Zavarivanje I - Skripta

SKRIPTA ZA UČENJE iz kolegija

ZAVARIVANJE I prof. Slobodan Kralj

by Marin Varenina

LITERATURA: [1] ... Kralj, Andrić: "Osnove zavarivačkih i srodnih postupaka"

[2] ... Lukačević: "Zavarivanje" [3] ... Grbin, Kovačević, Živčić: "Elektrolučno zavarivanje u zaštiti plinova" [4] ... Hrivnjak: "Zavarljivost čelika" [5] ... Messler: "Joining of Materials and Structures" [6] ... Lippold, Kotecki: "Welding Metallurgy of Stainless Steels" [7] ... Thompson: "Handbook of Mold, Tool and Die Repair Welding" [8] ... http://www.fortunecity.com/village/lind/247/weld_book/index_WELD.htm [9] ... http://www.sfsb.hr/kth/zavar/index.html [10] ... http://www.fsb.hr/zavkon

Zavarivanje I

Osnovne karakteristike elektrolučnih zavarivanja

1.

OSNOVNE KARAKTERISTIKE ELEKTROLUČNIH ZAVARIVANJA

1.1

ELEKTRIČNI LUK ~ uspostavlja se između dvije elektrode – "elektroda" (dodatni materijal) i radni komad ~ to je intenzivno izbijanje u jako ioniziranoj smjesi plinova i para različitih materijala koje potječu prvenstveno od metala elektrode, obloge, zaštitnih plinova ili praškova ~ ionizirani prostor u kojem se odvija pražnjenje naboja može se smatrati kao jedan vodič čija je vodljivost ovisna o postojanju elektrona (iona) u njemu ~ prvotna ionizacija plinskog prostora nastaje na dva načina: 2 TERMIČKOM EMISIJOM

- do izbijanja elektrona iz krutog tijela dolazi uslijed intenzivnog zagrijavanja i djelovanja električnog polja u blizini katode - pretvorbom električne energije u toplinsku prilikom kratkog spoja vrha elektrode s radnim komadom postiže se temperatura plinova 6000 ÷ 8000 K , te nastupa ionizacija molekula i atoma 2 EMISIJOM POLJA

- jako električno polje izaziva ubrzavanje slučajnih nosilaca naboja koji se nađu u prostoru između elektrode i radnog komada, koji nakon toga izazivaju ionizaciju daljnjih molekula i atoma čime se stvaraju uvjeti za provođenje struje - zagrijavanjem sustava se prelazi u prvi slučaj

~ osnovni parametri: - napon - struja - dužina luka

~ osnovni parametri ovise o: - vrsti luka (ovisno o atmosferi) - vrsti struje (istosmjerna ili izmjenična) - za taljive ili netaljive elektrode

~ električni luk se po dužini može podijeliti u tri područja različita po dužini i procesima koji se u njima odvijaju (Slika 1.1): a) na površini elektrode koja ima negativan naboj (KATODA) postoji točka (ograničeno područje) zagrijana na maksimalnu temperaturu i koja provodi cijelu struju elektrode = KATODNA MRLJA b) u blizini katode se nalazi područje KATODNOG PADA NAPONA, dužine ≈ 10 −4 mm . Srednji dio luka je područje pada napona u stupu luka, dužine gotovo jednake dužini luka c) u blizini pozitivno nabijene elektrode (ANODE) nalazi se područje ANODNOG PADA NAPONA ( 10 −3 ÷ 10 −2 mm ). Najzagrijanije područje elektrode je AKTIVNA ANODNA MRLJA.

by Marin Varenina

1-1

Zavarivanje I


+

l ( mm )

10 −2 ÷ 10 −3 mm

10 −3 ÷ 10 −4 mm

−

UK

US

UA

U (V)

U U - ukupni pad napona u električnom luku U K -katodni pad napona U S - pad napona u stupu električnog luka U A -anodni pad napona Slika 1.1 – prikaz padova napona u električnom luku

~ napon električnog luka je ravnomjerno raspoređen zbog postojanja volumenskog naboja u ioniziranom prostoru električnog luka ~ na granici katodnog prostora pozitivni ioni stvaraju volumenski naboj koji izaziva pad napona ~ u svom prostoru plazmenog stupa elektroni i ioni su raspoređeni jednako, nema prostornog naboja, pa je energija elektrona potrebna da se svlada taj put proporcionalna duljini luka ~ gradijent polja je približno konstantan, a pad napona tj. utrošak energije proporcionalan duljini luka

by Marin Varenina

1-2

Zavarivanje I

1.1.1


STATIČKA KARAKTERISTIKA ELEKTRIČNOG LUKA

~ vrijedi za relativno spore promjene ~ u obliku karakteristike mogu se uočiti tri dijela: 2 UZ MALE GUSTOĆE STRUJE

(električni luk male snage)

- pad napona se smanjuje povećanjem struje jer se povećava površina presjeka luka, ima sve više nosilaca naboja, te se povećava električna vodljivost

2 U UOBIČAJENIM UVJETIMA ZAVARIVANJA

- električna vodljivost se malo mijenja, a površina poprečnog presjeka povećava se proporcionalan jačini struji, a time napon ne ovisi o jakosti struje

2 UZ VEĆE GUSTOĆE STRUJE

- katodna mrlja obuhvaća cijelu površinu elektrode - intenzitet povećanja poprečnog presjeka stupa luka smanjuje se s povećanjem struje - bitan utjecaj na promjenu poprečnih dimenzija imaju "zidovi" od relativno hladnog plina koji okružuju plazmu stupa, što je naročito uočljivo kod primjene zaštitne atmosfere plinova

- otpor stupa luka, tj. plazme mijenja se neznatno a gradijent polja i pad napona rastu s povećanjem struje zavarivanja. Karakteristika luka u tim uvjetima postaje rastuća

~ položaj karakteristike luka u dijagramu ovisi o dužini električnog luka - za veću dužinu električnog luka, uz istu struju zavarivanja, potreban je veći napon za njegovo održavanje, pa je krivulja pomaknuta prema gore (Slika 1.2)

Slika 1.2 – statičke karakteristike električnog luka

~ kod zavarivanja u zaštitnoj atmosferi plinova, položaj karakteristike ovisit će se i o vrsti zaštitnog plina (plinovi se razlikuju međusobno u energiji potrebnoj za njihovu ionizaciju). Što je niža energija za ionizaciju plina, karakteristika se pomiče prema dolje (Slika 1.3)

Slika 1.3 – utjecaj zaštitnog plina na položaj statičke karakteristike električnog luka

by Marin Varenina

1-3

Zavarivanje I


~ u slučaju primjene obloženih elektroda materijal obloge raspadanjem unosi u sastav zaštitne atmosfere sastojke koje mogu povisiti ili sniziti potencijal ionizacije (Slika 1.4) - bazične elektrode (B) u atmosferu unose komponente koje se teže ioniziraju - kisele elektrode (K) u atmosferu unose komponente koje se lakše ioniziraju

Slika 1.4 - utjecaj vrste obloge na položaj statičke karakteristike električnog luka

~ što je dužina luka veća to je podložniji vanjskim smetnjama (posljedice magnetskih polja) ~ KRUTOST ELEKTRIČNOG LUKA = sposobnost odupiranja vanjskim utjecajima i usmjeravanja u željenom pravcu - kraći luk ima veću krutost

1.1.2

UTJECAJ MAGNETSKOG POLJA NA ELEKTRIČNI LUK

~ magnetsko polje djeluje na vodič radijalnim silama prema unutrašnjosti ~ te sile su relativno male i ne mogu utjecati na kruti vodič, ali mogu na fleksibilni (plazma električnog luka) ~ ako je polje ravnomjerno raspoređeno oko osi vodiča, rezultat djelovanja jednak je nuli, ali ako je polje nejednake gustoće, sile koje su proporcionalne gustoći polja neće biti uravnotežene - rezultirajuća sila izaziva otklon električnog luka iz područja veće gustoće u područje manje gustoće = MAGNETSKO PUHANJE (Slika 1.5) ~ nesimetričnost magnetskog polja može biti uzrokovana nepodesno razmještenim priključcima struje ili nejednolikim rasporedom feromagnetskih masa u odnosu na tok struje

Slika 1.5 – primjeri magnetskog puhanja električnog luka

by Marin Varenina

1-4

Zavarivanje I


1.2 IZVORI STRUJE ZA ZAVARIVANJE ~ potrebni su posebni izvori struje ~ električni luk za svoje održavanje treba relativno jaku struju (do nekoliko stotina A) pri niskom naponu (nekoliko desetaka V) ~ IZVORI: 2 ISTOSMJERNE STRUJE

- generatori - ispravljači 2 IZMJENIČNE STRUJE

- transformatori - pretvarači frekvencije

~ karakteristične veličine izvora struje: -

nominalna i maksimalna snaga napon praznog hoda dozvoljena struja i napon uz određenu intermitencu ( 60,80,100 % ) mrežni napon napajanja cos ϕ klasa izolacije

~ statička karakteristika: -

dijagramski prikaz ovisnosti napona na stezaljkama izvora o opterećenju ( U = f ( I ) ) daje se za spore promjene struje opterećenja potrošač (električni luk) se zamjenjuje promjenjivim otpornikom oblik statičke karakteristike je različit ovisno o namjeni izvora struje (vrsti postupka) vrste karakteristika: 2 RAVNO/BLAGO PADAJUĆA 2 STRMO PADAJUĆA

- izbor karakteristike ovisi o vrsti regulacije duljine električnog luka: 2 NAPONSKA REGULACIJA

- U 0 = vrijednost napona praznog hoda (izvor radi, ali nije opterećen) - ta veličina je kompromis između pouzdanog uspostavljanja električnog luka i sigurnosti zavarivača (napon je ograničen na 70 ÷ 100 V zbog sigurnosti) 2 STRUJNA REGULACIJA

- I k = struja kratkog spoj, tj. struja koja protječe u trenutku uspostavljanja električnog luka, kada vrhom elektrode dotičemo radni komad

Slika 1.6 – općeniti prikaz padajuće karakteristike

Slika 1.7 – prikaz padajuće statičke karakteristike transformatora sa stepenastom regulacijom

Slika 1.8 – prikaz statičke karakteristike jedne vrste generatora

by Marin Varenina

Slika 1.9 – prikaz položene karakteristike svojstvene kod MIG/MAG zavarivanja

1-5

Zavarivanje I

1.2.1


ROTACIONI IZVORI

~ generatori istosmjerne struje su najstariji, najpouzdaniji i najsvestraniji izvori struje zavarivanja, no najskuplji su, održavanje im je najsloženije i imaju najslabiji koeficijent korisnog djelovanja ~ statičke karakteristike ovih izvora mogu biti svih oblika (padajuće, ravne, pa čak i uzlazne) a mogu se primijeniti praktički za sve postupke zavarivanja ~ generator može biti pokretan bilo kojom vrstom motora (elektromotor, motor s unutrašnjim sagorijevanjem), obično smještenim na istoj osovini s generatorom, ili pokretan preko nekog prijenosa (remenskog, zupčastog) ~ najčešća je primjena za REL zavarivanje, a pogodni su za rad u montažnim uvjetima ~ princip rada: - vrtnjom rotora u magnetskom polju statora, u armaturi rotora se inducira struja koja se komutira u istosmjernu i odvodi u krug zavarivanja. Pri tome se struja vodi kroz zavojnice koje su tako namotane da je njihovo polje suprotstavljeno glavnom polju statora - ako u zavarivačkom krugu teče jača struja, djelovanje zavojnica je jače, te se znatnije smanjuje izlazni napon; na taj način se osigurava padajuća karakteristika

Slika 1.10 – shematski prikaz generatora

by Marin Varenina

1-6

Zavarivanje I


~ postoje različite izvedbe generatora (Slika 1.11, Slika 1.12, Slika 1.13), a glavni dijelovi su stator i rotor ~ stator nosi na sebi obično više pari magnetskih polova, a magnetska polja se ostvaruju pomoću zavojnica ~ namotaji oko polova nazivaju se GLAVNI NAMOTAJI POLJA, a snabdijevaju se iz uzbude koja može biti iz vanjskog izvora ili vlastita ~ izlaznim naponom upravlja se promjenjivim otpornikom u krugu uzbude ~ veći napon daje jače magnetsko polje, a to daje veći izlazni napon ~ regulacija struje zavarivanja može se izvesti na različite načine

Slika 1.11 – shema motor generatora s konstantnim naponom

Slika 1.12 – shema motor generatora s vanjskom uzbudom i razmagnetizirajućom zavojnicom

Slika 1.13 – shema motor generatora s vlastitom uzbudom i razmagnetizirajućom zavojnicom

by Marin Varenina

1-7

Zavarivanje I

1.2.2


ISPRAVLJAČI ZA ZAVARIVANJE

~ istosmjerna struja može se proizvesti i uređajima koji ispravljaju izmjeničnu struju, a to su ispravljači za zavarivanje koji se sastoje od dva osnovna sklopa: - TRANSFORMATORSKI DIO - ISPRAVLJAČKI DIO

+ sklopovi za upravljanje i regulaciju struje

Slika 1.14 – shematski prikaz ispravljača za zavarivanje

~ ispravljanje se vrši pomoću ispravljačkih elemenata koji puštaju struju u samo jednom smjeru (vrlo veliki otpor u drugom smjeru) – danas se najviše koriste SILICIJSKE DIODE (mogu podnijeti velike jakosti struje) ~ GLATKOĆA (oblik izlazne ispravljene struje) ovisi o načinu spajanja ispravljačkog sklopa ~ razlikujemo POLUVALNO i PUNOVALNO ispravljanje koje se može primijeniti na JEDNOFAZNU ili TROFAZNU mrežu ~ jednofazno poluvalno ispravljanje je nepogodno za zavarivanje, a i u slučaju jednofaznog punovalnog ispravljanja potrebni su kondenzatori i prigušnice ~ najpovoljniji su trofazni izvori s punovalnim ispravljanjem jer daju gotovo konstantnu istosmjernu struju s jednolikim opterećenjem mreže ~ regulacija struje u izlaznom krugu najčešće se izvodi: 2 2 2 2 2

pomoću pomične kotve izmjenom broja zavoja na transformatorskom dijelu pomicanjem namotaja na jezgri tiristorski tranzistorski

Slika 1.15 – osnovni načini ispravljanja izmjenične struje

by Marin Varenina

1-8

Zavarivanje I

1.2.3


INVERTORI

~ omogućuju izradu snažnih uređaja malih izmjera i mase ~ izmjenična struja ispravlja se u PULZIRAJUĆU ISTOSMJERNU struju koja se dovodi na oscilator koji ju pretvara u VISOKONAPONSKU IZMJENIČNU STRUJU VISOKE FREKVENCIJE ( 5 ÷ 30 kHz ) ~ visokofrekventna struja opet se transformira na potreban napon za zavarivanje i ispravlja silicijskim diodama ~ glavna prednost ovih uređaja je u malim i laganim transformatorima (to manji što je viša frekvencija pretvorbe) – invertorski izvori danas dostižu samo 25 % težine konvencionalnih izvora iste snage

~ uređaji s većom frekvencijom tiši ali zahtijevaju skuplje elektroničke sklopove 1.2.4

TRANSFORMATORI ZA ZAVARIVANJE

~ OBIČNI TRANSFORMATORI - konstrukcijom se nastoji postići neovisnost veličine napona u sekundarnom krugu opterećenja - teži se ravnoj karakteristici – za ručne postupke zavarivanja zbog loših dinamičkih karakteristika pri promjeni duljine električnog luka ~ ZAVARIVAČKI TRANSFORMATORI

- želi se osigurati pad napona pri porastu opterećenja odnosno struje zavarivanja - teži se padajućoj karakteristici – osigurava se ugradnjom prigušnice (predstavlja induktivni otpor)

~ transformator se sastoji od primarnog i sekundarnog namotaja namotanih na željeznu jezgru ~ broj zavoja i presjek vodiča u zavojima određen je da se na sekundaru dobije relativno nizak napon, a presjek je dimenzioniran da propusti jaku struju zavarivanja ~ osnovna jednadžba transformatora:

U1 I 2 z 1 = = U2 I1 z 2

~ zavarivački transformator mora imati mogućnost regulacije struje zavarivanja, koja može biti stepenasta ili kontinuirana, a postiže se na razne načine: 2 PROMJENOM BROJA ZAVOJA

- mijenja se spajanjem određenih odcjepa bilo na primaru bilo na sekundaru - najčešće se radi o stepenastoj regulaciji 2 PRIGUŠNICOM U SEKUNDARNOM KRUGU (krugu

zavarivanja) - prigušnica može biti izvedena s odcjepima, ali i s kontinuiranom promjenom broja zavoja

2 POMICANJEM NAMOTAJA (primara/sekundara)

- jača se ili slabi induktivna sprega namotaja, a time se utječe na veličinu indukcije u sekundaru

(Slika 1.16) - unutar jezgre mijenja se magnetski otpor kruga jezgre - pomicanjem kotve unutar jezgre mijenja se magnetski otpor kruga jezgre

2 PRIMJENOM POMIČNE KOTVE

- kada je kotva podignuta, tada se sav magnetski tok Φ 1 proizveden u primaru prenosi feromagnetskom jezgrom kroz sekundar i indukcija u sekundaru je velika - jednostavna i učinkovita regulacija

by Marin Varenina

1-9

Zavarivanje I


Slika 1.16 – regulacija struje zavarivanja primjenom pomične kotve

~ u sjecištu karakteristike električnog luka i izvora struje za zavarivanje nalazi se radna točka kojom su određeni parametri zavarivanja: struja i napon zavarivanja (Slika 1.17)

Slika 1.17 – radna točka određena sjecištem karakteristike električnog luka i izvora struje za zavarivanje

~ ovisnost napona zavarivanja i struje zavarivanja može se prikazati za REL zavarivanje izrazom: Uz = a + b ⋅ I z gdje a ( = 20 V ) predstavlja pad napona na anodi i katodi a b ( = 0, 04 A ) je konstanta

by Marin Varenina

1-10

Zavarivanje I


1.3 SILE U ELEKTRIČNOM LUKU KOJE UTJEČU NA PRIJENOS METALA

~ rastaljeni dodatni materijal (taljiva elektroda) prenosi se u obliku kapljica na željeno mjesto oblikujući zavareni spoj ~ neke od sila koje se pojavljuju kod prijenosa materijala su: a) GRAVITACIJSKA SILA (Slika 1.18) - djeluje kod prijenosa materijala i ne može se izbjeći - u položenom položaju djeluje povoljno (prijenos metala u pravcu djelovanja sile teže) - u nadglavnom položaju ne može doći do prijenosa kapljice u zavar (masa kapljice je velika, ostale sile su premalene) - u ostalim prisilnim položajima prijenos kapljice je manje-više nepovoljan

Slika 1.18 – utjecaj sile gravitacije na prijenos materijala b) ELEKTROMAGNETSKE SILE (Slika 1.19) - pojavljuju se u električnom luku kod postupaka zavarivanja žičanom elektrodom i plinskom zaštitom i najvažnije su za prijenos metala - oko vodiča kroz koji teče struja javlja se magnetsko polje čije su silnice raspoređene koncentrično oko vodiča (te sile djeluju radijalno prema sredini vodiča i okomito na liniju toka struje) - kada linije toka struje divergiraju (u plazmenom stupu električnog luka ili u kapljici metala na samom vrhu žičane elektrode), djelovanje je usmjereno okomito na linije toka struje - dvije komponente sile: F1 ... u aksijalnom pravcu; daje pogon otkinutoj kapljici usmjerujući ju prema radnom komadu F2 ... okomita na os vodiča koja izaziva lokalno sužavanje presjeka na rastaljenom vrhu elektrode (žice) oblikujući kapljicu

- ovisno o odnosima komponenti F1 i F2 , vrsti zaštitne atmosfere i djelovanju ostalih sila mogu se pojaviti razne kombinacije utjecaja i ponekad ta sila može biti nedovoljna da osigura odbacivanje kapljice prema radnom komadu

Slika 1.19 – djelovanje elektromagnetske sile na otkidanje kapljice (magnetsko štipanje – "pinch efekt") by Marin Varenina

1-11

Zavarivanje I


c) SILE POVRŠINSKE NAPETOSTI (Slika 1.20) - velika površinska napetost zahtijeva veliku silu za njeno savladavanje – otkidanje kapi bit će teže i nastupit će tek kad dosegne određenu masu - velika površinska napetost – korisna za podržavanje same taline zavara, osobito u prisilnim položajima, inače nepovoljna

Slika 1.20 – površinska napetost d) SILE STRUJANJA I PRITISKA PLAZME LUKA (Slika 1.21) - strujanje plazme električnog luka djeluje na gibanje i usmjeravanje kapljice dodatnog materijala - u blizini vrha elektrode vlada određeni pritisak p1 , budući da se isti volumen plina plazme širi uslijed promjene dimenzije luka u blizini radnog komada, u tom dijelu vlada niži pritisak - ta razlika pritisaka povoljno djeluje na prijenos kapljica metala, utječući i na otkidanje i ubrzavanje kapljice

