PROIZVODNE TEHNOLOGIJE – uvodni þas (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) I PREDAVANJE – PRVI ýAS: Uvod u proizvodne tehnologije. Osnovni pojmovi i definicije. Razvrstavanje proizvodnih tehnologija. Znaþaj kompjuterske integracije sistema u proizvodnim tehnologijama. Uvodne napomene Tehnologija (tehne-zanat, veština, logos-nauka) – nauka o zanatu, može se definisati i kao primenjena nauþna disciplina, koja se bavi prouþavanjem i razvojem sredstava i metoda proizvodnje. Postoji veüi broj podela proizvodnih tehnologija, prema razliþitim nacionalnim standardima pojedinih zemalja, strukovnih udruženja i organizacija (sl. 1). Pre prelaska na podelu proizvodnih tehnologija, treba se podsetiti nekih osnovnih pojmova koji su usko vezani za razumevanje tehnoloških procesa, kao što su: Sistem predstavlja skup meÿusobno povezanih jedinki u jednu celinu po odreÿenim pravilima i zakonitostima. Poslovni sistem je najširi kompleks i sastoji se od jednog ili više proizvodnih sistema (npr. fabrika za proizvodnju automobila, fabrika za proizvodnju kamiona, ...) ili poslovni sistem je organizacioni sistem "koji funkcioniše radi ostvarivanja odreÿenih ciljeva makroekonomskih sistema i zaposlenih" (makro, mikro ciljevi). Proizvodni sistem se sastoji iz jednog ili više tehnoloških sistema u kome se pojavljuje najmanje jedan obradni sistem (npr. sistem za toplo kovanje, ...) ili proizvodni sistem je podsistem poslovnog sistema "sa þisto proizvodnim funkcijama i delom razvojnih, upravljaþkih i logistiþkih funkcija". Koordinacija ovih podsistema ostvaruje se preko sistema upravljanja. Tehnološki sistem obuhvata liniju ili skup mašina gde se od sirovine ili polufabrikata izraÿuju gotovi delovi, podsklopovi ili sklopovi (npr. linija za izradu kutije mosta kamiona, tehnološka linija za montažu menjaþa automobila, ...). Sistem za oblikovanje je širi sistem u odnosu na obradni sistem i predstavlja zaokruženu celinu odreÿenog procesa (npr. automatska višepoziciona presa za duboko izvlaþenje). Obradni sistem obuhvata odreÿenu mašinu, presu ili grupu mašina koje izvode odreÿene operacije (npr. hidrauliþna presa za fino razdvajanje, aparat za taþkasto zavarivanje, stubna bušilica, ...). Pod pojmom proces podrazumeva se transformacija informacija, energije i materijala od sirovine ili polufabrikata do gotovog dela ili proizvoda. Procesi se (u okviru proizvodnog mašinstava) mogu podeliti na: •
proizvodne procese,
•
tehnološke procese,
•
procese oblikovanja i
•
obradne procese.
Operacija je deo obradnog procesa i predstavlja konaþan završetak jedne celine obradnog procesa ili operacija je "proces transformacije na jednom radnom mestu (obradnom sistemu) u neprekidnom vremenskom toku". Zahvat predstavlja osnovni tehnološki deo obradnog procesa u okviru jedne operacije. Pomoüne aktivnosti se odnose na operacije pripreme, postavljanja, stezanja, podešavanja i tsl.
1
Koriste se još i pojmovi: polazni komad ili polazni materijal, predmet obrade ili deo u fazi izrade i gotov deo.
PROIZVODNE TEHNOLOGIJE •
LIVENJE
• •
DEFORMISANJE REZANJE
• •
ZAVARIVANJE TERMIýKA OBRADA
Tehnologija zaštite ĺ
• • • •
Lakiranje Elektrostatiþka zaštita PVD i CVD postupak Galvanizacija
Tehnologija obrade plastiþnih masa ĺ
• • • • • • • • •
Livenje Presovanje Brizganje Sinterovanje Ekstruzija Kaladrovanje Izvlaþenje Duvanje Termiþko oblikovanje
Tehnologija obrade keramike ĺ
• • •
Brušenje Honovanje Lepovanje
Tehnologija obrade drveta ĺ
• • • • •
Pilenje (kružno, trakasto, gaterom, ...) Blanjanje Brušenje Frezovanje Bušenje
Tehnologija proizvodnje elektronskih poluprovodniþkih elemenata ĺ
•
Proizvodnja unutar belih (þistih) prostora
•
Reciklaža proizvoda od gvozdenih (železnih) materijala Reciklaža proizvoda od obojenih (neželeznih) materijala Reciklaža plastike Reciklaža papira
Tehnologija obrade metala ĺ
Tehnologija reciklaže ĺ
• • •
Slika 1. Pregled najvažnijih proizvodnih tehnologija
2
Glavna grupa 1 Glavna grupa 2 Glavna grupa 3 Glavna grupa 4 Glavna grupa 5 Glavna grupa 6
PRIMARNO OBLIKOVANJE DEFORMISANJE RAZDVAJANJE SPAJANJE
Ļ Ļ Ļ
NANOŠENJE ZAŠTITNIH PREVLAKA IZMENA SVOJSTVA MATERIJALA
Ļ Ļ
ZAŠTITA je nanošenje trajnog zaštitnog sloja na materijal, npr. boje, laka, keramike i dr.
IZMENA SVOJSTVA MATERIJALA je postupak promene karakteristika nekog postojeüeg materijala (npr. obiþna termiþka obrada: žarenje, kaljenje, otpuštanje i dr., hemijsko-termiþka obrada: cementacija, nitriranje, cijanizacija i krbonitriranje, alitiranje, siliciranje, hromiranje, boriranje, ...).
1. STVARANJE OBLIKA,
2. IZMENU OBLIKA (FORME) i
3. IZMENU SVOJSTAVA MATERIJE (sl. 2).
SPAJANJE-ZAVARIVANJE je tehnološki postupak trajnog povezivanja dva ili više dela u trajnu (neraskidivu) celinu (zavarivanje, lemljenje, lepljenje, navarivanje, metalizacija, ....).
STVARANJE OBLIKA
RAZDVAJANJE je postupak izmene polaznog oblika iz sirovine ili polufabrikata, (pripremka), uz redukciju (umanjenje) zapremine dela tokom obrade (rezanje, seþenje, probijanje, ...).
Ļ
DEFORMISANJE je tehnološki postupak plastiþne izmene oblika þvrstog tela uz zadržavanje iste mase i oþuvanje kompaktnosti (neprekidnosti) dela.
materije proizvoljnog oblika putem stvaranja zajedniþkog sadržaja (livenje u pesku, livenje pod pritiskom, livenje u kokilama, ...).
PRIMARNO OBLIKOVANJE-LIVENJE je postupak proizvodnje nekog þvrstog tela iz
Prema DIN 8550 izvršena je podela proizvodnih tehnologija na šest glavnih grupa i to s obzirom na:
IZMENA OBLIKA IZMENA SVOJSTVA MATERIJALA
Slika 2. Podela proizvodnih tehnologija (prema DIN 8550)
3
Proizvodnja se može definisati kao proces stvaranja materijalne vrednosti, tj. kao proces transformacije materijala, energije i informacija u proizvod. Reþ je o najvažnijoj, ujedno i najsloženijoj funkciji, gde spadaju ljudski rad, predmet obrade, sredstva za rad, energija i informacija. U cilju dobijanja nekog proizvoda mora se organizovati proces proizvodnje, koji se najþešüe sastoji iz sledeüih elementarnih procesa: •
Tehnološki proces,
•
Proces kontrole,
•
Proces unutrašnjeg transporta,
•
Proces održavanja,
•
Proces snabdevanja energentima (elektriþnom strujom, gasom, fluidima, ...),
•
Proces sigurnosne i preventivne zaštite na radu.
Integracija navedenih aktivnosti u cilju stvaranja materijalnih dobara (vrednosti) zajedno sa ulaznom i izlaznom funkcijom þine PROIZVODNI SISTEM. Kompjuterska integracija proizvodnih sistema. Kompletno projektovanje proizvodnih sistema sa svim njihovim sastavnim elementima danas se može izvesti uspešno samo uz podršku kompjuterskih tehnologija (C – tehnika, CAD, CAM, CIM, ...). Dakle, pozitivna iskustva najrazvijenih industrijskih zemalja sveta ukazuju na to. Tako organizovan simultani inženjering na svim nivoima proizvodnog sistema (menadžment, planiranje, proizvodnja, ...) obezbeÿuje: •
Brz i za preduzeüe ekonomiþan odgovor na tržištu i
•
Najmanji broj grešaka kako u toku izrade dela tako i pri njegovoj eksploataciji.
Izbor ekonomiþne proizvodne tehnologije je od najveüeg znaþaja za uspešnost nekog proizvodnog i poslovnog sistema. Pravilan izbor je od najveüe važnosti jer utiþe na sve ekonomske kriterijume uspešnosti i poslovanja i ekonomiþne cene proizvoda. Osnovni ekonomski principi (kriterijumi) koji su presudni za poslovanje, odnosno da se sa manje ulaganja postignu što veüi rezultati poslovanja jesu: PRODUKTIVNOST (veüa proizvodnja, a manji utrošak radne snage), EKONOMIýNOST (proizvodnja sa minimalnim troškovima angažovanja sredstava i radne snage) i RENTABILNOST (ostvarivanje što veüeg profita-dobiti uz što manje angažovanje sredstavakapitala).
4
POLOŽAJI ZAVARIVANJA Uredili: prof. dr Milorad Jovanoviü, dr Vukiü Laziü, vanr. prof. i student II godine Mašinskog fakulteta u Kragujevcu Ĉorÿe Stojiüeviü
Osnovni i nagnuti položaji zavarivanja ploþa i cevi 1
Osnovni ugaoni spojevi zavarivanja ploþa i cevi
2
Položaji zavarivanja za limove – JUS EN 287-1
3
Položaji zavarivanja za cevi - JUS EN 287-1
4
Položaji zavarivanja - EN 287 – ASME - ISO 6947
5
Položaji zavarivanja u skladu sa ASME i ISO 6947 - suþeoni zavari -
Ispitno zavarivanje
Lim - suþeono
Cev - suþeono
Pokrivenost suþeonih zavara
Pokrivenost ugaonih zavarat
Položaj
Lim
Cev
Lim
Cev
1G
1G
1G
1F
1F
2G
1G, 2G
1G, 2G
1F, 2F
1F, 2F, 2FR
3G
1G, 3G
1F, 2F, 3F
1F, 2F, 2FR
4G
1G, 4G
1F, 2F, 4F
1F, 2F, 2FR, 4F
1G
1G
1G
1F
1F
2G
1G, 2G
1G, 2G
1F, 2F
1F, 2F
5G
1G, 3G, 4G
1G, 5G
1F, 2F, 3F, 4F
Svi položaji
6G+6GR
Svi položaji
Svi položaji
Svi položaji
Svi položaji
2G+5G
Svi položaji
Svi položaji
Svi položaji
Svi položaji
Položaji zavarivanja u skladu ASME i ISO 6947-suþeoni spojevi
6
Položaji zavarivanja u skladu sa ASME i ISO 6947 - ugaoni zavari -
Ispitno zavarivanje
Lim - ugaono
Cev - ugaono
Pokrivenost za ugaone zavare
Položaj
Lim
Cev
1F
1F
1F
2F
1F, 2F
1F, 2F, 2FR
3F
1F, 2F, 4F
1F, 2F, 2FR
4F
1F, 2F, 3FG
1F, 2F, 2FR, 4F
3F+4F
Svi položaji
Svi položaji
1F
1F
1F
2F
1F, 2F
1F, 2F, 2FR
2FR
1F, 2FR
4F
1F, 2F, 4F
1F, 2F, 2FR, 4F
5F
Svi položaji
Svi položaji
Položaji zavarivanja u skladu ASME i ISO 6947-ugaoni spojevi
7
1 . GA SNO ZAVARIVANJE – vežba br. 1 (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) 1.1 Tehniþki gasovi, dodatni materijali, topitelji i oprema za gasno zavarivanje 1.1.1 Tehniþki gasovi Gasno zavarivanje se svrstava u postupke zavarivanja topljenjem jer se þvrst spoj izmedju zavarivanih delova ostvaruje topljenjem i zatim oþvršüavanjem njihovih ivica. Iako se kao gorivi gas najviše primenjuje acetilen, u nekim oblastima zavarivanja i srodnim postupcima koriste se i drugi gasovi (tab. 1). Osim tehniþkih gasova za zavarivanje se upotrebljavaju i dodatni materijal, a ponekad i topitelji. 1.1.1.1 Kiseonik Kiseonik se za industrijske svrhe dobija uglavnom iz vazduha. Takodje se oslobadja pri elektrolizi vode, ali se s obzirom na veüu proizvodnu cenu i veüu opasnost, kiseonik iz vode dobija samo za laboratorijske potrebe. Kiseonik se u gasovitom stanju þuva i transportuje u þeliþnim bocama zapremine od 0.40 pa do 50 l. Za zavarivanje i srodne postupke najviše se primenjuju boce zapremine 40 l, a maksimalnog pritiska 150 bara. Kapa, sferna površina i traka na 2/3 visine obojene su plavom bojom. Kiseonik je nešto teži od vazduha, skuplja se u udubljenjima poda, pa pri dodiru sa masnim materijama može izazvati eksploziju.
Donja toplotna moü, kJ/m3
Zavarivaþka topl. moü, kJ/m3
Gustina gasa* prema gustini vazduha, ȡ/ȡvaz, -
Odnos O2/gas
Primena
Acetilen C2H2
3150
48000
21000
0.91
1.0÷ ÷1.2
ýelik s ≤ 30 mm, drugi metali, lemljenje, seþenje
Benzol (para) C6H6
2600
140000÷ 40000 kJ/kg
5850
-
1.25 m3 na 1 kg
Benzin (para)
2400
125000÷ 40000 kJ/kg
5000
-
2100
10800
5450
0.074
0.25÷0.31
2000
91000
48000
1.52
2
2927
89600
19300
1.48
2.5-1
2100
118000
48000
2.1
2.5
1900
20000
38000
-
0.6÷0.7
1700
36000
34000
0.62
1
Gorivi gas
Najviša temperatura, °C
Tablica 1. Pregled i osobine gorivih gasova za zavarivaþki plamen
Vodonik H2 Propan C3H6 MAPP1 Butan C4H10 Svetleüi gas Metan CH4
ýelik s ≤ 10 mm, obojeni metali, lemljenje, seþenje
ýelik s ≤ 10 mm, obojeni metali, 1.3÷1.7 m3 na lemljenje, seþenje 1kg ýelik s ≤ 5 mm, obojeni metali, lemljenje, seþenje Obojeni metali, lemljenje, seþenje, grejanje Za zavarivanje, tvrdo i meko lemljenje, predgrevanje i seþenje Obojeni metali, lemljenje, seþenje, grejanje Obojeni metali, lemljenje, seþenje, grejanje Obojeni metali, lemljenje, seþenje, grejanje
* - Gustina gasa ukazuje na njegovo ponašanje u sluþaju isticanja u spoljnu (okolnu) sredinu. Gasovi sa gustinom manjom od vazduha odlaze naviše, dok gasovi veüe gustine od vazduha padaju na dno i sakupljaju se na mirnim mestima. U prvu grupu spadaju acetilen, metan i vodonik, a u drugu MAAP, butan, propan. S obzirom na eksplozivnost maziva u dodiru sa O2 , ne smeju se uljem ili mašüu podmazivati ventili i drugi uredjaji koji dolaze u dodir sa kiseonikom. Kompresori za punjenje boca kiseonikom 1
MAAP je trgovaþka oznaka za smešu nekoliko gasova (stabilizovani metilacetilenpropadien), temperature kljuþanja od -20 do 38ºC pri pritisku od 1.013 bara.
1
podmazuju se destilisanom vodom, zbog þega se deo te vode javlja kao primesa u granicama 5 do 100 g na 1 m3 kiseonika. Osim toga, kao primesa kiseoniku javlja se i azot buduüi da se O2 dobija frakcionom destilacijom teþnog vazduha (21% O2, 78% N2, 1% drugi gasovi). ýistoüa kiseonika veoma je znaþajna za zavarivaþke radove, a naroþito za gasno seþenje metala. Sa porastom primesa opada brzina seþenja, a raste potrošnja gorivog gasa (acetilena, mešavine propan + butan). Koliþina kiseonika u boci približno je:
V = Vb ⋅ p ⋅ k ⋅ 10-5 ,
m3 ,
(1)
3
gde je: Vb = 0.04 m - zapremina boce, p – pritisak u Pa i k = 1.078 - koeficijent sabijanja kiseonika pri T = 15°C. Koliþina kiseonika u boci može se proraþunati i množenjem pritiska gasa sa vodenom zapreminom. Npr. ako imamo punu bocu zapremine 40 dm3, pritiska 150 bara, sadržaj kiseonika üe biti: 40·150= 6000 dm3= 6 m3. Pri taþnom proraþunu sadržaja kiseonika u boci uzima se dodatno u obzir koeficijent kompresije kiseonika, koji iznosi 1.078 pri T= 15ºC. Stoga stvarna koliþina O2 iznosi 40·150·1.078= 6468 l. 1.1.1.2 Acetilen Za zavarivanje i seþenje gorivi gas je pre svega acetilen. Drugi gorivi gasovi, kao vodonik, naftni gas, koksni gas, zemni gas, metan, benzinske pare ne koriste se za zavarivanje þelika zbog niske temperature plamena i jakog oksidišuüeg dejstva. Mogu biti korišüeni za predgrevanje, žarenje ili seþenje, kao i za zavarivanje nekih niskotopljivih metala. Acetilen se proizvodi u acetilenskim stanicama u kojima se odvija reakcija karbida sa vodom. Acetilen (C2 H2) sadrži oko 93% ugljenika i oko 7% vodonika. S obzirom na veliki sadržaj ugljenika, acetilen pri sagorevanju u kiseoniku daje plamen visoke temperature (3100ºC). Gustina acetilena pri 15ºC i normalnom pritisku je 1.17 kg/dm3. Mešavina acetilena sa kiseonikom ili vazduhom pali se pri temperaturi oko 350ºC. Acetilen pri p>1.5 bara veoma je opasan jer izaziva eksploziju. Mešavina (2.3-9.3%) C 2H2 sa O2 ima takodje eksplozivne osobine, kao i sa vazduhom koji sadrži (2.3–82%) C2H2. Najveüu eksplozivnu silu ima mešavina koja sadrži 15% C2H2. Acetilen se može proizvesti i na mestu rada iz kalcijumkarbida (CaC2) i vode pomoüu tzv. razvijaþa, ili se kupuje "konzerviran" u þeliþnim bocama obeleženim trakom bele boje. U razvijaþima (sl. 1) odvija se egzotermna hemijska reakcija: CaC2 + 2 ⋅ H 2 O → C2 H 2 + Ca (OH ) 2 + 129 , kJ/mol (2)
a)
1
b) 3
c)
2
1 2
3
2
3
1 1 - posuda sa karbidom 2 - voda 3 - odvod acetilena
Slika1. Sheme razvijaþa: a) karbid u vodu, b) voda na karbid, c) dodir vode i karbida
Tehnološki proces industrijskog dobijanja acetilena obuhvata sledeüe faze: ubacivanje karbida u generator napunjen vodom, hvatanje acetilena u poseban sud, preþišüavanje (od PH3, H2S), komprimovanje i sušenje i najzad "pakovanje" u þeliþne boce koje veü sadrže poroznu masu i aceton. Porozna masa, (sliþno sundjeru) upija aceton u kome se zatim rastvara acetilen-disu (dissous) gas. Tako se omoguüuje "konzerviranje" acetilena i pod natpritiskom od 15 bara, iako se on u nerastvorenom stanju 2
razlaže veü na pritisku iznad 1.5 bara. Uzimanje acetilena iz boce ne sme biti naglo (isparava aceton), a boce moraju biti u vertikalnom položaju ili nagnute najviše do 45° da ne bi isticao aceton. Koliþina acetilena u boci može se odrediti po obrascu: V = (mb - mt ) ⋅ 0.92 ,
m3 ,
(3)
gde je: mb - izmerena masa boce, kg (bez kape), mt - izmerena masa prazne boce, kg i 0.92 - koeficijent koji pokazuje da se iz 1 kg rastvorenog acetilena dobija 920 l gasa pri temperaturi od 15°C i pritisku 1.5 bara. Jednostavnije se koliþina acetilena u boci pritiska p u Pa izraþunava po obrascu: V = k ⋅ Vb ⋅ α ⋅ 10-5 ⋅ p ,
m3
(4)
gde je: k = 0.35, odnos zapremine rastvorenog C2 H2 prema zapremini cele boce, Vb= 0.04 m3, zapremina cele boce, α - rastvorljivost C2H2 u 1 dm3 acetona; (pri 15°C, α = 23 i pri 20°C, α = 20 (opasnost od zagrevanja boce!)). Buduüi da je acetilen eksplozivan gas, natpritisak u punoj þeliþnoj boci ograniþava se na 15 bara, a s tim u vezi ne dopušta se ni zagrevanje boce preko 35°C. Isto tako, treba znati da je smeša acetilena i vazduha kao i acetilena i kiseonika eksplozivna, te u tom smislu treba paziti da se ova koncentracija ne dostigne u zatvorenim prostorijama, sudovima, pregradama i tsl. Acetilen je lakši od vazduha, te se stoga skuplja kod poklopaca sudova, plafona, potkrovlja i tsl., gde najþešüe i poþinje eksplozija.
2 1 6 3 5
1 - Otvor preþnika ∅ 3 mm 2 - Držaþ 3 - Kabal 4 - Poklopac 5 - Opruga 6 - Kutija
4
Slika 2. Pribor za ispitivanje eksplozivnosti smeše C2 H2 i vazduha
Sklonost smeše acetilena i vazduha ka eksploziji može se demonstrirati jednostavnom probom. Za to je potrebna cilindriþna limena kutija (sl. 2) preþnika 70 mm i visine 20 mm, u koju se stavlja zrno karbida veliþine 1÷2 cm. Zrno se zatim poliva sa nekoliko kapi vode, kutija zatvara poklopcem i malo saþeka da oslobodjeni acetilen kroz otvor na dnu kutije potisne vazduh. Tada se pomoüu upaljaþa, prinetog uz otvor, pali acetilen koji mirno sagoreva. Ako se posle toga plamen ugasi (zatvaranjem otvora), poklopac otvori i u kutiju udje nešto vazduha, obrazovaüe se eksplozivna smeša. To se dokazuje eksplozijom koja nastaje kada se smeša koja istiþe kroz otvor upali. Ovim se pokazuje da þist acetilen gori mirno na vazduhu, dok pomešan sa vazduhom eksplodira kad god dodje u dodir sa plamenom, žarom ili varnicom.
1.1.1.3 Karbid Karbid je þvrsto telo kristalne gradje, boje tamnosive (CaC2, 2.2 kg/dm3). Njegovom reakcijiom sa vodom oslobadja se gorivi gas - acetilen. Sam karbid proizvodi se u specijalnim karbidnim peüima iz sitnog koksa (C + primese) i peþenog kreþa (CaO). Karbid se þuva u hermetiþno zatvorenom limenom buretu od 100 kg. Burad se þuvaju u suvim prostorijama jer se pod uticajem vlage karbid razlaže pa postoji opasnost od eksplozije. Za þuvanje su propisane posebne sigurnosne mere, kao i mere higijensko tehniþke zaštite (HTZ). 1.1.1.4 Drugi gorivi gasovi Vodonik (H2) je gorivi gas. Dobija se elektrolizom vodenog rastvora kuhinjske soli. Vodonik prve klase sadrži 99.5% H2, a druge 98% H2 (primese su O2, N2 i vodeni gas (H2 + CO)). Vodonik nalazi primenu za zavarivanje olova (Pb) i cinka (Zn), lemljenje i zavarivaþko lemljenje, kao i za seþenje kiseonikom naroþito pod vodom na veüim dubinama. Eksplozivna mešavina sa O2 ili vazduhom obrazuje se sa 4.1-95% H2. Vodonik se dostavlja u þeliþnim bocama, sabijen pod pritiskom od 150 bara pri temperaturi od 15ºC. Propan i butan su takodje gorivi gasovi i dobijaju se pri rafinaciji sirove nafte. Oba ova gasa (propan-C3 H8 i butan-C 4H10) se mešaju i koriste za seþenje kiseonikom, žljebljenje i þišüenje. Mešavina može biti u raznim proporcijama i lako se kondenzuje pod odredjenim pritiskom (teþni gas). U bocama su u ravnotežnom stanju dve faze - teþna i gasovita. Pri uzimanju gasa nastaje isparavanje teþne faze (T = 15ºC, p = 7 bara). Iz 1 kg mešavine teþnog propana-butana dobija se oko 450 l gasne mešavine koja sagorevanjem daje T § 2500ºC. Primenjuje se za seþenje, žljebljenje, ispravljanje, a prednost je što nisu potrebni specijalni gorionici jer iz boce istiþe smeša C3 H8 + C4H10 koja sagoreva pomoüu kiseonika iz vazduha.
3
1.1.2 Dodatni materijal za gasno-plameno zavarivanje (GPZ) Za zavarivanje þelika upotrebljavaju se razne vrste dodatnih materijala (žica) koji se biraju zavisno od vrste zavarivanog þelika. Tanke limove, debljine do 2 mm, moguüe je gasno zavarivati bez dodatnog materijala. Za deblje limove dodatni materijali su istog ili sliþnog hemijskog sastava, kao i osnovni materijal. Žice se proizvode u preþnicima od 0.6 do 8 mm, a dostavljaju u koturovima: za niskougljeniþne þelike 12-40 kg, za niskolegirane þelike 12 kg i za visokolegirane 1.5-10 kg (zavisno od preþnika žice); isporuþuju se i u obliku snopa žica dužine 1 m i mase 10-40 kg. Žice su kružnog popreþnog preseka naj þešüe preþnika 2; 2.5; 3.15; 4; 5; 6.3 mm (JUS C.H3.051/81). Oznake žica sastoje se iz dva dela: opšte oznake P, i dopunske oznake za mehaniþke osobine. Dopunska oznaka odnosi se na zateznu jaþinu Rm u MPa, najmanje izduženje A5 u % i najmanju energiju loma KV u J.
Neophodno je da žice budu glatke i þiste, tj. bez oksida, masti, boja i drugih neþistoüa. U cilju zaštite od korozije, þeliþne žice se bakarišu. Treba ih þuvati i od vlage. U sluþaju pojave korozije, potrebno je da se žice pre upotrebe oþiste brusnim papirom. Za gasno zavarivanje livenog gvoždja na toplo i polutoplo upotrebljavaju se livene šipke, sliþno kao i za zavarivanje mesinga i bronze. Šipke za zavarivanje livenog gvoždja imaju preþnike 4, 5, 6, 8, 10, 12 i 15 mm, a dužinu 300 do 800 mm. Pored gvoždja one još sadrže: 3-3.6% C, 3-3.8% Si, 0.5-0.8% Mn, max 0.5% P i max 0.08% S. Pre zavarivanja šipke treba dobro oþistiti jer bi ostaci livaþkog peska, troske i rdje štetno delovali pri zavarivanju. Kao dodatni materijali za lemljenje koriste se: kalajno-olovni, mesingani, bakarni, bronzani, aluminijumski, srebrni i drugi lemovi. Lemovi se isporuþuju u obliku žica preþnika 1-10 mm. Mogu takodje biti korišüene šipke odlivene od istog materijala kao i osnovni.
1.1.3 Topitelji To su sredstva u obliku praha ili pasta neophodnih za zavarivanje livenog gvoždja, bakra, mesinga, bronzi, aluminijuma i nerdjajuüih þelika i drugih legura. U toku zavarivanja mogu se obrazovati teško topljivi oksidi, što ometa stapanje dodatnog i osnovnog materijala. Nanošenjem topitelja, na dodatni ili osnovni materijal, zaštiüuje se teþan materijal od oksidacije u procesu zavarivanja. Osim toga, topitelji razlažu-razgradjuju ranije stvorene okside i prevode ih u niskotopljivu i laku trosku, koja se ne rastvara u teþnom metalu veü isplivava na površinu. Prema hemijskom sastavu, topitelji mogu biti kiseli ili baziþni, a njihovo dejstvo zasniva se na þinjenici da metali rastvaraju sopstvene okside, a okside drugih metala prevode u trosku. Topitelji se redje nanose u sprašenom stanju, veü pomešani sa vodom na gustinu laka, u staklenim ili porcelanskim sudovima. Topitelje pripremljene sa vodom treba upotrebiti u vremenu 4-5 sati. Posle tog perioda gube se hemijske osobine i izostaje aktivno delovanje u rastvaranju oksida. Topiteljem se prekriva kako mesto spoja, tako i vrh dodatnog materijala. Topitelje u obliku praha treba þuvati na suvom mestu i u hermetiþki zatvorenom sudu. Od kiselih topitelja uglavnom se upotrebljavaju jedinjenja na bazi bora, na primer, borna kiselina H3BO3 ili boraks Na2B4O7⋅10H2O (natrijumtetraborat). Boraks lako razgradjuje okside mnogih metala stvarajuüi soli borne kiseline-borate: CuOB2O3, ZnOB2 O3, MnOB2O3. Boraks se najviše upotrebljava pri zavarivanju bakra i njegovih legura, kao i za tvrdo lemljenje. Pri zavarivanju bakra teškoüe stvaraju oksidi CuO i Cu2O. Spoljni oksid CuO redukuje se gasnim plamenom ili pomoüu topitelja H3BO3 prema jednaþini: CuO + 2 ⋅ H 3 BO3 = CuOB2 O3 + 3 ⋅ H 2O .
(5)
Unutrašnji oksid Cu2O ne može se redukovati jer ima višu temperaturu topljenja od bakra. Iz tog razloga zavarljive su samo one vrste bakra sa niskim sadržajem Cu2O. Bazni topitelji su natrijum karbonat (Na2CO3) i potaša (K2CO3). Njihovo delovanje može se objasniti na primeru zavarivanja sivog liva, pri þemu može nastati teško topljivi oksid SiO2. Dodavanjem topitelja Na2CO3, pri zavarivanju nastupa hemijska reakcija: Na2CO3 + SiO2 = Na2O ⋅ SiO2 + CO2 .
(6)
Proizvod ove reakcije Na2O⋅SiO2 lako isplivava na površinu rastopa i prelazi u trosku koja se posle završenog zavarivanja odstranjuje; gas CO2 odlazi u okolni vazduh.
4
1.1.4 Oprema za gasno zavarivanje Oprema za gasno zavarivanje sastoji se iz: boca za gasove, redukcionih ventila, osiguraþa, razvodnih creva i gorionika (sl. 3). redukcioni ventil
ventil
ventil
suvi osiguraþ
porozna masa
gorionik creva Boca za acetilen
Boca za kiseonik
Slika 3. Oprema za gasno zavarivanje
1.1.4.1 Boce za gas U zavisnosti od vrste tehniþkog gasa razlikuju se boce namenjene za komprimovane gasove rastvorene pod pritiskom i teþne gasove. Boce za komprimovane gasove pune se: kiseonikom, azotom, vazduhom, argonom, vodonikom, zemnim gasom. Boce za gasove rastvorene pod pritiskom pune se acetilenom. Boce za teþne gasove pune se sa: ugljendioksidom (CO2), propanom i butanom. Boce za kiseonik Ove boce služe za držanje kiseonika pod natpritiskom od 150 bara. Prave se od þelika povišene jaþine postupkom izvlaþenja na toplo pomoüu hidrauliþnih presa. Boca za kiseonik (sl. 4) sastoji se iz tela (1), þeliþne stope (2), upresovane na toplo, glave (3), þeliþnog prstena sa zavojem (4) na koji se navija zaštitna kapa (5). Ventil boce (6) ima koniþni navoj i zavija se u vrat boce (8). Otvaranje i zatvaranje boce obavlja se toþkiüem (9). Kiseoniþne boce za zavarivanje imaju vodenu zapreminu 40 l, visinu 1370 mm, spoljašnji preþnik oko 220 mm i debljinu zida središnjeg dela boce od 6.3 mm. Na boci su upisani sledeüi podaci:
Slika 4. Presek boce za kiseonik: 1- telo, 2- stopa, 3- glava, 4- þeliþni prsten, 5- kapa, 6- ventil, 7- koniþni ventil, 8- vrat boce, 9- toþkiü ventila
Probni pritisak boce Pritisak pune boce Vodena zapremina Masa prazne boce Godina proizvodnje Redni broj boce Datum poslednje kontrole boce
- p = 225 bara - 150 bara - 40 l - 68.5 kg -
Boce za kiseonik su obojene beliþastom bojom, sa napisom velikim belim slovima "KISEONIK" kao i znak O2. Vreme korišüenja, tj. moguünost višekratnog ponovnog punjenja iznosi proseþno 40 godina. Boce koje se vraüaju na punjenje moraju biti pod natpritiskom najmanje 0.5 bara da bi se spreþilo da u njih udje vazduh i vlaga iz spoljne atmosfere. Sa kiseoniþkim bocama treba rukovati pažljivo. Zabranjuju se svi udari ili potresi i prljanje uljima ili mastima. Ne treba boce izlagati sunþevim zracima niti ih držati blizu peüi ili vatre. To može dovesti do prekomernog porasta pritiska i razaranja boce. Za vreme rada, boce moraju biti uspravne i osigurane od pada vezivanjem þeliþnim obujmicama ili lancima.
5
Acetilenske boce Izradjene su od þelika povišene jaþine, izvlaþenjem na toplo pomoüu hidrauliþnih presa. Na boci je natpis: Probni pritisak boce Pritisak pune boce Vodena zapremina Masa prazne boce tara boce – proseþno Godina proizvodnje Redni broj boce Datum poslednje kontrole boce
- 60 bara - 18 bara - 40 dm3 (l) - 70 kg -
Sve boce za acetilen rastvoren u acetonu popunjene su u celoj svojoj zapremini poroznom masom (sl. 5) i sadrže precizno odredjenu koliþinu acetilena. Zapreminski bilans acetilenske boce, prema sastojcima iznosi: − Porozna masa - proseþno 20%, − Aceton + rastvoreni acetilen - proseþno 68%, − Gasni prostor (bezbedonosni) - proseþno 12%. Slika 5. Boca za acetilen boce Porozna masa ispunjava unutrašnjost cele acetilenske boce od dna do vrata, pri þemu ta masa proseþno iznosi oko 20% ukupne mase boce. Porozna masa ima poroznost oko 84%, tj. slobodne prostore, u kojima se nagomilava aceton. Porozna masa u acetilenskoj boci ima dva glavna zadatka da: − Upija aceton i rasporedjuje ga po celoj boci i − Štiti boce od eksplozije ako se dogodi uvlaþenje plamena u bocu. Porozna masa predstavlja mešavinu drvenog uglja, peskovite zemlje, azbestnog brašna i cink-oksida, medjusobno povezanih specijalnim lepkom. Aceton koji se nalazi u boci rastvara acetilen pod pritiskom i ravnomerno ga zapreminski rasporedjuje. Rastvorljivost C2H2 u acetonu srazmerna je pritisku i temperaturi. Npr. 1 litar acetona pod pritiskom od 1 bara i T = 15ºC rastvara oko 22 litra acetilena, a pri 18 bara, 1 litar acetona rastvara 22·18= 396 l C2H2. Na nižim temperaturama, npr. 0ºC ili -10ºC, rastvorljivost C2H2 u acetilenu raste i iznosi 34, odnosno 43 l, dok na višim temperaturama, npr. 30 ili 50ºC rastvorljivost se smanjuje i iznosi 17.5 i 13.7 l.
Uzimajuüi u obzir da u acetilenskoj 40-litarskoj boci ima proseþno 15 l acetona, to je koli þina acetilena rastvorenog u boci: 396·15= 5940 litara. Acetilen u bocama može se bezbedno transportovati pri poštovanju traženih zaštitnih mera. Aceton je veoma aktivan i brzo isparava na vazduhu. U toku zavarivanja kad se uzima C2H2 iz boce, moguünosti isparavanja acetona znatno su veüe, a naroþito veüi gubici acetona mogu nastati: − Kad se boca za vreme zavarivanja postavi u ležeüem položaju (mora biti u vertikalnom položaju ili nagnuta više od 45º u odnosu na horizontalni položaj), − Kad se iz jedne boce uzima više od 1000 l/C2H2 na sat (kad se to mora, vezuju se 2 ili 3 boce zajedno, sl. 6), − Ako se iscrpi sva koliþina C2 H2 iz boce i pritisak na manometru padne na nulu (po pravilu u boci mora ostati koliþina C2H2 kojoj odgovara pritisak od p = 2 bara pri T = 15ºC, odnosno pritisku zavisnom od temperature), − Ako se acetilenska boca zagreje na 35ºC i više.
Slika 6. Acetilenske boce redno povezane
6
Dopušteni gubitak acetona u 40-litarskoj boci ne sme preüi 0.4 kg, tj. 0.1 kg na svakih 10 - litara vodene zapremine boce. Acetilenske boce vraüene na punjenje prethodno se mere da se utvrdi dara boce i ispareni deo acetona iz boce. Manjak acetona odmah se doliva dok se ne dobije propisana dara boce (70.5 kg). Za proraþun koli þine C2H2 u boci potrebno je izmeriti bocu i zatim oduzeti daru koja je upisana na svakoj acetilenskoj boci. Npr. težina boce pune acetilena iznosi 76.5 kg, a dara 70.5 kg, što znaþi da boca sadrži 6 kg rastvorenog acetilena, odnosno 5520 l jer 1 kg rastvorenog C2H2 daje 920 l acetilena u gasnom stanju (920·6= 5520 l C2H2). Acetilenske boce treba zaštiti od potresa, udara i zagrevanja. Po završetku rada odmah treba zatvoriti ventil boce. U sluþaju izlaženja acetilena preko nehermeti þnog ventila, bocu nije dozvoljeno upotrebljavati, veü je treba vratiti puniocu C2H2, stavljajuüi na bocu karticu sa natpisom "ventil nehermetiþan". 1.1.4.2 Redukcioni ventili Gasovi za zavarivanje (O2 i C2H2) spakovani su u boce pri znatno veüem pritisku nego što su radni pritisci pogodni za zavarivaþke radove. Redukcioni ventili, ukratko reduktori, služe da smanje (redukuju) pritisak u boci na radni pritisak i da taj pritisak održavaju na stalnom nivou u toku rada, nezavisno od koli þine gasa u boci i brzine potrošnje gasa. Razlikuju se reduktori za kiseonik i reduktori za acetilen i druge gorive gasove. Reduktori za kiseonik Redukcioni ventili za kiseonik mogu biti jednostepeni i dvostepeni. Jednostepeni reduktor za kiseonik prikazan je na slici 7. Kada se otvori ventil na boci, kiseonik dospeva preko spojne cevþice visokog pritiska (1) u komoru visokog pritiska (2) sa kojom je povezan manometar (3) koji pokazuje pritisak u boci. Pri okretanju vretena (4) udesno, opruga (5) podiže naviše gumenu dijafragmu (pregradu (6)), koja zatim podiže redukcioni ventiliü (7), u kome je smešten ebonintni þepiü. U ovako podešen reduktor, kiseonik iz komore visokog pritiska (2) dospeva u komoru niskog pritiska (8) sa kojom je povezan manometar niskog radnog pritiska (9). Pritisak kiseonika se podešava zavisno od toga da li se izvodi zavarivanje ili termiþko seþenje. Pošto se odvije ventil (10), kiseonik üe iz komore niskog pritiska (8) proticati preko "holendera" (11) i creva do gorionika. Kad se zavarivanje na trenutak prekine, postepeno se poveüava pritisak u komori niskog pritiska (8), te se pregrada (6) savija nadole dok pomoüna opruga (12) pritiska redukcioni ventiliü (7) i prekida dovod kiseonika u komoru niskog pritiska (8). Kad se opet zapoþne zavarivanje smanjuje se pritisak u komori niskog pritiska (8), opruga (5) se rastereüuje, podiže naviše pregradu i redukcioni ventiliü (7) i kiseonik ponovo protiþe do uredjaja za zavarivanje. U komori niskog pritiska ugradjen je i sigurnosni ventil, koji u sluþaju prekomernog pritiska ispušta kiseonik u atmosferu.
Slika 7. Presek jednostepenog reduktora za kiseonik
Slika 8. Shematski prikaz dvokomornog reduktora
Dvokomorni reduktor (sl. 8) ima dva stepena razredjivanja kiseonika: prvi stepen razredjivanja odvija se u komori srednjeg pritiska (1) zbog prodiranja gasa iz komore visokog pritiska (2). To se dešava spontano pošto je položaj zavrtnja (3) podešen od strane proizvodjaþa reduktora. Drugi stepen razredjivanja (redukcije) kiseonika odvija se u komori niskog pritiska (4). Pomoüu vretena (5) zavarivaþ reguliše radni pritisak potreban za zavarivanje ili seþenje kiseonikom. Dvostepeni reduktori imaju više tehniþkih preimuüstava u odnosu na jednostepene, jer efektnije dovode kiseonik i manje su skloni ka zamrzavanju zbog prebrzog odvodjenja kiseonika.
