Naslov:
Dan varilne tehnike 2010 – zbornik predavanj
Organizatorja:
Celjski sejem d.d. in Zveza društev za varilno tehniko Slovenije
Uredniški odbor:
Ivan P olajnar, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani Marjan Suban, IMK Sergeja Marjanovi in Breda Obrez P reskar, obe Celjski sejem d.d.
Oblikovanje: Založnik: Tisk: Naklada:
Programski odbor:
Organizacijski odbor:
izr. prof. dr. Ivan Polajnar – predsednik prof. dr. Mirko udina prof. dr. Janez Grum prof. dr. Slobodan Kralj prof. dr. Viljem Kralj prof. dr. Zoran Kožuh prof. dr. Džafer Kudumovi prof. dr. Nedjeljko Mišina prof. dr. Inoslav Rak prof. dr. Ivan Samardži izr. prof. dr. Janez Diaci izr. prof. dr. Vladimir Gliha izr. prof. dr. Janez Kramar doc. dr. P rimož Podržaj dr. Venceslav Grabulov dr. Arpad Köveš mag. Mojca Šolar, univ. dipl. inž. Marjan Brajdih, univ.dipl. inž. Hubert Kosler, univ. dipl. inž Franci Krošelj, univ. dipl. inž. Breda Obrez P reskar, univ. dipl. ekon. Janez Orban, univ. dipl. inž.
dr. Marjan Suban – predsednik doc. dr. Jurij P rezelj doc. dr. Gabriel Rihar doc. dr. Tomaž Vuherer dr. Ladislav Grad dr. Bogdan P u ko dr. Miro Uran mag. Roman Krepek Anton Gros, univ. dipl.inž. Jože Ko evar, dipl. inž. P eter Opaka, univ. dipl. inž. Sergeja Marjanovi , dipl. ekon. Matej P e nik, dipl. inž Dragi Stojadinovi , univ. dipl. inž. P eter Šprajc, dipl. inž. Štefan Vu ak, dipl. inž . Breda Žge , univ. dipl. inž Miha P esek. Viljem Šetar Klemen Zorc
Celjski sejem d. d., Celje Celjski sejem d. d., Celje Kotis d.n.o. 300 izvodov
CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 621.791(082) DAN varilne tehnike (2010 ; Celje) Zbornik predavanj / Dan varilne tehnike 2010 [v okviru prireditve] 4. [mednarodni] sejem Varjenje in rezanje, [Celje, 15.-18. maj 2010] ; [uredniški odbor Ivan Polajnar ... et al.]. Celje : Celjski sejem, 2010 ISBN 978-961-91552-7-1 1. Polajnar, Ivan 2. Sejem Varjenje in rezanje (4 ; 2010 ; Celje) 251029504
VSEBINA Ivan Polajnar UVODNE BESEDE Roman Krepek, Arpad Köveš, Peter Šprajc PROGRAMI I ZOBRAŽEVANJA, USPOSABLJANJA IN KVALIFIKACIJE NA PODRO JU VARILSTVA Miloš Jovanovi , Peter Šprajc LASTNOSTI SISTEMOV ZA VARJENJE V VIRTUALNEM OKOLJU
1
3 7
ZAŠ ITA IN VARNOST PRI VARJENJU Tomaž uk U INKOVITA ZAŠ ITA PRED VARILNIMI PLINI Aleš Tomši , Maja Podgoršek ZAŠ ITA DIHAL VARILCA Z UPORABO VARILNEGA Š ITA Z VKLJU ENIM RESPIRATORNIM SISTEMOM Razija Begi , Azra Imamovi GENERISANJE ZAVARIVA KOG DIMA IZ ELEKTRODE KOD REL ZAVARIVANJA Rok Lužar KAKOVOSTNA ZAŠ ITNA OPREMA – INVESTICIJA V ZDRAVJE VARILCEV IN VIŠJO STORILNOST János Orbán CELOVITI PRISTOP K ZAŠ ITI OKOLJA PRI TERMI NEM REZANJU IN VARJENJU KOVIN – PRIMERI IZ PRAKSE David Žvab, Jurij Prezelj, Ivan Polajnar, Mirko udina HRUPNA OBREMENITEV PRI POSTOPKIH TOPLOTNEGA REZANJA Dragi Stojadinovi , Siniša Stojadinovi PROSOJNE ZAŠ ITNE ZAVESE Jožef Horv at, Tatjana M. Gazvoda ERGONOMSKA OBREMENITEV VARILCEV Nedjeljko Mišina, Ivan Polajnar POGLED NA ZAŠ ITO IN VARNOST PRI VARJENJU Jadrank a Eržišnik, Zoran Kožuh, Slobodan Kralj SAFETY RISKS AND NECESSARY PROTECTIVE MEASURES IN UNDERWATER WELDING
17
19 23
27
33 43 53 59 65
75
TRDNO STNI IZRA UNI Janez Kramar, Metod uk, Boris Jerman SEKUNDARNA NOSILNA STRUKTURA V VARJENIH NOSILCIH Igor Križman, Martin Strašek ZVARNI SPOJI V JEKLENIH GRADBENIH KONSTRUKCIJAH Slavko Boži ANALI ZA MEHANSKIH LASTNOSTI AL - KOMPONENTE MOTORNEGA DVOKOLESA S STATI NIM PREIZKUSOM Zijah Burzi , Vencislav Grabulov, Dženana Ga o, Meri Burzi PONAŠANJE ZAVARENOG SPOJA VISOKOLEGIRANOG ELIKA X20 U USLOVIMA DELOVANJA PROMENLJIVOG OPTERE ENJA
83 93
97
107
VARIVOST Bogdan Pu ko ALI VIBRIRANJE VPLIVA NA UDARNO ŽILAVOST ZVARA? Andrej Weiss, Marjan Suban, Robert Cvelbar OCENA LASTNOSTI SO ELNEGA ZVARNEGA SPOJA PLINOVODNIH CEVI PRI RAZLI NIH TEMPERATURAH OKOLICE
117
125
Žarko Ble i , Dragoljub Ble i , Irena Nikoli INFLUENCE OF BASICITY OF PIVA 150 ELECTRODE COVERING ON THE CONTENT AND DISTRIBUTION OF ALLOYING ELEMENTS AND STRUCTURE COMPONENTS OF METAL WELD OF LOW ALLOYED STEEL Džafer Kudumovi I ZBOR DODATNOG MATERIJALA POMO U SCHAEFFLER-OVOG DIJAGRAMA KOD ZAVARIVANJA RAZLI ITIH ELIKA Petro Yasniy, Pavlo Maruschak, Volodymyr Hlado, Tomaž Vuherer, Vladimir Gliha KAKOVOST SPOJA TRDEGA NAVARA NA VALJIH STROJA ZA KONTINUIRNO LITJE
149
S. Cvetkovski, L.P. Karjalainen, V. Kujanpää, A. Ahmad DETERMINATION OF WELDING HEAT INPUT IN TIG AND LASER WELDING OF DUPLEX LDX 2101 STEEL
155
133
141
TEHNI NO TEHNO LOŠKE REŠITVE Bojan Ternar AC-MIG PUL ZNO VARJENJE Z VPS 3000 AC-MIG PLUS Arpad Köveš VISOKO PRODUKTIVNO A-TIG VARJENJE Danijel Langus, Viljem Kralj, Janez Grum VARJENJE MIG/MAG Z GLADKIM IN IMPUL ZNIM ENOSMERNIM VARILNIM TOKOM IN VIROM MO I S PRETVORNIKOM V TIRISTORSKI TEHNOLOGIJI Simon Boži , Andrej Zajec, Marjan Suban TERMITNO VARJENJE KATODNE ZAŠ ITE Marija Kisin VARJENJE S KERAMI NO PODLOŽKO Milan D. Milovanovi NAVARIVANJE METALNIM PRAHOM U ZAŠTITI GASA Ernst Pichler, Brigita Kirar Meža, Mitja Škali ADHE ZIJSKO SPAJANJE
165 171
177 183 191 193 197
SPREMLJANJE IN ZAGO TAVLJANJE KAKO VOSTI Vasja Ravbar , Željko Pelengi , Drago Bra un, Ivan Polajnar, Janez Diaci METODA SPREMLJANJA OBRABE NALEŽNIH POVRŠIN ELEKTRODNIH KONIC Ivan Polajnar, Tomaž Kek, Janez Grum DETEKCIJA AKUSTI NE EMISIJE PRI UPOROVNEM TO KOVNEM VARJENJU Marjan Suban, Robert Cvelbar, Borut Bundara MIKROBIOLOŠKO VPLIVANA KOROZIJA ZVARNIH SPOJEV Ado Barbiš URE V VARILNI TEHNIKI Rika Legat, Andrej Zajec ANALI ZA NAPAK V ZVARNIH SPOJIH
203 209 217 225 231
AVTO MATIZACIJA IN ROBO TIZACIJA Drago Bra un, Jože Mikolav i , Jernej Volkar, Matjaž Humar, Ivan Polajnar, Alojz Sluga SPREMLJANJE ZAPOLNJEVANJ A ZVARNIH ŽLEBOV PRI AVTOMATIZI RANIH POSTOPKIH OBLO NEGA VARJENJA Robert Halas, Rade Gligorin, Robert Laslo PRAKTI NI PRIMER MEHANI ZACIJE VARJENJA VELIKIH NERJAVE IH RE ZERVOARJEV Drago Bra un, David Kozinc, Peter Butala MEHATRONSKA PLATFORMA ZA AVTOMATI ZIRANO OBLO NO VARJENJE Isak Karabegovi , Sead Paši ZASTUPLJENOST INDUSTRIJSKIH ROBOTA U PROCESU ZAVARIVANJA U ZEMLJAMA EVROPE OGLASNI PROSTOR
237 243 249
255
UVODNE BESEDE Sre anja predstavnikov varilske stroke, ki potekajo na pobudo enega od Slovenskih društev za varilno tehniko, je letos jubilejno, že deseto po vrsti. Za jubilejne dogodke se spodobi, da se ozre na prehojeno pot in osvetli bližnje pa tudi bolj oddaljene cilje. Saj, e želi se videti naprej, smiselno je ozreti se nazaj. Ideja o vseslovenskem sre anju kolegov, ki delamo v varilski stroki, se je porodila leta 1999, v DVT M aribor. Takratni predsednik Vili Šetar, njegova desna roka Peter Opaka in kolegi, so se povezali s prof. dr. Inoslavom Rakom in na Fakulteto za strojništvo v M ariboru povabili predstavnike razli nih segmentov varilske stroke, da na kratko predstavijo rezultate svojega dela. Ob koncu predstavitve smo v sproš eni diskusiji prišli do enotne ugotovitve, da je bilo sre anje v vseh pogledih koristno. Piko na i je postavil prof. Rak, ko je neposredno izzval tam prisotna predstavnika DVT Ljubljana, z idejo, da bi bilo naslednje leto smiselno pripraviti nekaj podobnega v Ljubljani. S kolegom M arjanom Subanom sva pobudo z veseljem ponesla v Ljubljano. Aprila naslednjega leta je D VT Ljubljana na Fakulteti za strojništvo organiziralo podobno sre anje, na katerem je bilo predstavljenih 31 strokovnih prispevkov, ki so bili natisnjeni tudi v Zborniku. Skratka, ideja o Dnevu varilne tehnika se je prijela in ostala društva so poskrbela za prenos štafetne palice: DVT Krško – 2001 v Krškem; DVT Obala – 2002, v Kopru; DVT M aribor – 2003, v M ariboru; Slovensko društvo za varilno tehniko (SDVT) – 2004, v Celju; DVT Dolenjske – 2005, v Novem mestu; DVT Ljubljana, Sekcija Plamen – 2006 Dan umetnostnega varjenja v Celju; SDVT – 2008 Dnevi varilne tehnike v Celju. Z umestitvijo Dneva varilne tehnike v okvir sejma Varjenje in rezanje v Celju, s pritegnitvijo umetnostnih varilcev in postavitvami njihovih likovnih del na sejemsko razstaviš e, obuditvijo tekmovanja varilcev ter ob logisti ni in finan ni pomo i Celjskega sejma d.o.o., se je doseglo izjemne sinergijske u inke, ki predstavljajo najve je priznanje in spodbudo vsem volonterskim predstavnikom navedenih društev. Ob izjemni zagnanosti predstavnic Celjskega sejma, doseženih rezultatih predhodnega sodelovanja ter obogatitvami z videnji in primerjavami na znatno ve jem sejmu Schweissen & Schneiden v Essnu smo prišli do spoznanja, da je zastavljene dejavnosti smiselno še poglobiti in razširiti. lani programskega odbora, ki bdimo nad strokovnimi prispevki za objavo v Zborniku, smo svoj del nadgradnje opravili s tem, da smo pritegnili kolege iz prostora bivše Jugoslavije, da predstavijo svoje strokovne prispevke prav na Dnevih varilne tehnike v Celju. Tako je pred vami Zbornik z avtorji, ki prihajajo iz vseh republik nekdanje skupne države. Nedvomno je to vreden dosežek, že sam po sebi. Še zlasti zato, ker je nastal povsem spontano, brez vsake demagogije dobro pla anih »kulturträgerjev«. Obenem pa je to tudi zaveza in izziv, da na 5. mednarodnem sejmu varjenje in rezanje poskusimo narediti še korak dalje, v smislu konkretnih strokovnih, gospodarskih in loveških povezavah prostora, ki ga že jutri ne bodo ve lo evale meje malih duš. Izr. prof. dr. Ivan Polajnar, predsednik ZVDT Slovenije
Programi izobraževanja, usposabljanja in kvalifikacije na podro ju varilstva Roman Krepek*, Arpad Köveš*, Peter Šprajc *
Institut za varilstvo, Ptujska ulica 19, 1000 Ljubljana Enota: Laboratorij Maribor, Zagrebška ulica 20, 2000 Maribor
Povzetek V prvem delu prispevka so na kratko predstavljeni mednarodni programi izobraževanja in usposabljanja varilskih koordinatorjev, ki jih v Sloveniji izvaja Institut za varilstvo. Udeleženci imajo v odvisnosti od zahtevanih vstopnih pogojev možnost pridobiti naziv mednarodni varilski inženir, tehnolog, specialist in mojster. Ti programi obsegajo pregledna strokovna znanja s celotnega podro ja varilstva (postopki, materiali, konstruiranje, proizvodnja). Izobraževalni center Instituta za varilstvo udeležencem med drugim omogo a možnost, da pridobijo certifikate na specialnih podro jih varilstva, kot so na primer neporušitvene preiskave. V drugem delu prispevka je prikazan pomen teh programov skozi zahteve zagotavljanja kakovosti, vodenja kakovosti in produktnih standardov.
1.
UVOD
Negativni vplivi gospodarske krize so in še bodo vplivali na doma e gospodarstvo. Spremembe v poslovanju in družbi se dogajajo tako hitro in intenzivno, da se marsikatero podjetje ne bo moglo na hitro prilagoditi nastalim razmeram. Kaj storiti, enostavnega recepta ni. Je pa pomembno, da nadaljnja poslovna strategija mora temeljiti na pove ani konkuren nosti podjetij, pri emer so za dosego omenjenih ciljev med drugim zelo pomembni znanje, razvoj in nadaljnje usposabljanje zaposlenih. Za zagotavljanje ustrezne perspektive podjetij bo klju nega pomena zagotavljanje potreb po permanentnem inoviranju, u enju in prilagajanju nenehnim spremembam okolja. Tudi naša varilska panoga tukaj ni izjema. Podjetja se bodo morala, e se že niso, spoprijeti z zahtevnejšimi programi, ki bodo zagotavljali višjo dodano vrednost in perspektivo. V tem oziru je nepogrešljiv nadaljnji tehnološki razvoj, ki pa brez poglobljenega znanja ljudi ne bo izvedljiv. Na našem varilskem podro ju se ponujajo možnosti dodatnega izpopolnjevanja in izobraževanja v kontekstu raznih mednarodnih varilskih specializacij in raznih drugih oblik izobraževanja, ki jih nudi tudi Institut za varilstvo. 2.
PREGLED NEKATERIH POMEMBN EJŠ IH IZOBRAŽEVANJA IN US POS ABLJANJA
PROGRAMO V
Nekaj pomembnejših programov izobraževanja in usposabljanja, ki jih nudi Institut za varilstvo, so naslednji: a) Mednarodni varilski inženir (IWE) Varilski inženir je najvišja stopnja kvalifikacije, ki jo dolo ata Evropska varilska federacija (European Welding Federation) in M ednarodni inštitut za varilstvo (Intarnational institute of
Welding). Ta stopnja ustreza zahtevam tehni nega znanja za opravljanje na najvišji ravni delovanja varilnega koordinatorja, kot to zahteva standard ISO 14731:2006. b) Mednarodni varilski tehnolog (IWT) Varilski tehnolog je drugi vmesni len po smernicah Evropske varilske federacije in M ednarodnega inštituta za varilstvo. Le-ta omogo a pridobitev poglobljenih strokovnih znanj in kompetenc za opravljanje dejavnosti, kot je koordinacija varjenja na vmesni stopnji dolo ena z ISO 14731:2006. c) Mednarodni varilski specialist (IWS ) Varilski specialist je tretji vmesni len po smernicah Evropske varilske federacije in M ednarodnega inštituta za varilstvo. Ta nivo ustreza zahtevam tehni nega znanja za opravljanje dejavnosti, kot je koordinacija varjenja dolo ena z ISO 14731:2006 na nižji stopnji. Podjetja ponavadi pošiljajo na tovrstno specializacijo tudi dobre varilce, ki pozneje s strokovno usposobljenostjo poleg varjenja, izvajajo dela nadzora, kontrole zvarov in strokovnega svetovanja varilcem. d) Mednarodni varilski mojster (IWP) M ednarodni varilski mojster je etrti vmesni len po smernicah Evropske varilske federacije in M ednarodnega inštituta za varilstvo. Za ta naziv se ne pri akuje, da ima kandidat funkcijo vodenja pri varilskih delih, kot to zahteva ISO 14731:2006. Te aj varilnega mojstra je odli na možnost za poklicni razvoj varilcev, ki imajo veliko izkušenj ter želijo nadgraditi svoje teoreti no znanje in s tem dose i vlogo vodje ekipe ali enakovrednih položajev v proizvodnji. e) Mednarodni varilski inšpektor (IWIP) Obseg delovanja varilskega inšpektorja je najširši, saj poleg vloge varilnega koordinatorja opravlja tudi vlogo nadzora pri aktivnostih pred varjenjem, med in po zaklju ku izvajanja varilskih ter z njim povezanih del. Njegova najpomembnejša dolžnost je torej zagotavljanje, da so upoštevani vsi predpisani postopki. Odgovoren je za preverjanje kvalifikacij varilnih postopkov in varilcev, materialov in drugega. Odgovoren je tudi za izdelavo dokumentacije, ki zagotavlja sledljivost posameznih komponent in pripadajo ih aktivnosti pri izdelavi. Še posebej je njegova vloga pomembna pri koordinaciji in nadzoru izvajanja neporušitvenih preiskav ter mehanskih preskusov. Program varilskega inšpektorja predvideva tri nivoje kvalifikacije: M ednarodni varilski inšpektor obširnejše stopnje (Comprehensive level) (IWI-C) M ednarodni varilski inšpektor standardne stopnje (Standard level) (IWI-S) M ednarodni varilski inšpektor osnovne stopnje (Basic level) (IWI-B) f) Mednarodni varilski konstrukter (IWS D) M ednarodni inštitut za varilstvo je pripravil program izobraževanja za projektiranje varjenih konstrukcij. Pravila izvajanja in u ni program je dolo en v smernici IAB-201-06. Namenjen je podiplomski specializaciji za gradbene in strojne inženirje, ki se ukvarjajo s projektiranjem kovinskih konstrukcij in konstruiranjem strojev, vozil in tla ne opreme. g) Usposabljanje osebja za izvajanje NDT preiskav na nivojih 1, 2 in 3 Te aji usposabljanja osebja za izvajanje neporušitvenih preiskav za vse tri nivoje se izvajajo skladno z veljavnimi mednarodnimi standardi, in sicer: EN 473: Neporušitvene preiskave - Kvalificiranje in certificiranje osebja, ki sodeluje pri neporušitvenih preskusih - Splošna na ela.
ISO-9712: Neporušitveno preskušanje - Kvalificiranje in certificiranje osebja. Neporušitvene preiskave, level 1,2 in 3 EN 473 / ISO 9712
Vizuelna preiskava VT
Slika 1: 3.
