrsti zaštitnog plina i području primjene. Ako se za zaštitu rastaljena metala koristi inertni plin (argon, helij) postupak se naziva MIG (Metal Inert Gas). Ovaj se postupak primjenjuje za zavarivanje visokolegiranih čelika, aluminija, bakra, titana i njihovih legura.
Princip zavarivanja MAG držač električne žice; 3 - elektrodna žica; 4 -- zaštitni pl rastaljeni metal; 7 - električni luk; 8 - osnovni materija
6
Ugljični dioksid je na sobnoj temperaturi inertan plin, koji na visokim temperaturama disocira na ugljični monoksid i kisik prema reakciji:
Nastali kisik reagira sa željezom, pri čemu nastaje željezni oksid prema reakciji:
Željezni oksid (FeO) djelomično prelazi u trosku, a djelomiči ostaje u metalu zavara kao nemetalni uključak i štetno utječe na mehaničke osobine zavarenog spoja. Zbog toga dodatni materijal sadrži više dezoksidanata (mangan, silicij, aluminij), kako bi se nastali FeO reducirao. Redukcija se vrši prema reakcijama:
Nastali oksidi mangana, silicija i aluminija čine tanki sloj troske, a čisto željezo prelazi u zavar. Zbog toga je sadržaj mangana i silicija u žici za zavarivanje MAG (C02) postupkom uvijek viši nego u zavaru.
2.3. Dodatni materijal za MAG (C0 2 ) zavarivanje Dodatni materijal za MAG postupak zavarivanja (elektrodne žice za zavarivanje) moraju ispunjavati određene uvjete, kako u pogledu kemijskog sastava, tako i u pogledu kvaliteta površine, pobakrivanja i odmatanja s koluta za vrijeme zavarivanja. Obzirom na način proizvodnje i tehnološke karakteristike dodatni materijali se za ovaj postupak zavarivanja mogu podijeliti u dvije grupe, i to: - pune elektrodne žice i - punjene elektrodne žice.
7
Pune elektrodne žice, koje se koriste za zavarivanje nelegi-ranih i niskolegiranih čelika, pobakrene su radi zaštite od korozije. Isporučuju se na plastičnim ili metalnim kolutima. Promjeri punih elektrodnih žica navedeni su u tablici 2. Čvrstoće metala zavara, koje se postižu zavarivanjem ovim žicama, kreću se od 470 do 710 N/mm2. Punjene elektrodne žice se proizvode od metalne trake, debljine do 0,5 mm, koja se savija po dužini i puni praškom određenog sastava. Žica u svojoj unutrašnjosti sadrži elemente koji stvaraju trosku, stabiliziraju električni luk, vrše dezoksidaciju i le-giranje zavara. Ovisno o vrsti praška razlikuju se bazične i rutilne punjene elektrodne žice, koje se međusobno razlikuju po zavarivačkim i mehaničkim osobinama te po području primjene.
2.4. Ručno elektrolučno zavarivanje obloženim elektrodama (REL) - Postupak je jednostavan za rukovanje. - Primjenjuje se za zavarivanje i navarivanje svih vrsta metala istosmjernom ili izmjeničnom strujom. - Električni luk se uspostavlja između vrha elektrode i radnog komada i postupak je ručni.
Slika 2.3 Zavarivanje obloženom elektrodom 8
Prednosti: -
jeftina oprema,
-
širok spektar elektroda,
-
koristi se za sve konstrukcijske čelike, Cu, Ni, Ti i dr.,
-
za sve debljine zavara (od 1 mm do 100 mm),
-
izvedivo je višeslojno zavarivanje,
-
zavarivanje u svim položajima.
Nedostaci: -
postupak se obavlja ručno (mogućnost greške),
-
puno dimova (potrebna ventilacija),
-
stvaranje troske (opasnost troska u zavaru),
-
otpad – moraju se ukloniti,
-
prekidi i uspostavljanje luka – moguće pogreške.