7
Reduktori za acetilen Acetilenski reduktori (sl. 9a), sliþno kao i reduktori za vodonik, azot, argon, ugljen-dioksid, po konstrukciji i principu rada ne razlikuju se od reduktora za kiseonik. Spolja se oni medjusobno razlikuju samo po naþinu povezivanja sa ventilom na boci. Na primer, acetilenski ventil povezan je sa ventilom boce pomoüu þeliþne uzengije (sl. 9b) postavljene odozgo i pritegnute kljuþem.
a)
b)
Slika 9. Redukcioni ventil za acetilen (a) i ventil montiran na boci (b), 1- þeliþna uzengija, 2- kljuþ
1.1.4.3 Gorionici za zavarivanje Gorionik (sl. 10) se sastoji iz plamenika i držaþa. Plamenici su promenljivi delovi gorionika i biraju se prema debljini zavarivanog materijala (tab. 3). Prema konstruktivnom izvodjenju razlikuju se gorionici niskog pritiska (pacetilena < 0.1 bara) i visokog pritiska (pacetilena > 0.2 bara). Kod prvih, oba gasa (C2H2 i O2) dolaze u komoru za mešanje pod istim pritiskom, a kod drugih koji se još zovu injektorski, kiseonik struji pod pritiskom 2÷3 bara. Zahvaljujuüi velikoj brzini strujanja kiseonika, stvara se potpritisak u injektorskom prostoru tako da acetilen biva usisan u gorionik. Danas se uglavnom primenjuju injektorski gorionici. a)
C
A
b)
B
D
2
1
Mlaznica
4
3
Plamen ABCD-
1234-
plamenik (usnik) drzaþ (komora za mešanje) ventil za kiseonik ventil za acetilen
jezgro plamena zona zavarivanja redukujuüa zona omotaþ plamena
Slika 10. Gorionik za gasno zavarivanje (a) i mlaznica sa plamenom (b) Tablica 2. Veliþine plamenika za gasno zavarivanje No
0
1
2
3
4
5
6
7
8
s, mm
0.2÷0.5
0.5÷1.0
1÷2
2÷4
4÷6
6÷9
9÷14
14÷20
20÷30
Maksimalni dopušteni radni pritisak acetilena je 1.03 bara, a minimalni 0.69 bara (u oba sluþaja reþ je o natpritisku). Gorionik treba da bude otporan na povratni udar plamena i samopaljenje; osim toga u toku rada mora da ostvaruje predvidjenu potrošnju acetilena i kiseonika, þime se održava odgovarajuüi sastav plamena i konstantan protok navedenih gasova. Kapacitet gorionika definiše koli þinu protoka acetilena kroz gorionik u toku jednog sata neprekidnog rada. Kapacitet iznosi 100-1600 l/h, a pritisak 0.1-1.5 bara za acetilen i 2.5-3.0 bara za kiseonik. U sluþaju dugotrajnog izvodjenja radova iste vrste i na istim materijalima jednake debljine, upotrebljava se jedan te isti plamenik, te može doüi do njegovog ošteüenja. Zato u rezervi treba imati nove plamenike ili samo mlaznice (usnike) koje se kupuju kao potrošni materijal. Pri paljenju plamena, na gorioniku treba najpre otvoriti za pola obrta ventil kiseonika, a zatim za tri þetvrtine obrta acetilenski ventil i odmah upaliti plamen da ne bi došlo do stvaranja opasne 8
eksplozivne mešavine. Pri gašenju plamena najpre se zatvara ventil acetilena, a odmah zatim kiseonika. Ovog se pravila mora pridržavati svaki zavarivaþ jer time štiti ne samo sebe veü i drugo prisutno osoblje. Spoljašnje delove gorionika, naroþito izlaz mlaznice plamena, þiste se od metalnih nalepina prevlaþenjem þela mlaznice preko komada mekog drveta, a ako se nalepine ne odstrane, može se upotrebiti þeli þna þetka pošto se zagrejani gorionik ohladi u vodi. Uklanjanje nalepina turpijom ne dolazi u obzir jer površina usnika postaje hrapava, što dovodi do taloženja metalnih þestica i ubrzavanja ošteüenja mlaznice. 1.1.4.4 Osiguraþi Osiguraþi (nepovratni ventili) se ugradjuju da spreþe prodiranje kiseonika i povratnog plamena iz komore za mešanje u crevo za acetilen pa i u bocu za acetilen. U stvari, kiseonik koji dolazi u komoru za mešanje pod znatno veüim pritiskom nego acetilen može da se povrati unazad u dovodno crevo acetilena. Ako je plamen veü upaljen, on üe se povlaþiti za kiseonikom tako da se taj povratni udar može širiti do samog izvora gorivog gasa. Tada je zavarivaþ izložen velikoj opasnosti jer povratni udar plamena može lako izazvati eksploziju. Povratni udar plamena uglavnom nastaje zbog malog pritiska kiseonika pri paljenju plamena, zapušene mlaznice kroz koju istiþe smeša gasova, pregrejane mlaznice, nezaptivenih veza pojedinih delova gorionika i sl. Za spreþavanje povratnog plamena koriste se suvi i vodeni osiguraþi. Suvi osiguraþ obiþno se priþvršüuje na redukcioni ventil boce za acetilen s jedne strane, i na crevo za acetilen sa druge strane (vidi sl. 3). Funkcionalna shema suvog i vodenog osiguraþa data je na slici 11a. Kod suvog osiguraþa, acetilen pod pritiskom dolazi kroz cev 1, podiže ploþicu 2 i dalje kroz prikljuþak 3 ide u crevo, odnosno gorionik (sl. 11a). U sluþaju udara povratnog plamena, pritisak naglo raste i zatvara ploþicu 2, što prekida dovodjenje acetilena. Detaljniji izgled suvog osiguraþa prikazan je na slici 11c. 1 udarni plamen
3
plamen
normalni protok acetilena
voda
2 ploþica
a)
b)
dotok acetilena
1- zid cevi ventila, 2- nastavak za vezu sa crevom, 3- nastavak za vezu sa gorionikom, 4- nepovratni ventil, 5- porozan uložak, 6- opruga, 7- zavrtanj Slika 11. Shematski prikaz osiguraþa: suvog (a), vodenog (b) i presek stvarnog suvog osiguraþa (c)
Vodeni osiguraþ (sl. 11b) se obiþno postavlja na cevovod tako da se pri normalnom dotoku acetilena, ploþica ventila podiže pa gas kroz vodeni stub odlazi ka gorioniku. Ako se dogodi povratni udar plamena, pritisak iznad vodenog stuba naglo raste, ploþica pada na sedište ventila i time prekida dotok acetilena. 1.1.4.5 Gumena creva Gumena creva sa tekstilnim ulošcima dovode gasove iz boca do gorionika. Da ne bi došlo do medjusobne zamene, creva su obojena crveno - za acetilen i plavo - za kiseonik. Posmatrano u popreþnom preseku može se uoþiti da se creva sastoje iz tri sloja:
9
− Spoljašnjeg od gumenog ili neoprenskog materijala otpornog na gorenje, varnice, užarenu trosku, zagrejani metal, atmosferske uticaje, vodu, ozon, i posebno otpornog na habanje pri njegovom vuþenju po podu; − Srednjeg sloja creva koji se naziva uložak, izradjenog od tkanine ili pletene najlonske ili rejonske tkanine, þiji je zadatak poveüanje þvrstine i otpornosti na udar, gnjeþenje i prodiranje oštrih þestica; − Unutrašnjeg glatkog sloja od neoprenske gume koja je nepropustljiva za gasove. 1.1.4.6 Acetilensko-kiseoniþki plamen Oblik normalnog plamena C2H2-O2 dat je na slici 12. Plamen se sastoji iz tri zone, tj. jezgra, redukcione zone i omotaþa. Na samom izlazu iz mlaznice temperatura plamena je oko 300ºC, u srednjem delu jezgra 1000ºC. Najviša temperatura nastaje u redukujuüoj zoni, na rastojanju 2-3 mm od jezgra i iznosi oko 3100ºC. U srednjem delu plamena je T § 2000ºC.
Slika 12. Plamen C2H2-O2
Oksi-acetilenski plamen može biti: neutralan (O2/C2H2= 1-1.2, redukujuüi (O2/C2H2 <1) i oksidišuüi (O2/C2H2 > 1.2). Neutralni plamen (sl. 13a), ima brzinu isticanja smeše gasova 100-120 m/s, svetlo jezgro, a namenjen je pre svega za zavarivanje niskougljeniþnih i niskolegiranih þelika, bakra, olova, cinka i nekih vrsta bronzi. Plamen odnosa O2 /C2H2 = 1.0 do 1.2 gotovo ne utiþe na osobine osnovnog materijala. Redukujuüi plamen (sa viškom acetilena, sl. 13c) ima grubo izduženo jezgro sa širokim i dugaþkim omotaþem boje bledo crvene. Sadrži višak acetilena (O2/C2H2 < 1) koji naugljenisava zavarivaþko kupatilo; šav je tvrd, krt i þesto porozan. Redukujuüi plamen sa viškom acetilena 20÷30%, namenjen je za navarivanje strugarskih noževa, burgija, matrica za toplo istiskivanje metala pomoüu tvrdih kobaltovih jedinjenja (stelita – Co, Cr, W, C i do 1% Fe). Takodje, pri zavarivanju legura Al-Mg i sivog liva koristi se blago redukujuüi plamen.
Slika 13. Vrste oksi-acetilenskog plamena
Oksidišuüi plamen (sl. 13b) ima kratko jezgro u vidu oštrog konusa, dok je omotaþ vitak i dug, a boje svetlo-plave. Ovakav plamen služi za zavarivanje mesinga i nekih vrsta bronzi. Za þelike ne odgovara jer oksidi rastvoreni u metalu šava smanjuju njegovu jedrinu, jaþinu i žilavost. Prema brzini isticanja smeše (O2 + C2 H2) iz mlaznice razlikuju se meki, srednji i oštar plamen.
10
Meki plamen ima izlaznu brzinu smeše manju od 100 m/s; plamen je nestabilan, a primenjuje se za zavarivanje visokolegiranih þelika, metala sa niskom temperaturom topljenja (Pb, Zn) i za lemljenje; Srednji plamen ima izlaznu brzinu smeše 100÷120 m/s; najþešüe se koristi u svakodnevnoj primeni gasnog zavarivanja; Oštar plamen ima izlaznu brzinu smeše veüu od 120 m/s; zbog velikog dinamiþkog pritiska gasa dobija se uzburkan rastop što stvara greške u šavu. Potrošnja gasova u oksi-acetilenskom plamenu zavisi od vrste plamena. U neutralnom plamenu odnos koliþine O2/C2H2 teorijski iznosi 1:1. U praksi za injektorske gorionike na jedan deo acetilena dolazi 1.1-1.2 dela kiseonika. Npr. na 100 l acetilena potroši se 110-120 litara kiseonika iz boce. U stvari za potpuno sagorevanje 100 l acetilena potrebno je 250 l kiseonika, s tim što se približno polovina od ove zapremine troši iz okolne atmosfere. Zato se gasno ne sme zavarivati u zatvorenim sudovima, npr. cisternama u kojima nema moguünosti da se nadoknadi potrošen kiseonik, þiji sadržaj može pasti ispod 16%, što ugrožava život zavarivaþa. Kad sadržaj kiseonika u vazduhu opadne sa normalnih 20% na 16% nastaje otežano disanje i gušenje. Povratni plamen ili proticanje mešavine gasova ka bocama, a ne prema gorioniku može nastati zbog: − Dodira þela mlaznice sa površinom zavarivanog metala,
− ýišüenja þela mlaznice sa upaljenim plamenom o tvrdo drvo, − Pregrevanja mlaznice do temperature iznad 400ºC, − Zagrevanja komore gorionika iznad 200ºC, − Prekrivanja þela mlaznice þesticama stopljenog metala i − Odvijanja navrtke koja povezuje plamenik sa ruþicom gorionika. Iz razloga bezbednosti važno je znati šta treba uraditi kad nastane povratni udar plamena. U sluþaju uvlaþenja plamena odmah se mora zatvoriti ventil acetilena na gorioniku, a zatim i ventil kiseonika. Ako je gorionik još vruü, treba ga uroniti u posudu sa vodom, otvoriti istovremeno ventil za kiseonik na gorioniku da se spreþi ulazak vode. Drugo važno pitanje je zašto gasove treba najpre pravilno podesiti i odmah zatim upaliti plamen. Pri otvaranju samo jednog ventila na gorioniku ili otvaranju jednog više nego što treba a drugog manje, dobija se plamen koji nepravilno sagoreva. Mogu nastati teškoüe pri paljenju i gorenju plamena koje su praüene izdvajanjem velike koliþine þadji. Pravilno paljenje plamena zapoþinje otvaranjem oba ventila na gorioniku: kiseoniþnog za najmanje pola obrta a acetilenskog za 3/4 obrta, a završava se paljenjem plamena. Plamen još može biti nepravilan, te ga treba dodatno podesiti pomoüu ventila na ruþici gorionika, a ako je i posle toga plamen nepravilno regulisan, to se može prevaziüi pomoüu reduktora na boci. Pre upotrebe novih creva potrebno ih je produvati od zaštitnog talka i stranih tela, npr. komadiüa gume, peska, prašine i tsl. ýesto se postavlja i pitanje da li se sme acetilensko crevo vezati na bocu za kiseonik u sluþaju kad je originalno ošteüeno. Odgovor je: nije dozvoljeno koristiti acetilenska creva umesto kiseonikovih, jer su ona proraþunata na znatno niži pritisak; stoga bi mogla da prsnu u toku rada i da izazovu nesreüu. Osim toga nije dozvoljeno kroz acetilenska creva propuštati kiseonik jer zaostali acetilen može stvoriti eksplozivnu mešavinu gasova.
1.2 Tehnika i tehnologija gasnog zavarivanja 1.2.1 Tehnike gasnog zavarivanja Razlikuju se tri osnovne metode - tehnike gasnog zavarivanja: a) Zavarivanje ulevo za metale debljine ispod 3 mm, b) Zavarivanje udesno za metale debljine preko 4 mm i c) Zavarivanje na gore za metale svih debljina. Nazivi pojedinih metoda usvojeni su dogovorno i definisani su prema smeru zavarivanja i usmerenosti plamena. 1.2.1.1 Zavarivanje ulevo Zavarivanje ulevo zasniva se na vodjenju gorionika zdesna ulevo (sl. 14) pri nagibu gorionika (2) pod uglom od 60º (za deblje limove) do 10º (za tanje limove). Dodatni materijal se u toku zavarivanja vodi pod uglom od 45º, i ide ispred gorionika. Plamen rastapa ivice metala, obrazujuüi rupicu (3) u donjem delu zavarivanog materijala. 11
Slika 14. Shema zavarivanja metodom ulevo: 1- žica, 2- gorionik, 3- rupica
Da bi zavarivanje teklo pravilno, rupica mora biti održavana za sve vreme rada. To je moguüe pravilnim vodjenjem gorionika, tj. njegovim pravolinijskim kretanjem bez popreþnog klaüenja. Dodatni materijal se u toku zavarivanja vodi skokovitim kretanjem, tj. podiže se (za kratko vreme) nešto iznad površine zavarivanog metala i pomera napred. Zatim se po obrazovanju rupice žica približava ka zavarivaþkom kupatilu, a kapljice teþnog metala slivaju se sa kraja šava u kupatilo. Teþan metal šava ne treba ostaviti bez zaštite plamena, jer se njegove zagrejane ivice brzo površinski oksidišu te se u šav unose oksidi, tj. nemetalni ukljuþci. Zavarivanje metodom ulevo ima odredjene prednosti ali i mane. U odlike ove metode možemo ubrojiti relativno lep izgled šava kao i veüu brzinu zavarivanja, pošto plamen gorionika prethodno zagreva ivice zavarivanih limova. U mane se mogu ubrojiti teškoüe održavanja rupice za vreme zavarivanja, kao i relativno brzo hladjenje šava, što utiþe na stvaranje mikropora i zakaljenih zona kod þelika sa veüim sadržajem ugljenika.
1.2.1.2 Zavarivanje udesno Metoda zavarivanja udesno odnosi se na deblje materijale (iznad 4 mm) za koje je potrebna priprema stranica zavisno od debljine na V, Y ili X- žleb. Pri zavarivanju udesno gorionik se vodi pod uglom oko 55º, a žica pod uglom od 45º (sl. 15). Žica ide iza gorionika s leva na desno, a gorionikom se ne izvodi nikakvo popreþno kretanje, veü se on vodi ravnomernim pravolinijskim kretanjem duž zavarivanih ivica. Žicom, þiji je vrh u kupatilu stopljenog metala, izvodi se popreþno kretanje u vidu polukruga ili elipse.
Slika 15. Shema zavarivanja metodom udesno: 1- žica, 2- gorionik, 3- rupica
Metoda zavarivanja udesno primenjuje se za odgovorne zavarivaþke radove, naroþito za cevovode koji rade pri visokom pritisku i u teškim radnim uslovima (þeste promene temperature i pritiska). U odlike metode udesno spada lakše održavanje rupice, kao i lokalno žarenje šava pomoüu plamena koji pri zavarivanju deluje na šav. To znaþi da se šav sporije hladi, i da gasovi zahvaüeni rastopljenim metalom imaju moguünost da izadju iz zagrejanog šava. Mana je ove metode što se teško održava ravna površina lica šava, kao i što je neophodna manja brzina zavarivanja, jer se plamenom ne predgrevaju stranice žleba. Orijentacioni - zbirni podaci za gasno zavarivanje þelika (tehnikama ulevo i udesno), razliþitih debljina, dati su u tablici 3. 12
Tablica 3. Zbirni podaci za gasno zavarivanje þelika Debljina zavarivanog materijala, mm
0.2 do 0.5
0.5 do 1.0
1 do 2
2 do 4
4 do 6
6 do 9
9 do 14
14 do 20
20 do 30
Oznaka veliþine plamenika
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Brzina zavarivanja, m/h
26
12
12÷6
6÷3
3÷1
1.8÷1.6
≈1
≈1
Protok C2H2, l/h
60
60÷ 100
100÷ 230
230÷ 400
400÷ 600
600÷ 1000
1000***÷ 1500
≈1500
≈1500
Koeficijent iskorišüenja toplote
0.9
0.88
0.8
0.68
0.5
0.45
0.4
≈0.4
≈0.4
*
2÷1.3* 2.5÷1.6**
- zavarivanje ulevo
**
- zavarivanje udesno - za protoke veüe od 1000 l/h koristi se više medjusobno povezanih boca.
***
Brzina gasnog zavarivanja veüa je od ruþnog elektroluþnog za limove do 1.5 mm, za limove debljine 2÷3 mm brzine se izjednaþuju, a iznad toga brže se zavaruje elektroluþnim postupcima. Za gasno zavarivanje može se izraþunati uneta koliþina toplote, odnosno pogonska ili linijska energija pomoüu empirijskog izraza: ql =
13.4 ⋅ Vacetilena ⋅η i , 1000 ⋅ vz
kJ / cm
(7)
gde su: Vacetilena - protok acetilena u l/h, vz - brzina zavarivanja u cm/s i ηi = 0.27÷0.85 koeficijent iskorišüenja toplote. Vrednosti Vacetilena , vz , ηi , kao i veliþina plamenika usvajaju se iz tablice 3 u zavisnosti od debljine zavarivanog materijala. Ugao nagiba gorionika
Ugao gorionika u odnosu na površinu zavarivanog materijala ima važan tehniþki znaþaj i u velikoj meri utiþe na rezultat zavarivanja. Pri zavarivanju tankih limova gorionik se vodi pod manjim uglom, a u skladu sa poveüanjem debljine materijala ugao nagiba gorionika raste (sl. 16). Pravilan položaj gorionika olakšava pretapanje materijala po celoj debljini i ubrzava spajanje delova.
Slika 16. Ugao nagiba gorionika za razne debljine metala
1.2.2 Priprema materijala za zavarivanje Priprema materijala za zavarivanje obuhvata sledeüe radove: a) Pažljivo þišüenje ivica zavarivanih delova od svih površinskih neþistoüa, npr. boja, lakova, smola, ulja, masti, oksida i drugih materija koje znatno otežavaju zavarivanje i pogoršavaju osobine šava, b) Pažljivo postavljanje delova da se spreþi njihovo pomeranje pri zavarivanju, 13
c) d) e) f)
Fiksiranje delova bez moguünosti pomeranja za vreme zavarivanja, Zakošavanje ivica na V, Y ili X-žleb zavisno od debljine, Pripajanje ("heftanje") elemenata po propisanom rastojanju i razmeštaju i Predgrevanje zakaljivih þelika radi spreþavanja nastanka krtih faza u ZUT-u. 1.2.2.1 Vrste žlebova i šavova
Pri zavarivanju veoma tankih limova (ispod 1 mm) preporuþuje se savijanje rubova pod pravim uglom na visini 1-2 debljine zavarivanog materijala (sl. 17a) i stapanje savijenih ivica plamenom gorionika, bez upotrebe dodatnog materijala. Ovaj naþin pripreme tankih limova za zavarivanje, iako nije jednostavan i lak, omoguüuje izradu spojeva dobrih mehaniþkih osobina.
Slika 17. Naþini pripreme limova za zavarivanje zavisno od njihove debljine
Limovi debljine 1-4 mm pri jednostranom zavarivanju ne zahtevaju zakošavanje ivica. Ostavlja se ipak razmak izmedju ivica 0.5-3 mm zavisno od debljine (sl. 17b). Limovi debljine do 8 mm mogu se takodje zavarivati bez zakošavanja pod uslovom da zavarivanje bude izvedeno dvostrano, odnosno da postoji moguünost obrtanja tih delova. Zazor izmedju ivica je 2-3 mm (sl. 17c). Limovi, cevi i profili zakošavaju se u obliku žlebova V, Y, X ili U zavisno od debljine materijala. Delovi debljine 3-12 mm zakošavaju se na V ili Y-žleb sa uglovima 50-60º (sl. 17d). Debljini 12-30 mm odgovara X-žleb (sl. 17e), a iznad 30 mm U ili duplo U-žleb (sl. 17f). Ne treba zaboraviti da žlebovi X i U retko dolaze u obzir za gasno zavarivanje.
1.3 Tehnologija termiþkog seþenja i srodnih postupaka 1.4 Osnovi seþenja kiseonikom Seþenje kiseonikom zasniva se na sagorevanju þvrstog metala u struji kiseonika uz pripomoü plamena za podgrevanje. ýelik se zagreva do temperature sagorevanja, na primer 1250-1350°C. Oksidi gvoždja nastali pri seþenju imaju temperaturu topljenja oko 1300°C, dok je temperatura topljenja þelika oko 1480°C, što omoguüuje da oksidi iscure iz proreza i da budu oduvani dinamiþkim pritiskom mlaza kiseonika. Da bi se metali i legure termiþki rezali moraju da ispune sledeüe uslove: Uslov 1: Temperatura sagorevanja metala u kiseoniku mora biti niža od njegove temperature topljenja (vidi tab. 4). Uslov 2: Temperatura topljenja oksida metala mora biti niža ili najviše jednaka temperaturi topljenja metala. Uslov 3: Toplota sagorevanja metala treba da bude što veüa, a njegova toplotna provodnost što manja. Tablica 4. Moguünost seþenja kiseonikom nekih metala Vrsta metala Ugljeniþni þelik Liveno gvoždje Bakar Aluminijum Hrom
Tt M , ºC
Tt MeO , ºC
1480 1200 1083 660 1600
1330 1330 1336 2050 1990
Moguünost seþenja kiseonikom Lako seþenje Teško seþenje obiþnim gorionikom Nemoguüe seþenje obiþnim gorionikom Nemoguüe seþenje obiþnim gorionikom Nemoguüe seþenje obiþnim gorionikom
14
1.4.1 Gorionik za ruþno seþenje kiseonikom Gorionik za ruþno seþenje kiseonikom može biti obiþan gorionik korišüen za zavarivanje, na koji se postavlja specijalna mlaznica za seþenje (sl. 18). Poluga O2 za seþenje
Držaþ
Prikljuþak za C 2H2
Plamenik
a) Mlaznica
Ventil O2 za seþenje
Ventil za O2
Prikljuþak za O2
Ventil za C2H2
O2
O2+C2H2
rez mlaznica
b)
2 širina reza
plamen
Fe3O4+20%Fe
oksidi (FeO, Fe2 O3, Fe3O4)
Slika 18. Gorionik za ruþno seþenje (a) i princip seþenja kiseonikom (b)
Mlaznica za seþenje završava se konusom u kome su izradjena dva kanala – jedan za predgrevanje i drugi za rezanje; gorionik ima ugradjen ventil kojim se reguliše protok kiseonika za seþenje. U kanalu za predgrevanje dospeva mešavina kiseonika i acetilena, a u otvor za seþenje (sl. 19), dovodi se kiseonik þiji se protok reguliše ventilom. Mlaznice se biraju prema debljini rezanog metala.
Slika 19. Razmeštaj mlaznica u gorioniku za seþenje kiseonikom, 1- mlaznica za predgrevanje, 2- mlaznica za seþenje
1.4.2 Regulacija plamena za seþenje kiseonikom Posle kompletne pripreme uredjaja za seþenje pali se plamen. Pri paljenju plamena otvara se najpre na ruþici ventil kiseonika, a zatim acetilena i pali se plamen za predgrevanje. Taj plamen se reguliše otvaranjem ventila za kiseonik, a posle toga u plamenu obi þno ostaje višak acetilena. Potrebno je stoga privijati acetilenski ventil sve dok se ne eliminiše višak acetilena i stabilizuje jezgro, a zatim se podešava ventil kiseonika za seþenje. Posle regulisanja plamena može se preüi na seþenje.
15
1.4.3 Tok ruþnog seþenja kiseonikom Pošto se plamen za predgrevanje pravilno podesi, poþinje se sa zagrevanjem ivica seþenog materijala do svetlo crvene boje. Posle dostizanja potrebne temperature otvara se ventil koji dovodi kiseonik za seþenje i istovremeno se pomera gorionik po liniji seþenja. Za olakšanje ruþnog seþenja, gorionik se obiþno postavlja na kolica (sl. 20) koja omoguüuju ravnomerno kretanje. Suviše brzo pomeranje gorionika daje neravnomeran rez ili dovodi do prekida seþenja, a presporo vodjenje gorionika dovodi do neravnomernog i širokog reza.
Slika 20. Kolica za vodjenje gorionika pri ruþnom seþenju
1.5 Higijensko-tehniþka i protivpožarna zaštita pri gasnom zavarivanju 1.5.1 Liþne mere zaštite Preventivne mere odnose se na li þnu zaštitu zavarivaþa i opštu zaštitu. Liþna zaštita ostvaruje se pomoüu zaštitnog odela i zaštitnih naoþara. U zaštitno odelo spadaju: radni kombinezon, kecelja, rukavice, kamašne, zaštitnici rukava. Potrebna zaštitna oprema zavisi od vrste zavarivaþkih radova, ali su uglavnom uvek neophodni zaštitno odelo i zavarivaþke naoþari. Pri zavarivanju livenog gvoždja na toplo i pri seþenju kiseonikom potrebno je imati i druge delove zaštitne opreme definisane merama higijensko-tehniþke zaštite. U svakom sluþaju zavarivaþ mora nositi zaštitno odelo, tj. kombinezon koji nije zaprljan uljem i drugim neþistoüama. Odelo ne sme biti iscepano, niti sa spoljašnjim džepovima, gde bi se mogle zadržati metalne varnice i izazvati paljenje odela. Neki delovi zaštitnog odela izradjuju se od kože, ili drugih vatrostalnih materijala. Zaštitne naoþari za gasno zavarivanje i seþenje imaju stakla koja se prema stepenu zatamnjenja dele na: svetla, oznake 444 ili 454, srednja, oznake 555 i tamna, oznake 666. Izbor stepena zatamnjenja zavisi od stanja vida izvodjaþa zavarivaþkih radova. Osobe sa boljim vidom upotrebljavaju tamnija stakla, a osobe sa slabijim vidom svetlija. U poslednje vreme upotrebljavaju se naoþari sa zatamnjenjem koje se automatski prilagodjavaju svetlosnom izvoru (tzv. "foto-grej" stakla). Takodje i pomoünici zavarivaþa moraju da nose zaštitne naoþari. Zabranjena je upotreba naoþara nepoznatog porekla kao i naoþara za sunce. Osobe koje izvode ili posmatraju izvodjenje zavarivaþkih radova treba da znaju da svetlosni zraci mogu biti vidljivi (od crvenih do ljubiþastih), kao i nevidljivi (ultraljubiþasti i infracrveni). Za vidljivo zraþenje ljudske oþi su biološki prilagodjene, pod uslovom da jaþina zraþenja ne prekoraþi dopuštene granice. Suprotno tome, naše oþi ne podnose dejstvo ultraljubiþastog i infracrvenog zraþenja koje nastaje pri zavarivanju. Naroþito je opasno infracrveno zraþenje koje dovodi do zapaljenja vežnjaþe, tj. sluzokože koja pokriva s unutrašnje strane oþne kapke i prednji deo oþne jabuþice. Zapaljenje vežnjaþe u medicini se naziva konjuktivitis. Zaštitna obojena stakla smeštena su u bakelitni okvir, a spolja se preko opti þkog stakla postavlja obiþno belo staklo. Njegova je uloga da zaštiti obojena stakla od prskotina stopljenog metala i tako im produži radni vek i vreme upotrebe do þišüenja.
1.5.2 Opšte mere zaštite Opšta zaštita odnosi se na pravilno rukovanje zavarivaþkim uredjajima i opremom. Pre svega reþ je o bocama za tehniþke gasove, redukcionim ventilima, crevima za tehniþke gasove, gorionicima i mlaznicama. Nije dozvoljeno redukcione ventile postavljati jedan prema drugom (sl. 21).
16
a)
b)
Slika 21. Položaj redukcionih ventila na bocama za acetilen i kiseonik: a- pogrešno i b- ispravno
Teži gasovi od vazduha (kiseonik i propan) padaju na pod, a lakši (acetilen) se skupljaju u krovnoj konstrukciji ili odlaze u atmosferu (sl. 22).
Slika 22. Mesto isticanja nekih gasova
Boce se smeju puniti samo gasovima za koje su namenjene. Nije dozvoljeno da se npr. boce namenjene za kiseonik pune komprimovanim vazduhom, vodonikom ili drugim tehniþkim gasovima. Pri transportu boca treba postupati pažljivo da ne dodje do udara i potresa, a kad je reþ o ruþnom prenošenju boca zabranjeno je bacanje ili kotrljanje. Kad se boce ne koriste za zavarivanje, na njima mora biti postavljena zaštitna kapa. Posebno, boce za kiseonik ne smeju doüi u dodir sa uljem, jer komprimovani kiseonik pod natpritiskom preko 30 bara u dodiru sa uljem i mastima izaziva eksploziju. U sluþaju požara u radnoj prostoriji neophodno je odmah boce izneti iz ugrožene zone. Pregrejane boce treba hladiti vodom i ako je to moguüe moraju se brzo odviti ventili na bocama. Boce za kiseonik i za acetilen u toku rada treba držati u vertikalnom položaju ili pod nagibom ne veüim od 45º (naroþito acetilensku bocu) uz obezbedjenje od povišenja temperature. U toku rada, na acetilenskoj boci uvek mora da stoji kljuþ da bi se odmah u sluþaju požara, zaustavio dotok acetilena. U sluþaju da se upali acetilen na samom izlazu iz boce, potrebno je odmah ugasiti plamen azbestnom asurom i zatvoriti ventil na boci, a zatim bocu ohladiti vodom. Ako i kod ohladjene boce pritisak nadmaši 15 bara, potrebno je izneti crevo van prostorije i ispustiti višak acetilena. Takodje, može doüi i do samopaljenja gasa u reduktoru na boci za kiseonik. Uzrok samopaljenja je prisustvo ulja na pojedinim delovima reduktora i naglo otvaranje ventila na boci što dovodi do brzog porasta pritiska i zagrevanja reduktora. Ulje se pali pri temperaturi 80-100ºC. U sluþaju samopaljenja gasova u reduktoru, dolazi do brzog zagrevanja, te je neophodno odmah zatvoriti ventil na boci, a reduktor hladiti vodom.
17
a)
b)
Slika 23. Vešanje gorionika: a- pravilno i b- pogrešno
Zabranjeno je prebacivati creva za gasove preko boce (sl. 23), posebno kad gori plamen. Tako se može pregrejati boca i nastati eksplozija. Osim toga, gorionik može da padne na pod i da upali creva ili druge zapaljive materije i izazove eksploziju ili požar. U sluþaju povratnog udara plamena potrebno je odmah zatvoriti ventile na ruþici gorionika; prvo acetilenski ventil, a zatim kiseoniþki. Ako je gorionik zagrejan treba ga zagnjuriti u vodu (sl. 24) i otvoriti ventil za kiseonik da se spreþi prodiranje vode u gorionik. U toku zavarivanja ponekad se javlja povremeno pucketanje u gorioniku, što je posledica zaprljanosti ili loše regulisane smeše gasova, niskog pritiska kiseonika ili acetilena kao i malog udaljenja jezgra plamena od zavarivanog metala ili zaostale vode u crevima. Pored povremenog pucketanja, nastaje katkad i neprekidno pucketanje plamena izazvano preteranim zagrevanjem plamenika. Slika 24. Hladjenje Rešenje je da se odmah prekine zavarivanje i gorionik uroni u vodu sa gorionika u vodi otvorenim ventilom za kiseonik. Veü je spomenuto da nije dozvoljeno upotrebiti acetilenska creva umesto kiseoni þkih, jer su prva proraþunata za znatno niži pritisak, te bi mogla puüi u toku rada i izazvati nesreüu. Sem toga pri zameni creva može nastati eksplozivna smeša stvorena od gasova zadržanih u crevima. Moguüi uzrok požara može biti i nehermetiþnost spojeva creva bilo na reduktoru boce ili i gorioniku. Propustljivost tih spojeva kontroliše se nanošenjem sapunice ili potapanjem creva u vodu (sl. 25) i naknadno upaljenim plamenom. Posebne mere treba preduzeti pri reparaturnom zavarivanju sudova u kojima su bile gorive materije, npr. benzin, nafta ili ulje. Tragovi ovih materija, usled zagrevanja pri zavarivaþkim radovima, mogu se zapaliti ili preüi u gasovito stanje i pomešati se sa vazduhom i obrazovati eksplozivnu smešu opasnu za zavarivaþa i okolinu. Stoga se rezervoari za lako zapaljive teþnosti smeju zavarivati samo posle pažljivog i dugotrajnog produvavanja vodenom parom ili nezapaljivim gasom, npr. azotom. Ako ovakvo produvavanje nije moguüe, potrebno je rezervoar više puta puniti vodom i prazniti ga, i na kraju dobro oprati. Zatim se rezervoar obrüe tako da se ošteüeno mesto nadje sa gornje strane, pošto je prethodno na otvor uþvršüena vertikalna cevþica koja povezuje rezervoar sa atmosferom. Ako bi unutar rezervoara došlo do porasta pritiska, obrazovani gasovi mogu izaüi iz rezervoara kroz ubaþenu cevþicu. Posle ovakve pripreme može se obaviti bezbedno zavarivanje. Navedene pripreme treba preduzeti þak i kada su rezervoari za lako zapaljive materije godinama bili prazni i otvoreni. Zabeleženo je više nesreünih sluþajeva kad su prazna burad za benzin eksplodirala još pri bušenju otvora na buretu.
a)
b)
Slika 25. Kontrola hermetiþnosti: a) gumenih creva, b) spoja creva sa gorionikom; 1- boca, 2- reduktor, 3- manometar, 4- creva, 5- gorionik, 6- sud sa vodom
18
Pri zavarivanju ili seþenju u velikim zatvorenim sudovima (npr. u kotlovima, rezervoarima ili cevima velikog preþnika) potrebno je obezbediti dovodjenje svežeg vazduha i odvodjenje vazduha zagadjenog sagorelim gasovima. Pri ovakvim radovima obavezna je pismena naredba o prisustvu pomoünika zavarivaþa i kontrolnog lica odredjenog od strane neposrednog rukovodioca. Nikako se ne sme upotrebiti kiseonik iz boce za provetravanje zatvorenih sudova. Pri tome može nastati eksplozivna mešavina i zasi üenje odela zavarivaþa kiseonikom, odnosno eksplozivno sagorevanje izazvano varnicom pri zavarivanju. Ugljena prašina u vazduhu (npr. u stovarištu uglja, toplanama, termo-elektranama) ili brašno u mlinovima mogu takodje da izazovu eksploziju ili požar. Lako zapaljive materije u blizini mesta zavarivanja (drvo, ugalj, ugljena prašina, brašno) treba obilno zaliti vodom u preþniku najmanje 5 m ili dobro pokriti vatrostalnim materijalima. Pošto se završi zavarivanje, potrebno je još jednom sve politi vodom i kontrolisati da nisu zaostale užarene þestice.
1.5.3 Trovanje pri zavarivanju Pri zavarivanju bakra, cinka, olova, aluminijuma i njihovih legura obrazuju se metalne pare koje su štetne po zdravlje zavarivaþa. Zato navedene metale treba zavarivati u velikim, visokim i dobro provetrenim prostorijama. Ne treba se naginjati ka mestu zavarivanja, da bi se umanjilo udisanje štetnih isparenja. Pri zavarivanju u zatvorenim prostorijama neophodna je usisna i izduvna ventilacija pomoüu dva ventilatora sa najmanje tri izmene vazduha na sat. Posebno su štetne olovne i cinkane pare, pa je pri zavarivanju legura koje sadrže ove metale neophodno ne samo opšte provetravanje veü i primena zaštitne maske na mestu zavarivanja. U sluþaju trovanja parama metala javljaju se teškoüe pri disanju, glavobolja, zamraþenje vida, kao i porast telesne temperature. Rad se mora odmah prekinuti, a povredjeno lice mora se izneti na svež vazduh i ostaviti u ležeüem položaju. Obiþno posle odmora u toku jednog ili dva dana teškoüe prolaze. Štetno deluju i zaštitne boje i lakovi naneti na zavarivane delove. Ako nije moguüe potpuno þišüenje metala, zavarivaþ mora nositi zaštitnu masku, a iznad mesta zavarivanja mora se postaviti usisni levak sa ugradjenim ventilatorom. Ovi levkovi povezani su savitljivim crevima, te se mogu premeštati, odnosno dovoditi u najpovoljniji položaj za zaštitu zavarivaþa.
1.5.4 Protivpožarna zaštita Nije dozvoljeno držanje u zavarivaþnici lako zapaljivih materijala. Takodje se ne sme zadržavati smeüe, krpe ili papir jer varnice metala mogu da ih zapale i izazovu požar.
Slika 26. Presek aparata za gašenje požara: a) aparat sa penom; 1- teþnost za gašenje, 2- posuda sa kiselinom pokrivena membranom, 3- ruþica za aktiviranje, 4- izduvna cevþica, 5- osiguraþ, b) aparat sa suvim ledom; 1- teþni CO2, 2- izduvna cev, 3- toþkiü ventila, 4- sifonska cevþica, c) aparat sa praškom; 1- prah za gašenje, 2- þeliþna boca sa sabijenim CO2, 3- cevþica za dovod CO2 do praška, 4- sigurnosni ventil, 5- zatvaraþ
Zavarivaþnice moraju da budu opremljene sredstvima za zaštitu od požara kao što su: lopate, merdevine, kofe, sanduci sa peskom, i aparati za gašenje požara. Za gašenje uredjaja koji su pod elektriþnim naponom smeju se upotrebiti samo aparati sa CO2 (suvi led) i teþnosti na bazi hlora i broma. U drugim sluþajevima za gašenje požara koristi se voda ili aparati sa penom (sl. 26). Danas se za gašenje požara upotrebljavaju takodje i aparati punjeni teþnostima na bazi hroma ili broma veoma niske temperature isparavanja, koja pri gašenju obrazuje negorive pare nekoliko puta teže od vazduha.
19
Izveštaj o vežbi br. 1
Naziv vežbe: GASNO ZAVARIVANJE R. br.
1.
2.
1- Prirubno zavarivanje
2 – Suþeono zavarivanje
3 – Suþeono zavarivanje
4- Lemljenje
Vrsta (oznaka)
ý0147
ý0147
ý0147
ý0147
Standard
JUS
JUS
JUS
JUS
Dimenzije, mm
s= 1 mm
s= 1 mm
s= 5 mm
s= 1 mm
Vrsta (oznaka)
bez DM
VP 37
VP 37
Mesing
Standard
-
JUS C.H3.051/81
JUS C.H3.051/81
-
Dimenzije, mm
-
Ø 1.5 mm
Ø 3 mm
Ø 2 mm
N0 1
N0 1
N0 4
N0 2
neutralni
neutralni
neutralni
neutralni
-
H - ulevo
H - udesno
H - ulevo
u boci, bar
150
150
150
150
radni, bar
1.5
1.5
1.5
1.5
u boci, bar
15
15
15
15
radni, bar
0.8
0.8
0.8
0.8
zadovoljava
zadovoljava
zadovoljava
zadovoljava
Parametri zavarivanja – broj probe
Osnovni materijal
Dodatni materijal
3.
Veli þina plamenika
4.
Vrsta plamena
5.
Položaj zavarivanja (tehnika)
6.
Vrsta žleba (skica)
7.
Pritisak kiseonika
8.
9.
Pritisak acetilena
Ocena kvaliteta izvedenog spoja Napomena:
10.