Radiografska preiskava RT
Ultrazvo n a preiskava UT
Preiskava z magnetnimi delci MT
Penetrantska preiskava PT
Preiskava tesnosti LT
Usposabljanje osebja za izvajanje NDT preiskav
POMEN S TROKOVNO PROIZVODNJI
US POSOBLJEN EGA
OS EBJA
V
VARILS KI
a.) Zagotavljanja kakovosti po S IS T EN ISO 3834 Varilska podjetja imajo možnost v okviru zagotavljanja kakovosti pridobiti certifikat, ki potrjuje, da je podjetje usposobljeno za nadzor nad varilskimi deli od podpisa pogodbe do predaje izdelka. Ena od klju nih zahtev pri pridobitvi certifikata kakovosti je ustrezna usposobljenost zaposlenih; predvsem je tukaj klju na osebnost varilski koordinator, katerega naloge in odgovornosti so dolo ene v standardu EN ISO 14731. Varilski koordinator potrebuje pri svojem delu najbolj obsežno in poglobljeno strokovno znanje, ima najširša pooblastila, naloge in odgovornosti pri nadzoru varilskih del. Zelo pomembna je tudi njegova neodvisna vloga v podjetju, zato mora biti imenovan direktorja in je direktno odgovoren le njemu. b.) Vodenje kakovosti po S IS T EN ISO 9001 Osnova vodenja kakovosti predstavlja procesni pristop, kajti vse storitve nastajajo v procesih, njihovo izboljšanje se dosega z izboljševanjem procesov, izboljševanje procesov pa s kakovostjo organizacije. e si zamislimo procese v varilski proizvodnji in jih razdelimo na glavne procese (npr. skladiš enje, razrez, sestava, varjenje,...) in spremljevalne (podporne) procese (npr. kontrola, nadzor, vodenje proizvodnje,...), je ena od glavnih nalog varilnega koordinatorja, tehni nega osebja in vodstvenega osebja: • identificirati procese • dolo iti zaporedje procesov • zagotoviti pogoje za u inkovito izvajanje in nadzorovanje procesov – razumevanje povezav med procesi • zagotoviti potrebne vire in informacije za izvajanje procesov • nadzorovati, meriti in analizirati procese • izvajati izboljšave procesov • dokumentiranje procesov (slike, povezave, diagrami,…). Za uspešno implementacijo procesnega pristopa v sistemu vodenja kakovosti potrebuje tehni no in vodstveno osebje v podjetju poglobljeno strokovno znanje varilske stroke. Posebej je tukaj pomembno strokovno znanje nosilcev glavnih in spremljevalnih procesov.
c.) Zahteve produktnih standardov Podjetja, ki izdelujejo izdelke, katerih podro je izdelave pokrivajo evropske direktive (npr. tla na oprema, jeklene konstrukcije, tirna vozila,...), imajo to no dolo ene zahteve glede nadzora, kontrole in osebja, ki so zapisane v produktnih standardih. V okviru izpolnjevanja zahtev teh standardov, morajo imeti podjetja na voljo ustrezno kvalificirano osebje s poglobljenim strokovnim znanjem iz varilske stroke. 4.
S KLEP
Ustrezno strokovno usposobljeno in kvalificirano osebje v varilskih podjetjih je eden klju nih dejavnikov za zagotavljanje kvalitete izdelkov, gospodarnosti poslovanja in ustvarjanja inovacij. Pri vseh teh programih igra klju no vlogo varilni koordinator z obsežnim in strokovno poglobljenim znanjem. Da je lahko varilni koordinator uspešen v podjetju, nujno potrebuje sodelavce s strokovnim znanjem, tako v vodstvu podjetja, kot v tehnologiji, kontroli in proizvodnji. LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
SIST EN ISO 9001: 2008; Sistemi vodenja kakovosti SIST EN ISO 3834: 2006; Zahteve za kakovost pri talilnem varjenju IAB-338-08: 2008; Dodatek za implementacijo ISO 3834 SIST EN ISO 14731: 2007; Koordinacija varjenja - Naloge in odgovornosti IAB 252-07: 2007; Osebje za varilno koordinacijo SIST EN 473:2008; Neporušitvene preiskave: Kvalificiranje in certificiranje osebja ISO 9712, Neporušitvene preiskave: Kvalificiranje in certificiranje osebja ASNT-TC-1A, Priporo ila za izvajanje NDT preiskav SIST EN 1090-2: 2008; Izvedba jeklenih in aluminijastih konstrukcij SIST EN 13345: 2009; Neogrevane tla ne posode SIST EN 15085: 2008; Železniške naprave
Lastnosti sistemov za varjenje v virtualnem okolju Miloš Jovanovi , Peter Šprajc Institut za varilstvo d.o.o., Ptujska 19, 1000 Ljubljana
Povzetek Kadar govorimo o varjenju, se nam najprej porodi ideja, da gre za nevaren, težak in za zdravje škodljiv poklic. Isto asno so postopki usposabljanja varilcev videti dolgotrajni, naporni in monotoni. Zato je vse težje mlajše generacije prepri ati, da si za svoj poklic izberejo varjenje. Pojav virtualnega varjenja oziroma simulatorjev varjenja, pri enja te stereotipe o varilstvu spreminjati. Zmanjšuje se as potreben za usposabljanje varilcev, znižujejo se s troški uporabe osnovnega in dodajnega materiala, zmanjšujejo pa se tudi škodljivi vplivi na okolico. Najbolj pomembno pa je mogo e dejstvo, da vstopa varjenje med mlade generacije, in sicer na bolj dostopen in zabaven na in. V lanku so najprej navedene osnovne prednosti usposabljanja varilcev z uporabo virtualnega varjenja, v nadaljevanju pa so predstavljeni nekateri najbolj znani simulacijski sistemi z opisi njihovih prednosti in možnimi pomanjkljivostmi.
1.
UVOD
Raziskave na "Banner Health Center" v Feniksu (ZDA) so pokazale, da igranje video iger lahko dvigne nivo usposobljenosti kirurgov. Preden so za eli uporabljati simulator za u enje kompliciranih posegov, je bilo kirurgom ponujeno, da pred tem igrajo video igre. Pokazalo se je, da so zdravniki, ki so igrali igre, imeli veliko ve uspeha na simulatorjih od svojih kolegov, ki tovrstnega igranja niso izvajali. Na podoben na in lahko smatramo varilce kot neke vrste strojniških kirurgov, ki z natan nimi gibi ''šivajo'' kovine in druge varljive materiale [1]. V ve ini primerov se tehni ne novosti najprej razvijajo za medicinske potrebe, in se šele potom prenašajo na podro je strojne industrije. Z pospešenim razvojem znanosti v uporabo prihaja vse ve novih tehnologij. Tako so na splošno znani simulatorji za usposabljanje pilotov, za pripravo vojaške strategije ali za že omenjeno usposabljanje kirurgov. Tukaj gre za zelo drage in sofisticirane sisteme, ki so namenjeni ožjem krogu uporabnikov. Z hitrim razvojem IT tehnologij in ob utnim zniževanjem cen strojnih komponent, so se možnosti uporabe simulatorjev razširile tudi na ostala podro ja usposabljanja. Eno izmed takšnih podro ij je tudi usposabljanje varilcev. Razlogov za razvoj sistemov za u enje varilcev je ve . Varilstvo je podro je, ki se nenehno razvija, še posebej zaradi pojavljanja novih vrst materialov in potreb po novih tehnologijah za njihovo spajanje. Poleg tega so dolo eni na ini varjenja zelo zahtevi, težki in za zdravje nevarni. Zato se danes mlajše generacije nerade odlo ajo za ta poklic. Kot odgovor na omenjene težave se v izobraževanje varilcev uvajajo simulatorji varjenja. Takšni visoko tehnološki sistemi imajo za cilj po eni strani poenostaviti usposabljanje varilcev ter ga po drugi strani približati mlajšim generacijam, ki odraš ajo s sodobnimi tehni nimi napravami.
2.
PROBLEMI PRI KLAS I NEM US POS ABLJANJU VARILC EV
Varilstvo se danes sre uje z razli nimi problemi, kot na primer: • pomanjkanje izkušenih varilcev, • klasi en na in usposabljanja je predolg, • nadzor nad kandidati med vadbo je otežen in odvisen od loveškega faktorja, • stroški osnovnega, dodajnega in pomožnega materiala so visoki, • neprijetnosti, ki spremljajo varilni proces. Dejstvo je, da je izkušen varilec tudi pri slabi vidljivosti sposoben izkoristiti informacije iz taline vara za izvedbo kvalitetnega zvara, za razliko od varilca za etnika, ki težko razume, kaj se od njega pravzaprav pri akuje, in kako naj na podlagi vizualnega opazovanja taline izvede potrebne korekcije. Takšen varilec potrebuje veliko število ur vaje, da pridobi ob utek, potreben za rutinirano izvajanje natan nih gibov med varjenjem. M ed potekom varjenja mora varilec imeti nadzor nad smerjo elektrode, nad razdaljo konica elektrode–talina, ter nad kotoma naklona gorilnika. Isto asno mora imeti nadzor nad koli ino taline zvara in njenim gibanjem. Kakovost njegovega dela je vidna šele po iš enju zvara ter izvedbi preiskav (npr. vizualni, radiografski,…). V primeru slabega zvara je potrebno izvesti njegovo popravilo. V primeru, da le-ta ni možen, je izdelek potrebno zavre i. Iz tega razloga so izkušeni varilci zelo iskan kader v industriji [2]. Proces usposabljanja je kompleksen za kandidata, kot tudi za inštruktorja. Na za etku usposabljanja se v realnem okolju kandidat prvi sre uje z zaš itnimi rokavicami in zaš itno obleko, ki omejujejo njegovo mobilnost. Zaš itna maska mu zožuje vidno polje, zato varilec s pomo jo varilnega obloka vidi samo majhno obmo je na mestu taljenja materiala. Varilec v takšnih pogojih težko opazi spremembe in analizira vzroke sprememb v talini. Obenem je potrebno ohranjati konstantno hitrost varjenja, pravilen naklon gorilnika in potrebno razdaljo med konico elektrode in talino. Vsi ti parametri varilnega procesa so za varilca za etnika nevidni in nerazumljivi. Stvari so še težje, e gibanje gorilnika ni linearno. Seveda so ves as varjenja prisotni še mote i faktorji, kot so visoka temperatura, hrup, dim in obrizgi. Zato se varilec, ki je šele na za etku usposabljanja, za razliko od izkušenega varilca, ne more zanesti na svoje ob utke. Ti se pridobivajo z vztrajnim ponavljanjem vaj, opazovanjem gibanja in z nasveti inštruktorja. Varilec jih mora pridobivati postopoma enega za drugim, in sicer za razli ne lege in na ine varjenja. Kandidat mora med usposabljanjem primerjati tisto kar vidi sam, s tistim kar mu inštruktor svetuje. Vse to pomeni, da mora varilec iti skozi dolgotrajen in zahteven postopek usposabljanja, preden postane njegov izdelek sprejemljiv. Dolgotrajno usposabljanje spremlja tudi velika poraba osnovnih, dodajnih in pomožnih materialov, kar posledi no zvišuje stroške njegovega usposabljanja. Usposabljanje varilca je zahtevno tudi s stališ a inštruktorja, saj je od njegovega znanja in izkušenj odvisna kon na usposobljenost varilca. Inštruktor ima nalogo, da usposobi kandidate za uspešno delo in jim omogo i pridobivanje novih znanj in veš in v najve ji možni meri. Do sedaj je bila na voljo prakti na demonstracija kot edini na in uspešnega usposabljanja. Zaradi vseh navedenih razlogov se je pojavila potreba po uvajanju novih tehnologij, ki bi izboljšale in pospešile proces usposabljanja, znižale stroške ter inštruktorjem omogo ile ve jo fleksibilnost in boljši nadzor poteka usposabljanja novih varilcev. 3. 3.1
S IMULATORJI VARJENJA Opis
Virtualna realnost (VR) ali navidezna resni nost je izraz, ki se nanaša na ra unalniško simulirano okolje, s katerim se poskuša uprizoriti dolo ena situacija iz resni nega življenja.
To okolje zaznavamo na ra unalniškem monitorju ali s pomo jo specialnih pripomo kov, kot so posebna o ala ali maske. Danes simulacija poleg vizualizacije vklju uje tudi informacije, ki jih dobivamo s utili sluha (zvok) ali dotika (vibracije) - t.i. ''haptic system''. Simulatorji so torej visoko tehnološki sistemi, s pomo jo katerih umetno ustvarjamo želeno situacijo iz resni nega življenja z namenom, da po dolo enem številu ponovitev iste situacije lažje rešujemo težave, ki se lahko pojavijo v realnem okolju. Prvi simulator varjenja je bil kanadski sistem LENCO, narejen leta 1990. Sistem je omogo al omejeno vizualizacijo na manjši napravi, z uporabo realnih gorilnikov za razli ne na ine varjenja (M AG, TIG, REO). Tudi analiza pomika pri simulaciji varjenja je bila zelo omejena. Zasluga tega simulatorja je predvsem v dvigu ozaveš enosti strokovnjakov s tega podro ja in utiranju poti za nadaljnji razvoj. V preteklem desetletju je bilo razvitih ve razli nih simulatorjev varjenja. Razvoj teh sistemov je povezan s šolskimi centri za usposabljanje varilcev in proizvajalci varilske opreme na eni strani ter s proizvajalci VR tehnologij na drugi strani. Na trgu je ta trenutek prisotnih pet razli nih neodvisnih sistemov: • CS WAVE (Francija) • RW SOLD (Španija) • ARC+ (Kanada) • Sim WELDER (ZDA) • VW Fronius (Avstrija) Simulatorji so sestavljeni iz ra unalnika z monitorjem, oddajnika ultrazvo nih ali magnetih valov (gorilnik), sprejemnika (postavljen razli no za razli ne sisteme) in naprave za ustvarjanje virtualnega okolja (obi ajno je to zaš itna maska s 3D o ali). Z oddajanjem dolo enega tipa valov se dolo a položaj gorilnika, oziroma varilnega obloka. Na podlagi teh informacij se s programsko obdelavo podatkov dobivajo posamezni parametri varilnega procesa. Usposabljanje na virtualnih sistemih je zasnovano na vadbi pravilnih gibov oziroma izpopolnjevanju ob utka za pravilno izvajanje varilnega procesa. Glavni parametri procesa, ki jih je možno vaditi na obstoje ih simulatorjih so: varilna hitrost, razmak konica elektrodetalina, kota naklona gorilnika (v smeri varjenja in pre no na zvar) ter pravilna smer varjenja. Ti parametri se najprej vadijo posami no. Z napredovanjem kandidata, se ve parametrov povezuje v eno vajo. Simulatorji omogo ajo tudi snemanje poteka vaje z grafi nim prikazom posameznih parametrov in vizualizacijo procesa. Dolo eni sistemi imajo možnost simulacije varilnih napak (pore, vklju ki, neprevarjenost, itd.), ki se pojavljajo zaradi nepravilnega vodenja gorilnika. Kontrolni center je glavno orodje, s pomo jo katerega inštruktor spremlja in analizira napredovanje kandidata. Kontrolni center je integrirani del celotnega sistema simulatorja, ki z uporabo ra unalniške mreže in strežnika omogo a prenos podatkov na daljavo. Tako ima inštruktor možnost z oddaljenega mesta spremljati katerokoli vajo, ki jo kandidat izvaja v nekem trenutku ter s tem ocenjuje njegovo uspešnost. Rezultate vaj si lahko ogleda tudi z zakasnitvijo. Podrobna analiza posnetka vaje inštruktorju omogo a natan no odkrivanje vzrokov napak na podlagi katerih bo kandidatu posredoval potrebne ukrepe za izboljšanje kakovosti vaje pri naslednjih poskusih. Za vsak poskus se beležijo dolo eni podatki (datum, as,…), tako da so za vsakega kandidata na voljo grafi ni prikazi posameznih parametrov tekom celotnega poteka usposabljanja. Na podlagi teh podatkov ima inštruktor možnost, da za vsakega kandidata poiš e najboljšo pot za dosego zadanega cilja. Kontrolni center je ve namensko orodje namenjeno ve jem številu uporabnikov. Na za etku usposabljanja se definirajo uporabniki, vsakemu posamezniku pa se omogo i dostop do dolo enih vsebin v odvisnosti od njegove vloge v procesu usposabljanja. Na ta na in imajo kandidat, inštruktor, varilni inženir ali sistemski administrator, možnost uporabe kontrolnega centra na vsakem
ra unalniku, ki je povezan s simulatorjem in ima nameš eno aplikacijo, potrebno za delovanje sistema. Razli ni tipi simulatorjev dajejo razli ne možnosti usposabljanja za posamezen na in varjenja. Ve inoma so to M IG/M AG, REO in TIG. M ožna je simulacija varjenja za razli ne lege varjenja: PA, PB, PC, PF, itd. Nekateri simulatorji imajo tudi možnost vadbe na razli nih vrstah materialov. Poleg nizkooglji nega jekla so možne vaje na nerjavnih jeklih, aluminiju ali drugih materialih. Potrebno je dodati še to, da so se simulatorji varjenja pokazali kot zelo u inkovito sredstvo pri selekcioniranju varilcev. Ko pa gre za nove aplikacije simulacijskih sistemov bo njihova vloga predvsem usposabljanje za varjenje dražjih materialov, kot sta titan in inkonel (zlitina niklja in kroma), kar bo omogo ilo velike prihranke. V nadaljevanju bo predstavljenih pet že omenjenih sistemov za simulacijo varjenja, ki so našli svoje mesto v usposabljanju varilskega osebja. Navedene bodo njihove glavne lastnosti, kot tudi podobnosti oziroma razlike v primerjavi z drugimi simulatorji. 3.2
Simulator ARC+
To je najnaprednejši simulacijski sistem na podro ju varilstva [3]. Proizvajalec je kanadsko podjetje 123Certification Inc. iz M ontreala, ki se ukvarja z usposabljanjem in certifikacijo varilcev. Sistem je mobilen in omogo a zelo realisti no simulacijo varjenja ro nih in polavtomatskih procesov. Vanj je vgrajenih je ve kot 100 varilskih postopkov za 25 razli nih vaj zasnovanih na vadbi 5-ih razli nih parametrov varilnega procesa. Vizualizacija se ustvarja s pomo jo 3D o al, ki se nahajajo v notranjosti zaš itne maske. S pomo jo posebnih senzorjev in oddajnikov, podobnih tistim, ki se uporabljajo pri kirurških simulatorjih, sistem zaznava premik gorilnika (slika 1). Simulator je v uporabi od leta 2006. Sestavljen je iz premi ne platforme, zaslona na dotik (touch screen), sistema za spremljanje premika, zaš itne maske z VR komponentami, industrijskih gorilnikov in virtualne imerzijske postaje (sistem za popolno poglobitev v VR). Dimenzije simulatorja so 62,2 × 59,7 × 36,8 cm, njegova teža pa znaša 38,5 kg. Vaje so razdeljene v Slika 1: Prikaz simulatorja ARC+ tri komparativna nivoje: za etni, srednji in napredni. Tekom enostavnejših vaj simulator s pomo jo usmernikov nakazuje pravilne parametre in geometrijo varjenja ter na ta na in vodi varilca do pravilnih gibov (slika 2).
Slika 2:
Prikaz sistema pravilnega vodenja procesa za pet varilnih parametrov
Sistem omogo a vadbo M AG, TIG in REO na inov varjenja v vseh legah, z izdelavo enega ali ve varkov. Pri materialu je možno izbrati jeklo, aluminij, nerjavno jeklo in druge materiale. Sistem simulira varilni oblok, nastanek in strjevanje taline, obrizge, zvok, zatemnitev v okolici obloka in dim. Vsi ti elementi pripomorejo k zelo realisti nemu prikazu varilnega procesa. Na koncu vaje sistem analizira rezultate za posamezne parametre s pomo jo katerih se ocenjujejo ro ne spretnosti varilca. Kakovost zvara se ocenjuje na podlagi geometrije zvarnega spoja, vnosa toplote, prevaritve v korenu, kot tudi na podlagi notranjih in zunanjih napak. Sistem ima sposobnost simulacije por, neprevarjenosti, zlepov, zajed, razpok, prevelikih nadvišenj, posedenosti in vklju kov. 3.3
Simulator Sim WELD ER (VRTEX 360)
Ameriški simulator Sim Welder [4] je razvilo podjetje VR Sim v sodelovanju z mornarico ZDA. M odificirano verzijo sistema distribuira proizvajalec varilske opreme Lincoln Electric pod komercialnim nazivom VRTEX 360 (slika 3). Sistem danes uporabljajo v centrih za usposabljanje varilcev v ZDA in Avstraliji. Za simulacijo se uporabljajo industrijski gorilniki, pri imer se virtualna slika ustvarja v zaš itni maski s pomo jo 3D o al [5]. Za razliko od prejšnjega sistema, ta simulator uporablja za lažje lociranje gorilnika plasti no maketo s kotnim ali so elnim spojem (plo evina in cev). Zaradi tega ima sistem konzolo s premi no delovno mizo in pritrjevalno napravo za fiksiranje razli nih oblik spoja. Prvotna oblika simulatorja je Slika 3: Prikaz simulatorja VRTEX 360 imela na gorilniku plasti ne fiksne podaljške, tako da pri REO na inu ni bilo možno simulirati porabo elektrode. V podjetju Lincoln so to pomanjkljivost odpravili tako, da se sedaj elektroda postopoma premika oziroma krajša. Sistem omogo a tudi vadbo virtualnega varjenja z MAG na inom varjenja. Oba na ina se
lahko izvajata v vseh legah varjenja. REO varjenje je možno simulirati za nizkooglji na jekla, MAG pa za nizkooglji na jekla in aluminij. Podobno kot pri ARC+ sistemu, je tudi tukaj možno izvajati vaje za pet razli nih varilnih parametrov. Rezultati vadbe so izrisani na monitorju v obliki grafa. Sistem vsebuje tudi programsko opremo za dolo anje položaja in vrsto varilske napake z izpisom naziva. Pomembna razlika tega sistema v primerjavi z ARC+ je možnost izbire dodatnih varilnih parametrov (premer žice, vrsta in pretok zaš itnega plina in pol elektrode). Simulator nima ekrana na dotik, ampak se za nastavitve uporablja meni, in sicer s pomo jo komandne ro ice (joystick) na stroju. M ed izvajanjem vadbe ima inštruktor možnost grafi nega spremljanja varilnih parametrov (slika 4). Druga možnost je spremljanje premika varilnega obloka, oziroma slike, ki jo sicer varilec opazuje skozi 3D o ala.