Funkcija obloge:
1. Elektricna funkcija – važna jer utjece na stabilnost el. luka, 2. Fizikalna funkcija – utjece na zaštitu taline od zraka (plinovi štite talinu), 3. Metalurška funkcija – u oblozi se nalaze komponente koje vrše legiranje metala zavara te utjecu na deoksidaciju taline.
9
SVOJSTVA
OBLOGA
- daje dobru žilavost i cvrstocu - traži posebnu opremu za zavarivaca - zavaruje se iskljucivo na (+) polu - visina luka je jednaka 1 promjera BAZIČNA
elektrode - na sebe veže kisik, vodik, sumpor i fosfor - zavareni spoj je osloboden štetnih plinova i nemetalnih primjesa - stabilan el. Luk - može se raditi i na istosmjernoj i
RUTILNA
izmjenicnoj struji - estetski lijep zavar - lagano se radi s njom - nešto lošija mehanicka svojstva - ista svojstva kao i bazična
KISELA - razvili su je Amerikanci prije 50. CELULOZNA
godina - specificna obloga
10
3. ZAVARLJIVOST MATERIJALA Zavarljivost materijala je sposobnost zavarivanja materijala. Metal smatramo zavarljivim onda kada primjenjujuci odredeni postupak zavarivanja, dobivamo kontinuirani, homogeni zavareni spoj koji zadovoljava predvidene zahtjeve i zahtjevana mehanicka i druga potrebna svojstva.
Zavaraljivost se može biti: -
Dobra ako se može zavarivati bez specijalnih predradnji i mjera opreza.
-
Slaba ako su potrebne specijalne predradnje i mjere opreza, na primjer predgrijavanje zbog mogucnosti nastanka pukotina.
-
Jako slaba zavarljivost Ako su potrebna takve predradnje i mjere opreza da prakticki nije moguce izvesti zavarivanje koje bi bilo ekonomski prihvatljvo.
Zahtjevi za dobru zavarljivost: -
Zadovoljavajuca žilavost osnovnog materijala i nakon zavarivanja,
-
Zadovljavajuca krhkost,
-
Postotak ugljika što manji jer utjece na porast zakaljivosti, tvrdoce i krhkosti,
-
Najprihvatljiviji su celici su dobiveni u Siemens-Martinovim pecima.
3.1. Nelegirani konstrukcijski čelici Ovi čelici se dobro zavaruju bez posebnih mjera opreza ako: -
nemaju veci sadržaj ugljika od 0,25%,
-
kolicina necistoca nije prevelika,
-
radni komadi nemaju preveliku masu ili velike debljine,
-
konstrukcija nije ukrucena.
11
Prije zavarivanja velikih radnih komada i čelika s povećanim sadržajem ugljika koristi se postupak predgrijavanja. To je potrebno radi smanjenja intenziteta odvoda topline kako bi se izbjeglo zakaljivanje (otvrdnjavanje) prijelazne zone zavara. Pri zavarivanju ovih čelika koriste se bazicne elektrode i redoslijed zavarivanja koji smanjuje zaostala naprezanja. Radi smanjenja zaostalih naprezanja zavara preporuca se odžarivanje opterecenih konstrukcija, poput parnih kotlova i posuda pod tlakom. Opća pravila za zavarivanje nehrđajućih čelika su: -
Mjesto zavarivanog spoja mora biti cisto i glatko obradeno (bez masnoca, vlage i drugih necistoca);
-
Alati i brusne ploce ne smiju sadržavati karbide vec se koriste aluminijski oksidi;
-
Feritni martenzitni celici se obavezno predgrijavaju;
-
Odabir dodatnog materijala je vrlo važan i dr.