20
2. UREĈAJI I DODATNI MATERIJALI ZA RUýNO ELEKTROLUýNO ZAVARIVANJE – vežba br. 2 (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) 2.1 Ruþno elektroluþno zavarivanje (REL) REL se svrstava u postupke zavarivanja topljenjem, pomoüu toplote koja se oslobaÿa u elektriþnom luku. Zaštita rastopa od štetnog delovanja gasova iz vazduha (O2, N2) ostvaruje se pomoüu obloge (topitelji, troska, gasovi). Zavaruju se ugljeniþni, nisko i visokolegirani þelici, SL, legure Ni, Cu, Al, debljine 1 do 100 mm. Struja zavarivanja može biti jednosmerna ili naizmeniþna, jaþine 25-450 A, radnog napona 15-40 V, i brzine zavarivanja do 120 mm/min. REL-zavarivanje poþinje uspostavljanjem elektriþnog luka izmeÿu vrha elektrode i osnovnog materijala. Luk topi ivice osnovnog materijala i elektrodu i stvara metalno kupatilo zaštiüeno od vazduha slojem troske i gasovima, sve stvoreno topljenjem i sagorevanjem obloge. U toku rada, zavarivaþ spušta elektrodu ka osnovnom materijalu, održavajuüi rastojanje približno jednako preþniku njenog jezgra. Kada se elektroda toliko potroši da ostane oko 50 mm, luk treba prekinuti, obiti trosku sa položenog zavara, te zavarivanje nastaviti novom elektrodom. Osnovni parametri REL-zavarivanja su: preþnik elektrode (jezgra), jaþina struje zavarivanja, radni napon, dužina luka i brzina zavarivanja. Preþnik elektrode bira se prema debljini zavarivanog materijala, obliku, dimenzijama i položaju zavarenog spoja. Obiþno se za koreni zavar (prvi "valjþiü") uzima elektroda ∅3.25 mm, ili manja a za ostale zavare elektroda veüeg preþnika. Jaþina struje zavarivanja bira se zavisno od preþnika elektrode i tipa obloge (kisele, baziþne, rutilne), odnosno usvaja iz preporuka proizvoÿaþa, koji daje minimalne i maksimalne vrednosti. Ispod minimalne jaþine struje, luk je nestabilan a iznad maksimalne obloga se pregreva i kruni pa se žica može ogoliti. Za horizontalan položaj zavarivanja usvajaju se maksimalne preporuþene jaþine struje, za vertikalan srednje, a iznad glave minimalne. Viþan zavarivaþ može da zapazi da li je jaþina struje pravilno izabrana prateüi naþin topljenja elektrode, oblik metalnog kupatila i oblik "gusenice" (položenog zavara). Na kvalitet šava bitno utiþe održavanje stalne dužine luka i brzine zavarivanja. Da dužina luka ne bi rasla pri topljenju elektrode i time se pogoršavala stabilnost luka i zaštita rastopa, zavarivaþ mora da primiþe elektrodu brzinom kojom se ona topi (linearna brzina topljenja). Pri priliþno velikoj brzini zavarivanja dobija se uska gusenica i nedovoljno stapanje ivica osnovnog materijala, te mogu nastati "hladni" spojevi i porozni šavovi buduüi da se metalno kupatilo brzo hladi pa rastvoreni gasovi ostaju zarobljeni u metalu šava. Mala brzina zavarivanja dovodi do pregrevanja materijala i prelivanja troske ispred metalnog kupatila, što može da stvori ukljuþke troske u šavu. Takoÿe se poveüavaju sopstveni naponi i deformacije, što dalje pogoršava mehaniþke osobine zavarenog spoja. Osnovni energetski parametri elektroluþnog zavarivanja (U, I, vz) meÿusobno su povezani pomoüu linijske energije zavarivanja:
ql =
U ⋅I ⋅η , kJ/cm 1000 ⋅ v z i
(2.1)
koja mora biti približno konstantna duž celog šava; ql se još zove i pogonska energija zavarivanja, a Și stepen iskorišüenja toplotne energije. 2.1.1 Ureÿaji za REL-zavarivanje (transformatori i ispravljaþi) Razlikuju se ureÿaji koji daju jednosmernu ( ) ili naizmeniþnu (~) struju zavarivanja direktnim ukljuþivanjem u elektriþnu mrežu i zavarivaþki agregati, tj. generatori jednosmerne ili naizmeniþne struje sa pogonom pomoüu benzinskih ili dizel motora, odnosno elektromotora. Svi izvori struje zavarivanja treba da imaju moguünost regulisanja jaþine izlazne struje (zavisno od debljine, vrste materijala i tsl.) i pogodnu statiþku, odnosno strujno-naponsku karakteristiku. Za ruþne postupke zavarivanja (REL, TIG) najviše
1
odgovaraju izvori sa opadajuüom statiþkom karakteristikom. Suprotno tome, mehanizovanim postupcima zavarivanja (MAG, MIG, EPP)∗ više odgovaraju izvori sa ravnom strujno-naponskom karakteristikom. Izvor naizmeniþne struje - zavarivaþki transformator sastoji se iz sopstvenog transformatora i regulatora struje. Primarni namotaj prikljuþuje se na monofaznu mrežu ili na dva provodnika trofazne mreže, dok se izlazni napon može regulisati promenom induktivnosti (sl. 2.1a) ili promenom rastojanja izmeÿu primarnog i sekundarnog namotaja transformatora b) a) (sl. 2.1b). Na transformatoru za zavarivanje, tj. na njegovoj natpisnoj ploþici nalazi se sledeüi simbol:
Slika 2.1 Zavarivaþki transformator: a) sa pokretnim jezgrom, b) sa pokretnim primarom
Izvori jednosmerne struje za zavarivanje dele se na pretvaraþe i ispravljaþe. Pretvaraþi su u stvari generatori jednosmerne struje spregnuti sa odgovarajuüim pogonskim motorom. Danas se više primenjuju ispravljaþi - lakši su, ne stvaraju buku, jednostavniji su za održavanje. Ipak, pretvaraþi su još uvek nezamenljivi u nekim sluþajevima, kao na primer: zavarivanje na terenu gde nema elektriþne mreže, zavarivanje cevi veüeg preþnika (regulisanje napona nezavisno od strmosti karakteristike) i zavarivanje u uslovima velikog
variranja mrežnog napona. Ispravljaþki ureÿaji se sastoje iz transformatora, zatim induktivnih namotaja u kolu naizmeniþne struje i ispravljaþkog sklopa. Pomoüu induktivnih namotaja dobija se opadajuüa strujno-naponska karakteristika na izlaznim prikljuþcima ureÿaja za zavarivanje. Razlikuju se ispravljaþi sa opadajuüom statiþkom karakteristikom i sa ravnom karakteristikom. Osim toga izraÿuju se i matiþni ispravljaþi namenjeni za više zavarivaþkih mesta. Ispravljaþki zavarivaþki ureÿaji sadrže na natpisnoj ploþici sledeüi simbol:
Izvori napajanja sa transformatorom i ispravljaþem mogu imati posebne prikljuþke za zavarivanje kako sa jednosmernom tako i sa naizmeniþnom strujom. Ovi kombinovani ureÿaji uglavnom su monofazni i oznaþavaju se sledeüim simbolom:
Savremeni izvori napajanja elektriþnog luka za zavarivanje izraÿuju se primenom poluprovodniþkih elemenata, koji omoguüuju da se dobije unapred programirana strujno-naponska karakteristika, što je veoma bitno da se, poveüanjem jaþine struje popuni završni krater kod automatskih postupaka zavarivanja. Takvo upravljanje parametrima zavarivanja zove se sinergiþno. 2.1.2. Odreÿivanje statiþke karakteristike izvora Tipska ispitivanja obavlja proizvoÿaþ na jednom zavarivaþkom ureÿaju pa rezultate upisuje na sve ureÿaje datog tipa. Bez obzira na to, mogu se obaviti i pojedinaþna ispitivanja radi utvrÿivanja napona praznog hoda, statiþkih karakteristika i drugih veliþina, koje se sve porede sa tipskim vrednostima (JUS N.H1.0304 i N.H9.201).
∗
MAG - zavarivanje u zaštiti CO2; MIG - u zaštiti Ar; EPP - pod prahom
2
U cilju odreÿivanja strujno-naponske karakteristike potrebno je, u zatvoreno strujno kolo povezati izlazne prikljuþke izvora i uravnotežavajuüi omski otpornik, prema slici 2.2a. za jednosmernu i slici 2.2b. za naizmeniþnu struju. Napon praznog hoda U0 meri se pri otvorenom sekundarnom kolu, a struja kratkog spoja bez otpora R. izvor
+
-
struje
A
izvor
ampermetar otpornik A
voltmetar
V
struje ampermetar otpornik
V voltmetar
a)
b)
Slika 2.2 Sheme za odreÿivanje statiþke karakteristike izvora
provodnici
Za ravnotežno optereüenje zavarivaþkog strujnog kola može se koristiti klizni ili vodeni otpornik (sl. 2.3). Ovaj se sastoji iz rezervoara sa vodenim rastvorom (3%) NaCl ili NaOH (slab rastvor) i pokretne ploþe koja je zagnjurena u elektrolit. Jedan od provodnika, sa izlaznih kontakata izvora, vezuje se za rezervoar sa rastvorom a drugi za pokretnu ploþu. Promenom dubine zagnjurivanja varira se elektriþni otpor, oþitavaju odgovarajuüe vrednosti U, I i tako se dobijaju podaci za crtanje dijagrama datih na slikama 2.4 i 2.5. Na slici 2.4 date su elektriþne veliþine za ispravljaþe sa opadajuüom, a na slici 2.5 sa ravnom strujno-naponskom karakteristikom. U ameriþkoj literaturi kaže se da je reþ o ureÿajima sa konstantnom strujnom (sl. 2.4) i ureÿajima sa konstantnim naponom (sl. 2.5). Svi zavarivaþki transformatori gotovo bez izuzetka imaju opadajuüu strujno-naponsku karakteristiku, dok kod izvora jednosmerne struje ona može biti bilo opadajuüa ili ravna. Pored strujno-naponskih karakteristika izvora unete su na slikama 2.4 i 2.5 i statiþke karakteristike elektriþnog luka (prava 6 na slici 2.4 i prava 3 na slici 2.5) koje odgovaraju ruþnim i mehanizovanim postupcima zavarivanja. Slika 2.3 Vodeni otpornik Preseci statiþke karakteristike luka i strujno-naponske karakteristike izvora odreÿuju graniþna podruþja regulacije energetskih parametara zavarivanja. Više strujno-naponskih karakteristika odgovaraju razliþitim jaþinama struje zavarivanja koje se biraju pomoüu posebnog regulatora na ureÿaju.
3
2
U
U
U0 max
1 U0 min
5
3
1 2 3
4
6
4
5 6
Ik min
7
8
9
7
I
1 - najniži napon praznog hoda 2 - najviši napon praznog hoda 3 - nazivni radni napon 4 - donja granica podruþja regulacije 5 - gornja granica podruþja regulacije 6 - standardni radni napon izvora za zavarivanje 7 - trajna struja zavarivanja ( X=100% ) 8 - nazivna struja zavarivanja pri nazivnom ruþnom zavarivaþkom radu ( X=60% ) 9 - najveüa struja zavarivanja pri ruþnom zavarivaþkom radu ( npr. X=35% )
Slika 2.4 Opadajuüa strujno-naponska karakteristika (konstantna struja)
8
I
1 - najviši napon praznog hoda 2 - gornja granica podruþja regulacije 3 - standardni radni napon strujnog izvora za zavarivanje 4 - nazivni radni napon 5 - najniži napon praznog hoda 6 - donja granica podruþja regulacije 7 - trajna struja zavarivanja ( X=100% ) 8 - nazivna struja zavarivanja pri nazivnom zavarivaþkom radu ( X=60% )
Slika 2.5 Ravna strujno-naponska karakteristika (konstantan napon)
Statiþka karakteristika luka je zavisnost napona luka od jaþine struje Ul = f (Il), pri odreÿenoj konstantnoj dužini luka (l = const). Na strujno-naponskoj karakteristici izvora, osim struje kratkog spoja Ik i napona praznog hoda U0 merenom pri prekinutom luku, znaþajan je nagib u radnoj taþki:
s=
dU = tgα dI
(2.2)
Fiziþki smisao nagiba je trenutni otpor u zavarivaþkom kolu (R = U/I). Kada je nagib veliki, struja zavarivanja se neznatno menja pri promeni dužine luka, što je pogodno kod ruþnih postupaka elektroluþnog zavarivanja (REL, TIG). Kao pokazatelj te pogodnosti uzima se nagib, tj. tangentni ugao u radnoj taþki. Buduüi da matematiþki oblik spoljne karakteristike nije poznat, taj nagib se odreÿuje zamenom dela krive tangentom:
s=−
ΔU U 2 - U 1 = ΔI I 2 - U1
(2.3)
gde su: U1, I1 i U2, I2 - koordinate krajnjih taþaka posmatranog odseþka u okolini radne taþke. Iz strujno-naponske karakteristike izvora oþitavaju se: - napon praznog hoda U0, V; - struja kratkog spoja Ik, A; - promena struje zavarivanja ǻIr kada se promeni dužina luka; - odnos U0/Ur i Ik/Ir. Sama strujno-naponska karakteristika nije dovoljna za procenu svih osobina zavarivaþkih izvora, veü služi za uzajamno uporeÿivanje ureÿaja i njihovu pravilnu primenu za date uslove rada. Za procenu elektriþnih osobina izvora, potrebno je pored statiþke odrediti i dinamiþku karakteristiku. Ona se dobija
4
oscilografskim metodama u stvarnim uslovima zavarivanja. Rezultati, tj. oscilogrami snimljeni na svetlosno osetljivom papiru, daju se u koordinatnom sistemu U-t i I-t, gde je t, vreme u s. 2.1.3 Dodatni materijal (elektrode) za REL-zavarivanje Danas se uglavnom primenjuju obložene elektrode dok su gole i srþaste gotovo napuštene izuzev grafitnih koje se primenjuju uglavnom za seþenje a reÿe za zavarivanje. Gole elektrode su þeliþne žice dužine 200 do 450 mm, koje pored C, Si i Mn sadrže poveüane koliþine dezoksidatora - ferolegura. Gasovi iz vazduha se pri zavarivanju golim elektrodama prekomerno rastvaraju u metalu šava tako da je on porozan, rÿavih mehaniþkih osobina i niske žilavosti. Zavarivaþi poþetnici najpre se obuþavaju da rade sa ovim elektrodama kojima je teško zavarivati. Srþaste (cevaste) elektrode su punjene uglavnom metalima-dezoksidatorima. Docnije, razvojem zavarivanja u zaštiti CO2 (MAG-postupak) uveden je dodatni materijal i u obliku punjenih žica. Obložena elektroda (sl. 2.6) sastoji se od metalnog jezgra i obloge. Elektrode se dele: a) prema stepenu legiranja na: - niskolegirane, - srednje legirane, - visokolegirane. b) prema stepenu debljine obloge (f = D/d) na: - tanko obložene f < 1.2, - srednje obložene 1.2 f < 1.4, - debelo obložene f 1.4. v) prema nameni: - za zavarivanje, - za navarivanje, - za seþenje,
d
D
- za žlebljenje. Sve obložene elektrode pogodne su za zavarivanje jednosmernom strujom, a samo neke za zavarivanje naizmeniþnom strujom.
l1
l2 L
Slika 2.6 Obložena elektroda
Osnovna uloga obloge je da zaštiti rastop od spoljne atmosfere, da stabilizuje luk, da preþisti metal šava, da legira šav i da produži vreme hlaÿenja šava (uspori hlaÿenje). Obloga se topi u luku zajedno sa jezgrom i stvara gas CO2 koji potiskuje O2, N2 iz zone zavarivanja. Zaštitni gas CO2 stvara se dvojako: razlaganjem karbonata (CaCO3, MgCO3) i sagorevanjem celuloze iz obloge. Razlaganje nastaje na visokim temperaturama (oko 850°C) prema reakciji:
5
CaCO3 → CaO + CO2 ,
MgCO3 → MgO + CO2
(2.4)
Stabilnost luka (lako uspostavljanje i održavanje luka) se poveüava pomoüu elemenata u oblozi koji imaju niži potencijal jonizacije od gvožÿa. To su K, Na, Ca, pojedinaþno ili u kombinaciji, što naroþito olakšava zavarivanje naizmeniþnom strujom. Preþišüavanje (od FeS, FeO) ide po hemijskim reakcijama:
| FeS | + (CaO) → | FeO | + CaS (troska)
(2.5)
| FeO | + ( SiO2 ) → FeO ⋅ SiO2 (troska)
(2.6)
| FeO | + (TiO2 ) → FeO ⋅ TiO2 (troska) .
(2.7)
Gornje jednaþine pokazuju da se štetno jedinjenje FeS iz metala šava najpre prevodi u FeO (pomoüu CaO iz troske), a zatim se ovaj štetan oksid difuznom dezoksidacijom prevodi u trosku. Ako u oblozi nema dovoljno SiO2 i TiO2 nastaje reakcija:
FeO + C = Fe + CO ,
(2.8)
koja dovodi do poroznosti (CO zarobljen u šavu) i pada jaþine jer se u metalu šava smanjuje % C. Kada se u šav (preko obloge) uvede dezoksidator (feromangan, ferosilicijum, ferotitan) ne nastaje reakcija sa ugljenikom veü sa Mn, Si, Ti þiji oksidi prelaze u trosku. Pri zavarivanju Cu dezoksidatori su Zn i P. Legiranje preko sastojaka obloge (Mn, Cr, Mo) omoguüuje da se jezgro elektrode pravi od jevtinih i lakše obradljivih niskougljeniþnih þelika, a da se sastav obloge podešava prema osnovnom materijalu. Zahvaljujuüi tome, moguüe je izraditi elektrode razliþitih namena od iste žice. Kada je žica istog hemijskog sastava kao i osnovni materijal, legiranje preko obloge nije potrebno. To je sluþaj kod elektroda za zavarivanje þelika otpornih na koroziju i obojenih metala. Brzina hlaÿenja rastopa i šava smanjuje se zahvaljujuüi najpre teþnoj, a potom oþvrsloj troski koja pliva iznad rastopa. Elektrode se, prema metalurškim karakteristikama obloge dele na sledeüe tipove: kisele (oksid gvožÿa); kiselo-rutilne, baziþne, celulozne, oksidne, rutilne (srednja debljina obloge), rutilne (debela obloga) i druge tipove obloga. Kisele obloge (A) sadrže gvožÿe-okside, mangan-okside ili silicijum-okside i visok procenat feromangana i (ili) drugih dezoksidatora. Oþvrsla troska je u obliku pþelinjeg saüa i lako se uklanja. Može se primeniti naizmeniþna i jednosmerna struja u svim položajima zavarivanja, mada su posebno pogodne za horizontalan položaj. Kiselo-rutilne (AR) elektrode sliþne su prethodnim s tim što u oblozi sadrže do 35% prirodno nastalog oksida titan-rutila (TiO2). Baziþne elektrode (B) sadrže u oblozi znatne koliþine kalcijum-karbonata ili drugih baziþnih karbonata kao i kalcijum-fluorida (fluorita CaF2). Obloge ovih elektroda jako su higroskopne, pa se moraju þuvati na suvom ili se pre upotrebe suše zagrevanjem u peüi na temperaturi od 350°C, zadržavanjem 2.5 h na toj temperaturi i zatim se hlade do 100°C i stavljaju u posudu konstantne temperature 100°C, iz koje se i uzimaju za zavarivanje. Tako se, uz druge mere, sadržaj vodonika u metalu šava može svesti na manje od 10 ml/100 g. Dozvoljena vlaga od 0.3% u baziþnim elektrodama daje 6 cm3/100 g metala šava. Na smanjenje difundovanog vodonika u metalu šava utiþe i hemijska reakcija:
CaF2 + H 2 O → CaO + 2HF ,
(2.9)
pri þemu CaO ide u trosku a gas fluorovodonik (HF) u spoljnu atmosferu. Troska je staklastog izgleda i lako se skida sa oþvrslog zavara. Baziþne elektrode se vezuju za + pol izvora, mada postoje i odreÿene vrste baziþnih elektroda za zavarivanje naizmeniþnom strujom. Celulozne elektrode (C) sadrže u oblozi velike koliþine organskih materija (strugotina, drveno brašno) þijim sagorevanjem u elektriþnom luku nastaje zaštitni gas. Odlikuju se velikom dubinom uvarivanja i do 70% veüom nego pri zavarivanju drugim elektrodama, ali njihova je mana velika koliþina difundovanog vodonika.
6
Zato ne odgovaraju za þelike povišene jaþine. Pogodne su za zavarivanje cevi veüeg preþnika i za radove u prinudnim položajima (vertikalnom, horizontalno-vertikalnom i iznad glave). Troska je tanka i lako se skida. Oksidne elektrode (O) imaju debelu oblogu pretežno od gvožÿe-oksida sa ili bez mangan-oksida. Troska je snažan oksidacioni medijum, što dovodi do sagorevanja legirajuüih elemenata, odnosno do umanjenja sadržaja ugljenika i mangana u metalu šava. Šav je lepog izgleda, troska lako odstranjiva þesto sama od sebe, ali mehaniþke osobine šava su rÿave. Stoga se ove elektrode primenjuju za zavarene spojeve kojima je važnija estetika nego þvrstoüa. Rutilne elektrode (R) se danas najviše primenjuju i u oblozi sadrže veliku koliþinu rutila ili minerala na osnovu titan-oksida. Obloga srednje debljine sadrži do 15% celuloznih materija a obloga velike debljine (RR) do 5% celuloznih materija. Mogu se primenjivati za zavarivanje kako jednosmernom tako i naizmeniþnom strujom. Zbog velike koliþine difundovanog vodonika (celulozne materije) ne primenjuju se za zavarivanje þelika povišene jaþine i delove velike debljine (s>25 mm). I ako se elektrode prosuše, one zadržavaju odreÿenu koliþinu tzv. konstitucione vlage, koja održava kompaktnu oblogu. Štaviše, ako se pregrevanjem ta vlaga odstrani, nastaje krunjenje obloge i ogoljavanje elektrodne žice. Primenjuju se za meke i niskolegirane þelike tanjih preseka. Elektrode sa drugim tipovima obloge (S) su tzv. visokoproduktivne elektrode i elektrode za duboko uvarivanje. Visoko produktivne elektrode (C, R, B) sadrže železni prah u oblozi koji se pri zavarivanju topi i kao teži od troske prelazi u metal šava. Primenom ovih elektroda postiže se sliþan efekat, u pogledu deponovanog metala iz elektrode u šav, kao kad se zavaruje elektrodom veüeg preþnika. Elektrode za duboko uvarivanje (C, R) su debelo obložene i odlikuju se velikom penetracijom i pri zavarivanju strujom normalne jaþine. Zahvaljujuüi tome moguüe je obostrano zavarivanje u I-žlebu limova debljine i do 16 mm. U tablici 2.1 dati su pojedini sastojci obloge i njihova uloga pri REL-zavarivanju. Tablica 2.1
Sastojak
Osnovna uloga
Dopunska uloga
Oksid Fe
Obrazovanje troske
Stabilizacija luka
Oksid Ti
Obrazovanje troske
Stabilizacija luka
Oksid Mg
Topitelj
CaF
Obrazovanje troske
Topitelj
Kalcijum silikat
Stabilizacija luka
Vezivno sredstvo
Drugi silikati
Obrazovanje troske i vezivo
Topitelj
CaCO3
Obrazovanje CO2
Stabilizacija luka
Drugi karbonati
Obrazovanje CO2
-
Celuloza
Obrazovanje CO2
-
Feromangan
Legiranje šava
Ferohrom
Legiranje šava
-
Ferosilicijum
Legiranje šava
-
-
Dezoksidator
Sastojci se u oblozi, meÿusobno i za žicu povezuju visokopolimernim lepkovima, a Al2O3 služi za unutrašnje podmazivanje pri presovanju. Danas se uglavnom primenjuju rutilne, baziþne i celulozne elektrode, a svaka od njih može biti modifikovana dodavanjem železnog praha u oblozi. 2.1.3.a Izbor i oznaþavanje elektroda Odgovor na pitanje koja je elektroda najbolja ne može se dati bez razmatranja þitavog niza faktora: osnovni materijal, tražene osobine zavarenog spoja, ureÿaj za zavarivanje, položaj zavarivanja, tip spoja, debljina zavarivanih delova i sl. Ipak, danas je izbor elektroda olakšan jer se one biraju izmeÿu rutilnih,
7
baziþnih i reÿe celuloznih kada je u pitanju zavarivanje konstrukcionih ugljeniþnih i niskolegiranih þelika, i nisko ili visokolegiranih elektroda kada je reþ o þelicima otpornim na puzanje, niske temperature i koroziju. Jezgro elektroda namenjenih za ugljeniþne i niskolegirane þelike izraÿuju se od mekih þelika* sa najviše 0.1% C, Si u tragovima, (0.3÷0.6)% Mn, i 0.03% P i S, a legirajuüi sastojci se po potrebi uvode preko obloge. Suprotno tome, visokolegirane elektrode imaju jezgro od legiranih þelika, ali i legirajuüe sastojke sadržane u oblozi koja je pretežno baziþna, mada za specifiþne primene (npr. prinudne položaje) može biti i rutilna. Rutilne elektrode primenjuju se za opšte tankozidne konstrukcije od mekih þelika i drugih þelika male jaþine. Manje su osetljive nego druge elektrode na zaprljane površine u zoni zavarivanja. Posebnu grupu þine rutilne elektrode, znatno duže od standardnih i sa železnim prahom u oblozi, (mogu ga imati i standardne Relektrode) koje su namenjene za tzv. gravitaciono zavarivanje, karakteristiþno po stalnom kontaktu obloge elektrode sa površinom osnovnog metala. Baziþne elektrode su pre svega namenjene za zavarivanje debelih preseka, teško zavarljivih þelika, niskolegiranih þelika normalne, povišene i visoke jaþine i þelika koji rade pri niskom temperaturama. Jednom reþju ove se elektrode koriste za gore navedene þelike ako im jaþina preÿe 440 MPa, ekvivalentni ugljenik 0.40% ili za debele preseke nezavisno od Rm i CE. Po pravilu se za ove þelike primenjuju nelegirane baziþne elektrode ili visokokvalitetne elektrode sa poveüanim sadržajem mangana. Za teško zavarljive niskolegirane þelike i þelike sa poveüanim sadržajem ugljenika preporuþuju se visokolegirane austenitne (18Cr-8Ni-6Mn) ili austenitno-feritne (29Cr-9Ni) baziþne elektrode (heterogeni spojevi). Takoÿe se jezgro pravi od austenitnih þelika kod baziþnih elektroda namenjenih za nerÿajuüe þelike ili tvrdo navarivanje (vidi lekciju/predavanje/poglavlje Navarivanje). Celulozne elektrode proizvode se u malom broju industrijski razvijenih zemalja (npr. B–hler, Austrija) i nezamenljive su pri zavarivanju magistralnih cevovoda. To što daju visok sadržaj vodonika u metalu šava ne predstavlja opasnost buduüi da se celulozne elektrode pretežno upotrebljavaju za zavarivanje cevi od mekih i niskolegiranih þelika. Takoÿe je moguüe, primenom odgovarajuüe tehnike i kod cevi veüe jaþine spreþiti pojavu vodoniþnih prslina, tako što se pri višeprolaznom zavarivanju polažu naredni slojevi pre nego što se prethodni sloj ohladi do temperature kritiþne za pojavu prslina na hladno. Elektrode za legirane þelike obezbeÿuju traženi sastav þistog metala šava pomoüu legirajuüih sastojaka sadržanih kako u jezgru tako i u oblozi. Elektrode za zavarivanje þelika otpornih na puzanje sadrže u oblozi hrom i molibden, a za þelike koji rade na sniženim temperaturama (kriogena tehnika) fero-nikal. Elektrode za nerÿajuüe þelike po pravilu imaju jezgro od austenitnog þelika, premda je moguüe uneti legirajuüe elemente (Cr, Ni) i preko obloge. Elektrode za tvrdo navarivanje mogu biti obložene ili pak cevaste-punjene hromnim ili volframskim karbidima. Cevþica od mekog þelika stapa se zajedno sa navedenim karbidima koji se dalje ravnomerno rasporeÿuju i þvrsto utiskuju u meku matricu navara. Najzad, iako je ovde reþ o elektrodama za REL-zavarivanje þelika samo se spominje da se izraÿuju i elektrode sa dodatkom grafita u oblozi za zavarivanje livenog gvožÿa (elektrode od þistog Ni i legura Ni-Fe, Ni-Cu i Cu-Sn) kao i elektrode za legure neželeznih metala. Tako, npr. elektrode za legure aluminijuma imaju legirano jezgro, ali oblogu potpuno razliþitu od do sada razmatranih. One sadrže alkalne soli, pa se stvara jako korozivna troska koja se mora potpuno ukloniti odmah posle hlaÿenja spoja. U standardu JUS C.H3.011/82, zasnovanom na meÿunarodnom standardu ISO 256/73, daje se oznaþavanje elektroda za zavarivanje niskougljeniþnih i niskolegiranih þelika, prema sledeüoj shemi: E XXX X X X X Dopunska oznaka Tehnološke karakteristike Stepen iskorišüenja Vrste obloga (A, AR, B, C, O, R, RR, S) Mehaniþke osobine (Rm, A5, KV) Opšta oznaka Za oznaþavanje elektroda prema gornjoj shemi navodi se sledeüi primer: *
Meki þelik (mild steel) u anglosaksonskoj terminologiji, oznaþava niskougljeniþni þelik.
8
E 51 3B 160 20 2H. Iz ove oznake i odgovarajuüih tablica datih u navedenom standardu sledi da su mehaniþke osobine þistog metala šava: Rm= 560 MPa, A5=22% i KV=47 J na -20°C, da je obloga baziþna sa stepenom iskorišüenja od 160%, te da se može zavarivati u svim položajima izuzev vertikalnog naniže i da je sadržaj difundovanog vodonika u þistom metalu šava od 1÷2 ml/100 g. Po analognoj šemi oznaþavaju se i elektrode namenjene za zavarivanje nerÿajuüih i sliþnih visokolegiranih þelika (ISO 3581 - JUS C.H3.017), kao i þelika otpornih na puzanje (ISO 3580 - JUS C.H3.015). Ne ulazeüi u detalje ovde se navode dva karakteristiþna primera za oznaþavanje elektroda za REL zavarivanje gore navedenih þelika: E 18.8 Mn B 150 26 Y (za nerÿajuüe þelike) i E 2 Cr Mo B 26 2H (za þelike otporne na puzanje). Pomoüu oznaka (18.8 Mn, 2 Cr Mo, i sl.) ovde se umesto mehaniþkih osobina šifrovano prikazuje hemijski sastav þistog metala šava, a detaljnije o svemu može se videti u pomenutim standardima. 2.1.3.b Tehnološke karakteristike elektroda Osnovni energetski parametri elektroluþnog zavarivanja - jaþina struje i napon - zavise uglavnom od preþnika i vrste elektrode. Približno se jaþina struje zavarivanja može odrediti pomoüu izraza:
I = (20 ÷ 25) ⋅ d
za d < 4 mm ,
I = (35 ÷ 50) ⋅ d
za d = 4.0 i 5.0 mm,
(2.10)
I = (15 + 6 ⋅ d ) ⋅ d za d > 5 mm , gde je: I - jaþina struje u A, d - preþnik elektrode u mm. Napon zavarivanja (radni napon) može se izraþunati pomoüu izraza:
U = 20 + 0.04 ⋅ I, V U = 12 +
ili
l ⋅d I ⋅ ,V 10 A
(2.11) (2.12)
gde je: I - jaþina struje zavarivanja, A, l = 3-6 - dužina luka u mm (l ≅ d - za rutilne elektrode; l ≅ d/2 - za baziþne elektrode), I/A - gustina struje u A/mm2, A - površina popreþnog preseka jezgra elektrode u mm2. Kao pokazatelji ponašanja elektroda u toku rada odreÿuju se: konstanta topljenja (D), brzina topljenja (v) i koeficijent iskorišüenja (Rd). Konstanta topljenja se izraþunava pomoüu izraza:
g D = md , I ⋅ t A min
(2.13)
gde je: md - deo mase šava dobijen topljenjem elektrode (jezgro + obloga) u g, I - srednja preporuþena jaþina struje zavarivanja u A, t - vreme topljenja u min. Brzina topljenja je masa dodatnog materijala u gramima rastopljena za 1 sat:
⋅ 60 g v = md , t h
(2.14)
gde je: md - masa istopljenog dodatnog materijala u g, t - vreme topljenja u min. Koeficijent iskorišüenja se izraþunava pomoüu izraza:
9
Rd =
md m j - mp
(2.15)
gde je: mj - ukupna masa jezgra elektroda podvrgnutih ispitivanju, u g, mp - ukupna masa otpadaka elektroda, u g. Za praktiþno odreÿivanje konstante topljenja i koeficijenta iskorišüenja polazi se od poznate þinjenice da se metal šava (ms) sastoji iz osnovnog (mo) i dodatnog materijala (md), tj.: ms = mo + md
(2.16)
U idealnom sluþaju masa md bi odgovarala delu mase jezgra elektrode potrošene pri zavarivanju. Ali prilikom REL-zavarivanja dolazi do isparavanja i sagorevanja nekih sastojaka jezgra kao i izbacivanja užarenih metalnih þestica iz elektriþnog luka. Zato je stepen iskorišüenja obiþnih elektroda Rd = 0.75-0.9 a kod visokoproduktivnih može biti veüi od 1. U tom sluþaju je
ms = mo + m j + mob
(2.17)
gde je: mo - masa šava koja potiþe od osnovnog materijala, mj - masa od jezgra i mob - masa od obloge, sve u gramima (g). Prilikom izvoÿenja opita radi odreÿivanja D, v i Rd potrebno je: - izmeriti masu þeliþne ploþe (m1) i masu jezgra elektroda planiranih za navarivanje (jednu elektrodu ogoliti i izmeriti njenu masu), - naneti navar na ploþu i registrovati I (A) i t (min), - izmeriti masu ploþe posle navarivanja (m2) bez troske i prskotina (oþvrslih i prilepljenih užarenih þestica), - izmeriti masu otpadaka (neiskorišüenih delova) elektroda. Na osnovu izmerenih veliþina može se izraþunati: - konstanta topljenja:
D = m2 m1 , g/A ⋅ min , I ⋅t
(2.18)
- brzina topljenja:
( - ) ⋅ 60 v = m2 m1 , g/h t
(2.19)
- stepen iskorišüenja:
Rd =
m2 - m1 m j - mp
(2.20)
2.1.4 Tehnološki postupak REL-zavarivanja
Primenom zavarivanja moguüe je izraditi konstrukcije komplikovanog oblika od železarskih proizvoda (limova, ploþa, cevi, raznih profila) ili u kombinaciji sa otkovcima, otprescima, odlivcima i drugim proizvodima mehaniþke prerade. Kod brodova, mostova, parnih kotlova izraÿuje se na stotine i hiljade meÿusobno zavarenih delova. Za svaki detalj potrebno je predvideti razmeštaj spojeva, vrstu spojeva, redosled izvoÿenja, pa i uticaj primenjene metode zavarivanja na podsklopove, sklopove i konstrukciju u celini. Takoÿe se vodi raþuna o prethodnoj i završnoj termiþkoj obradi kao i o odgovarajuüim metodama kontrole - prethodnoj, tekuüoj i završnoj. Kod nekih proizvoda troškovi kontrole planiraju se na 50% cene koštanja proizvoda. Dalje se bira dodatni materijal - po vrsti, koliþini, dimenzijama, pa jaþina struje, napon, brzina zavarivanja, tj. pogonska energija zavarivanja. Razraÿujuüi dalje tehnološki postupak treba definisati režim
10
termiþke obrade - predgrevanje, dogrevanje, prekrivanje peskom ili azbestom radi smanjenja brzine hlaÿenja. Pravilna priprema stranica je znaþajna kako za tehnologiju tako i za mehaniþke osobine zavarenog spoja. Osnovni tehnološki parametri su veliþine koje omoguüuju izvoÿenje šava traženog oblika, predviÿenih dimenzija i zadovoljavajuüih radnih osobina. U tehnološke parametre REL-zavarivanja spadaju: vrsta i preþnik elektrode, jaþina struje, brzina topljenja elektrode, brzina zavarivanja, vrsta struje, polaritet i tsl. Najpre, bira se vrsta i preþnik elektrode (d) koji zavisi od debljine zavarivanih delova (s) i vrste spoja. Za suþeoni spoj, preþnik elektrode (d) u funkciji debljine s bira se iz tablice 2.2, a vrsta žleba iz tablice 2.8. Tablica 2.2
s , mm
2
3÷5
6÷8
9÷12
13÷15
16÷20
>20
d , mm
2
3
3÷4
4÷5
5÷6
5÷6
5÷6
Za izvoÿenje korenog zavara kod limova debljih od 10 mm treba usvojiti elektrodu þiji je preþnik manji za 1 mm od preporuþene vrednosti. Jaþina struje zavarivanja ograniþava se zbog opasnosti od pregrevanja (efekat I2⋅R) i krunjenja obloge. U tom smislu maksimalna struja zavarivanja može se odrediti iz uslova da temperatura jezgra elektrode, pri kraju njenog stapanja ne preÿe 650ºC za kisele obloge, i 600ºC za baziþne obloge. Brzina zavarivanja izraþunava se pomoüu izraza: vz =
D⋅ I , 100 ⋅ ρ ⋅ An
m/ h
(2.21)
gde je: D - konstanta topljenja u g/A·h (D = 7-12, zavisno od vrste elektrode), I - jaþina struje zavarivanja u A, ȡ - gustina dodatnog materijala u g/cm3, An - površina preseka zavara, u cm2. S druge strane postoji empirijska veza izmeÿu pogonske energije zavarivanja ql i površine preseka zavara An, mm2:
q l = 580 ⋅ An ,
J / cm
(2.22)
odnosno: U ⋅ I ⋅ ηi = 580 ⋅ An vz
(2.23)
odakle se dobija: vz =
U ⋅I ⋅η , 580 ⋅ An i
cm / s
(2.24)
Pri višeslojnom zavarivanju potrebno je odrediti ukupan broj prolaza, polazeüi od površine popreþnog preseka žleba i preseka odgovarajuüih zavara. Ako se uzme u obzir i nadvišenje šava, broj prolaza za popunjavanje žleba (n) može se odrediti pomoüu izraza:
n=
A - A1 An
+1
(2.25)
gde je: A - površina preseka žleba u mm2 (vidi tab. 2.7), A1 = (6-8)·d - površina preseka prvog zavara u mm2, An = (8-12)·d - površina preseka ostalih zavara u mm2, d - preþnik elektrode (jezgra) u mm. U osnovne elemente šava spada i dubina topljenja od koje, kao i od drugih faktora, zavisi i stepen mešanja osnovnog i dodatnog materijala u metalu šava. Dubina uvarivanja (δ) za REL-postupak odreÿuje se za prvi zavar prema izrazu:
11
δ = ( 0.3 ÷ 0.5 ) ⋅ r
(2.26)
k
k
a
a
a
k
k
gde je: r = 0.00537 ⋅ q l , cm - polupreþnik izoterme koja odgovara temperaturi topljenja osnovnog materijala, a ql - pogonska energija zavarivanja u J/cm. Praktiþno se δ nalazi u granicama od 1.5 do 4 mm, mada bi teorijski posmatrano bila dovoljna i manja penetracija. Kod ugaonih šavova (sl. 2.7), jednim prolazom može se dobiti šav maksimalne debljine a ≈ 5 mm, odnosno širine katete prvog zavara k ≈ 8 mm. Pri tome se traži da minimalna debljina noseüeg ugaonog šava bude amin = 3 mm, a maksimalna amax = 0.7⋅smin, gde je smin - debljina najtanjeg elementa u vezi. Ugaoni šavovi koji moraju biti deblji od 6 mm izvode se višeslojnim zavarivanjem, ali tako da površine preseka zavara ne prelaze 30÷40 mm2.
k
k
Slika 2.7 Popreþni preseci ugaonih šavova
Površina preseka jednoprolaznog ugaonog šava, zavisno od katete (k) ili debljine (a) raþuna se pomoüu izraza:
An = 1.3 ⋅
k2 = 0.65 ⋅ k 2 = 1.3 ⋅ a 2 2
(2.27)
gde je: 1.3 - koeficijent ispupþenosti lica šava i k = a ⋅ 2 Koristeüi se izrazom ql = 580⋅An mogu se za ugaoni šav izvesti sledeüe relacije za pogonsku energiju jednog prolaza:
ql = 377 ⋅ k 2 , J / cm ili ql = 754 ⋅ a 2 , J / cm
(2.28)
gde je: k - kateta ugaonog šava u mm, a - debljina šava u mm. Za višeprolazne šavove pogonska energija za prvi i ostale prolaze raþuna se prema debljini odgovarajuüih zavara. Preþnik elektrode za izradu ugaonih šavova bira se iz tablice 2.3. Tablica 2.3
Dužina katete k , mm
2
3
4
5
6
8
Preþnik elektrode d , mm
1.5÷2.0
2.5÷3.25
3.25÷4.0
4.0
4.0÷5.0
5.0
Ostali parametri zavarivanja ugaonih spojeva odreÿuju se na osnovu pogonske energije ql, kao i iz preporuka datih za suþeone spojeve. Bez obzira da li je reþ o suþeonom ili ugaonom šavu, stepen mešanja* (γ0) se odreÿuje prema izrazu:
*
u ameriþkoj literaturi – razblaživanje.
12
γo=
At At + A
(2.29)
gde je: At - površina zone topljenja (At = f (s, į)), (sl. 2.8), A - površina popune (u stvari površina žleba), (sl. 2.8).