Slika 4:
3.4
Grafi ni prikaz za parametre procesa na monitorju simulatorja VRTEX 360
Simulator CS WAVE
Francoski institut za poklicne kvalifikacije je leta 2001 pri el sodelovati s podjetjem Comunication Systems, ki izdeluje simulatorje za razli ne namene. Cilj sodelovanja je bil, da se ustvari sistem za izpopolnjevanje tehnike varilcev [6]. Osnovna ideja je bila, da se izklju ijo strokovna znanja (ustrezna izbira parametrov na stroju, fizika varjenja, metalurgija itd.) ter da simulator postane pedagoško orodje, ki bo v pomo inštruktorju in pospešilo spoznanje kandidata, kaj se od njega pri akuje. Sistem je v komercialni uporabi od leta 2003. Uporablja se v približno 80 državah, v ve kot 300 varilskih šolah. Po nekaterih ocenah so se stroški usposabljanja s pomo jo CS VAWE sistema zmanjšali za 30 %, prav tako pa skrajšalo
trajanje izobraževanja do 50%. Glavni vzrok za takšen uspeh je dejstvo, da so v razvoju simulatorja skupaj sodelovali psihologi, inštruktorji in IT strokovnjaki. Glavne razlike v primerjavi z drugimi simulatorji so, da kandidat ne uporablja maske, niti 3D o al, in da se spremljanje premika gorilnika izvaja na podlagi ultrazvo nih valov, in ne na elektromagnetnih valovih, kot pri ostalih simulatorjih. Zaradi tega se simulacija varjenja izvaja direktno na TFT ekranu. M onitor ima možnost rotiranja in nastavitve po višini, tako da dobimo razli ne lege varjenja (slika 5). Prehod skozi menije sistema za nastavitev se izvaja z usmerjanjem gorilnika na ekran. Sistem simulira tri na ine varjenja: REO, M AG in TIG. Varilec izbira želeno vajo in vadi nadzor nad enim ali ve parametrov varjenja. S pomo jo mreže in strežnika je možno trening spremljati tudi v oddaljenem kontrolnem centru. Podatki o izvajanju vaj se shranjujejo in potem skupno analizirajo med inštruktorjem in kandidatom. Usposabljanje se kronološko zapisuje v mapo kandidata. Sistem ima možnost vadbe na že omenjenih petih Slika 5: Prikaz CS WAVE simulatorja parametrih varilnega procesa. Tudi tukaj obstaja integriran sistem za pravilno vodenje varilskega orodja. Proces spremljajo vizualni in zvo ni efekti. Za razliko od prejšnjih dveh simulatorjev, CS WAVE nima možnosti animacijskega prikaza napak, kot so pore, zajede, neprevarjenost itd. Simulator je možno dobiti v treh izvedbah: lahka, srednja in fiksna.
3.5
Simulator RV-S OLD
M ed sodelovanjem Španskega društva za varjenje (CESOL) in podjetjem SIM FOR, ki izdeluje razli ne tipe simulatorjev, je nastal simulator za usposabljanje varilcev RV-SOLD [7]. Simulator je izdelan v skladu z IIW navodili za usposabljanje varilcev. Sistem realisti no simulira proces varjenja in sicer, tako vizualno, kot na podro ju u inkovitosti opreme, zvoka, porabe osnovnega ter dodajnega materiala itd. Simulator je sestavljen iz centralne enote (zamenjuje opremo za varjenje vklju no z komponentami za izbiro jakosti elektri nega toka in napetosti), 3D o al in stojala za njih, monitorja, ki kaže sliko, ki jo vidi varilec skozi o ala, gorilnika (prilagodljiv za vsak posamezen proces varjenja), senzorja premika (obstajata dva senzorja, ki delujeta usklajeno - prvi se nahaja v gorilniku, drugi pa v o alih) ter tipkovnice z
miško (slika 6). Sistem nima zaslona na dotik, tako da se povezava z vsebino simulatorja in izbira parametrov izvajata preko tipkovnice z miško. Opazno je, da sistem tudi ne vsebuje zaš itne maske. Pomožni programi se uporabljajo za dolo anje prakti nih vaj, kontrolo napak, snemanje in ponavljanje vaj ter ustvarjanje mape kandidata. M ed izvajanjem vaj sistem pošilja tekstovna ali zvo na sporo ila, s katerimi kandidata opozarja na nastale napake, o zaklju ku vaje itd. Tudi ta simulator obvladuje 5 osnovnih parametrov varilnega procesa in podaja rezultate vaj v grafi ni obliki. Podobno predhodnim sistemom ima RV-SOLD vgrajene komponente za pravilno vodenje gorilnika tekom vadbe varjenja. M ed pregledovanjem posnetkov vaje je možno spreminjati pozicijo o al. Na ta na in je možno poiskati najboljšo pozicijo za analizo vaje. Simulator ima možnost vadbe za M AG in REO na ina Slika 6: Prikaz RV-SOLD simulatorja varjenja, in sicer v vseh legah. Vaje so sestavljene iz štirih modulov: prvi je uvod v varjenje, drugi varjenje kotnega spoja, tretji varjenje so elnega spoja, etrti del pa varjenje cevi. Simulator v kombinaciji s teoreti nim izobraževanjem in vadbo v realnem okolju predstavlja tridelni sistem za usposabljanje varilcev. Dodati je še potrebno, da ima tudi ta simulator vgrajene zvo ne in vizualne efekte, kot so iskrenje, dim, obrizgi, nastanek in strjevanje taline, varilni oblok s temno okolico itd. Pri akuje se nadaljnja nadgradnja tega sistema, ki pri dolo enih detajlih zaostaja za drugimi simulatorji. 3.6
Simualator Fronius
Gre za še en simulator, ki je nastal v industriji proizvajalca varilske opreme, in sicer gre za avstrijski Fronius. M ed vsemi simulatorji je ta najmlajši, kar pomeni, da ima tudi njegov razvoj kratko zgodovino [8]. Prva verzija oziroma prototip simulatorja zaenkrat še nima uradnega naziva. Na podlagi videnega je možno zaklju iti, da je v osnovi podoben drugim simulatorjem, ki delujejo s pomo jo elektromagnetnih valov. Sistem vsebuje ra unalnik z ekranom na dotik, maketo spoja, gorilnik in zaš itno masko (slika 7). Edina pomembna razlika je v tem, da maska nima 3D o al ampak je steklo prozorno. Na ta na in ima varilec možnost isto asnega opazovanja virtualne slike na monitorju in gorilnika, ki se premika na maketi spoja (kotni ali so elni). V maski se nahaja oddajnik za lociranje, ki skupaj z oddajnikom v gorilniku in sprejemnikom v maketi spoja predstavljajo sistem za lociranje in ustvarjenje slike. Ploš e spoja so podobne tistim, ki jih uporablja Lincolnov sistem, s to razliko, da je pri Froniusu osnovni material les. Usposabljanje je možno za MAG na in varjenja, za so elne in kotne spoje, v legah PA, PB in PF, in z maksimalno tremi varki. Po
stopnji zahtevnosti obstajajo trije razli ni nivoji. V prvi fazi simulator omogo a vodenje varilca s pomo jo t.i. ''ghost – duh'' sistema. V tej fazi se vadijo posamezni varilni parametri. V drugi fazi te pomo i ni, ampak se kandidata ocenjuje na podlagi samostojnega dela. V tretji fazi je na razpolago možnost izbire parametrov (napetost in jakost elektri nega toka). Predvidene so tudi opcije za izbiro vrste materiala, na ina prehoda materiala, vrste zaš itnega plina in dodajnega materiala. Te možnosti bodo po vsej verjetnosti na voljo pri naslednji generaciji simulatorja. Sistem ima možnost Slika 7: Prikaz simulatorja Fronius organizacije mape za vsakega kandidata, možnost ponavljanja in analize posnetkov vaj, uporabo vseh vizualnih in zvo nih efektov, podobno kot pri ostalih simulatorjih. Izdelujejo se v fiksni in prenosni verziji. Po dostopnih informacijah bo imela naslednja generacija simulatorja tudi v masko vgrajena 3D o ala. 4.
ZAKLJU EK
Varilska industrija se danes sre uje z resnim pomanjkanjem izkušenih varilcev. Vzroki za to so predvsem v zelo zahtevnih pogojih za delo, kot tudi v predsodkih, ki jih imajo o varjenju mlajše generacije. Klasi en na in usposabljanja je dolgotrajen in naporen, tako za varilca, kot za inštruktorja. Z uvajanjem simulatorja varjenja v programe usposabljanja varilcev ter kombiniranjem s teoreti nim izobraževanjem in klasi nim prakti nim treningom, je možno precej skrajšati as, in tudi znižati stroške usposabljanja. Isto asno je kandidatom olajšano razumevanje nalog, ki se postavljajo pred njih, inštruktorjem pa je omogo eno, da s pomo jo natan ne analize izvedenih vaj, pravilno usmerjajo kandidata ter izvajajo potrebne korekcije v u nem programu. Vsi prikazani sistemi za simulacijo varjenja so zasnovani na ideji poenostavitve kompleksnega procesa usposabljanja varilcev. Njihov namen je, da kandidat pridobi potrebne ro ne spretnosti in ob utek za varilni proces, še preden pride v stik z realnimi pogoji varjenja. Simulatorji so zasnovani na vadbi nadzora nad petimi osnovnimi parametri varjenja, ki so odvisni od loveškega faktorja. Prednost simulatorja je tudi v možnosti kronološkega spremljanja napredka kandidata, kot tudi v analiti nem pristopu procesu usposabljanja varilcev. Isto asno predstavlja uvajanje virtualnega varjenja v vadbeni proces zelo pomemben korak v približevanju varjenja mladim generacijam.
ZAHVALA Ta lanek je napisan v okvirju evropskega projekta ''Implementation of virtual technology in education of Welders and Welding Specialists – WIRTWELD'', s sredstvi iz programa vseživljenjskega u enja Leonardo da Vinci. Udeleženci v projektu so VUZ (Slovaška), CWS ( eška), EWF (Portugalska) in IZV (Slovenija). LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Heston, T. , Virtually welding, The FABRICATOR, An FMA Publication, www.thefabricator.com, M arch 2008 Da Dalto, L., Benus Jr. , F. , Balet, O., Improving the welding training by a wise integration of new technologies, 11th Slovak National NDT Conference and Exhibition DEFEKTOSKOPIA 2010 and QUALITY AT WELDING 2010 “ARC+ Welding Simulator” by 123Certification http://www.123arc.com/en/ARCPlus.htm “SimWelder” by VRSIM - http://www.simwelder.com/index.html What is ''VRTEX 360''?- http://www.lincolnelectric.com/vrtex360/default.asp ''CS WA VE’’, The Virtual Welding Trainer - http://wave.c-s.fr/ RV Sold by SIM FOR and CESOL - http://www.simfor.es/en/products/product.php?p=8 Product description ‘’Fronius Virtual Welding’’ http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SIDBFA25696036863A3/fronius_international/hs.xsl/79_15490_ENG_HTM L.htm
U inkovita zaš ita pred varilnimi plini Tomaž uk IPRO d.o.o., Brn i eva 9, 1231 Ljubljana- rnu e
Povzetek Dim, ki nastaja pri razli nih postopkih varjenja, je zelo škodljiv za raspiratorne organe, zato mu je potrebno prepre iti dostop do varil evih dihalnih odprtin.
1.
UVOD
Škodljivi plini nastali pri varjenju oz. mehanski obdelavi kovin so zelo škodljivi uporabniku. Da bi omejili dim in prah po prostoru ga moramo zajeti že na samem izvoru. To storimo z lokalnim odsesavanjem dima in prahu z razli nimi sesalnimi nastavki, gibljivimi rokami, napami… 2.
ODS ES OVALNI S IS TEMI
Odpraševalni oziroma odsesovalni sistemi naj delujejo samo takrat in samo toliko, kot je res potrebno, saj so taki sistemi ob neustreznem projektiranju in ob nepravilni uporabi, lahko energijsko precej potrošni. Splošna ventilacija v industrijskih objektih je vsekakor potrebna, ne opravlja pa iste funkcije kot lokalna ventilacija. Samo z lokalnim odsesavanjem lahko na marsikaterem delovnem mestu delavcu izboljšamo pogoje dela in zaš itimo njegovo zdravje. Razli ni proizvodni procesi proizvajajo ne isto e, ki so : Prah, Dim, Izparine, Pare in plini Telo je izpostavljeno razli nim škodljivim ne isto am, kot so: razred ila, dim od varjenja, prah od brušenja, kemikalije, teko ine, dim od spajkanja itd. To so ne isto e, ki se ne odstranijo s splošno ventilacijo.
Slika 1:
Vpliv finih delcev na loveško telo
Lokalno odsesavanje delimo na dve skupini: • nizko (srednje) vakuumsko odsesavanje; • visoko vakuumsko odsesavanje. Nizko vakuumsko lokalno odsesavanje uporabljamo predvsem pri proizvodnih procesih kjer se pojavljajo dim, zelo fin suh prah, oljna meglica in izpušni plini od bencinskih in dizel motorjev. Te ne isto e se praviloma dvigujejo nad delovni proces in jih moramo uloviti im bližje mestu nastanka, še preden dosežejo respiratorne organe delavca. Pri nizko vakuumskem lokalnem odsesavanju se pretoki zraka na delovno mesto gibljejo med 600 – 1500 m3/h in podtlaku med 1000 – 3500 Pa. Najve krat se lokalno odsesavanje na ve delovnih mestih združi v centralni ventilacijski vod, ki je na koncu spojen s filtrom in ventilatorjem. Odcepi na delovna mesta se opremijo z avtomatskimi loputami, ki omogo ajo prost pretok zraka v centralni vod samo takrat, ko se izvaja delovna operacija. Signale z avtomatskih motornih loput se spelje, do ventilatorja, ki je opremljen s frekven nikom. S tako avtomatizirano konfiguracijo dosežemo manjšo porabo elektri ne energije tako pri porabi elektri ne energije kot pri zamenjavi zraka preko splošne ventilacije. Visoko vakuumsko lokalno odsesavanje najve krat uporabljamo pri brušenju, poliranju in rezanju z ro nimi elektri nimi ali pnevmatskimi orodji, saj je pri teh procesih razpršenost prahu, v kolikor ga ne odstranimo takoj na izvoru, zelo velika. Prah odsesamo direktno z orodja. Za tako odsesavanje potrebujemo majhne pretoke zraka, 80 – 250 m3/h, pri podtlaku min. 20 kPa. Glede na to, da so danes moderna ro na orodja izdelana tako, da je na njih že montiran primeren sesalni nastavek, je potrebno izdelati primeren odsesovalni sistem, ki se sestoji iz centralnega sesalnega voda, premera max. 150 mm, centralne visoko vakuumske enote s filtrom in fleksibilnih cevi, ki se na eni strani priklju ijo na ro no orodje, na drugi strani pa preko avtomatskih ventilov, na centralni sesalni vod. Seveda ta sistem pride v poštev pri proizvodnji, kjer je vklju enih ve delovnih mest. Za individualna delovna mesta, pa se priporo ajo prevozni visoko vakuumski industrijski sesalci, ki so ravno tako opremljeni z visoko u inkovitimi filtri. Zrak se preko filtrov o isti in se v ve ini primerov lahko vra a v proizvodni prostor. Prednost visoko vakuumskega sistema je v tem, da ga lahko uporabljamo za odsesavanje dima in prahu, kakor tudi za iš enje proizvodnje, kar pomeni, da en sistem zadovoljuje tri razli ne operacije dela v proizvodnji.
Slika 2:
Izvedba odsesovanja prahu
Zaš ita dihal varilca z uporabo varilnega š ita z vklju enim respiratornim sistemom Aleš Tomši , Maja Podgoršek 3M (East) AG, Podružnica v Ljubljani, Cesta v Gorice 8, 1000 Ljubljana
Povzetek Varilec se pri svojem delu sre uje z mnogimi tveganji, ki lahko vplivajo na njegovo zdravje. Primerna zaš ita je zato nujna. Varilni š it Speedglas z respiratornim sistemom Adflo predstavlja optimalno delovno orodje za varilca z vklju eno zaš ito dihal.
1.
PRIHODNOS T VARJENJA
Varjenje vedno znova premaguje izzive, ki jih postavljajo sodobne zahteve: visokotla ni cevovodi in rezervoarji, super tankerji, podmornice za ekstremne globine, dirkalna vozila, neboti niki in vesoljska plovila, e naštejemo le nekaj primerov. Vendar obstaja stalna težava, to je pomanjkanje usposobljenih varilcev v industriji. M nogi gledajo na varjenje kot vro , umazan in potencialno nevaren posel. Nadzorniki varjenja morajo resno pregledati delovno okolje in se vprašati: »Ali bo moja delavnica pritegnila in obdržala najboljše varilce?« In varilec naj se vpraša: »Kako si lahko obvarujem zdravje?« Naša družba postaja bolj ozaveš ena glede zdravja, saj zna znanost bolje razložiti vzroke in posledice bolezni in težav. M nogi varilci se sprašujejo, ali so pogoji, ki se jemljejo za dopustne, kot so vro ica zaradi varilskega kovinskega dima ali poškodbe o i zaradi obloka, v resnici sprejemljivi. Nove generacije varilcev cenijo celostno zaš ito o i in obraza s pomo jo š itov s samozatemnitvenimi varilnimi filtri (ang.: ADF - auto-darkening filter). Vedo tudi, da osebna zaš ita dihal zagotavlja primeren zrak za dihanje. M anj energije porabijo za enostavno dihanje in ve energije lahko usmerijo v varjenje. Tudi po delu se po utijo bolj sveže.
Slika 1: 2.
Varilec pri delu
NEVARNOS TI PRI VARJENJU
Odgovornost delodajalca je, da prepozna nevarnosti, ki so prisotne v delovnem okolju in priskrbi delavcem ustrezno zaš ito. loveške o i, obraz in dihala so že po naravi mehki in ranljivi organi, še posebej v ostrem, težkem svetu elektri nega oblo nega varjenja. M nogi procesi varjenja in rezanja oddajajo nevarno svetlobno sevanje. Najpogostejše poškodbe o i zaradi UV/IR sevanja so vnetje mrežnice in opekline roženice. Te poškodbe zaradi intenzivne svetlobe je možno prepre iti z nošenjem ustrezne zaš ite in njeno primerno uporabo. Ko ste našli vašo idealno zaš ito za o i in obraz, ste lahko še vedno podvrženi glavobolom, vnetjem grla in splošni utrujenosti, ki se bistveno zmanjša, ko ste na po itnicah. Vsak varilni dim vsebuje onesnaževalce. Poškodbe, ki jih ti onesnaževalci lahko povzro ijo, so zahrbtne. Bolezni, ki jih povzro i varilni dim, lahko trajajo ve tednov, mesecev in v asih let, preden postanejo vidne. Nivo onesnaženja je dolo en z varilno metodo, amperažo in prezra evanjem na delovnem mestu. Iz rpne informacije o odredbah, zakonodaji in mejnih vrednostih so obi ajno specifi ne za vsako državo. Samo v ZDA porabijo letno povpre no 300 milijonov $ za stroške povezane s poškodbami o i, vklju no s stroški zdravljenja, nadomestila delav evega dohodka in izgubljenega proizvodnega asa. V treh od petih primerov delavec ni nosil nobene zaš ite o i [1]. Akutni simptomi zaradi izpostavitve varilskemu dimu so draženje o i in kože, slabost, glavobol, omotica in varilska vro ica. Kroni ne, notranje poškodbe se pojavljajo na respiratornem traktu in plju ih (vklju no s plju nim rakom) ter centralnem živ nem sistemu (Parkinsonova bolezen itd.). 100 let po iznajdbi š ita pred oblokom, so poškodbe o i še vedno med najbolj akutnimi poškodbami, zaradi katerih trpijo varilci. Tveganje obolenja za plju nim rakom zaradi delovnega okolja, je pri varilcih za 40% ve je, kot pri ostalih profesionalcih [2]. Varilci, ki kadijo, bolj potrebujejo respiratorno zaš ito kot nekadilci [3]. V nekaterih mestih so oblasti dolo ile lastne standarde za kakovost zraka v mestu. Za primerjavo s temi standardi so dopustni standardi za varilce lahko do 100 krat slabši, kot mestni zrak. Kaj to pomeni za 3 varilce? Poglejmo si primer: mejna vednost za cinkov oksid je 5 mg/m . Tudi e ste pod to mejo, letno vdihate do 11 gramov cinkovega oksida.
EN standardi navajajo najmanjše zahteve po u inkovitosti, ki jih mora zadovoljiti izdelek. Respiratorji so razvrš eni tudi po zaš itnih faktorjih, ki jih zagotavljajo. Zaš itni faktor respiratorja kaže, koliko so onesnaževalci zmanjšani (ali pre iš eni iz zraka), preden dosežejo uporabnika. Primer: Proizvajalec galvaniziranih ograj je izmeril 30 mg/m3 cinkovega oksida v zraku na delovnem mestu. Zakonska mejna vrednost je samo 5 mg/m3. Izpostavitev delavca cinkovemu oksidu je potrebno znižati vsaj za faktor 6 (30 mg/m3 deljeno s 6 = 5 mg/m3). Potreben je respirator z najmanjšim zaš itnim faktorjem 10.
Slika 2: 3.
Varilni š it Speedglas z respiratornim sistemom Adflo
S PEEDGLAS Z ADFLO TLA NO FILTRACIJO ZRAKA
Speedglas varilni š it z respiratorjem Adflo je lahek, kompakten sistem, ki deluje kot vse v enem. Sestavljiva konfiguracija Adflo turbinske enote pomeni, da se lahko plinski filter doda na filter za delce, in na ta na in poskrbi za dodatno zaš ito pred specifi nimi organskimi, anorganskimi in kislimi hlapi. Dva sistema v enem dopuš ata pove ano prilagodljivost uporabniku in spremenljivim varilskim aplikacijam. Po potrebi se lahko lo eno zamenja filter za delce ali filter za plin, obeh filtrov hkrati ni treba menjati. Respiratorni sistem Adflo nima zunanjih akumulatorjev, napajalnih kablov in nima ostrih robov. Je vitkega profila in na rtovan za vstopanje v ozke predele. Uporaba varilnega š ita Speedglas z respiratornim sistemom Adflo je preprosta. Ko vklju ite vaš respirator s tla no filtracijo zraka, prikazovalnik pokaže stanje filtra. Zelena lu ka pomeni, da enota deluje normalno. Rde a lu ka pomeni, da je filter zamašen. Za dodatno varnost se odlikuje še z zvo nim alarmom, ko je filter tako zamašen, da ni ve možno vzdrževati nivoja zra nega pretoka. V primeru, da uporabnik ta alarm presliši, se enota izklju i sama [4].