Sivi lijev Osnovni problem zavarivanja sivog lijeva je njegova mala istezljivost. Sivi lijev ne podnosi plasticne deformacije koje se javljaju prilikom grijanja i hladenja kod zavarivanja. Prelaz taline sivog lijeva u kruto stanje je vrlo brz, tako da se plasticno medustanje gotovo i ne pojavljuje. Naglim hladenjem dolazi do otvrdnjavanja u ZUT-u kao i do pojave napuklina. Pucanje zavarivanog komada od sivog lijeva sprjecava se predgrijavanjem izratka plinskim plamenom ili u pecima do crvenila odljevka oko 600 oC i postupnim hladenjem, prekrivanjem zavara npr. zagrijanim pijeskom kako bi se postigla brzina hladenja od 50 do 100 oC/h. Zavarivanje sivog lijeva najcešce se izvodi rucnim elektrolucnim postupkom, a moguce je i plinskim plamenom (preporuca se za manje dijelove). Kod elektrolucnog postupka zavaruje se kratkim nanosim od 20 do 30
12
mm širine 5 do 6 mm. Okolni materijal se ne bi smio zagrijati iznad 70 do 80 oC Zavaruje se od sredine prema krajevima pripremlejnog spoja.
Aluminij Aluminij i njegove legure mogu se zavarivati gotovo svim postupcima zavarivanja. Vrlo ucinkovito se koristi TIG i MIG postupci zavarivanja, a moguce je zavarivanje i plinskim plamenom. Problemi koji se javljaju kod zavarivanja aluminijevih slitina
su: -
Izražena sklonost oksidaciji, stvara se Al2O3 koji ima visoku temperturu tališta od 2037 oC, veliku gustocu i teško se izdvaja iz taline. Cisti aluminij ima talište 660 oC;
-
Pojava poroznosti, koje se javljaju ulaskom vodika u rastaljeni metal. Izvori vodika su vlaga i necistoce na površini zavara, dodatnog materijala i obloge elektrode. Zbog toga je potrebno temeljito cetkanje površina pripremljenih za zavarivanje i topitelja u obliku praška ili paste;
-
Vrlo visoka toplinska vodljivost aluminijevih slitina (4-5 puta veca od celika);
-
Kada se zavareni spoj ohladi potrebno je s njegove površine ukloniti cetkom i toplom vodom ostatake topitelja, koji jako nagrizaju aluminij, s jedne i druge strane zavara.
Bakar
Postižu se dobri rezultati zavarivanja s TIG i MIG postupcima zavarivanja. Zavarivanje plinskim plamenom nije pogodno, a moguce je zavarivanje elektricnim lukom s odgovarajucim obloženim elektrodama pri cemu elektricni luk mora biti vrlo kratak kako bi plinski zaštitni omotac bio što gušci.
13
4. KONTROLA KVALITETA ZAVARENIH SPOJEVA Kontrola zavarivanja dijeli se na: -Kontrolu prije za zavarivanje -Kontrolu u toku zavarivanja -Kontrolu poslije zavarivanja
4.1 Kontrola u toku pripreme za zavarivanje Obuhvata kontrolu osnovnog i dodatnog materijala, kontrola oblika i pravilnosti žljeba (mjesta za zavarivanje) i kontrolu ispravnosti opreme i uređaja za zavarivanje. To sam sve izvršio u skladu sa važećim propisima i crtežima.
4.2 Kontrola u toku zavarivanje Obuhvata kontrolu parametara zavarivanja (vrstu jačine struje, polaritet na elektrodi, napon struje, broj prolaza brzine zavarivanja, utrošak zaštitnog gasa CO2).