A
At
Slika 2.8 Presek suþeonog šava
Stepen mešanja i poznati hemijski sastav osnovnog i dodatnog materijala omoguüuju da se odredi hemijski sastav metala šava (Ms): Ms = Mo ⋅γ o + Md ⋅γ d ± Δ M
(2.30)
gde je: Mo - sadržaj nekog elementa u osnovnom materijalu, %, Md - sadržaj tog elementa u dodatnom materijalu, %, Ȗd = 1-Ȗo, ǻM - gubici usled sagorevanja, isparavanja, prštanja (znak plus se odnosi na visokoproduktivne elektrode). 2.1.5 Proraþun parametara REL-zavarivanja niskougljeniþnih þelika
Pri odreÿivanju parametara REL-zavarivanja niskougljeniþnih þelika osnova za proraþun su prethodna poglavlja, a ovde se daju pogodniji izrazi za izbor pojedinih parametara za dati osnovni materijal. Jaþina struje zavarivanja I može se odrediti: a) pomoüu izraza: I = Ae ⋅ J =
d 2 ⋅π ⋅J , 4
(2.31)
A
gde je: d - preþnik elektrode u mm, J - dopuštena gustina struje u A/mm2 pri kojoj temperatura jezgra ne prelazi 650°C odnosno 600°C. Preporuþene vrednosti dopuštenih gustina struje date su u tablici 2.4. Tablica 2.4
Preþnik elektrode de , mm Dopuštena gustina struje J , A/mm2
1.0÷1.5
2.0÷3.0
4.0÷5.0
22÷25
12÷15
10÷13
b) Na osnovu sledeüih zavisnosti:
I = k ⋅ d , A za d = 4i 5mm
(2.32)
I = k1 ⋅ d 1.5 , A za d < 4mm
(2.33)
13
I = d ⋅ (15 + 6 ⋅ d ) , A za d >5mm
(2.34)
gde je: d - preþnik elektrode u mm, k = 35÷50, k1 = 20÷25. Za zavarivanje u vertikalnom položaju treba smanjiti jaþinu struje za 10÷15%, a pri zavarivanju u položaju iznad glave za 15÷20% u odnosu na gore proraþunate vrednosti, dok se za elektrode sa železnim prahom u oblozi jaþina struje poveüava za oko 25%. Prilikom izbora preþnika elektrode možemo se takoÿe poslužiti tablicama koje uzimaju u obzir: naþin zavarivanja, položaj, debljinu elemenata, oblik žleba, tip spoja, vrstu materijala itd. Treba ipak obratiti pažnju na to, da su tablice sastavljene za odreÿene uslove zavarivanja i zbog toga vrednosti oþitane iz tablica ili nomograma moraju biti u praksi proverene i po potrebi korigovane. Kao kontrolni parametar provere izbora površina popreþnog preseka zavara A1 i An mogu nam poslužiti podaci iz tablice 2.5 dati u zavisnosti od debljine zavarivanog materijala i položaja zavarivanja. Tablica 2.5 Površina popreþnog preseka zavara u zavisnosti od debljine materijala i položaja zavarivanja
Debljina materijala
Površina popreþnog preseka zavara
Položaj zavarivanja
mm2
mm
6÷10
Horizontalni
1. zavar
2. zavar i naredni
20÷30
30÷60
≥12 6÷10
40÷60 Vertikalni
20÷40
≥12
40÷60 40÷70
4÷8
Horizontalno-
≥10
vertikalni
4÷8
Iznad glave
20÷30
20÷40 30÷40
20÷30
≥10
20÷40 30÷40
2.1.6 Proraþun parametara REL-zavarivanja zakaljivih þelika
Niskolegirani þelici sa poveüanim sadržajem mangana (do 2%) kao i sa dodatkom mikrolegirajuüih sastojaka niobijuma, vanadijuma ili titana, zatim molibdena kao legirajuüeg sastojka itd., pokazuju sklonost ka zakaljivanju u ZUT-u u normalnim uslovima zavarivanja, naroþito pri veüim debljinama zavarivanih elemenata. Orijentacioni pokazatelj sklonosti ka obrazovanju zakaljenih zona jeste vrednost ekvivalentnog ugljenika izraþunata prema sledeüem izrazu: CE = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu , + + 6 5 15
%
(2.35)
Neophodan uslov, koji može spreþiti pojavu struktura kaljenja u zavarenom spoju jeste ispunjenje zahteva:
v h
(2.36)
gde je: vkr - kritiþna brzina hlaÿenja date vrste þelika, vh - brzina hlaÿenja pri temperaturi najmanje stabilnosti austenita u odreÿenoj taþki. Za odreÿivanje struktura nastalih u ZUT-u koriste se dijagrami razlaganja pothlaÿenog austenita tj. dijagrami kontinualnog hlaÿenja u uslovima zavarivanja (KHZ - vidi prilog C, priruþnik Tehnologija zavarivanja)
14
Upravljanje tokom temperaturskih ciklusa pri zavarivanju moguüe je putem odgovarajuüeg izbora parametara zavarivanja. Pri tome je neophodno: - utvrditi tok temperaturskog ciklusa u odreÿenim taþkama oko šava, u funkciji parametara zavarivanja, - proceniti uticaj temperatuskog ciklusa na strukturu materijala ZUT-a. Smanjenje brzine hlaÿenja u cilju ispunjenja uslova vh < vkr moguüe je ostvariti na sledeüe tehnološke naþine: - poveüanjem poþetne temperature (To = Tp), - poveüanjem pogonske energije zavarivanja ql, na raþun porasta jaþine struje i napona ili umanjenja brzine zavarivanja. Temperature predgrevanja Tp pre zavarivanja mogu se izraþunati prema odgovarajuüim izrazima za brzinu hlaÿenja (5.32, 5.33 i 5.34), ili usvojiti na osnovu preporuka proizvoÿaþa elektroda. Pored navedenih naþina spreþavanja zakaljivanja materijala u ZUT-u zasnovanih uglavnom na promeni parametara zavarivanja, postoje takoÿe i tehnološki naþini zasnovani na primeni odgovarajuüe tehnike zavarivanja a to su: zavarivanje kratkim odseþcima i zavarivanje dugaþkim odseþcima (neprekidno) (vidi glavu 6, priruþnik Tehnologija zavarivanja). Zavarivanje kratkim odseþcima primenjuje se u sluþaju kada predgrevanje iz tehniþkih razloga nije moguüe a šav se izvodi višeprolazno. Zavarivanje kratkim odseþcima ima za cilj održavanje takve temperature, pri kojoj þak i u sluþaju zakaljivanja u ZUT-u ne nastaju prsline. Složeni temperaturski ciklus kod ove metode zavarivanja dovodi do toga da toplota predata materijalu pri nanošenju narednih slojeva ne dopušta sniženje temperature ZUT-a prethodnih slojeva ispod temperature martenzitne promene (Ms). Višeprolazno zavarivnje dugaþkim odseþcima (neprkidnim) primenjuje se za izuzetno zakaljive þelike, kada metoda zavarivanja kratkim odseþcima ne spreþava pojavu zakaljenih zona. U tom se sluþaju, radi spreþavanja pojave naprslina, mora održavati, za vreme zavarivanja, temperatura ne niža od 150÷200°C lokalnim zagrevanjem gasnim plamenom. Parametri zavarivanja pojedinih slojeva kao i njihovi preseci moraju biti tako izabrani da bi zapremina obuhvaüena izotermom 700°C prekrila zone prethodno zakaljene. Shema višeprolaznog naþina zavarivanja pogodna za otpuštanje zakaljenih zona predstavljena je na slici 2.9. Posle polaganja prvog zavara javlja se zakaljena zona I. Drugi zavar dovodi do delimiþnog otpuštanja zakaljene zone pri prvom prolazu kao i obrazovanja sopstvene zone zakaljivanja. Treüi zavar dovodi do obrazovanja zone otpuštanja II koja obuhvata zakaljene zone od prethodnih zavara. Poslednji "otpuštajuüi" sloj 4, položen sa posebno izabranom pogonskom energijom izaziva potpuno otpuštanje zone III, zakaljene prethodnim prolazima. Sloj 4 posle hlaÿenja treba prebrusiti do nivoa osnovnog materijala. a)
1
I 2
b)
3
II
c)
III
4
1, 2, 3, 4 - postupne etape zavarivanja I, II, III - zone zakaljenja i otpuštanja
Slika 2.9 Shema zavarivanja višeprolaznih slojeva otpuštanja: a), b), c) - postupne etape zavarivanja
2.1.7 Proraþun parametara REL-zavarivanja niskolegiranih þelika
Pri odreÿivanju parametara zavarivanja niskolegiranih þelika, ukljuþujuüi i neke þelike povišene jaþine, pored uslova pravilnog formiranja šava treba uzeti u obzir i uticaj temperaturskih ciklusa na strukturu ZUT-a.
15
Veliþine koje odluþujuüe deluju na strukturu i osobine ZUT-a jesu: brzina hlaÿenja vh u oblasti temperature najmanje stabilnosti austenita i vreme pregrevanja (držanja) tw iznad odreÿene temperature. Teorijske vrednosti brzina hlaÿenja vh proraþunate pomoüu izraza (5.32, 5.33 i 5.34) treba korigovati pomoüu faktora kojim se uzima u obzir drukþiji karakter raspodele toplote u zavarivanom žlebu nego pri navarivanju (vidi tab. 5.9). Osim toga u spomenute izraze treba uneti i raþunske vrednosti debljine sr kao i pogonske energije qlr, kada se raþunaju brzine hlaÿenja koje odgovaraju prvom zavaru, a za taþke dovoljno udaljene od izvora toplote (za koje je ∂ T ∂ z = 0 - vidi sliku 5.9). Koeficijenti korekcije raþunske debljine i raþunske pogonske energije dati su u tablici 2.6. Tablica 2.6 Koeficijenti korekcije raþunske debljine i raþunske pogonske energije V - šav
Ugaoni šav
T - spoj
Krstasti spoj
suþeonog spoja
preklopnog spoja
(drugi šav)
(þetvrti šav)
s
3/2⋅s
s
s
s
ql
3/2⋅ql
2/3⋅ql
2/3⋅ql
1/2⋅ql
Vrsta spoja
Navar
Raþunska debljina sr Raþunska pogonska energija qlr
Pri odreÿivanju optimalnih uslova zavarivanja mora biti ispunjen uslov da brzina hlaÿenja i vreme držanja iznad temperature AC3 odgovaraju veliþinama pri kojima se mogu dobiti najbolje mehaniþke osobine spoja. Poznavajuüi granice optimalnih brzina hlaÿenja može se putem uporeÿivanja utvrditi da li parametri odreÿeni iz uslova pravilnog formiranja šava obezbeÿuju istovremeno tražene mehaniþke osobine spoja. 2.1.8 Proraþun parametara REL-zavarivanja austenitnih hrom-nikl þelika
Na osnovu teorije toplotnih procesa može se utvrditi uslov stabilnosti antikorozivnih osobina þelika uzimajuüi u obzir dopušteno vreme izlaganja zone oko šava visokoj temperaturi. To dopušteno vreme uporeÿuje se sa stvarnim vremenom izlaganja materijala visokim temperaturama koje se mogu odrediti iz temperaturskih ciklusa. Buduüi da je sve to vezano i za tehnologiju zavarivanja, ovde se samo daju preporuke za proraþun jaþine struje pri REL-zavarivanju prema izrazima (2.32), (2.33) i (2.34) s tim što se koeficijent k u izrazu I = k ⋅ d bira iz tablice 2.7. Tablica 2.7
Preþnik elektrode d , mm Korekcioni koeficijenat k , A/mm
2
3.25
4
5
16÷20
20÷25
25÷30
30÷35
Površina preseka prvog sloja uzima se prema zavisnosti A1 = 6⋅d , a narednih An = 8⋅d. Proraþun ostalih parametara analogan je postupcima iz prethodnih poglavlja. 2.1.9 Potrošnja dodatnog materijala pri zavarivanju topljenjem
Osnova za proraþun potrebne koliþine dodatnog materijala jeste površina popreþnog preseka žleba i njegova dužina. Buduüi da šav ima zadebljanje na licu, to se vrednost teorijske mase dodatnog materijala poveüava za 10%, pa je: M = 11 . ⋅ A⋅l ⋅ρ
(2.37) 2
gde je: A - površina preseka žleba u m , l - dužina žleba u m, ȡ - gustina dodatnog materijala u kg/m3. Površina A standardizovanih žlebova (JUS C.T3.030) može se izraþunati na naþin kao što je pokazano u tablici 2.8.
16
Površine ostalih žlebova nastalih kombinacijom osnovnih V i U-žlebova (1/2V, K, 1/2U, Y, i dr.) odreÿuju se na sliþan naþin, dok se žlebovi sa korenom letvom (podmetaþem sa korene strane) izraÿuju sa poveüanim razmakom u korenu (s1 = 3-12 mm) (vidi poglavlje Reþnik termina, priruþnik Tehnologija zavarivanja) Tablica 2.8 Osnovne vrste žlebova za REL zavarivanje Vrsta žleba
Dimenzije žleba
Površina žleba
s1 = (0÷2) mm
A = s·s1
I-žleb s = 1÷3 mm - za jednostran I-žleb
s
s = 3÷6 mm - za dvostran I-žleb
s1
V-žleb s = 3÷20 mm
α = 60°
α s
s1 = 0÷4 mm h = 0÷3 mm
h
s1
A = s·s1+(s-h)2·tgĮ/2
X-žleb s = 12÷40 mm
α = (50÷70)°
α s1 s
h
s1 = 2÷4 mm
A = s·s1+ 1/2·(s-h)2·tgĮ/2
h = 0÷3 mm
α
2U-žleb s > 40 mm
β = (5÷10)°
β
s1 = 0÷3 mm
r
s
h
h ≈ 3 mm
A = s·s1+2·r⋅(s-2r-h)+ʌr2+(s-2r-h)2·tgβ
r ≈ 5 mm
s1
ugaoni šav
k
A = k2/2 = a2
a
Pri REL-zavarivanju elektrode se ne mogu potpuno iskoristiti, jer se 8-15% mase gubi sagorevanjem i rasprskivanjem, a 6-10% mase ostaje u držaþu elektrode. Zbog toga se mora raþunati s tim da se iskoristi samo oko 75% jezgra elektrode. Buduüi da ukupna masa deponovanog materijala u žlebu treba da odgovara masi svih utrošenih elektroda to sledi: n⋅m= M
(2.38)
odnosno teorijski broj potrebnih elektroda: n=
M m
(2.39)
17
gde je: m - masa jezgra jedne elektrode. Zbog navedenih gubitaka elektrodne žice (jezgra), koji iznose oko 25%, stvarni broj potrebnih elektroda je:
n = 1.25 ⋅
A⋅l 1.1 ⋅ A ⋅ l ⋅ ρ M = 1.75 ⋅ 2 = 1.25 ⋅ 2 m d ⋅L d ⋅π ⋅L⋅ρ 4
(2.40)
gde je: A - površina preseka žleba, d - preþnik odabrane elektrode, L - dužina elektrode, l - dužina žleba. Dužina elektroda (vidi sl. 2.6) zavisi od preþnika jezgra kako je dato u tab.2.9. Tablica 2.9 Mere u mm Preþnik elektrodne žice
Dužina elektrode L*
Slobodna dužina elektrodne žice l1
Dužina završetka elektrode l2
2.0
200 do 250
16 do 20
0.4
2.5 do 3.25
250 do 350
20 do 25
0.4
4.0
350 do 450
20 do 25
0.5
5.0 i veüi
350 do 450
20 do 25
0.6
*
Za elektrode od visokolegiranih þelika, zbog veüe elektriþne otpornosti, tj. manje elektriþne provodljivosti, primenjuju se manje dužine.
Kod gasnog zavarivanja potrošnja dodatnog materijala se raþuna sliþno, s tim što su ukupni gubici 15%, pa je potreban broj žica: n = 1.6 ⋅
A⋅l d2 ⋅ L
(2.41)
2.1.10 Osnovni položaji zavarivanja i uprošüeno prikazivanje šavova na crtežima a) Osnovni položaji zavarivanja Pri zavarivanju topljenjem prema JUS C.T3.001, šavovi mogu biti izraÿeni u jednom od þetiri osnovna položaja: - horizontalnom (sl. 2.10a),
- horizontalno-vertikalnom (sl. 2.10b), - vertikalnom (sl. 2.10c) i - iznad glave (sl. 2.10d). Svi ostali položaji izvan ova þetiri osnovna, nazivaju se nagnutim. U tom sluþaju položaj šava se odreÿuje nagibnim lukom i uglom zaokreta (detaljnije vidi JUS C.T3.008).
18
a)
c)
b)
d)
Slika 2.10 Osnovni položaji zavarivanja
b) Uprošüeno prikazivanje šavova na crtežima Razne vrste šavova predstavljaju se oznakama koje su, po obliku sliþne šavu koji se izvodi. U tablici 2.8 dati su neki od najþešüe primenjivanih žlebova, a u tablici 2.10 dati su osnovni i dopunski znaci za oznaþavanje nekih šavova na crtežima (detaljnije vidi JUS C.T3.011). Tablica 2.10 Uprošüeno prikazivanje šavova Osnovni znaci
Redni broj
Naziv šava
Simbol
broj
1
I - šav
1
2
V - šav
2
3
Objašnjenje
Znak
Provaren koren Obraÿeno: lice ili koren šava
V - šav sa potkorenom trakom
4
Y - šav
5
X - šav
6
U - šav
7
Dvostruki U - šav
8
§ V - šav
9
K - šav
10
J - šav
11
Ugaoni šav
12
Dvostruki ugaoni šav
13
Dopunski znaci
Redni
Šav na uglu
3
Kontinualan ugaoni šav
4
Isprekidan ugaoni šav
5
e
Ravno lice ugaonog šava
6
Ispupþeno lice ugaonog šava
7
Udubljeno lice ugaonog šava
8
Ugaoni šav zavaren po celoj konturi
19
3. UREĈAJI I DODATNI MATERIJALI ZA ZAVARIVANJE POD PRAHOM (EPP) – vežba br. 2 (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) 3.1 Osnovi EPP zavarivanja Zaštita rastopa od štetnog delovanja gasova iz vazduha kod ovog postupka zavarivanja ostvaruje se pomoüu sloja praha pod kojim gori elektriþni luk. Na taj se naþin stapaju ivice zavarivanih delova i dodatni materijal u zatvorenom prostoru ispunjenom parama i gasovima pod pritiskom (sl. 3.1). Prah koji se dovodi ispred elektrodne žice, delom se topi i posle odreÿenih metalurških reakcija isplivava na površinu metalnog kupatila obrazujuüi trosku.
1
7
2 8 3
123456784
5
6
elektrodna žica pogonski valjci luk šav troska višak praha rezervoar za prah elektriþni kontakt 6
Slika 3.1 Shema zavarivanja pod prahom
U industriji se ovaj naþin zavarivanja najviše primenjuje za izradu: parnih kotlova, sudova pod pritiskom, cevi veüeg preþnika (spiralnim ili uzdužnim šavovima), razliþitih profila u graÿevinarstvu i brodogradnji. Takoÿe se pod prahom navaruju železarski valjci, kranski zupþanici, komore vodenih turbina i uopšte pohabane radne površine masivnih delova (vidi glavu 13 - priruþnik Tehnologija zavarivanja). Mogu se zavarivati sve vrste konstrukcionih þelika debljine 5÷100 mm, ali i Cu, Ni, Al i njihove legure. Zavarivanje se izvodi u vodoravnom položaju odozgo, pomoüu šavova koji mogu biti suþeoni, ugaoni ili izvedeni u tzv. koritu. Zavarivanje pod prahom je uglavnom mehanizovan ili automatizovan postupak zavarivanja koji se primenjuje kako za ravne tako i za cilindriþne površine.
3.2 Ureÿaji za zavarivanje pod prahom Iako ovi ureÿaji mogu biti razliþitih konstrukcionih rešenja, oni u principu sadrže: - izvor struje zavarivanja (
ili
∼),
- zavarivaþki automat sa komandnim ormanom (sl. 3.2).
1
žica komandni orman
rezervoar za prašak
strujni izvor
glava kolica
z
Slika 3.2 Zavarivaþki automat za zavarivanje pod prahom
Izvor napajanja je posebna jedinica i ne isporuþuje se zajedno sa zavarivaþkim automatom. Automat je smešten na kolica na kojima se još nalaze: rezervoar za prah, bubanj sa elektrodnom žicom, zavarivaþka glava, komandni orman. Na zavarivaþkoj glavi najvažniji deo je davaþ elektrodne žice koji mora da obezbedi stalan razmak vrha žice od zavarivanih delova. Ovo je posebno važno kod automatskog zavarivanja, jer se jaþina struje zavarivanja i napon moraju održavati uz relativno mala odstupanja od nominalne vrednosti, tj. 25÷50 A i ±2 V. Regulacija razmaka vrha elektrodne žice odnosno dužine luka, praktiþno se ostvaruje na dva naþina: - stalnom brzinom dovoÿenja žice i regulacijom brzine topljenja žice (samoregulacijom dužine luka kod ureÿaja konstantnog napona), - promenom brzine dovoÿenja žice zavisno od napona luka (kod ureÿaja konstantne struje) (vidi reþnik termina, prilog E, priruþnik Tehnologija zavarivanja). Pri stalnoj brzini dovoÿenja žice (vž = const), samoregulacija dužine luka moguüa je kod ureÿaja konstantnog napona tj. ravne U-I karakteristike (sl. 3.3). Radna taþka O1 nalazi se u preseku strujno-naponske karakteristike izvora U = f (I) i karakteristike luka Ul = f (I); koordinate radne taþke su: nominalna vrednost struje zavarivanja I1, napon U1, pri dužini luka l1. Kada se luk, iz bilo kojih razloga, skrati na dužinu l2 (npr. zbog prelaska preko pripoja), radna taþka se pomera u O2, tj. jaþina struje raste za ΔI, a napon opada za ΔU. Poveüana struja ubrzava topljenje elektrodne žice, pa se dužina luka poveüava do poþetne vrednosti, a parametri zavarivanja se vraüaju na nominalne vrednosti. U U=
Ul = f ( I ) U1 U2
Δl
U1
l1 l2
O2
U2
O1 ΔU
I2
Slika 3.3 Samoregulacija dužine luka
I
v=f
( U2
O2
)
l1 l2
Δv v2
ΔI I1
I)
Ul = f ( I )
U=f(I) O1 ΔU
f(
Δl
U
v1 ΔI
I
Slika 3.4 Regulacija na osnovu promenljive brzine dovoÿenja žice
2
Drugi sistem regulisanja (sl. 3.4) se zasniva na promeni napona koja nastaje zbog variranja dužine luka usled neravnomerne podloge. Svaka promena dužine luka dovodi do promene indukovane struje u dodatnom namotaju pogonskog elektromotora, a time i njegovog broja obrtaja, odnosno brzine dovoÿenja žice. Kao i u prethodnom sistemu regulacije, energetski parametri zavarivanja I i U, mogu se promeniti od taþke O1 do O2 zbog spoljašnjih faktora. Ako se npr. dužina luka smanji sa l1 na l2, tada brzina dovoÿenja žice, data pravom v=f (U2), opada od v1 do v2 za veliþinu Δv. Zbog toga dužina luka raste za Δl, a energetski parametri se vraüaju na nominalne vrednosti. Ovaj sistem regulacije se primenjuje za izvore koji daju konstantnu struju (sl. 3.4). Kod savremenih zavarivaþkih automata moguüa je regulacija na oba naþina, jednostavnim prebacivanjem prekidaþa u odgovarajuüi položaj, sve zavisno od strujno-naponske karakteristike izvora napajanja. Zavarivaþki automati zahtevaju veoma precizno voÿenje, pa se stoga zahteva posebno održavanje, naroþito voÿica elektrodne žice i drugih kliznih površina.
3.3 Dodatni materijali za zavarivanje pod prahom U dodatne materijale spadaju metalne elektrode (žice, trake, punjene žice) i prah. Žice za zavarivanje pod prahom niskougljeniþnih i niskolegiranih þelika, prema standardu JUS C.H3.052 mogu biti preþnika: 0.8; 1.0; 1.6; 2; 2.5; 3.0; 4.0; 5; 6; 8; 10 i 12 mm. U veüini sluþajeva nije dobro primeniti dodatni materijal istog sastava kao osnovni, jer treba uzeti u obzir sagorevanje nekih legirajuüih elemenata i metalurške reakcije izmeÿu troske i rastopljenog metala. Buduüi da je sve te gubitke ili deponovane sastojke iz praha, teško koliþinski proceniti, preporuþuje se precizno održavanje režima zavarivanja. Ipak se, kontrola sastava metala šava najlakše ostvaruje primenom punjenih žica. To su, u stvari trake od niskougljeniþnog þeliþnog lima savijene u obliku cevþice napunjene sprašenim ferolegurama i drugim legirnim elementima. Površine žica ne smeju biti korodirane niti zamašüene, jer se mogu pojaviti mehurovi u šavu. Prah za EPP-postupak ima dvojaku ulogu - operativnu i metaluršku: - štiti rastop od gasova iz vazduha, - poveüava stabilnost elektriþnog luka, - olakšava oblikovanje zavara, - metalurški deluje na hemijski sastav metala šava, - smanjuje brzinu hlaÿenja šava i ZUT-a. Glavni sastojci praha su: oksidi baziþnog tipa CaO, MgO, MnO, K2O, Na2O, oksidi kiselog tipa SiO2, TiO2, ZrO2, amfoterni oksid Al2O3. Neke vrste praha sadrže i fluoride CaF2 i BaF2, a svaki prah neþistoüe S, P i okside železa. Kao sirovine za proizvodnju praha uglavnom se koriste: kvarcni pesak, kreþnjak, feromangan, magnezit (MgCO3), glinica (Al2O3), dolomit (CaCO3, MgCO3), fluorit. Sadržaj vodonika u metalu šava pri zavarivanju pod prahom zavisi od þistoüe žice i koliþine vlage u prahu. Za þistu žicu i sušen prah dobija se u šavu 5÷10 ml/100 g, a za prljavu žicu i nesušen prah, vodonika može biti 10÷30 ml/100g. Prema naþinu proizvodnje prah za EPP zavarivanje može biti: topljeni (T), aglomerisani (keramiþki) (A), sinterovani (S) i mešani (M). U hemijskom pogledu prah može biti baziþan i kiseli. Stepen baziþnosti odreÿuje se po izrazu:
1 CaO + MgO + CaF 2 + K 2 O + Na 2 O + ⋅ (MnO + FeO ) 2 B= 1 SiO 2 + ⋅ ( Al 2 O3 + TiO 2 + ZrO 2 ) 2
(3.1)
pri þemu je za B > 1 prah baziþan, a za B < 1 kiseo. Kisele vrste praha primenjuju se za zavarivanje niskougljeniþnih þelika, a baziþne za zavarivanje vatrootpornih i hemijski postojanih þelika. Indeks B=1 odgovara neutralnom prahu.
3.4 Tehnologija zavarivanja pod prahom Izbor optimalnih parametara zavarivanja i dodatnih materijala za EPP zavarivanje znatno je teži nego kod REL-zavarivanja. Pre svega, mnogo je veüi broj promenljivih veliþina koje utiþu na proces zavarivanja pod 3
prahom, a osim toga znatno su veüi i rasponi energetskih parametara: struje zavarivanja od 100÷2000 A, napona 20÷50 V, brzine zavarivanja 10÷200 m/h. Može se primeniti kako jednosmerna struja (E+ ili E-) tako i naizmeniþna struja, razliþit dodatni materijal, razliþite dužine luka, razne vrste zaštitnog praha po sastavu, granulaciji, debljini sloja i sl. Na osnovne elemente šava: dubinu uvarivanja, širinu, nadvišenje, najviše utiþu: jaþina struje, radni napon, brzina zavarivanja, nagib zavarivanih delova, prepust elektrode, vrsta i debljina sloja praška i dr. Žlebovi za EPP zavarivanje treba da spreþe isticanje teþnog metala, naroþito pri izvoÿenju prvog, tj. korenog zavara. Jednoprolazne suþeone spojeve najbolje je izvoditi sa bakarnim ili keramiþkim podmetaþem na korenoj strani, ili na þeliþnom podmetaþu u sluþajevima kada on može ostati u spoju i posle zavarivanja (trajan podmetaþ). Pri izradi velikih cilindara od savijenih limova, koreni zavar se þesto polaže ruþnim postupcima elektroluþnog zavarivanja (REL, TIG), a ostali zavari, automatski pod prahom. S obzirom na znatno veüu jaþinu struje zavarivanja nego kod REL-postupka, postiže se veüe uvarivanje a time i moguünost dvostranog zavarivanja u I-žlebu i do 16 mm debljine. Svaka promena parametara zavarivanja uslovljava i drukþiji toplotni bilans izmeÿu osnovnog materijala, elektrodne žice i troske, odnosno praha. To dalje menja oblik i dimenzije metalnog kupatila, uslove oþvršüavanja (kristalizacije), strukturu i najzad osobine šava pa i zavarenog spoja u celini. Nepoželjna je prevelika zapremina kupatila jer se time poveüava sklonost ka toplim naprslinama, grubozrnastoj dendritnoj strukturi šava, porastu zrna u ZUT-u; to je praüeno odgovarajuüim padom plastiþnosti metala šava i prelazne zone. Ukratko, za izbor parametara zavarivanja pod prahom potreban je struþnjak visoke kvalifikacije, dok samo izvoÿenje šavova gotovo ne zavisi od ljudskog faktora i spoljnih okolnosti. Pre poþetka proizvodnje moraju se izvršiti brojna ispitivanja kojima se uzimaju u obzir razliþite vrednosti nekolikih þinilaca. Tek posle ispitivanja izvedenih spojeva (metalografskim, mehaniþkim, radiografskim i drugim metodama), usvaja se tehnologija, koja u datim uslovima daje najbolje rezultate, jer automat ne može da se prilagodi promenjenim radnim uslovima kao što to može þovek. Priprema za proizvodnju treba da obuhvati i pozicioniranje i oslanjanje zavarivanih delova (pomoüu tzv. pozicionera), kao i postavljanje posebnih ploþa za poþetno i završno zavarivanje (vidi reþnik termina, prilog E, priruþnik Tehnologija zavarivanja). Iako se u odgovarajuüoj literaturi* mogu naüi detaljni tehnološki podaci potrebni za izvoÿenje EPPpostupka, ovde se daje samo jedan primer za jednoprolazno zavarivanje (tab.3.1) da bi se istakla razlika u odnosu na druge postupke zavarivanja topljenjem. Za veüe debljine koristi se višeprolazno zavarivanje. Tablica 3.1 Proizvodne pripreme i parametri jednoprolaznog EPP-zavarivanja ugljeniþnih þelika
1)
Zavarivaþki prah Jaþina struje1)
Debljina lima
Razmak u korenu
Napon luka
Brzina zavariv.
s, mm
s1, mm
Preþnik, mm
kg/m (približno)
kg/m (približno)
A
V
m/min
1.6
0
2.4
0.03
0.03
250÷350
22÷24
2.54÷3.81
2.0
0
2.4
0.03
0.03
325÷400
24÷26
2.54÷3.81
2.8
0
2.4
0.05
0.05
350÷425
24÷26
1.91÷2.54
3.7
0÷1.6
2.4
0.08
0.09
400÷475
24÷27
1.27÷2.03
4.7
0÷1.6
3.2
0.10
0.09
500÷600
25÷27
1.02÷1.78
5.8
0÷1.6
3.2
0.15÷0.19
0.13
575÷650
25÷27
0.89÷1.14
6.4
0÷2.4
4.0
0.21÷0.34
0.18÷0.30
750÷850
27÷29
0.76÷0.89
8.0
0÷2.4
4.8
0.37÷0.45
0.31÷0.39
800÷900
26÷30
0.66÷0.74
Žica za zavarivanje
- Može se koristiti i naizmeniþna struja, ali se za veüe brzine zavarivanja preporuþuje jednosmerna struja obrnutog polariteta (E+)
*
Videti, na primer: Veštine i tehnologija zavarivanja, Dave Smith, New Jork, 1984., prevod na srpski, dr Ratko Luþiü, Beograd 1994.
4
Kada se ne raspolaže potrebnim podacima može se približno odrediti najvažniji parametar EPP zavarivanja - jaþina struje, na osnovu dozvoljene vrednosti njene gustine (tab.3.2) za dati preþnik elektrodne žice. Tablica 3.2 Dozvoljene vrednosti gustine struje pri EPP zavarivanju Preþnik elektrode d , mm
2
3.25
4
5
Dozvoljena gustina struje J , A/mm2
50÷150
35÷75
30÷50
25÷40
5
3. OPREMA, TEHNIýKI GASOVI I PRAKTIýNA PRIMENA TIG, MAG I MIG POSTUPKA ZAVARIVANJA – vežba br. 3 (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) 3.1 Osnovi zavarivanja u zaštitnim gasovima Kao zaštitni gasovi primenjuju se argon, helijum (u Americi), CO2, i mešavina gasova (CO2 + Ar; Ar + CO2 + O2; Ar + H2 ; Ar + N2). Prednost u odnosu na REL jeste moguünost mehanizacije, automatizacije i robotizacije. Štaviše, prva primena industrijskih robota poþela je u oblasti MAG-zavarivanja. Svi postupci zavarivanja u zaštitnim gasovima svrstavaju se u elektroluþne, a navedeni gasovi dovode se u zonu spoja da zaštite metalno kupatilo, kapljicu dodatnog materijala i zavar od štetnog delovanja gasova iz vazduha. U zavisnosti od vrste elektrode ili elektrodne žice kao i primenjenog zaštitnog gasa razlikuju se: TIG, MAG i MIG - zavarivanje (sl. 3.1). ELEKTROLUýNO ZAVARIVANJE U ZAŠTITI GASA
VRSTA ELEKTRODE
ZAŠTITNI GAS
TOPLJIVA
NETOPLJIVA
INERTAN
ELEKTRODNA ŽICA
VOLFRAMSKA ELEKTRODA
Ar , He
AKTIVAN
CO2 ILI SMEŠA GASOVA
TIG MAG
MIG
Slika 3.1 Postupci zavarivanja u zaštitnoj atmosferi
3.1.1 Argonsko zavarivanje TIG (WIG) Naziv TIG je skraüenica od Tungsten-Inertan gas, prema nazivu za volfram u anglosaksonskim zemljama. Specifiþnost ovog postupka jeste u tome što se elektriþni luk održava izmeÿu netopljive volframske elektrode i osnovnog materijala (sl. 3.2). Rubni šavovi dobijaju se stapanjem posuvraüenih stranica zavarivanih limova, a ostali šavovi uz pomoü dodatnog materijala (šipke, s ≤ 6 mm). TIG se može mehanizovati pomoüu posebnih automata za dovoÿenje dodatne žice preþnika do 2.5 mm. Volframska elektroda
Argon
Dodatni materijal
G
Slika 3.2 Shema TIG zavarivanja
1
Argonski se spajaju svi zavarljivi metali, ali se zbog visoke cene TIG-om najviše zavaruju visokolegirani þelici, neželezni metali i njihove legure, a naroþito aluminijum i njegove legure (katodno þišüenje Al2 O3). Elektriþni luk se kod savremenih ureÿaja uspostavlja pomoüu visokofrekventnih jonizatora, tj. posebnog izvora struje visokog napona. Luk se može uspostaviti i dodirom vrha elektrode i osnovnog materijala, ali se time prlja elektroda i ubrzava njeno trošenje. Osnovne karakteristike argonskog zavarivanja su: • zavarivanje je moguüe u svim položajima za debljine do 10 mm, • parametri zavarivanja su: jaþina struje I = 10÷600 A; napon luka U = 10÷30 V; • brzina zavarivanja vz = 6÷50 m/h i više, • struja zavarivanja: jednosmerna direktnog polariteta* za þelik i naizmeniþna za Al i njegove legure, • spoljna karakteristika izvora: strmopadajuüa (konstantna struja). Zaštitni gas argon isporuþuje se u þeliþnim bocama zapremine 40 l pod pritiskom 150÷200 bara. 3.1.1.a Tehnološki parametri zavarivanja TIG postupkom Netopljive elektrode za TIG zavarivanje izraÿuju se od þistog volframa, legure volframa i torijuma i legure volframa i cirkonijuma. Elektrode od þistog volframa se koriste prvenstveno za zavarivanje naizmeniþnom strujom, koja se primenjuje pri zavarivanju aluminijuma i njegovih legura. Elektrode legirane torijumom (0.5 do 2% Th) se mogu opteretiti jaþom strujom i time se smanjuje opasnost od delimiþnog topljenja vrha elektrode. Legirane elektrode se koriste za zavarivanje jednosmernom strujom negativnog polariteta (E-), mada mogu da rade i sa naizmeniþnom strujom dajuüi pri tome bolje poþetno i naknadno uspostavljanje luka. Elektrode legirane sa cirkonijumom (do 0.4% Zr) nalaze posebnu primenu pri zavarivanju naizmeniþnom strujom aluminijuma jer cirkonijum pomaže da se održi stabilan oblik vrha elektrode. Preþnici elektroda su standardizovani u rasponu od 0.25 do 6.4 mm (0.25; 0.51; 1.00; 1.6; 2.4; 3.2; 4.00; 4.8; 6.4) a elektrode se oznaþavaju posebnom bojom (zelena - od þistog volframa, žuta - sa 1% torijuma, crvena - sa 2% torijuma, plava - sa 0.5% torijuma i smeÿa - sa 0.4% cirkonijuma). Izvuþeni kraj elektrode odgovara približno preþniku mlaznice, a kraj je zašiljen najþešüe u obliku konusa. Kao zaštitni gas se koristi argon, helijum ili smeša argona i helijuma. Argon se više koristi kod nas i u Evropi, a helijum u Americi. Protok zaštitnih gasova se bira u zavisnosti od vrste i debljine zavarivanih delova, položaja zavarivanja, vrste spoja i tsl. Koliþina zaštitnog gasa pri TIG zavarivanju u zaštiti argona se kreüe u opsegu od 6.5 do 30 l/min odnosno nešto više kada je reþ o helijumu. Pri zavarivanju TIG postupkom najþešüe je u primeni jednosmerna struja direktnog polariteta (negativna elektroda E-) þime se ostvaruje uže kupatilo, veüa dubina uvarivanja i uža zona uticaja toplote. Zavarivanje jednosmernom strujom, sa negativnom elektrodom, primenjuje se za legirane þelike, nerÿajuüe þelike, titan i bakar (ali ne i za legure Cu koje sadrže Al). Jednosmerna struja pozitivne elektrode (E+) se primenjuje pri zavarivanju tankih limova od aluminijuma, magnezijuma, titana da bi se ostvario efekat katodnog þišüenja. Naizmeniþna struja se primenjuje pri zavarivanju aluminijuma, magnezijuma i nekih vatrootpornih metala. Pri TIG zavarivanju legura aluminijuma može se pojaviti poroznost metala šava. Tome je uzrok vlaga, površinski oksid Al2O3 i neþistoüe aluminijuma. Zato se traži þišüenje zone zavarivanja i okoline (oko 30 mm) strugaþem ("šaberom") ili metalnom þetkom. Dodatni materijal se bira u zavisnosti od osnovnog materijala i isporuþuje se u obliku žica i šipki pri ruþnom zavarivanju, ili namotan na koturu pri automatskom zavarivanju. Ponekad se kao dodatni materijal za TIG zavarivanje može koristiti i parþe ili traka uzeta iz osnovnog materijala. U principu dodatni materijal za TIG zavarivanje kao i tehnika zavarivanja se bira kao i pri gasnom zavarivanju. @ice moraju biti þiste kao i oprema kojom se zavaruje, bez tragova oksida, masti, ulja i sl. Ponekad se zahteva izvoÿenje operacije zavarivanja sa tzv. "belim rukavicama" (pri zavarivanju kosmiþke opreme, delova nuklearnih reaktora i tsl.). TIG zavarivanje je moguüe izvoditi u svim položajima. Tanji materijali se zavaruju bez posebne pripreme ivica izvoÿenjem tzv. prirubnih, ugaonih ili I spojeva, dok se u sluþaju veüe debljine, ivice posebno pripremaju sliþno kao i pri zavarivanju u zaštiti CO2. Najþešüe su korišüeni spojevi sa V *
direktan polaritet - negativna elektroda (E-)
2
žlebom za s= 3.2÷12.7 mm, odnosno X - žlebom za s > 12.7 mm. U tablicama 3.1, 3.2, 3.3 i 3.4 date su preporuke za izbor režima zavarivanja niskougljeniþnih i nerÿajuüih þelika, odnosno režimi zavarivanja aluminijuma jednosmernom i naizmeniþnom strujom. Tablica 3.1 Preporuke za izbor osnovnih parametara TIG zavarivanja niskougljeniþnih þelika Debljina Vrsta spoja materijala
Polaritet
Struja zavarivanja
Radni napon
Preþnik elektrode
Preþnik dodatnog materijala
Protok zaštitnog gasa
Rastojanje Veliþina mlaznice od mlaznice komada
mm
-
-
A
V
mm
mm
l/min
mm
mm
1.5÷3.2
I
E-
50÷100
12
2.4
1.6 ili 2.4
9.5
9.5
max 13
3.2÷6.5
V
E-
70÷120
12
2.4
2.4 ili 3.2
9.5
9.5
max 13
6.5÷13
X
E-
90÷150
12
2.4
2.4 ili 3.2
9.5
9.5
max 13
Tablica 3.2 Preporuke za izbor osnovnih parametara TIG zavarivanja nerÿajuüih þelika Debljina Vrsta spoja materijala
Polaritet
Struja zavarivanja,
Radni napon,
Preþnik elektrode,
Preþnik dodatnog materijala
Protok zaštitnog gasa
Veliþina Rastojanje mlaznice mlaznice od komada,
mm
-
-
A
V
mm
mm
l/min
mm
mm
1.5÷3.2
I
E-
50÷90
12
2.4
1.6 ili 2.4
9.5
9.5
max 13
3.2÷6.5
V
E-
70÷120
12
2.4
2.4 ili 3.2
9.5
9.5
max 13
6.5÷12
X
E-
100÷150
12
2.4
2.4 ili 3.2
9.5
9.5
max 13
Tablica 3.3 Preporuke za izbor osnovnih parametara TIG zavarivanja aluminijuma jednosmernom strujom pozitivnog polariteta
Radni napon
Preþnik elektrode
Protok zaštitnog gasa**
Brzina zavariv.