Slika 1.21 – strujanje plazme

by Marin Varenina

1-12

Zavarivanje I


e) EKSPLOZIJSKE SILE (Slika 1.22) - utjecaj na gibanje kapljica imaju i apsorbirani plinovi iz atmosfere luka ili postojeći u materijalu žice u rastaljenoj metalnoj kapljici - pri povišenim temperaturama rastvorljivost plinova u metalu je veća, a hlađenjem ona pada i upijeni plinovi se moraju izlučiti - kako hlađenje počinje izvana stvarajući krutu opnu, plinovi se skupljaju u unutrašnjosti kapi - sa povećanjem količine plinova raste tlak i on može konačno razoriti kapljicu u više dijelova - istrujavanje plinova po reaktivnom principu ubrzava kapljicu, ali je smjer djelovanja ove sile nepredvidiv (izlazak plinova na slučajnim mjestima) - ako je ta sila usmjerena prema zavaru onda je korisna, inače izaziva štrcanje izvan područja zavarivanja

Slika 1.22 – djelovanje plinova u rastaljenoj kapljici f) SILE ZBOG DJELOVANJA PLINOVA OKO ELEKTRODE - u slučaju zaštitnih plinova koji struje oko žičane elektrode (MIG/MAG) javlja se izvjesno INJEKCIJSKO DJELOVANJE

- kod obloženih elektroda, raspadanjem obloge stvaraju se plinovi koji zbog ljevkastog oblika kratera na vrhu elektrode stvaraju pritisak, koji radijalnom komponentom istiskuje rastaljeni metal, a aksijalnom potiskuje kapljicu prema radnom komadu - to je najznačajnija sila za prijenos metala kod zavarivanja obloženim elektrodama

Slika 1.23 – strujanje zaštitnih plinova oko žičane elektrode

Slika 1.24 – strujanje plinova oko obloge elektrode

by Marin Varenina

1-13

Zavarivanje I


1.4 PRIJENOS METALA PRI ZAVARIVANJU 1.4.1

PRIJENOS METALA PREMOŠĆIVANJEM

a) PRIJENOS METALA KRATKIM SPOJEVIMA

~ karakterističan za postupke zavarivanja žičanim elektrodama u zaštitnoj atmosferi plinova ~ osciloskopski prikaz procesa ( U = f ( t ); I = f ( t ) ):

1 - stanje kada je žičana elektroda udaljena od radnog komada, te u tom trenutku postoji električni

luk: napon na luku ima zadanu vrijednost 2 - kada žičana elektroda dotakne radni komad, u električnom krugu nastaje kratki spoj – napon

pada na nulu, struja počinje eksponencionalno rasti (brzina rasta je ograničena induktivnim otporima kruga) 3,4 - napon polako raste zbog povećanja otpora do kojeg dolazi jer povećanjem struje dolazi do pojačanog zagrijavanja vrha žice (efekt Q = I 2 ⋅ R sve do taljenja) i povećava se "pinch-efekt" – dovodi do smanjenja presjeka žice (povećani otpor) i otkidanja zagrijanog vrha žice 5 - prekida se kratki spoj i uspostavlja se opet električni luk, a struja počinje eksponencionalno padati na nominalnu vrijednost 6,7 - skok napona je opet nešto veći od nominalnog zbog induktiviteta krugova i s vremenom se smanjuje na nominalnu vrijednost

~ sve ovo se zbiva dok se žičana elektroda jednolikom brzinom giba prema radnom komadu ~ kada žica premosti razmak nastao otkidanjem vrha, ponavlja se ciklus od točke 1 ~ broj ciklusa po sekundi varira u ovisnosti o promjeru žice i pri stabilnim parametrima ima 100 ÷ 200 kratkih spojeva u sekundi

by Marin Varenina

1-14

Zavarivanje I


b) PRIJENOS METALA MJEŠOVITIM LUKOM

~ tu se pojavljuje prijenos štrcajućim lukom, ali se povremeno pojavi jedan ili više kratkih spojeva ~ nedostatak: neregularnost (pojava kratkih spojeva je slučajna i izaziva nepredvidivo štrcanje materijala), pa se takav prijenos izbjegava

Slika 1.25 – prijenos metala mješovitim lukom

by Marin Varenina

1-15

Zavarivanje I

1.4.2


PRIJENOS METALA SLOBODNIM LETOM KAPLJICE

a) PRIJENOS METALA ŠTRCAJUĆIM LUKOM

~ karakteristično je da se prijenos vrši slobodnim letom malih kapljica kroz atmosferu luka ~ niti u jednom trenutku u vremenu održavanja luka elektroda ne dolazi u dodir s osnovnim materijalom – sile koje djeluju u električnom luku otkidaju kapi i usmjeruju ih (radijalno u odnosu na elektrodu) prema radnom komadu prije nego vrh elektrode može dodirnuti radni komad ~ potrebna je dosta velika energija – potrebno je ostvariti velike sile ("pinch-efekt") i zagrijavanjem ili nekim drugim načinom smanjiti sile površinske napetosti koje utječu na veličinu kapljice metala ~ kod postupaka zavarivanja u zaštitnoj atmosferi taljivom elektrodom jasno se može uočiti kada se ostvaruju uvjeti za prijenos štrcajućim lukom – ta veličina naziva se kritičnom strujom I KR i ona je svojstvena za određene zaštitne plinove i njihovim se sastavom može utjecati na njenu veličinu ~ prednost: velika je produktivnost (velika količina rastaljenog materijala) – samo kod debljih materijala i to u položenom položaju ~ nedostaci: kod tanjih materijala postoji opasnost od prokapljivanja i u prisilnim položajima, do cijeđenja velike količine rastaljenog materijala zbog djelovanja gravitacijske sile

Slika 1.26 – prijenos metala štrcajućim lukom (slobodnim letom kapljica)

by Marin Varenina

1-16

Zavarivanje I


b) PRIJENOS METALA IMPULSNIM STRUJAMA (PULZIRAJUĆI LUK)

~ prosječna struja zavarivanja je manja od kritične struje koja bi dala nepravilan i neprihvatljiv prijenos u grubim kapima, modulira se jačom strujom određene frekvencije, tako da struja varira između neke minimalne (osnovne) i maksimalne struje (struja impulsa) ~ osnovna struja održava električni luk, dok je duljina trajanja i visina impulsa jake struje prilagođena da premaši kritičnu struju i osigura odvajanje jedne kapi po svakom impulsu ~ podjela impulsa ovisno o načinu proizvodnje: (najjednostavnije ga je proizvesti) TROKUTASTOG OBLIKA . ČETVRTASTOG OBLIKA (najpovoljniji za upravljanje procesom prijenosa)

2 SINUSNOG OBLIKA 2 2

~ tako se osigurava prijenos štrcajućim lukom pri malim prosječnim vrijednostima struje

Slika 1.27 – promjena struje u ovisnosti o vremenu pri impulsnom zavarivanju

~ podešavanje parametara je prilično složeno jer treba uskladiti pet parametara: -

veličina osnovne struje veličina impulsne struje trajanje impulsa osnovne struje trajanje impulsa jake struje brzina dodavanja žice

~ danas, izbor parametara vrše SINERGETSKI STROJEVI (elektronički programirani uređaji koji za jednu izabranu vodeću veličinu biraju optimalnu kombinaciju ostalih parametara) ~ prednosti: - impulsni način prijenosa zadržava prednosti, a otklanja poteškoće koje ima štrcajući luk – može ga se primijeniti u svim položajima, te za materijale osjetljive na količinu unesene topline - jednim promjerom žice moguće je zavariti širi raspon debljine materijala, jer je i za deblje žice moguće namjestit male prosječne struje potrebne kod zavarivanja tanjih limova

by Marin Varenina

1-17

Zavarivanje I


1.5 REGULACIJA DULJINE ELEKTRIČNOG LUKA

~ da bi se ostvarila jednolika kvaliteta zavara (geometrija i mehanička svojstva), količina unesene topline po jedinici dužine zavara mora biti jednolika – zato električni luk mora biti konstantne duljine i njegovo gibanje treba biti jednoliko ~ kod ručnog postupka zavarivanja (REL, TIG) za to se brine zavarivač ~ kod poluautomatskih i automatiziranih postupaka za održavanje jednolike dužine električnog luka "brine" se automatska regulacija, dok je pomicanje izvora topline ostvareno ručno (poluatomatski postupci) ili mehanizirano (automatski postupci)

Slika 1.28 – ručna regulacija duljine luka

1.5.1

UNUTARNJA REGULACIJA DULJINE ELEKTRIČNOG LUKA (STRUJNA)

~ ostvarena je samom gradnjom izvora struje zavarivanja, tj. njegovim električnim karakteristikama, bez dodatnih vanjskih uređaja ~ potrebni su izvori s RAVNOM ili BLAGO PADAJUĆOM KARAKTERISTIKOM ~ karakteristično je da se dodavanje kontinuirane elektrode (u obliku žice) vrši konstantnom brzinom koja odgovara tehnološkim parametrima postupka ( v ž = konst ) ~ u optimalnim radnim uvjetima (stabilan proces): v ž = v t ~ brzina taljenja žice ( v t ) jednaka je brzini dodavanja, tj. upravo se rastali toliko žice (dodatnog materijala) koliko ga je dodano u jedinici vremena pri čemu je duljina luka konstantna

Slika 1.29 – dotur žice konstantnom brzinom, pri unutarnjoj regulaciji duljine električnog luka

by Marin Varenina

1-18

Zavarivanje I


~ u slučaju pojave nekog poremećaja (deformacije lima, pomaka ruke zavarivača, pomaka glave automata), duljina električnog luka se skokovito promjeni - ako se duljina luka povećala, za njegovo održavanje potreban je veći napon – karakteristika se pomiče prema gore ( L 2 ). U tom slučaju novi parametri ( I 2 , U 2 ) radne točke više ne odgovaraju prvobitno namještenoj vrijednosti brzine žice – NERAVNOTEŽA

Slika 1.30 – promjena duljine električnog luka uvjetuje promjenu brzine taljenja žice

~ u slučaju duljine luka L , brzina žice jednaka je brzini taljenja ( v z = v t ); struja ( I z ) i napon ( U z ) zavarivanja osiguravaju stabilan proces ~ taljenje žice ostvaruje se toplinskom energijom iz električnog luka ( Q = I 2 ⋅ R ⋅ t ) ~ u slučaju kada se duljina luka skokovito promijeni s namještene vrijednosti: 2

−ΔI = I 2 − I z - u luku je smanjena količina razvijene topline jer je struja zavarivanja smanjena za −ΔI , a napon je malo narastao - zbog nedovoljne količine topline, brzina taljenja žice je manja od prethodno namještene, tj. dodaje se više žice nego što se stigne rastaliti. Zato se vrh žice spušta prema radnom komadu i luk se skraćuje i to se događa sve dok postoji razlika između brzine žice ( v ž )i brzine taljenja ( v t )

2

+ΔI = I 1 − I z - brzina taljenja ( v t ) je veća od brzine žice ( v ž ), pa se razmak između vrha žice i radnog komada povećava dok se ne uspostavi odnos v ž = v t

~ promjene u brzini taljenja zbog promjene struje zavarivanja dovoljno su brze ako ne treba taliti prevelike količine materijala, u protivnom se pojavljuje TOPLINSKA INERCIJA koja izaziva dugotrajne oscilacije oko radne točke ~ ovaj tip automatske regulacije uspješno se primjenjuje za promjere žica manji od 3 mm

by Marin Varenina

1-19

Zavarivanje I

1.5.2

~ ~ ~ ~ ~


VANJSKA REGULACIJA DULJINE ELEKTRIČNOG LUKA (NAPONSKA)

mora postojati dodatni regulacioni uređaj izvan samog izvora struje napon na električnom luku upravlja radom regulacionog sklopa izvor struje zavarivanja ima STRMO PADAJUĆU KARAKTERISTIKU električni krug sadrži elektromotor kao izvršni član, ujedno je i regulacioni krug vrijednost brzine žice ( v ž ) varira pod djelovanjem regulacionog kruga, tj. v ž ≠ konst

~ za pravilno odvijanje procesa i tu mora biti ispunjen uvjet v ž = v t

Slika 1.31 – brzina dotura žice pri vanjskoj regulaciji zavisi o naponu električnog luka

~ u slučaju skokovite promjene duljine luka s veličine L 1 na L 2 uslijed poremećaja povećava se napon na luku ~ promjena napona na luku, tj. povećanje napona registrira se u regulacionom krugu i pozitivna razlika napona dovodi se na motor za dodavanje žice koji proporcionalno povećanju napona povećava i broj okretaja, odnosno brzinu žice. Time se žica kreće brže prema radnom komadu nego što se njen vrh tali, pa se dužina luka smanjuje ~ brže okretanje motora traje dok ne nestane razlika napona koja ubrzava motor

Slika 1.32 – promjena duljine električnog luka uvjetuje promjenu brzine taljenja žice

by Marin Varenina

1-20

Zavarivanje I


~ ova regulacija bit će brža i osjetljivija što su promjene napona radne točke uslijed duljine luka veće (to omogućava strma karakteristika) ~ promjene struje zavarivanja uslijed promjene dužine električnog luka su razmjerno male, pa možemo smatrati da je brzina taljenja približno konstantna ( v t ≈ konst )

Slika 1.33 – promjena duljine električnog luka uvjetuje velike promjene struje zavarivanja za slučaj ravne karakteristike izvora

by Marin Varenina

1-21

Zavarivanje I

2.

Ručno elektrolučno zavarivanje

RUČNO ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE (REL)

Slika 2.1 – shematski prikaz REL zavarivanja

~ princip: - električni luk se uspostavlja kratkim spojem ("kresanjem" između elektrode i radnog komada), nakon čega slijedi ravnomjerno dodavanje elektrode u električni luk od strane zavarivača, te taljenje elektrode i formiranje zavarenog spoja

~ prednosti: -

široko područje primjene jeftina i jednostavna oprema zavarivanje u svim položajima zavarivanje svih debljina zavarivanja svih materijala zavarivanje u radionici i na terenu jednostavno određivanje parametara dobra mehanička svojstva zavara

~ nedostaci: -

visok sadržaj para i plinova – potrebna ventilacija i odsis loša iskoristivost dodatnog materijala – gubici do 30 % mala brzina zavarivanja i niska produktivnost štrcanje, troska potrebno kontrolirano rukovanje elektrodama utjecaj ljudskog faktora – zavarivač slaba mogućnost automatizacije

~ primjena: -

većinom nelegirani i niskolegirani konstrukcijski čelici čelične konstrukcije brodogradnja cjevovodi zbog ekonomičnosti se izvode kraći zavari

~ izvor struje: - istosmjerni ili izmjenični - kod istosmjernog izvora elektroda može biti spojena na (+) ili (-) pol - karakteristika izvora mora biti STRMO PADAJUĆA

by Marin Varenina

2-1

Zavarivanje I


~ najčešće se primjenjuju OBLOŽENE ELEKTRODE (imaju metalnu jezgru u obliku žice na koju je nanesena nemetalna obloga) ~ rjeđe se koristi CJEVASTA ELEKTRODA (punjenje unutar cijevi koje ima funkciju obloge ili ima poseban sastav, npr. za tvrda navarivanja slojeva otpornih na trošenje)

Slika 2.2 – presjeci različitih tipova elektroda za REL zavarivanje

~ vodiči struje zavarivanja izrađeni su od snopova tankih bakrenih žica i izolirani gumom, plastičnim masama i tekstilnim vlaknima ~ izvedba snopom tankih žica omogućava savitljivost kablova – lakši rad ~ proračun vodiča uzima uz obzir struju i ukupnu dužinu (od radnog komada do držača elektrode):

A=

ρ ⋅ l uk ⋅ I z UG

A ... poprečni presjek vodiča

ρ ... specifična vodljivost materijala vodiča l uk ... ukupna dužina kablova I z ... struja zavarivanja U G ... dozvoljena veličina pada napona u vodičima

~ dozvoljeni pad napona u strujnom krugu ima vrijednost do 3 V ~ ako u kablovima dolazi do većeg pada napona, javlja se njihovo povećano zagrijavanje i gubitak energije – zahtjeva povećanje parametara na stroju – izaziva povećan utrošak energije ako je pad napona veći od dozvoljenog – treba odabrati veći presjek (standardizirani)

by Marin Varenina

2-2

Zavarivanje I


Slika 2.3 – shematski prikaz procesa ručnog elektrolučnog (REL) zavarivanja

~ obloga elektrode, odnosno jezgra (ovisno o tipu elektrode) se pretvara u TROSKU koja prekriva i lice i korijen zavara kod zavarivanja

Slika 2.4 – prikaz duljine električnog luka ovisno o tipu obloge

by Marin Varenina

2-3

Zavarivanje I


2.1 OBLOŽENE ELEKTRODE

~ ~ ~ ~

sastav: METALNA JEZGRA + OBLOGA metalna jezgra: šipka ili žica – ovisno o namjeni i vrsti elektrode obloga: na metalnu jezgru je nanesena prešanjem ili umakanjem sirovine za oblogu elektrode prema funkciji obloge: 2 STABILIZACIJA ELEKTRIČNOG LUKA: natrij, kalij 2 STVARANJE TROSKE: oksidi, rude (hematit, rutil, kvarc) 2 STVARANJE PLINOVA: organske materije i karbonati 2 ZA LEGIRANJE I DEZOKSIDACIJU: razne ferolegure, titan, aluminij, silicij, mangan

~ npr. kod nelegiranih i visokolegiranih čelika žica je približnog sastava kao i materijal koji se zavaruje 2.1.1

FUNKCIJA OBLOGE ELEKTRIČNA FUNKCIJA

~ treba osigurati i dobro uspostaviti stabilan električni luk - u tu svrhu se dodaju tvari (spojevi natrija i kalija) u oblogu elektrode koje kod taljenja stvaraju plinove s velikom sposobnošću ionizacije i na taj način čine dobru provodljivost električnoj struji između vrha elektrode i radnog komada FIZIKALNA FUNKCIJA

~ treba omogućiti i olakšati zavarivanje u prisilnom položaju i zaštititi kapljice u prijelazu i taline zavara od prenaglog hlađenja - sastavom obloge regulira se viskozitet (prionjivost) i napetost površine troske na temperaturama zavarivanja - viskozitetu troske ovisi upotrebljivost elektrode za razne položaje zavarivanja - napetosti površine troske ovisi oblik svakog pojedinog sloja zavara - povećanjem bazičnosti u oblozi povećava se viskozitet troske (povećanjem kiselosti, smanjuje se viskozitet troske)

~ obloga mora zaštititi talinu metala od štetnih plinova iz zraka (dušik, vodik, kisik) - za vrijeme prolaska kapljice metala kroz električni luk, troska se omota oko kapi i štiti ju od štetnih plinova - kada se stvori talina metala istodobno se stvara i troska koja pliva na talini i štiti ju od štetnih plinova i osigurava polagano hlađenje - oko taline zavara iz obloge elektrode stvaraju se plinovi u obliku zavjese i tako štite talinu i prijelaz kapi od štetnih plinova iz zraka

by Marin Varenina

2-4

Zavarivanje I


METALURŠKA FUNKCIJA

a) LEGIRANJE - nadoknađivanje legirajućih elemenata koji izgaraju u toku procesa zavarivanja - iz obloge se mogu dodavati legirajući elementi u talinu i time poboljšati svojstva zavarenog spoja - npr. obloge s visokim sadržajem željeznog praška koji prelazi u zavar i povećava produktivnost u zavarivanju b) OTPLINJAVANJE - u oblogu se stavljaju dezoksidanti (titan, aluminij, silicij, mangan) koji u toku procesa zavarivanja na sebe vežu kisik čime nastaju oksidi ( TiO2 , Al 2O3 , SiO2 , MnO , ...) koji prelaze u trosku - u metalurškim reakcijama s kalcijevim fluoridom ( CaF2 - u oblozi bazičnih elektroda, obično) vodik se veže i izlazi u trosku c) RAFINACIJA (ČIŠĆENJE) - uklanjanje sumpora i fosfora iz taline - kao dodaci, u oblogu se stavljaju kalcij oksid ( CaO ) i mangan oksid ( MnO ) koji vežu sumpor i fosfor, te tako vezani ulaze u sastav troske

2.1.2

ZAHTJEVI ZA ELEKTRODE ZAVARIVAČKI

~ ~ ~ ~

dobro paljenje i održavanje luka, stabilan luk zavarivanje u prisilnim položajima mala količina dimova, plinova i otrovnih para obloga koja ne otpada

EKONOMSKI

~ ~ ~ ~

dobra proizvodnost malo prskanje kapljica lako odstranjivanje troske glatka površina zavara

METALURGIJSKI

~ ~ ~ ~

dobra mehanička svojstva mala osjetljivost na rđu, masnoće i nečistoće površine otpornost pojavi hladnih i vrućih pukotina, te poroznosti mala osjetljivost na vlažnost obloge

by Marin Varenina

2-5

Zavarivanje I

2.1.3


PODJELA OBLOŽENIH ELEKTRODA

~ prema metalurškoj karakteristici obloge i vrsti: A – kisele (oksid željeza) O – oksidne AR – kisele (rutilne) R – rutilne (srednje debljine obloge) B – bazične RR – rutilne (debele obloge) C – celulozne S – drugi tipovi obloge ~ prema debljini obloge: - tanko obložene elektrode ( d < 1, 2 mm ) - srednje obložene elektrode ( 1, 2 mm < d < 1, 4 mm ) - debelo obložene elektrode ( d > 1, 4 mm )