Slika 3:
Prikaz sestave varilnega š ita Speedglas z respiratornim sistemom Adflo
LITERATURA 1. Summit Training Source, Inc. v lanku objavljenem v “Health & Safety International”, July 2003. 2. US Department of Health & Human Services (NIOSH) Pub. No. 88-110p iii. 3. Spring 1997 (Vol.12#1) issue of Liaison, The Newsletter of the Occupational and Environmental M edical Association of Canada. 4. Interno gradivo 3M .
Generisanje zavariva kog dima iz elektrode kod REL zavarivanja Razija Begi , Azra Imamovi Tehni ki fakultet Univerzitet a u Biha u, Irfan a Ljubijanki a bb., 77 000 Biha , B&H Farmaceutski fakultet Univerziteta u Sarajevu, ekaluša 90, 71 000 Sarajevo, B&H
Sažetak U toku elektrolu nih postupaka zavarivanja dolazi do generisanja zavariva kog dima (ZD), koji je mješavina plinova, para i krutih estica. Kako je osnovni materijal konstanta koja u estvuje u okviru datog zadatka, dodatni materijal predstavlja podru je koje bi se djelimi no moglo mijenjati i prilago avati uslovima i zahtjevima postavljenim za datu konstrukciju. Najve a koli ina ZD se generiše iz dodatnog materijala, konkretno iz bloge elektrode. Naj eš e se postavljeni zahtjevi kod kompleksne tehnologije zavarivanja odnose na kvalitet zavarenih spojeva u funkciji zadane konstrukcije. Noviji pristup problematici se temelji na procjeni postojanja štetnih supstanci koje su sastavni dio zavariva kih dimova i njihovih utjecaja na zdravlje ljudi. Procjena pokriva plinovite i esti ne tvari, koje su poznate u industrijskim medicinskim znanostima zbog iritativnog u inka na kožu i membrane od sluzokože, njihove otrovne ili kancerogene efekte ili potencijal da uzrokuju alergijske reakcije, za koje je definirano ograni enje praga vrijednosti[1]. To je temelj na kojem se u sljede em koraku štetne tvari definiraju u industrijskoj medicini. Provedena istraživanja prezentirana u ovom radu se odnose na produkciju i hemijski sastav estica ZD kod ru nog elektrolu nog postupka zavarivanja (REL) obloženom elektrodom.
1.
UVOD
Prilikom REL postupka zavarivanja dolazi do generisanja zna ajne koli ine ZD. Koli ina i hemijski sastav ZD zavise od: parametara zavarivanja, osnovnog, dodatnog materijala itd. Svi parametri zavarivanja su optimirani tako da ostvare potrebni kvalitet zavarenog spoja. M ijenjanjem hemijskog sastava obloge i jezgra elektrode, može se utjecati na hemijski sastav ZD. Obloga elektrode, kod REL postupka zavarivanja, ima nekoliko važnih funkcija: elektri nu, metaluršku i zaštitnu. Mnoge komponente ZD mogu da predstavljaju opasnost za zdravlje zavariva a, a tako er štetno utje u i na okolinu. Kvalitativna i kvantitativna analiza ZD, koji se emituje pri svim postupcima elektrolu nog zavarivanja, treba da zadovolji zahtjeve propisane evropskim normama. M aksimalna dozvoljena koli ina estica u ZD trenutno iznosi 5 (mg/m3)[2], a najnoviji prijedlozi evropske komisije idu u pravcu da se taj limit smanji na 3 (mg/m3)[2]. Postoje vremenska ograni enja koja se odnose na izlaganja zavariva a pojedinim štetnim utjecajima supstanci ili hemijskih elemenata, kao i ograni enja koja se odnose na koli ine štetnih supstanci u zavariva kom dimu, koja se ne smiju pre i. Kako bi se mogla utvrditi ukupna produkcija ZD i odrediti hemijski sastav estica ZD, potrebno je izvršiti odre ene pripreme te izvršiti odre ena mjerenja i hemijske analize. U tu svrhu je prema EN ISO 15011[4] utvr ena laboratorijska metoda za skupljanje uzoraka isparavanja nastalih prilikom elektrolu nog postupka zavarivanja.
2.
PODRU JE RADA S TANDARDA EN 15011
Ovaj evropski standard u prvom dijelu opisuje laboratorijsku proceduru za odre ivanje nivoa emisije ispravanja koje nastaje tokom elektro lu nog zavarivanja i daje metodu za uzimanje uzoraka isparavanja, koji se analiziraju hemijskim metodama. M etoda uzimanja uzoraka isparavanja za hemijske analize koristi komoru za isparavanja i predlaže mogu e analiti ke tehnike za odre ivanje isparavanja emitiranog iz konzumenata. Nivo emisije i sastav isparavanja ovise o procesu zavarivanja, parametrima zavarivanja, veli ini radne površine, obloge itd. 2.1
Model zavariva ke komore
Standard EN 15011 daje preporuku za dva modela zavariva ke komore, karakteristike jednog od modela su pokazane na sl. 1. Komora se sastoji od piramidalne testne komore s dnom ruba. Dimenzije baze komore su 500×500 (mm), a ukupna visina komore je 700 (mm). Visina piramidalnog dijela komore je 300 (mm). Visina dijela u kom se izvodi zavarivanje je 400 (mm). Pre nik filtera (2) je 200 (mm). Filter povezan s pumpom je postavljen na vrhu komore (1) kako bi mogao sakupiti cjelokupna isparavanja. 1
100
300
300
2
50
Slika 1: 3.
Zavariva ka komora[4]
EKS PERIMENTALN I RAD
U okviru istraživanja ZD provedeno je niz eksperimenata od kojih su najvažniji: • eksperiment za odre ivanje produkcije (ZD) i • hemijska analiza estica ZD. U ovom radu su prikazani rezultati dobiveni za navedene eksperimente kod kojih su korištene dvije razli ite elektrode iste klase, elektroda A i elektroda B. Za OM izabran je niskougljeni ni opšti konstrukcioni elik . 0361.
3.1
Produkcija ZD
Zavarivanje je ra eno u zavariva koj komori. Za svaku probu je utrošena jedna elektroda i jedan filter. Struja zavarivanja je bila: 80 (A), 95 (A) i 110 (A). Prije svakog pokusa mjerena je težina praznog filtera (M 1), a nakon svakog pokusa mjerena je težina punog filtera (M 2). Razlika težina punog i praznog filtera predstavlja težinu estica ZD emitovanu u toj probi. Pri svakoj probi snimano je aktivno vrijeme gorenja elektri nog luka ili vrijeme trajanja zavarivanja (t). Ukupna emisija (E) estica ZD, je data izrazom: E=
M 2 − M 1 mg t s
(1)
gdje je: E - ukupna emisija estica ZD (mg/s), M1 - masa filtera prije zavarivanja (mg), M2 - masa filtera nakon zavarivanja (mg), t - vrijeme trajanja luka (s).
U eksperimentu za odre ivanje produkcije ZD je izvedeno šest proba. Vrijednosti produkcija ZD za navedene uslove rada su prikazane dijagramom (slika 2).
Slika 2: 3.2
Produkcija estica zavariva kog dima
Hemijska analiza estica ZD
Zavarivanje je ra eno u zavariva koj komori. Za svaku probu su utrošene po tri elektrode i jedan filter. Struja zavarivanja je iznosila 95 (A). Poznavaju i hemijski sastav obloge i jezgra elektrode, funkciju elektrode i funkciju svih sastojaka obloge elektrode, mogu e je utjecati na hemijski sastav estica ZD, vode i ra una da se ne naruši integritet potrebnih osobina koje zavareni spoj dobiva zavarivanjem odre enom elektrodom. Za elektrode A i B ra ena su po etiri pokusa u kojim je skupljena koli ina estica ZD dovoljna za hemijsku analizu procentualnih težinskih udjela pojedinih hemijskih elemenata. Hemijska analiza je ra ena u laboratoriji za hemijske analize metodom atomske apsorpcione spektrometrije (AAS), koju preporu uje standard EN ISO 15011. Rezultati hemijske analize za elektrodu A i elektrodu B su prikazani na slici 3, za hemijske elemente: Ni, Pb i Zn. Lista sigurnih osobina materijala
M aterial Safety Data Sheet (M SDS) sadrži i analizirane hemijske elemente Ni, Pb i Zn. Poznati su njhovi štetni u inci na zdravlje zavariva a.
Slika 3: 4.
Rezultati hemijske analize estica ZD
ZAKLJU AK
Eksperiment za odre ivanje produkcije ZD pokazuje da se produkcija ZD pove eve sa pove anjem ja ine struje zavarivanja, te treba težiti ukoliko je mogu e da se radi sa manjim ja inama struje zavarivanja. Hemijska analiza estica ZD pokazuje da se mjenjanjem hemijskog sastava obloge i jez gra elektrode mijenja i hemijski sastav estica ZD. Zahtjevi savremenog ekološkog pristupa ovjeku i njegovoj okolini nalažu da se gdje je to mogu e smanje štetne emisije. Provedene istraživanja u podru ju zavariva kih dimova generisanih kod REL postupka zavarivanja obloženom elektrodom, tako er imaju mogu nost doprinosa ovom opštem nastojanju. Istraživanja prezentovana u ovom radu mogu poslužiti u svrhu odre ivanja nivoa emisije kod nekih postupaka zavarivanja, kao i kod odre ivanja hemijskog sastava estica ZD, kako bi se dobivene vrijednosti mogle svesti na propisane nivoe. Što je najvažnije mogu e je utjecati na koli inu i sastav estica ZD mjenjaju i koli ine i hemijske sastav obloge i jez gra elektrode te na taj na in smanjiti štetne utjecaje na zdravlje zavariva a. LITERATURA 1. J. M . Antonini, G. G. Krishna M urthy, R. A. Rogers, R. Albert, T. W. Eagar, G. D. Ulrich, J. D. Brian.: How Welding Fumes Affects the Welder, Welding Yournal, str. 55-59-98. 2. N. T. Jenkins, T. W. Eagar.: Chemical Analysis of Welding Fume Particles, str. 87-91-05. 3. Welding Fumes and Gases, CPWR , NIOSH, 2003 4. EN ISO 15011, april 2002. 5. Rihar G., Suban M .: Izlu ivanje dimova pri elektrolu nom zavarivanju, Zavarivanje, 1996.
Kakovostna zaš itna oprema – investicija v zdravje varilcev in višjo storilnost Rok Lužar Weld d.o.o., Veselovo nabrežje 2a, 1234 Mengeš
Povzetek Varilci so pri svojem delu izpostavljeni številnim zdravju resno nevarnim vplivom varjenja. V veliki ve ini z njimi niso seznanjeni, a tudi v nasprotnem primeru zaradi premajhne ozaveš enosti svojih delodajalcev prepogosto niso deležni nujno potrebne ustrezne zaš itne opreme.
1.
UVOD
Uporaba neustrezne osebne zaš itne opreme pri varjenju prinaša številne negativne posledice tako za uporabnika kot tudi za njegovega delodajalca. S stališ a uporabnika (varilca) gre za negativne zdravstvene posledice, ki jih povzro ajo predvsem izpostavljenost ultravijoli nemu (UV) in infrarde emu (IR) sevanju ter izpostavljenost izredno škodljivim plinom, ki se sproš ajo med varjenjem. Posledi no neustrezna zaš ita varilca delodajalcu povzro a nepotrebne stroške iz naslova bolniških odsotnosti, kadrovanja (bolezni, fluktuacija, posledi no uvajanje novih kadrov,…) in morebitnih vloženih zahtevkov po odškodninah zaradi nastalih poklicnih bolezni in poškodb pri delu. Ustrezna, torej dovolj kakovostna osebna zaš itna oprema, v veliki meri prepre uje z goraj našteto. So asno zagotavlja višjo storilnost varilcev, ki prav tako vpliva na boljše poslovne rezultate podjetja. Škodljivim vplivom varjenja so izpostavljeni predvsem koža, o i in dihala varilca. Zato je nujno, da je varilec opremljen z osebnimi zaš itnimi sredstvi, ki mu te dele telesa zavarujejo. 2.
IZPOS TAVLJENOS T VARJENJA
KOŽE
VARILCA
Š KODLJIVIM
VPLIVOM
Koža varilca je pri varjenju potencialno izpostavljena teko emu zvaru in iskram, predvsem pa zelo mo nemu UV sevanju, ki dokazano zvišuje tveganje za nastanek kožnega raka. Nujno je torej potrebno zagotoviti, da so prav vsi deli telesa 100% zaš iteni pred UV žarki, kar dosežemo z ustrezno usnjeno obleko (hla e, jakne, predpasniki), usnjenimi rokavicami in varilsko masko. 2.1
Ustrezna varilska maska
M aska, ki ustrezno š iti obraz pred nastankom kožnega raka, mora biti: • Naglavna. Ro na varilska maska zelo slabo š iti obraz pred UV sevanjem. • Opremljena z ustreznim avtomatskim varilskim filtrom.
•
Ustrezno dizajnirana. Izdelana je tako, da š iti varil ev celotni obraz, vklju no z ušesi in vratom. Priporo ljiva je tudi uporaba usnjene zaš ite za vrat, s katero po potrebi nadgradimo naglavno varilsko masko. Le taka maska v vsakem trenutku š iti obraz varilca pred nevarnim UV sevanjem in posledi no pred kožnim rakom. Seveda poleg zaš ite ne smemo zanemarjati udobja varilca, kar pomeni, da mora biti maska predvsem im lažja in pravilno uravnotežena. 3.
IZPOS TAVLJENOS T O I VARILC A Š KODLJIVIM VPLIVOM VARJENJA
Pri varjenju nastaja o em nevarna UV in IR svetloba, ki ob neustrezni zaš iti povzro a trajne poškodbe o i. IR svetloba povzro a poškodbe o esne le e in vodi do nastanka o esne mrene. U V svetloba pa povzro a vnetje roženice (keratitis) ter poškodbe o esne mrežnice. Kratkoro ni simptomi, to je ob utek varilca, da ima v o esu ve je koli ine peska, sicer izginejo najkasneje v 36 urah, ostanejo pa brazgotine, ki na dolgi rok vodijo v trajno okvaro vida in celo slepoto. Zato je pri varjenju nujna uporaba naglavne varilske maske, ki ima vgrajen ustrezen, dovolj kakovosten avtomatski varilski filter, saj le ta zagotavlja 100% zaš ito o i pred nevarnim U V in IR sevanjem. 3.1
Ustrezen avtomatski varilski filter
Ustrezen, torej dovolj kakovosten avtomatski varilski filter: • Zagotavlja 100% UV in IR zaš ito o i. • Omogo a nemoteno delo. Filter zagotavlja ustrezno hitrost reagiranja in zaznavo, ter ima dovolj veliko vidno polje. • Zagotavlja dobro vidljivost pred, med in po varjenju. S tem ne povzro a drugih okvar vida, nervoze, glavobolov ipd… Ocene osnovnih opti nih lastnosti filtra, ki jih predpisuje standard EN 379 in variirajo od 1 do 3, morajo biti po zakonu navedene na vsakem avtomatskem varilskem filtru. Številka 1 pomeni najboljšo možno oceno posamezne lastnosti filtra, številka 3 pa je najnižja možna še sprejemljiva ocena. Gre za ocene popa enja slike, sipanja svetlobe, homogenosti filtra in kompenzacije kotne odvisnosti, v navedenem vrstnem redu (npr. 1/1/1/1). • Uradno zagotavlja uporabniku visoko stopnjo kakovosti in varnosti. Kakovosten filter ima s strani pristojnega certifikacijskega urada (DIN Certco) pridobljenih im ve in im strožje certifikate. Obvezen je certifikat CE, zahtevnejši certifikat DIN, najzahtevnejši pa prestižni in nadstandardni certifikat DINplus, ki uporabniku uradno zagotavlja najvišjo stopnjo kakovosti in varnosti. Kakovosten avtomatski varilski filter o i torej popolnoma zaš iti pred posledicami škodljivega U V in IR sevanja. Zaradi dobrih opti nih lastnosti prav tako ne povzro a drugih okvar vida in hkrati zagotavlja ve jo storilnost varilca in višjo kakovost varjenja. M ed varjenjem pa se sproš ajo tudi številni škodljivi plini, ki lahko povzro ajo o esna vnetja. Pred njimi se je mo zaš ititi z ustreznimi odsesovalnimi sistemi ali sistemi za dihanje (ve o tem v poglavju 4.3.).
Slika 1:
4.
Visoko-kakovostna avtomatska varilska maska BH3 / GRAND GDS ADCplus slovenskega proizvajalca Balder
IZPOS TAVLJENOS T VARJENJA
DIHAL
VARILCA
Š KODLJIVIM
VPLIVOM
M ed varjenjem se sproš ajo izredno škodljive snovi, kot so krom, nikelj, arzen, azbest, mangan, silicij, berilij, kadmij, dušikovih oksidov, fosgen, akrolein, spojine fluora, ogljikov monoksid, kobalt, baker, svinec, ozon, selen, cink… Vdihavanje dima, ki vsebuje te snovi, resno ogroža zdravje varilca. 4.1
Kratkoro ne posledice izpostavljenosti dihal škodljivim vplivom varjenja
Najpogostejše kratkoro ne posledice vdihavanja drobnih kovinskih delcev in plinov, ki se sproš ajo pri varjenju, so vnetje nosne sluznice, suho grlo, kašljanje, težko dihanje, slabost, plju nica in kovinska mrzlica (»metal fume fever«), ki je gripi podobna bolezen, ki traja 1-2 dni. Poleg bolezni dihal pa snovi, ki se sproš ajo med varjenjem, povzro ajo tudi vnetje o i in vnetje kože. 4.2
Dolgoro ne posledice izpostavljenosti dihal škodljivim vplivom varjenja
Pogoste dolgoro ne posledice vdihavanja kovinskih delcev in plinov, ki se sproš ajo pri varjenju, so sideroza plju , plju ni rak, Parkinsonova bolezen, manganizem, bolezni kosti in sklepov, kroni na obolenja živ nega sistema, ledvic in prebavil, astma, plju ni edem, neplodnost, rak na grlu in rak na se ilih.
Sideroza plju , poznana tudi pod angleškima izrazoma »welders siderosis« oz. »welders lungs«, je posledica dolgotrajnega vdihavanja majhnih delcev železa. Ti povzro ajo kroni ni bronhitis, nalaganje železa v plju ih ter razraš anje in brazgotinjenje plju nega veznega tkiva, kar dolgoro no vodi do zmanjšanja kapacitete plju . Dejstvo je, da varilci prevzemajo 40% ve je relativno tveganje obolelosti za plju nim rakom. V Sloveniji sicer med celotno populacijo odkrijejo ve kot 1000 primerov plju nega raka letno, kar 90% obolelih pa umre prej kot v 5 letih. Posebej nevarna pa je tudi dolgotrajna izpostavljenost vdihavanju mangana, ki se sproš a pri ve ini varilnih procesov, saj pove uje tveganje obolelosti za Parkinsonovo boleznijo in njej podobno boleznijo, imenovano manganizem. Parkinsonova bolezen je med varilci desetkrat pogostejša kot med nevarilci, v povpre ju pa se pojavi dvajset let prej. Posledice previsoke ravni mangana v telesu, med drugim poškodbe plju , jeter, ledvic in centralnega živ nega sistema ter težave s plodnostjo pri moških, se po raziskavah navadno pokažejo šele v obdobju od desetih do dvajsetih let. 4.3
Zaš ita varilca pred škodljivimi vplivi snovi, ki se sproš ajo med varjenjem
Škodljivim vplivom kovinskih delcev in plinov, ki se sproš ajo med varjenjem, se je mo izogniti tako z uporabo stacionarnega odsesovalnega sistema nad varilnim mestom kot tudi z uporabo dihalnega sistema za iš enje zraka, ki je nadgradnja naglavne avtomatske varilske maske. Stacionarni odsesovalni sistem nudi ustrezno zaš ito na dolo enem varilnem mestu, medtem ko uporaba sistema za dihanje varilcu poleg ustrezne zaš ite omogo a tudi mobilnost na delovnem mestu.
Slika 2: Sistem za dihanje Balder Clean - air Basic Na sliki 2. je prikazan model dihalnega sistema, ki preko filtra, nameš enega na hrbtu varilca, v masko dovaja pre iš en zrak. Ta osnovni model prepre uje vdihavanje majhnih trdnih
delcev in aerosolov, obenem pa zmanjšuje tudi vdihavanje strupenih plinov, saj varilcu dovaja zrak z njegove hrbtne strani, kjer je koncentracija plinov nižja. Seveda so na voljo tudi sistemi za dihanje, ki s pomo jo kemi nih filtrov odstranijo tudi pline, ter sistemi, ki varilcu v naglavno masko dovajajo zrak iz drugega prostora, v katerem je zrak ist. 5.