Preþnik dodatnog materijala
Broj prolaza
A
V
mm
l/min
m/min
mm
-
Prirubni spoj
10÷15
10
0.5
9.5÷23.7
1.32
bez
1
0.25÷0.51
I
15÷30
10
0.5
9.5÷23.7
1.32
0.5
1
0.51÷0.76
I
20÷50
10
0.5
9.5÷23.7
1.32
0.5
1
0.76÷0.81
I
65÷70
10
2.4
9.5÷23.7
1.32
0.5
1
0.86÷1.0
I
25÷65
10
1.2
9.5÷23.7
0.91
1.2
1
1.0÷1.3
I
35÷95
10
1.2
9.5÷23.7
0.61
1.2
1
1.3÷1.5
I
45÷120
10
1.6
9.5÷23.7
0.61
1.2
1
1.5÷1.8
I
55÷145
10
1.6
9.5÷23.7
0.61
1.6
1
1.8÷2.0
I
80÷175
10
1.6
9.5÷23.7
0.61
1.6
1
2.0÷2.3
I
90÷185
10
3.2
9.5÷23.7
0.61
3.2
1
2.3÷3.2
I
180÷200
12.5
3.2
9.5÷23.7
0.57
3.2
1
3.2÷6.4
I
230÷340
12.5
3.2
11.8÷28.3
0.51
4.8
1
6.4÷12.7
V
300÷450
13
4.0
11.8÷28.3
0.51
4.8
1
12.7÷19.1
V
300÷450
13
4.8
11.8÷28.3
0.15
6.4
3
19.1÷25.4
X
300÷450
10
4.8
11.8÷28.3
0.13
6.4
2
> 25.4
X
550÷570
10
6.4
18.8÷28.3
0.13
6.4
2
Debljina materijala
Vrsta spoja
Struja zavariv.*
mm
-
0.25
3
* Pri ruþnom izvoÿenju zavarivanja birati manje, a pri automatskom veüe vrednosti jaþine struje, ** Najbolje je ustanoviti optimalni protok probama.
Tablica 3.4 Preporuke za izbor osnovnih parametara TIG zavarivanja aluminijuma naizmeniþnom strujom Debljina Vrsta spoja Razmak u materijala korenu žleba
Položaj zavariv.*
Jaþina struje
Preþnik elektrode
Protok zaštitnog gasa
Brzina zavariv.
Preþnik dodatnog materijala
Broj prolaza
mm
-
mm
-
A
mm
l/min
m/min
mm
-
1.6
I I
1.6 1.6
H,V,HV O
70÷100
1.6÷2.4 1.6
9.5 12
0.20÷0.25 0.20÷0.25
2.4 2.4
1 1
I I I
2.4 2.4 2.4
H V,HV O
2.4÷3.2 2.4
3.2
0.20÷0.25
2.4÷3.2
901÷10
2.4÷3.2
9.5 9.5 12.0
0.20÷0.25
95÷110
0.20÷0.25
2.4÷3.2
1 1 1
I I I
3.2 2.4 2.4
H V,HV O
125150
3.2 3.2 3.2
9.5 9.5 12
0.25÷0.31 0.25
3.2÷4.0 3.2
1÷2
110÷140
0.25÷0.31
3.2÷4.0
1÷2
V(60°)
3.2 2.4 2.4 2.4
H V HV O
170÷190
4.0÷4.8 4.0 4.0 4.0
9.5 9.5 9.5 14
0.25÷0.31
4.0÷4.8 4.0 4.0 4.0
2 2 2 2
3.2 2.4 2.4 2.4
H V HV O
220÷275
4.8÷6.4 4.8
14 14 14 16.5
0.20÷0.25
4.8÷6.4 4.8
2 2
4.0÷4.8 4.8
2÷3 2
3.2 2.4 2.4 2.4 2.4 2.4
H H V V,HV,O HV O
315÷375
16.5 16.5 16.5 16.5 16.5 19
0.20÷0.25
4.8÷6.4
0.20÷0.25
4.8÷6.4 4.8 4.8 4.8 4.8
2 2 3 2 3 3
2.4
3.2
4.8
V(60°) V(90°) V(110°) 6.4
V(60°) V(60°) V(90°) V(110°)
9.5
V(60°) V(90°) V(60°) V(90°) V(60°) V(110°)
65÷75 95115
115÷140
160÷175 155÷170 165÷180
200÷240 190÷225 210÷250
4.0÷4.8 4.8
340÷380
6.4 6.4
260÷300
4.8÷6.4
240÷300
4.8÷6.4
240÷300
4.8÷6.4
260÷300
4.8÷6.4
0.25÷0.31 0.25÷0.31 0.25÷0.31
0.20÷0.25 0.20÷0.25 0.20÷0.25
0.20÷0.25 0.20÷0.25 0.20÷0.25 0.20÷0.25
1÷2
* H - horizontalni, V - vertikalni, HV - horizontalno-vertikalni, O - iznad glave
3.1.2 MAG (Metal-Aktivan Gas) ili CO2 - postupak zavarivanja Kod MAG - zavarivanja (sl. 3.3), elektrodna žica preþnika 0.8÷2.5 mm istovremeno je i dodatni materijal. Na visokoj temperaturi u luku, deo gasa CO2 se razlaže na CO i O2, što znaþi da je CO2 aktivan u toku procesa zavarivanja. Topljva elektrodna žica
CO2
Vodjica
G
Izvor jednosmerne struje
Mlaznica
4
Slika 3.3 Shema MAG zavarivanja
MAG (CO2) postupak se koristi za zavarivanje niskougljeniþnih i niskolegiranih þelika debljine 0.8÷30 mm. Luk se uspostavlja dodirom vrha elektrodne žice i osnovnog materijala. Osnovne karakteristike MAG postupka zavarivanja su: • zavarivanje je moguüe u svim položajima, • parametri zavarivanja: I = 40÷500 A; U = 16÷35 V; vz = 15÷60 m/h, • spoljna karakteristika izvora: ravna (pad 2 V na 100 A), • struja zavarivanja: jednosmerna obrnutog polariteta*. 3.1.2.a Tehnološki parametri zavarivanja u zaštiti CO2 Ovi se parametri pri izvoÿenju suþeonih spojeva u horizontalnom položaju i ugaonih spojeva u koritastom i horizontalno-vertikalnom položaju (JUS.CH3.011) mogu približno izraþunati na osnovu polaznih podataka kao što su vrsta spoja, preþnik elektrodne žice i oblik šava. Najpre se, zavisno od debljine zavarivanih delova i vrste spoja, biraju oblik i dimenzije žleba, prema podacima datim u tablici 3.5. Dalje se na osnovu podataka iz tablice 3.6 usvaja popreþni presek pojedinih zavara i odreÿuje ukupan broj prolaza. Pri tome treba imati u vidu sledeüe preporuke za izbor preþnika elektrodne žice (d) zavisno od debljine (s) zavarivanih delova u suþeonom spoju, odnosno od debljine šava (a) kod ugaonih spojeva (tab. 3.7 i tab. 3.8). U vezi sa debljinom ugaonih šavova treba se držati sledeüih preporuka (odnose se na sve metode elektroluþnog zavarivanja): za noseüi ugaoni šav njegova debljina mora biti najmanje 3 mm (amin = 3 mm), odnosno najviše amax = 0.7⋅ smin , gde je smin - najtanji deo u spoju. Ako se iz konstrukcionih razloga traži da bude amax > 5 mm, ugaoni šav treba izvesti sa dva ili više prolaza. Na osnovu usvojenog preseka odgovarajuüeg zavara (Az) može se izraþunati masa zavara (M) koja je potrebna da se popuni deo žleba dužine l = 1 cm :
M = ρ ⋅V = ρ ⋅ A z ⋅ l ,
g
(3.1)
gde je: ρ = 7.85 g/cm3 - gustina elektrodne žice V = Az ⋅ l - jedini þna zapremina zavara na dužini od 1 cm.
*
Obrnuti polaritet - pozitivna elektroda (E+)
5
Tablica 3.5 Priprema stranica za zavarivanje u zaštiti CO2 Dimenzije žleba Vrsta šava
b
α
mm
°
≤2
-
≤0.5
s+1
s÷1.5s
≤2
-
≤0.5
-
-
2÷3
-
≤0.8
-
-
3÷6
-
≤1
-
-
6÷12
-
1÷3
-
-
5÷20
30÷50
≤2
1.5÷2.5
-
3÷16
40÷55
≤2
1.5÷2.5
-
>1
-
≤2
-
-
1÷4
90
≤2
≤2
-
>4
60÷90
≤2
≤2
-
b
c
r
mm
r s
c
Rubni šav
s Popreþni presek žleba i šava
I - šav
Dvostrani I - šav
s
b
s
b α
b
s
c
V - šav
α
s
c
1/2 V- šav b
b
s
Ugaoni šav
b
s
α
c s
6
Tablica 3.6 Graniþni preseci pojedinih zavara Dopušteni presek zavara u mm2 za: Vrsta spoja
Suþeoni
Vrsta zavara
Položaj "a" za preþnik žice: d = 1.2 mm
d = 1.6 mm
11.0 6.25÷64.0 15.0÷64.0
11.0 15.0÷64.0 15.0÷64.0
Položaj "b"
Položaj "c"
Koreni zavar Zavari ispune Pokrivni zavar
Ugaoni Zavari popune Pokrivni zavar
d = 1.2 mm
d = 1.6 mm
d = 1.2 mm
d = 1.6 mm
6.25÷64.0 15.0÷64.0
15.0÷36.0 15.0÷64.0
6.25÷36.0 15.0÷36.0
15.0÷36.0 15.0÷36.0
Prema JUS CH3.011/82 razlikuju se položaji: a) horizontalan
b) koritast
c) horizontalno-vertikalan
Tablica 3.7 Izbor preþnika elektrodne žice - suþeoni spoj
s , mm
≤2
2÷20
10÷30
d , mm
0.8
1.2
1.6
Tablica 3.8 Izbor preþnika elektrodne žice - ugaoni spoj
a , mm
2
3
>3
d , mm
1.2
1.2
1.6
Koliþina pretopljene elektrodne žice u jedinici vremena (brzina topljenja u g/s) izraþunava se prema izrazima :
m1.2 = 0.64 + 011 . ⋅ M + 014 . ⋅M2 ,
(za žicu d = 1.2 mm)
(3.2)
m1.6 = 0.64 + 0.55 ⋅ M − 0.055 ⋅ M 2 ,
(za žicu d = 1.6 mm)
(3.3)
Tanki limovi debljine do 4 mm zavaruju se bez pripreme ivica u horizontalnom položaju (do 3 mm u ostalim položajima), a za limove veüih debljina izraÿuju se V, X i K - žlebovi, sliþno kao za REL zavarivanje. Uglovi otvora žlebova su 40÷50°, a zazor izmeÿu limova 0÷2.5 mm. Prethodno usvojene i izraþunate veliþine omoguüuju da se izraþuna brzina zavarivanja kao i brzina topljenja elektrodne žice. Brzina zavarivanja raþuna se po izrazu: 7
vz =
m ⋅ 6000 , Az ⋅ ρ
(3.4)
cm / min
gde je: m - masa deponovanog metala u g/s, Az - površina zavara u mm2, ρ - gustina dodatnog materijala u g/cm3. Brzina topljenja elektrodne žice (vt = 1.2÷25 m/min) raþuna se po izrazu: vt =
0.012732 ⋅ A z ⋅ v z d2
,
(3.5)
m / min
Broj prolaza može se odrediti na dva naþina: - prema iskustvenim podacima za razliþite debljine lima (tab.3.9): Tablica 3.9
s , mm
4÷8
6÷12
8÷15
15÷20
20÷30
n
2
3
6
8
12
- na osnovu površine popreþnog preseka žleba (A) i zavara (Az): n=
A Az
(3.6)
gde je: Az = 0.0625÷0.64 cm2 zavisno od preþnika žice, vrste žleba i dr. (tab.3.6). Najzad se izraþunavaju energetski parametri zavarivanja u zaštiti gasa CO2: • jaþina struje za elektrodnu žicu preþnika d = 1.2 mm, • jaþina struje za elektrodnu žicu preþnika d = 1.6 mm, • radni napon elektriþnog luka. Jaþina struje zavarivanja (I1.2 i I1.6) za preþnike žice d = 1.2 i d = 1.6 mm raþuna se prema sledeüim izrazima: I 1.2 = 308 ⋅ log Vt − 17 , I1.6 = 378 ⋅ logVt + 26 ,
A A
(3.7) (3.8)
Napon zavarivanja (radni napon): U = 14 + 0.05 ⋅ I ,
V
(3.9)
Na kraju treba napomenuti da se kod suþeonih spojeva usvajaju razliþiti preseci korenskog zavara, zavara ispune i pokrivnog zavara, ali tako da zbir njihovih popreþnih preseka bude nešto veüi od površine popreþnog preseka odgovarajuüeg žleba. S obzirom na to da se CO2 -postupak sve više primenjuje, i da u nekim oblastima potiskuje gasno zavarivanje, u literaturi se može naüi više razliþitih metoda za odreÿivanje osnovnih parametara zavarivanja. Tako se prema metodi W. Andersa proraþun tehnoloških parametara zavarivanja u zaštiti CO2 razlikuje od izloženog u sledeüem: Koliþina pretopljene elektrodne žice u jedinici vremena (brzina topljenja u g/s) izraþunava se prema izrazu:
m = 2.5 ⋅
Az ⋅ ρ , 500
g/ s
(3.10)
gde je: Az - usvojeni popreþni presek zavara u mm2, ρ - gustina materijala u g/cm3. Brzina zavarivanja raþuna se prema izrazu:
8
3600 ⋅ m , Az ⋅ ρ
vz =
(3.11)
m/ h
Brzina topljenja elektrodne žice:
v t = 649.1 ⋅
m , d2
(3.12)
m/ h
gde je: d - preþnik elektrodne žice u mm. Jaþina struje zavarivanja: I = 236 ⋅ m 0.737 ,
(3.13)
A
Napon zavarivanja (radni napon): U = 26.6 ⋅ m 0.26 ,
(3.14)
V
Pri proraþunu parametara zavarivanja po metodi W.Andersa treba pažljivo izabrati površinu popreþnog preseka zavara Az = Az (d, vrste zavara, položaja zavarivanja,...), proraþunati koliþinu pretopljene elektrodne žice m (mmax=2.5 g/s), jer svi ostali parametri su direktno zavisni od ovih veliþina. Pored pomenutih parametara zavarivanja, na kvalitet zavarenog spoja uti þu još: dužina izvuþenog (slobodnog) dela elektrodne žice, položaj žiþane elektrode (pištolja za zavarivanje) u odnosu na ravan spoja, udaljenost mlaznice za gas od površine radnog komada, vrsta zaštitnog gasa i njegova potrošnja, polaritet žiþane elektrode, položaj zavarivanja, promenljivi induktivitet i tsl. Proraþunati parametri zavarivanja služe kao polazni za izbor režima zavarivanja u zaštiti CO2. Isti se uporeÿuju sa iskustveno predloženim i eventualno vrši korekcija proraþuna pre izvoÿ enja procesa zavarivanja. Nakon ispitivanja izvedenih spojeva usvajaju se parametri koji daju najbolje rezultate. U tablicama 3.10 i 3.11 date su preporuke za izbor režima zavarivanja niskougljeniþnih i niskolegiranih konstrukcionih þelika. Tablica 3.10 Režimi poluautomatskog i automatskog zavarivanja suþeonih spojeva u zaštitnom gasu CO2 Debljina materijala
Zazor
Broj prolaza
Preþnik elektrodne žice
Struja zavariv.
Napon
Brzina zavariv.
Protok gasa
mm
mm
-
mm
A
V
m/h
l/min
0.6÷1.0
0.5÷0.8
1
0.5÷0.8
50÷60
18÷20
20÷25
6÷7
1.2÷2.0
0.8÷1.0
1÷2
0.8÷1.0
70÷100
18÷20
18÷24
10÷12
3÷5
1.6÷2.0
1÷2
1.6÷2.0
180÷200
28÷30
20÷22
14÷16
6÷8
1.8÷2.2
1÷2
2.0
250÷300
28÷30
18÷22
16÷18
8÷12
1.8÷2.2
2÷3
2.0
250÷300
28÷30
16÷20
18÷20
9
Tablica 3.11 Režimi automatskog i poluautomatskog zavarivanja ugaonih šavova u zaštitnom gasu CO2 Preþnik Debljina elektrodne materijala žice
Kateta šava
Broj prolaza
Struja zavarivanja
Napon
Brzina zavarivanja
Slobodni deo elektrode
Protok gasa
mm
mm
mm
n
A
V
m/h
mm
l/min
1.0÷1.3
0.5
1.0÷1.2
1
50÷60
18÷20
18÷20
8÷10
5÷6
1.0÷1.3
0.6
1.2÷2.0
1
60÷70
18÷20
18÷20
8÷10
5÷6
1.5÷2.0
0.8
1.2÷2.0
1
60÷75
18÷20
16÷18
8÷10
6÷8
1.5÷2.0
0.8
1.5÷3
1
70÷110
18÷20
16÷18
8÷10
6÷8
1.5÷3.0
1.2
2÷3
1
90÷130
20÷22
14÷16
10÷12
8÷10
3÷4
1.2
3÷4
1
120÷150
20÷22
16÷18
10÷12
8÷10
3÷4
1.6
3÷4
1
150÷180
28÷30
20÷22
16÷18
12÷14
5÷6
1.6
5÷6
1
230÷260
28÷30
26÷28
16÷18
16÷18
5÷6
2.0
5÷6
1
260÷300
28÷30
29÷31
20÷24
16÷18
7÷9
2.0
7÷9
1
300÷350
30÷32
20÷22
20÷24
18÷20
9÷11
2.0
9÷11
2
300÷350
30÷32
24÷26
20÷24
18÷20
11÷13
2.0
11÷13
3
300÷350
30÷32
24÷26
20÷24
18÷20
13÷15
2.0
13÷15
4
300÷350
30÷32
24÷26
20÷24
18÷20
3.1.3 MIG - zavarivanje (Metal - Inertan Gas)
MIG - postupak je sliþan MAG-u, s tim što se koristi drugi zaštitni gas - argon i drugaþiji pištolj. Najviše se primenjuje za zavarivanje legiranih þelika i neželeznih metala debljine do 20 mm, pomoüu žice preþnika 1÷2.5 mm. Osnovne karakteristike MIG postupka zavarivanja su: • zavarivanje je moguüe u svim položajima, • parametri zavarivanja: I = 150÷500 A; U = 20÷30 V; vz = 6÷90 m/h, • protok argona: q = 20 l/min, strujanje - laminarno, • spoljna karakteristika izvora: ravna (pad 2 V na 100 A), • struja zavarivanja: jednosmerna obrnutog polariteta. Ovde se daju kratke napomene pri zavarivanju nerÿ ajuüih þelika, aluminijuma, magnezijuma, bakra, nikla i njihovih legura MIG postupkom. Skoro sve vrste nerÿajuüih þelika mogu se uspešno zavarivati u zaštiti inertnih gasova. U primeni su svi naþini prenosa dodatnog metala (kratkospojeni, krupnokapljiþasti, pulsirajuüi i prenos u mlazu). Dodavanjem 3 do 5% kiseonika argonu, umanjuje se potrebna jaþina struje. Zavarivanje se izvodi poluautomatski ili automatski jednosmernom strujom obrnutog polariteta (žiþana elektroda vezana za + pol). Neophodno je primenjivati režime zavarivanja koji smanjuju udeo osnovnog metala u šavu i spajati þelike i dodatne metale sa minimalnim sadržajem odgovarajuüih primesa (fosfora, sumpora, olova, kalaja, bizmuta, kiseonika, vodonika). Potrebno je održavati što kraüi izvuþeni - slobodni deo žiþane elektrode i odabrati optimalnu brzinu zavarivanja i potrošnju zaštitnih gasova radi spreþavanja prodiranja vazduha u zonu istopljenog metala. MIG postupkom se uspešno zavaruju aluminijum i njegove legure iz sledeüih razloga: • nije potrebna upotreba topitelja,
10
• • • • •
primenom jednosmerne struje pozitivne elektrode (E+) dolazi do katodnog þišüenja (razaranja) oksidnog sloja na osnovnom metalu, omoguüuju se veüe brzine zavarivanja, uža je zona uticaja toplote, odnosno manje deformacije i relativno kratka obuka zavarivaþa. Zavaruju se uspešno materijali uglavnom deblji od 3 mm u svim položajima. Upotrebljava se najþešüe elektrodna žica preþnika 1.6 mm, a za materijale deblje od 8 mm treba primeniti još i predgrevanje. U tablici 3.12 daju se orijentacioni podaci za MIGs* zavarivanje aluminijuma. Kako pri zavarivanju aluminijuma i njegovih legura postoje odreÿ ene teškoüe, kao i pri zavarivanju drugih lakih legura to se treba pridržavati sledeüeg: • pre zavarivanja ukloniti slojeve oksida sa stranica žleba i ostalih površina na minimalnom rastojanju 30÷40 mm. Pre nanošenja sledeüeg sloja neophodno je oþistiti površinu prethodnog sloja, • þišüenje izvoditi iskljuþivo þetkom od nerÿajuüeg þelika ili odgovarajuüim strugaþem. Na površinama radnog komada ne smeju se praviti duboki zarezi jer oni mogu biti žarište korozije, • pripoje izvoditi prema propisanom redosledu i na odgovarajuüem rastojanju. Treba se na kraju podsetiti da je pre uvoÿ enja MIG - postupka zazavarivanje legura aluminijuma korišüen oksiacetilenski, REL i TIG - postupak. Teškoüe vezane za primenu gasnog i REL zavarivanja prevaziÿ ene su pronalaskom TIG - postupka, ali su ostali problemi teško pristupaþnih ugaonih šavova i nedovoljno koncentrisane toplote TIG-a za debele preseke. Gotovo sve su teškoüe prevaziÿ ene primenom MIG - postupka naroþito za izvoÿ enje ugaonih šavova koji þine znatan deo spojeva u zavarenim konstrukcijama.
Tablica 3.12 Orijentacioni podaci za MIGs zavarivanje aluminijuma Broj Debljina mm
Tip spoja
prolaza
Struja zavarivanja 1)
H
-
1)
V
1)
O
A -
-
Napomena
Brzina zavariv.
mm
m/min
1.6 1.6 1.6
0.8÷1.0 -
13 13 13
-
-
-
1)
H
1)
V
1)
O
l/min
(Temperatura predgrevanja)
3
suþeoni preklopni ugaoni
1 1 1
4
suþeoni preklopni ugaoni
1 1 1
160÷180 150÷160 140÷150 160÷180 150÷160 150 160÷180 150÷165 160
1.6 1.6 1.6
0.7÷1.0 -
14 14 14
20 20 20
20 20 20
-
5
suþeoni preklopni ugaoni
1 1 1
200÷220 160÷180 150÷170 200÷220 160÷180 165 200÷220 160÷180 165
1.6 1.6 1.6
0.6÷0.9 -
15 15 15
20 20 20
20 20 20
-
8
suþeoni preklopni ugaoni
2 1 1
280÷300 200÷230 200÷220 220 280÷320 220 220 220 300÷320
2.4 2.4 2.4
0.7÷0.9 -
17 17 17
25 25 25
25 25 25
150÷180°C
suþeoni preklopni ugaoni
2 2 2
350÷380
12
suþeoni preklopni ugaoni
20
140 140 140
Potrošnja argona
Preþnik elektrode
240 240 240
2.4 2.4 2.4
0.5÷0.7 -
20 20 20
25 25 25
25 25 25
200÷220°C
350÷380
240 240 240
2÷3
370÷390
250
250
2÷3
380÷400 380÷400 240÷270 380÷400 380÷400 240÷270
0.3÷0.4 -
20 20 20
25 25 25
25 25 25
250°C
2÷3
2.4 2.4 2.4
350÷380
1)
H, V, O - horizontalan, vertikalan i položaj zavarivanja iznad glave, respektivno.
*
zavarivanje u inertnom gasu topljivom žiþanom elektrodom, sa kratkospojenim prenosom dodatnog materijala (Short-Arc)
11
Magnezijum i njegove legure zavaruju se sliþnom tehnologijom kao aluminijum i njegove legure. Zavarljive legure bakra su uglavnom mesing i bronza kao i þist dezoksidisani bakar. Uspešno se zavaruju suþeoni i ugaoni spojevi sa prenosom dodatnog materijala u mlazu (MIGs) a posebno sa pulsirajuüim prenosom dodatnog materijala (MIGp). Metal debljine do 5 mm zavaruje se sa predgrevanjem do 350°C, a sa poveüanjem debljine temperatura predgrevanja se poveüava na 600 do 800°C. Temperaturu predgrevanja treba održavati približno konstantnom za vreme zavarivanja. Bakar i njegove legure pored zavarivanja u zaštiti argona, mogu se zavarivati i u smeši argona i azota (70 do 80% Ar + 20 do 30% N2), radi uštede argona i poveüanja produktivnosti. Najþešüe je u primeni elektrodna žica preþnika 1.6 mm i zavarivanje u nagnutom položaju pod uglom od 45°. ýist nikal i njegove legure zavaruju se obiþno u debljinama iznad 4 mm. U pogledu tehnologije zavarivanja, nikal i njegove legure su najbliži visokolegiranim austenitnim koroziono postojanim þelicima. Kao i u sluþaju zavarivanja aluminijuma i njegovih legura posebnu pažnju treba posvetiti þistoüi spoljnjih površina osnovnog i dodatnog materijala. Zona spoja mora biti metalno sjajna, oþišüena od neþistoüa i oksidnih skrama mehaniþkim ili hemijskim sredstvima. Najþešüe se primenjuju pulsirajuüi i kratkospojeni prenos dodatnog metala. U sluþaju navarivanja i reparature ošteüenih delova preporuþuju se nešto veüe vrednosti struje (20%) u odnosu na zavarivaþke radove. Oprema za MIG zavarivanje prikazana je na slici 3.4.
Slika 3.4 Oprema za MIG zavarivanje
Na kraju poglavlja o zavarivanju u zaštiti gasova topljivom elektrodnom žicom postupcima MIG/MAG (ili kako se oni þesto jedinstveno nazivaju GMA - Gas Metal Arc), treba istaüi da meÿu njima nema velike razlike jer su izvori struje i polaritet isti a u dodatnim žicama razlike su neznatne. Koji üe se zaštitni gas upotrebiti uslovljeno je metalurškim faktorima i potrebom da se kontroliše prštanje i oblik šava (sl. 3.5). U tom smislu þist argon se koristi pri zavarivanju neželeznih metala (uglavnom legura aluminijuma, bakra i njegovih legura) i legura nikla, mešavina Ar-CO2 za ugljeniþne i niskolegirane þelike (Ar-5% CO2 za tanje preseke i Ar-20% CO2 za deblje preseke), a argon sa dodatkom 1÷5% O2 za nerÿajuüe þelike. Ugljen-dioksid se samostalno upotrebljava za zavarivanje ugljeni þnih þelika kratko spojenim prenosom, odnosno pri zavarivanju strujom veüe jaþine prenosom u vidu krupnih kapljica. Svim postupcima zavarivanja u zaštiti gasa smetaju vazdušna strujanja (vetar, promaja), jer se može oduvati zaštitni gas i nastati poroznost i oksidni ukljuþci u metalu šava. Takoÿ e je neophodno laminarno strujanje gasa.
12
CO2
Ar - CO2
Slika 3.5 Uticaj zaštitnog gasa na prenos metala i penetraciju
13
IZVEŠTAJ O VEŽBI BR. 3 Naziv vežbe: Zavarivanje u zaštiti gasova (MAG/MIG, TIG) R. br.
1.
2.
Parametri zavarivanja – broj probe Postupak zavarivanja
1 MAG
2 MAG
3 TIG
Vrsta (oznaka)
ý0360
ý0360
Nerÿajuüi austenitni þelik
JUS
JUS
JUS
Dimenzije, mm
s= 3 mm
s= 5 mm
s= 2 mm
Vrsta (oznaka)
VAC 60
VAC 60
INOX 18/8/6
JUS C.H3.051/81
JUS C.H3.051/81
JUS C.H3.051/81
Ø 1 mm
Ø 1 mm
Ø 2 mm
140
200
85
__/E+
__/E+
__/E-
Osnovni materijal (OM)
Dodatni materijal (DM)
Standard
Standard Dimenzije, mm
3.
Jaþina struje, A
4.
Vrsta struje/polaritet
5.
Radni napon, V
23
24
12
6.
Brzina zavarivanja, cm/min
42
40
12
7.
Položaj zavarivanja (tehnika)
H - ulevo
H - udesno
H - ulevo
8.
Vrsta zaštitnog gasa
ugljen-dioksid
ugljen-dioksid
argon
9.
Protok zaštitnog gasa, lit/min
13
15
10
10.
Vrsta spoja
preklopni
ugaoni
preklopni
11.
Vrsta žleba (skica)
12.
Ocena kvaliteta izvedenog spoja
zadovoljava
zadovoljava
zadovoljava
13.
Napomena:
1
5. OCENA ZAVARLJIVOSTI UGLJENIýNIH, NISKOLEGIRANIH I VISOKOLEGIRANIH ýELIKA – vežba br. 4 (Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) Pod pojmom zavarljivost podrazumeva se kompleksno svojstvo vezano istovremeno za materijal, tehnologiju i konstrukciju koje omoguüava izvoÿenje zavarenog spoja traženih osobina. Koje se osobine traže zavisi od namene zavarenog spoja; u jednom sluþaju može se zahtevati ravnomernost mehaniþkih osobina, u drugom korozionih osobina, u treüem elektriþnih i tsl. S obzirom na kompleksnost pojma zavarljivosti, posebno se razmatraju metalurška zavarljivost u smislu pogodnosti materijala za zavarivanje, tehnološka zavarljivost u smislu moguünosti zavarivanja odreÿenim postupkom i konstrukciona zavarljivost u smislu pouzdanosti izvedenog spoja pa i podsklopova, sklopova i cele konstrukcije. Zbog specifiþnih uslova obrazovanja zavarenog spoja - brzih metalurških reakcija, delovanja sopstvenih napona i deformacija - u šavovima i zoni uticaja toplote (ZUT) mogu nastati razliþite greške. To su najþešüe naprsline, poroznost, ukljuþci troske, neprovarivanje (po stranicama i debljini) i zajedi. Štetan uticaj navedenih grešaka ocenjuje se prema koncentraciji napona, a ne prema umanjenju efektivnog popreþnog preseka. To dalje znaþi da se mogu dopustiti zaobljeni defekti tipa gasnih mehurova i ukljuþaka troske, a ne dopuštaju se naprsline, neprovari i drugi koncetratori napona. Zato su, za procenu sklonosti zavarenih spojeva ka najopasnijim greškama - naprslinama, razvijene raþunske metode, tehnološke probe i laboratorijska ispitivanja ukljuþujuüi i Mehaniku loma. Pri oceni globalne zavarljivosti, navedene metode se meÿusobno dopunjuju, jer je pojedinaþna procena nepouzdana.
5.1 Ocena zavarljivosti ugljeniþnih þelika Za zavarene konstrukcije ugljeniþni þelici se koriste u obliku limova, šipki, profila, cevi. Ovi þelici su namenjeni uglavnom za statiþka optereüenja i smatraju se dobro zavarljivim ako jaþina spoja odgovara jaþini osnovnog materijala, i ako nema naprslina u zoni spoja ni pada plastiþnosti u prelaznoj zoni. Dobro su zavarljivi niskougljeniþni (meki) þelici koji sadrže do 0.25% C, Mn ≤ 0.4%, Si ≤ 0.3% i neþistoüe P i S < 0.05%. Inaþe se hemijski elementi u þeliku smatraju legirajuüim ako je njihov sadržaj najmanje jednak vrednostima (%) datim u tablici 5.1. Tablica 5.1
Mo
V
Co
Ti
Al
W
Cr
Ni
Si
Mn
0.08
0.10
0.10
0.05
0.10
0.10
0.30
0.30
0.60
0.80
Kod ugljeniþnih þelika sa veüim sadržajem: C od 0.25%, Mn od 0.4% i Si od 0.3% zavarljivost se procenjuje prema ekvivalentnom ugljeniku:
CE = C +
Si Mn + , % 4 4
(5.1)
kojim se izražava poznata þinjenica da sa porastom sadržaja ugljenika i legirajuüih elemenata raste zakaljivost þelika i samim tim opada zavarljivost (raste sklonost ka hladnim naprslinama). Za ugljeniþne þelike koji još sadrže i Cr i Mo ispod graniþnog sadržaja za legirane elemente, raþuna se: CE = C +
Mn Cr Mo + + , 6 5 4
%
(5.2)
1
C, %
Buduüi da na sklonost ka hladnim naprslinama, pored CE, utiþe i brzina hlaÿenja, to se pri razmatranju zavarlji0.6 vosti mora uzeti u obzir i debljina zavarivanih delova. Delovi veüe debljine, pri istim ostalim uslovima, brže se hlade pa su C skloniji pojavi naprslina. Prema tome dobro su zavarljivi 0.4 ugljeniþni þelici ako im je CE < 0.45% i debljina s ≤ 25 mm, odnosno CE<0.41% za s > 25 mm. Delovi koji se po CE i "s" B ne uklapaju u ove granice smatraju se uslovno zavarljivim, 0.2 što znaþi da se traži predgrevanje na 100÷150°C. Pri oceni zavarljivosti pomoüu CE treba imati u vidu þinjenicu da je to A gruba procena jer se ne uzima u obzir naþin proizvodnje þeli0 0 100 200 300 ka, postupak i tehnologija zavarivanja i sl. Tako, na primer s, mm ako dva þelika imaju CE1= 0.66%, Al1= 0.057% i CE2= 0.62%, Al2= 0.001%, trebalo bi da prema % CE budu iste Slika 5.1 Dijagram za ocenu sklonosti ka naprslinama. Meÿutim, ta je sklonost kod prvog zavarljivosti nelegiranih þelika þelika umirenog sa aluminijumom samo 5÷10%, a kod drugog 90%. Za ocenu zavarljivosti ugljeniþnih þelika koristi se i dijagram prikazan na slici 5.1, koji zavisno od debljine i sadržaja ugljenika razvrstava þelike na: - A - zavarljive, - B - zavarljive sa predgrevanjem, - C - zavarljive sa predgrevanjem i naknadnom termiþkom obradom. Predgrevanjem se smanjuje brzina hlaÿenja, a time i tvrdoüa u ZUT-u. Sama po sebi visoka tvrdoüa nije štetna, ali kombinovana sa difundovanim vodonikom u ZUT-u i njegovim preobražajem u molekularni oblik, dovodi do hladnih naprslina.
5.2 Ocena zavarljivosti niskolegiranih þelika I kod ovih þelika ugljenik je osnovni hemijski element koji utiþe na zavarljivost, jer dovodi do zakaljivanja u ZUT-u kod feritnih þelika i obrazovanja karbida kod Cr-Mo þelika. Sadržaj ugljenika kod ovih þelika retko prelazi 0.25%, a legirajuüi elementi koji poboljšavaju korisne osobine þelika istovremeno pogoršavaju zavarljivost. Kod niskolegiranih þelika ekvivalentni ugljenik se izraþunava po formulama: CE = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + , 6 5 15
CE = C +
Mn Si Ni Cr Mo V + + + + + , 6 24 40 5 4 14
%
(5.3) %
(5.4)
Mn Ni Cr + Mo + V + + , % (5.5) 20 15 10 ýelici sa veüim vrednostima CE se mogu zakaliti u ZUT-u zbog delovanja temperaturskih ciklusa zavarivanja. Ako tvrdoüa preÿe izvesnu granicu, koja zavisi od sadržaja difundovanog vodonika pojaviüe se naprsline. Zato se graniþna tvrdoüa u ZUT-u vezuje za H2: (20)→350; (10÷20)→375; (5÷10)→400 i (1÷5) → 450. U zagradi je dat sadržaj H u ml na 100 g metala šava, a iza strelice data je tvrdoüa HV. Ako se usvoje najviše primenjivane rutilne elektrode, sa sadržajem vodonika u metalu šava od 20÷35 ml/100 g, onda je dopuštena tvrdoüa 350 HV. Primenom izraza dobijenog statistiþkom obradom eksperimentalnih rezultata HVmax = 1200⋅CE - 200, dobija se CE ≤ 0.45% kao granica dobre zavarljivosti i CE > 0.45% za uslovnu zavarljivost. Sadržaj difundovanog vodonika u metalu šava odreÿuje se odgovarajuüim probama, npr. glicerinskim testom (JUS C.H3.018). Taj se sadržaj, za razne postupke zavarivanja, nalazi u granicama datim u tablici 5.2. CE = C +
2
Tablica 5.2 Sadržaj vodonika u metalu šava
Naþin zavarivanja
Sadržaj vodonika u ml/100g
U smeši gasova, CO2 ili Ar - þista žica -prljava žica
2÷7 6÷12
Ruþno elektroluþno -baziþne sušene elektrode pri 400-500 °C - baziþne nesušene elektrode -baziþne elektrode sušene pri 100-150 °C -rutilne elektrode
3÷7 12÷20 6÷12 20÷35
Zavarivanje pod troskom -þista žica i sušeni prah -prljava žica i nesušeni prah
5÷10 10÷25
Kao što je veü napomenuto na brzinu hlaÿenja, pa i na pojavu naprslina, utiþe i debljina zavarivanih delova. Tako je npr. za isti osnovni materijal predgrejan do 200°C brzina hlaÿenja 5°C/s za debljinu od 12 mm, i 28°C/s za debljinu od 25 mm. Zbog toga je Seferijan uveo ukupni ekvivalentni ugljenik:
[C ] = [C] h + [C] s = [C ]h ⋅ (1 + 0.005 ⋅ s)
(5.6)
gde je: Mn + Cr Ni 7 ⋅ Mo + + , % ili po formuli (5.4 ) 9 18 90 s - debljina osnovnog materijala u mm. Za uslovno zavarljive þelike Seferijan preporuþuje predgrevanje do temperature:
[C ]h = C +
(5.7)
T p = 350 ⋅ [C ] − 0.25, $ C
(5.8)
Za ocenu zavarljivosti niskolegiranih þelika primenjuje se i metoda BWRA koja polazi od hemijskog sastava þelika (CE), faktora oblika spoja (BTS) i parametara REL-zavarivanja rutilnim ili baziþnim elektrodama (preko razliþitih preþnika elektroda). a) CE se izraþunava po formuli (5.5). b) Izraþunatoj vrednosti CE, zavisno od tipa obloge, pridodaje se pokazatelj zavarljivosti (A, B, C, D, E, F, G) (tab. 5.3). Tablica 5.3 Pokazatelji zavarljivosti
Ekvivalentni ugljenik CE = C + Mn + Ni + Cr + Mo +V , % 20
Za zavarivanje rutilnom elektrodom
15
10
Za zavarivanje baziþnom elektrodom
do CE = 0.20
do CE = 0.25
0.21÷0.23
0.26÷0.30
0.24÷0.27 0.28÷0.32
0.31÷0.35 0.36÷0.40
0.33÷0.38
0.41÷0.45
0.39÷0.45 veüe od 0.45
0.46÷0.50 veüe od 0.50
Pokazatelj zavarljivosti A B C D E F G
3
c) Uticaj oblika zavarenog spoja i debljine delova u spoju na brzinu odvoÿenja toplote, izražava se Brojem Termiþke Strogosti BTS (ili na engleskom T.S.N. - Thermal Severity Number): BTS =
s · 1 § s1 s2 ⋅ ¨ + + + n ¸ ⋅ BTS 2 −4 n ©6 6 6¹
(5.9)
gde je: BTS2-4 - broj smerova odvoÿenja toplote (BTS2-4 = 2 - za dvosmerno odvoÿenje toplote, BTS2-4 = 3 - za trosmerno odvoÿenje toplote, BTS2-4 = 4 - za þetvorosmerno odvoÿenje toplote), s1, s2, … sn - debljina delova u zavarenom spoju (baza s = 6 mm) u mm, n - broj delova u zavarenom spoju. Broj BTS za razne vrste spojeva prikazan je u tablici 5.4.
d) Na osnovu BTS, pokazatelja (indeksa) zavarljivosti (A, B, C, D, E, F, G) i preþnika elektrode (3.25, 4, 5, 6 i 8 mm), odreÿuje se temperatura predgrevanja (tab. 5.5). U grupu niskolegiranih þelika spadaju i samozakaljivi þelici koji se zavaruju austenitnim elektrodama i pri tome dobijaju tzv. heterogeni spojevi. Ovakvom þeliku npr. odgovara hemijski sastav: (0.25÷0.30)C; 0.7Mn; 0.30Si; (2.5÷3.5)Ni; 1.0Cr; (0.2÷0.3)Mo (%) a elektroda 18Cr-8Ni (C < 0.1%), pa se dobijaju tzv. heterogeni spojevi. Pri zavarivanju se pojavljuju neke teškoüe usled: •
sklonosti austenitnog dodatnog materijala ka toplim naprslinama pri hlaÿenju oko solidus temperature, (vidi sl. 5.5),
•
difuzije elemenata iz osnovnog materijala, posebno ugljenika ka granicama rastapanja i obrazovanja krtih karbida, jer je sadržaj C u osnovnom materijalu znatno veüi nego u šavu. Sklonost ka toplim naprslinama umanjuje se pogodnim izborom dodatnog materijala, koji posle zavarivanja daje dvofaznu austenitno - feritnu strukturu šava. Opiti su pokazali da þelici koji u metalu šava sadrže 4÷7% δ-ferita, nisu skloni ka toplim naprslinama. Veüi sadržaji ferita nisu poželjni jer utiþu na smanjenje plastiþnosti austenitnog šava. Za izbor austenitne elektrode, koja posle topljenja i mešanja sa osnovnim materijalom, daje šav traženog sastava koristi se Šeflerov dijagram (sl. 5.2). U tom cilju najpre se izraþunavaju ekvivalenti nikla (Ni) i hroma (Cr) prema poznatom hemijskom sastavu zavarivanog materijala. Za veü navedeni pancirni þelik odgovara:
( Ni ) = Ni + 30 ⋅ C + 0.5 ⋅ Mn = 10.4 ,
(γ1 - geni elementi)
(5.10a)
(Cr ) = Cr + Mo + 15. ⋅ Si + 0.5 ⋅ Nb = 1.7 ,
(α** - geni elementi)
(5.10b)
odnosno taþka "X" þisto martenzitne strukture u Šeflerovom dijagramu (sl. 5.2).