~ prema dimenzijama: - d elektr = 2,5 mm i L = 200; 300; 350 mm - d elektr = 3, 25; 4; 5; 6; 8; 10 mm i L = 350; 450 i više mm

~ prema posebnim tehnološkim uvjetima: - duboko penetrirajuće elektrode (obloge sadrže celulozne tvari koje utječu na to da dolazi do vrlo jake penetracije) - visoko produktivne elektrode (u oblogu bazičnih i rutilnih elektroda dodaju se veće količine željeznog praška koji prelazi u zavareni spoj i mnogo brže ga ispunjava nego što je šlučaj s običnim elektrodama – veća produktivnost i manji gubici u rasprskavanju materijala)

- elektrode za određene uvjete rada (u rutilnu ili bazičnu oblogu se dodaju sastojci koji stvaraju

povoljan viskozitet i površinsku napetost troske – za zavarivanje u vertikalnom položaju, odozgo dolje ili specijalne elektrode za zavarivanje korijenskog zavara)

~ prema namjeni: - za zavarivanje (nelegiranih, niskolegiranih, visokolegiranih čelika, sivog lijeva, obojenih metala) - za navarivanje

by Marin Varenina

2-6

Zavarivanje I

2.1.4


ZNAČAJKE POJEDINIH VRSTA OBLOGA ZNAČAJKE KISELIH ELEKTRODA

~ obloga: oksidi, karbonati Fe i Mn sa silikatima ~ razvija zaštitne plinove: 40 % H 2 , 40 % (CO + CO2 ), 20 % H 2O ~ karakteristike: - glatka površina - lako odstranjivanje troske - niska udarna žilavost ZNAČAJKE BAZIČNIH ELEKTRODA

~ obloga se sastoji većim dijelom od vapnenca, dolomita i magnezija te kalcijeva karbonata, titanova dioksida, silikata i dezoksidanata ~ takav sastav troske veže kisik, vodik, sumpor i fosfor – zavareni spoj oslobođen je štetnih plinova i nemetalnih primjesa ~ prednosti spoja: - nije sklon pukotinama - manje je porozan i s manje nemetalnih uključaka - dobra mehanička svojstva, naročito izduženje i udarna žilavost ~ nedostaci spoja: - teže čišćenje troske - sklonost poroznosti u korijenu zavara - nešto grublji izgled površine zavara

~ najčešće se mora zavarivati istosmjernom strujom na (+) polu ~ osjetljive su na dužine električnog luka (slaba stabilnost) – moguća pojava poroznost u zavaru ~ obloga je vrlo higroskopna (vlaga uzrokuje poroznost u zavaru – treba sušiti elektrode i zavarivati samo suhim elektrodama) ~ sušenje se vrši u posebnim pećima na temperaturi > 200 o C u vremenu od minimalno 2 h (jako vlažne: 250 ÷ 420 o C ) ~ za rad s bazičnim elektrodama potreban je dobra uvježbanost zavarivača u držanju nagiba, razmaka ili dužine električnog luka, te u njegovu uspostavljanju i prekidanju ~ kod zavarivanja cjevovoda koristi se uzlazna tehnika ZNAČAJKE CELULOZNIH ELEKTRODA

~ obloga: 40 % celuloze, 25 %TiO2 , 20 % MgSi 3 , 15 % FeMn vezani s K i Na silikatima ~ razvija zaštitne plinove kao kisela obloga ~ karakteristike: -

elektrode za zavarivanje cijevi silaznom tehnikom ("fall-naht") velika penetracija visok sadržaj vodika koriste se i za rezanje

by Marin Varenina

2-7

Zavarivanje I


ZNAČAJKE RUTILNIH ELEKTRODA

~ spadaju među češće upotrebljavane elektrode ~ može se raditi s istosmjernom (+ ili - polu) ili izmjeničnom strujom ~ prednosti spoja: -

imaju dobra mehanička svojstva zavareni spojevi su lijepog izgleda troska se lako čisti za sve položaje zavarivanja vrlo dobra stabilnost električnog luka – nisu sklone stvaranju pora pri povećanju dužine električnog luka - nema prskanja ~ nedostaci spoja: - nisu pogodne za zavarivanje čelika onečišćenih sumporom - na mjestu segregacije može doći do toplih pukotina - sastav obloge utječe na istezljivost i žilavost metala zavara pa kod zavarivanja vrlo krutih konstrukcija i debelih materijala može doći do pukotina uzrokovanih zaostalim naprezanjem - žilavost materijala na niskim temperaturama je slabija nego kod bazičnih elektroda TEHNOLOŠKE ZNAČAJKE OSTALIH ELEKTRODA

~ elektrode za zavarivanje nelegiranih čelika - bazične, rutilne i kisele obloge - jezgra: niskougljični čelik

~ elektrode za zavarivanje niskolegiranih čelika - bazične i rutilne obloge - jezgra: nelegirani čelik, legiranje preko obloge - za zavarivanje čelika otpornih na povišene temperature, legiraju se s niskim postotkom kroma i molibdena, a za sitnozrnati čelik s niskim postotkom nikla

~ elektrode za zavarivanje visokolegiranih čelika - bazične obloge za zavarivanje istosmjernom strujom - rutilne obloge za zavarivanje izmjeničnom strujom - jezgra: odgovara sastavu visokolegiranog čelika

~ elektrode za zavarivanje sivog lijeva - specijalna obloga - tri vrste metala jezgre: 1.

40 ÷ 50 % Fe + 60 ÷ 50 % Ni - loša obradivost, pojava pukotina

2.

30 ÷ 35 % Cu + 70 ÷ 65 % Ni - bolja obradivost, nema pukotina

3.

Ni > 98 % - najkvalitetnije zavarivanje

~ elektrode za zavarivanje obojenih metala - za zavarivanje aluminija i legura: jezgra od aluminija obloga na bazi soli halogenih elemenata (klor, fluor) koji uklanjaju okside aluminija - za zavarivanje bakra i legura: obložene žice od bakra ili bakrenih legura

by Marin Varenina

2-8

Zavarivanje I

2.1.5


TEHNOLOŠKE ZNAČAJKE ELEKTROLUČNIH POSTUPAKA ZAVARIVANJA

~ odvijanje, djelotvornost, ekonomičnost i slične karakteristike elektrolučnih postupaka nužne za proračun vremena rada, cijene i količine utrošenog materijala, te nekih parametara zavarivanja, mogu se prikazati pomoću različitih koeficijenata ~ KOEFICIJENT TALJENJA definira količinu istaljenog metala elektrode pri određenoj jakosti struje

Kt =

Gt [ g Ah ] I ⋅t

~ KOEFICIJENT GUBITAKA definira gubitak metala elektrode na rasprskavanje, isparavanje i oksidaciju Kg =

Gt − Gn ⋅ 100 % Gt

~ KOEFICIJENT ISKORIŠTENJA definira stupanj iskorištenja metala elektrode, a ovisi o količini željeznog praha u oblozi elektrode, tipu obloge i bazičnosti troske. Ovako definirani može biti K i = 100 ÷ 220 % Ki =

Gn ⋅ 100 % Ge

Kt

... koeficijent taljenja

Kg

... koeficijent gubitaka

Ki

... koeficijent iskorištenja

Gt

... masa istaljenog metala (potrošenog dodatnog materijala)

Gn

... masa nataljenog materijala (prenesenog metala na radni komad)

I t

... jačina struje ... vrijeme taljenja elektrode

Ge

... masa jezgre elektrode

by Marin Varenina

2-9

Zavarivanje I

2.1.6


OSNOVNA PRAVILA U IZBORU ELEKTRODE

~ najvažniji izbor: prema svojstvima osnovnog materijala i zahtjeva na zavareni spoj ~ ZA ZAVARIVANJE NELEGIRANIH ČELIKA

- prema mehaničkim svojstvima osnovnom materijala - vlačna čvrstoća, istezljivost i žilavost metala zavara moraju biti jednake ili veće nego kod osnovnog materijala - za povećanu žilavost se odabire bazična elektroda - za zavarivanje debelih materijala i ukrućenim konstrukcija ili fosforom i sumporom onečišćenih čelika u pravilu se bira bazična elektroda ~ ZA ZAVARIVANJE NISKOLEGIRANIH ČELIKA

- prema mehaničkim svojstvima i kemijskom sastavu osnovnog materijala i to tako da metal zavara ima ta ili bolja svojstva - kod debelih materijala, krutih konstrukcija i većih sklonosti prema zakaljivanju prednost imaju niskolegirane elektrode s bazičnom oblogom ~ ZA ZAVARIVANJE NELEGIRANIH S NISKOLEGIRANIM ČELICIMA

- kod sučeljenih spojeva bira se elektroda koja odgovara manje-vrijednom materijalu, a kod kutnih spojeva bira se elektroda prema više-vrijednom materijalu ~ ZA ZAVARIVANJE VISOKOLEGIRANIH ČELIKA

- prema kemijskom sastavu i mehaničkim svojstvima osnovnog materijala, i to tako da metal zavara ima ista ili bolja navedena svojstva ~ ZA ZAVARIVANJE VISOKOLEGIRANIH ČELIKA S NISKOLEGIRANIM ILI NELEGIRANIM ČELICIMA

- redovito se bira visokolegirana austenitna elektroda ~ ZA ZAVARIVANJE SIVOG LIJEVA NA HLADNO

- najpogodnije su nikal-elektrode, zatim bakar-nikal-elektrode i željezo-nikal-elektrode - najslabije su bazične elektrode (iako se i s njima u određenim slučajevima može zavarivati) ~ ZA ZAVARIVANJE OBOJENIH METALA

- nema velikog izbora, pa se i ne može značajno pogriješiti ~ ZA NAVARIVANJE ČELIKA

- širok izbor odgovarajućih elektroda ~ IZBOR ELEKTRODE S OBZIROM NA TEHNOLOŠKA SVOJSTVA

- zavarivanje u prisilnim položajima: tanko i srednje obložene elektrode - zavarivanje korijena zavara na cjevovodima: celulozne elektrode ~ IZBOR STURJE I IZBOR ELEKTRODA

- transformatori: rutilne i kisele elektrode (za rad s izmjeničnom strujom) - ispravljači i pretvarači: sve vrste elektroda (za rad s istosmjernom strujom) - za visokolegirane elektrode se primjenjuje istosmjerna struja ~ PROMJER ELEKTRODE

- odabire se prema debljini osnovnog materijala (tako da se može izvršiti dobro provarivanje korijena zavara) i položaju zavarivanja, na osnovi iskustva ~ JAKOST STRUJE

- s obzirom na promjer, vrstu elektrode i položaje zavarivanja - prema preporukama proizvođača i prema iskustvu ~ IZBOR ELEKTRODE S OBZIROM NA EKONOMIČNOST

- promatra se koeficijent taljenja, koeficijent gubitaka i koeficijent iskorištenja elektrode

by Marin Varenina

2-10

Zavarivanje I

2.1.7


OSNOVNA PRAVILA U RUKOVANJU ELEKTRODAMA

~ prilikom prijenosa i transporta elektrode se ne smiju bacati ~ moraju se uskladištiti u suhoj prostoriji koja se treba zagrijavati tako da unutrašnja temperatura uvijek bude veća od vanjske ~ zahrđale, masne, oštećene ili nepoznate elektrode ne smiju se upotrebljavati u zavarivanju ~ elektrode dobro zatvorene od pristupa zraka, u nepoderanoj polietilenskoj vrećici ili limenoj zalemljenoj kutiji ne treba prije upotrebe sušiti; sve ostale treba, osobito pri zavarivanju konstrukcija koje zahtijevaju visoku klasu kvalitete spoja ~ ako se zavaruje u vlažnom prostoru, elektrode treba držati na suhom mjestu ~ bazične elektrode koje su duže od 4 sata u otvorenoj kutiji, smatraju se vlažnima ~ vlažne elektrode prepoznajemo po zvuku udara jedne elektrode o drugu (suhe = oštar i visok zvuk; vlažne = dubok zvuk); kod zavarivanja se čuju male eksplozije i pucketanje i vlaga se može isparavati u vidu bijele pare ~ sušenje elektroda se vrši u posebnim pećima za sušenje s mogućnosti regulacije temperature sušenja koju preporuča proizvođač ~ zavarivač bi na radnom mjestu trebao imati posebnu prijenosnu pećnicu u kojoj se održava temperatura ( 60 ÷ 100 o C ) tako sa za vrijeme rada ne dođe do vlaženja elektrode ~ elektroda se ne smije uzimati masnim rukavicama (masnoća uzrokuje poroznost u zavarenom spoju) ~ ako su elektrode jako stare mogu se na površini obloge primijetiti mali bijeli kristali (rezultat kemijskih reakcija sastavnih dijelova obloge) – ne smiju se zavarivati važni spojevi

by Marin Varenina

2-11

Zavarivanje I


2.2 PRIPREMA SPOJEVA ZA ZAVARIVANJE

~ SPOJ = mjesto spajanja zavarivanjem dva ili više dijelova ~ rubovi materijala prije zavarivanja moraju biti tako oblikovani da se prilikom montaže ostvari potreban oblik žlijeba ~ oblik žlijeba ovisi najviše o: - debljini materijala - postupku zavarivanja - dostupnosti spoja ~ SUČELJENI SPOJEVI = elementi se pozicioniraju tako da su njihove osi ili ravne u istom pravcu ili paralelne ~ KUTNI SPOJEVI = dijelovi su postavljeni tako da se njihove osi sijeku pod nekim kutem ~ PREKLOPNI SPOJEVI = osi dijelova koji se spajaju se paralelno razmaknute ~ da bi se omogućilo spajanje materijala po čitavoj debljini, samo s jedne strane, u žlijebu se ostavlja razmak ~ kada je debljina materijala veća, sam razmak nije dovoljan, već se rubovi skošavaju da se omogući pristup električnog luka donjem rubu žlijeba ~ zaravnavanje na rubu skošenja izvodi se radi preciznijeg održavanja zadanog razmaka među rubovima žlijeba ~ veličina skošenja kod V-spoja ovisi o postupku zavarivanja: - što je izvor topline koncentriraniji to kut otvora može biti manji - što je izvor topline jači debljina elementa koji se zavaruje može biti veća

~ za deblje komade, kojima to pristup onemogućava, koristi se X-spoj (žlijeb) - zavarivanje se izvodi s dvije strane (nedostatak) - postiže se ušteda u količini utrošenog dodatnog materijala u odnosu na V-spoj - manje su deformacije ~

ako se primjeni dvostruki U-spoj, još je veća ušteda na dodatnom materijalu ali je cijena izrade ovog žlijeba veća, pa se on primjenjuje samo kod većih debljina

Slika 2.5 – osnovne vrste spojeva za zavarivanje

by Marin Varenina

2-12

Zavarivanje I


1. 2. 3. 4. 5. 6. 6'. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

je bočna površina žlijeba – može biti: |, /, ) KORIJEN ŽLIJEBA je najuže mjesto žlijeba – oštar ili odrezan GRLO ŽLIJEBA – razmak u najužem mjestu žlijeba VISINA GRLA ŽLIJEBA – visina ravnog dijela korijena žlijeba OTVOR ŽLIJEBA – najšire mjesto žlijeba KUT OTVORA ŽLIJEBA – kut pod kojim je pripremljen žlijeb KUT ZAKOŠENJA – polovina kuta otvora žlijeba OSNOVNI MATERIJAL – materijal dijelova koji se zavaruju KORIJEN ZAVARA –dio zavara u korijenu žlijeba LICE ZAVARA –površina zavara (naličje = suprotno licu) UVAR – dio osnovnog materijala istaljen pri zavarivanju ZONA UTJECAJA TOPLINE (ZUT) – zona neistaljenog osnovnog materijala u kojoj je struktura izmijenjena zbog utjecaja topline ŠIRINA ZAVARA – razmak rubova zavara NADVIŠENJE ZAVARA – visina izbočine zavara iznad površine osnovnog materijala BLAGI PRIJELAZ ZAVARA – blago prelaženje izbočine zavara u osnovni materijal OŠTRI PRIJELAZ ZAVARA – strmo prelaženje VISINA KUTNOG ZAVARA – "a" SLOJ ZAVARA – jedan sloj dobiven pri jednom prolazu (višeslojno = više prolaza) POKROVNI SLOJ – završni sloj zavara s lica ili s naličja NAVAR – navareni metal na osnovni materijal STRANICA ŽLIJEBA

by Marin Varenina

2-13

Zavarivanje I


2.3 POLOŽAJI ZAVARIVANJA

~ najlakše je zavarivanje izvoditi u POLOŽENOM POLOŽAJU ~ u svim ostalim položajima znatno je složenije uravnotežiti sile u luku i djelovanje gravitacije na talinu da bi se dobio najpogodniji oblik zavara ~ REL, TIG, MIG/MAG, PLINSKO ZAVARIVANJE – u svim položajima ~ EPP – ne izvodi se u vertikalnom ili nadglavnom položaju ~ EPT – izvodi se isključivo u vertikalnom položaju ~ PRINUDNI POLOŽAJI - vertikalno, horizontalno-vertikalno, nadglavno - elektrodu treba postaviti tako da sile u luku podržavaju talinu i trosku za vrijeme rada i suprotstavljaju se sili gravitacije

~ kutni spojevi se mogu izvoditi u svim prostornim položajima (za potpuno provarivanje po čitavoj duljini potrebno je skošenje rubova)

Slika 2.6 – zavarivanje V-spoja u vodoravnom položaju (horizontalni, položeni položaj)

by Marin Varenina

2-14

Zavarivanje I


Slika 2.7 – zavarivanje V-spoja u vertikalnom položaju

Slika 2.8 – zavarivanje V-spoja u zidnom položaju (horizontalno-vertikalni)

Slika 2.9 – zavarivanje V-spoja u nadglavnom položaju

by Marin Varenina

2-15

Zavarivanje I


2.4 PARAMETRI ZA ZAVARIVANJE

~ kod REL zavarivanja, operater bira samo jedan parametar na uređaju za zavarivanje, a to je STRUJA ZAVARIVANJA ~ STRUJA ZAVARIVANJA –

ovisi o promjeru elektrode koja će se koristiti (ovisno o debljini materijala radnog komada, vrsti žice jezgre elektrode, te o položaju zavarivanja)

– pri zavarivanju običnim čeličnim obloženim elektrodama: I = ( 30 ÷ 40 ) ⋅ d – u slučaju zavarivanja u prisilnim položajima struja navedena u podacima proizvođača se smanjuje za 15 ÷ 20 % ~ NAPON ELEKTRIČNOG LUKA

– definirana i nepromjenjiva veličina: U 0 = 60 V ; U z = 18 ÷ 26 V ~ DULJINA LUKA

– ovisi o promjeru elektrode i tipu obloge – rutilne, kisele i celulozne obloge: L = d – bazične obloge: L = 0,5 ⋅ d (luk ima manju duljinu zbog teže ionizacije – posljedica obloge) ~ u slučaju da struja zavarivanja nije dobro postavljena (odabrana), oblik zavara se mijenja, kao i dubina penetracije

Slika 2.10 – utjecaj struje zavarivanja na oblik navara (zavara)

~ mala struja zavarivanja = navar ima nadvišen oblik i uzak je; rastaljeni metal je relativno hladan, nema dobrog razlijevanja, a niti zagrijavanja osnovnog metala – mala penetracija ~ velika struja zavarivanja = protaljuje osnovni materijal – duboka penetracija; širok razliven navar jer postoji velika količina taline niske površinske napetosti (karakteristika zavara: uz rubove postoje ugorine) ~ odgovarajuća struja zavarivanja = navar (zavar) ima zadovoljavajuću penetraciju, malo nadvišenje i blage prijelaze na osnovni materijal ~ na oblik zavara još utječe i TEHNIKA RADA – jednolikost brzine zavarivanja, jednolikost širine poprečnog njihanja elektrode

by Marin Varenina

2-16

Zavarivanje I

2.4.1


UTJECAJ NAGIBA ELEKTRODE

~ elektrodu treba voditi okomito na talinu = najkraći luk – vrlo važno kod bazičnih elektroda (osjetljive na duljinu luka) ~ rutilne ili kisele elektrode dozvoljavaju otklon 15 ÷ 20 o od okomite osi; ako je otklon veći, smanjuje se dubina penetracije jer se sile električnog luka rastavljaju u dvije komponente ~ osobito nepovoljan je negativan nagib jer jedna komponenta sila luka gura rastaljeni metal i trosku na još nezagrijan osnovni metal gdje se oni miješaju i brzo skrućuju

Slika 2.11 – nagib elektrode pri zavarivanju

Slika 2.12 – prikaz utjecaja nagiba elektrode ovisno o obliku žlijeba i položaja zavarivanja

by Marin Varenina

2-17

Zavarivanje I

2.4.2


GREŠKE

~ poroznost -

nepravilna tehnika rada neodgovarajuća duljina električnog luka nepravilno prekidanje i nastavljanje zavara vlažna obloga elektrode strujanje zraka

~ nedovoljna penetracija i naljepljivanje - prebrzo vođenje elektrode - premala struja - puhanje električnog luka

~ uključci troske - loše čišćenje između slojeva - nepravilno i prejako njihanje elektrode

~ loša geometrija zavara - neadekvatna tehnika rada - loši parametri

by Marin Varenina

2-18

Zavarivanje I


2.5 MEHANIZIRANI POSTUPCI ZAVARIVANJA

~ u cilju povećanja produktivnosti zavarivanja obloženim elektrodama, uvedene su neke varijante postupaka koje obuhvaćaju: 1. GRAVITACIJSKO ZAVARIVANJE GRAVITATOR

- uređaj kod kojeg obložena elektroda, većeg promjera ( 5 ÷ 8 mm ) i duljine ( 700 ÷ 900 mm ) uhvaćena u kliještima za zavarivanje, oslonjena na oblogu, klizi po špici gravitatora dok se potpuno ne rastali i automatski prekine luk - čovjek je potreban samo za ulaganje nove elektrode i uspostavljanje luka, a daljnji proces pomicanja elektrode odvija se uslijed djelovanja sile gravitacije

Slika 2.13 – gravitaciono zavarivanje 2. KONTAKTNO ZAVARIVANJE

- koriste se slične elektrode kao kod gravitacijskog zavarivanja, ali su obloge prilagođene zavarivanju pod znatno manjim nagibom elektrode - uređaj se sastoji od magnetskih držača, te polužno-opružnog mehanizma s kliještima koji održava određeni nagib elektrode sve dok se ona ne rastali - zavarivač umeće novu elektrodu, premješta uređaj na novi položaj i ponovo uspostavlja novi luk

Slika 2.14 – kontaktno zavarivanje

by Marin Varenina

2-19

Zavarivanje I


3. ZAVARIVANJE POD LETVOM

- za sučeljene i kutne spojeve duljine do 2 m - zavarivanje se izvodi elektrodama položenim uzduž spoja prekrivenih bakrenom letvom - elektroda je na jednom kraju spojena na izvor struje, a na drugom se uspostavlja luk koji se održava između radnog komada i elektrode, a pokriven je troskom i bakrenom letvom

Slika 2.15 – zavarivanje pod letvom

by Marin Varenina

2-20

Zavarivanje I

3.