ZAKLJU EK
Varilci so pri svojem delu izpostavljeni številnim zdravju resno nevarnim vplivom varjenja. V veliki ve ini z njimi niso seznanjeni, a tudi v nasprotnem primeru zaradi premajhne ozaveš enosti svojih delodajalcev prepogosto niso deležni nujno potrebne ustrezne zaš itne opreme. Skrb za zdravje zaposlenih pomeni v prvi vrsti spoštovanje pravil eti nega odnosa do so loveka in širšega družbenega okolja. Poleg tega pa se odgovorni v podjetjih premalo zavedajo, da ima skrb za zdravje zaposlenih tudi povsem ekonomske razsežnosti. Poslovni uspeh podjetja je namre v najve ji meri odvisen od njegovih konkuren nih prednosti v primerjavi z ostalimi podjetji. Viri konkuren nih prednosti pa so lahko razli ni in se tekom let spreminjajo. e sta bila v preteklosti najsodobnejša tehnologija in finan ni kapital glavna na ina za doseganje konkuren nosti, pa temu danes zaradi razmeroma enostavnega dostopa do njih ni ve tako. Klju ni dejavnik konkurence je postal na in, kako sta razpoložljiva tehnologija in kapital uporabljena. Zato loveški viri oz. zaposleni in njihove zmožnosti predstavljajo najpomembnejši vir podjetja. Pri svojem delu pa so lahko uspešni le, e so ustrezno motivirani in zdravi.
! " # $ %
&
'
Celoviti pristop k zaš iti okolja pri termi nem rezanju in varjenju kovin – primeri iz prakse János Orbán VARSTROJ d.d., Industrijska ulica 4, 9220 Lendava
Povzetek Opisan je primer iz prakse kako pristopiti k celoviti rešitvi k zaš iti okolja pri termi nem rezanju in varjenju kovin.
1.
UVOD
Postopki varjenja in termi nega rezanja kovin spadajo med „umazane“ delovne procese, ki brez uporabe posebnih zaš itnih mer mo no obremenjujejo ožje in širše okolje. Pri teh postopkih namre nastane velika koli ina škodljivih plinov in prahu, ki direktno ogroža zdravje delavcev in onesnažuje okolico. Zdravje delavcev najbolj ogrožata dim in fini prah, ker z vdihavanjem lahko prideta direktno v plju a. Na nastajanje teh škodljivih plinov in prahu vpliva ve faktorjev (npr. pri termi nem rezanju kovin nastane velika koli ina prahu in še posebej pri rezanju s plazmo je to ve inoma fini prah). Celotni prah, ki jo je možno vdihati Fini prah = pride v plju a Dim pri varjenju Dim pri lotanju 0,01 µm µm
0,1 µm
1 µm
Pride v plju a (v alveole)
10 µm
100
Ne pride v plju a
Slika 1: Razdelitev škodljivih delcev pri varjenju in sorodnih postopkih glede na velikost delcev
Slika 2: Faktorji, ki vplivajo na nastanek škodljivih dimov in prahu pri varjenju in rezanju kovin
2.
PREDPIS I
Uvedba obveznega ozna evanja proizvodov v Evropski uniji z znakom CE (od leta 1995) pomeni tudi obveznost uporabe ve direktiv za varnost opreme, kot tudi za zaš ito zdravja in okolice. To velja tudi za podro je varjenja in termi nega rezanja kovin, npr.: • za proizvajalce opreme: direktiva za varnost strojev (89/392/EEC še iz leta 1989, vendar jo od 29.decembra 2009 zamenjuje nova direktiva 2006/42/ES), ki zajema tudi podro je varnosti strojev za varjenje in termi no rezanje kovin, • za uporabnike opreme (za delodajalce obvezno od leta 1997): varnostna direktiva (89/655/EEC še iz leta 1989 dopolnjena leta 2001 z direktivo 2001/45/ES), ki obravnava minimalne zahteve za varnost in zdravje pri uporabi delovne opreme Predpisi EU, ki obravnavajo zaš ito okolja in koncentracije škodljivih plinov ter prahu na delovnem mestu so vedno strožji. Najve je dovoljene koncentracije škodljivi plinov in prahu na delovnem mestu so podane s posebnimi predpisi, ki so v državah Evropske unije že ve inoma poenoteni. Za podro je varnosti in zdravja pri varjenju in rezanju kovin so najbolj znani predpisi iz Nem ije (npr. BGR 220) in posebne panožne informacije (npr. BGI 593) ter po teh se tudi ve krat orientiramo pri nas. Po teh predpisih je splošna omejitev za koncentracijo prahu na delovnem mesta slede a: • max. 3 mg/m3 za fine frakcije oz. delce prahu, ki lahko pridejo v plju a (v kolikor zaradi posebnosti delovnega mesta to navzlic uporabi zaš ite na sedanji tehni ni stopnji ni možno zagotoviti, se ta meja premakne na 6 mg/m3), • max. 10 mg/m3 za ve je frakcije oz. delce prahu, ki jih je možno še vdihavati V kolikor prah vsebuje karcogene (rakotvorne) substance, so te dovoljene mejne vrednosti drasti no nižji. Pri postopkih varjenja in termi nega rezanja kovin tem predpisom ni možno zadostiti brez posebnih ukrepov za zaš ito okolja (npr. odsesovanje na delovnem mestu) ali pa izbrati takšen postopek, ki ima manjši vpliv na delovno okolje (npr. pri rezanju s plazmo izbrati postopek rezanja s plazmo pod vodo). Po veljavnih predpisih se za doseganje istega zraka na delovnem mestu najve krat zahtevana prisilna ventilacija ali odsesovanje. Predpisi omejujejo tudi izpust teh škodljivih snovi v atmosfero, zato pri varjenju in rezanju se najve krat morajo koristiti razne odesesovalno-filterske naprave. Zagotavljanje teh vrednostih je sorazmerno zahtevno in drago, vendar se na ta na in omogo i bolj zdravo delovno okolje in bolj humana delovno mesta. V Sloveniji je za to podro je osnova »Zakon o varnosti in zdravju pri delu (Uradni list RS, št.56/99 in 64/01)«, vendar za celovito reševanje te problematike moramo tudi pri nas upoštevati še celo vrsto drugih predpisov in priporo il. Pregled najve je dovoljene koncentracije na delovnem mestu za tipi ne škodljive oz. nevarne snovi v obliki dima ali prahu, ki nastanejo pri varjenju in termi nem rezanju kovin: 1. Plinasta oblika: Nevarna snov: 1.1. Strupena: Ogljikov monoksid (CO) Ogljikov dioksid (CO2 ) Dušikov monoksid (NO) Dušikov dioksid (NO2 ) Fosgen (COCl2 )
Mejna vrednost
Nastane pri
33 mg/m 3 varjenje, avtogeno rezanje 9000 mg/m 3 varjenje, avtogeno rezanje 30 mg/m 3 plazemsko, lasersko in avtogeno rezanje 9 mg/m3 plazemsko, lasersko in avtogeno rezanje 0,4 mg/m 3 rezanje plo evin s PVC folijo oz. zaš ito
1.2. Rakotvorna (karcogena): Ozon (O3) 2. Praškasta oblika: Nevarna snov: 2.1. Obremenjuje plju a:
0,2 mg/m 3 varjenje, plazemsko rezanje
Mejna vrednost
Nastane pri
Aluminijev oksid
3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje Al materialov
Železov oksid
3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje Fe materialov
Magnezijev oksid
3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje materialov z Mg
T itanov oksid
3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje materialov s T i
Cinkov oksid
5 mg/m3 varjenje in rezanje pocinkanih materialov
2.2. Strupena: Kalcijev oksid Manganov oksid Cinkov oksid
5 mg/m3 varjenje 0,5 mg/m 3 varjenje in rezanje materialov z Mn 5 mg/m3 varjenje in rezanje pocinkanih materialov
Svin ev oksid
0,1 mg/m 3 varjenje, lotanje
Fluoridi
2,5 mg/m 3 varjenje, lotanje
Srebrove spojine Bakrov oksid 2.2. Rakotvorna (karcogena): Cadmijev oksid Krom(IV)-spojine Nikljev oksid
0,01 mg/m3 varjenje, lotanje 0,1 mg/m 3 varjenje, lotanje 0,015 mg/m 3 materiali s premazom 0,05 mg/m3 visokolegirani materiali 0,5 mg/m 3 visokolegirani materiali
M ejne vrednosti emisije za prah, ki se lahko puš ajo v ozra je iz odsesovalno-filterskih naprav: Maksimalna dovoljena vse bnost prahu v iz puš enem z raku: Masna koncentracija pri masnem pretoku do 500 g/h 0,05 g/m 3 Masna koncentracija pri masnem pretoku nad 500 g/h 0,15 g/m 3 Maksimalna dovoljena vse bnost praškastih anorganskih mate rialov v iz puš enem zraku: 0,001 g/m3 Klasa 2 (kobalt/nikel in spojine) masnem pretoku ≥ 5 g/h 0,005 g/m3 Klasa 3 (krom in spojine) masnem pretoku ≥ 25 g/h
2.1
Priporo ene rešitve za zadovoljitev predpisov za zaš ito okolja in delovnega mesta pri varjenju:
Delovna mesta za varjenje je potrebno opremiti s primernim sistemom za odsesovanje plinov in prahu ter uporabiti odsesovalno-filterske naprave, ki ustrezajo slede im zahtevam: • filterski vložki morajo imeti dober u inek filtriranja (kvaliteta mora biti potrjena s certifikatom po BIA ali po EN 1822) in za vra anje zraka v proizvodno halo morajo imeti: - klaso W1 po EN ISO 15012-1 (u inek nad 95%) pri varjenju jekel s Cr+Ni pod 5%,
- klaso W2 po EN ISO 15012-1 (u inek nad 98%) pri varjenju jekel s Cr+Ni do 30%, - klaso W3 po EN ISO 15012-1 (u inek nad 99%) pri varjenju jekel s Cr+Ni nad 30%, • uporaba tipskih suhih filterskih vložkov cilindri ne oblike, • filterski vložki morajo biti tako nameš eni, da omogo ajo enostavno kontrolo in zamenjavo, • filterski vložki morajo imeti dolgo življensko dobo tudi pri iš enju s stisnjenim zrakom, • odsesovalno-filterska naprava mora omogo ati enostavni nadzor delovanja in imet i vgrajen sistem za avtomatsko iš enje filterskih vložkov (patron) s stisnjenim zrakom • pod filtrom se nahaja posoda za zbiranje prahu, Varstroj priporo a uporabo družine odsesovalno-filterskih naprav ECO-AIR. 2.2
Priporo ene rešitve za zadovoljitev predpisov za zaš ito okolja in delovnega mesta pri termi nem rezanju kovin:
Tudi pri termi nem rezanju kovin je potrebno upoštevati celo vrsto predpisov in priporo il. Zakonski predpisi iz tega podro ja zahtevajo relativno nizke vrednosti za dovoljeno koncentracijo škodljivih plinov in delcev (prahu), ki nastanejo pri termi nem rezanju kovin (avtogeno ali plazemsko rezanje). Pri plazemskem rezanju se v primerjavi z avtogenim rezanjem sproš a ve ja koli ina nevarnih plinov in finega prahu, zato se mora posebno velika skrb posvetiti zaš iti delovnega okolja (koncentracija škodljivih plinov, dima in prahu ne sme presegati predpisane vrednosti). To je še posebej pomembno pri plazemskem rezanju s kisikom in drugimi plinskimi mešanicami, kjer nastane veliko škodljivih plinov in ti so v nekaterih primerih (npr. pri rezanju visokolegiranih materialov, ki vsebujejo Cr, Ni, V, Co, itd.) lahko tudi zelo strupeni. Za doseganje predpisanih pogojev v nobenem primeru ne zadoš a naravna ventilacija ali prezra evanje. Predpisane vrednosti je možno optimalno dose i le ob uporabi sodobne podložne mize za plo evino s spodnjim odsesovanjem, ki je vezano na ustrezno dimenzionirano in kvalitetno odsesovalno-filtersko napravo. Z odsesovanjem se omogo i bolj zdravo delovno okolje in dobimo bolj humana delovno mesta, vendar te škodljive pline in prahu ni dovoljeno brez ustreznega iš enja oz. filtriranja spuš ati niti v ozra je. Predpisani na ini zagotavljanja istega zraka na delovnem mestu pri termi nem rezanju (prezra evanje ali odsesovanje), ko je to vezano na stabilni prostor in traja dalj asa: Postopek Prez ra e vanje = tehni no Nelegirana in nizkole(prisilno) prezra evanje girana jekla, aluminij Prezra evanje Avtogeno rez anje Rezanje s plazmo O dsesovanje
Osnovni material Visokolegirana jekla, neželezne kovine ---O dsesovanje
Površinsko zaš itena jekla Prezra evanje O dsesovanje
3.
PRIMERI IZ PRAKS E - ZAŠ ITA OKOLJA IN D ELOVNEGA MES TA PRI VARJENJU
V praksi se najve krat uporabljajo slede i na ini odsesovanja:
Slika 3: Za nestalna delovna mesta v bližini sten (do 2 delovna mesta) so optimalne odsesovalno-filterske naprave na steni z eno ali dvema gibljivima rokama
Slika 4: Varilna miza s kombiniranim na inom (stransko + zgoraj) odsesovanja
Slika 5: Centralno odsesovanje s filtrom za fiksna delovna mesta
Optimalne rezultate dobimo z ureditvijo odsesovanja plinov in prahu na varilskih delovnih mestih ter filtriranjem odsesanega zraka (po delovnem mestu se mora ra unati s potrebno kapaciteto odsesovanja od 800 do 1.200 m3/h). Odvisno od namena uporabe so filterske naprave stabilne ali mobilne (prirejene za eno, dva ili ve delovnih mest). Optimalna rešitev so stalna delovna mesta z uporabo delovnih miz za varjenje s kombiniranim na inom odsesovanja (spodnje in stransko odsesovanje ali stransko in zgornje odsesovanje) in centralnega sistema za odsesovanje ter filtriranje.
Slika 6: 4. 4.1.
Primeri izvedb centralnega odsesovanja pri varjenju
PRIMER IZ PRAKS E - ZAŠ ITA OKOLJA IN DELOVN EGA MES TA PRI TERMI NEM REZANJU KOVIN Priporo ena rešitev odsesovanja pri uporabi portalnih cnc rezalnikov (postopek rezanja je avtogeno ali plazma)
Optimalne rezultate dobimo z ureditvijo odsesovanja plinov in prahu na delovnem mestu za termi ni razrez materiala (plazma/avtogeno) s filtriranjem odsesanega zraka na slede i na in: • za portalni CNC rezalnik, ki je lahko opremljen z gorilniki za plamensko in/ali plazemsko rezanje, uporabiti sodobno podložno mizo za plo evino s spodnjim odsesovanjem in pri tem upoštevati velikost plo evine ter število rezalnih glav, • podložno miza za plo evino s spodnjim odsesovanjem povezati na odsesovalni kanal, • odsesovalni kanal speljati do odsesovalno-filtrirne naprave, ki mora omogo it i odsesovanje in iš enje zraka po veljavnih okoljevarstvenih predpisih (za odsesovanje na delovnih mestih, kot tudi za izpust filtriranega/o iš enega zraka v atmosfero) 4.2.
Opis sodobne podložne mize za plo evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem
Ve ina prahu in plinov, ki nastane pri termi nem rezanju, se usmeri navzdol pod plo evino, ki se reže. Pre ni odsesovalni kanali morajo biti tako oblikovani in nameš eni, da v sebe ne potegnejo ve je delce, morajo pa poleg navzdol usmerjenih delov (prah, plin) u inkovito posrkati tudi ves prah in pline, ki se odbijejo nazaj (navzgor) od stranic in dna podložne mize za plo evino. Prostor med pre nimi odsesovalnimi kanali mora biti tudi fizi no lo en s pregrado, sicer pride do velikih izgub pri odsesovanju (ventilator vle e zrak tudi iz sosednjega prostora!) in prah leti tudi izven podro ja odsesovanja.
Slika 7:
Primeri spodnjega segmentnega odsesovanja
Pri rezanju s plazmo sta isto asno lahko odrta tudi dva pre na kanala (pogoj za izpolnitev veljavnih EU predpisov pri vzdolžnem rezanju). Priporo amo uporabo takšnih podložnih miz za plo evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem (standardna izvedba kanalov za segmentno odsesovanje z rasterjem 500 mm, pnevmatsko odpiranje odsesovalnih loput, aktiviranje pnevmatskih ventilov opravlja sam CNC rezalnik, okvir za nalaganje plo evine in posoda za odpadni material z možnostjo dviganja pri iš enju), ki jih Varstroj proizvaja pod imeni VAR-ECO. 4.3.
Opis sodobnega sistema za odsesovanje in filtriranje zraka, ki se priporo a za uporabo pri termi nem rezanju kovin
Sodobni odsesovalno-filterski sistemi, ki jih priporo amo za uporabo pri termi nem rezanju kovin morajo imeti slede e karakteristike: • sestavljeno iz lo ene pred istilne enote (npr. ciklon za mehansko lo itev ve jih delcev) in osrednje filterske enote (za filtriranje finih delcev), kjer so tako nameš eni tipski suhi filterski vložki cilindri ne oblike, • filterski vložki morajo biti tako nameš eni, da omogo ajo enostavno kontrolo in zamenjavo, • filterski vložki morajo imeti dober u inek filtriranja (kvaliteta mora biti potrjena s certifikatom po BIA ali po EN 1822) in imeti dolgo življensko dobo tudi pri iš enju s suhim stisnjenim zrakom, • odsesovalno-filterska naprava mora omogo ati enostavni nadzor delovanja in imet i vgrajen sistem za avtomatsko iš enje filterskih vložkov (patron) s stisnjenim zrakom • pod filtrom se nahaja posoda za zbiranje prahu, Varstroj priporo a uporabo odsesovalno-filterskih naprav serije AIR-ECO tipa MDB proizvajalca Varstroj-PlymoVent, ki so modulno grajeni sistemi z veliko kapaciteto odsesovanja (od 3.000 m3 /h do 12.000 m3 /h - odvisno od velikosti naprave in vgrajenega ventilatorja). Te naprave imaju vgrajene tipske filterske vložke-patrone visoke kvalitete (klasa »C« po BIA oz. klasa »M « po DIN EN 60335-2-69) iz poliestra, vsaka ima po 15m2 aktivne filtrirne površine. Oblika je cilindri na (patronski filterski vložek), iš enje je izvedeno avtomatsko s suhim stisnjenim zrakom, ki jo upravlja mikroprocesor.
Slika 8:
Odsesovalna-filterska naprava serije AIR-ECO tipa MDB
Slika 9:
Modulno grajeni sistemi AIR-ECO tipa MDB
4.4.
Napotki za izbiro velikosti odsesovalno-filterske naprave pri termi nem rezanju kovin
Za izbiro oz. dolo itev velikosti odsesovalno-filterske naprave oz. kapacitete odsesovalnega ventilatorja je potrebno poznati: a) Izvedbo podložne mize za plo evino s spodnjim odsesovanjem (npr. razdalja med pre nimi odsesovalni kanali je izveden z rasterjem 500 mm), b) Velikost podložne mize za plo evino oz. dimenzije plo evine (npr. za plo evine 1,5m x 3m, 2m x 4m, 2m x 6m, 2,5m x 6m, 3m x 6m, itd.), c) Konfiguracijo CNC rezalnika: postopke termi nega rezanja, število gorilnikov in vrste ter debelino materialov, ki se reže, kot tudi jakost naprave za rezanje s plazmo, npr.: • avtogeno z 4 gorilniki (navadno jeklo debeline do 150mm) • avtogeno z 2 gorilniki (navadno jeklo do 300 mm),
• • • •
plazma z 1 gorilnikom (navadna jekla do 20 mm), plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 20 mm), plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 50 mm), kombinirano: plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 50 mm) in avtogeno z 2 gorilniki (navadno jeklo debeline do 150 mm), itd. Na osnovi teh podatkov je potem potrebno izbrati primerno veliko in preverjeno odsesovalnofiltersko napravo, ki je ustrezna pri termi nem rezanju kovin. Pri uporabi podložnih miz za plo evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem tipa VAR-ECO se velikost odsesovalnofilterske naprave lahko dolo i na osnovi slede e tabele: Plo e vina Tip Širina Dolžina (mm) podložnog stola (mm)
VAR-ECO VAR-ECO VAR-ECO VAR-ECO
4.5.
1,6 2,1 2,6 3,1
1.500 2.000 2.500 3.000
2.000 2.000 2.000 2.000
do 12.000 do 12.000 do 12.000 do 12.000
Potre bno odsesovanje (m3 /h) Avtogeno Avtogeno Avtogeno (max.2 (2 gorilnika) (> >2 gorilnika) gorilnika) Plazma Plazma HD-plazma (max.200A) (> >250A) (max.100A) 2.400 3.500 5.000 3.500 5.000 6.200 4.100 5.800 7.400 5.400 6.800 8.600
Primer iz prakse: izvedba odsesovanja na srednje velikem portalnem cnc rezalniku (avtogeno in plazemsko rezanje)
Portalni CNC rezalnik tipa VARCUT 3,2 L2/Ph-2,5x12/1(G+PL) je namenjen za avtogeno in plazemsko rezanje plo evin širine do 2.500 mm in dolžine do 12.000 mm s slede imi podatki: Število gorilnikov za rezanje:
1 kom plazma do 300 A 1 kom avtogeno Vrsta materiala: nelegirana jekla, visokolegirana jekla (tudi Cr-Ni), ne reže se Al Stanje površine, ki se reže: table plo evin so nepobarvane in brez olja Debelina materiala: plazma: max. 60 mm, avtogeno: max. 150 mm Odsesovanje obratuje: neprekinjeno pri rezanju Mesto postavitve odsesovalno-filterske enote je v neposredni bližini rezalnika
Pri rezanju s plazmo je neobhodno odsesovanje, zato se je pri tem projektu odlo ilo za uporabo podložne mize za plo evino s segmentnim odsesovanjem tipa VAR-ECO 2,6 x 12. Po izkustvenih podatkih je potrebno z optimalno izvedbo odsesovanja za ta primer (en gorilnik za avtogeno rezanje, en gorilnik za rezanje s plazmo jakosti nad 250 A) uporabiti odsesovalno-filtersko napravo s kapaciteto min. 7.400 m3/h. Na osnovi teh podatkov je bila izbrana stabilna odsesovalno-filterska naprava z možnostjo avtomatskega iš enja filterskih vložkov tipa ECO-AIR 180/11 MDB-12. Naprava omogo a kapaciteto odsesovanja do 9.000 m3/h in je opremljena s 11 kW ventilatorjem, ki se namesti ob odsesovalno-filtrirni napravi. M odulno zgrajeni osrednji filterski del vsebuje 12 kom filterskih vložkov visoke kvalitete iz polyestra od katerih vsaka ima po 15 m2 aktivne filtrirne površine (skupaj 180 m2 aktivne filtrirne površine).