γ - geni elementi su: C, Mn, Ni, Cu, N. α - geni elementi su: Cr, Mo, V, W, Si, Al, Ti, Nb (detaljnije vidi udžbenik: Mašinski materijali, Mašinski fakultet u Kragujevcu, 2003., autora M. Jovanoviü i dr.). 1
**
4
Tablica 5.4 BTS za razne vrste spojeva
Vrsta spoja
s2
6i6
2
6 i 12
3
6 i 18
4
12 i 12
4
24 i 24
8
24 i 48
12
6i6
3
12 i 12
6
24 i 24
12
6i6
4
12 i 12
8
24 i 24
16
6 + 12 + 12 + 12
7
s2
BTS
s2
s1
s1
s1
Dva smera odvoÿenja toplote
Debljina lima, mm
s2
s1
Tri smera odvoÿenja toplote
s2
s1
ýetiri smera odvoÿenja toplote
s2
s4
s1
s3
5
Tablica 5.5 Temperatura predgrevanja Broj termiþke strogosti (BTS) 2
3
4
6
8
12
16
24
Minimalna temperatura predgrevanja zavarivanih komada Preþnik elektroda u mm
Pokazatelj zavarljivosti
3.25
4
5
6
8
°C
°C
°C
°C
°C
D
0
E
50
0
F
125
25
C
0
D
75
E
100
25
0
F
150
100
25
0
C
50
D
100
E
125
75
0
F
175
125
75
25 0
B
50
C
100
25
D
150
100
25
E
175
125
75
0
F
225
175
125
75
A
25
B
75
0
25
C
125
75
25
D
175
125
75
E
200
150
125
50
25
F
225
200
175
125
50
A
75
25
B
125
75
0
25
C
150
125
75
0
D
200
175
125
75
E
225
200
175
100
50
F
250
225
200
150
125
A
75
25
0
B
125
75
50
0
0
C
175
150
125
50
25
D
200
175
175
125
50
E
225
200
200
150
100
F
250
250
225
200
150
A
75
25
0
B
125
75
50
25
C
175
150
125
75
25
D
200
175
175
125
100
E
225
200
200
175
150
F
250
250
225
200
200
6
Struktura metala šava ne zavisi samo od sastava osnovnog i dodatnog materijala veü i od stepena mešanja. Taj stepen je uslovljen debljinom osnovnog materijala, tj. geometrijom žleba i naþinom i parametrima zavarivanja (vidi jednaþinu (2.29), priruþnik Tehnologija zavarivanja2). Mešanje materijala u šavu nije ravnomerno, jer je u korenu šava najveüi udeo osnovnog materijala, a u blizini lica šava preovlaÿuje udeo dodatnog materijala. Pri raþunskom odreÿivanju stepena mešanja ove se razlike zanemaruju, ali treba to imati u vidu i raþunati na veüu osetljivost ka toplim naprslinama u zonama sa manje δ-ferita. Dalje se, pri izboru sastava austenitne elektrode, povlaþe prave linije iz taþke "X" do taþke Y koja se nalazi u dvofaznom austenitno - feritnom podruþju. Pri tome taþki X odgovara stepen mešanja 100%, a u taþki Y stepen mešanja je 0%. Na sredini ove duži stepen mešanja je 50%, a ostali stepeni mešanja odgovaraju linearnoj podeli na duži XY. To znaþi da za konaþan izbor treba povuüi više pravih XY i na njima naneti izraþunati stepen mešanja, pa se odluþiti za onu austenitnu elektrodu koja daje šav sa 5÷10% δ- ferita. U primeru navedenom pri izraþunavanju (Ni) i (Cr) duži XY odgovara 0% δ - ferita pri stepenu mešanja od 22% i 5% δ - ferita pri stepenu mešanja od 10%. Drugim reþima, u ovom primeru dobra je elektroda þiji sastav odgovara ekvivalentima (Ni) = 14 i (Cr)= 23. 35
P
30
δ=
Q
0%
25
Ekvivalent nikla,
%
Austenit
δ=
20
22 42
15 70
X Martenzit Ferit + martenzit
5
40
50
30
20
60 Z Z' 50 40 30 20 10% O Y' 50 40 30 20 10% 15 27 55
δ=
Y
10%
% 20
Y''
00%
Austenit + martenzit + ferit
Martenzit + ferit
%
Austenit + ferit
60
10
10
δ=
Austenit + martenzit
5%
δ=1 N
Ferit
0 0
5
10
15
20
Ekvivalent hroma,
25
30
35
40
%
Slika 5.2 Primena Šeflerovog dijagrama za analizu zavarenih spojeva raznorodnih metala: niskolegirani þelik zavaren austenitnim elektrodama
5.3 Ocena zavarljivosti þelika povišene jaþine Savremene tendencije pri projektovanju zavarenih konstrukcija, naroþito u transportnoj tehnici su smanjenje težine, a poveüanje nosivosti. Kod prvih zavarenih konstrukcija primenjivani su þelici granice teþenja do 250 MPa, da bi se uvoÿenjem ugljeniþno-manganskih (C-Mn) þelika umirenih aluminijumom ta granica poveüala na 300÷360 MPa. Metalurško - mehaniþkim postupkom (mikrolegiranjem i normalizacijom, odnosno kontrolisanim valjanjem) ta granica je poveüana do približno 450 MPa, a patentiranjem (u Engleskoj) niskolegiranih bejnitnih þelika ona dostiže 550 MPa. Najzad, sa razvojem 2
M., Jovanoviü, D., Adamoviü, V., Laziü: Tehnologija zavarivanja - Priruþnik, samostalno izdanje, ID= 47239692, Kragujevac, 1996.
7
poboljšanih niskolegiranih þelika ta granica se poveüava do 700 MPa. Svi þelici sa granicom teþenja veüom od 360 MPa svrstavaju se u þelike povišene jaþine, a problemi njihove zavarljivosti moraju se za svaku grupu þelika posebno razmatrati. Ovde se daje samo podela i kratak opis ovih þelika i istiþu specifiþne teškoüe vezane za zavarivanje, izbor postupka i optimalne tehnologije. Razume se da je pre konaþnog izbora potrebno u skladu sa normativima (JUS EN 288) verifikovati predloženu tehnologiju. U literaturi se mogu naüi razliþiti naþini podele, zavisno od stepena razvoja i primene ovih þelika u pojedinim zemljama. Tako se npr. prema poljskim standardima oni dele na: C-Mn þelike, mikrolegirane þelike i niskolegirane þelike povišene jaþine. Prema þeškim standardima razlikuju se mikrolegirani feritno-perlitni þelici, bejnitni niskolegirani normalizovani i otpušteni þelici kao i niskolegirani poboljšani þelici. U Nemaþkim standardima ovi þelici su obuhvaüeni standardima DIN 17100 i DIN 17200. U našem standardu JUS C.B0.500 daje se pregled opštih konstrukcionih C-Mn þelika, dok standard JUS C.B0.502 ukljuþuje i mikrolegirane finozrne þelike povišene jaþine. Ostaje pitanje da li atribut finozrni treba dodati samo mikrolegiranim þelicima, buduüi da se gotovo svi þelici povišene jaþine odlikuju sitnozrnastom graÿom metalnih zrna. Podaci koji se daju u standardima nisu dovoljni za izbor optimalne tehnologije, jer se tu samo navodi potreba o eventualnom predgrevanju, a to se ne povezuje sa tehnološkim parametrima zavarivanja i traženim radnim osobinama konstrukcija. 5.3.1 Problemi zavarljivosti C-Mn þelika
Poveüanje svojstava otpornosti kod ovih perlitno-feritnih þelika nastaje usled porasta udela perlita u strukturi, ojaþanja ferita manganom* koji ulazi u þvrst rastvor α-gvožÿa i usitnjavanjem metalnih zrna. ýelici iz ove grupe isporuþuju se u razliþitim oblicima: šipke, profili i limovi, a namenjeni su za mostogradnju, hidrogradnju, graÿevinarstvo, rezervoare i sliþno. ýelici tipa C-Mn sa ekvivalentnim ugljenikom CE<0.45% i s<25 mm smatraju se dobro zavarljivim bez predgrevanja. Za veüe debljine, kao i pri zavarivanju na sniženim temperaturama neophodno je predgrevanje ili zavarivanje kratkim zavarima. Ekvivalentni ugljenik izraþunava se pomoüu izraza: CE = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + + , 6 5 15
%
(5.11)
Za zavarene konstrukcije kod kojih nema opasnosti od krtog loma preporuþuju se ý0370, ý0460 i ý0561, a za delove zavarenih konstrukcija izložene zatezanju primenjuju se ý0461 i ý0562, dok se za delove i konstrukcije kod kojih postoji opasnost od krtog loma u veüoj meri, preporuþuju visokovredni þelici ý0471 i ý0563. Primer þelika iz ove grupe dat je pod rednim brojem 5 u prilogu C-Atlas KHZ dijagrama, priruþnik Tehnologija zavarivanja. Pored navedenih þelika u pomenutim standardima daju se i drugi þelici sliþnih mehaniþkih osobina, ali sa manje ili više promenjenim hemijskim sastavom i posebnim namenama. Osnovni problem pri zavarivanju ovih þelika je sklonost ka hladnim naprslinama, jer se perlit iznad AC1 temperature transformiše u austenit koji pri brzom hlaÿenju zone uticaja toplote (ZUT-a) može preüi u martenzit. Zbog toga se pre zavarivanja mora primeniti potpuno ili lokalno predgrevanje, a zavarivanje se izvodi sa što veüom pogonskom energijom. Zavarivanje se izvodi iskljuþivo postupcima i tehnologijama koje se odlikuju niskim sadržajem difundovanog vodonika, što kod REL postupka odgovara korišüenju baziþnih sušenih elektroda. Za odreÿivanje temperature predgrevanja može se primeniti formula Seferijana ili dijagram na slici 5.3.
*
Mangan obrazuje supstitucijski ~vrst rastvor u feritu
8
ugaoni
s2
s2
suþeoni s1
s1
s3
o
0 C
Temperatura predgrevanja, oC
25 o C 50 C o
Preþnik elektrode d (mm) 6.0 5.0 4.0 3.25
100 oC 150 oC 200 oC
150
125
100
75
50
25
0
100
200
300
400
500
600
Zbirna debljina limova (s1+s2+s3) mm Dužina zavara izvedenog elektrodom dužine 450 mm
Slika 5.3 Dijagram za izbor temperature predgrevanja C-Mn þelika, REL postupkom, baziþnim elektrodama
Za praktiþnu primenu dijagrama prikazanog na slici 5.3 polazi se od tipa spoja i debljine lima kao i od odgovarajuüeg preþnika baziþne elektrode. Na osnovu tehnoloških parametara zavarivanja potrebno je usvojiti ili izraþunati dužinu zavara l. Za dužinu zavara preporuþuje se: l=200÷250 mm kod suþeonih i l=250÷300 mm kod ugaonih spojeva. Taþnije se ta dužina odreÿuje po formuli: 2 N 3 ⋅ k2 ⋅ q 2 l = 0.04 ⋅ , cm 2 (5.12) s 2 ⋅ v z ⋅ (Tw − T0 )
gde je: k2 - koeficijent neprekidnosti luka, (k2REL=0.6÷0.8), Tw=MS+50÷100 °C - dopuštena temperatura hlaÿenja, N3 - faktor oblika spoja, (za suþeone spojeve N3=1.5; za ugaone spojeve N3=0.9; za ugaoni šav u T - spoju N3=0.8), q=U⋅I⋅η, J/s - toplotni protok luka. Na primer, za suþeoni spoj debljine s=35 mm i preþnik elektrode za prvi prolaz d=4 mm, sa dijagrama se može oþitati Tp=100 °C. U cilju provere da li usvojeni tehnološki parametri zavarivanja daju traženu strukturu i mehaniþke osobine (optimalna žilavost i odgovarajuüa tvrdoüa) potrebno je izraþunati vreme hlaÿenja izmeÿu 800 i 500°C (t8/5) i uneti ga u dijagram kontinualnog hlaÿenja (KHZ) za dati þelik (vidi prilog C – Atlas KHZ dijagrama, priruþnik Tehnologija zavarivanja). 5.3.2 Problemi zavarljivosti mikrolegiranih (finozrnih-TM) þelika
Mikrolegirani þelici povišene jaþine upotrebljavaju se za cevovode visokog pritiska, sudove pod pritiskom, elemente drumskih vozila, železniþke vagone i cisterne za prevoz gasa, mostove, industrijske hale i dr. Za þelike ove grupe karakteristiþno je da sadržaj ugljenika iznosi manje od 0.2% i da se namerno dodaju male koliþine mikrolegirajuüih elementa (Nb, Ti, V, Al, Ta, Zr,) þiji zbirni sadržaj ne prelazi 0.2%. Mali dodaci ovih elemenata talože se kao karbidi, nitridi ili karbonitridi, a na poveüanje jaþine deluju dvojako: usitnjavanjem zrna i taloženjem i ojaþanjem þvrstog rastvora. Usitnjavanje zrna se postiže normalizacionim žarenjem ili kontrolisanim valjanjem i hlaÿenjem polufabrikata (TermoMehaniþki valjani þelici- TM þelici, debljine manje od 10 mm). Na zavarljivost mikrolegiranih þelika presudno utiþe sklonost ka pojavi hladnih naprslina, što zavisi od veliþine ekvivalentnog ugljenika, debljine i tipa spoja. Radi spreþavanja ovih naprslina potrebno je predgrevanje koje utiþe ne samo na obrazovanje tražene strukture ZUT-a veü i na sniženje zaostalih napona i koliþine difuznog vodonika iz šava u ZUT-u. Temperatura predgrevanja ovde se povezuje sa minimalnom vrednošüu meÿuslojne temperature i može se odrediti primenom dijagrama na slici 5.3 ili pomoüu poznatih parametarskih jednaþina (vidi taþku 5.7.1). Dužina zavara potrebna za primenu dijagrama (sl. 5.3) odreÿuje se prema jednaþini (5.12) gde je T w=60÷200°C tj. temperatura najverovatnije pojave hladnih naprslina. 9
ýelici iz ove grupe prema standardu JUS C.B0.502 u oznaci sadrže slovni simbol ýRO, ýRN i ýRV i broj koji predstavlja najmanju garantovanu granicu teþenja. Primer þelika iz ove grupe dat je pod rednim brojem 8 u Prilogu C priruþnika Tehnologija zavarivanja. Preliminarno se zavarljivost finozrnih mikrolegiranih þelika sa sadržajem (%) 0.1÷0.18 C; 1.0÷1.6 Mn i 0.025÷0.095 Nb može proceniti pomoüu sledeüe formule za ekvivalentni ugljenik:
CE = C +
Mn + 3 ⋅ Nb , 10
%
(5.13)
Sliþno se za finozrne þelike sa dodatkom vanadijuma i azota izraþunava: CE = C +
Mn V + + 3⋅ N , 10 3
%
(5.14)
ýelici kojima odgovara CE<0.35% mogu se zavarivati bez posebnih mera, dok se za þelike sa CE=0.35÷0.45% pri zavarivanju pod prahom i u zaštiti CO2 moraju preduzeti posebne mere. One se uglavnom odnose na povezivanje temperature predgrevanja sa pogonskom energijom i meÿuprolaznom temperaturom. 5.3.3 Problemi zavarljivosti niskolegiranih þelika povišene jaþine a) Bejnitni þelici
Ovi þelici predstavljaju dalju etapu u razvoju þelika povišene jaþine u odnosu na mikrolegirane. Najpre je u Engleskoj poþela proizvodnja ovog þelika pod nazivom FORTYWELD zaštiüenog britanskim patentom 611.598. Osnovni legirajuüi elementi su: Mo (0.5%) i B (≈ 0.003%) a sadržaj ugljenika je do 0.18%, pri nešto poveüanom sadržaju Mn i Si. Isporuþuju se u normalizaciono žarenom stanju ili normalizovanom i otpuštenom stanju. Kombinacijom 0.5% Mo + 0.003% B postiže se bejnitna struktura i pri veoma malim brzinama hlaÿenja (þak i pri hlaÿenju na vazduhu), a dodacima Mn, Cr snižava se temperatura bejnitne transformacije na 600÷300°C. Snižavanjem temperature bejnitne promene postiže se usitnjavanje metalnih zrna i veüa disperzija karbidnih þestica, što sve doprinosi poveüanju jaþine. Na taj se naþin posle normalizacije može dobiti granica teþenja ReH= 460÷600 MPa po celom preseku delova debljine do 100 mm. Primer za bejnitni þelik povišene jaþine dat je pod rednim brojem 23 u prilogu C priruþnika Tehnologija zavarivanja. Bejnitni þelici imaju široku primenu za izradu razliþitih þeliþnih konstrukcija kao što su: dizalice, železniþke platforme, transportne cisterne, graÿevinske mašine. Jedino se ne primenjuju za konstrukcije koje rade na niskim temperaturama. Osnovni problemi pri zavarivanju ovih þelika proistiþu iz njihove sklonosti ka hladnim prslinama i padu žilavosti u ZUT-u. Ovaj se problem može rešiti smanjenjem brzine hlaÿenja posle zavarivanja što se postiže predgrevanjem ili poveüanjem pogonske energije. b) Niskolegirani poboljšani þelici (Q+T - quenching + tempering) ýelici termiþki poboljšani primenjuju se za dizalice, železniþke platforme, železniþke cisterne, graÿevinske mašine, rezervoare za gorivo, mostove, brodsku opremu i sliþno. Najveüe vrednosti svojstava otpornosti mogu se kod ovih þelika postiüi kaljenjem na martenzitnu strukturu (ReH= 400÷800 MPa). Mada su niskougljeniþni (C<0.2%) dolazi do zakaljivanja i pri relativno sporom hlaÿenju. Klasiþan iz ove grupe je ameriþki þelik T1 koji sadrži u (%): 0.16 C; 0.9 Mn; 0.87 Ni; 0.5 Cr; 0.45 Mo; 0.06 V i 0.003 B. Presudnu ulogu na poveüanje jaþine ovde ima bor (B) koji doprinosi: usitnjavanju primarnih zrna, dezoksidaciji i denitriranju metalnog kupatila kao i velikom poveüanju prokaljivosti. Bitno je istaüi da bor u iznosu od 0.0015÷0.003% može zameniti 1.0÷1.25% Ni; 0.1÷0.25% Mo; 0.3÷0.35% Cr; 0.2÷0.7% Mn; 0.12% V i 1.6% Si. U mnogim zemljama danas se proizvode þelici koji su po hemijskom sastavu i mehaniþkim osobinama sliþni ameriþkom T1. Tako se npr. u Rusiji proizvodi þelik 15GSMFR, u Poljskoj 14HNMBCu, u ýeškoj 15.228, 15.227.6, 15.227.8, 16.224 a u Nemaþkoj St E 70. Primer þelika iz ove grupe dat je pod rednim brojem 24 u prilogu C napred navedenog priruþnika. Proizvodnja ovih þelika
10
veoma je skupa, pa je zato samo mali broj industrijskih zemalja uvrstio (Q+T) þelike u svoje proizvodne programe. Kaljenje i otpuštanje obavlja se u specijalnoj i skupoj tehnološkoj opremi. Kaljenje se izvodi mlazevima tekuüe vode sa temperature oko 900°C do temperature oko 300°C direktno posle toplog valjanja ili se limovi posle valjanja hlade do temperature okoline i naknadno zagrevaju radi kaljenja. Naknadno otpuštanje obavlja se u protoþnim peüima. Izvodi se pri temperaturama 500÷700°C oko 1 h i zatim hlaÿenjem na vazduhu. Pri temperaturi otpuštanja od 500°C dobija se tvrdoüa od 350 HV, ReH= 490 MPa i žilavost od 3.5 J, dok se pri temperaturi otpuštanja od 700°C postiže 230 HV, ReH= 320 MPa i žilavost 11 J. Veüina þelika izraÿena kaljenjem i otpuštanjem (Q+T-þelici) su finozrni þelici, to znaþi da se kale sa temperature pri kojoj su nastala sitna austenitna zrna. Na taj se naþin mogu dobiti þeliþni poluproizvodi velike jaþine i dobre zavarljivosti. Buduüi da su mehaniþke osobine niskolegiranih poboljšanih þelika dobijene optimalnom termiþkom obradom, jasno je da üe se te osobine pri zavarivanju menjati usled dejstva temperaturskih ciklusa zavarivanja. Zbog toga, pri izboru termiþkog režima zavarivanja nije dovoljno da se uzme u obzir samo hemijski sastav, veü i þinjenica da su korisne osobine postignute i termiþkom obradom poboljšanja. Iz ovog razloga se mora za svaki þelik ove klase definisati opseg variranja brzine hlaÿenja , odakle proizilaze i graniþne vrednosti pogonske energije, kao i vreme zadržavanja ZUT-a iznad AC3-temperature. Donja graniþna vrednost pogonske energije odreÿuje se iz uslova da se spreþe hladne prsline, a njena maksimalna vrednost kao i vreme zadržavanja iznad AC3 iz uslova da se svede na najmanju meru pad jaþine u delu ZUT-a (vidi poglavlje 5.6). Za razliku od drugih zavarljivih konstrukcionih þelika kod Q+T-þelika, bolji se rezultati postižu primenom tehnologija sa nižim pogonskim energijama kao što su REL i zavarivanje u zaštiti gasova. Naroþito za ove þelike važi preporuka da se tehnologija zavarivanja propisuje povezano sa traženim izlaznim karakteristikama zavarenog spoja. Prema literaturnim podacima potrebno je da ql bude u granicama 8÷12 kJ/cm pri REL - zavarivanju i 13 do 30 kJ/cm za EPP postupak. Pošto su varijacije ql manje ili više ograniþene, jedini naþin da se spreþi pojava hladnih naprslina jeste predgrevanje, održavanje meÿuprolazne temperature i ponekad dogrevanje. Bitna je širina pojasa kod lokalnog predgrevanja, jer i to utiþe na brzinu hlaÿenja do 300°C, kao i na difuziju vodonika iz šava u ZUT. Ovo se naroþito odnosi na prvi, tj. koreni zavar za koji je sklonost ka naprslinama najveüa. Na kraju ovog poglavlja dati su u tablici 5.6 karakteristiþni primeri þelika povišene jaþine iz svih navedenih grupa, njihove oznake, mesto proizvodnje i mehaniþke karakteristike. Tablica 5.6 Visokovredni konstrukcioni þelici
Vrsta þelika
JUS-
PN-
DIN-
GOST-
standard
standard
standard
standard
Ugljeniþno- manganski
ý 0563
18G2A
St 52-3
Mikrolegirani finozrni
ýRV 500
18G2AV
Niskole- Bejnitni
-
girani
Poboljš.
Mehaniþke osobine Rm,
ReH,
A,
KV,
MPa
MPa
%
J
15G
510÷680
315÷355
min 16÷18
min 27
St E 47
16G2AF
610÷770
470÷500
min 16
31÷47
15HNMBA
-
14H2GMR
740÷980
620÷690
min 15
-
14HNMBCu
St E 70
15GSMFR
780÷930
630÷690
min 15
-
5.4 Zavarljivost hrom-molibdenovih þelika ýelici Cr-Mo se najviše primenjuju u energetskoj industriji, petrohemiji i avionskoj industriji. Obiþno sadrže (0.10÷0.20)% C, (0.30÷0.60)% Mn, (0.10÷0.50)% Si, (0.70÷10)% Cr, (0.45÷1.1)% Mo i S i P ≤ 0.03%. S obzirom na zavarljivost posebno se razmatraju þelici tipa: 0.5Cr-0.5Mo; 1.25Cr-0.5Mo; 2.25Cr-1Mo; 4÷6Cr-0.5Mo i niskolegirani Cr-Mo - þelici za avionsku industriju. ýelik tipa 0.5Cr-0.5Mo zavaruje se svim postupcima, ali je za limove debljine ispod 2 mm najbolje primeniti gasno zavarivanje, a za veüe debljine REL, TIG ili MIG postupke. Za tanje limove potrebno je
11
predgrevanje na 100°C, a za deblje limove na 150÷200°C. Ponekad se posle zavarivanja spoj otpušta na 650°C u toku od 2 h, i to u sluþajevima kada šav treba omekšati. Dodatni materijal za gasno zavarivanje treba da je istog sastava kao i osnovni, s tim što je potreban i topitelj da se spreþi oksidacija Cr i Mo. Pri gasnom zavarivanju koristi se strogo neutralan plamen, jer þak i mali višak kiseonika izaziva stvaranje oksida hroma, gasnih mehurova i poroznih mesta. Redukujuüi plamen takoÿe je štetan jer višak acetilena naugljeniþava metal i time poveüava krtost zavarenog spoja. Kod REL-postupka uglavnom se primenjuju baziþne elektrode, þije jezgro po hemijskom sastavu odgovara osnovnom materijalu. ýelici tipa 1.25Cr-0.5Mo takoÿe se zavaruju sa predgrevanjem do oko 200°C i pomoüu baziþnih elektroda. ýelici tipa 2.25Cr-1Mo su namenjeni za delove opreme termocentrala koji rade na temperaturi višoj od 540°C. Ameriþko društvo za zavarivanje (American Welding Society) preporuþuje predgrevanje na 150°C za limove debljine 10 mm, zatim naknadno zagrevanje pri 730°C i otpuštanje na 650°C u toku od pola sata, neposredno posle zavarivanja (bez hlaÿenja do sobne temperature). ýelici tipa (4÷6)Cr-0.5Mo se dosta primenjuju za opremu u industriji prerade nafte. Zavaruju se elektrodama istog tipa kao i osnovni materijal (homogen spoj) ili austenitnim elektrodama (heterogen spoj). U oba je sluþaja potrebno predgrevanje na 300°C, ili taþnije do temperature odreÿene po Seferijanu na osnovu ukupnog ekvivalentnog ugljenika. Kod homogenih spojeva samo predgrevanje nije dovoljno za izjednaþavanje mehaniþkih osobina u svim zonama zavarenog spoja, pa je potrebna naknadna termiþka obrada pri 730°C. Za izbor austenitnih elektroda može se takoÿe primeniti Šeflerov dijagram (sl. 5.4); ako koordinatama (Ni) = 4 i (Cr) = 6.25 odgovara osnovni materijal (B), tada sastav metala šava treba da bude oko taþke A.
0%
δ
30 5%
25 Ekvivalent nikla, %
P
% 10
Austenit 20
% 20
E
Austenit + martenzit
δ δ
δ
C
15
O' O
A
D
Austenit + ferit
10 Martenzit Austenit + martenzit + ferit
5 Ferit + B martenzit
Martenzit + ferit
100%
N
δ
Ferit
0 0
5
10
15
20 25 Ekvivalent hroma, %
30
35
40
Slika 5.4 Šeflerov dijagram primenjen za analizu zavarivanja raznorodnih spojeva od þelika sa 4÷6% Cr, austenitnim elektrodama
Potrebno je zatim izraþunati stepen mešanja, naneti ga na pravu AB i oþitati da li je procenat ferita u metalu šava u traženim granicama. Na primer za stepen mešanja od 35%, dobija se taþka "O" koja je na granici austenitno-feritnog podruþja, što znaþi da treba iüi udesno od taþke A i odabrati elektrodu koja odgovara taþki E sa (Ni) = 17% i (Cr) = 26%, odnosno šav sastava O' sa oko 5% ferita. Taþkama O i O' odgovara isti stepen mešanja, tj. 35%, jer je AO = EO' (sl. 5.4).
12
5.5 Ocena zavarljivosti visokolegiranih þelika Nerÿajuüi þelici se prema rasporedu C i Fe u kristalnoj rešetki dele na feritne, austenitne, martenzitne i taložno ojaþane. Feritni þelici sadrže veoma malo C, a Cr>12.5% što je uslov za korozionu otpornost. Ne otvrdnjavaju termiþkom obradom (nizak % C), veü ojaþavaju preradom na hladno kao npr. valjanjem, dubokim izvlaþenjem i sl.. Ovi se þelici najþešüe isporuþuju u obliku cevi, profilisanih cevi, debelih limova, traka, profilnih nosaþa, žica. Austenitni nerÿajuüi þelici imaju površinski centriranu kubnu rešetku za razliku od prostorne kod feritnih þelika. Kao grupa austenitni þelici se þesto nazivaju 18-8 jer sadrže oko 18% Cr, 8% Ni i veoma mali %C. Stoga ne otvrdnjavaju termiþkom obradom, veü u velikoj meri ojaþavaju preradom na hladno. Za tu preradu su veoma pogodni jer imaju veliku rezervu plastiþnosti definisanu razlikom izmeÿu tehniþke granice teþenja* i jaþine na kidanje. Austenitni þelici mogu da sadrže i manje Ni ali sa dodatkom Mn što ih þini jeftinijim. Sa gledišta zavarivanja znaþajno je da pri hlaÿenju sa veoma visokih temperatura umesto da se zakale austenitni þelici postaju meki i veoma plastiþni. Odlikuju se izuzetno velikom sposobnošüu oblikovanja deformisanjem (velika istegljivost) pa se þesto složeni oblici izraÿuju dubokim izvlaþenjem. Austenitni þelici se primenjuju u hemijskoj industriji, u graÿevinarstvu za ukrasne arhitektonske elemente, u prehrambenoj industriji, za kuhinjski pribor i tsl. Martenzitni nerÿajuüi þelici sadrže 12÷17% Cr i 0.15 do 1% C što omoguüuje postizanje martenzitne strukture þak i pri sporom hlaÿenju iz austenitnog faznog podruþja. To znaþi da se pri termiþkoj obradi ovi þelici ponašaju sliþno ugljeniþnim i niskolegiranim þelicima. Posle termiþke obrade neki martenzitni nerÿajuüi þelici dostižu tehniþku granicu teþenja i 1380 MPa i jaþinu na kidanje 1930 MPa, ali im otpornost prema koroziji, i sposobnost plastiþnog oblikovanja daleko zaostaje iza feritnih i austenitnih þelika. Primenjuju se za razne mašinske delove (osovine za pumpe, ventile, kuglice za ležišta), noževe za ljuštenje drveta, lovaþke noževe, hiruški pribor, skupoceni pribor za jelo. Taložno ojaþani nerÿajuüi þelici su takoÿe legure Cr-Ni namenjene uglavnom za zupþanike, ekscentre, te delove za avione, turbine i naroþito kosmiþku tehniku. Za zavarene konstrukcije u energetici i hemijskoj industriji najviše se primenjuju: austenitni þelici 18CrNi, 20Cr-10Ni, 20Cr-Ni, vatrootporni þelici 20Cr-12Ni i þelici postojani na visokim temperaturama 25Cr-20Ni. Austenitni þelici, pa i metal šava koji se dobija pomoüu austenitne elektrode, imaju manju termiþku provodnost i veüi koeficijent linearnog termiþkog širenja nego ugljeniþni þelici, što stvara velike sopstvene napone i deformacije. Delom i zbog toga skloni su ka toplim naprslinama u šavu i ZUT-u, zatim meÿukristalnoj koroziji zbog izluþivanja karbida hroma na granicama metalnih zrna, kao i krtosti na visokim temperaturama zbog obrazovanja σ-faze (krtog jedinjenja CrFe) (vidi sl. 5.5). Sklonost ka pojavi naprslina oko solidus temperature može se tumaþiti izdvajanjem tanke silikatne opne male kohezione jaþine po granicama metalnih zrna. Ove se naprsline spreþavaju stvaranjem druge faze, na primer feritne, po granicama austenitnih zrna. Sadržaj δ-ferita se ograniþava na manje od 10%, jer on smanjuje plastiþnost metala šava. Iako je Šeflerov dijagram prvenstveno namenjen za izbor dodatnog materijala heterogenih spojeva, on se uspešno primenjuje i kod austenitnih Cr-Ni þelika. Izbor dodatnog materijala ovde üe biti prikazan na primeru þelika sastava: 0.09 C, 0.53 Si, 1.46 Mn, 18.2 Cr, 10.6 Ni; 0.26 Mo, 1.15 (Nb+Ti), 0.021 P i 0.012 S (%). Ako se izraþunaju ekvivalenti (Ni) i (Cr):
(Ni ) = Ni + 30 ⋅ C + 0.5 ⋅ Mn = 14.7%
(5.15a)
(Cr ) = Cr + Mo + 1.5 ⋅ Si + 0.5 ⋅ Nb = 19.7%
(5.15b)
i unesu u Šeflerov dijagram (vidi sl. 5.4) dobija se taþka "C" kojoj odgovara þisto austenitna struktura. Prema Seferijanu, sadržaj ferita u metalu šava izraþunava se pomoüu formule:
*
U literaturi se naziva i konvencionalni napon teþenja.
13
δ = 3 ⋅ [(Cr ) − (Cr )c ], %
(5.16)
gde je: (Cr)c = 0.93(Ni) + 6.7, ili u datom primeru (Cr)c = 20.4. Usvajajuüi sadržaj δ-ferita u dvofaznom metalu šava δ = 6% dobija se 6 = 3[(Cr) - 20.4] i (Cr) =22.4. Kada se znaju koeficijenti ekvivalentnosti nikla i hroma (Ni) = 14.7, Cr = 22.4 lako je, iz odgovarajuüih kataloga, izabrati elektrodu za zavarivanje. Tako, na primer, železara Jesenice proizvodi austenitnu baziþnu elektrodu oznake INOX B19/12/3 LC (vidi prilog D napred navedenog priruþnika Tehnologija zavarivanja) hemijskog sastava þistog metala šava (%): 0.03 C, 0.40 Si, 1.0 Mn, 18.5 Cr, 11.5 Ni i 2.7 Mo, kojoj odgovara (Ni) = 12.9 i (Cr) = 21.8, odnosno taþka D Šeflerovog dijagrama (vidi sl. 5.4). To je taþka austenitne strukture sa 7% δ-ferita, što znaþi da je elektroda pravilno izabrana. U sluþaju homogenih spojeva, kao u navedenom primeru, nije potrebno odreÿivati stepen mešanja jer on ne utiþe bitnije na hemijski sastav metala šava. Drugi problem zavarljivosti austenitnih þelika, vezan za stvaranje karbida Cr4C i meÿukristalnu koroziju kad u okolnim mikrozapreminama sadržaj Cr padne ispod 12% (donje granice korozione otpornosti), rešava se pomoüu stabilizatora Ti-Nb. Titan i niobijum imaju veüi hemijski afinitet prema ugljeniku nego hrom, pa oni vezuju ugljenik i spreþavaju formiranje karbida Cr4C. U dodatni materijal se ne uvodi Ti, jer se ovaj element, kao što je poznato, oksidiše pri zavarivanju i prelazi u trosku stvarajuüi istovremeno reakciju difuzne dezoksidacije. Zato se u oblogu austenitnih elektroda dodaje niobijum buduüi da je manje podložan oksidaciji. Treüi problem koji se odnosi na krtu σ-fazu posebno je izražen kod zavarenih spojeva izloženih visokim temperaturama, na kojima ova faza i nastaje (oko 600°C). To su npr. pregrejaþi pare, izmenjivaþi toplote i sliþni termiþki ureÿaji. Jedino rešenje da se nastanak ove faze spreþi, jeste izrada šavova sa niskim sadržajem feritne faze (2÷4%), što omoguüuje pouzdan rad zavarenih spojeva i u oblasti kritiþnih temperatura. Potencijalne greške karakteristiþne za pojedine strukturne faze nerÿajuüih þelika pokazane su na slici 5.5. Ovakav prikaz može biti od koristi pri proceni da li su šavovi datih kombinacija osnovnog i dodatnog materijala skloni ka tipiþnim greškama ove klase þelika.
10% Austenit
20%
20
40% A+M 80%
A+F 10
Procenat ferita
Ekvivalent nikla = %Ni +30 × %C + 0.5 × %Mn
0% 5% 30
100%
A+M+F Martenzit M+F
Ferit
F+M 10
0
20
30
40
Ekvivalent hroma = %Cr + %Mo + 1.5 × %Si + 0.5 × %Nb
Martenzitne prsline ispod 400 oC
Vruüe prsline iznad 1250 oC
Krtost posle termiþke obrade pri 500 - 900 oC
Visoko temperaturska krtost
Slika 5.5 Lokacija greški u zavisnosti od strukture u Šeflerovom dijagramu
5.6 Primena dijagrama kontinualnog hlaÿenja þelika za ocenu zavarljivosti Pri razmatranju zavarljivosti razliþitih konstrukcionih þelika moraju se uzeti u obzir i uticaji temperaturskih ciklusa na strukturu i tvrdoüu u zoni pod uticajem toplote. Temperaturski ciklus bilo koje
14
taþke ZUT-a odreÿen je brzinom zagrevanja, maksimalnom temperaturom, brzinom hlaÿenja i vremenom zagrevanja iznad odreÿene temperature. Maksimalna temperatura se može izraþunati ako se zna analitiþki izraz za promenu temperature oko šava, u toku procesa zavarivanja. Za polubeskonaþno telo (masivan deo) polazi se od izraza: r2
− ql T ( y, z , t ) = ⋅ e 4 ⋅a ⋅t 2 ⋅π ⋅ λ ⋅ t
(5.17)
i postavlja uslov ∂T/∂t=0 da bi se odredila ekstremna vrednost (maksimum) funkcije T(y,z,t). Iz ovog uslova najpre se može odrediti vreme potrebno za postizanje maksimalne temperature u razmatranoj taþki ZUT-a: tmax =
r2 4⋅a
(5.18)
a zatim i Tmax ( r ) =
0.234 ⋅ ql c ⋅ ρ ⋅ r2
(5.19)
gde je: r - radijus taþke ZUT-a, odnosno r =
y 2 + z 2 udaljenje razmatrane taþke od ose "x" duž koje se
ravnomerno kreüe toplotni izvor. Na sliþan se naþin za tanak lim dobija: Tmax ( y) =
0.242 ⋅ ql § b ⋅ y 2 · ⋅ ¨1 − ¸ c⋅ρ⋅ y © 2⋅ a ¹
(5.20)
gde je: y - rastojanje od ose šava, a þlan u zagradi obuhvata uticaj odavanja toplote u okolnu sredinu. Brzina hlaÿenja može se izraþunati prema izrazima: vh = 2 ⋅ π ⋅ λ ⋅
( T − T0 ) 2 , - za polubeskonaþno telo i ql
vh = 2 ⋅ π ⋅ λ ⋅ c ⋅ ρ ⋅ s2 ⋅
( T − T0 ) 3 ql
2
, - za tanku ploþu.
(5.21)
(5.22)
Ako se traži brzina hlaÿenja pri temperaturi najmanje stabilnosti austenita (Tk), što je veoma bitno za konaþnu strukturu ZUT-a, onda umesto T0 u gornjim izrazima treba staviti Tk (vidi taþku 5.6.2). Vreme zadržavanja se može odrediti pomoüu izraza: tz = f 3 ⋅
tz = f2 ⋅
ql
λ ⋅ ( Tmax − T0 )
, - za polubeskonaþno telo i
(5.23)
- za tanku ploþu.
(5.24)
ql
λ ⋅ c ⋅ ρ ⋅ s ⋅ (Tmax − T0 ) 2
2
Koeficijenti f2 i f3 odreÿuju se pomoüu dijagrama (sl. 5.6) koji je dao Rikalin u zavisnosti od veliþine θ:
θ=
T − T0 Tmax − T0
(5.25)
15
Slika 5.6 Dijagrami za odreÿivanje koeficijenata f2 i f3
Vreme zadržavanja je bitno, jer pokazuje uticaj razliþitih temperaturskih ciklusa, odnosno postupka i tehnologije zavarivanja, na veliþinu austenitnih zrna (sl. 5.7). Kod nekih vrsta þelika povišene jaþine, vreme zadržavanja iznad odreÿene temperature se pri zavarivanju mora ograniþiti da bi se u ZUT-u spreþila degradacija korisnih osobina dobijenih složenim postupcima termomehaniþke prerade (vidi taþku 5.3.3). 1300 do 1350 oC 1
2
3 0.3 do 0.4 μm
0.1 do 0.3 μm AC3
0.4 do 0.6 μm
tz = 30 do 100 tz = 20
tz = 600 do 2000 sek
Vreme u sek 1 - elektroluþno ruþno zavarivanje þelika debljine ispod 10 mm; 2 - zavarivanje pod prahom þelika debljine 15 do 20 mm, 3 - zavarivanje pod troskom þelika debljine 100 do 200 mm; tz - vreme zadržavanja iznad AC3 Slika 5.7 Porast zrna austenita u zavisnosti od temperaturskog ciklusa
Za neke konstrukcione þelike mogu se naüi, uglavnom u stranoj literaturi, dijagrami kontinualnog hlaÿenja u uslovima zavarivanja (KHZ), tj. dijagrami razlaganja pothlaÿenog austenita pod uticajem razliþitih brzina hlaÿenja koje odgovaraju razliþitim temperaturskim ciklusima. Ovi dijagrami se u literaturi daju u polulogaritamskom koordinatnom sistemu temperatura - vreme (logaritamska podela) ili temperatura - vreme hlaÿenja od 800 do 500°C. Ovo se vreme oznaþava sa t8/5 i takoÿe u logaritamskoj podeli nanosi na apscisnu osu (vidi sl. 5.8). U samom dijagramu daju se linije koje ograniþavaju pojedine strukture (martenzit, bejnit, ferit, perlit) u zavisnosti od vremena t8/5.