Elektrolučno zavarivanje pod praškom

ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE POD PRAŠKOM (EPP) ~ elektrolučni postupak ~ električni luk se održava između kontinuirane taljive elektrode (žica) i radnog komada i on je u toku procesa prekriven slojem praška i troske koja nastaje taljenjem dijela tog praška ~ prašak štiti rastaljeni metal od djelovanja okolne atmosfere, sprječava naglo hlađenje zavara i oblikuje zavar ~ prašak ima utjecaja i na kemijski sastav metala zavara ~ u procesu ostvarivanja spoja sudjeluje veći postotak osnovnog materijala nego kod REL zavarivanja

Slika 3.1 – shema EPP zavarivanja

Slika 3.2 – proces taljenja metala pri EPP zavarivanju

~ priprema za zavarivanje se izvodi u ovisnosti o debljini osnovnog materijala: - I -spoj za debljine do približno 12 mm - Y -spoj za debljine veće od 10 mm

by Marin Varenina

3-1

Zavarivanje I


Slika 3.3 – izgled presjeka zavara pri EPP zavarivanju nakon skrućivanja taline

~ najčešće se primjenjuje MEHANIZIRANA varijanta postupka: - mehanizirano je dodavanje elektrodne žice i pomicanje u smjeru zavarivanja

- uloga operatera: 2 2 2 2

pozicioniranje pištolja provjera praška uključiti uređaj kontrolirati napon (voltmetar)

~ poluautomatski uređaji – ručno vođenje glave ~ namjena postupka: prvenstveno za zavarivanje i navarivanje debljih i duljih spojeva (u gradnji spremnika, za

čelične konstrukcije, brodogradnje, šavne cijevi većih promjera, navarivanje nehrđajućih čelika na nelegirani čelik, ...)

~ zavaruju se najčešće nelegirani i niskolegirani konstrukcijski čelici, te visokolegirani čelici ~ primjena ovog postupka je ekonomična za zavarivanje spojeva dužih od 0,5 m , te za limove deblje

od 10 mm ; primjenjiv je i na tanjim (debljine od 2 mm ) ~ zavaruje se u položenom položaju ili u posebnim slučajevima u H-V (horizontalno-vertikalnom) položaju (npr. gradnja plašta rezervoara - Slika 3.4)

Slika 3.4 – primjena EPP zavarivanja u H-V položaju (npr. gradnja plašta rezervoara)

Slika 3.5 – shematski prikaz zavarivanja kružnih spojeva velikih promjera

by Marin Varenina

3-2

Zavarivanje I


~ elektroda (pobakrena za zavarivanje čelika): - žica punog presjeka promjera 2 ÷ 6 mm - traka (Slika 3.6)

Slika 3.6 – primjena elektrode u obliku trake za navarivanje

~ izbor zaštitnog praška ovisi o: -

vrsti materijala debljini lima, odnosno vrsti spoja svojstvima površine lima parametrima zavarivanja

~ po kemijskom sastavu praškovi su vrlo slični sastavu obloge kod obloženih elektroda i imaju istu funkciju: -

zaštita taline stabilizacija električnog luka metalurški utjecaj postizanje boljih mehaničkih svojstava

~ prema načinu proizvodnje razlikujemo: 2 TALJENE

– proizvode se taljenjem u elektrolučnim ili plinskim pećima pri temperaturi iznad 1500 ÷ 1600 o C – rastaljena masa lijeva se u vodu gdje se talina skrućuje u obliku grumena koji se kasnije suše i drobe na potrebnu veličinu – prednosti: nisu higroskopni za razliku od aglomeriranih (koje treba ih sušiti) – nedostaci: način proizvodnje – treba više energije i izaziva se prilično zagađenje okoline

2 AGLOMERIRANE

– dobivaju se vezivanjem sitno mljevenih komponenti, a kao vezivo služi neka vrsta vodenog stakla

2 SINTERIRANE 2 MIJEŠANE

– sastoje se od dva ili više tipova prašaka

by Marin Varenina

3-3

Zavarivanje I


3.1 UTJECAJ PARAMETARA NA OBLIK ZAVARA

~ parametri zavarivanja: - struja zavarivanja ( 600 ÷ 800 A ) - napon na električnom luku ( 25 ÷ 40 V ) - brzina zavarivanja (16 ÷ 40 m h ) ~ ~ ~ ~

napon praznog hoda (U 0 = 100 V ) je veći nego kod REL-a jer se teže uspostavlja električni luk konačni oblik spoja ovisi o zajedničkom djelovanju tih parametara promjena jednog parametra izaziva odmah i promjenu ostalih parametara (Slika 3.7) ostali parametri koji utječu na oblik zavara: - slobodna duljina žice - mjesto priključka mase na radni komad - nagib radnog komada

Slika 3.7 – utjecaj parametara zavarivanja na oblik zavara

by Marin Varenina

3-4

Zavarivanje I


3.2 GREŠKE KOD EPP ZAVARIVANJA

~ porozitet: -

nečistoće vlaga kontaminirani prašak korodirana elektroda nedovoljna količina praška nečistoće u prašku

~ uključci praška: - loša priprema spoja - loši parametri

~ nepravilna geometrija: -

loši parametri velika količina taline problem kod dovođenja praška loše vođenje "traktora"

3.3 USPOREDBA EPP ZAVARIVANJA S REL POSTUPKOM

~ prednosti: - do 15 puta povećan učinak zbog bitno veće gustoće struje u elektrodi ( 40 ÷ 50 (80) A mm 2 EPP; -

10 ÷ 15 A mm 2 REL) manji utrošak dodatnog materijala, jer u ostvarivanju spoja više sudjeluje osnovni materijal zbog veće penetracije (kutni spojevi mogu biti manjih dimenzija i time se smanjuju deformacije) manji otpad dodatnog materijala specifično je manji utrošak električne energije jer je električni luk pokriven slojem praška koji sprječava radijacijske gubitke električni luku je pokriven = nije potrebna zaštita za oči = lakši rad, radnik se manje umara manje zagađivanje okolne atmosfere povećana i ujednačena kvaliteta zavara

~ nedostaci: -

zbog velike taline i sporijeg hlađenja veće je zrno u strukturi zavara, što uvjetuje lošiju žilavost spoja moguća veća sistematska greška zbog nemogućnosti praćenja luka nije pogodan za sve položaje zavarivanja nije prikladan za tanje limove i kraće zavare osiguranje kvalitetnog početka i završetka zavara omogućeno je primjenom produžnih, ulazno-izlaznih pločica koje se nakon zavarivanja odstranjuju s konstrukcije - visoka cijena uređaja

by Marin Varenina

3-5

Zavarivanje I


3.4 PODLOGE PRI ZAVARIVANJU PRVOG SLOJA

~ PODLOGE = profilirani dijelovi postavljeni uz spoj s donje strane žlijeba koji će biti zavarivan tako da osiguravaju pravilno oblikovanje prvog tzv. korijenskog sloja što je najkritičnija operacija – potrebno je uravnotežiti brojne sile koje djeluju na talinu uz zahtjev da se osigura potpuna penetracija, bez prevelikog nadvišenja i ugorina ~ primjenom podloge ostvaruju se ekonomsko-tehnološke prednosti: - mogućnost zavarivanja samo s jedne strane, bez okretanja dijelova ili čitave konstrukcije (niži troškovi) - mogućnost zavarivanja limova većih debljina samo u jednom prolazu, s jedne strane uz upotrebu automata za zavarivanje - mogućnost izvođenja kvalitetnog zavara na konstrukcijama gdje je druga strana spoja teško pristupačna - mogućnost izostavljanja žlijebljenja i ponovnog zavarivanja - znatno utječe na vrijeme i ukupne troškove izrade - primjenom podloga pojednostavljuje se priprema zavarenog spoja - tolerancije pripreme postaju manje kritične - toplinska izolacija (nemetalne podloge) povoljno utječe na smanjenje kutnih deformacija spoja (izjednačuje se brzina hlađenja na licu i korijenu zavara) - mogućnost rada s povećanim parametrima - manje slojeva i kraće vrijeme

3.4.1

PODJELA PREMA VRSTI MATERIJALA I]

METALNE PODLOGE (dvije osnovne grupe)

a) podloge koje nakon zavarivanja čine sastavni dio spoja i konstrukcije - potpuno se tale i ulaze u metal zavara ili bivaju djelomično rastaljene i ostaju privarene uz spoj (slučaj pri primjeni traka iz čeličnih materijala) - nedostatak spojeva izvedenih uz primjenu trakastih podloga je loša dinamička izdržljivost (trake djeluju kao koncentratori naprezanja) – koriste se samo gdje nema dinamičkih naprezanja b) podloge koje pridržavaju talinu pri zavarivanju, a poslije se uklanjaju s mjesta spoja za čelične materijale - ta podloga je najčešće od bakra i može biti hlađena vodom - za aluminij i aluminijske legure, te podloge su od nehrđajućih čelika (bakrene bi mogle izazvati koroziju) II]

PODLOGE IZ PRAŠKA ZA ZAVARIVANJE I OSTALIH PRAŠKASTIH MATERIJALA

- prašak može biti: 2 rastresit 2 rastresit omotan tkanjem 2 povezan vezivom u želatinastu masu 2 kompaktan - nedostatak podloga iz rastresitog praška: primjena samo za vodoravni položaj - krute podloge iz briketiranog ili sinteriranog praška izrađuju se u više slojeva iz različitog materijala gdje svaki ima posebna svojstva i ulogu – često kombinacija praška i bakra - fleksibilne podloge iz praška povezanog želatinastim vezivom imaju prednost da pri postavljanju mogu pratiti zakrivljenost konstrukcije, ali nedostatak im je osjetljivost pri rukovanju (česta oštećenja površine)

by Marin Varenina

3-6

Zavarivanje I


III] KERAMIČKE PODLOGE

- s različitim oblicima utora i u različitim veličinama - mogu biti higroskopne (moguća pojava poroznosti u zavarenom spoju) ili otporne na vlagu, ovisno o vrsti keramike i načinu proizvodnje IV] PODLOGE IZ STAKLA

- mogu biti: 2 KRUTE (obično 2 ELASTIČNE (iz

prozorsko staklo) staklenog tkanja u više slojeva)

- višeslojne podloge se često kombiniraju s drugim vatrootpornim materijalima (npr. praškom za zavarivanje, azbestom, keramikom) - upotreba: uglavnom za tanje limove zbog manjeg toplinskog kapaciteta staklenog tkanja (manja unesena količina topline i manja talina) - općenito nemetalne podloge su lagane za rukovanje, posjeduju određenu fleksibilnost (prednost pri primjeni u terenskim uvjetima), ne postoji opasnost od provarivanja - sistemi pričvršćivanja zahtijevaju minimalno vrijeme postavljanja (uklanjanja) nemetalnih podloga ~ pri zavarivanju specijalnih materijala potrebno je voditi brigu o mogućim metalurškim reakcijama ~ prema djelovanju na metal zavara podloge mogu biti: (djelujući na kemijski sastav zavara) NEUTRALNE . S DODACIMA METALA (radi povećanja učinka)

2 AKTIVNE 2 2

3.4.2

NAČINI PRIČVRŠĆIVANJA PODLOGA

~ utječu na ukupnu ekonomičnost primjene ~ teži se primjeni što jednostavnijeg načina ~ u primjeni su slijedeći načini pričvršćivanja: 2 MEHANIČKO-PNEUMATSKE NAPRAVE (Slika 2 MAGNETSKI ILI VAKUUMSKI DRŽAČI (Slika 2 OPRUŽNE ŽICE (Slika

3.8) 3.9)

3.10)

2 SAMOLJEPLJIVE TRAKE (Slika

3.11)

Slika 3.8 – načini pričvršćenja podloga

by Marin Varenina

3-7

Zavarivanje I


Slika 3.9 – princip pričvršćivanja podloga magnetima ili vakuumskim držačima

Slika 3.10 – princip pričvršćivanja podloga opružnom žicom

Slika 3.11 – princip pričvršćivanja podloga samoljepljivom trakom

~ najčešće se primjenjuju keramičke podloge dužine 25 ÷ 30 mm na aluminijskoj foliji sa slojem ljepila kao elementom za pričvršćenje: -

ove podloge omogućuju prilagodljivost obliku radnog komada postavljanje je kratkotrajno dodatno osiguravaju korijensku stranu od utjecaja atmosfere zahtijevaju umjereno čišćenje sloja površinskih oksida i nečistoća ograničenje: nosivost podloge s obzirom na masu taline te otpornost ljepila na povišene temperature (samoljepljive trake su otporne na temperature do ≈ 500 o C )

by Marin Varenina

3-8

Zavarivanje I


~ MAGNETSKO PRIČVRŠĆENJE

- samo za feromagnetske materijale - jednostavna metoda, zahtjeva primjenu više ili manje fleksibilnih okvira u koje se stavljaju elementi krutih keramičkih podloga ili podloga iz briketiranog praška za zavarivanje - načini pričvršćenja: 2 2

s parom magnetskih držača poprijeko na spoj s jednim magnetom i opružnim držačem – zahtjeva znatno više magneta i pogodnija je za neravne površine

- magnetski držači mogu biti različitog geometrijskog oblika - nedostatak: - na povišenim temperaturama gube magnetizam - izazivaju magnetsko puhanje luka ~ VAKUUMSKI STEZAČI

- pogodni za sve vrste materijala (osobito aluminijske legure) - zahtijevaju dobro obrađenu površinu za nalijeganje vakuumskih elemenata ~ PRIČVRŠĆENJE OPRUŽNIM ŽICAMA

- jednostavno rješenje za pričvršćenje keramičkih podloga koje moraju imati provrte za umetanje žice – nije potrebna primjena nosivih okvira ~ MEHANIČKO PRIČVRŠĆAVANJE KLINOVIMA ILI VIJCIMA

- dugotrajna operacija - rijetko se koristi ~ PNEUMATSKO PRIČVRŠĆENJE

- jednostavan i brz način - skupa izrada elemenata pa se koristi samo kod nepromjenjivih radnih mjesta u linijskoj proizvodnji ~ oblici utora podloge ovise o namjeni podloge i vrsti postupka zavarivanja ~ prema primjenjivosti postoji bitna razlika između grupe metalnih podloga i ostalih grupa podloga (nemetalne) ~ metalne podloge: - teške, relativno skupe u izradi, nedovoljno prilagodljive zakrivljenim ili neravnim površinama - zahtijevaju primjenu dodatnih, skupih, glomaznih i složenih naprava - primjena: samo na nepromjenjivim radnim mjestima - ako se ne koriste dodatne naprave, podloge se pričvršćuju prihvatnim zavarivanjem (zahtjeva dodatni rad na uklanjanju tragova njihove primjene) ~ keramičke podloge zbog svoje relativne jednostavnosti proizvodnje i rukovanja imaju najširu primjenu

by Marin Varenina

3-9

Zavarivanje I

4.

TIG zavarivanje

T.I.G. ZAVARIVANJE = Tungsten (wolfram) Inert Gas ~ elektrolučni postupak zavarivanja gdje se toplinom oslobođenom u električnom luku koji se uspostavlja između elektrode načinjene iz wolframa i radnog komada tali osnovni, a po potrebi i dodatni materijal ~ princip rada: - RUČNO ZAVARIVANJE - POLUAUTOMATIZIRANO ZAVARIVANJE

- gotovo isto kao i kod ručnog principa zavarivanja, s tim da se pritiskom na dugme na pištolju, osim opisanog procesa ukopča i elektromotor sustava za dovod žice koji ju dovodi pod električni luk gdje se tali zajedno s osnovnim materijalom - ROBOTIZIRANO ZAVARIVANJE

- pištolj i sistem za dodavanje dodatnog materijala u obliku žice se pričvrste na ruku robota

~ mjesto zavarivanja (rastaljeni osnovni materijal, dodatni materijal, zagrijani vrh elektrode) se štiti od štetnog djelovanja okolne atmosfere inertnim plinovima

Slika 4.1 – shematski prikaz kompletnog uređaja za TIG zavarivanje

Slika 4.2 – shematski prikaz TIG postupka

by Marin Varenina

4-1

Zavarivanje I

TIG zavarivanje

~ wolframova elektroda služi isključivo za uspostavljanje i održavanje električnog luka - izrađuju se od čistog wolframa, ili češće od wolframa legiranog s malim dodacima ( 1 ÷ 2 % ) torijevog ili cirkonijevog oksida – olakšavaju uspostavljanje luka, stabiliziraju luk, osobito pri malim jakostima struje, smanjuju eroziju vrha elektrode, te povećavaju dozvoljeno strujno opterećenje - vrh elektrode mora biti brušenjem pripremljen na pravilan oblik ovisno o vrsti i veličini struje, te zahtjevima na zavar (Slika 4.3) - d e = 0,8 ÷ 9, 5 mm ; L = 200 mm - ne smije se taliti ("netaljiva") – uslijed erozije vrha, te njegovom prljanju u slučaju mehaničkog kontakta s radnim komadom (brušenjem se mora ukloniti), ona se postupno troši ( 170 mm ≈ 30 h rada ) - pravilnim opterećenjem osigurava se duži vijek trajanja, te se smanjuje onečišćenje zavara wolframom, a izračunava se pomoću slijedećeg izraza:

I = 100 ⋅ φelektroda ⋅ k

φelektroda ... promjer elektrode ( 0,5; 1, 0; 1,6; 2, 4; 3, 2; 4, 0; 6, 4; 8, 0 ) k

... koeficijent opterećenja – ovisi o vrsti elektrode ( 0, 3 ÷ 1 )

- temperatura tališta wolframa je vrlo visoka ( ≈ 3700 K ) pa se u zaštiti argona ne tali kod zavarivanja, na zraku oksidira kod temperatura > 670 K , u dušiku nitrira kod temperatura > 1700 K , u ugljičnom dioksidu oksidira kod temperatura > 970 K

Slika 4.3 – oblik vrha elektrode i veličina zagrijanosti vrha te oblik zavara u ovisnosti o vrsti struje

VRSTA STRUJE

ZAVARIVANI (OSNOVNI) MATERIJAL

NAPOMENA

istosmjerna elektroda (-) pol

svi materijali osim aluminija i magnezija i njihovih legura

mogućnost najvećeg opterećenja elektrode

izmjenična ili impulsna

aluminij i magnezij i njihove legure

moguće uklanjanje oksida s površine osnovnog materijala

istosmjerna elektroda (+) pol

posebni slučajevi

vrlo malo dozvoljeno opterećenje elektrode

~ parametri: -

vrsta električne struje jakost struje zavarivanja napon struje zavarivanja količina zaštitnog plina brzina zavarivanja

by Marin Varenina

4-2

Zavarivanje I

TIG zavarivanje

~ prednosti: - primjenjiv za zavarivanje svih materijala - nema rasprskavanja kapljica - zavarivanje u svim položajima - zavarivanje u radionici i na terenu - visoka kvaliteta zavara - nema troske, dima i isparavanja - raspon debljina okvirno 1 ÷ 6 mm - brzina dodavanja dodatnog materijala je nezavisna o energiji električnog luka - mogućnost automatizacije ~ nedostaci: - neekonomičnost za veće debljine (mala količina nataljenog materijala) - otežan rad na otvorenom (vjetar!) - kvalitetna priprema spoja (geometrija, odmašćivanje) - čistoća površine - utjecaj ljudskog faktora: zavarivač - cijena plina (ako nisu optimizirani parametri!)