Izgled izvedene kompletne linije za rezanje (CNC rezalnik + podložna miza za plo evino + odsesovalno-filterska naprava) je razvidno iz priložene slike.
Slika 10: Izgled izvedene kompletne linije za rezanje LITERATURA 1. BGI 593 … Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren, BG-Information, Berufgenossenschaftliche Informationen für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit (2003), 2. Prospekti firm: PlymoVent Švedska in Varstroj Lendava
Hrupna obremenitev pri postopkih toplotnega rezanja David Žvab, Jurij Prezelj, Ivan Polajnar, Mirko udina Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek Meritve hrupa so bile opravljene v industrijskem okolju, pri postopku plamenskega in plazemskega rezanja pri razli nih rezalnih pogojih. Z meritvami se je ugotavljalo ravni hrupa, na mestu operaterja rezalnega stroja, kot tudi na lokaciji najbližjega sosednjega delavca. Zaradi ve je verodostojnosti, so bile meritve opravljene med rednim obratovalnim asom tako, da merilni rezultati vklju ujejo tudi prisoten hrup okolice.
1.
UVOD
Hrup je v kovinsko predelovalni industriji je eden najpogostejših dejavnikov tveganja pri delu. O grožen je lahko vsak delavec, ki je izpostavljen pove anemu hrupu. Okvare sluha zaradi hrupa veljajo za enega od bolj pogostih zdravstvenih problemov na delovnih mestih. Višja je raven hrupa in daljša je izpostavljenost hrupu, ve je je tveganje za poškodbe in s tem vezane zdravstvene težave. Vedeti je potrebno, da lahko že nizka raven hrupa povzro i številne težave. Na delavcu se te težave izražajo preko stresa, slabe zbranosti in nelagodja. Pri slabi slišnosti ukazov ali govora je lahko nevarnost za operaterja in za delavce v njegovi bližini še toliko ve ja. Vse meritve hrupa so bile opravljene v industrijskem okolju in sicer v podjetju Litostroj E.I., ki je proizvajalec posami nih ter maloserijskih izdelkov hidromehanske opreme. Razrez debelejših plo evin opravljajo z dvema toplotnima postopkoma, to sta plamensko in plazemsko rezanje. Ker smo obravnavali dva fizikalno razli na postopka rezanja, je med njima bilo potrebno zagotoviti ustrezno primerljivost. Na podlagi tega, smo meritve hrupa plamenskega rezanja opravljali pri razli nih debelinah obdelovanca. M ed obratovanjem plazemskega rezalnika pa smo merili hrup pri razli nih jakostih elektri nega toka. Pri obeh postopkih smo raven hrupa merili na mestu operaterja in na najbližjem sosednjem delovnem mestu. Za vidnejšo razliko hrupa pri postopkih rezanja, smo izmerili tudi raven hrupa okolice, ki nam prikazuje dejansko zvo no sliko prostora, kjer se nahajajo rezalni stroji. Potek meritev in lokacije merilnega mesta sta pokazali, kolikšna je velikost hrupne obremenitve pri postopkih toplotnega rezanja in v kakšnih zvo nih razmerah delajo neposredni operaterji in delavci na najbližjih sosednjih delavnih mestih. 2.
VRS TE HRUPA IN NA INI MERJENJA
Hrup je predvsem subjektivna kategorija, ki negativno vpliva na zdravje in po utje ljudi. Prekomerni hrup povzro a poškodbo sluha, utrujenost, vpliva na koncentracijo pri delu, študiju, po itku, povzro a psihofizi ne motnje, travmo, motnje v krvnem obtoku,…
U inek hrupa je odvisen tudi od njegove ravni, slika 3. Daljša izpostavljenost hrupu nad 80 do 90 dB(A) navadno povzro a izgubo sluha.
Slika 1:
Decibelna skala ravni hrupa dB (A)
M eritve jakosti hrupa na delovnem mestu se izvajajo v skladu s standardom SIST ISO 9612. S tem se meri vse zahtevane karakteristike, to je ekvivalenta raven LAeq, merjeno z dinamiko »fast«, impulzno raven LAimp, ter koni no raven LCpeak, ki jo merimo z dinamiko peak. Hrup na delovnem mestu merimo v normalnih delovnih pogojih, z delujo imi stroji pri zaprtih oknih in vratih, z vklju eno klimatizacijo in prezra evanjem. e imamo v prostoru ve istovrstnih strojev, se meritev opravi na delovnem mestu, ki je na sredini vsake take skupine, ter posebej pri vsakem stroju, katerega raven hrupa je vsaj za 3 dB(A) višja od ravni hrupa, ki jo povzro ajo sosednji stroji. V primeru, da se hrup na delovnem mestu spreminja med delovnim asom za 3 dB(A), je potrebno meriti ekvivalentno raven hrupa LAeq skozi celoten delovni as, po ena bi:
Leq = 10 ⋅ log
1 T
m i =1
Teq ⋅10
Leq ,i / 10
[dB(A)]
Le q,i – ekvivalentna raven hrupa izmerjena v posameznem asovnem intervalu Teq T – vsota vseh asovnih intervalov T =
m i= 1
T eq
m – celotno število parcialnih asovnih intervalov
(1)
V kolikor imamo opraviti z impulznim hrupom, moramo poleg ekvivalentne ravni, ki je merjena z dinamiko »fast«, isto asno meriti tudi impulzno raven LAimp, ki je merjena z dinamiko » impulse«. To pomeni, da se ekvivalentni ravni prišteje razliko med ravnjo impulznega in ekvivalentnega hrupa. V primeru, da je razlika med impulzno in ekvivalentno ravnjo hrupa od 2 do 6 dB(A), se ekvivalentni ravni prišteje dejansko razliko, e pa se razlika pove a od 6 dB(A) navzgor, se pa prišteje 6 dB(A). Ob prištevanju impulznega vpliva k ekvivalentni ravni se ena ba za izra un ekvivalentne Avrednotene ravni glasi takole:
Leq,Te = 10 ⋅ log
1 Te
n i =1
0 ,1( Leq ,Ti + Ki)
Ti ⋅ 10
[dB(A)]
(2)
T e – as izpostavljenosti delavca hrupu L eq,Ti – ekvivalentna kontinuirana A- vrednotena raven hrupa K i – impulzna korekcija hrupa v asovnem intervalu T i
Oceno o obremenjenosti delavca s hrupom ali ekspozicijska raven LEX,8h, dobimo na podlagi izmerjenih ali izra unanih ekvivalentnih ravni (L eq,Te , L eq) v asu izpostavljenosti T e po naslednji ena bi:
LEX ,8h = Leq,Te +10 ⋅ log10
Te T0
[dB(A)]
(3)
T 0 – as delavnika (8h)
Tedenska ali 5-dnevna izpostavljenost delavca hrupu dobimo z ena bo:
LEX ,w = 10 ⋅ log
1 m 0,1( LEX ,8h ) i 10 5 i =1
[dB(A)]
(4)
m – število merilnih intervalov
3. 3.1
EKS PERIMENTI Namen
Z eksperimenti se je želelo ugotoviti velikost hrupa v neposredni bližini rezalnega stroja(na delovnem mestu operaterja, kot tudi v bližnji okolici, kjer se praviloma nahaja že drugo delovno mesto). Hrup, kateremu je izpostavljen operater na rezalnem stroju ima lahko ve izvorov. Ti so lahko: a) v samem tehnološkem procesu plazemskega ali plamenskega rezanja; b) v raznih pokih, pri ugasnitvah plamena (pri plamenskem rezanju); c) v izvoru elektri ne napetosti (transformatorju in usmerniku) za plazemsko rezanje; d) v vodilih šob koordinatnega premikanja gorilnika; e) v transportu plo evine na ali iz rezalne mize; f) v drugih izvorih na sosednjih delavnih mestih, kjer brusijo, varijo, peskajo, to kajo, transportirajo,…
Iz analize vseh izvorov hrupa je razvidno, da je na delavnem mestu operaterja rezanja prisoten hrup, ki ga ustvarja delavec sam, z rezanjem in okoliški hrup, na katerega delavec nima nobenega vpliva. 3.2
Prostor in as
Z meritvami se je želelo pokazati na velikost in razlike v hrupni obremenitvi pri toplotnih postopkih rezanja razmeroma debelih plo evin. M eritve sem izvedel za dva postopka toplotnega rezanja, ki jih tudi sicer v podjetju Litostroj uporabljajo, to sta bila plamensko in plazemsko rezanje. Hrupne obremenitve so bile merjene v realnih pogojih, med delavnim asom v plo evinarni podjetja Litostroj E.I. v Ljubljani. 3.3
Rezalni stroji
M eritve so potekale na dveh lo enih strojih, z zna ilnostmi kot so navedene v tabeli 1 in 2. Tabela 1:
Tehni ni podatki rezalnega stroja DS-1
Oznaka
DS -1
Delovna operacija Proizvajalec stroja Tip stroja Š tevilka
Plazemsko in plamensko rezanje (kombinirano) M ESSER GRIESHEIM Statosec KST 5600 1604511
Tabela 2:
Tehni ni podatki rezalnega stroja DS-2
Oznaka
DS -2
Delovna operacija Proizvajalec stroja Tip stroja Š tevilka
Plamensko rezanje M ESSER GRIESHEIM Statosec KSJ 2000/2000 1903007
3.4
kom. nr. 122146
Merilna oprema
M erjenje hrupne obremenitve smo merili z integracijskim ro nim merilnikom Bruel&Kjaer 2260 »Investigator «, ki nam omogo a merjenje vseh parametrov hkrati: • • • •
L Aeq ekvivalentna kontinuirana A - vrednotena raven zvo nega tlaka (dB(A)), L Aim p impulzna raven zvo nega tlaka (dB(A)), L Aim p – LAeq razlika med impulzno in ekvivalentno ravnjo zvo nega tlaka (dB(A)),
prikaz frekven ne analize (tercna ali oktavna),
3.5 Merilna shema Hrupne obremenitve na delavca pri toplotnem rezanju smo merili po napotkih pravilnika SIST ISO 9612: 1998. Za zagotovitev kvalitete rezultatov je bil merilnik pred za etkom merjenja kalibriran z ustreznim kalibratorjem. Slika 18 prikazuje shemo postopka merjenja na rezalnem stroju. M ikrofon je bil od mesta rezanja oddaljen na približno enaki razdalji kot je delavec – operater in nameš en v višini delav evih ušes. M ikrofon je bil pritrjen na prenosno stojalo tako, da je do njega prihajal zvok prakti no enakih frekvenc in amplitud, kot do delav evih ušes. Desni del sheme prikazuje, da je mikrofon povezan z merilnikom zvo nih ravni. M erilnik si v asu med meritvami zabeleži vse podatke merjenja. Te podatke smo nato prenesli iz merilnika na osebni ra unalnik, kjer se jih je po posebnem programu analiziralo.
Slika 2:
3.6
Shema merilnega sistema za merjenje ravni hrupa pri toplotn em rezanju
Potek meritev
3.6.1 Plamensko rezanje Prvi del meritev je potekal v istem prostoru, na stroju za plamensko rezanje. Najprej smo mikrofon postavili pri stroju DS-2 na mesto operaterja in obrnjenega proti viru zvo ne energije. Tu so bile opravljene štiri meritve. Osnovni material, ki smo ga rezali je bil jeklo za poboljšanje S355J2G3 dveh debelin, 35 in 90 mm. Pri debelini 35 mm so bile hitrosti rezanja od 400 do 450 mm/min, za debelino 90 mm pa so bile rezalne hitrosti od 150 do 200 mm/min, slika 3. Ker so bile pri plamenskem rezanju ravni hrupa nižje od dopustnih vrednosti za povpre no osemurno obremenitev (85 dB(A)) in znatno nižje od izmerjenih vrednosti pri plazemskem rezanju, nismo izvedli dodatnih meritev na sosednjem delovnem mestu. a) M eritve ob delavcu: • 1× meritev hrupa ozadja (brez obratovanja rezalnega stroja), • 1× meritev hrupa ozadja med obratovanjem to kalnega ozna evanja na sosednjem delovnem stroju, oddaljenem približno 30 m (brez obratovanja rezalnega stroja), • 2× meritve med rezanjem, pri spremenljivih pogojih.
Slika 3:
Plamensko rezanje konstrukcijskega jekla debelin e 90 mm
3.6.2 Plazemsko rezanje Drugi del meritev je potekal pri plazemskem rezanju stroja DS-1, osnovnega materiala iz nerjavnega jekla Cr-Ni 13-4, debeline 12 in 35 mm. Hitrosti rezanja za debelino 12 mm so bile od 740 do 760 mm/min, pri debelini 35 mm pa so bile hitrosti rezanja od 330 do 350 mm/min, slika 4. Za eli smo s postavitvijo mikrofona v neposredni bližini operaterjevih ušes. Ta je bil od operaterjevih ušes oddaljen 20 cm, obrnjen proti viru hrupa in nastavljen na višini 1,5 m. Na tej višini je bil nastavljen pri vseh meritvah, ki so bile izvedene. M eritve so se izvajale po naslednjem vrstnem redu: a) M eritve ob delavcu: • 1× meritev hrupa ozadja (brez obratovanja rezalnega stroja), • 7× meritve med rezanjem, pri spremenljivih pogojih. Po kon ani osmi meritvi smo se z mikrofonom premaknili na mesto, kjer je obi ajno en delavec, ki se ukvarja z naknadnimi ro nimi postopki obdelave plo evine. M esto mikrofona je bilo na sosednjem delovnem mestu oddaljeno približno 10 m od rezalne šobe delovnega stroja. Na tem mestu je bila opravljena ena meritev šumov okolice in ve meritev med postopkom rezanja. b) M eritve na sosednjem delovnem mestu: • 1× meritev hrupa ozadja, • 4× meritev med rezanjem, pri spremenljivih pogojih.
Slika 4:
Plazemsko rezanje nerjavnega jekla 35 mm
4. REZULTATI IZVED ENIH MERITEV 4.1. Hrup pri plamenskem rezanju 4.1.1. Na delovnem mestu operaterja Na sliki 5 je prikazana frekven na porazdelitev hrupa za okolico in pri rezanju z optimalnimi pogoji, dve razli ni debelini. Iz slike je lahko videti kakšne velikosti so ravni hrupa pri dolo eni frekvenci. V frekven nem obmo ju, do frekvence 800 Hz, je opaziti, da so ravni hrupa rezanja obeh debelin približno enake velikosti, kot so ravni hrupa okolice. Na podlagi tega je možno sklepati, da so v tem obmo ju ravni hrupa rezanja nižje ali enake od ravni hrupa okolice. Hrupnost rezanja plo evine debeline 90 mm se za razliko od rezanja 35 mm debelega obdelovanca, lo i od ravni okolice že pri frekvenci 800 Hz, kjer se za ne mo no vzpenjati do jakosti 76,6 dB(A) pri frekvenci 3,15 kHz. V najbolj slišnem obmo ju loveka, ki je od frekvence 1 kHz do 4 kHz, je tako edina raven hrupa, ki se dvigne nad 70 dB(A), raven rezanja plo evine 90 mm.
Slika 5:
Frekven na analiza ravni hrupa na mestu operaterja
4.1.2 Na najbližjem sosednjem delavnem mestu Kot je razvidno iz rezultatov meritev v predhodnem poglavju, na mestu operaterja, se ravni hrupa med rezanjem le malo razlikujejo od ravni okolice. Zaradi tega meritev na sosednjem delovnem mestu, oddaljenem 10 m od mesta rezanje nismo izvajali.
4.2 Hrup pri plazemskem rezanju 4.2.1 Na delovnem mestu operaterja Na sliki 6 so prikazane ravni hrupa okolice in ravni hrupa rezanja s plazmo pri delu z razli ni jakostmi toka. Hrupnost okolice v tem primeru ni velika, saj je najvišja raven hrupa 63,6 dB(A) pri frekvenci 1,6 kHz. M ed postopkom rezanja se je raven hrupa bistveno pove ala. Ravni hrupa rezanja pri vseh parametrih so pri frekvenci 315 in 630 Hz visoko sko ile, kar pomeni, da ima plazma tudi med nizkimi frekvencami visoke ravni hrupa. Rezanje pri toku 200, 300 in 400 A za ne oddajati zvok šele pri frekvenci 80 Hz, tok 500 A pa pri 63 Hz. Hrupne ravni pri rezanju z jakostjo toka 300 in 400 A so pri vseh frekvencah skoraj enake. Rezanje z jakostjo toka 200 A je vseboval malo nižje ravni hrupa, pri rezanju z jakostjo 500 A pa so bile te višje od ravni hrupa pri jakosti toka 300 ali 400 A.
Slika 6:
Frekven na analiza ravni hrupa na mestu operaterja
4.2.2 Na najbližjem sosednjem delavnem mestu Vzrok za meritve hrupa na sosednjem delovnem mestu so bili visoki rezultati hrupnosti na operaterjevem mestu. Iz slike 7 je razvidno, da je velikost ravni hrupa padla. Kljub temu, da je razlika med izvorom hrupa in lokaciji merjenja 10 m, pa je le ta še vedno velika. K temu vpliva odbojnost prostorov in ostalih površin (plo evine, ostali stroji), ki se v tej dvorani nahajajo.
Na sliki 7 je opazno tudi, da v obmo ju do frekvence 80 Hz ni nobenih hrupnih obremenitev, nato pa se raven hrupa za ne visoko dvigati do frekvence 100 Hz. V istem zaporedju se dviguje raven hrupa okolice, ki se nato stabilizira v obmo ju od 50 do 60 dB(A) in doseže najve jo hrupnost, 56,8 dB(A), pri frekvenci 2 kHz. M ed procesom rezanja se hrupne obremenitve mo no pove ajo in, tako kot na mestu operaterja, posko ijo pri frekvenci 315 Hz. Nato se ravni hrupa skupaj dvigajo nad mejo 80 dB(A), razen hrup pri jakosti toka plazme 200 A, ki doseže 77,2 dB(A) pri frekvenci 6,3 kHz. V najbolj slišnem obmo ju loveka, med frekvencami 1 in 4 kHz, se na tej lokaciji hrup najbolj dvigne in je dejansko za ljudi na tem mestu lahko zelo škodljiv.
Slika 7:
5.
Frekven na analiza ravni hrupa na sosednjem delovnem mestu
ZAKLJU EK
Dobljeni in prikazani rezultati kažejo, da so ravni hrupa med obratovanjem na razli nih rezalnih strojih velike. Najpomembnejše ugotovitve rezultatov analize so: • Rezanje približno enakih debelin s plazmo daje znatno ve je hrupne obremenitve, kot rezanje s plamenom (pri debelini 35 mm, je ekvivalentna raven hrupa plazme vrednosti 100,2 dB(A), pri plamenskem rezanju pa 78,5 dB(A)). • Pri plamenskem rezanju do debeline obdelovancev 90 mm, ravni hrupa niso presegle zgornje dopustne meje tveganja 85 dB(A). Ker se na mestu operaterja ravni hrupa le malo razlikujejo od ravni okolice, ki znaša 75,4 dB(A) ugotavljamo, da sosednji delavec ni dodatno obremenjen s hrupom plamenskega rezanja.
•
Pri plazemskem rezanju se ravni hrupa dvigujejo skupaj z jakostmi toka in presegle vrednost zgornje dopustne meje za celih 15 dB(A) in ve . Zato je potrebno pri rezanju z ve jimi jakostmi toka nujno zagotoviti dodatne varnostne ukrepe. • M ed postopkom plazemskega rezanja so ravni hrupa na prvem sosednjem delovnem mestu, ki je bilo oddaljeno 10 m v povpre ju sicer nižje, za 10 do 15 dB(A), kar je pa še vedno ve od dopustne ravni hrupa. To pomeni, da je potrebno tudi na sosednjem delovnem mestu zagotoviti dodatne varnostne ukrepe za zmanjšanje hrupa, obliki pregrad ali osebne varovalne opreme. Vrednosti ravni hrupa pri plazemskem rezanju so precej višja, kot pa ravni hrupa pri plamenskem rezanju. To pomeni, da je rezanje s plamenom proti plazemskem rezanju, z vidika hrupnih obremenitev, dosti manj škodljivo in ni potrebno zagotavljati dodatnih varnostnih ukrepov. To seveda velja za debeline obdelovancev do 90 mm in temu ustrezne pogoje. LITERATURA 1. Bilban, M .: Hrup kot spremljevalec sodobnega življenja. Varstvo pri delu, 50, št. 5, str.812, (2005). 2. udina, M .: Tehni na akustika – merjenje, vrednotenje in zmanjševanje hrupa in vibracij. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, (2001). 3. Direktiva 2003/10ES, Evropski parlament in Svet o minimalnih zahtevah za varnost in zdravje v zvezi z izpostavljenostjo delavcev fizikalnim dejavnikom (hrup), Uradni list EU, 05/Zv.4. 4. Fefer, J. in Jegli , A.: Osnove akustike. Akademska založba Ljubljana, (1992). 5. Flander, A.: Zmanjšajmo hrup na delovnih mestih. Varstvo pri delu, 50, št. 5, str. 38-42, (2005). 6. Gspan, P.: Hrup in okolje. Univerza v Ljubljani,Višja tehniška varnostna šola, (1995). 7. Leroy in drugi.: Priro nik za plamensko varjenje in sorodne postopke. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko, (1962). 8. Odredba o osebni varovalni opremi, Uradni list RS, št. 97/2000. 9. Podatki za opis povezave med varnostjo in zdravjem pri delu in zaposlitvijo, Evropska agencija za varnost in zdravje pri delu, 2002, ISBN 92-95007-66-2. 10. Žvab, D.: Hrupna obremenitev varilca pri postopkih toplotnega rezanja, Diplomske naloge visokošolskega strokovnega študija, št. 1558, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2008 11. Polajnar, I., Prezelj, J., M išina, N., udina, M .: Buka na radnom mjestu zavariva a. Sigurnost, 2007, letn. 49, št. 2, str. 113-124. 12. Prezelj, J., Polajnar, I.: Slišni zvok kratkosti nega M AG varjenja. Varilna teh., 2002, letn. 51, št. 3, str. 80-85.