16
Slika 5.8 KHZ dijagram
5.6.1 Proraþun vremena hlaÿenja t8/5
Vreme hlaÿenja može se odrediti eksperimentalno ili se proraþunava za kritiþne taþke ispod korenog zavara (najviša temperatura, najveüa brzina hlaÿenja). Analizirajuüi literaturne podatke za izraze korišüene pri proraþunu vremena t8/5 došlo se do zakljuþka da su najviše primenjivane sledeüe formule: 5.6.1.a Proraþun vremena hlaÿenja t8/5 na bazi graniþne debljine lima (t8/5 = f (sgr))
- za tanke limove debljine (s < sgr)
t8 / 5
2 ª§ ql ⋅ N 2 1 «¨¨ = ⋅ 2 4 ⋅ π ⋅ λ ⋅ ρ ⋅ c ⋅ s «© 500 − T0 ¬
2
· § 1 ¸¸ − ¨¨ ¹ © 800 − T0
· ¸¸ ¹
2
º », s »¼
(5.26)
17
- za debele limove (s > sgr) t 8/ 5 =
ql ⋅ N 3 § 1 1 · ⋅¨ − ¸ , 2 ⋅ π ⋅ λ © 500 − T0 800 − T0 ¹
s
(5.27)
gde su: λ, c, ρ - termo-fiziþke kostante osnovnog materijala, N2, N3 - faktori oblika spoja (tab. 5.9), ql - pogonska energija zavarivanja (ql = (U⋅I/vz)⋅η), η - koeficijent iskorišüenja toplote (tab. 5.7). Tablica 5.7 Koeficijent iskorišüenja toplote
Postupak zavarivanja η *
R - rutilne elektrode;
**
B - baziþne elektrode
REL B** R*
EPP
MAG
MIG
TIG
0.9
1.0
0.85
0.75
0.65
0.8
Termo-fiziþke konstante materijala u gornjim izrazima treba uzeti za srednju vrednost temperaturskog intervala 800 do 500°C, tj. za 650°C, buduüi da se one menjaju sa temperaturom. Za ugljeniþne, niskolegirane i finozrne þelike preporuþuju se sledeüe vrednosti: ρ = 7.60÷7.65
g⋅cm-3,
λ = 0.25÷0.35
J⋅cm-1⋅s-1⋅°C-1,
c = 0.75÷0.90
J⋅g-1⋅°C-1.
Za lakši izbor ovih konstanti, prema zateznoj þvrstoüi osnovnog materijala (Rm) i temperaturi, mogu poslužiti podaci dati u tablici 5.8. Tablica 5.8 Vrednosti nekih termo-fiziþkih konstanti
Zatezna þvrstoüa þelika: Rm, MPa λ,
ρ⋅c ,
J⋅cm ⋅s ⋅°C -1 -1
J⋅cm-3⋅ °C-1
ΔT = 800÷500 °C
<500
>500
0.35
0.3
0.5
0.38
6.0
5.0
4.0
4.0
-1
T = 300 °C ΔT = 800÷500 °C T = 300 °C
Faktori oblika spoja (tab. 5.9) se uvode da se uzme u obzir poznata empirijska þinjenica da brzina hlaÿenja zavarenog spoja zavisi kako od debljine zavarivanih delova tako i od tipa zavarenog spoja. Tako je na primer brzina hlaÿenja ugaonih šavova veüa za 40% od suþeonih pri jednakim ostalim uslovima (iste debljine, pogonske energije i dr).
18
Tablica 5.9 Faktori oblika zavarenog spoja
Tip zavarenog spoja
N2
N3
1.0
1.0
0.6
0.6
1.5
1.5
0.9
0.9
0.75
0.75
60o
0.25
0.97
a
0.50
s
a/s
0.89
0.45÷0.67*
0.75
0.78
1.00
0.67
s s
0.67
*
Vrednost N2 se razlikuje od N3 utoliko više ukoliko je veüa razlika izmeÿu s i sgr.
Graniþna debljina ili prelazna debljina izmeÿu tankih i debelih limova uslovljena je promenom naþina odvoÿenja toplote od dva u tri smera (dvosmerno i trosmerno odvoÿenje toplote). Dvosmerno odvoÿenje toplote odnosi se na tanke limove i usvaja se da je temperatura konstantna po celoj debljini materijala (∂T/∂z = 0). Suprotno tome, kod debelih limova, temperatura se menja i po debljini (∂T/∂z ≠ 0). Graniþna debljina se odreÿuje prema izrazu:
s gr =
ql ⋅ N 3 § 1 1 ⋅ ¨¨ + 2 ⋅ ρ ⋅ c © 500 − T0 800 − T0
· ¸¸ ¹
(5.28)
Prethodni izraz pokazuje da, za dati osnovni materijal, graniþna debljina zavisi od pogonske energije zavarivanja (ql), tipa zavarenog spoja (N3) i poþetne temperature zavarivanih delova (T0). Faktor oblika spoja N2 = 180/(180-α) za suþeone spojeve u V-žlebu vredi samo za taþke blizu izvora toplote; na veüem udaljenju toplotni fluks se izravnava, te da bi se i ovde raþunska shema približila stvarnoj treba debljinu opet redukovati za N2 puta (sl. 5.9) te je sred = N2 ⋅ s = (3/2) ⋅ s (za α = 60°). Ova shema pokazuje dobre rezultate sve dok je debljina prvog sloja a ≤ 0.15 s pri zavarivanju razvuþenim tankim a širokim slojevima.
s
sred
α
y
y ql red
ql a)
b)
Slika 5.9 Stvarna i redukovana debljina
19
5.6.1.b Proraþun vremena hlaÿenja t8/5 na osnovu formule japanskih autora n
t 8/ 5 =
k ⋅ ql , 2 § s − s0 · º 2 ª β ⋅ (Tsr − T0 ) ⋅ «1 + ⋅ arctg ¨ ¸ © α ¹ »¼ ¬ π
s
(5.29)
gde su: ql - pogonska energija zavarivanja u J/cm, T0 - poþetna temperatura u °C. Ostali podaci neophodni za proraþun vremena t8/5 dati su u tablici 5.10. Jednaþine (5.26), (5.27) i (5.29) mogu se koristiti za: a) odreÿivanje strukture u najkritiþnijoj oblasti ZUT-a, unošenjem vremena t8/5 u KHZ-dijagram. Isto tako se može izabrati osnovni materijal izmeÿu više raspoloživih prema npr. traženoj strukturi ili pak maksimalnoj tvrdoüi (ako se traži otpornost na habanje). Graniþno vreme t8/5 koje odgovara þisto martenzitnoj strukturi oznaþava se sa t100.
b) proraþun režima zavarivanja (ql, Tp) koji omoguüuje dobijanje zavarenih spojeva tražene strukture. U stvari, iz KHZ-dijagrama usvaja se vreme t8/5 koje odgovara traženoj strukturi (martenzitnoj, martenzitnobejnitnoj, bejnitnoj), pa se zatim iz jednaþine za t8/5 izraþunava pogonska energija zavarivanja kao jedina nepoznata veliþina. Tablica 5.10 Parametri neophodni za primenu jednaþine (5.29)
k
n
Metod zavarivanja
s0
α
Tsr
β Suþeoni spoj i
Ugaoni
-
-
mm
-
°C
navar
zavar
REL zavarivanje
1.35
1.5
14.6
6
600
1
2
CO2 postupak
1 2.9
1.7
13
3.5
600
1
1.7
9.5 2.510 − 0.22
12
3
600
1
-
12
3
600
1
-
Zavarivanje pod prahom
s < 32 s ≥ 32
5
0.05⋅s
950
0.95
Kao pomoüni kriterijum za procenu nastalih strukturnih promena odreÿuje se kod mikrolegiranih þelika povišene jaþine i brzina hlaÿenja pri 300°C i ona uporeÿuje sa kritiþnom brzinom hlaÿenja (vkr). Ako je stvarna brzina hlaÿenja veüa od kritiþne dobija se þisto martenzitna struktura, a ako je manja onda se dobija martenzitno-bejnitna ili þisto bejnitna struktura.
5.6.1.c Ocena taþnosti prethodnih formula Izrazi (5.26) i (5.27) koji se odnose na tanke i debele limove pored termofiziþkih konstanti materijala, pogonske energije i poþetne temperature, sadrže i faktore oblika spoja N2 i N3 koji nisu precizno definisani, što zavisno od autora koji predlažu vrednosti ovih faktora dovodi do relativno velikih odstupanja u dobijenim rezultatima. To se naroþito odnosi na zavarivanje delova u V - žlebu i rezultate proraþuna vremena t8/5 za razliþite debljine lima pri þemu se pogonska energija uzima kao parametar a proraþun vremena t8/5 izvodi po formulama koje uzimaju u obzir faktore oblika spoja prema tablici 5.9. Analizom dobijenih rezultata uoþavaju se nedopustive razlike u vremenu t8/5 izraþunatog po formulama (5.26) i (5.27) odnosno (5.29), kako za suþeone tako i za ugaone spojeve-pogotovo kod tankih limova. Pri konaþnoj oceni taþnosti prethodnih formula za proraþun vremena hlaÿenja t8/5 mora se poüi od eksperimentalnih i raþunskih podataka dobijenih sa krive temperaturskog ciklusa koja odgovara predviÿenom
20
postupku zavarivanja. Na osnovu sopstvenih ispitivanja za CO2 - postupak ustanovili smo da se formula (5.29) najbolje slaže sa eksperimentalno odreÿenim i numeriþki potvrÿenim vremenom t8/5. Osim toga ova formula je daleko jednostavnija za primenu jer ne sadrži arbitrarne promenljive koje se ponekad biraju i prema liþnoj proceni. Dalja njena prednost je što ne odvaja tanke i debele limove pa se proraþunski postupak pojednostavljuje. Ipak za druge postupke i režime zavarivanja ne može se doneti generalni zakljuþak bez dodatnih istraživanja.
5.6.2 Proraþun brzina hlaÿenja Proraþun stvarne brzine hlaÿenja pri 300°C može se izvesti po obrascu Kotrela (Cottrel) (vh) ili prema izrazima dobijenim rešavanjem parcijalne diferencijalne jednaþine prostiranja toplote (v300). Po obrascu Kotrela najpre se izraþunava faktor oblika spoja (N) a zatim brzina hlaÿenja pri 300°C: -2
§ 122 ⋅ q · vh = ¨ 6 l + 0.05¸ , © 10 ⋅ N ¹
° C ⋅ s−1
(5.30)
gde je: ql - pogonska energija zavarivanja u J/cm, 8⋅s N= - za suþeoni (dvotermalni) spoj, 25.4 12 ⋅ s - za ugaoni (trotermalni) spoj, N= 25.4 s - debljina lima u mm. Prilikom proraþuna brzine hlaÿenja na osnovu analitiþki izvedenih izraza polazi se od parametra Px kojim se procenjuje da li su limovi tanki ili debeli: Px = ρ ⋅c⋅ s ⋅ 2
TK - T0 q ⋅ N3
(5.31)
l
Vrednosti Px > 0.90 odnose se na debele limove za koje je: 2
v = 2 ⋅π ⋅ λ ⋅
(TK - T0 ) , ql ⋅ N 3
° C ⋅ s-1
(5.32)
a vrednosti Px < 0.33 na tanke limove kojima odgovara: 3
v = 2 ⋅ π ⋅ λ ⋅ c ⋅ ρ ⋅ s2 ⋅
(TK - T0 ) 2 ql ⋅ N 2
,
° C ⋅ s-1
(5.33)
Za limove srednje debljine vrednost Px je izmeÿu 0.33 i 0.90 tj. 0.33 < Px < 0.90, i brzina hlaÿenja: 2
v = 2 ⋅ k ⋅π ⋅ λ ⋅
(TK - T0 ) , ql ⋅ N 3
° C ⋅ s-1
(5.34)
gde su: N2 i N3 - faktori oblika spoja (tab. 5.9), TK = 300°C pri proceni debljine lima ili TK = temperaturi najmanje stabilnosti austenita ako se odreÿuje kritiþna brzina hlaÿenja i k - korekcioni koeficijent (sl. 5.10).
21
1.0
k
0.8 0.6 0.4 0.2 00
0.4
0.8
1.2
1.6
Px
Slika 5.10 Dijagram k = f (Px ) za proraþun brzine hlaÿenja limova srednje debljine
Iz KHZ-dijagrama (sl. 5.6) se vidi da je tvrdoüa ZUT-a za dati þelik funkcija vremena t8/5. Najveüa tvrdoüa se dobija pri kratkom vremenu hlaÿenja, a sa porastom tog vremena tvrdoüa opada, sve dok ne postigne relativno konstantnu vrednost (sl. 5.11). Jasno je da tvrdoüa u strukturnoj oblasti þistog martenzita (HVMs) i þistog bejnita (HVB), ne zavisi od vremena t8/5, dok u oblasti mešovite martenzitno-bejnitne strukture tvrdoüa skoro linearno opada sa porastom vremena t8/5. U þisto martenzitnoj oblasti (100% Ms) tvrdoüa zavisi samo od sadržaja ugljenika u þeliku:
HV Ms = 802 ⋅ C + 305
(5.35)
dok u oblasti þisto bejnitne strukture (100% B), pored ugljenika na tvrdoüu utiþu i drugi legirajuüi elementi:
HV B = 350 ⋅ CE + 101
(5.36)
gde je: CE = C + CE ′ = C +
Si Mn Cu Cr Ni Mo V + + + + + + 11 8 9 5 17 6 3
(5.37)
Tvrdoüa oblasti sa mešovitom martenzitno-bejnitnom strukturom (0%
(5.38)
Najþešüe se pri zavarivanju teži da se u zoni oko šava dobije mešovita martenzitno-bejnitna struktura. Koja üe struktura, za usvojeni režim zavarivanja i proraþunatu temperaturu predgrevanja, stvarno biti dobijena može se proveriti uporeÿivanjem tvrdoüa HVMs, HVB i HVx. Samo ako je ispunjen uslov HVB t100. Ako se pri proraþunu dobije HVx>HVMs to je u fiziþkom smislu nemoguüe i ukazuje da je temperatura predgrevanja bila nedovoljna, odnosno da je t8/5HVx koji je dobijen zbog prevelike temperature predgrevanja, odnosno t8/5>tB (vreme tB odgovara poþetku þisto bejnitne transformacije). Istina, þisto bejnitna struktura ZUT-a u veüini sluþajeva jeste poželjna, ali se ona ne sme dobiti sa preterano visokom temperaturom predgrevanja. O uticaju vremena t8/5 na strukturu ZUT-a istraživali su nemaþki inženjeri pri rešavanju problema zavarivanja cevi velikog preþnika od niskolegiranih þelika. Oni su uveli promenljive koeficijente uz legirajuüe elemente (tab. 5.11) i time dobili rastuüi ekvivalentni ugljenik (CE), koji ima najmanju vrednost CE = C za Ms-strukturu, srednje vrednosti za (Ms+ B) - strukturu i najveüu vrednost za B-strukturu. Pošto je temperatura predgrevanja viša za veüe CE to su na ovaj naþin povezani svi faktori koji odreÿuju konaþnu strukturu: CE, Tp, t8/5. Kod šavnih cevi velikog preþnika poželjna je pretežno bejnitna struktura, što znaþi da CE pa i Tp treba raþunati na osnovu podataka iz donjeg dela tablice 5.11. Namena je ove tablice, da se odabere poželjna struktura pa onda odredi CE i Tp, tj. režim zavarivanja.
22
HVM 500 HVX
1
400 2
300 HVB
200 100 0
1
t100
10
100
tB t8/5
Slika 5.11 Stvarna (1) i uprošüena (2) kriva HV = f (t8/5 ) Tablica 5.11 Ekvivalent ugljenika za razne tipove struktura ZUT-a i razliþita vremena hlaÿenja
Struktura
Martenzit
Martenzit + bejnit Bejnit
Koeficijenti dodatnih elemenata
Vreme hlaÿenja t8/5
C
Si
Mn
Cu
Cr
Ni
Mo
V
-
1
1/∞
1/∞
1/∞
1/∞
1/∞
1/∞
1/∞
1
1
1/37
1/26
1/31
1/17
1/54
1/19
1/10
3
1
1/28
1/20
1/24
1/13
1/42
1/14
1/8
6
1
1/23
1/16
1/19
1/11
1/34
1/12
1/6
12
1
1/17
1/12
1/15
1/8
1/26
1/9
1/5
24
1
1/12
1/9
1/10
1/6
1/18
1/6
1/3
-
1
1/11
1/8
1/9
1/5
1/17
1/6
1/3
5.7 Parametarske jednaþine za ocenu sklonosti þelika ka naprslinama 5.7.1 Parametarske jednaþine hladnih naprslina
Za ocenu sklonosti ka hladnim naprslinama C-Mn þelika, niskolegiranih i mikrolegiranih þelika sa granicom teþenja od 272 do 870 MPa primenjuju se jednaþine koje uzimaju u obzir hemijski sastav osnovnog materijala, sadržaj difundovanog vodonika i krutost ili debljinu zavarenog spoja. Prema þeškim izvorima daju se sledeüe jednaþine: Php = P CM +
K H + 0.015 ⋅ log , 40000 2.77
za K ≤ 1300, i
(5.39)
Php = PCM +
K H + 0.075 ⋅ log , 40000 2 .77
za K > 1300 ,
(5.40)
Si Mn + Cu + Cr Ni Mo +V + + + + 5⋅ B , 30 20 60 15
(5.41)
PCM = C +
gde je: K = 70⋅s - faktor krutosti suþeonih spojeva, s - debljina zavarivanog materijala, mm, H - sadržaj difundovanog vodonika u metalu šava, cm3/100 g. Zavareni spoj za koji se dobije Php ≤ 0.24 smatra se otpornim prema hladnim naprslinama, dok je za vrednosti Php > 0.24 potrebno predgrevanje na:
T p = 1600 ⋅ P hp - 308 , °C .
(5.42)
23
Kao što je veü napomenuto u poglavlju 5.2 jedan od osnovnih zadataka pri elektroluþnom zavarivanju jeste spreþavanje hladnih naprslina u zavarenom spoju (sl. 5.12) i dobijanje spojeva sa traženim mehaniþkim osobinama. Rešenje ovog zadatka uslovljeno je primenom takvih temperaturskih ciklusa zavarivanja koji obezbeÿuju odreÿenu brzinu hlaÿenja spoja u temperaturskoj oblasti preobražaja austenita i za to vreme ne dovode do predugog zadržavanja iznad AC3 temperature. Dopuštena granica maksimalne brzine hlaÿenja zavisi od hemijskog sastava i debljine zavarivanog þelika i takoÿe od Slika 5.12 Hladna naprslina u ZUT-u sadržaja vodonika u rastopljenom metalu. Po analogiji sa formulom ekvivalentnog ugljenika, predložen je od strane japanskih autora pokazatelj sklonosti niskolegiranih þelika ka obrazovanju hladnih naprslina pri zavarivanju: PC = PCM +
s H , + 600 60
(5.43)
gde su: PCM - pokazatelj kojim se uzima u obzir uticaj hemijskog sastava þelika (osnovnog metala) i koji se izraþunava u zavisnosti od procentualnog sadržaja legirajuüih elemenata po formuli:
PCM = C +
V Mo Mn + Cu + Cr Ni + + + + 5B , 10 15 20 60
(5.44)
s - debljina þelika u mm, H - koliþina difundovanog vodonika u cm3/100 g. Ako je 0.25 < PC < 0.40, pri srednjoj pogonskoj energiji ql = 13.9 kJ/cm, onda je potrebno predgrevanje do temperature: Tp = 1440 ⋅ PC − 392 ,
$
C.
(5.45)
Praktiþna primena jednaþine (5.45) je složena jer ona važi samo za zavarivanje na obiþnom režimu za relativno uzak dijapazon 0.25 < PC < 0.40. Meÿutim pri zavarivanju þelika povišene jaþine dijapazion promene PC jeste širi. U skladu sa poveüanjem pokazatelja PC zavisnost Tp = f (PC) bitno se otklanja od linearne date jednaþinom (5.45). Za znatno širi dijapazon 0.25 < PC < 0.50 može se zavisnost Tp = f (PC) sa dovoljnom taþnošüu opisati jednaþinom:
{
Tp = 350 ⋅ 1 − e [
−5⋅( PC − 0.27 )
}
] ,
$
C,
(5.46)
koja se dobro slaže i za PC < 0.40. Maksimalna dopuštena brzina hlaÿenja vhd prvog zavara Q+T-þelika može se odrediti pomoüu dijagrama datog na slici 5.13, koji je dobijen tehnološkim ispitivanjem po metodi Tekken, iz uslova da se ne pojave hladne naprsline u zavarenom spoju. Pošto se odredi vhd, treba primeniti odgovarajuüi analitiþki izraz za brzinu hlaÿenja pri TK = 500°C (vidi 5.32,...5.34), staviti v = vhd i odatle izraþunati (TK-T0) = f (ql). Zatim se po poznatoj proceduri odreÿuje ql i najzad (TK-T0)2, odnosno temperatura predgrevanja Tp = T0. Odavde proizilazi da se dopuštena brzina hlaÿenja može ostvariti razliþitim kombinacijama pogonske energije i temperature predgrevanja, buduüi da parametri zavarivanja mogu varirati u odreÿenim granicama. Zapaža se da su ovako odreÿene temperature predgrevanja niže nego što se dobijaju po formuli 5.45 ili 5.46, ali praktiþna ispitivanja su pokazala da je to dovoljno za spreþavanje hladnih naprslina pri zavarivanju suþeonih spojeva, uz primenu niskovodoniþnih elektroda (H = 2÷4 ml/100 g).
24
Slika 5.13 Zavisnost maksimalno dopuštene brzine hlaÿenja od pokazatelja (PCM +H/60)
Odsustvo hladnih naprslina nije uvek i dovoljan uslov dobijanja zavarenog spoja visokog kvaliteta. Važan je zahtev, zadržati mehaniþke osobine zavarenog spoja. Istraživanja stranih autora su pokazala da pri zavarivanju poboljšanih niskolegiranih þelika povišene jaþine treba poznavati i minimalnu dopuštenu brzinu hlaÿenja metala oko zone šava, polazeüi od veliþine žilavosti, koja se normativno propisuje za odgovarajuüi tip spoja. Tako za niskolegirane þelike (0.19 < PCM < 0.31) ta brzina iznosi vhmin = 0.8÷3.5°C/s, i raste u skladu sa poveüanjem stepena legiranja þelika. Ustanovljena je korelaciona veza izmeÿu brzine vhmin pri kojoj se garantuje udarna žilavost pri -40°C na nivou zahteva za osnovni metal, i pokazatelja PCM: vh min = −31 . + 19.2 ⋅ PCM ,
$
C/ s.
(5.47)
Poznavanje brzina hlaÿenja (vhmax i vhmin) omoguüava da se odredi optimalan interval režima zavarivanja, kako u pogledu otpornosti prema hladnim naprslinama, tako i oþuvanja mehaniþkih osobina ostvarenih spojeva. Pored ovih jednaþina koje direktno ne sadrže brzinu hlaÿenja, mada je ona bitan faktor za pojavu hladnih naprslina, Majner (Maynier) je izveo izraz za kritiþnu brzinu hlaÿenja na 300°C (vkr):
log v kr = k - ( 4.62 ⋅ C + 1.05 ⋅ Mn + 0.54 ⋅ Ni + 0.5 ⋅ Cr + 0.66 ⋅ Mo) ,
(5.48)
gde je: k = 3.38 - za debele limove (s ≥ sgr), k = 3.00 - za tanke limove (s < sgr). Stvarnu brzinu hlaÿenja na 300 °C (v300), odreÿenu po izrazu 5.30, treba uporediti sa kritiþnom brzinom hlaÿenja vkr, pri þemu se za v300 ≥ vkr stvara martenzitna struktura, a za v300 < vkr mešovita martenzitnobejnitna, ili þisto bejnitna struktura (ili t8/5 ≤ t100 i t8/5 > t100). Na osnovu odnosa v300/vkr, sadržaja difundovanog vodonika i krutosti zavarenog spoja, došlo se do parametarske jednaþine:
P S = log
v300 + H + K , vkr 10 5000
(5.49)
gde je: H - sadržaj difundovanog vodonika, cm3/100 g, K = 66⋅s - krutost zavarenog spoja, s - debljina zavarivanih delova (obiþno s = 5÷50 mm). Pri PS < -0.5 hladne naprsline se ne javljaju, dok je za PS = 0.3 verovatnoüa njihove pojave 50% i za PS > 1.0 one uvek nastaju. Ako se u gornjoj jednaþini zameni PS = -0.5 i unesu odgovarajuüe vrednosti za vkr, H i K, može se izraþunati potrebna brzina hlaÿenja v300, pri kojoj se hladne prsline neüe pojaviti. Povezujuüi dalje ovu brzinu
25
sa prethodno datim izrazima v300 = f (ql, T0, N), može se odrediti optimalna pogonska energija, odnosno i parametri zavarivanja. Kod postupaka zavarivanja u zaštiti gasova (Ar, CO2), problem se ponekad može rešiti samo izborom optimalne pogonske energije, dok se kod REL-postupka zbog potrebe da se ograniþi maksimalna jaþina struje zavarivanja, ne može uvek ostvariti proraþunata pogonska energija. To znaþi da se primenom ruþnih postupaka elektroluþnog zavarivanja ne može dobiti tražena struktura zone pod uticajem toplote samo pogodnim izborom parametara zavarivanja veü i predgrevanjem, ili se uopšte i ne može dobiti. Temperatura predgrevanja, odreÿena na neki od veü opisanih ili drugih naþina, za niskolegirane þelike i þelike povišene jaþine ne bi praktiþno smela da bude viša od temperature poþetka razlaganja pothlaÿenog austenita: Tp ≤ M s
(5.50)
jer bi u protivnom mogle da nastanu vruüe (likvacione) naprsline. Ako se za osnovni materijal ne raspolaže dijagramom kontinualnog hlaÿenja (KH, KHZ), temperatura Ms se približno izraþunava pomoüu izraza: - za ugljeniþne i niskolegirane þelike M s = 539 - 423 ⋅ C - 30.4 ⋅ Mn - 17.7 ⋅ Ni - 12.1 ⋅ Cr - 7.5 ⋅ Mo ,
°C
(5.51)
- za þelike povišene jaþine M s = 550 - 361 ⋅ C - 39 ⋅ Mn - 20 ⋅ Ni - 39 ⋅ Cr - 28 ⋅ Mo ,
°C
(5.52)
Ako je proraþunska temperatura predgrevanja viša od 300°C ili viša od Ms-temperature, onda se za takav þelik, dati spoj i usvojenu tehnologiju zavarivanja moraju izvesti tehnološke probe za ocenu sklonosti ka hladnim naprslinama, npr. Tekken (vidi glavu 7, priruþnik Tehnologija zavarivanja). Na kraju treba istaüi da se pomoüu ekvivalentnog ugljenika, odgovarajuüih parametarskih jednaþina, KHZ dijagrama i dr., može odrediti temperatura predgrevanja i optimalni parametri zavarivanja (I, U, vz), ali se sve to ne sme prihvatiti kao konaþna tehnologija zavarivanja odgovornih zavarenih konstrukcija. Ovako odabrana tehnologija primenjuje se za zavarivanje probnih uzoraka kojima se overava ili odbacuje predložena tehnologija. Koja üe se osobina zavarenog spoja uzeti kao kriterijum ocene kvaliteta (statiþka jaþina, istegljivost, dinamiþka izdržljivost, otpornost na habanje, koroziona otpornost, ravnomernost termiþke i elektriþne provodnosti i dr.), zavisi od traženih radnih osobina konstrukcije. 5.7.2 Parametarske jednaþine vruüih naprslina
Ove su jednaþine dobijene regresionom analizom rezultata velikog broja proba sklonosti þelika ka vruüim naprslinama (sl. 5.14). Najveüi broj tehnoloških proba odnosi se na metal šava, to znaþi na segregacione naprsline, mada se pokazalo da se izvedene jednaþine mogu primeniti i za ocenu sklonosti ka likvacionim naprslinama, tj. prslinama u ZUT-u. I ovde važi napomena da su rezultati dobijeni primenom parametarskih jednaþina samo informativnog karaktera i služe uglavnom za racionalizaciju skupih tehnoloških proba, odnosno za izbor režima zavarivanja tih proba (vidi glavu 7, priruþnik Tehnologija zavarivanja).
Slika 5.14 Vruüa naprslina u jednoprolaznom šavu
Prema ruskim izvorima, sklonost niskougljeniþnih þelika ka vruüim naprslinama može se oceniti pomoüu modifikovanog ekvivalentnog ugljenika (CEm):
CE m = C + 2 ⋅ S +
P Si - 0.4 Mn - 0.8 Ni Cu Cr - 0.8 + + + + + , %. 3 10 12 12 15 15
(5.53)
26
ýelici koji imaju CEm > 0.45% skloni su ka vruüim naprslinama i obrnuto. Japanski autori su izveli sledeüi izraz za ocenu sklonosti ka vruüim naprslinama (H.C.S.).*
Si Ni + ) ⋅ 103 25 100 . 3 ⋅ Mn + Cr + Mo + V
C ⋅ (S + P + H.C.S. =
(5.54)
Ocena sklonosti ka vruüim naprslinama po kriterijumu H.C.S. zavisi od vrste þelika. Tako su ugljeniþni i niskolegirani þelici skloni ka ovim naprslinama ako je H.C.S.>4, dok je za þelike povišene jaþine (Rm > 700 MPa) ta granica oštrija: H.C.S. > 2 za tanke limove i H.C.S. > 1.6 za debele limove. Pored globalne procene sklonosti ka vruüim prslinama pomoüu izraza CEm i H.C.S., još se za svrhe poreÿenja þelika iste klase odreÿuje ponekad temperaturski interval kristalizacije (ΔT = Tl - Ts) i kritiþna brzina deformisanja (vkrd). ýelici sa malom vrednošüu ΔT lako se zavaruju primenom dodatnog materijala sliþnog osnovnom (homogen spoj). Mnogi visokolegirani þelici i veüina neželeznih legura imaju veliku razliku izmeÿu likvidus (Tl) i solidus (Ts) temperature, pa se mora odabrati specijalni dodatni materijal da se u šavu smanji ΔT = Tl - Ts (heterogeni spojevi). Na ovaj naþin se stvara tzv. "eutektiþka ispuna" koja zaceljuje poþetne prsline. Za približnu procenu veliþina ΔT i vkrd koriste se sledeüi izrazi: - za ugljeniþne þelike ΔT = 238 ⋅ S + 56.7 ⋅ C − 3.6 ⋅ Mn ,
$
(5.55a)
C
v krd = 27.7 − 76 ⋅ C − 184 ⋅ S + 24 ⋅ Mn ,
mm / min
(5.55b)
- za legirane þelike ΔT = 609 ⋅ S + 113 ⋅ C + 20 ⋅ Si − 8.7 ⋅ Mn − 14 ⋅ Mo ,
$
C
v krd = 19 − 42 ⋅ C − 411 ⋅ S − 33 . ⋅ Si + 5.6 ⋅ Mn + 6.7 ⋅ Mo , mm / min
(5.56a)
(5.56b)
- za visokolegirane þelike ΔT = 609 ⋅ S + 113 ⋅ C + 20 ⋅ Si − 8.7 ⋅ Mn − 14 ⋅ Mo ,
v krd = 54 − 2.6 ⋅ ΔT + 0.034 ⋅ ΔT 2 ,
mm / min
$
C
(5.57a)
(5.57b)
Po prirodi stvari ovi izrazi služe za poreÿenje þelika iste klase i otporniji su na kristalizacione prsline oni koji imaju manju vrednost ΔT a veüu vkrd. 5.7.3 Parametarske jednaþine naprslina žarenja
U literaturi se daje više jednaþina bilo za ocenu sklonosti þelika ka naprslinama žarenja, ili za meÿusobno poreÿenje razliþitih þelika prema toj sklonosti. Tako se npr. za þelik koji sadrži: C ≤ 0.18%, Cr ≤ 1.5% preporuþuje izraz: ΔG = Cr + 3.3 ⋅ Mo + 81 . ⋅V - 2
(5.58)
þelici sa ΔG ≥ 0 skloni su ka visokotemperaturskim naprslinama žarenja, mada se uz odreÿene rezerve isti kriterijum može prihvatiti i za niskotemperaturske. Isto tako se uzima da je þelik koji ima ΔG = 0÷1 sklon ka naprslinama ispod navara (usled spontanog zagrevanja prethodnih zavara pri višeslojnom zavarivanju) što je sliþno termiþkoj obradi žarenja. ýelici hemijskog sastava: C = 0.1÷0.25%, Cr=0÷1.5%, Mo = 0÷0.20%, Cu = 0.1%, (V, Nb, Ti) = 0÷0.15% skloni su ka naprslinama (oba vida) ako je parametar PZ > 0:
*
Hot Crack Sensitivity.
27
P Z = Cr + Cu + 2 ⋅ Mo + 10 ⋅ V + 7 ⋅ Nb + 5 ⋅ Ti - 2
(5.59)
Za meÿusobno poreÿenje razliþitih þelika primenjuje se izraz: SP = 0.4 ⋅ Mn + Cu + 5 ⋅ Al - 3 ⋅ (Ti + Sn)
(5.60)
Osnovni materijal sa veüom vrednošüu SP više je osetljiv na naprsline žarenja nego materijal sa manjim SP. Za konaþnu ocenu sklonosti þelika ka prslinama žarenja treba izvesti tehnološke probe, npr. kružnu probu zavarljivosti BWRA (vidi glavu 7 priruþnika Tehnologija zavarivanja). 5.7.4 Parametarske jednaþine lamelarnih naprslina
Japanski istraživaþi su, polazeüi od þinjenice da lamelarno cepanje (sl. 5.15) kod debelih þeliþnih limova nastaje usled trakastih sulfidnih ukljuþaka i dejstva normalnih zatežuüih napona), izveli parametarsku jednaþinu:
PL = C +
Si Mn + Cu + Cr Ni Mo + V H + + + +5⋅ B+ +6⋅ S 30 20 60 15 60
(5.61)
Na osnovu ovog izraza þelik se smatra otpornim na lamelarno cepanje ako je PL ≤ 0.40. Jasno je da je ovakva procena samo informativna, jer se uzima u obzir jedino hemijski sastav þelika (C...B), sadržaj difundovanog vodonika (H) i sadržaj neþistoüa (S), a ne i drugi bitni þinioci: oblik sulfidnih ukljuþaka u þeliþnom limu, krutost spoja, osetljivost metalne matrice na zarez i tsl. Svi navedeni i drugi faktori mogu se uzeti u obzir praktiþnim izvoÿenjem odgovarajuüih proba za ocenu sklonosti ka lamelarnim naprslinama. U tom se smislu preporuþuju tehnološke probe, npr. Det Norske Veritas, proba Granfield i dr. (vidi glavu 7, priruþnik Tehnologija zavarivanja), kao i ispitivanje zatezanjem epruveta iseþenih u pravcu debljine lima.
5.8 Drugi pokazatelji zavarljivosti þelika Osim do sada navedenih karakteristika, za konaþnu ocenu zavarljivosti koriste se zavareni uzorci na kojima se ispituje: tvrdoüa u popreþnom preseku zavarenog spoja, mehaniþke osobine i žilavost. Slika 5.15 Lamelarne naprsline u ZUT-u Kao kontrolna veliþina, tvrdoüa je u pozitivnoj korelaciji sa jaþinom i negativnoj sa istegljivošüu. Isto tako se maksimalna dopuštena tvrdoüa povezuje sa sadržajem difundovanog vodonika, a u vezi sa pojavom hladnih naprslina. Za proraþun maksimalne tvrdoüe ZUT-a primenjuju se sledeüi izrazi: - za niskougljeniþne þelike (Rm < 300 MPa)
HV max = 90 + 1050 ⋅ C + 47 ⋅ Si + 75 ⋅ Mn + 30 ⋅ Ni + 31 ⋅ Cr + 40 ⋅ V
(5.62)
- za mikrolegirane i niskolegirane þelike i ql = 17 kJ⋅cm-1,
Si Mn + Cu + Cr Ni Mo + V § · + + +5⋅ B¸ i HV max = 1450 ⋅ ¨ C + + 30 20 60 15 © ¹
(5.63)
HV max = 812 ⋅ C - 293 ,
(5.64)
za brzinu hlaÿenja veüu od kritiþne, tj. za vreme t8/5 ≤ t100 što u KHZ- dijagramu odgovara þisto martenzitnoj strukturi (vidi sl. 5.6 i 5. 11).
28
Proraþunate tvrdoüe daju orijentacionu ocenu o moguünosti zavarivanja bez predgrevanja ili sa predgrevanjem. Tako se na primer, za C-Mn þelike smatra da tvrdoüa do 350 HV u zoni uticaja toplote nije opasna sa gledišta pojave hladnih naprslina. Za niskolegirane i mikrolegirane þelike dozvoljena tvrdoüa povezuje se sadržajem difundovanog vodonika (tab. 5.12). Tablica 5.12
H, cm3/100 g
>20
10÷20
5÷10
1÷5
HVmax
350
375
400
450
Pored poveüanja krtosti i sklonosti ka hladnim naprslinama, nagli porast tvrdoüe, npr. kod niskougljeniþnih þelika sa 190 HV na 400 HV, dovodi i do porasta osetljivosti zavarenog spoja na zarez. Zato se još uvodi i dopunsko ograniþenje:
HV max = (1.2 ÷ 1.3) HV OM ,
(5.65)
gde je: HVOM - tvrdoüa osnovnog materijala. Pri ispitivanju zatezanjem odreÿuje se jaþina na kidanje zavarenog spoja i ona uporeÿuje sa jaþinom osnovnog materijala (vidi glavu 8 priruþnika Tehnologija zavarivanja). Traži se da zavareni spoj ima jaþinu jednaku ili veüu od osnovnog materijala, što se uglavnom može ostvariti pravilnim izborom dodatnog materijala i osnovnih parametara zavarivanja. Po pravilu, jaþina se menja od središta šava, pa do kraja zone uticaja toplote, a ispitivanjem na makrouzorcima dobijaju se samo proseþne vrednosti. Simuliranjem temperaturskih ciklusa zavarivanja na uzorcima od osnovnog materijala, koji se potom ispituju zatezanjem, može se ustanoviti promena mehaniþkih osobina zavarenog spoja u pravcu popreþno na osu šava. Ova ispitivanja su skupa i obavljaju se uglavnom u istraživaþkim institutima. Udarna žilavost je veoma važna karakteristika zavarenog spoja, naroþito za konstrukcije koje rade u uslovima promenljivih optereüenja i na sniženim temperaturama. Ispitivanjem udarne žilavosti na epruvetama iseþenim iz razliþitih zona popreþnog preseka zavarenog spoja, može se ustanoviti njegovo kritiþno mesto (vidi glavu 8 priruþnika Tehnologija zavarivanja). U radnim uslovima promenljivih temperatura, npr. mostovskih konstrukcija, bitna je ne samo apsolutna vrednost žilavosti veü i tzv. prelazna temperatura, koja oznaþava srednju vrednost temperaturne oblasti promene žilavog loma u krt. Za odgovorne zavarene konstrukcije traži se da prelazna temperatura ne sme biti viša u zavarenom spoju nego u osnovnom materijalu. Zavareni spojevi kod kojih je prelazna temperatura viša nego kod osnovnog materijala, mogu se koristiti samo u zatvorenim prostorijama gde je temperatura viša od prelazne. Proraþun prelazne temperature na granici zone pod uticajem toplote i osnovnog materijala pri automatskom zavarivanju pod prahom, može se izvesti po jednaþini: Tpr = −70 + 290 ⋅ C + 28 ⋅ Mn + 46 ⋅ Cu + 25 ⋅ Cr + 23 ⋅ Mo - 6 ⋅ Ni , ° C
(5.66)
29
4. KONTROLA ZAVARENIH SPOJEVA - Vežba br. 5 (Prof. dr Milorad Jovanoviü, Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) 4.1
Ispitivanja sa razaranjem
Razlikuju se kontrole sa razaranjem i bez razaranja. Kontrola sa razaranjem izvodi se na uzorcima koji se isecaju iz pojedinih delova zavarenog spoja, ili na spoju u celini. Uglavnom se uzorci pripremaju za mehaniþka i metalografska ispitivanja. Od mehaniþkih proba najþešüe se izvode ispitivanje zatezanjem, ispitivanje savijanjem, ispitivanje udarne žilavosti, a od metalografskih makroskopsko i mikroskopsko ispitivanje.
4.1.1 Ispitivanje zatezanjem Ovim se ispitivanjem odredjuje otpornost zavarenog spoja na dejstvo spoljnih zatežuüih sila. Uopšte se probom na zatezanje odredjuje jaþina na kidanje (Rm, MPa), izduženje (A5, A11, %) i suženje (Z, %). Prilikom ovog ispitivanja, najpre se odredjuju mehaniþke osobine osnovnog materijala (sl. 4.1a), a zatim zavarenog spoja: na probama sa paralelnim (sl. 4.1b) i udubljenim bokovima (sl. 4.1c). Radna ili merna dužina nezavarene probe treba da bude L0 = 5⋅d0, gde je: d 0 = 11.3 ⋅ A0 . Ostale dimenzije probe, u mm, date su u tablici 4.1. Tablica 4.1
b0
H
W
L0
Lc
Lt
15
30
40
70
120
135
305
20
a0
R
>
a0
b0
H
a)
L0 Lc
h
h
Lt
R
a0
35
H
b0
b) Lc
šav
Lt
osa preseka R
a0
H
b0
c)
Lc Lt
Slika 4.1 Probe za ispitivanje zatezanjem: a) osnovnog materijala, b, c) zavarenih spojeva
1
Cilj ispitivanja zatezanjem je da se odrede sledeüe karakteristike osnovnog materijala: Zatezna þvrstoüa (jaþina na kidanje):
Rm =
Fm , A0
(4.1)
MPa .
Relativno procentualno izduženje: ΔL
A5 =
L0
⋅100 ,
(4.2)
%.