~ greške: - uključci wolframa – loša tehnika rada, kontakt elektrode i radnog komada ili dodatnog materijala, prejako opterećenje elektrode - loša geometrija zavara – neadekvatna tehnika rada, loši parametri - "crni zavar" – uslijed loše zaštite argonom na površini zavara nastaje neka vrsta crnog nanosa (zbog nečistog argona ili nedovoljne zaštite prouzročene premalim protokom argona, propuhom ili predugačkim lukom) – specifična pojava kod zavarivanja aluminija i legura

~ primjena: -

aluminij i legure magnezij i legure titan i legure bakar i legure nehrđajući čelici nelegirani i niskolegirani čelici (korijen!!!)

by Marin Varenina

4-3

Zavarivanje I

TIG zavarivanje

4.1 TEHNIKA RADA

~ uvjet: treba imati dovoljno kupke inače će doći do naljepljivanja i puno grešaka ~ tehnika zavarivanja: lijeva tehnika – pištolj u desnoj ruci, dodatni materijalu lijevoj, smjer zavarivanja je s desna na lijevo (Slika 4.4)

3÷5

mm

75 ÷ 80 o

6 ÷ 10 mm

10 ÷ 20 o

Slika 4.4 – položaj pištolja i žice kod ručnog TIG zavarivanja

~ na početnom mjestu zavarivanja se uspostavi električni luk i njime se zagrijava osnovni materijal sve do stvaranja taline. Tada se u određenom trenutku pištolj povuče natrag, ali tek toliko da toplina luka djeluje na talinu, koja treba biti dobro zaštićena plinom. Istodobno, s povlačenjem pištolja, vrh žice se dovede (doda) u prednji rub taline. Žica se od topline taline i blizine električnog luka trenutno rastali. Potom se žica povuče natrag, izvan taline i električnog luka, ali ne i iz zone djelovanja zaštitnog plina. Istodobno s povlačenjem žice kreće se s pištoljem naprijed u daljnje zagrijavanje i pretaljivanje osnovnog materijala na spoju, ... – proces se ponavlja ~ talina ne smije "bježati" ispred električnog luka na hladni i nepretaljini materijal, jer može doći do greške u obliku naljepljivanja – čest slučaj kod bakra (odvođenje topline znatno, a talina vrlo žitka) 4.1.1

USPOSTAVLJANJE I PREKIDANJE ELEKTRIČNOG LUKA

~ prije početka zavarivanja preporučuje se provjera parametara zavarivanja na pomoćnoj pločici: - pištolj će se osušiti od eventualne vlage, nastale od kondenzata na pištolju hlađenim vodom - nakon promjene ili brušenja elektrode, vrh elektrode se dovede u najpovoljniji oblik - uklanja se manje onečišćenje vrha wolframove elektrode tako da ono ispari

~ uspostavljanje električnog luka: 2 DOTICANJEM ELEKTRODOM RADNI KOMAD

- moguće je , ali se izbjegava zbog oštećenja elektrode i uključivanja wolframa u zavar 2 UZ POMOĆ VF GENERATORA

- izvor struje dodatno je opremljen visokonaponskim generatorom koji je paralelno spojen u krug struje zavarivanja, funkcija mu je da kod primaknutog vrha elektrode radnom komadu visokim naponom "prebaci" električnu iskru i tako omogući početnu ionizaciju te uspostavljanje električnog luka - kod zavarivanja izmjeničnom strujom u prolazu kroz nulto područje, gdje se električni luk teoretski gasi, ova visokonaponska struja pomaže stabilnosti električnog luka - proizvedeni visoki napon visoke frekvencije nije opasan za radnika zbog "skin"-efekta 2 UZ POMOĆ LIFT-ARC-START UREĐAJA

- umjesto visokonaponskog generatora - dodatak izvoru struje koji omogućuje da prilikom dodira elektrode i radnog komada ne poteče odmah radna struja zavarivanja, koja bi oštetila elektrodu i uzrokovala pogrešku u zavarenom spoju, nego se luk uspostavlja vrlo malom strujom, dok se ne postignu uvjeti za ionizaciju i za stabilan luk. Odmah nakon toga operater podiže pištolj na pogodnu udaljenost od radnog komada, te tek tada poteče struja zavarivanja by Marin Varenina

4-4

Zavarivanje I

TIG zavarivanje

~ prekidanje električnog luka: - dolazi do udubljenja u završnom krateru, koje nastaje kao posljedica djelovanja sila u električnom luku - skrućivanjem i stezanjem u završnom krateru nastaje šupljina pa i pukotina, te je nužno osigurati popunu kratera - prekidanje je najpovoljnije izvoditi POSTUPNO. Suvremeni uređaji građeni su tako da električni luk postupno prekinu ili ga još neko vrijeme održavaju uz manju jakost struje zavarivanja poslije isključenja. Na taj način se završni krater može popuniti jer nema snažnog izboja struje luka koji u krateru stvara udubljenje popraćeno sitnim pukotinama - ukoliko na uređaju nema mogućnosti za postupno prekidanje luka, postupnim smanjenjem struje zavarivanja, prekidanje se obavlja MALIM POKRETOM PIŠTOLJA UNATRAG, na već skrutnuti ali još zagrijani dio zavara i to tako da električni luk svojom snagom ne rastjeruje nego popunjava završetak taline. Kad se električni luk prekine, pištolj ostaje pri završetku sve dok zaštitni plin izlazi (do 10 s )

~ početak zavara treba uvijek promatrati kao mjesto gdje je moguća pogreška hladnog naljepljivanja, a završetak kao mjesto gdje su moguće sitne pukotine – zbog toga tamo gdje je moguće početak i završetak zavara treba izvoditi na pomoćnoj pločici 4.1.2

PRIPREMA SPOJEVA

~ ovisi o vrsti i debljini materijala ~ u načelu TIG postupak se primjenjuje kod zavarivanja materijala manjih debljina ( 0,5 ÷ 6 mm ) pa je izbor vrste spoja jednostavan: 2

za debljine 1 ÷ 1, 5 mm primjenjuje se spoj s povinutim rubom koji se pretaljuje bez dodavanja žice

2

za debljine približno 2 ÷ 4 mm primjenjuje se I-spoj bez razmaka u grlu žlijeba (kod ručnog postupka primjenjuje se razmak) za debljine 4 ÷ 6 mm primjenjuje se također I-spoj ali uz obavezan razmak od ≈ 2 mm

2 2

za veće debljine materijala, npr. zavarivanje korijena zavara, primjenjuje se V- i U-spoj uobičajenih dimenzija

2

za kutne spojeve koristi se dodatni materijal

~ osnovno pravilo u pripremi spoja za TIG zavarivanje je besprijekorna čistoća spoja. U pravilu se obavlja odmašćivanje, a preporuča se i sušenje spoja od vlage plamenom po površini spoja. Za skidanje oksida koristi se četkanje neposredno prije zavarivanja ~ površina pripremljenog spoja mora biti što glatkija i bez srha, jer hrapave površine povećavaju količinu oksida i nečistoća

Slika 4.5 – tipovi spojeva za TIG zavarivanje

by Marin Varenina

4-5

Zavarivanje I

4.1.3

~ ~ ~ ~

TIG zavarivanje

TIG ZAVARIVANJE VRUĆOM ŽICOM

dodatni materijal se dodaje mehanizirano, žica je spojena na posebni izvor struje predgrijavanje žice se ostvaruje Jouleovim efektom postupak se koristi kada ne smije biti prevelik unos topline, za zavarivanje osjetljivih materijala prednosti: - veća proizvodnost - veća brzina rada - veća količina nataljenog materijala

~ nedostaci: - složen uređaj – treba imati kontrolni sustav koji povezuje uređaj za zavarivanje i uređaj za kontrolu žice

_ + Slika 4.6 – shematski prikaz TIG zavarivanja vrućom žicom

4.1.4

ORBITALNO TIG ZAVARIVANJE

~ automatski postupak, čovjek samo glavu pozicionira na mjesto ~ primjena: cijevi, cijevne stijene, u procesnoj industriji ~ prednosti: - nema utjecaja ljudskog faktora na postupak - veliki broj zavara ujednačene kvalitete

~ nedostaci: - određen uređaj za određen promjer cijevi (jedna glava – jedan promjer)

~ zaštitni plin se dovodi kroz kabel ~ elektroda rotira oko cijevi, a parametri (unaprijed podešeni) se mijenjaju kako elektroda putuje zbog sile gravitacije

by Marin Varenina

4-6

Zavarivanje I

4.1.5

TIG zavarivanje

ZAVARIVANJE ALUMINIJA

~ da bi bilo moguće kvalitetno provesti postupak zavarivanja aluminija potrebno je s njegove površine ukloniti kožicu ( Al 2O3 ) koja nastaje oksidiranjem aluminija ~ površinski oksid se formira brzo pa ga je teško u potpunosti ukloniti s površine prije samog postupka zavarivanja ~ problem je u tome što je temperatura taljenja oksida aluminija ( 2060 o C ) veća nego čistog metala ( 660 o C ), dok su temperature taljenja oksida ostalih metala manje ili iste onima čistog metala ~ zagrijavanje aluminija bez uklonjenog površinskog oksida do temperature taljenja rezultirat će s rastaljenim "bazenom" aluminija zarobljenog ispod oksidirane površine ~ stoga se za uklanjanje površinskog oksida u postupku zavarivanja u zaštiti plinova koristi fenomen poznat pod imenom "KATODNO ČIŠĆENJE" - kada je elektroda spojena na pozitivni pol izvora istosmjerne struje elektroni putuju s radnog komada prema elektrodi dok ioni putuju u suprotnom smjeru bombardirajući površinu radnog komada čime se površinski oksidni sloj razbija i disperzira omogućujući da se materijal kvalitetno zavari - problem koji se javlja kod ovog načina zavarivanja je taj što se elektroda pregrijava jer se 2 3 topline generira na vrhu pozitivnog pola - kompromis se može postići korištenjem izmjenične struje umjesto istosmjerne čime se proces podijelio na dva dijela. U trenutku kada je na elektrodi pozitivan pol razbija se oksidni sloj, a kada je negativan onda se elektroda hladi

4.2 ZAŠTITNI PLINOVI

~ zadatak zaštitnog plina je da osigura prikladnu atmosferu, koja se da što lakše ionizirati, te štititi vrh elektrode i talinu od kontaminacije kisikom i drugim plinovima iz okoline ~ vrste: 2 ARGON

- najčešće korišteni zaštitni plin - čelici, nehrđajući čelici, aluminij, titan

2 ARGON/VODIK ( 2 ÷ 5 % )

- reducirajući efekt, bolji izgled zavara, nema površinske oksidacije - električni luk je uži i ima veću energiju te omogućava veće brzine zavarivanja - nedostatak je opasnost pojave vodikom uzrokovanih pukotina i poroznost kod aluminija 2 ARGON/HELIJ ( do 50 % )

- helij utječe na povećanje energije električnog luka, što omogućava veće brzine i bolju penetraciju - nedostatak je visoka cijena i poteškoće kod uspostavljanja električnog luka 2 ARGON + DUŠIK ( 1 ÷ 3 %

) - zavarivanje duplex i austenitnih čelika, nikal legure

2

za zaštitu korijena se koriste zaštitni plinovi: DUŠIK, DUŠIK/VODIK, ARGON

by Marin Varenina

4-7

Zavarivanje I

TIG zavarivanje

4.3 IZVORI STRUJE

~ primjenjuju se ISTOSMJERNI, IZMJENIČNI i KOMBINIRANI izvori struje ~ izbor struje ovisi o vrsti zavarivanja: - RUČNO – izvor treba imati strmo padajuću karakteristiku da se osigura približno konstantna struja zavarivanja neovisno o promjenama dužine luka uslijed pomicanja ruke zavarivača - MEHANIZIRANO – izvori s ravnom karakteristikom jer je osigurana konstantna dužina luka

~ budući da se uspostavljanje električnog luka kratkim spojem kod TIG postupka izbjegava, izvori su dodatno opremljeni visokonaponskim visokofrekventnim generatorima ~ kratak spoj wolframove elektrode i radnog komada, s jedne strane oštećuje vrh pa je stabilnost luka smanjena, a s druge strane dolazi do uključivanja wolframa u osnovni materijal s nepovoljnim posljedicama po mehanička svojstva spoja ~ da bi se uspostavio električki luk bez kontakta između vrha elektrode i radnog komada mora postojati vrlo visok napona koji će omogućiti početnu ionizaciju, a zbog nepoželjnosti visokog napona sa stanovišta sigurnosti primjenjuje se onaj visoke frekvencije koji zbog SKIN-EFEKTA nije opasan za radnika (paralelno je spojen u krug struje zavarivanja i osigurava uspostavljanje električnog luka) ~ moguće je uspostaviti električni luk kratkim spojem na pomoćnom komadu grafita ili bakra a zatim se luk dok je još zagrijan vrh elektrode prenese na radni komad (izbjegava se) ~ IMPULSNO ZAVARIVANJE (Slika 4.7): - način zavarivanja kojim se jakost električne struje ritmički mijenja u dvije razine. U određenom vremenskom intervalu ( t z ), čija dužina se može namjestiti, prolazi električna struja veće jakosti ( I z ) s kojom se tali i protaljuje, potom slijedi struja manje jakosti ( I d ), opet u određenom vremenskom intervalu ( t d ), koja dopušta skrućivanje pretaljenog mjesta ali ne i hlađenje. Tako se u određenim vremenskim razmacima ponavlja zavarivanje jačom i slabijom električnom strujom, a zavareni spoj sastavljen je od niza točaka protaljivanja koje se preklapaju - ovakav način rada ima značajnim prednosti pri zavarivanju osjetljivih materijala te u prisilnim položajima, jer se pogodnim trajanjem i amplitudom impulsa može osigurati taljenje materijala, a dobiti mala talina koja se neće cijediti - ovakav način rada je naročito prikladan za zavarivanje tankih limova

Iz

tz

td

Id

Iz

tz

Id

td

Slika 4.7 – dijagram električne struje i vremena kod TIG impulsnog zavarivanja

by Marin Varenina

4-8

Zavarivanje I

5.

Plazma zavarivanje

PLAZMA ZAVARIVANJE ~ razvilo se iz TIG postupka zavarivanja, kod oba postupka se koristi netaljiva wolframova elektroda i relativno je malo unošenje topline ~ kod zavarivanja plazmom elektroda je malo upuštena u sapnicu ~ plin pod tlakom izlazi kroz mali otvor na donjem dijelu sapnice, oko tog mlaza vrućeg plazmenog plina postoji i drugi koncentrični omotač zaštitnog plina ~ plazmeni mlaz dobiva se tlačenjem određenog plina kroz električni luk ~ temperatura u električnom luku je vrlo visoka zbog koncentracije luka oblikom sapnice u usko područje ~ koncentrirani mlaz vrućih plazmenih plinova usmjeren na osnovni materijal tali ga oblikujući talinu zavarenog spoja ~ plinovi za stvaranje plazme: - Ar ... osigurava lagano uspostavljanje luka i njegovu stabilnost ... mali sadržaj energije ... skup

- N 2 ... ispuhuje rastaljeni metal zbog većeg impulsa (gušći je) ... zahtjeva veći napon ionizacije = veći sadržaj energije

- H - mješavine plinova - zrak ... sve više se primjenjuje jer je najjeftiniji ... elektroda je od drugog materijala i oblika u tom slučaju

~ plin za zaštitu plazmenog mlaza i mjesta zavarivanja od okolišne atmosfere: inertni plinovi (argon, helij ili njihove mješavine, ponekad uz male dodatke nekih aktivnih plinova) protoka 5 ÷ 15 l min ~ tehnika rada "TALJENJEM" - koristi se prelazni luk - koristi se kod zavarivanja vrlo tankih limova, višeslojnih i kutnih spojeva

~ tehnika rada "PROTALJIVANJEM" (KEYHOLE) - koristi se neprelazni luk - plazmeni mlaz protaljuje čitavu debljinu osnovnog materijala oblikujući otvor u materijalu oblika ključanice - plazmeni plinovi koji struje nad otvorenom ključanicom pomažu u uklanjanju plinova koji bi pod drugim okolnostima bili zarobljeni u rastaljenom metalu i uzrokovali poroznost - zavareni spoj nastaje uslijed sila površinske napetosti koje osiguravaju tečenje rastaljenog materijala oko otvora, zatvarajući ga iza izvora topline, kako on napreduje u smjeru zavarivanja (simetrična zona linije staljivanja zavarenog spoja umanjuje sklonost poprečnim deformacijama) - primjenjuje se kada plazmeni mlaz može proći po čitavoj debljini spoja, obično za područja debljine od 1, 5 ÷ 12 mm , ovisno o sastavu osnovnog materijala i plazmenog plina - postupak je moguće izvesti u svim položajima, ručno ili mehanizirano

~ izvor struje: - u većini slučajeva istosmjerni sa strmo padajućom karakteristikom napona praznog hoda U 0 = 80 V

~ električni luk se uspostavlja između wolframove elektrode koja je spojena na "minus" ( − ) pol izvora struje i radnog komada ili sapnice pištolja samog uređaja ~ prema načinu uspostavljanja električnog luka razlikujemo: - PRELAZNI LUK – između elektrode i radnog komada - NEPRELAZNI LUK – između elektrode i sapnice

by Marin Varenina

5-1

Zavarivanje I

Plazma zavarivanje

Slika 5.1 – shema plazma uređaja (nepreneseni luk)

Slika 5.2 – shema plazma uređaja (preneseni luk)

~ primjena: - male debljine - materijali osjetljivi na velike deformacije ( CrNi ) - zavarivanje opreme za medicinu, procesnu industriju, precizni elementi za medicinu, ... - zavarivanje šavnih cijevi od CrNi čelika - zavarivanje bakra ~ prednosti: - razmak između pištolja i radnog komada nije kritična veličina iz čega proizlazi da je lakše dodavanje dodatnog materijala, odnosno nemogućnost da elektroda dotakne dodatni materijal ili rastaljenu kupku također onemogućuje mogućnost onečišćenja metala zavara s volframom i čime je smanjena potreba za pripremom elektrode - velika koncentracija energije u plazma mlazu omogućuje duboku penetraciju, te potpuno protaljivanje u jednom prolazu. Zona utjecaja topline spoja je uska s paralelnim rubovima što smanjuje kutne deformacije - velika koncentracija energije osigurava veću brzinu zavarivanja, a luk je stabilan

~ nedostaci: - uske tolerancije pripreme spoja obzirom na prirodu luka plazma postupak zavarivanja - plazma pištolj je mnogo osjetljiviji na oštećenja nego kod TIG postupka - i najmanji pištolji moraju imati vodeno hlađenje, a budući da su kanali vrlo uski mora se koristiti pripremljena voda bez kamenca da ne dođe do začepljenja kanala - zahtijeva se vrlo točno održavanje razmaka između vrha elektrode i sapnice

~ parametri zavarivanja: - struja zavarivanja (već od 0, 05 A ) - brzina zavarivanja - udaljenost sapnice od radnog komada - protok plazmenog plina - protok zaštitnog plina

by Marin Varenina

5-2

Zavarivanje I

Plazma zavarivanje

5.1 USPOREDBA PLAZMA ZAVARIVANJA "KEYHOLE" EFEKTOM I TIG-a ~ prednosti: - plazmeni plinovi koji struje nad otvorenom ključanicom pomažu u uklanjanju plinova koji bi pod drugim okolnostima bili zarobljeni u rastaljenom metalu i uzrokovali poroznost - simetrična zona linije staljivanja zavarenog spoja umanjuje sklonost poprečnim deformacijama - veća dubina penetracije omogućuje smanjenje broja slojeva – vrlo često zavareni spoj može se izvesti u jednom prolazu - najčešće se koriste sučeljeni spojevi što znatno umanjuje troškove pripreme spoja

~ ograničenja: - postupak zavarivanja ima više parametara koji mogu imati uske radne tolerancije - potrebno je veće umijeće radnika prilikom ručnog zavarivanja debljih materijala - potrebno je voditi veću brigu o održavanju pištolja da bi se osiguralo kvalitetno zavarivanje

~ plazma pištolj nalikuje na TIG pištolj, ali je složeniji jer osim kanala za plazmeni plin ima često i kanal za zaštitni plin, te obavezno sistem vodenog hlađenja (Slika 5.3)

Slika 5.3 – usporedba postupaka TIG i plazma

by Marin Varenina

5-3

Zavarivanje I

Plazma zavarivanje

~ osnovna prednost električnog luka kod plazma postupka je njegova paralelnost, tj. on se ne širi kao kod TIG postupka (Slika 5.4) - električni luk je formiran obilno hlađenom sapnicom izrađenom od bakra, tj. luk se ne oblikuje slobodno (za razliku od TIG postupka)

6o

45o

Slika 5.4 – usporedba širine luka kod TIG i plazma postupka zavarivanja

~ plazmeni mlaz velike brzine osigurava bolji prijenos topline nego kod TIG zavarivanja istom strujom, dajući veću brzinu zavarivanja uz veću penetraciju (Slika 5.5; Slika 5.6)

Slika 5.5 – usporedba toplinskih izotermi kod TIG i plazma postupka zavarivanja

b

b t

b = (1 ÷ 2) t

t

b = (0,6 ÷ 1) t

Slika 5.6 – usporedba geometrije zavara kod TIG i plazma postupka zavarivanja

~ lakše dodavanje dodatnog materijala je omogućeno zbog manje osjetljivosti na udaljenost elektrode od radnog komada, odnosno dužinu električnog luka - kod iste jakosti struje od 10 A , dužina električnog luka TIG postupka je 1, 5 mm , a plazme 6, 4 mm

by Marin Varenina

5-4

Zavarivanje I

6.