Prosojne zaš itne zavese Dragi Stojadinovi
, Siniša Stojadinovi
Tehning d.o.o., Zgornja Hajdina 189, 2288 Hajdina
Povzetek V prispevku je nakazana možnost dodatne zaš ite na delovnem mestu varilca, ki se pogosto zanemarja. Ob konvencionalni izolaciji in umestitve varilca v delovne kabine ter ograditvah z neprosojnimi kovinskimi ali tekstilnimi panoji, se enake ali boljše u inke lahko doseže s prosojnimi zavesami. Ob znatno kvalitetnejši izolaciji in cenovni sprejemljivosti se s takšnimi zavesami namre doseže ve dodatnih u inkov in okolju prijaznejše delovne razmere.
1.
UVOD
Pri varjenju je težiš e zaš ite in varstva pri delu orientirano na tiste škodljive efekte, ki so najbolj o itni, kot so strupeni in škodljivi plini, obrizgi in dim. Bistveno manj pozornosti pa je namenjeno drugim škodljivim u inkom varjenja, kot so razli ne vrste sevanja. Tudi samo sevanje je sestavljeno iz celega spektra škodljivih vplivov, kot so: toplotno sevanje, svetlobno sevanje, ultra violi no sevanje in infra rde e sevanje. Na tem mestu se bom omejil na del vplivov, ki se najbolj o itno širijo v okolico, to je svetlobno sevanje. V odvisnosti od intenzivnosti, svetlobno sevanje ne ogroža le neposrednega izvajalca, torej varilca, ampak tudi sosednje delavce. Sosednji delavci,ki niso neposredni udeleženci varjenja, so namre pogosto nepripravljeni in ne zaš iteni proti svetlobnemu sevanju, ki prihaja iz sosednjega delovnega mesta varilca. Škodljive vplive, ki se na ta na in širijo v okolje lahko omejimo in jih pripeljemo na še sprejemljivo mejo, z zelo poceni in u inkovitim ukrepom - postavitvijo varilnih in zaš itnih zaves. Vsak izvor svetlobe, kot so elektri ni oblok in/ali plamen pri varjenju in rezanju seva v okolico razli ne vrste svetlobe in to v širokem spektru,glej tabelo 1. Tabela 1:
Valovne dolžine zna ilnih vrst svetlobe
Vrsta svetlobe
Valovna dolžina
v angstremih [10-10 m]
Skrajno ultravijoli na
40 - 2000
Ultra Violi na
2000 - 4000
Vidna svetloba
4000 - 7500
Infra Rde a
7500 - 13000
Dolgo IR
ve kot 13000
Po posameznih podro jih meje niso tako strogo definirane. Intenzivnost sevanja elektri nega obloka je dale najve ja v obmo ju med 2000-13000 a. Spekter sevanja pa je približno enak spektru sevanja sonca s tem, da je pri varjenju potrebno upoštevati še sevanje taline - glej tabelo 2.
Tabela 2:
Valovne dolžine in n jihovi deleži za razli ne vrste svetlobnega sevanja
Valovne dolžine [10-10 m]
Deleži svet. sevanja obloka [%]
Deleži svet. sevanja v talini [%]
1-5
0,1-0,3
4000 – 7500 Vidna
20-30
8-16
7500 – 13000 IR
15-25
6-12
ve kot 13000 Dolga IR
20-40
1-5
2000 – 4000 UV
V primerjavi z zaš itnimi kabinami, ki niso vselej najbolj primerna rešitev, so zaš itne zavese praviloma cenejše. V primerjavi z neprosojnimi zavesami pa se prosojne zavese odlikujejo še z dodatnimi prednostmi, to je v prosojnosti, ki je zlasti pomembna pri robotiziranih postopkih varjenja. Zaradi široke palete razli nih barv, se doseže poudarjene u inke pri filtriranju karakteristi nih svetlobnih sevanj, so izjemno dobri zvo ni izolator obenem pa s poživitvijo barvnih utenkov delujejo prijazno na okolje. Zavese so lahko, glede na naravo proizvodnega procesa, fiksne prosto vise e ali togo vpete ali premi ne, sestavljene iz trakov primerne dolžine, ki se v odvisnosti od potreb proizvodnje premikajo in tvorijo zaklju ene prostorske celote namenjene varilnemu procesu, slika 1. V odvisnosti od varilnega postopka in intenzitete varjenja so zavese lahko razli ne barve z razli nimi stopnjami prepustnosti. Na ta na in je možno, s primerno kombinacijo barv oziroma prepustnosti, organizirati zaklju ena delovna okolja, ki so na eno stran skoro popolnoma lo ena na drugo pa samo toliko koliko je to potrebno, da je nadzor delovnega procesa še mogo . Prednost lamelne izvedbe je tudi ta, da se lahko izvaja po delih in se dokupi po potrebi. V naslednjih vrsticah je podan pregled varilnih in zaš itnih zaves glede na svojo obliko in stopnjo zaš ite enega od proizvajalcev tovrstne zaš ite, ki je verjetno najbolj prisoten na slovenskem trgu. Cene so informativne, tako da si lahko vsk sam okvirno izra una koliko bi ga stala ustrezna zaš ita. 2. 2.1
KARAKTERIS TIKE ZAŠ ITNIH ZAVES Klasi na oblika
Slika 1: Klasi ne vrste prosojnih zaš itnih zaves
Standardne zavese imajo zavihane robove na vseh straneh, tabela 3a Nestandardne zavese imajo zavihane samo z gornje robovem, tabela 3b Zavese so debeline 0,4mm. Koda T75mattT55T50T40T0-
Faktor rizika ca. 0,05 ca. 0,40 ca. 0,70 ca. 0,80
Tabela 3a:
Zavese z zavihanimi robovi
Širina 1300mm 1600mm 1,30kg/kos 1800mm 1,45kg/kos 2000mm 1,60kg/kos 2200mm 1,75kg/kos 2400mm 1,90kg/kos 3000mm 2,30kg/kos Pos. dolžine 0,6kg/m2
Barva TemnoZelena EuroZelena Rde eRjava Rde eOranžna Stekleno-prozorna (transparentna)
Model TTV-koda-130x160 TTV-koda-130x180 TTV-koda-130x200 TTV-koda-130x220 TTV-koda-130x240 TTV-koda-130x300 TTV-koda-SL
Tabela 3b: Zavese z zavihanim 1 robom Širina 2 000mm 1600mm 2,00kg/kos 1800mm 2,20kg/kos 2000mm 2,50kg/kos 2200mm 2,70kg/kos 2400mm 2,90kg/kos 3000mm 3,20kg/kos Pos. dolžine 0,60kg/m2
Model TTM-koda-200x160 TTM-koda-200x180 TTM-koda-200x200 TTM-koda-200x220 TTM-koda-200x240 TTM-koda-200x300 TTM-koda-SL
Zavese so narejene za standard DIN EN 1598. T75M ustreza tudi standardu DIN 32504,prvi del. Transparentne zavese proti prahu, varilnih in brusilnih iskrah, vodi, vetru, hrupu in mrazu.
2.2
Zavese v trakovih
Slika 2: Zaš ita s prosojnimi zavesnimi trakovi
Zavese so narejene po standardu DIN EN 1598 kar ustreza tudi standardu DIN 32504, dimenzije trakov in njihova prekritja so: Širina: 570 mm 465 mm Prekrivanje: 70 mm 65 mm
Pokrivalna površina: 500 mm 400 mm Zavese v trakovih so v debelinah 1,0 mm, tabela 4a ali 0,4 mm, tabela 4b. Koda T75mattT55T50T40T0-
Faktor rizika ca. 0,05 ca. 0,40 ca. 0,70 ca. 0,80
Tabela 4a:
Zavesni trakovi 1,0 mm
Širina 570mm 1600mm 1,12kg/kos 1800mm 1,25kg/kos 2000mm 1,40kg/kos 2200mm 1,55kg/kos Pos. dolžine 0,7kg/m
3.
Barva TemnoZelena EuroZelena Rde eRjava Rde eOranžna Stekleno-prozorna (transparentna)
Model TTL-koda-1x1600 TTL-koda-1x1800 TTL-koda-1x2000 TTL-koda-1x2200 TTL-koda-1-SG
Tabela 4b: Zavesni trakovi 0,4 mm Širina 465mm 1600mm 1800mm 2000mm 2200mm Posebne dolžine
0,40kg/kos 0,45kg/kos 0,50kg/kos 0,55kg/kos 0,25kg/m
Model TTL-koda-04x1600 TTL-koda-04x1800 TTL-koda-04x2000 TTL-koda-04x2200 TTL-koda-04-SG
NAMES TO ZAKLJU KA
Z omejitvijo delovnega mesta varilca, rezalca ali brusilca se lahko na razmeroma preprost in cenen na in bistveno dvigne splošni nivo zaš ite in varnosti pri delu. Zavese namre š itijo pred sevanjem obenem pa v veliki meri š itijo pred prahom, varilnimi in brusnimi iskrami, vetru, hrupu in deloma tudi proti mrazu. LITERATURA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Podatki za opis povezave med varnostjo in zdravjem pri delu in zaposlitvijo, Evropska agencija za varnost in zdravje pri delu, 2002, ISBN 92-95007-66-2. Direktiva 2003/10ES, Evropski parlament in Svet o minimalnih zahtevah za varnost in zdravje v zvezi z izpostavljenostjo delavcev fizikalnim dejavnikom (hrup), Uradni list EU, 05/Zv.4. Stojadinovi , D. : Prosojne zaš itne zavese – najnovejši dosežki, 3. M ednarodni sejem varjenje in rezanje, Dnevi varilne tehnike – zornik predavanj, str. 18-21, Celje 2008 http://www.weld-safe.com/welding-curtains-and-screens.html http://www.bondorseals.com/more_info/welding_strip_protection/welding_strip_protecti on.htm http://www.jmtplasp.com Polajnar, I.: Zaš ita in varnost pri varjenju. U no gradivo specializacije IWE/IWT, Institut za varilstvo, Ljubljana 2010
IN MEMORIAM DRAGI STOJADINOVI
1952 – 2010 Kolegom in znancem sporo am, da med nami ni ve lana organizacijskega odbora Dnevov varilne tehnike, Dragija Stojadinovi a, univ. dipl. inž. strojništva. Zapustil nas je v nedeljo 31. januarja 2010, potem ko sva še kak dan pred tem, po telefonu usklajevala urnik za na rtovani sestanek programskega in organizacijskega odbora za letošnje Dneve varilne tehnike. In prav takrat sva, na njegovo pobudo razmišljala o zaš iti in varnosti pri varjenju, kot o osrednji temi letošnjih predavanj, ki bodo potekala v okviru 4. mednarodnega sejma Varjenje in rezanje v Celju. Dragi se je rodil 26. 2. 1952 materi Vidi Carl iz Spodnje Idrije in o etu M iodragu, v Požarevcu. Osnovno in srednjo šolo je kon al v Smederevu, s študijem pa je nadaljeval na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Tu se je pridružil starejšemu bratu Vladimirju, ki je v tistem asu na tej fakulteti zaklju eval podiplomski študij pri prof. dr. Ervinu Prelogu, Dragi pa je na isti fakulteti diplomiral leta 1977 pri prof. dr. Francu Schweigerju, z zagovorom diplomskega dela: Zaš itne rešetke na hidroelektrarnah. Tako ni udno, da se je po diplomi zaposlil na Savskih elektrarn in kasneje v IM P. Ker si je med tem ustvaril družino in ker ni bilo realnih obetov skorajšnje rešitve iz podnajemništva, je bila skoraj samoumevno, da ga je soproga M ilena umestila na doma e dvoriš e, v Zgornjo Hajdino. Tako se je zaposlil v podjetju Talum, kjer se je kod vodja vzdrževanja pogosto sre al z varilskimi problemi. Prav reševanje varilskih problemov mu je zrasli pod kožo do te mere, da je po razpadu Jugoslavije, v asu najve je gospodarske krize, šel na svoje in ustanovil podjetje Tehning d.o.o. Naklju no sre anje na Institutu za varilstvo v Ljubljani, znanstvo iz študijskih asov in varilska stroka, so ustvarili osnovo najinega ve letnega sodelovanja in to na razli nih podro jih. Ali je to bila njegova finan na pomo pri postavitvah razstav naših umetnostnih varilce, organizacijski prispevki pri ogledu mednarodnega sejma Schweissen & Schneiden v Essnu ali pa njegovi strokovni in organizacijski prispevki, v okviru že tradicionalnih Dnevov varilne tehnike; vselej je bil stvari predan z dušo in telesom. Vse navedeno, predstavlja ve kot tehtne razloge, da se ob Dnevih varilne tehnike, ki bo letos od 17. do 21. maja v Celju, poslovim od izjemno dobronamernega in nadpovpre no aktivnega lana našega Organizacijskega odbore, še na simbolni ravni.
Ivan Polajnar
Ergonomska obremenitev varilcev Jožef Horvat, Tatjana M. Gazvoda Univerza v Ljubljani, Zdravstvena fakulteta, Zdravstvena pot 5, Ljubljana
Povzetek Študija obravnava ergonomske obremenitve, ki se pojavljajo na delovnem mestu varilca. Meritve so bile izvedene pri oblo nem varjenju v zaš iti plinske atmosfere z odtaljivo elektrodo – po postopku MIG/MAG, ki se pri nas veliko uporablja pri ro nem postopku varjenja. Varilec je varil izdelke s težo 50 kg. Merske analize delovnega mesta so bile izvedene po metodah OWAS in CORLETT in so zajemale celotn i delovni as delavca, to je 8 ur. Rezultati, pridobljeni z omen jenimi merskimi metodami, izkazujejo, da je delo izredno intenzivno, drža delavca nefiziološka ter da v nekaterih delih telesa nastopa n eudobje ali celo bole ina. Na podlagi pridobljenih rezultatov so podani tehnološki, organizacijski in personalni ukrepi, s katerimi bi lahko olajšali delo varilcev tako v obravnavani kot tudi v drugi podobni delovni organizaciji.
1.
UVOD
V študiji smo preu evali ergonomske obremenitve in škodljivosti, ki se pojavljajo na delovnem mestu varilca. V ta namen smo izvedli ergonomske meritve po metodi OWAS in CORLETT ter meritve asa za izvedbo posameznih delovnih operacij varilca v podjetju. Cilj ergonomskih meritev je iskanje možnosti za razbremenitev delavca in posledi no pove anje produktivnosti. Delovne obremenitve naj ne bi prekora evale meje, ki povzro ajo zdravstvene okvare [1]. Delo varilca smo opazovali celostno kot interakcijo med delavcem in njegovim delom, stroji in napravami, sodelavci, njegovim okoljem ter organizacijo dela. Švedski nacionalni inštitut za poklicno zdravje je izvedel raziskavo [2] s podro ja varjenja. Namen raziskave je bil ugotoviti vzroke za zdravstvene težave, povezane z miši no–skeletnim sistemom. Skoncentrirana je bila na manj naporna ro na dela in upravljavska dela, pri katerih delavec upravlja varilni stroj. Del raziskav je bil opravljen v laboratoriju, del na terenu, t.j. v podjetjih s sodelovanjem službe za varnost in zdravje pri delu. Z epidemiološkimi raziskavami so poskušali povezati posamezne zdravstvene težave s težavnostjo dela in z karakteristikami posameznikov, kot so miši na mo , tehnika dela in osebna predispozicija. Ker Švedski nacionalni inštitut spremlja dogajanja na tem podro ju v vseh industrijskih panogah, so njegovi raziskovalci izvedli primerjavo med razli nimi relevantnimi poklici in izdelali lestvico poklicev, kjer so tveganja za razne poškodbe zelo velika [3], [4]. Skupaj z delovno skupino pri švedskem ministrstvu za delo so ugotovili, da so varilci v povpre ju 90odstotno preobremenjeni in da je varilec na 7. mestu lestvice najbolj nevarnih poklicev. Kot glavne nevarnosti za pred asno poslabšanje zdravja so navedli poškodbe miši noskeletnega sistema in krvnega obtoka. Ugotovili so tudi, da so pri varilcih mišice obremenjene po celem telesu. Najbolj ogroženi so varilci, ki morajo med drugim variti v neergonomskih držah.
Kadefors [3] je v svojem poro ilu predstavil miši no–skeletne bolezni pri varilcih. U gotavlja, da obstajajo znanstveni dokazi za trditev, da so varilci zaradi dvigovanja težkih bremen izpostavljeni prekomernemu tveganju za vnetje rotacijske ovojnice ramena. Prav tako obstajajo študije o drugih zdravstvenih težavah varilcev, predvsem o težavah s križnim delom hrbtenice. 2. 2.1
POS TOPEK VARJENJA Priprava obdelovancev na varjenje
Pred za etkom varjenja je potrebno predmete pripraviti. M esto varjenja je potrebno o istiti maš ob, rje in drugih ne isto . Predmet za izdelavo je visok 600 mm, širok 455 mm in globok 110 mm. Kon na teža izdelka je približno 126 kg. Izdelava poteka v šestih fazah, skupaj z dvema fazama za pripravo materiala za vgradnjo, je faz osem. 2.2
Talilno oblo no varjenje MIG/MAG
M IG/M AG je kratica za postopek varjenja, pri katerem se oblok varjenja vzpostavlja med odtaljivo elektrodo in varilno kopeljo. Za zaš ito zvara talilnega oblo nega varjenja M IG/M AG, se ve inoma uporablja zaš itna atmosfera (ogljikov dioksid, argon, razli ne mešanice). Najve krat je uporabljen argon. Inertni plin izpodriva atmosfero neposredne okolice zvara in s tem omogo a, da se varjenje izvaja v inertni atmosferi. Inertni plin prepre uje nezaželene reakcije, nekatere zaželene reakcije pa lahko inhibiramo. V podjetju, kjer smo opravljali meritve, se kot zaš itni plin uporablja ogljikov dioksid. 3.
UVELJAVITEV ERGONOMIJE N A DELOVN EM MES TU
e je delavec ali varilec s svojim delom in z razmerami, ki vladajo na delovnem mestu, zadovoljen, dela bolj u inkovito in aktivno poskuša pomagati pri vseh aspektih proizvodnje. Zato lahko pri akujemo, da se v tem primeru pove ata produktivnost in kvaliteta izdelkov. Prilagojenost strojev in druge opreme delavcu je ena izmed najpomembnejših zahtev, ki jih mora podjetje zagotoviti za pove anje delovne storilnosti in izboljšanje kvalitete izdelkov oziroma storitev. 3.1
Prilagoditev delovnega mesta varilcu
Delovna mesta varilcev se med seboj razlikujejo. Lahko so stoje a, sede a ali kle e a, lahko pa gre za robotsko varilno celico. V opazovanem podjetju ni robotskih varilnih celic. Udobje varilca je odvisno od izbrane varilne opreme in orodij. Ro no varjenje predstavlja veliko tveganje za zdravstvene težave, predvsem na podro ju izpostavljenosti varilnim plinom in napora zaradi težkega fizi nega dela. Pri oblikovanju delovnega mesta se morajo ta tveganja upoštevati. Še vedno pa si je zelo težko zamisliti proizvodnjo, pri kateri ne bi bilo nikakršnega ro nega varjenja. Obstaja tudi tendenca, da se ro no varjenje nadomeš a z razli nimi izvedbami avtomatiziranega in robotiziranega varjenja, kar zmanjšuje fizi ni napor in izpostavljenost razli nim tveganjem. Interes za zmanjšanje zdravstvenih težav delavcev mora postati eden bistvenih izzivov industrije v 21. stoletju.
4.
VPLIV VARILN IH S IS TEMOV, ORODIJ IN DRUGE OPREME N A RAZMERE N A DELOVN EM MES TU
Optimalno urejeno delovno mesto š iti delavca pred vplivi polutantov, sevanja in fizi nega napora ter omogo a primeren dostop do energije, razsvetljave, ro nih orodij in druge opreme za izvedbo dela. Nekateri pomembnejši dejavniki, ki prispevajo k zdravstvenim težavam delavcev, so: • rokovanje s težkimi obdelovanci, • rokovanje s težko varilno opremo, • naporne delovne drže, • stati ne miši ne obremenitve, • visoke zahteve glede natan nosti, • visoka intenzivnost dela, • vkalupljeni delovni postopki. 5.