Napon teþenja ili tehniþki napon teþenja: Rp=
Fp A0
§ · ili ¨ R 0 ,2 = F 0 ,2 ¸ , A0 ¹ ©
(4.3)
MPa ,
gde je: Fm - maksimalna sila, N, A0 - površina poþetnog popreþnog preseka probe, mm2, ΔL - trajno izduženje prekinute probe, mm, Fp (F0,2) - sila na granici teþenja, N, L0 - poþetna dužina probe, mm. Modul elastiþnosti: E=
F ⋅ Le , ΔL ⋅ A0
(4.4)
MPa ,
gde je: F - sila zatezanja, N, Le - usvojena merna dužina ekstenzometra, mm, A0 - popreþni presek probe, mm, ΔL - izduženje (elastiþno), mm. Probe sa paralelnim bokovima (sl. 4.1b), namenjene su za odredjivanje mehaniþkih osobina spoja u celini; dimenzije proba (u mm) date su u tablici 4.2. Tablica 4.2 a0
do 20
20÷50
> 50
b0
25
30
30
H
35
40
40
Lt
250
300
350
LC - širina lica šava + 10 mm
Probe sa udubljenim bokovima (sl. 4.1c) namenjene su za odredjivanje mehaniþkih osobina samog šava; potrebne dimenzije (u mm) date su u tablici 4.3 (Lt = 250 mm). Tablica 4.3 a0
do 5
5÷10
10÷15
15÷20
20÷25
25÷30
b0
15
25
35
25
20
30
H
30
40
50
40
35
45
2
Zatezna jaþina spoja kao celine raþuna se po izrazu (4.1), a jaþina metala šava prema izrazu: R m = 0.926 ⋅
Fm , A0
MPa ,
(4.5)
gde se koeficijentom 0.926 koriguje prividno poveüanje jaþine nastalo kao posledica ometenog istezanja zbog oblika probe, tj. troosnog naponskog stanja. Prilikom analize dobijenih rezultata, treba imati u vidu þinjenicu da se zavaren spoj sastoji od osnovnog materijala, zone uticaja toplote i pretopljenog i izmešanog osnovnog i dodatnog materijala (šav, var). Mehaniþke osobine spoja u celini ne mogu se odrediti po principu najslabije karike u lancu, buduüi da i najslabija komponenta u zavarenom spoju ojaþava zbog ometanog deformisanja. Empirijska je þinjenica da se proba uglavnom razara u ZUT-u, što znaþi da je osnovni materijal oslabljen delovanjem termiþkih ciklusa. Suprotno, zavareni spojevi sa velikim defektima (ukljuþci troske, pore, neprovar) kidaju se na mestima greški. Izduženje se pri ispitivanju ne meri, jer se proba sastoji iz tri razliþita materijala (OM, ZUT, šav), koji se i drukþije izdužuju. Buduüi da je reþ o materijalima razliþitih jaþina i duktilnosti, kaže se da je zavaren spoj mehaniþki anizotropan. Stepen nehomogenosti izražava se koeficijentom mehaniþke neravnomernosti (km): < 1 - slabiji šav od osnovnog materijala s
km =
R0.2 R0.2
= 1 - homogen spoj
(4.6)
> 1 - jaþi šav od osnovnog materijala s
gde su : R0.2 i R0.2 - tehniþki napon teþenja šava i OM.
4.1.2 Ispitivanje savijanjem Rezultati dobijeni pri ispitivanju savijanjem služe za procenu plastiþnosti zavarenog spoja. Zavareni uzorci se posle odgovarajuüe pripreme podvrgavaju dejstvu sile savijanja (sl. 4.2). Ako se za vreme savijanja probe postigne najmanja tražena vrednost ugla savijanja bez pojave prsline, to je rezultat ispitivanja pozitivan (sl. 4.2b). Ako se u toku ispitivanja uoþe u šavu male prsline (sl. 4.2c) rezultat je negativan pod uslovom da je ugao savijanja manji od traženog.
Slika 4.2 Ispitivanje savijanjem: a) poþetni položaj, b) proba bez greški u šavu, c) prskanje šava pri malom uglu savijanja; 1- zavarena proba, 2- valjci za oslanjanje, 3- pritiskivaþ
Ispitivanje savijanjem koje ima za cilj da se odredi deformaciona sposobnost šava i zone uticaja toplote, izvodi se prema standardizovanim uslovima datim na slici 4.3. Dve probe, jedna sa licem šava u zoni zatezanja, a druga sa korenom šava u toj zoni, ispituju se neprekidnim savijanjem brzinom oko 2 mm/s, sve do pojave prsline veliþine preko 2 mm. Mera plastiþnosti je ugao savijanja pri pojavi prsline.
3
D
D Lice šava
za Rm < 412 MPa, D=2a Rm = 412-510, D=3a Rm > 510 MPa, D=4a
Koren šava
R
=
a
0. 2
a
b = 30 - 35
R
D + 3a D + 3a + 2R + 20
za a < 12 ; R = 25 za a > 12 ; R = 50
Slika 4.3 Ispitivanje savijanjem D/2
Garnitura alata za savijanje (D: 1.6; 3.2; 4.8; 6.4; 8.0; 9.5; 12.7; 15.9; 19.1; 25.4; 31.8; 38.1)
102
Epruveta Alat za savijanje D
32
Epruvetu savijati preko alata udarcima þekiüa koji ima nemetalnu prednju stranu
4D ali ne manje od 25.4 mm
Stega
Slika 4.4 Radioniþka proba savijanja sa šavom na radijusu
Za razliku od standardizovanih proba koje se izvode na laboratorijskim mašinama, radioniþko ispitivanje može se izvesti ruþno pomoüu þekiüa, stege i alata za savijanje (sl. 4.4). Ovim se ispitivanjem najlakše može proceniti plastiþnost zavarenog spoja, greške nalepljivanja, greške pri metalizaciji, navarivanju, ali i proveriti struþna sposobnost zavarivaþa. Naþin ispitivanja prikazan je na slici 4.4. Jedino što se posebno mora napraviti jeste garnitura alata radijusa od 2 do 35 mm, što znaþi od veoma oštre do blage krivine. Ispitivani uzorak se savija udarcima drvenog þekiüa ili þekiüa sa tvrdom kompozitnom ploþom na radnoj površini. Ako prelom nastane u šavu ili se spoj razdvoji, zavarivaþ neüe proüi na proveri struþne sposobnosti. Garnitura navedenih alata služi i da se odredi minimalni radijus savijanja lima bez opasnosti od pojave površinskih prslina. Ovo je bitno da bi se odredilo graniþno savijanje tankih ili debelih limova u okviru priprema profila za zavarivanje.
4.1.3 Ispitivanje udarne žilavosti Cilj ovog ispitivanja je da se odredi otpornost materijala na dejstvo udarnih dinamiþkih sila. Standardizovana udarna žilavost odredjuje se na suþeonim spojevima debljine preko 10 mm, jer to odgovara standardnom popreþnom preseku epruvete (probe) za metodu Šarpi. Odredjuje se žilavost: metala šava, zone stapanja i zone uticaja toplote (sl. 4.5a,b,c).
4
a)
b)
c)
Slika 4.5 Probe (Mesnager) za ispitivanje žilavosti
Udarna žilavost odredjuje se pomoüu Šarpijevog klatna na kome se oþitava raspoloživi rad (A1) i neutrošeni rad (A2) i zatim raþuna utrošeni rad za lom epruvete (Ao):
Ao = A1 − A2 ,
(4.7)
J
Kao merilo žilavosti po Šarpiju uzima se utrošeni rad za lom epruvete (A0) u Džulima (1J = 1 Nm). Žilavost se uglavnom ispituje pre izbora osnovnog materijala, dodatnog materijala, postupka i tehnologije (misli se na konaþan izbor) pri izradi znaþajnih zavarenih konstrukcija kao npr. sudova pod pritiskom, mostova i sliþnih spojeva kod kojih postoji opasnost od krtog loma. VGB
Žilavost na epruvetama VGB, Mesnager, ISO-V, VSM, ISO-U (ISA), Izod u J
300
Mesnager 250 ISO-V VSM 200
150 Izod ISO-U (ISA) 100
50
0
0
50
100
150
200
Žilavost na epruvetama DVM, u J
Slika 4.6 Poredjenje veliþina žilavosti odredjenih razliþitim metodama
U praktiþnim uslovima ponekad je potrebno medjusobno uporediti veliþine žilavosti odredjene razliþitim metodama. Iz tog razloga ovde se daje dijagram na slici 4.6 koji to omoguüava.
4.1.4 Metalografska ispitivanja Razlikuju se makroskopska i mikroskopska ispitivanja. Makroskopska ispitivanja se zasnivaju na posmatranju, golim okom ili sa lupom poveüanja do 20× malog uzorka iseþenog iz zavarenog spoja. Posle brušenja i poliranja površine popreþnog preseka dobija se tzv. "šlif", koji se nagriza specijalnim hemijskim sredstvom. Nagrizanje omoguüava da se uoþe metal šava, ZUT i osnovni metal (sl. 4.7). Na osnovu makroskopskih ispitivanja utvrdjuje se linija stapanja, regularnost zone uticaja toplote, kao i greške oblika šava i spoljni mehurovi, nalepine, ukljuþci troske i sl.
5
a)
b)
Slika 4.7 Makrostruktura zavarenog spoja: a) suþeonog i b) ugaonog
Mikroskopska ispitivanja zasnivaju se na posmatranju probe pod mikroskopom pri poveüanju 200-500× (i više). Posle poliranja i nagrizanja probe, postaje vidljiva mikrostruktura šava i zavarenog metala. Grubi kristali u šavu ili zoni uticaja toplote ukazuju na pregrevanje šava (sl. 4.8a). Ovakvi spojevi su obi þno krti što se može popraviti ako se zavareni deo normalizaciono žari þime se dobija ujednaþena i sitnozrnasta struktura (sl. 4.8b).
a)
b)
Slika 4.8 Struktura šava: a) pregrejanog, b) normalizaciono žarenog
4.1.5 Raspodela tvrdoüe u zavarenom spoju Iz definicije idealne zavarljivosti proizilazi da svi delovi zavarenog spoja-šav, osnovni materijal i ZUT, treba da budu jednakih mehaniþkih, fiziþkih i hemijskih osobina. U najvažnije mehaniþke osobine ubrajaju se: svojstva jaþine, tvrdoüa i žilavost. Jaþina je proraþunska karakteristika, a druge dve karakteristike posredno ukazuju na sklonost zavarenog spoja ka hladnim prslinama ili krtom lomu. ývrstina šava u ZUT-u se menja od sloja do sloja, zavisno od termiþkog ciklusa kojima su oni bili podvrgnuti. Zbog male širine tih slojeva ne mogu se izraditi probe za kontrolu jaþine u ZUT-u. Jedino se pri ispitivanju zatezanjem na popreþno izrezanim probama, mogu odrediti svojstva otpornosti spoja u celini, o þemu je veü bilo reþi u poglavlju o ispitivanju zatezanjem. Merenjem tvrdoüe (sl. 4.9 i sl. 4.10) popreþno na šav, može se proceniti kako se menjaju svojstva otpornosti. Na slici 4.9 dat je primer gasnog (I) i REL- zavarivanja (II) sa širinama ZUT-a, 30 mm sa obe strane šava za gasno i 10 mm za ruþno elektroluþno zavarivanje. Na slici 4.10, raspodela tvrdoüe prikazana krivom "a" odgovara dobro zavarljivom þeliku koji ne pokazuje transformacionu krtost, dok kriva "b" odgovara þeliku sa izrazitim poveüanjem tvrdoüe u ZUT-u.
6
Tvrdoüa HB
600
I
400
s = 4 mm
II
200
0 15 30 45 45 30 15 Presek zavarenog spoja ( mm )
Slika 4.9 Raspodela tvrdoüe u spoju (þelik: 0.22% C, 4.3% Ni, 1.22% Cr, 0.32% Mo) 440
HV
360
TVRDOûA
400
320
b
280 240 a
200 160 metal šava
osnovni materijal
ZUT
1 mm
prelaz
Slika 4.10 Suþeoni spoj: a) niskougljeniþnog i b) niskolegiranog þelika ZUT
ŠAV
ZUT
OM
Tvrdoüa, HV
OM
Slika 4.11 Suþeoni spoj hladno ojaþanih limova
7
Iz navedenih primera se da zakljuþiti da je zavaren spoj, zavisno od vrste þelika, manje ili više heterogenih mehani þkih osobina. S obzirom na zahtevanu ravnomernost, obiþno se dopušta da najveüa tvrdoüa u ZUT-u bude najviše za 20 do 30% veüa od tvrdoüe osnovnog materijala. U protivnom, neophodno je predgrevanje i/ili žarenje posle zavarivanja. Kod nekih materijala, na primer deformaciono ojaþanih limova, dolazi do pada tvrdoüe u ZUT-u (sl. 4.11), gde god je temperatura u toku zavarivanja nadmašila prag rekristalizacije. Oþigledno, u tom pojasu ZUT-a jaþina je manja od jaþine osnovnog materijala i nema naþina da se ona povrati; otkivanje ili klepanje, odnosno ojaþanje na hladno, ovde se ne može primeniti. Kao što je više puta reþeno, glavni razlog ograniþavanja tvrdoüe, jeste da se spreþe hladne ili vodonikom indukovane prsline. Stoga se za þelike sa CE > 0.40% mora smanjiti brzina hladjenja i sniziti sadržaj vodonika u metalu šava. Brzina hladjenja se smanjuje predgrevanjem zavarivanih delova, poveüanjem pogonske energije, poveüanjem preþnika elektrode. Sadržaj vodonika opada ako se elektrode ili prah (EPP) osuše pre zavarivanja, ako se oþiste stranice zavarivanih delova od rdje, boje, ulja, masti i sl. Koncentracija vodonika (H) u metalu šava, pri zavarivanju celuloznim elektrodama, dostiže 25 do 30 cm3/100 g, a kod baziþnih sušenih 4 do 8 cm3/100 g. Ako se zona rastapanja prezasiti vodonikom dolazi do njegove difuzije u hladnije zavarivane delove. Vodonik prelazi u ZUT, ali ne izlazi iz te zone. U toku daljeg hladjenja difunduje do mesta diskontinuiteta, jer je graniþna rastvorljivost vodonika u Į- gvoždju na obiþnoj temperaturi oko 1 cm3 na 100 g metala. Na prekidnim mestima - gasnim mehurovima, ukljuþcima na granicama zrna - atomni vodonik prelazi u molekularni, što je praüeno visokim lokalnim pritiscima. Istovremenim delovanjem ovih unutrašnjih napona, te termiþkih i eventualno strukturnih napona, može se nadmašiti jaþina materijala, što kod krtih strukturnih transformacija (HV > 350) dovodi do pojave prslina. 4.1.5.1 Merenje tvrdoüe zavarenih spojeva Tvrdoüa se meri poznatim metodama: Vikers (HV), Brinel (HB), Rokvel (HRC). Probe se pripremaju za ispitivanje, najpre poravnjavanjem lica i korena šava sa osnovnim materijalom, a zatim brušenjem. Isto tako neophodno je nagrizanje da bi se otkrile granice šava i zone uticaja toplote, radi merenja tvrdoüe u svim zonama spoja.
Slika 4.12 Tvrdoüa navara: 1) bez predgrevanja 2) sa predgrevanjem (Tp=200°C)
8
a)
3
2
1
2
3
3
b)
2
3
1
3 2 c)
3
2
3
2
1 2
3
1
3
2
e)
d)
f)
1
3
2
2
1
3
3
Slika 4.13 Merenje tvrdoüe: a) suþeoni spoj deblji od 15 mm, b) suþeoni elektrootporski spoj, c) suþeoni spoj debljine 5-15 mm, d) ugaoni šav T-spoja, e) suþeoni spoj debljine manje od 5 mm, f) taþkasti elektrootporski spoj
Kao kriterijum za ocenu transformacione krtosti uzima se najveüa tvrdoüa izmerena ispod zavara (sl. 4.12). U zavarenim spojevima tvrdoüu treba meriti na mestima obeleženim na slici 4.13. Na suþeonim spojevima debljine veüe od 15 mm tvrdoüa se meri duž tri linije: u blizini lica šava, do korena šava i po sredini (sl. 4.13a). Za suþeone spojeve debljine 5 do 15 mm preporuþuju se dve linije merenja: srednja i uz lice šava (sl. 4.13c). Najzad se za spojeve ispod 5 mm debljine, tvrdoüa meri samo po srednjoj liniji (sl. 4.13e). Na slici 4.13b,d,f oznaþena su mesta merenja tvrdoüe suþeonog elektrootporskog spoja, T-spoja i taþkasto zavarenog spoja.
4.2
Ispitivanje bez razaranja
U ispitivanja bez ošteüenja zavarenog spoja spadaju spoljašnji pregled (vizuelna kontrola), proba nepropustljivosti (hermetiþnosti), radiografske probe (rendgenskim x i Ȗ- zracima), magnetna i ultrazvuþna ispitivanja. Vizuelna kontrola ima za cilj da se ustanovi da li dimenzije i oblik šava odgovaraju tehniþkoj dokumentaciji. Takodje se mogu uoþiti neke spoljne greške koje utiþu na mehaniþke osobine zavarenog spoja. Probe hermetiþnosti zavarenog spoja izvode se pomoüu nafte i krede, penetranata, vodene probe ili pomoüu komprimovanog vazduha. Proba nepropustljivosti pomoüu nafte izvodi se tako što se sa strane korena šava nanese prah krede, a lice šava obilno se nakvasi naftom. Prolazak nafte kroz šav, i zatamnjenje sloja krede, svedoþi o nehermetiþnosti spoja. Vreme trajanja probe mora iznositi najmanje 1 h, a pri preciznijem ispitivanju oko 8 sati. Proba hermetiþnosti pomoüu penetranata ili kapilarne defektoskopije, tj. obojene teþnosti za otkrivanje grešaka, obavlja se posle pažljivog þišüenja ispitivane površine. Penetrant se sastoji od dve teþnosti - crvene i bele. Najpre se oþišüena površina kvasi crvenom teþnošüu, a posle 5 min ona se uklanja vatom, a zatim se ispitivana površina kvasi belom teþnošüu (izazivaþem). Na mestima prslina pojavljuju se na beloj osnovi izrazito crveni zarezi, þija širina ukazuje i na dubinu prsline (sl. 4.14).
9
II
I - ultraljubiþasta svetlost II - obiþna svetlost III - oko posmatraþa
III
I
aT
x
Slika 4.14 Shema kapilarne defektoskopije
Proba hermetiþnosti pomoüu komprimovanog vazduha izvodi se pod pritiskom vazduha višim 1.5-2.5 puta od radnog pritiska. Zavareni spojevi se posle detaljnog þišüenja premazuju sapunicom i zatim, kad se uvede vazduh pod pritiskom, vizuelno prati da li üe se pojaviti mehurovi sapunice. Mali rezervoari podvrgnuti pritisku vazduha mogu se potopiti u kadu sa vodom, sliþno kao što se kontroliše unutrašnja automobilska guma posle krpljenja. Probe hermetiþnosti pomoüu vodenog pritiska obavljaju se punjenjem posude vodom i posmatranjem sa spoljašnje strane. Curenje ili vlaženje svedoþe o nehermeti þnosti zavarenog spoja. Rendgensko ispitivanje zasniva se na prodiranju x- zrakova stvorenih u rendgenskoj lampi (sl. 4.15) izloženoj visokom naponu. Elektroni emitovani iz katode (spiralne volframske žice) udaraju o anodu i tu se emituju x- zraci koji se usmeravaju na šav (var). Mesta greški u zavarenim spojevima, npr. neprovar, nemetalni ukljuþci i pore, lakše propuštaju x- zrake i fotografska ploþa - film (na suprotnoj strani spoja) postaje više osvetljena. Neke greške, npr. nadvišenje šava, dovode do slabijeg osvetljavanja ploþe. Posle razvijanja ploþe dobija se radiogram (snimak) na kome se mogu uoþiti greške na osnovu tamnijih i svetlijih mesta. katoda
anoda
vakuum
volframska spirala
x (rendgenski) zraci var film
Slika 4.15 Shema ispitivanja zavarenog spoja rendgenskim zracima
Ispitivanje Ȗ- zracima izvodi se pomoüu specijalnih radioaktivnih izotopa: kobalta, cezijuma, iridijuma. Ampule sa radioaktivnim izotopom postavljaju se na ispitivano mesto sa jedne strane spoja, a sa druge strane stavlja se najpre ploþa, a preko nje zaštitna olovna folija. Gama zraci prolaze kroz šav i osvetljavaju ploþu na kojoj se mogu uoþiti mesta greški. Za cevi ili rezervoare veüeg preþnika ispitivanje se izvodi po krugu (sl. 4.16a), a za manje preþnike po elipsi (sl. 4.16b).
a)
b)
Slika 4.16 Shema ispitivanja zavarenih cevi Ȗ- zracima: a) prosvetljavanje po krugu, b) prosvetljavanje po elipsi: 1- cev, 2- dovodjenje izotopa, 3- izotop, 4- fotografska ploþa, 5- olovna zaštita, 6- Ȗ- zraci
10
Magnetno ispitivanje izvodi se pomoüu mešavine gvozdenog praha i mašinskog ulja kojom se posipaju dobro oþišüene površine ispitivanog metala. Zatim se specijalnim elektromagnetnim uredjajem obrazuje magnetno polje na ispitivanom odseþku zavarenog spoja. Ako spoj sadrži površinske greške ili se one nalaze na dubini do 6 mm, onda üe linije magnetnog polja menjati svoj pravac zbog prekida metala, a gvozdeni prah üe se skupljati oko greške i na taj naþin otkriti mesto greške (sl. 4.17).
Slika 4.17 Shema magnetnog ispitivanja: 1- zavarena ploþa, 2- elektrode za dovod elektriþne struje, 3- gvozdeni prah, 4- prslina u šavu
a)
b)
Slika 4.18 Ultrazvuþna kontrola: a) metod prigušenja, b) exo-metod
Ultrazvuþno ispitivanje izvodi se pomoüu ultrazvuþnih talasa visoke frekvencije (0.5-6 miliona oscilacija (impulsa) u sekundi, (MHz)). Ultrazvuþni talasi uvode se u ispitivani metal pomoüu sonde (glava i davaþ), a u nekim sluþajevima ispitivana površina se kvasi mineralnim uljem ili vodom, da bi se dobio akustiþni spoj izmedju ispitivanog predmeta i sonde. Ako na putu kretanja talasa kroz metal postoji greška u obliku mehurova, troske, prslina, nalepina ili drugih nekompaktnosti metala nastaje prelamanje i odbijanje tih talasa i njihovo vraüanje do izvora emitovanja-eho efekat (sl. 4.18b). Izvor talasa je elektroakustiþni pretvaraþ, koji na bazi piezoelektriþnog efekta pretvara elektriþne oscilacije u mehaniþke oscilacije i obrnuto. Ultrazvuþni talasi odaslati iz davaþa odbijaju se delom od površine greške, a delom od suprotne površine predmeta, te se vraüaju u pretvaraþ u kome se transformišu u elektriþni napon. Taj napon se pojaþava u pretvaraþu i izaziva svetlosni impuls na ekranu oscilografa, koji ukazuje na postojanje i lokaciju greški u unutrašnjosti ispitivanog materijala (sl. 4.19).
11
a)
b)
Slika 4.19 Izgled ultrazvuþnih uredjaja (a) i oblici izlaznih signala (b)
Ultrazvuþno ispitivanje ne koristi se samo za zavarene spojeve, veü i za kontrolu raznih mašinskih delova, npr. zup þanika, osovina, kolenastih vratila.
4.3
Klasifikacija greški u šavovima
Greške koje nastaju u zavarenim spojevima dele se na dve osnovne grupe: spoljašnje i unutrašnje. U spoljašnje greške zavarenih spojeva spadaju: neprovarivanje, prokapljine, preveliko nadvišenje šava, ulegnuüe šava, zajedi krateri, prsline (sl. 4.20 i sl. 4.21a). U unutrašnje greške se ubrajaju: poroznost, ukljuþci troske, neprovar na stranicama žleba, pregrevanje i oksidacija metala šava.
4.3.1 Spoljašnje greške Neprovar korena žleba (sl. 4.20a) nastaje uglavnom kad se limovi deblji od 4 mm zavaruju bez zakošavanja stranica, ostavlja suviše mali razmak izmedju spajanih delova ili se zavaruje suviše brzo. Glavni uzrok neprovarivanja može biti takodje i nepravilno vodjenje elektrode u toku zavarivanja što je povezano sa problemom pretapanja materijala po celoj debljini. Neprovar u zavarenim spojevima veoma je opasna greška, jer umnogome smanjuje jaþinu šava na kidanje, a naroþito na savijanje i smicanje, što dovodi do brzog pucanja korena šava zbog efekta zareza.
Slika 4.20 Spoljašnje greške zavarenih spojeva; a) neprovar, b) prokapljine, c) prekomerno nadvišenje šava, d) ulegnuüe šava, e) dvostrani zajedi, f) krateri
12
Prokapljine u korenu šava (sl. 4.20b) nastaju usled veüeg rastojanja izmedju ivica, pri zavarivanju strujom veüe jaþine, kao i suviše sporom vodjenju elektrode duž ose žleba. Spojevi sa velikim prokapljinama pokazuju veüu sklonost ka pucanju na mestima na kojima se pojavljuju zarezi. Prekomerne prokapljine poveüavaju presek šava, a samim tim i vreme zavarivanja, kao i potrošnju gasova i dodatnog materijala. Ponekad je takodje potrebno da se prekomerne prokapljine iseku ili prebruse, što znatno poveüava cenu zavarivanja. Kod zavarivanja cevi (šavnih cevi) velike prokapljine poveüavaju otpor proticanju gasova ili teþnosti. To dovodi do pada pritiska, a mogu se takodje odvajati odseþci ili "ledenice" i izazvati havariju u pogonskim uredjajima (npr. pumpama, turbinama). Veliko nadvišenje šava (sl. 4.20c) nastaje pri prekomernom polaganju dodatnog materijala iznad površine spajanih delova. Grub šav obrazuje zareze koji dovode do slabljenja spoja što prouzrokuje brzo pucanje, naroþito pri promenljivom optereüenju i savijanju. Veüe nadvišenje šava predstavlja "mrtav" materijal (koji ne radi) zahteva veüu potrošnju gasova, dodatnog materijala i vremena rada, a osim toga izrada takvih spojeva smanjuje produktivnost rada i poveüava cenu izrade. Visina nadvišenja treba da bude 10-15% debljine zavarenih delova. Ulegnuüe šava javlja se zbog nepopunjavanja celog žleba dodatnim materijalom (sl. 4.20d). Šav ima manji presek i stoga manju jaþinu. Ovu grešku neophodno je popraviti polaganjem još jednog sloja. Zajedi (jednostrano ili dvostrano podsecanje ivica) (sl. 4.20e) nastaju pri nepravilnom kretanju elektrode i pri upotrebi suviše jake struje; to slabi spoj i daje neujednaþen sastav šava. Sklonost ka pojavi veüih zajeda najþešüa je kad se debeli limovi zavaruju u vertikalnom i zidnom položaju nepravilnom tehnikom zavarivanja. Krateri nastaju pri preranom završetku šava. Zbog toga kraj šava þesto ostaje vidljivo udubljen jer nije bilo dovoljno stopljenog dodatnog materijala (sl. 4.20f). Da bi se spreþila pojava kratera, potrebno je pri završetku šava kratko zadržati žicu da bi se ostvarilo popunjavanje nedostajuüeg dela šava. Prsline šava mogu nastati zbog loše tehnike zavarivanja, znatnih napona skupljanja, kao i zakaljivanja šava ili zone uticaja toplote. Pored otvorenih prslina (sl. 4.21a) mogu se takodje pojaviti u šavu ili ZUT-u i unutrašnje prsline kao posledica preoptereüenja šava unutrašnjim naponima i velikog sadržaja sumpora i vodonika.
4.3.2 Unutrašnje greške zavarenih spojeva Poroznost tj. pore i mehurovi nastaju zbog rastvaranja gasova u teþnom metalu i njihovog zadržavanja u oþvrslom šavu usled brzog hladjenja (sl. 4.21b). Pore i mehurovi smanjuju presek šava, a osim toga gasni mehurovi zbog natpritiska smanjuju jaþinu spoja. Ukljuþci troske javljaju se zbog prelivanja rastopljene troske preko teþnog metala ili nedovoljno oþišüenog zavara posle svakog prolaza, a ponekad i zbog nedovoljne zaštite šava od kiseonika iz vazduha. Ukljuþci troske mogu takodje nastati pri zavarivanju metala pokrivenih oksidima, bojom ili drugim neþistoüama. Troska nastala unutar šava kao nemetalni ukljuþak (sl. 4.21c) smanjuje presek i jaþinu spojeva. Neprovar na stranicama žleba ili prilepljivanje u stvari je prekid povezivanja osnovnog materijala sa dodatnim. Najþešüe se javlja u sluþaju kad se žica topi brže nego osnovni materijal. Teþan dodatni materijal se onda prilepljuje za nerastopljene stranice žleba i ne obrazuje sa njima spoj. Šav sa greškom prilepljivanja slab je i nehermeti þan.
Slika 4.21 Unutrašnje greške zavarenih spojeva
Pregrevanje šava je posledica dugotrajnog zagrevanja šava i dodatnog porasta temperature pri višeslojnom zavarivanju. Pregrevanje dovodi do porasta zrna u šavu, te on postaje grubozrnast, krt i
13
sklon prslinama. Otklanjanje posledica pregrevanja moguüe je naknadnim normalizacionim žarenjem zavarenog spoja pri temperaturi oko 900°C. Oksidacija šava nastaje pri zavarivanju elektrodama sa ošteüenom oblogom, kao i pri suviše velikom udaljenju vrha elektrode od zavarivanog materijala. Obrazovani oksidi rastvaraju se u teþnom metalu šava, a za vreme oþvršüavanja izdvajaju se na granicama metalnih zrna, ostajuüi u metalu šava kao nemetalni ukljuþci.
14
4. ISPITIVANJE TAýKASTO ZAVARENIH SPOJEVA - vežba br. 5 (Prof. dr. Milorad Jovanoviü, Dr Vukiü Laziü, vanr. prof.) Elektrootporsko taþkasto zavarivanje ima najveüu primenu pri izradi školjki automobila, kabina kamiona i drugih limenih proizvoda. Postupak se svrstava u termo-mehaniþke naþine zavarivanja, jer se þvrst spoj izmedju preklopljenih delova ostvaruje kombinovanim dejstvom toplote i sile pritiska (sl. 4.1). Mada se najviše izradjuju spojevi od dva lima, moguüe su i kombinacije sa više limova. U svakom sluþaju se kroz delove propušta elektriþna struja velike jaþine, napona (U<10 V), u toku veoma kratkog vremena (0.06÷3 s). Kada se struja iskljuþi, "formiranje soþiva" - rastopljenog jezgra - se završava pod još ukljuþenom silom pritiska. sila el. struja
elektroda soþivo
lim
elektroda
sila Slika 4.1 Shema taþkastog zavarivanja
Aparati za taþkasto zavarivanje mogu biti stacionarni i pokretni (zavarivaþka klješta) (sl. 4.2).
limovi
elektrode
a)
soþivo
b) Slika 4.2 Shema stacionarnog (a) i pokretnog (b) aparata
Zavarivaþka klješta mogu imati sopstveni transformator, ili se više klješta može napajati iz zajedniþkog. Kod nekih konstrukcija suprotna strana može biti nepristupaþna, pa se taþkasto zavaren spoj mora izvesti prema shemi na slici 4.3.
1
elektrode
Cu a)
Cu
b)
c)
Slika 4.3 Jednostrano taþkasto zavarivanje
Elektrode za taþkasto zavarivanje imaju sasvim drugu ulogu nego elektrode kod drugih postupaka. Osnovna uloga elektroda je zatvaranje strujnog elektriþnog kola, provodjenje elektriþne struje, prenošenje sile zavarivanja i odvodjenje toplote. Zbog toga su elektrode izložene visokim mehaniþkim optereüenjima i zamornim termiþkim ciklusima. Izradjuju se od legura: Cu-Cr, Cu-Cr-Zr i u najnovije vreme na bazi disperzno otvrdnutih materijala-disperzno ojaþani bakar.
Slika 4.4 Zavisnost minimalnog preþnika jezgra od debljine lima
4.1 Parametri taþkastog zavarivanja Osnovni parametri taþkastog zavarivanja (jaþina struje Iz, sila pritiska Fz, vreme zavarivanja tz i preþnik vrha elektrode de) biraju se tako da preþnik rastopljenog jezgra (soþiva) odgovara približno preþniku vrha elektrode odnosno podacima iz tablice 4.1. Zavisnost preþnika jezgra od ekvivalentne debljine zavarivanih delova prikazana je na slici 4.4. Preþnik vrha elektrode de usvaja se prema ekvivalentnoj debljini lima (s) i u zavisnosti od vrste zavarivanih materijala, npr. d e = 5 ⋅ s - za niskougljeniþne þelike, d e = 4 ⋅ s - za visokolegirane þelike, d e = 10 ⋅ s - za aluminijum itd. Kao kriterijum postojanosti elektroda usvaja se broj taþaka do proširenja
preþnika vrha elektrode za 20%. Prekoraþenjem te vrednosti, neophodno je ponovno preoštravanje vrha elektrode na poþetnu meru, jer se uveüanim preþnikom dobijaju spojevi lošijeg kvaliteta. Kod elektroda za zavarivanje Al i njegovih legura kriterijum postojanosti jeste zaprljanost vrha elektrode.
2
Tablica 4.1 Izbor preþnika jezgra za razliþite metale i debljine
ýelici sa sadržajem C ≤ 0.2%* Ekvivalentna debljina limova, s , mm
Lake legure
Preþnik jezgra, mm
Ekvivalentna debljina limova, s , mm
Preþnik jezgra, mm
s≤1
4⋅ s
s≤3
4⋅ s
1 < s ≤ 3.5
5⋅ s
s>3
5⋅ s
3.5 < s ≤ 5
5.5 ⋅ s
-
-
s>5
6⋅ s
-
-
* za þelike sa sadžajem C > 0.2% moraju se primeniti posebna, projektna i tehnološka uputstva.
Preþnik vrha elektrode za sluþaj taþkastog zavarivanja dva ili tri lima jednakih ili razliþitih debljina, odredjuje se na osnovu tzv. ekvivalentne debljine lima, prema tablici 4.2. Tablica 4.2 Odredjivanje ekvivalentne debljine za zavarivanje 2 ili 3 lima jednakih ili razliþitih debljina A B
A B
A B C
A B C
A=B Ekvivalentna debljina = A
A
A=B=C Ekvivalentna debljina = A
C > A >B Ekvivalentna debljina = A
1 A max = C 2.5
A 1 max = B 4 A B C
A B C
A B C
A B C
C>B>A Ekvivalentna debljina = B
A=C>B Ekvivalentna debljina = A
B=C>A Ekvivalentna debljina = B
A=C
A 1 max = C 2.5
A 1 max = C 2.5
A B C
B>C>A Ekvivalentna debljina = C max
A 1 = C 2.5
A B C
A=B
A 1 = C 2.6
Ostali parametri zavarivanja (Iz, tz, Fz) odredjuju se na osnovu tzv. ekvivalentne debljine lima, npr. Iz =6500⋅s (A), tz=(0.16÷0.36)⋅s (s) i F z = p ⋅ d e 2 ⋅ π 4 - za niskougljeniþne þelike debljine s=1÷3 mm i p=49÷118 MPa, ili usvajaju iz odgovarajuüih preporuka što je u praksi þešüi sluþaj. Nakon kontrole ostvarenog spoja bira se odgovarajuüi režim zavarivanja. U tablicama 4.3, 4.4 i 4.5 date su preporuþene vrednosti za izbor parametara taþkastog zavarivanja za niskougljeniþne þelike (C<0.25%), nerdjajuüe þelike i za taþkasto zavarivanje lakih legura (aluminijuma). Kada se zajedno zavaruju tri lima, zahtevi za otpornost na smicanje i veliþinu jezgra (soþiva) propisuju se posebno za svaki par limova.
3
Tablica 4.3 Parametri taþkastog zavarivanja niskougljeniþnih þelika
Zavarivanje - klasa A
Zavarivanje - klasa B
Zavarivanje - klasa C
("oštar" režim)
("srednji" režim)
("blag" režim)
s
de
tz
Fz
Iz
Fr**
tz
Fz
Iz
Fr
tz
Fz
Iz
Fr
mm
mm
per*
kN
kA
kN
per
kN
kA
kN
per
kN
kA
kN
0.5
4.5
6
1.35
6.1
2.5
9
0.90
5.2
2.25
20
0.43
3.9
1.8
0.6
4.5
6
1.55
6.8
3.15
10
1.05
5.7
2.5
22
0.50
4.3
2.5
0.7
4.5
7
1.7
7.5
3.7
12
1.10
6.2
3.4
24
0.58
4.6
3.2
0.8
5.5
8
1.9
8.1
4.5
14
1.25
6.6
4.3
27
0.63
4.9
3.6
0.9
5.5
9
2.1
8.7
5.2
15
1.40
7.0
5.0
30
0.72
5.2
4.5
1.0
5.5
10
2.3
9.3
6.0
17
1.55
7.1
5.65
32
0.81
5.5
5.4
1.2
6.2
11
2.8
10.3
7.5
20
1.80
8.0
7.2
35
0.90
6.0
6.3
1.5
6.2
14
3.5
11.5
10.0
25
2.20
9.0
9.5
40
0.11
6.7
9.3
1.8
6.2
16
4.2
12.8
13.0
29
2.65
9.8
12.2
45
1.35
7.4
11.8
2.0
7.0
18
4.8
13.5
15.5
34
3.00
10.3
14.0
48
1.55
7.8
13.5
2.5
7.0
21
6.1
15
21.0
40
3.70
11.5
19.0
56
1.80
9.0
18.0
3.0
7.0
21
7.7
16.6
28.0
48
4.70
12.7
25.5
63
2.30
9.7
23.5
* - vreme zavarivanja izražava se u per = 1/50 Hz = 0.02 s ** - minimalna sila razaranja koju zavareni spoj mora da izdrži pri smicanju.
Tablica 4.4 Parametri taþkastog zavarivanja nerdjajuüeg þelika
Preþnik i oblik elektrode R75
Debljina lima,
Sila na elektrodi,
Vreme zavarivanja,
Fz
tz
Jaþina struje zavarivanja,
s
d D
mm
D, mm
d, mm
kN
per
kA
0.5
12.5
4
1.8
4
4
0.8
12.5
4.5
3.0
5
6
1.0
16
5
4.0
7
7.6
1.5
16
6
6.5
10
11
2.0
16
7
9.0
12
14
2.5
16
7.5
12.0
15
16
3.0
25
8.5
15.0
18
18
D
Iz
4
Tablica 4.5 Parametri taþkastog zavarivanja lakih legura(aluminijuma)
Preþnik i oblik elektrode
R
Debljina lima, s
Sila na elektrodi,
Vreme zavarivanja,
Fz
tz
Jaþina struje zavarivanja, Iz
D
mm
D, mm
R, mm
kN
per
kA
0.5
16
50
1.8
5
18
0.8
16
50
2.3
6
25
1.0
16
75
2.7
7
30
1.5
16
75
3.4
9
35
2.0
25
100
3.9
10
41
2.5
25
100
5.0
12
50
3.0
25
100
6.0
12
60
4.2 Metodi kontrole taþkasto zavarenih spojeva Taþkasto zavareni spojevi povremeno se kontrolišu na uzorcima zavarenim istom tehnologijom kao i dati proizvod. Kvalitet izvedenog zavarivanja se utvrdjuje tehnološkim probama, ispitivanjem mikrostrukture i odredjivanjem jaþine spoja. Dimenzije proba za odredjivanje jaþine spoja date su u tablici 4.6. Pri ispitivanju zatezanjem razaranje može nastati: smicanjem soþiva, þupanjem soþiva i kidanjem lima. Razaranje þupanjem (otkopþavanjem) soþiva dešava se kod materijala veüe plastiþnosti (legure AlMn, Al-Mg) i uopšte kod spojeva na tanjim limovima (0.3÷0.8 mm). Spojevi limova velike jaþine ili velike debljine razaraju se smicanjem. Tom prilikom otkrivaju se unutrašnje greške soþiva:naprsline, poroznost, prskotine (rasprskivanje). Zavareni spojevi koji se razore kidanjem lima pokazuju da nisu pravilno dimenzionisani (mala širina ili preklop b). Tehnološke probe za odredjivanje nekih drugih karakteristika date su na slici 4.5. Za preciznije odredjivanje dimenzija soþiva, dubine otiska elektroda i otkrivanje eventualnih grešaka, izradjuje se šlif za ispitivanje mikrostrukture. Šlif se pravi popreþnim isecanjem spoja kroz centar šava i dalje obradjuje poznatim postupkom. Tablica 4.6 Dimenzije limova za ispitivanje zatezanjem 0.3
0.5
0.8
1.0
1.2
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
b, mm
15
15
20
20
25
25
25
30
30
40
50
50
l, mm
75
75
100
100
100
100
100
125
125
150
150
200
s
s, mm
b
b
l
5
4.3 Merenje osnovnih parametara taþkastog zavarivanja Najvažniji parametar-efektivna vrednost struje zavarivanja ne može se direktno izmeriti jer je prejaka za obiþne merne instrumente. Zato se koriste strujni transformatori koji se postavljaju oko elektrode (prstenasti transformator), a na njihovim izvodima se vezuju specijalni analogni ili digitalni merni uredjaji. U toku procesa zavarivanja u prstenastom transformatoru (kalemu Rogovskog ) se indukuje elektriþna struja þija jaþina zavisi kako od struje zavarivanja tako i od broja navojaka u prstenu. Odgovarajuüim baždarenjem svakog mernog prstena moguüe je na ampermetru registrovati efektivnu jaþinu struje u sekundarnom kolu aparata za zavarivanje.
a)
b)
c)
Slika 4.5 Probe za: a) preþnik soþiva, b) moment savijanja i c) normalnu silu
Sila pritiska može se izmeriti pomoüu mehaniþkih dinamometara, hidrauliþnih dinamometara, mernih traka ili direktnim oþitavanjem pritiska komprimovanog vazduha za pomeranje elektroda. Zavisnost izmedju pritiska vazduha oþitanog na manometru ugradjenom kod veüine aparata za zavarivanje i sile pritiska realizovane na elektrodama, utvrdjuje se merenjem sile pri razliþitim pritiscima vazduha. Pomoüu mernih traka na nosaþima elektroda može se meriti promena sile pritiska u fazi formiranja soþiva. Za merenje jaþine struje, vremena i sile pritiska postoje savremeni univerzalni merni uredjaji koji pored navedenih parametara mogu meriti i druge elektriþne veliþine bitne za kvalitet izvedenih spojeva.
6