MIG/MAG zavarivanje

M.I.G./M.A.G. ZAVARIVANJE ~ električni luk se održava između taljive, kontinuirane elektrode u obliku žice spojene na (+) pol istosmjernog izvora i radnog komada u zaštitnoj atmosferi plinova

Slika 6.1 – shema elektrolučnog zavarivanja taljivom metalnom elektrodom u zaštitnoj atmosferi plinova

~ pogonski sistem dodaje žicu konstantnom brzinom kroz cijevni paket i pištolj, u električni luk ~ žica = elektroda i dodatni materijal ~ postupak: - POLUAUTOMATSKI - mehanizirano dodavanje, ručno vođenje - AUTOMATSKI - glava s pištoljem može biti pokretana nekim mehanizmom ili nepokretna (miče se radni komad)

~ kada se zavarivanje vrši na udaljenosti većoj od 5 m od izvora struje, obično se primjenjuje dodatni pogon za dodavanje žice u samom pištolju - "PUSH-PULL" sistem čija je primjena nužna i na manjim udaljenostima kada se radi s tanjim žicama ( d = 0,6 ÷ 0,8 mm ) ili žicama od mekših materijala (aluminij ili njegove legure) – on sprječava gužvanje žice unutar cijevnog vodiča ~ prednosti: -

postupak je primjenjiv za zavarivanje svih vrsta materijala velika mogućnost izbora parametara i načina prijenosa materijala zavarivanje u svim položajima zavarivanje u radionici i na terenu mogućnost primjene različitih plinskih mješavina mogućnost primjene praškom punjene žice širok raspon debljina velika učinkovitost i proizvodnost pogodan za automatizaciju - dodatni materijal u neograničenim količinama - zaštitni plin u boci - automatska regulacija duljine luka

- moguća primjena i za lemljenje

~ nedostaci: - kod rada na terenu moguće greške zbog loše zaštite – vjetar! - problemi kod dovođenja žice (posebno aluminij) - veći broj grešaka uslijed neodgovarajuće tehnike rada i parametara zavarivanja (naljepljivanje, poroznost) - štrcanje kod zavarivanja kratkim spojevima (gubici i potreba za naknadnom obradom) - složeniji uređaji (dovođenje žice, automatska regulacija)

by Marin Varenina

6-1

Zavarivanje I

6.1

MIG/MAG zavarivanje

PARAMETRI ZAVARIVANJA

~ karakteristika uređaja (Slika 6.2): - RAVNA STATIČKA KARAKTERISTIKA IZVORA - UNUTARNJA (STRUJNA) REGULACIJA

U radna točka

ΔI

I Slika 6.2 – ravna statička karakteristika izvora struje

~ parametri zavarivanja koji u najvećoj mjeri utječu na kvalitetu zavarenog spoja: -

jakost struje (brzina žice) napon električnog luka veličina indktiviteta (uspona struje) promjer žice brzina zavarivanja protočna količina i vrsta zaštitnog plina dužina slobodnog kraja žice

Slika 6.3 – prikaz idealne radne točke i utjecaj na količinu istaljenog metala

by Marin Varenina

6-2

Zavarivanje I

6.1.1

MIG/MAG zavarivanje

JAKOST STRUJE ZAVARIVANJA

~ jakost struje zavarivanja i promjer žice odabiru se prema vrsti i debljini materijala koji se zavaruje te prema položaju zavarivanja i obliku pripreme spoja ~ jakost struje zavarivanja određuje se brzinom žice na mehanizmu za dodavanje žice. Određena brzina žice nekog promjera odgovara određenoj jakosti struje zavarivanja (Slika 6.4)

Slika 6.4 – prikaz jakosti struje u ovisnosti o brzini žice i njenom promjeru

~ jakost struje utječe na količinu rastaljenom materijala u jedinici vremena, dubinu protaljivanja i na oblik zavara (veća jakost struje = veća dovedena energija) 6.1.2

NAPON LUKA

~ utječe na dubinu protaljivanja, širinu zavara i nadvišenje zavara ~ napon luka može se poistovjetiti s dužinom luka (veći napon = veća dužina luka; i obrnuto)

Slika 6.5 – prikaz graničnih vrijednosti i jakosti struje u odnosu na promjer žice

6.1.3

VELIČINA INDUKTIVITETA (USPON STRUJE)

~ dodatni induktivitet utječe na veličinu porasta struje kad dođe do kratkog spoja u prijenosu kapljica metala ~ kad ne bi bilo tog prigušenja, tada bi kod svake kapljice u kratkom spoju struja zavarivanja toliko naglo porasla da bi dolazilo do velikog rasprskavanja – kapljica bi se naglim porastom struje rasprsnula i "eksplodirala" (praktički ne bi bilo moguće zavarivanje kratkim spojem) by Marin Varenina

6-3

Zavarivanje I

6.1.4

MIG/MAG zavarivanje

PROMJER ŽICE

~ najčešće se koriste pune žice promjera 0,6 ÷ 2, 4 mm ~ žice od čeličnih materijala su pobakrene ili pocinčane radi boljeg električnog kontakta i zaštite od korozije ~ površina žice mora biti glatka, vrlo točnih dimenzija i žica mora biti uredno namotana na kolutove koji se postavljaju u uređaj za dodavanje ~ faze prijenosa metala kod zavarivanja štrcajućim lukom: - taljenje vrha žice i odvajanje kapljice - let kapljice kroz električni luk - sjedinjenje kapljice i taline

~ prema karakteristici luka razlikujemo četiri karakteristična načina prijenosa metala: 2 KRATKIM SPOJEVIMA (Slika 6.6)

- za zavarivanje tanjih limova i u prisilnim položajima - prijenos se vrši uz male struje zavarivanja ( I = 50 ÷ 170 A ) i mali napon ( U = 13 ÷ 21 V ) - ostvaruje se mala količina rastaljenog metala – pogodno za zavarivanje tankih limova, korijenskog sloja i zavarivanja u prisilnim položajima 2 ŠTRCAJUĆIM LUKOM

- prijenos se vrši uz jake struje zavarivanja ( I = 200 ÷ 600 A ) i veliki napon ( U = 25 ÷ 40 V ) - velika penetracija i velik unos topline – pogodno za zavarivanje predmeta velikih debljina, samo u položenom položaju

- primjenjuje se za zavarivanje debljih materijala - veća učinkovitost – produktivnost 5 ÷ 7 kg h žicom promjera 1, 2 mm - najveći gubitak materijala 2 PRIJELAZNIM LUKOM

- I = 170 ÷ 235 A - U = 22 ÷ 25 V - geometrija zavara nije jednolika – treba izbjegavati 2 IMPULSNIM STRUJAMA

- kontrolirani prijenos štrcajućim lukom "kapljica metala po impulsu" - primjenjuje se za zavarivanje u prisilnim položajima - nema kontakta elektrode i radnog komada

Slika 6.6 – prijenos kapljica metala kratkim spojevima by Marin Varenina

6-4

Zavarivanje I

6.1.4.1

MIG/MAG zavarivanje

Praškom punjene žice (FCAW)

Slika 6.7 – presjeci praškom punjenih žica

~ ~ ~ ~

koriste se uz plinsku zaštitu postoje žice koje same stvaraju zaštitnu atmosferu raspadanjem jezgre teško je kvalitetno napraviti praškom punjenu žicu karakteristike: -

6.1.5

onemogućuje naljepljivanje omogućuje zaštitu (stvaranje troske) bolja penetracija veća učinkovitost veća količina rastaljenog materijala bolja svojstva zavarenog spoja manja potrošnja plina viša cijena dodatnog materijala potreban oprez kod skladištenja i rukovanja

BRZINA ZAVARIVANJA

~ utječe na: - dubinu protaljivanja - širinu zavara - količinu unesene topline u materijal

~ premala brzina zavarivanja (uz velike jakosti struje): - stvara se znatna količina taline koja "bježi" pod električni luk i ispred luka na hladan materijal, pa dolazi do pogrešaka naljepljivanja, nepretaljivanja i uključaka - protaljivanje je neznatno jer luk ne može prodirati kroz talinu - širina zavara je velika, s uleknutim licem zavara - talina je pregrijana, pa svojom toplinom uzrokuje vrtloženje zaštitnog plina, što dovodi do slabe zaštite i pojave poroznosti

~ prevelika brzina zavarivanja: - protaljivanje je malo zbog raspodjele energije po većoj površini u jedinici vremena - dolazi do pojave ugorina kod prijelaza zavara na osnovni materijal - zavar je uzak i jako nadvišen, površinski neizgledan

~ brzinu zavarivanja treba podrediti ostalim odabranim parametrima zavarivanja ~ uz jakost struje i napon luka, značajno utječe na dovođenje topline u materijal

by Marin Varenina

6-5

Zavarivanje I

6.1.6

MIG/MAG zavarivanje

PROTOČNA KOLIČINA I VRSTA ZAŠTITNOG PLINA

~ utjecaj plinova odražava se na: - električno-fizikalna svojstva električnog luka (prijenos metala) - metalurške procese u talini zavara - tehnološke parametre

~ zaštitni plinovi štite rastaljeni metal od utjecaja okolne atmosfere, a na mjesto zavarivanja se dovode kroz posebnu sapnicu na pištolju ~ u slučaju primjene inertnog plina nema reakcije rastaljenog metala s plinom – koriste se za zavarivanje osjetljivih materijala (aluminij, bakar i legure, titan, krom-nikal čelici ) ~ kod zavarivanja nelegiranih čelika – aktivni plinovi (čisti CO2 ili mješavina Ar / CO2 / O2 ) ~ u ovakvoj atmosferi dolazi do reakcije između CO2 i rastaljenog metala ~ CO2 je inertan pri nižim temperaturama, ali se iznad 1600 o C disocira u ugljični monoksid ( CO ) i slobodni kisik koji reagira s rastaljenim metalom ~ može doći do ponovnog vezivanja CO2 čime se oslobađa toplina što za posljedicu ima veće provarivanje: CO2 → CO + O , CO odlazi u atmosferu Fe + O → FeO ~ štetno stvaranje oksida se sprječava legiranjem dodatne žice dezoksidantima (silicij, mangan): Si + O2 → SiO2 Mn + O → MnO

vezivanje slobodnog kisika

FeO + C → Fe + CO C + O → CO C + CO2 → 2 CO

CO odlazi u atmosferu – procesi dezoksidacije

~ zbog odgorijevanja silicija i mangana, tijekom zavarivanja u žici se nalazi nešto više tih elemenata nego što je potrebno za dezoksidaciju – obično se silicij i mangan dodaju u omjeru 1: 2 ( 0,8 % Si ; 1,6 % Mn )

by Marin Varenina

6-6

Zavarivanje I

6.1.6.1

MIG/MAG zavarivanje

Plinovi za MIG/MAG zavarivanje

PLINOVI I MJEŠAVINE

PRIMJENA

He

svi metali svi metali

Ar + He (35 ÷ 75%)

svi metali, posebno Al , Cu , Ni

Ar + O2 (0,5%)

Al i njegove legure

Ar + O2 (1 ÷ 2 %)

visokolegirani CrNi čelici

Ar + O2 (3 ÷ 5%)

nelegirani i niskolegirani čelici

Ar + H 2 (5 ÷ 10 %)

visokolegirani CrNi čelici

Ar + N 2 (25 ÷ 30 %)

Cu i njegove legure

Ar + CO2 (20 ÷ 50 %)


Ar + CO2 + O2 (79 + 15 + 6%)


Ar + CO2 + O2 (78 + 20 + 2 %)


CO2


N2

Cu i njegove legure

Ar

~ dodavanjem CO2 argonu dobiva se mješavina: - koja daje ljepši izgled zavaru - koja smanjuje rasprskavanje kapljica metala - kojom se dobiva povoljniji oblik protaljivanja

~ dodavanjem O2 argonu postižu se sitnije kapljice metala, odnosno ljepši izgled zavara - kisik snižava površinsku napetost taline i usitnjava kapljicu metala, što daje električnom luku karakteristiku štrcajućeg

~ Ar + H 2 (5 ÷ 10 %) -

udio vodika preko 5 % može uzrokovati poroznost kod visokolegiranih čelika reducirajuća atmosfera, nema površinske oksidacije, bolji izgled zavara električni luk je uži i ima veću energiju (vrlo duboka penetracija), te omogućava veće brzine zavarivanja dobra stabilnost električnog luka srednji napon

~ za razliku od argona, helij ima slabu ionizacijsku sposobnost - razlog većeg napona kod iste dužine električnog luka. Tako povećani napon električnog luka dovodi do povećanog unosa topline, a time do većeg provara drugačijeg oblika kod istih parametara zavarivanja - prednosti helija nad argonom: - nisu potrebna predgrijavanja ili su znatno manja - povećava se brzina zavarivanja, smanjuje se broj slojeva - bolja je zaštita kod zavarivanja u nadglavnom položaju

6.1.6.2

Utjecaj zaštitnih plinova na fizikalno-električna svojstva luka i način oblikovanja spoja

~ specifična gustoća zaštitnog plina ima veliki značaj za efikasnost zaštite mjesta zavarivanja od utjecaja okolne atmosfere ~ argon (najgušći inertni plin – 10x gušći od helija) i CO2 ( 1 3 gustoće argona) oblikuju dobar zaštitni omotač ~ dušik, helij i vodik skloni su turbulentnom strujanju pri izlasku iz sapnice by Marin Varenina

6-7

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

~ kod helija je potreban veći protok za istu kvalitetu zaštite u položenom položaju (prikladan za zavarivanje u nadglavnom položaju zbog manje gustoće) ~ toplinska vodljivost plinske atmosfere utječe na radijalne gubitke topline = utječe na oblik jezgre luka i njegovu geometriju (Slika 6.8): - argon: niska toplinska vodljivost = uska zona jezgre luka - helij: šira toplinska vodljivost = šira zona jezgre luka

Slika 6.8 – karakterističan oblik električnog luka i njegova geometrija

~ toplinska vodljivost se odražava i na oblik penetracije u osnovni materijal

Slika 6.9 – utjecaj plina na geometriju zavara

~ procesi ionizacije, disocijacije i rekombinacije u plinskoj atmosferi utječu na svojstva električnog luka ovisno o sistemu zaštitni plin-elektroda: - TIG: struja zavarivanja se prenosi ionima i elektronima zaštitnog plina - MIG/MAG: plinska plazma se kontaminira metalnim parama, ovisno o temperaturi ključanja i latentnoj toplini taljenja materijala koji se razmjerno lako ioniziraju i postaju osnovni nosioci naboja

~ pri rekombinaciji kada ionizirani plin u dodiru s hladnijim osnovnim metalnom vraća apsorbiranu energiju, zagrijavanje radnog komada je efikasnije nego s ioniziranim inertnim plinom ~ djelovanje zaštitnog plina ili mješavine plinova na rastaljeni metal može biti: 2 NEUTRALNO 2 OKSIDIRAJUĆE 2 REDUCIRAJUĆE

~ neke vrste zaštite zbog svojih fizikalno-toplinskih svojstava će dati veću ili manju penetraciju, veću ili manju širinu zavara, veće brzine zavarivanja, ili će utjecati na potrebu predgrijavanja radnog komada 6.1.7

DUŽINA KRAJA ŽICE

~ povećava se ili smanjuje odmicanjem ili primicanjem pištolja na mjestu zavarivanja ~ povećanjem dužine smanjuje se jakost struje zavarivanja kod iste brzine dodavanja žice, što se tumači povećanjem otpora prolazu struje kroz duži kraj žice ~ jakost struje se gubi na otporu, odnosno pretvara u toplinu zagrijavanjem žice, čime se povećava količina rastaljenog materijala u jedinici vremena, ali se smanjuje dubina protaljivanja ~ dužina slobodnog kraja žice treba biti što manji jer će i time električni luk biti mirniji, ali ne premala jer je onda sapnica za plin preblizu pa dolazi do onečišćenja sapnice by Marin Varenina

6-8

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

6.2 GREŠKE 2 POROZITET

-

tehnika rada nečistoće neodgovarajući protok plina loša kvaliteta plina

2 NALJEPLJIVANJE

- loša tehnika rada ("bježanje taline") 2 ŠTRCANJE (potreba za dodatnim čišćenjem)

- loši parametri

6.3 TEHNIKE RADA

~ teži se što okomitijem držanju pištolja, jer je time najbolje iskorištena energija električnog luka i najbolja je zaštita taline plinom ~ lijeva tehnika: - koristi se kod zavarivanja manjim jakostima struje gdje je razmak sapnice mali, radi boljeg pregleda mjesta zavarivanja i ljepšeg izgleda površine zavara - primjenjuje se kod zavarivanja: - tankih materijala - aluminija svih debljina - u prisilnim položajima

~ desna tehnika: - primjenjuje se kod ručnog zavarivanja debelih materijala s većim jakostima struje, osobito kod zavarivanja u žlijeb - kod velikih jakosti struje stvara se velika količina taline koja teži pobjeći ispod ili ispred električnog luka. Takvim nagibom pištolja usmjerava se električni luk da pridržava talinu iza sebe, da dobro zagrijava i pretaljuje osnovni materijal

~ nagibi ne smiju biti preveliki ( ≈ 15o od neutralnog) ~ preveliki nagib pištolja dovodi do poroznosti u zavaru zbog uvlačenja zraka u oštrom kutu iza mlaza plina

Slika 6.10 – tehnike zavarivanja by Marin Varenina

6-9

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

6.4 TEHNOLOŠKI ČIMBENICI PRI AUTOMATIZIRANOM I ROBOTIZIRANOM ZAVARIVANJU

~ izbor odgovarajuće plinske mješavine znatno utječe na optimalnost rješenja ~ kod automatiziranog i robotiziranog zavarivanja granice upravljanja su uže, tj. čovjek može točnije kompenzirati netočnosti i nepredviđene poremećaje ~ izborom sastava zaštitne plinske mješavine moguće je u potrebnom omjeru kombinirati svojstva pojedinih sastavnih dijelova tako da rezultirajuća mješavina ima optimalna svojstva za zadane uvjete ~ kod argonske zaštite osigurana je penetracija, ali zahtjeva točnu pripremu spoja i vođenje pištolja, dok u atmosferi CO2 , penetracija je šira, čime se mogu pokriti netočnosti pripreme i vođenja pištolja, ali se zato dobiva nepovoljniji oblik zavara ~ kod izbora mješavine, u obzir treba uzeti npr. penetraciju, izgled zavara, sklonost pojedinim tipovima grešaka, ...