4.3 Kontrola poslije zavarivanje Obuhvata vizuelnu kontrolu (golim okom) na pojavu grešaka u šavu i dimenzionalnu kontrolu to jest postizanje tačnosti dimenzioja vara (korijena vara, lice šava, dimenzije ugaonog vara, prema cretežu). Po završetku zavarivanja postigao sam dimenzije ugaonih varova (a = 0,7 • S ) mm a = 0,7 • 7 = 5 mm a = 5 mm To jest a = 5 mm
14
5. PROPISI ZAŠTITE NA RADU Pri zavarivanju trebaju se poštovati mjere zaštite koje obuhvataju: -
Opšte mjere zaštite na radnom mjestu
-
Upotreba ličnih zaštitnih sredstava
-
Preventivne mjere zaštite
Od opštih mjera zaštite na radnom mjestu tretiraju se ventilacija u zatvorenom prostom radi štetne prašine i toksičnih gasova to jest njihovo osisavanje sa radnog mjeata . Upotreba ličnih zaštitnih sredstava je obaveza svakog zavarivača a najvažniji dijelovi te opreme su: - zaštitna maska za lice - zaštitne kožne rukavice - radno odijelo i kožna zaštitna kecelja - štitnici za noge i posebne radne cipele - kožna kapa i nadlaktice i respirator zaštite disajnih organa.
15
6. ZAKLJUČAK Teorijsko-spoznajna studija o zavarivanju kao multidisciplinarnoj tehničkoj oblasti. U dosadašnjoj
praksi
većina predsatavlja
tehnologiju
što
u
osnovi i
jeste.
Težnja mog rada bila je da prikaže zavarivanje kao multidisciplinarnu oblast, koja se prožima kroz različite oblasti tehnike.
Ovaj rad sastoji se iz šest poglavlja. Svako poglavlje razmatra određene aspekte zavarivanja. Fizičko - hemijski aspekt zavarivanja proučava fizičke i hemijske osnove nastanka zavarenog spoja.Metalurški aspekt zavarivanja proučava metalurške procese u metalima i legurama pri zavarivanju. Primjenom fizičke metalurgije, metalografije i drugih metalurških disciplina posmatraju se zavareni spojevi kako na mikro planu(nivo pojedinačnih zavarenih spojeva), tako i na makro planu (zavarena konstrukcija i njeno okruženje). Tehnološki aspekt zavarivanja daje uopšten prikaz zavarivanja kao tehnologije. U praksi zavarivanje čine dve grupe tehnoloških postupaka. Prva grupa tehnoloških postupaka su postupci zavarivanja topljenjem, dok drugu grupu čine postupci zavarivanja u čvrstom stanju (zavarivanje pritiskom). Zavarivanje materijala definiše osnove za ispitivanje sposobnosti materijala za ostvarivanje nerazdvojive veze. Zavarljivost materijala se razmatra kako na svijetskom nivou (Međunarodni institut za zavarivanje), tako i na nivou pojedinih država, asocijacija i instituta. Ispitivanje tehnološke čvrstoće pri zavarivanju, primjenom određenih metoda mijerodavno je za određivanje zavarljivosti materijala.
16
Ostali aspekti zavarivanja daju opšti prikaz zavarivanja koje određuju sadržaj tehničkih disciplina u okviru mašinstva, organizacije rada, elektrotehnike, zaštite na radu itd. Ovde se može se može govoriti o tehničkim disciplinama kao što su organizacija zavarivačkih radova i proizvodnje, projektovanje zavarivačkih radionica, elektrotehnika zavarivanja itd.
LITERATURA 1. Osnovi zavarivanja, lemljenja i lepljenja dr; Avram Majstorovid dr; Milorad Jovanovid Beograd 1995. 2. Zavarivanje i termicka obrada drsc Džafer Kudumovid red; prof; Tuzla 2009; 3. http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=electroslag_welding_esw 4. http://eagar.mit.edu/EagarPapers/Eagar028.pdf 5. http://www.asminternational.org/portal/site/www/AsmStore/ProductDetails/? vgnextoid=7c474ef322e18110VgnVCM100000701e010aRCRD 6. Pašid O;, Zavarivanje za studente tehnickih fakulteta, 1998; godina 7. Kudumovid Dž;, Zavarivanje i termicka obrada
17
18