Slika 6.11 – tipičan oblik penetracije zavarenog spoja ovisno o primijenjenoj zaštitnoj atmosferi

Slika 6.12 – utjecaj zaštitne atmosfere na zagrijavanje osnovnog materijala i penetraciju

~ u zaštitnoj atmosferi argona jednaku penetraciju na 6 mm debelom limu kao u zaštiti helija pri sobnoj temperaturi, postiže se tek uz predgrijavanje od 400 o C ~ predgrijavanje oduzima vrijeme, nije pogodno u robotskim i automatiziranim uređajima zbog toplinskog zračenja (rješenje: primjena odgovarajućeg zaštitnog plina) ~ za kvalitetno zavarivanje neophodno je osigurati određene količine zaštitnog plina – otežavajuću okolnost predstavlja strujanja zraka u zoni zavarivanja koje može ozbiljno narušiti zaštitnu atmosferu (s povećanom brzinom strujanja potrebna je veća količina zaštitnog plina) ~ veći udio gušćeg plina u mješavini osigurava njenu veću krutost, odnosno otpornost na poprečna strujanja zraka

by Marin Varenina

6-10

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

Slika 6.13 – utjecaj poprečnog strujanja na potrebnu količinu zaštitnog plina

Slika 6.14 – odnos struje zavarivanja i broja kapljica elektrodnog metala

~ različiti plinovi određuju i različite kritične struje kada se iz područja električnog luka s kratkim spojevima prelazi u područje gdje se prijenos materijala u potpunosti vrši slobodnim letom kapljica ~ način prijenosa metala ima utjecaja na oblik zavara, kvalitetu površine, veličinu štrcanja, a posebno time i na gubitke dodatnog materijala, potrebu za operacijom čišćenja površine nakon zavarivanja ~ ako su parametri zavarivanja u kritičnom području dobiva se neregularno štrcanje kapljica od kojih mnoge završavaju na sapnici pištolja postepeno smanjujući izlazni otvor, čime se povećava otpor struji zaštitnog plina i izaziva se turbulencija izlazne struje u zaštitnoj atmosferi ~ izborom plinske mješavine prag kritične struje može se za zadane parametre pomaknuti izvan područja kritične struje – smanjenje prskanja ~ problem naljepljivanja važan je kod automatiziranih i robotiziranih postrojenja – potreba zastoja zbog čišćenja sapnice pištolja ~ čišćenje = propuhivanjem zraka kroz sapnicu ili se u robotskom programu predviđa "odlazak" ruke robota do posebnog alata za čišćenje i robot rotacijskim pokretima skida nakupljene kapljice ~ u slučaju komprimiranog zraka, on se uvodi u instalaciju zaštitnih plinova neposredno ispred pištolja, a pritom se i sapnica presvuče slojem sredstva protiv naljepljivanja kapljica ~ problem naljepljivanja kapljica na radni komad zahtjeva dodatnu operaciju čišćenja i smeta estetskom izgledu proizvoda ~ čišćenje traje duže od samog zavarivanja i skupo je ~ uštede: primjenom zaštitnih mješavina – mogu se postići veći učini, tj. kraće je vrijeme zavarivanja, te manji troškovi dodatnog materijala (manje rasprskavanje)

by Marin Varenina

6-11

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

6.5 KARAKTERISTIKE PRIMJENE I RAZVOJA MIG/MAG IMPULSNOG ZAVARIVANJA

~ mješavine plinova – svrha: poboljšanje načina prijenosa metala i svojstava zavarenog spoja ~ kisik se dodaje argonu i ugljičnom dioksidu jer bitno utječe na površinsku napetost kapljice, odnosno osiguran je dobar prijenos metala u sitnim kapljicama ~ kod zavarivanja kratkim spojevima dolazi do znatnog štrcanja metala u trenutku kratkog spoja između žice i taline zbog naglog porasta struje, bez obzira koje se mješavine ili CO2 koriste

Slika 6.15 – stupanj iskorištenja dodatnog materijala pri različitim postupcima zavarivanja

~ najveći gubitak materijala (štrcanje) je pri zavarivanju mješovitim lukom, kod kojeg se metal prenosi i kratkim spojevima i slobodnim letom kapljice i iznosi 3 ÷ 6 % pri primjeni CO2 , odnosno 2,5 ÷ 3,5 % primjenom mješavina ~ ako se pri MAG zavarivanju koristi zaštitna mješavina plinova = MAGM zavarivanje ~ pri zavarivanju impulsnim MAGM postupkom prijenos metala je slobodnim letom kapljice bez kratkih spojeva – može se postići jer je vrijednost maksimalne struje impulsa ( I P ) takva da, zbog elektromagnetskih sila na vrhu žice, kapljica biva otkinuta i izbačena prema talini u svim položajima zavarivanja

Slika 6.16 – vremenski tok struje i prijenos metala

by Marin Varenina

6-12

Zavarivanje I

MIG/MAG zavarivanje

~ danas korišteni izvori struje za MIG/MAGM impulsno zavarivanje su TYRISTORSKI i u novije vrijeme TRANZISTORSKI

~ TYRISTORSKI – impulsi su sinusoidalnog oblika, trajanja 1 ÷ 7 ms , najčešće f = 100, 50 s-1 (niže frekvencije samo pri automatskom zavarivanju, jer je pri poluautomatskom otežan rad zavarivaču zbog STROBOSKOPSKOG EFEKTA)

~ pri zavarivanju uz sinusoidalni oblik impulsa (TYRISTORSKI UREĐAJ) pravilan izvor stabilnih parametara je otežan ~ za svaku frekvenciju treba odabrati osnovnu struju ( I 0 ), maksimalnu struju impulsa ( I P ), vrijeme trajanja impulsa ( t P ), vrijeme trajanja osnovne struje ( t 0 ) – loš izbor parametara može utjecati na povećanje mogućnosti naljepljivanja, štrcanja metala, mali penetraciju, i sl. ~ TRANZISTORSKI – moguć je kontinuiran izbor bilo koje frekvencije, visine i širine impulsa, te osnovne

struje – jednostavnije je odabrati stabilne parametre zavarivanja uz uvjet da se postigne prijenos jedne kapljice za vrijeme svakog impulsa (prednost pred tyristorskim izvorima)

Slika 6.17 – promjena impulsne struje u zavisnosti o prosječnoj struji zavarivanja za različite tipove upravljanja

~ za veće struje pri tyristorskom upravljanju potrebna je veće osnovna struja, dok kod tranzistorskog upravljanja to nije potrebno ~ radi što jednostavnije regulacije parametara razvijeni su tzv. "ONE KNOB" sistemi – na osnovu jednog parametra automatski su određeni ostali parametri ~ "SYNERGIC" sistem – sistem sinhrozirane energetske kontrole ~ synergic sistem i sistem samoregulacijskog upravljanja zasnivaju se na sistemu kontrole pomoću jednog parametra ("gumba") – npr. za određenu jakost struje, odabiru se automatski ostali parametri zavarivanja, npr. vrijeme trajanja impulsa i frekvencija ~ kod synergic MIG/MAGM postupka zavarivanja uređaj za pogon žice je direktno vezan sa izvorom struje, dok kod samoregulacijske kontrole nema direktne "fizičke" veze između struje zavarivanja i pogona žice

by Marin Varenina

6-13

Zavarivanje I

6.5.1

MIG/MAG zavarivanje

PRIMJENA MAGM IMPULSNOG ZAVARIVANJA ZA NISKOLEGIRANE ČELIKE

~ u praksi se primjenjuje na nelegirane konstrukcijske čelike, niskolegirane i mikrolegirane čelike, visokolegirane čelike, te na aluminij, bakar i njihovim legurama ~ najčešća primjena u proizvodnji automobila, izradi dizalica, kotlogradnje, izradi spremnika, ... ~ za zavarivanje tanjih i debelih limova u položenim i prisilnim položajima ~ kod debelih limova u uskom žlijebu kod kojeg se postiže znatna ekonomičnost u odnosu na ostale žljebove ~ postižu se glatki, estetski zavari bez štrcanja metala, u svim položajima 6.5.2

PREDNOSTI IMPULSNOG ZAVARIVANJA PRED KLASIČNIM MAG ZAVARIVANJEM

~ primjenom mješavina plinova i impulsne struje postiže se povoljniji prijenos metala, jednolik i gladak izgled zavara, ujednačeniji kemijsko-metalurški sastav zavara ~ manje štrcanja = manji gubici materijala, nije potrebno čišćenje = niži troškovi ~ deformacije uslijed zavarivanja su manje (manji je unos topline) – važno kod tanjih limova ~ moguće je zavarivanje uz manje struje uz primjenu žica većeg promjera – smanjenje grešaka u zavaru (npr. manja količina unesenog vodika) ~ regulacijom parametara zavarivanja istom žicom uspješno se zavaruju materijali različitih debljina (smanjen asortiman žica) ~ moguće ostvariti slobodan let kapljica ~ poboljšana je, i olakšana kontrola parametara, te odabir optimalnih parametara razvojem "SYNERGIC" MIG/MAGM zavarivanja ~ razvoj strojeva usmjeren je prema primjeni tranzistorskih izvora struje (lakši izbor parametara zavarivanja)

by Marin Varenina

6-14

Zavarivanje I

7.

Elektrootporno zavarivanje

ELEKTROOTPORNO ZAVARIVANJE ~ elektrootporni postupci su oni kod kojih se metal zagrijava i tali toplinom koja nastaje uslijed otpora prolazom električne energije ~ prilikom elektrootpornog zavarivanja nema pojave električnog luka, a za oblikovanje spoja potrebno je primijeniti uz toplinsku i mehaničku energiju ~ otpor kojim se vodič suprotstavlja prolasku struje proporcionalan je dužini vodiča, a obrnuto proporcionalan presjeku ~ specifični otpor (karakteristika svakog materijala): ρ ⋅l R= A ~ količina topline oslobođena u određenom otporu može se izračunati po Joulevom zakonu: Q = R ∫ Idt → Q = I 2 ⋅ R ⋅ t uz pretpostavku: I = konst. , R = konst. (u stvarnosti R nije konstantan jer se njegove vrijednosti mijenjaju porastom temperature vodiča - Slika 7.1)

Rk

Q Slika 7.1 – ovisnost kontaktnog otpora o toplini

~ ovi izrazi vrijede za homogeni vodič konstantnog presjeka ~ ako se vodič presječe na nekom mjestu, a zatim se ti dijelovi fizički dovedu u dodir, u strujnom krugu se javlja novi, veći otpor. Uz postojeći otpor materijala vodiča, na mjestu dodira pojavit će se dodatni kontaktni otpor (Slika 7.2)

Slika 7.2 – na mjestu nehomogenosti javlja se različiti otpor od otpora homogenog vodiča

by Marin Varenina

7-1

Zavarivanje I


~ kontaktni otpor ovisi o: -

sili prianjanja dijelova (Slika 7.3) stanju površine (Slika 7.3) vrsti spoja (kod zavarivanja) o vrsti dodatnog materijala ili lema (kod lemljenja)

Rk

F Slika 7.3 – ovisnost kontaktnog otpora o sili prianjanja te stanju kontaktne površine

~ toplina nastala na mjestu kontakta: Qk = I 2 ⋅ Rk ⋅ t ~ ključnu ulogu u procesu zavarivanja ima Rk među zavarivanim limovima ~ otpori materijala ( Rm ) nisu važni u oblikovanju spoja zbog njihovog malog udjela u ukupnom otporu i njih možemo zanemariti ~ kontaktni otpor ( Rk ) između elektroda i limova mora se uzeti u obzir kod procjena ili proračuna parametara, jer se toplina proizvedena na tom otporu odvodi rashladnom vodom koja struji kroz elektrode i praktički predstavlja gubitak (Slika 7.4)

Re Rk Rm

R

Re

Q

Slika 7.4 – dijagramski prikaz otpora i razvijene topline kroz strujni krug uslijed EO točkastog zavarivanja

by Marin Varenina

7-2

Zavarivanje I


~ za zavarivanje se obično koristi izmjenična struja, jer je složena proizvodnja istosmjerne struje i prekidača za toliku jakost struje ~ kod elektrootpornog zavarivanja primjenjuju se struje: - vrlo visoke jakosti ( 100 ÷ 300000 A ) - niskog napona ( 0, 5 ÷ 25 V ) – zbog relativno niskog električnog otpora metala - vrlo kratkog vremena prolaska ( 0, 05 ÷ nekoliko desetaka s ) – ovisi o vrsti materijala i postupku

~ parametri procesa: - struja - sila pritiska - vrijeme trajanja prolaska struje

~ ako parametri nisu optimalni može doći do greške zbog: - nedovoljnog zagrijavanja mjesta zavarivanja i time do neostvarivanja kvalitetnog spoja zbog nedovoljnog miješanja materijala (uslijed premale struje ili premalog pritiska ili prekratkog vremena trajanja prolaska struje) - prevelikog zagrijavanja mjesta zavarivanja i time do deformacije mjesta zavara ili pukotina ili protaljivanja zavara (uslijed previsoke struje ili predugog vremena trajanja prolaska struje) - deformacije uslijed prevelike sile pritiska

~ greška koju bi trebalo također izbjeći je ŠANTIRANJE (Slika 7.5) = račvanje struje zavarivanja kod postojećeg točkastog zavara (udaljenost mjesta slijedećeg zavara mora biti dovoljna tako da se samo na tom mjestu zatvara strujni krug) – značajno utječe na smičnu čvrstoću pojedinog zavara (Slika 7.6)

I

I = I1 + I 2 I2

I1

udaljenost između mjesta zavara

I c

Slika 7.5 – shematski prikaz šantiranja

Slika 7.6 – smična čvrstoća zavara u ovisnosti o udaljenosti zavara

by Marin Varenina

7-3

Zavarivanje I


7.1 ELEKTROOTPORNO TOČKASTO ZAVARIVANJE

~ toplina se razvija uslijed otpora protjecanju struje između dodirnih površina radnih komada koji su pritisnuti elektrodama izrađenih iz Cu -legura: - čisti bakar je bolji vodič topline i manjeg specifičnog otpora nego njegove legure, ali se ne koristi za izradu elektroda jer njegove legure imaju bolja mehanička svojstva te time i produžen vijek trajanja

~ zavarivanje može biti: 2 JEDNOTOČKASTO

- najrašireniji slučaj: jednotočkasto dvostrano zavarivanje (elektrode se nalaze s obje strane) 2 VIŠETOČKASTO

- struja prolazi istovremeno kroz više točaka tako da se dobiva više zavarenih mjesta

Slika 7.7 – shematski prikaz elektrootpornog točkastog zavarivanja

Slika 7.8 – osnovni načini izvođenja točkastog zavarivanja ~ osnovni parametri: - jakost struje zavarivanja (do 100000 A ) - sila pritiska između elektroda - vrijeme trajanja prolaska struje

~ kako najveći otpor mora biti na mjestu spoja, elektrode koje provode struju moraju biti izrađene od materijala koji je dobar vodič struje ( Cu -legure) 2 Rk 1 i Rk 3 - najmanji otpori jer ne želimo da nam se elektroda zalijepi za radni komad 2 Rk 2 - najveći otpor; tu toplina mora biti najveća (blizu temperature taljenja) ~ elektrode treba stalno hladiti - zagrijavaju se zbog dodira s radnim komadom i zbog vlastitog otpora ~ postupak je prikladan za robotiziranje (zbog toga se često koristi u autoindustriji) by Marin Varenina

7-4

Zavarivanje I


7.2 ELEKTROOTPORNO BRADAVIČASTO ZAVARIVANJE

~ postupak kod kojeg se zavaruje više točaka istodobno ~ lokaliziranje pritiska i razvijene topline osigurano je time da je jedan od komada koji se spajaju, mjestimično unaprijed oblikovan izbočinama (bradavicama) ~ zbog velikog kontaktnog otpora na mjestu dodira razvit će se dovoljna količina topline da se mjesta kontakta rastale, pa će se oblikovati spojevi slični onima kod točkastog zavarivanja ~ elektrode imaju oblik ploča

Slika 7.9 – shema bradavičastog zavarivanja

~ prednosti (u odnosu na točkasto zavarivanje): - manje trošenje elektroda (oblik ploča)

- struja će prolaziti samo na mjesta gdje želimo ostvariti spoj - manje deformiranje površine radnog komada - manji paralelni otpor - manja osjetljivost na nečistoće na kontaktnim površinama

~ nedostaci: - sve točke se zavaruju istovremeno pa je potrebna puno veća struja i sila sabijanja - potrebna dodatna operacija izrade bradavica

by Marin Varenina

7-5

Zavarivanje I


7.3 ELEKTROOTPORNO ŠAVNO ZAVARIVANJE

~ zasniva se na principu kao i točkasto zavarivanje, samo što tu točke slijede brzo jedna iz druge, s određenim preklopom – to omogućuju elektrode u obliku diska ~ okretanjem diskova i upravljanjem trenutka propuštanja struje, moguće je regulirati gustoću točaka ~ primjena: - tamo gdje se zahtjeva nepropusnost spoja ~ osnovni parametri: - debljina limova -

sila pritiska između elektroda (koluta) širina elektroda brzina zavarivanja jakost struje zavarivanja

Slika 7.10 – shematski prikaz elektrootpornog šavnog zavarivanja

~ modifikacija postupka: šavno zavarivanje sučeljenih spojeva uz primjenu dodatne trake (Slika 7.11)

Slika 7.11 – elektrootporno šavno zavarivanje sučeljenih spojeva

by Marin Varenina

7-6

Zavarivanje I


7.4 SUČELJENO ELEKTROOTPORNO ZAVARIVANJE ISKRENJEM

~ kod sučeljenog zavarivanja iskrenjem primicanjem i odmicanjem pomične čeljusti, u kojoj se nalazi stegnuti radni komad prema drugoj nepomičnoj čeljusti nastaju kratki spojevi i električni lukovi na dodirnoj površini, gdje je materijal izbočen a uslijed topline sučeljeni krajevi komada se zagrijavaju → FAZA PREDGRIJAVANJA ~ kada su sučeljene površine i njihova okolina dovoljno predgrijane, radni komadi se završno primiču jedan prema drugome, protječe velika struja zavarivanja, te nastaje intenzivno zagrijavanje i eksplozivno taljenje i isparavanje metala uz stvaranje električnih lukova na lokalitetima gdje je materijal izbačen ~ nakon što se određena dužina krajeva radnih komada rastali i djelomično izgori, radni komadi se međusobno sabijaju velikom silom, te oblikuju zavareni spoj → FAZA SABIJANJA ~ na nastanak topline osim zagrijavanja uslijed otpora utječe i toplina razvijena u električnim lukovima

Slika 7.12 – princip sučeljenog zavarivanja iskrenjem

by Marin Varenina

7-7

Zavarivanje I


7.5 SUČELJENO ELEKTROOTPORNO ZAVARIVANJE PRITISKOM

~ izvodi se tako da dijelove koje želimo spojiti dovedemo u dodir po čitavom njihovom poprečnom presjeku ~ dijelovi se stisnu u čeljusti stroja (elektrode), i primicanjem čeljusti se dovode u kontakt uz istovremeno propuštanje struje zavarivanja ~ na kontaktnoj površini, uslijed otpora dolazi do zagrijavanja, a uslijed djelovanja sile sabijanjem zagrijanog materijala i do oblikovanja spoja ~ spojevi su kvalitetom slični točkastim spojevima, ali su ovdje potrebne puno veće struje zavarivanja

Slika 7.13 – princip sučeljenog zavarivanja pritiskom

by Marin Varenina

7-8

Zavarivanje I


7.6 VISOKOFREKVENTNO ZAVARIVANJE

~ obuhvaća grupu elektrootpornih postupaka koji koriste visokofrekventne struje u cilju koncentriranja toplinske energije na željeno mjesto ~ varijante postupka (razlika u načinu dovođenja struje): 2 VISOKOFREKVENTNO ŠAVNO ZAVARIVANJE

- struja se dovodi preko kliznih elektroda - struja se klizačem dovodi na rubove materijala prije njihovog dodira i teče duž rubova spoja do točke zavarivanja između valjaka-pritiskivača i natrag, do drugog klizača - zbog visoke frekvencije struja teče samo rubovima, do dubine od nekoliko desetaka milimetra, i samo u tom području neposredno prije "zatvaranja" spoja materijal je zagrijan do plastičnog stanja, te primjenom pritiska nastaje spoj 2 VISOKOFREKVENTNO ZAVARIVANJE UZ PRITISAK

- struja se dovodi putem indukcione zavojnice kojom se u radnom komadu stvara toplina - sila pritiska se ostvaruje pomoću pritisnih valjaka - primjena: za zavarivanje cijevi i profila i ostalih proizvoda rađenih iz kontinuirane trake

~ frekvencija: 10 ÷ 500 Hz ~ rubovi materijala moraju biti približno paralelni i čisti ~ proces je potpuno automatiziran i odvija se uz velike brzine ( do 150 m min ) ~ primjenjuje se za zavarivanje cijevi tankih stjenki

Slika 7.14 – šavno zavarivanje cijevi visokofrekventnim obuhvatnim induktorom

by Marin Varenina

7-9

Zavarivanje I

8.

Elektrolučno zavarivanje pod troskom

ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE POD TROSKOM ~ postupak kod kojeg se toplina potrebna za taljenje osnovnog i dodatnog materijala, koji je najčešće u obliku kontinuirane žice koja se mehanizirano dodaje u talinu, ostvaruje pretvorbom električne energije na otporu koji njenom prolazu pruža talina rastaljene troske ~ toplina akumulirana u volumenu rastaljene troske zagrijane do približno 2500 o C vođenjem i cirkulacijom se predaje stjenkama osnovnog materijala taleći ga ~ zavareni spoj se oblikuje od rastaljenih rubova osnovnog materijala, te elektrodne žice ~ rastaljeni metal zbog veće gustoće tone na dno rastaljene troske gdje se hladi ~ oblikovanje zavara sa strane i sprečavanje bočnog iscurenja rastaljene troske i metalne taline omogućeno je posebnim, vodom hlađenim papučama ~ razvijena količina topline proporcionalna je jačini struje zavarivanja i naponu u električnom krugu a može se izračunati prema Joulovom zakonu:

Q =U ⋅ I ⋅t

[ Ws]

~ postupak ima primjenu za zavarivanje konstrukcijskih, nisko i visokolegiranih čelika i u određenim slučajevima ima nekih tehnoloških i ekonomskih prednosti ~ postupak se može primijeniti za zavarivanje većih presjeka (do 2000 mm 2 uz korištenje više žica) u jednom prolazu i radnih komada debljine veće od 10 ÷ 12 mm ~ za zavarivanje se mogu primijeniti izvori istosmjerne ili izmjenične struje s ravnom ili padajućom karakteristikom

Slika 8.1 – shematski prikaz postupka zavarivanja pod zaštitom troske

~ osim osnovne varijante uređaja (Slika 8.1) postoji niz modifikacija a najčešća je ona s PRIMJENOM TALJIVIH SAPNICA: - prednost što nema pokretnih dijelova (osim što se bakrene papuče moraju premjestiti kada je zavareni spoj završen) jer se dodavanje žice osigurava kroz vodilicu različitog presjeka (Slika 8.2) - tom prilikom se i sama sapnica tali ulazeći svojim materijalom u sastav spoja, a prsteni načinjeni od praška tale se i ulaze u trosku nadoknađujući njen gubitak - struja zavarivanja uglavnom teče kroz taljivu sapnicu a tek manji dio struje teče kroz žicu u rastaljenu trosku - bitna karakteristika taljive sapnice je ograničenost struje zavarivanja koja ne smije biti iznad određene vrijednosti da se sapnica ne bi previše zagrijavala, a što bi zbog povećanog električnog otpora sapnice još više uvjetovalo povećanje temperature – ovo može utjecati na otpadanje obloge sa sapnice, na zapinjanje žice u sapnici, te na povećanje pada napona na sapnici

by Marin Varenina

8-1

Zavarivanje I

Elektrolučno zavarivanje pod troskom

Slika 8.2 – primjeri oblika taljivih sapnica i spojeva za EPT zavarivanje

~ prednosti: - veliki učinak taline, zbog veće dužine slobodnog kraja elektrodne žice ( 60 ÷ 80 mm ) i veće strujne opteretivosti elektrode. Koeficijent rastaljivanja: 18 ÷ 22 g Ah - utrošak praška, koji se taljenjem pretvara u trosku i štiti metal zavara od djelovanja atmosfere s gornje strane taline, puno je manji nego kod EPP postupka - postupak je automatski - frekvencija pojava tehnoloških pogrešaka u odnosu na REL, MAG i EPP je manja - deformacije zavarenih spojeva su vrlo male - stupanj djelovanja do 90 % - priprema zavarenog spoja je jednostavna – uglavnom su rubovi kod sučeljenih spojeva pripremljeni u obliku I-spoja – moguća je izvedba i kutnih spojeva i nekih specijalnih spojeva složenog poprečnog presjeka

~ nedostaci: - grubozrnata struktura zavarenog spoja (kristali slični kao kod lijevanja) – posljedica sporog hlađenja - loša žilavost spoja (zbog strukture) – može se popraviti toplinskom obradom, ali je teško izvedivo zbog dimenzije i debljine konstrukcije - velika količina taline - može se zavarivati samo u vertikalnom položaju, nagib šava do ∼ 10o maksimalno

~ parametri koji bitno utječu na proces: -

struja zavarivanja (vrsta, jakost, polaritet) napon vrsta troske (električna svojstva) visina (dubina) troske brzina zavarivanja razmak među rubovima hlađenje doziranje praška

by Marin Varenina

8-2

Zavarivanje I

9.

Zavarivanje elektronskim mlazom

ZAVARIVANJE ELEKTRONSKIM MLAZOM ~ spajanje materijala se provodi toplinom, proizvedenom pretvorbom kinetičke energije mlaza ubrzanih elektrona prilikom udara o metal koji se zavaruje ~ postupak se može svrstati u postupke taljenja ~ ponekad se primjenjuje dodatni materijal, ali talina za oblikovanje spoja pretežno nastaje taljenjem osnovnog materijala ~ mlaz elektrona predstavlja jako koncentriran izvor energije ~ postupak se odvija u vakuumu ( 10 −4 mbar ) ~ uređaj se sastoji od slijedećih dijelova: -

izvor elektrona izvor struje i upravljački sklop uređaj za pomicanje izvora elektrona ili radnog komada vakuum komora s crpkama sistem za praćenje procesa

~ izvor za dobivanje elektrona je vrlo snažan i njihovo ubrzanje je čak i do 3 4 brzine svjetlosti ~ užarena wolframova nit emitira elektrone koji se od katode do rešetkaste anode ubrzavaju jakim električnim poljem, nastalim zbog velike razlike potencijala (od nekoliko do više stotina kV), koje vlada između ove dvije elektrode ~ nastali mlaz elektrona se fokusira pomoću fokusirajućih zavojnica, tj. elektromagnetskim poljem nastalim unutar zavojnice kroz koju prolazi mlaz elektrona ~ osim toga postoje i zavojnice koje služe za upravljanje pomakom mlaza u odnosu na radni komad ~ struja samog elektronskog mlaza je obično manja od 1 A ~ u postojećoj atmosferi elektroni se sudaraju s molekulama, što izaziva gubitak energije i rasipanje zrake, čega nema u vakuumu pa je zavarivanje mnogo efikasnije ~ u uvjetima dubokog vakuuma dozvoljena je udaljenost od izlaznog otvora do radnog komada i do 650 mm , a moguće je zavarivanje do debljine 1 m

~ ~ ~ ~

gustoća energije elektronskog mlaza može biti i do 10 MW mm 2 osnovna prednost zavarivanja je velika penetracija osnovna mana je što je potrebna jako dobra priprema radnog komada unos topline kod zavarivanja određen je s četiri varijable: -

brojem elektrona koji udaraju u površinu u jedinici vremena, tj. strujom elektronskog mlaza brzinom elektrona u času sudara, što ovisi o naponu akceleracije promjerom mlaza, što ovisi o fokusiranju brzinom zavarivanja

(10

−4

mbar )

Slika 9.1 – shema zavarivanja mlazom elektrona by Marin Varenina

9-1

Zavarivanje I

Zavarivanje laserom

10. ZAVARIVANJE LASEROM ~ LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja) ~ laserska zraka je koncentrirana zraka monokromatske svjetlosti, tj. elektromagnetskog zračenja koje nastaje prilikom "stimuliranog", kontroliranog prijelaza elektrona-atoma i molekula iz pobuđenog stanja, više energetske razine na nižu, normalnu razinu

Slika 10.1 – shema rada lasera

~ svojstva laserske svjetlosti: - MONOKROMATIČNOST: emitira se svjetlo samo jedne duljine - USMJERENOST: sva svjetlost se emitira u jednom smjeru u vidu snopa malog promjera ( < 1 mm ) i zanemarive divergencije - VELIKA GUSTOĆA SNAGE

- STABILNOST SNAGE: prostorna raspodjela i vremenski profil snage su krajnje selektivni i mogu se točno kontrolirati - KOHERENTNOST: sve zrake su iste faze i valne duljine (time se osigurava minimalno rasipanje zrake)

~ vrste lasera: - laseri se razlikuju prema vrsti aktivnog laserskog materijala u kojem se događa pojačanje svjetlosti - karakteristika svakog lasera je valna duljina emitirane svjetlosti ( λ ), koja je funkcija razlike energetskih stanja atoma/molekula aktivnog medija 2

CO2 - λ = 10600 nm , P < 45 kW

2

Nd : YAG - λ = 1064 nm , P < 6 kW

2

HeNe - λ = 632 nm (vidljiva svjetlost) Tabela 1 – usporedba lasera CO2

Nd : YAG

valna duljina

10,6 μm

1, 06 μm

snaga

45 W

6W

kvaliteta zrake

bitno bolja

lošija

pumpanje

električno

optičko

iskoristivost

5 ÷ 10 %

2÷3% q = 10 ÷ 10 W cm 2 3

gustoća snage apsorpcija

metali loša

8

metali dobra

vođenje zrake

ogledalima

optičkim vlaknima

režim rada

kontinuirani (cw) i impulsni

impulsni i kontinuirani (cw)

hlađenje

potrebno

potrebno

by Marin Varenina

10-1

Zavarivanje I

Zavarivanje laserom

~ vođenje laserske zrake: 2 ZRCALIMA ( CO2

laseri)

2 OPTIČKIM VLAKNIMA ( Nd

: YAG laseri)

~ glavne razlike između zavarivanja taljenjem i protaljivanjem (Slika 10.2): 2 ZAVARIVANJE TALJENJEM

-

gustoća snage < 106 W cm 2 nema efekta protaljivanja penetracija ovisi o dovođenju topline u radni komad zavarivanje se provodi mehanizmom taljenja (kao i kod konvencionalnih postupaka zavarivanja) zavari su široki i plosnati omjer penetracije i širine zavara < 1

2 ZAVARIVANJE PROTALJIVANJEM

- gustoća snage prelazi kritični prag od 106 W cm 2 - dolazi do toplinskog zastoja, povećanja količine taline i djelomičnog isparavanja materijala, potiskivanja taline u stranu uslijed tlaka metalnih para i nastanka kratera - povećanjem gustoće snage raste tlak metalne pare, javlja se štrcanje taline - krater omogućuje prodiranje laserskog snopa duboko u materijal čime se povećava apsorpcija ( 80 ÷ 90 % ) uslijed višestruke refleksije zračenja u krateru - oblik i dinamika kratera slična je ključanici ("keyhole") - uski i duboki zavari - omjer penetracije i širine zavara iznosi 1 : 5

Slika 10.2 – tehnike laserskog zavarivanja, taljenjem i protaljivanjem

by Marin Varenina

10-2

Zavarivanje I

Zavarivanje laserom

~ pod pojmom INTERAKCIJE LASERSKOG SNOPA I OSNOVNOG MATERIJALA podrazumijevamo pojavu kada se prilikom udara laserskog snopa na površinu osnovnog materijala, ovisno o refleksivnosti tog materijala i gustoći snage snopa jedan dio zračenja reflektira, drugi dio ulazi u materijal i apsorbira se, a treći prolazi kroz materijal i transmitira se (Slika 10.3)

Slika 10.3 – prikaz interakcije laserskog snopa i osnovnog materijala

~ toplina koja uzrokuje taljenje materijala je ona koja dolazi od apsorbiranog zračenja, stoga se visoko reflektivni materijali (aluminij, bakar, ...) otežano zavaruju laserom ~ podešavanjem gustoće snage ( q ) postižemo: 2

zagrijavanje ... q < 10 4 W cm 2

2

taljenje ... q = 105 ÷ 106 W cm 2

2

nastanak ključanice ... q = 106 ÷ 107 W cm 2

2

nastanak plazme ... q > 107 W cm 2

~ interakcija laserskog snopa i materijal ovisi o: -

optičkim i termodinamičkim svojstvima osnovnog materijala gustoći snage u točki interakcije trajanjem interakcije interakcijom laserskom snopa i plazme nastale ionizacijom metalnih para dinamikom ključanice

~ procesni parametri: - snaga lasera, P ( W ) - brzina zavarivanja, v ( cm min ) - plin za rezanje tlak: (vrsta - Ar , He , N 2 ; protok ( l min ) ; dovod – koaksijalno ili sa strane) - promjer žarišta - položaj žarišta u odnosu na površinu materijala (na površini, iznad, ispod) - promjer sapnice za rezanje ( 5 ÷ 10 mm ) - udaljenost sapnice za rezanje od radnog komada ( 5 ÷ 12 mm )

by Marin Varenina

10-3

Zavarivanje I

Zavarivanje laserom

~ prednosti: -

velika brzina rada uz visoku produktivnost (obično je dovoljan samo jedan prolaz) rad s konstantnom, viskom i ujednačenom kvalitetom vrlo nizak unos topline, zona utjecaja topline (ZUT) vrlo mala nema toplinskih deformacija, nepotrebno jako pričvršćenje komada zavarivanje je moguće u svim smjerovima i položajima ne treba voditi računa o magnetskim poljima nema kontakta s radnim komadom u velikoj većini aplikacija nije potreban dodatni materijal visoka fleksibilnost, laserska zraka se može koristiti na više radnih stanica i ne samo za zavarivanje ekonomičan i kod proizvodnje malih serija visoki stupanj automatizacije velika penetracija uz vrlo uske zavare nepotrebne naknadne obrade

~ nedostaci: -

skupoća tehnike (visoki investicijski troškovi, visoki operativni troškovi) zahtijeva precizno pozicioniranje radnog komada zahtjeva precizno vođenje snopa mali stupanj iskorištenja vrlo je teško riješiti dodavanje dodatnog materijala problematično zavarivanje materijala većih debljina

by Marin Varenina

10-4

Zavarivanje I

Zavarivanje laserom

10.1 LASERSKO REZANJE

~ najveća je primjena lasera upravo za rezanje ~ rezati se mogu materijali koji apsorbiraju laserski snop, jer se apsorbirana energija pretvara u toplinu ~ princip rezanja: - fokusirani snop prolazi kroz sapnicu promjera oko 1 mm - položaj žarišta snopa se nalazi na površini radnog komada ili malo ispod ( 0 ÷ 0,5 mm ) - udaljenost sapnice od radnog komada iznosi 0,5 ÷ 1 mm - mlaz plina iz sapnice sudjeluje u procesu rezanja: 2 2 2 2

štiti optiku za fokusiranje od štrcanja i dima uklanja metalnu paru (mođe apsorbirati lasersko zračenje) između leće i radnog komada – rezanje isparavanjem ispuhuje rastaljeni metal iz zone reza – rezanje taljenjem povećava brzinu rezanja reagirajući egzotermno s talinom – rezanje izgaranjem

~ vrste rezanja: 2 rezanje isparavanjem 2 rezanje taljenjem 2 rezanje izgaranjem ~ procesni parametri: - snaga lasera, P ( W ) - brzina rezanja, v = 0, 5 ÷ nekoliko desetaka m min - plin za rezanje ( tlak: 2 ÷ 8 bar ) - promjer žarišta - položaj žarišta u odnosu na površinu materijala - promjer sapnice za rezanje ( 0, 5 ÷ 1, 5 mm ) - udaljenost sapnice za rezanje od radnog komada ( 0, 3 ÷ 1 mm ) ~ prednosti: -

mogućnost rezanja različitih materijala velike brzine rezanja odlična kvaliteta reza mali unos energije i male deformacije male širine reza, samim time i mali gubici materijala nema trošenja alata jednostavna automatizacija procesa nije štetno po okoliš

~ nedostaci: -

skupoća tehnike zahtijeva precizno pozicioniranje radnog komada problematično rezanje većih debljina zahtijeva precizno vođenje snopa mali stupanj iskorištenja

~ plinovi za lasersko rezanje: Ar , He , CO2 , mješavine Ar / He , O2 / N 2 ili druge

by Marin Varenina

10-5

Zavarivanje I

Podvodno zavarivanje

11. PODVODNO ZAVARIVANJE ~ osnovna podjela: - SUHO PODVODNO ZAVARIVANJE – zavarivač u suhom okruženju (primjena habitata) - MOKRO PODVODNO ZAVARIVANJE – zavarivač u mokrom okruženju (REL postupak)

~ prednosti SUHOG PODVODNOG ZAVARIVANJA: -

nema direktnog utjecaja vode na proces zavarivanja veća sigurnost zavarivača mogućnost korištenja više tehnika zavarivanja relativna neosjetljivost na povećanje dubine

~ nedostaci SUHOG PODVODNOG ZAVARIVANJA: - visoka početna ulaganja u infrastrukturu - velika količina prateće opreme i veliki broj visokostručnih ljudi - nefleksibilnost

~ prednosti MOKROG PODVODNOG ZAVARIVANJA: - ekonomičnost - fleksibilnost (intenzivna primjena u reparaturnim radovima na podvodnim objektima zbog mogućnosti brze intervencije i prilagodbe) - mogućnost istraživanja i razvoja s manjim financijskim ulaganjima

~ nedostaci MOKROG PODVODNOG ZAVARIVANJA: - direktan utjecaj vode (brzo hlađenje, porozitet, visok sadržaj vodika u zavaru) - povećani rizik za ronioca-zavarivača - osjetljivost opreme, zavarivača i električnog luka na povećanje dubine

~ fizikalne osnove MOKROG PODVODNOG ZAVARIVANJA: 2 električni se luk kod podvodnog mokrog zavarivanja održava u parno-plinskoj atmosferi nastaloj od

izgaranja obloge elektrode te disocijacijom vode u električnom luku (oko 95 % vodika) 2 ronioc-zavarivač ima posebno suho odijelo koje ga štiti od strujnog udara, a dodatno se još kao

sigurnosni mehanizmi koriste:

- vanjska sklopka za prekidanje strujnog kruga - uređaji sa sniženim naponom praznog hoda ( ≈ 45 V ) 2 namjenski razvijena oprema (držač elektrode, specijalni kabeli i elektrode) onemogućuju disipaciju struje

i osiguravaju stabilnost procesa

by Marin Varenina

11-1

Zavarivanje I


~ osnovni problemi: 2 POVEĆANA TVRDOĆA ZAVARA

- nastaje uslijed brzog hlađenja zavara, a koje je uvjetovano visokim specifičnim toplinskim kapacitetom vode i niskim temperaturama vode koje nekad znaju doseći na većim dubinama 5 o C . Brzinom hlađenja većom od kritične dobivamo određeni udio martenzita u strukturi, što rezultira smanjenjem čvrstoće i žilavosti zavarenog spoja. 2 POROZITET

- zbog povećane brzine hlađenja svi plinovi koji se zateknu u rastaljenom metalu ne stignu difundirati, te nakon hlađenja ostaju u strukturi zavarenog spoja. Takve pore smanjuju mehanička svojstva zavara, te su potencijalni inicijatori pukotina. 2 VODIK U ZAVARU

- zbog povećane količine vlage rapidno se povećava koncentracija disociranog vodika u zavaru ( 30 ÷ 70 ml H 2 / 100 g zavara ), što povećava rizik od hladnih pukotina. Općenito, najveći problem mokrog podvodnog zavarivanja je vodik, te je potrebno provesti sve mjere zaštite i opreza koje su moguće, od proizvodnje elektrode do njezine upotrebe. 2 UKLJUČCI TROSKE

- uključci nastaju kod brzog hlađenja zavara kada troska usprkos razlici gustoće ne stigne isplivati na površinu, te ostane ukliještena u spoju pri čemu narušava mehanička svojstva 2 DISIPACIJA ENERGIJE LUKA

- zbog dobre električne vodljivosti vode (pogotovo slane) dolazi do rasipanja energije električnog luka, što rezultira loše izvedenim spojem. Radi tog fenomena potrebno je uvijek kod izvođenja podvodnog spoja povećati vrijednost struje zavarivanja za ≈ 15 % kod istog napona luka za spoj izveden na zraku 2 VISOK HIDROSTATSKI PRITISAK

- zbog visokog pritiska vode na većim dubinama dolazi do penetracije vode u oblogu elektrode kao i do ograničenja operativnih svojstava električnog luka. Preporučuju se dubine do 180 m , a da bi se zadržala svojstva kvalitetnog zavara 2 LOŠA VIDLJIVOST

- zbog nedostatka prirodnog svjetla i mjehurića nastalih uslijed zavarivanja teško je vizualno pratiti tijek zavarivanja, te su stoga razvijene tehnike rada koje smanjuju negativan utjecaj slabe vidljivosti ("self consuming" i "manipulative or weave method" tehnike rada)

~ karakteristike elektroda za MOKRO PODVODNO ZAVARIVANJE: -

– sprečava prodor vode i raspadanje obloge LAKOĆA RUKOVANJA U SVIM POLOŽAJIMA ZAVARIVANJA – kompenziraju se otežani uvjeti rada VISOKA UČINKOVITOST – smanjuje se vrijeme zavarivanja i dobiva se na kvaliteti spoja (bitno je svu pripremu koja se može izvesti na suhom što kvalitetnije realizirati, kako bi se smanjilo vrijeme boravka ronioca u vodi) - MOGUĆNOST PRIHVAĆANJA VIŠEG STRUJNOG OPTEREĆENJA – specifičnost mokrog podvodnog zavarivanja je i povećanje vrijednosti parametara za ≈ 15 % . Unatoč jačoj struji ne smije se dozvoliti da dođe do smanjenja homogenosti jezgre i obloge uslijed povećanja temperature ili do samog raspada obloge - DOVOLJNA PENETRACIJA - kompromis: elektroda na bazi rutilne obloge u kombinaciji s dvostrukim vodonepropusnim premazom VODONEPROPUSNI PREMAZ

~ primjena MOKROG PODVODNOG ZAVARIVANJA pri reparaturi objekata: -

"off-shore" objekti – platforme, cjevovodi energetska postrojenja – nuklearne i konvencionalne elektrane brane i mostovi – nosači, konstrukcijski elementi vodoopskrba – cjevovodi, bazeni, crpne stanice brodovi – kormilo, trup, spremnici, konstrukcijske preinake, brodski propeleri industrijska postrojenja – izmjenjivači topline, razni spremnici podmornice – trup, kormila smjera i dubine korozijska zaštita – zamjena žrtvujućih anoda

by Marin Varenina

11-2

Zavarivanje I


~ vrste materijala: - obični konstrukcijski čelici – mostovi, brane, vodoopskrbni sustavi - čelici povišene čvrstoće – trup broda, podmornice, platforme (oprez: C ekv ) - čelici za primjenu u naftnoj i "off-shore" industriji – cjevovodi, platforme, industrijska postrojenja - nehrđajući čelici (austenitni) – energetska postrojenja, nuklearne elektrane, vodoopskrbni sustavi

~ priprema spojeva: - kvalitetna priprema spoja osigurava dobra svojstva zavara i smanjuje vrijeme boravka ronioca pod vodom - prvenstveno se koriste kutni ili preklopni spojevi - primjenjuje se upotreba nosećih ploča radi smanjenja opterećenja mokrih podvodnih zavara - zavarivanje u više prolaza radi smanjenja utjecaja brzog hlađenja – toplinska obrada - kod sučeljenih spojeva se koriste podložne ploče radi izbjegavanja loše kvalitete korijena

~ organizacija i priprema radova: -

detaljno planiranje prije izvedbe aktivnosti striktno pridržavanje dogovorenog protokola direktna telefonska komunikacija unaprijed dogovoreno postupanje u slučaju incidenta roniocu se mora omogućiti siguran ulaz u vodu i stabilan oslonac pri radu asistenti na površini pripremaju opremu i alat potrebnu za rad (zavarivanje) prema ronilačkom pravilniku određuje se duljina boravka pod vodom, potrebna količina zraka i parametri ronjenja

by Marin Varenina

11-3

Zavarivanje I - Skripta

Recommend Documents