ANALIZA D ELOVNIH OPERACIJ NA D ELOVN EM MES TU VARILC A
V asu opazovanja je varilec povpre no 83,9 % delovnega asa opravljal svoje delovne naloge. Za malico in organizirane odmore porabi 10,8 % delovnega asa, nena rtovane izgube (spontani odmori) pa trajajo 5,3 %. Glavne delovne naloge opazovanih varilcev so: dovoz obdelovanca, dvig obdelovanca na mizo, uporaba razpirala za pravilno dimenzijo, varjenje, obra anje in stabilizacija, obra anje, odstranjevanje ne isto z drgnjenjem, nastavitev notranjega dna in regulatorja vstopa zraka, oblikovanje obdelovanca s kladivom, prinašanje zadnje stranice, nameš anje zadnje stranice, nameš anje primeža, obra anje in premeš anje pokrova, odstranitev razpirala, oblikovanje obdelovanca s kladivom po šabloni, spust na tla, transport na dolo eno mesto. Dodatne delovne naloge pa so: brušenje delov za privaritev, menjava jeklenke, nastavitev in iš enje varilne pištole, transport delov za privaritev in iš enje mize. M ed delom je prevladovala delovna naloga varjenje, približno 40 % vsega delovnega asa. 6.
ANALIZA MIŠ I NEGA N EUDOBJA
Spremljali smo delavca varilca preko celega delovnika po metodi Corlett za ocenjevanje nelagodja oziroma neudobnega po utja v gibalih. Delovni as varilca je od 6. do 14. ure, ve krat traja do 18. ure zve er, ob asno tudi v soboto. Delo poteka ve inoma stoje, delno na starih, dotrajanih stolih. Na opazovanem delovnem mestu je delavec sam ro no dvigoval obdelovanec, ki je tehtal okoli 65 kg. eprav kon ni izdelek dvigujejo z dvigalom, pa obdelovance dvigujejo ro no. Kon ni izdelek tehta približno 126 kg. Ugotovljeno je bilo [5], da pri delu izstopa zlasti neudobje v: • me ih (L=104 in D=95), • spodnjem delu hrbta (80), • podlakteh (76), • nadlakteh (64), • stegnih (41), • vratu (38), • ramenih (25) in • srednjem delu hrbta (18).
Neudobje v mišicah se med tednom zaradi podaljšanega delovnega asa pojavlja že ob prihodu na delo (33), po prvi uri dela naraste (50) in naraš a do malice (68) ter do konca osemurnega dela ostaja nespremenjeno. 7.
ANALIZA D ELOVNIH POLO ŽAJEV PRI DELU
Z modificirano metodo Owas [5] smo ugotovili, da pri varilcu prevladujejo nefiziološke in prisilne drže. • Sklonjena drža hrbta traja 34,2 % delovnega asa. Omenjeni telesni položaj prekora uje fiziološka priporo ila in narekuje ukrepe v doglednem asu. • Sklonjena drža hrbta z zasukom ali lateralno fleksijo traja 7,7 % delovnega asa, zaradi esar so prav tako potrebni ukrepi v doglednem asu. • Drža ene ali obeh nadlakti aktivno abduciranih in pod nivojem ramen traja kar 84,9 % delovnega asa, zato so potrebne takojšnje prilagoditve dimenzij delovnih naprav in pripomo kov antropometri nim zna ilnostim delavcev. • Prsti rok so v funkciji finega oziroma grobega prijema ene ali obeh rok varilca 99,7 % delovnega asa. Omenjeni položaji rok narekujejo podrobnejše raziskave. • Glavo ima delavec ventralno sklonjeno 33,8 % delovnega asa, za kar so prav tako potrebni ukrepi v doglednem asu. • Delavec 89,5 % delovnega asa premaguje 10 do 99 N sile, zaradi esar bo potrebno ukrepati v doglednem asu. Zaradi narave dela je nemogo e, da bi lahko delavec opravil svoje delo brez naprezanja, ki je posledica nefizioloških položajev. 8.
ZAKLJU EK
V kolikor fizi ne ali psihi ne zahteve delovnega mesta dlje asa presegajo zmožnosti delavca, se lahko pri akuje ve poškodb ali zdravstvenih okvar. Delovna mesta bi bilo potrebno urediti v skladu z zahtevami zakonodaje. Za izboljšanje delovnih razmer varilcev in prepre evanje zdravstvenih okvar predlagamo slede e ukrepe: • izdelava analiz za vsa delovna mesta, ki so potrebne za ugotavljanje primernih ukrepov (analize se lahko izvedejo v okviru ocene tveganja, vsaj za nekatera delovna mesta bi bile potrebne tudi ergonomske meritve); • dolo ena delovna mesta je potrebno nadgraditi z enostavno mehanizacijo, ki je u inkovita in že preizkušena v drugem podjetju (Na ta na in bi zmanjšali število prisilnih položajev delavcev. Pomembno je dose i dva cilja: ve jo produktivnost in manjšo obremenjenost delavcev.); • urediti je potrebno dvigovanje izdelkov na delovno mizo (To je možno z napravami za dvigovanje ali z mizami s prilagodljivo višino. Lahko se uredi teko i trak, ki dviguje in spuš a polizdelke na posamezne varilne delovne postaje.); • predlagamo ustanovitev nacionalnega registra dobrih ergonomskih rešitev na delovnih mestih varilcev v podjetjih, ki so najbolj na udaru globalizacije (Dobra ergonomska rešitev • naj bi poleg ureditve delovnih mest zajemala tudi pove anje produktivnosti podjetja.).
LITERATURA 1. Sušnik, J., Ergonomska fiziologija, Didakta, Radovljica, 1992 2. Beokholt, R., The welding workplace, Abington Publishing, Woodhead Publishing in association with TWI Ltd., Cambridge, England, 2000 3. Kadefors, R., The welder as a Strategic Resource: Perservation of health and Productivity. Proceding of the International Conference : The Human factor and its environment, Lisbona, Portugal 19/20 – VII 1999 4. A Survey of Jobs Posing Special Risks to Health, Report of the Health Risks Study Group to the Swedish Commission of Working Conditions, M inistry of Labour, Stockholm, Sweden, 1990 5. Sušnik, J., Položaji in gibanje telesa pri delu, Analiza efektornega sistema, Univerzitetni zavod za zdravstveno in socialno varstvo, Ljubljana, 1987
Pogled na zaš ito in varnost pri varjenju Nedjeljko Mišina, Ivan Polajnar Sveu ilište u Splitu, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Ru era Boškovi a b.b., 21000 Split Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevku je na zgoš en in rela tivno poljuden na in podan prikaz najpogostejših nevarnosti, ki se pojavljajo pri varjenju in varjenju sorodnih postopkih. Te nevarnosti v najve ji meri ogrožajo varilce oziroma neposredne izvajalce, v veliki meri pa tudi delavce v bližnji okolici in delovna sredstva v tem okolju. Ni naklju je, da sodi varjenje med najbolj rizi na delovna mesta, kjer so se pogosto krojili prvi predpisi o zaš iti in varnosti pri d elu in so bili kasneje tudi prilago jeni za druga delovna podro ja.
1.
UVOD
Pri vsakem delu, pa tudi pri varjenju, sodijo v okvir zaš ite in varnosti številne aktivnosti, ki so usmerjene na zmanjševanje možnosti pojava poškodb na delovni opremi in napravah, predvsem pa na zmanjšanju možnosti poškodb in zdravstvenih posledic neposrednih udeležencev pri opravljanju teh del. Pri številnih delih pa niso ogroženi le neposredni izvajalci. Pogosto so v še ve ji nevarnosti oprema in ljudje, ki niso neposredno vklju eni v izvedbo konkretnega delovnega postopka. In prav varjenje sodi med tiste dejavnosti, kjer so domala v enaki meri ogroženi neposredni kot tudi posredni udeleženci varjenja. Postopki varjenja sodijo v proizvodne tehnologije, ki se jih po vseh merilih razvrš a v zelo nevarne; tako za izvajalca kot tudi za bližnje udeležence, med katerimi so v veliki meri ponovno prav varilci. Varilci so namre pogosto prisotni tudi na sosednjih delovnih mestih, kjer se izvajajo pripravljalna dela (rezanje, spenjanje, predgrevanje in transport), varjenje ali zaklju na dela (zlasti brušenje). M ed kovinskimi izdelki je težko najti takšnega, ki ne bi imel vsaj kakšnega zvarnega spoja. To še posebej velja, za izdelke v množi ni proizvodnji. Da je temu tako, je ve razlogov: z varjenjem je praviloma doseže višje trdnostne lastnosti spojev, ve jo stopnjo ponovljivosti na rtovane kakovosti in nižje izdelovalne stroške. Obstajajo pa tudi druga dejstva, zaradi katerih se uvrš a varjenje med umazane, nevarne in zdravju škodljive proizvodne tehnologije. Ravno v tem je tudi razlog, da sta zaš ita in varnost pri varjenju izredno pomembni, tako za neposredne, kot tudi posredne udeležence, ki so vklju eni v izvedbo varilskih del.
2.
GLAVNI IZVORI N EVARNOS TI
Pri varilskih delih izvira glavnina nevarnosti iz kemi nih in fizikalnih pojavov, ki so vezani na potek konkretnega varilnega postopka. Ti pojavi se kažejo kot: • mehanske poškodbe • elektromagnetna polja • radiacija in sevanje • dimni plini • zadušitve oz. zastrupitve • eksplozije • hrup • poklicna obolenja Veliko nevarnosti pa izhaja tudi iz na ina izvedbe in delovnih mest opazovanega varilca, ki niso v neposredni povezavi s samo tehnologijo varjenja: • drugi tehnološki postopki (varjenje, spajkanje, rezanje) • spremljajo e dejavnosti (pogonski sistemi, transport) • narava dela (na višini, v utesnjenem okolju) • prisilne lege • zmanjšana sposobnost zaznavanja nevarnosti • sosednja delovna mesta (varjenje, brušenje) • ogrožanje okolice (sevanje, obrizgi, plini) 2.1
Elektri ni tok
Znano je, da obstaja za loveka, ki se dotika predmetov pod elektri no napetostjo, nevarnost elektri nega udara. Te vrste nevarnosti se lahko pojavljajo že pri nizkih vrednostih, zlasti pa v primerih visoke napetosti. Za razliko od splošnega prepri anja, da je delo na napravah, ki so pod visoko napetostjo, bistveno bolj nevarno, pa kažejo statisti ni podatki, da so poškodbe ljudi celo pogostejše pri delu z nižjimi napetostmi. Ta navidezna nelogi nost, je preprosto razložljiva z dejstvom, da z napravami, ki so pod visoko napetostjo upravljajo ljudje, ki so visoko strokovno usposobljeni. Za razliko naprav pod nizko napetostjo, ki jih ponavadi upravljajo ljudje, ki zelo malo vedo o nevarnem vplivu elektri ne energije. Varilci, ki delajo na napravah za oblo no varjenje, so izpostavljeni nevarnosti visoke napetosti (na primarni strani virov elektri ne energije - vklju itev in izklju itev naprav), in nevarnosti nizke napetosti na sekundarni-delovni strani, v celotnem asu njihovega dela. Pri vzpostavljenem tokokrogu skozi loveško telo z izmeni nem tokom (frekvenca 50 Hz), se pojavijo naslednji fiziološki u inki, slika 1.
Slika 1:
Vpliv jakosti toka in asa prevajanja ter možne posledice pri loveku
1. Pri jakosti toka 0,5 mA se tudi daljši asovni obremenitvi ne pojavijo trajne posledice stika. 2. Pri jakosti toka pod 12 mA z daljšo asovno obremenitvijo, ali pri toku pod 500 mA, s krajšo asovno obrmenitvijo, pride do manjših živ nih pretresov. V principu pa ne pride do trajnih posledic. 3. V podro ju 20-200mA lahko pride do motenj sr nega ritma, ki so lahko nevarni za ljudi s slabšiim srcem. 4. V podro ju nad 200mA pride do odpovedi sr nega utripa in dihanja v tem primeru ostanejo trajne posledice prevajanja elektri nega toka skozi loveka. 2.2
S vetlobna sevanja
Pri elektrooblo nih postopkih varjenja prihaja do intenzivnega svetlobnega in toplotnega sevanja, ki se ga lahko razmeji v zna ilne skupine in sicer: • Infrarde e sevanje, z valovno dolžino nad 1µ m vsebuje najve ji delež sproš ene energije in deluje kot vro ina. Na nezaš iteni koži se to odraža kot opeklina, ki lahko pusti tudi trajne poškodbe. • Sevanje vidne svetlobe ima valovno dolžino 0,4-0,8µ m, vsebuje približno 25 - 30% toplotne energije elektri nega obloka. Pri daljši izpostavljenosti o esa tej svetlobi, lahko pride do poslabšanja vida. Negativne u inke je možno zmanjšati z dobro osvetlitvijo okolice, kar zmanjšuje velike razlike v svetlobnih kontrastih. • Sevanje ultravijoli ne svetlobe ima valovno dolžino pod 0,4 µ m in je za oko nevidna. eprav vsebuje le približno 5 - 10% toplotne energije elektri nega obloka, predstavlja najvišjo stopnjo tveganja za o i varilca, kot tudi za druge udeležence v neposredni bližini. Zaradi navedenih nevarnosti je pri elektrooblo nih postopkih varjenja obvezna uporaba zaš itnih mask, ki morajo varovati celoten varil ev obraz, tako pred svetlobnim sevanjem kot tudi pred obrizgi. Zaš itna stekla, morajo imeti predpisano stopnjo svetlobne zaš ite, tabela 1.
Tabela 1:
2.3
Vpliv varilnega postopka in parametrov varjenja na zahtevano zatemnitve zaš itnega stekla
Plini, dim in prah
Domala pri vseh postopkih varjenja in toplotnega rezanja (zlasti pa pri plazemskem varjenju in rezanju), se sproš ajo razli ni plini, dimi in prašni delci, slika 2. Prašni delci pri varjenju sodijo med najnevarnejše in povzro ajo trajne posledice na varilca, zlasti v grlu, bronhijih in plju ih.
Slika 2:
Zna ilne škodljive snovi, ki se pojavljajo pri postopkih varjenja in toplotn ega rezanja
Zaradi visokih temperatur prihaja pri oblo nih postopkih varjenja do razgradnje zaš itnih plinov, njihove rekombinacije ter uparjanja mineralnih in kovinskih elementov v razli nih dimenzijah. Ti trdi mikro delci se obravnavajo kot prah, ki tudi v primeru dobro izvedenega odsesavanja, v znatni meri kon ajo v plju ih neposrednega izvajalca varjenja in/ali sosednjega delavca. Koli ine sproš enih prašnih delcev so v veliki meri odvisne od vrste varilnega postopka in varilnih parametrov, slika 3.
Slika 3:
2.4
Vpliv varilnega postopka in varilnih parametrov na koli ino sproš enih dimnih plinov.
Hrup
Hrup je na splošno definiran kot neželen zvok in je lahko asovno kontinuiran ali impulzen. Po definiciji Pravilnika o varovanju delavcev pred tveganji zaradi izpostavljenosti hrupu pri delu, je hrup vsak zvok, ki vzbuja nemir, moti loveka pri delu in škoduje njegovemu zdravju ali po utju. Hrup lahko škodljivo deluje na organizem na ve na inov:okvari organ sluha in škodljivo deluje preko nevrovegetativnega sistema na organizem kot stresor. Impulzni hrup predstavlja kratek nenadni impulz zvo nega tlaka, za katerega je zna ilen nagel porast zvo nega tlaka do njegove konice, emur sledi hiter padec tlaka. Prav tak hrup se pojavlja pri mnogih varilskih postopkih impulznega varjenja, zlasti prav pri plazemskem rezanju, slika 4.
Slika 4:
Vrednosti zvo nih spremljajo ih delih
obremenitev
pri
razli nih
varilskih
postopkih
in
2.5
Požari in eksplozije
Splošno je znano, da je ve kot 60% vseh požarov v industriji in drugih segmentih gospodarstva neposredno ali posredno povezano z varjenjem. Pri varjenju z varilnim oblokom nastopajo zelo visoke temperature, do 5000 °C, pri emer se praviloma pojavijo tudi vro i kovinski vbrizgi, ki pogosto letijo od mesta varjenja dale stran in lahko povzro ijo požar, tudi po daljšem asovnem zamiku. Varilna delovna mesta je ravno zato potrebno dobro zaš ititi. Pred pri etkom del je v prostorih, kjer se nahajajo lahko vnetljive in eksplozivne nevarne snovi, potrebno le te odstraniti in mesto, kjer se bo vršilo varjenje zavarovati. Te snovi so predvsem vnetljive teko ine (organska topila, barve, lake itd.) in vsi ostali vnetljivi materiali (les, papir, vnetljivi prahovi itd.). Poleg nevarnosti požara obstaja tudi nevarnost eksplozije, e se dela v zartih prostorih in z gorljivimi plini. Pri uporabi gorljivih plinov obstaja nevarnost nenadnega nepredvidenega vžiga plinov v delovnem prostoru, e pride do napak zaradi netesnih mest na plinski opremi. Posebno previdnost je potrebno nameniti jeklenkam, kjer lahko že njihov padec povzro i vžig ali celo eksplozijo. Zato morajo biti jeklenke na delovnem mestu pritrjene, stati v vertikalnem položaju in biti oddaljene najmanj 3 m od odprtega plamena, slika 5.
Slika5:
3.
Primer nepravilnega ravnanja z jeklenkami
ZAŠ ITNA S REDS TVA
Šteje se, da so varno delovno okolje in varne delovne razmere zagotovljene, e delavec ob normalnih pazljivosti ter strokovni in delovni usposobljenosti lahko opravlja svoje delo, ne da bi pri tem prišlo do telesnih poškodb ali zdravstvenih okvar. To pa bo v najve ji meri zagotovljeno z uporabo ustreznih zaš itnih sredstev, in to na osebnem in splošnem nivoju.
3.1
Osebna zaš itna sredstva
e kje, je prav pri varilskih delih uporaba osebnih zaš itnih sredstvih posebno pomembna in je tudi predpisana. Vrsta teh sredstev in na in njihove uporabe pa ni pri vseh varilnih postopkih enaka. Glavna in najpomembnejša osebna zaš itna sredstva varilcev so prikazana na sliki 6: • Za o i (o ala ali zaš itna maska z navadnim in/ali zatemnjenim steklom) • Za obraz in glavo (naglavna maska in zaš itna elada) • Za dihala (posebni raspiratorji, ki se vse pogosteje uporabljajo) • Za ušesa (ušesni epki, glušniki) • Za roke (razli ne rokavice: usnjene, bombažne, kevlar) • Za telo (razli ne vrste oblek, halj in predpasnikov) • Za noge in stopala (gamaše, evlji z oja itvami) • Posebna varovala (pasovi in pritrditvene )
Slika 6:
Najpomembnejši elementi osebn e zaš itne opreme varilca
V primerih, ko dela varilec v posebnih okoliš inah mora biti dodatno zaš iten. Tak primer je na primer delo na višinah oz. v razli nih prisiljenih legah, slika7.
Slika 7:
Osebna oprema varilca za delo na višini
3.2
S plošna zaš itna sredstva
Po vseh kriterijih se lahko med splošna zaš itna sredstva štejejo namre morajo ustrezati strogim zahtevam, ki zagotavljajo delovno minimalnih možnosti udara el. toka. Pri tem je bistvenega pomena varjencu z ve jim št. virov energije z istosmernim tokom, ki so polariteto zavedamo možnosti seštevanja delovnih napetosti (ko razli no polariteto), slika 8.
Slika 8: Pri delu z istosmernim tokom se ob razli nih polaritetah napetosti seštevajo
že varilne naprave. Te varnost, zlasti v smislu da se pri delu na istem priklju eni na razli no imata priklju ena vira
Slika 9: Centralno odsesavanje z razli nih delovnih mest
Najpomembnejši elementi splošne zaš itne opreme so odsesovalne naprave dimnih plinov, ki so lahko namenjene individualnemu odsesavanju, ali pa se uporabljajo sistemi s centralnim odvodom dimnih plinov, sl. 9. V industrijskem okolju, kjer se prepletajo razli ne dejavnosti vklju no z varjenjem, je delovno mesto varilca praviloma lo eno od ostalih del. Takšne lo itve se lahko doseže z zaš itnimi zavesami, ki se jih oblikuje v poljubne delovne pregrade, slika 10 ali s posebnimi varilnimi kabinami, slika 11.
Slika 10: Pregrade z zaš itnimi zavesami
Slika 11: Delovna kabina varilca
3.3
Ergonomija
Varilec pri delu drži varilna kleš e oziroma gorilnik in stalno ponavlja dolo ene gibe, tudi v prisilnih držah in to ves as dela, poleg tega pa še premeš a, dviga in spuš a varjence, kar delavca obremenjuje in zmanjšuje njegovo u inkovitost. Ergonomija mora v takih primerih dolo iti dopustno višino obremenitve glede na pogostost in as trajanja, ter ugotoviti katerim obremenitvam je varilec pri svojem delu izpostavljen. Zato je potrebno varilcem omogo iti optimalne razmere za varjenje, jih pou iti o najprimernejši drži in položaju pri varjenju ter jim po potrebi dodatno pomožno opremo, slika 12.
Slika 12:
Delo varilca v neustrezni in ustrezni legi telesa
Strokovnjaki ugotavljajo, da obstajajo znanstveni dokazi za trditev, da so varilci izpostavljeni prekomernemu tveganju za vnetje rotacijske ovojnice ramena, zaradi dvigovanja težkih bremen. Prav tako obstajajo študije tudi o drugih zdravstvenih težavah varilcev, predvsem z križnim delom hrbtenice, zato je zelo pomembno tudi ustrezni nameš anje varjencev oziroma drža varilca med varjenjem, slika 12. 4.
NORMATIVI
V okvir zaš ite in varnosti pri varjenju sodi tudi ve je število predpisov, ki so vezani na organiziranost in ureditev delovnih mest nasploh in tudi delovnih mest varilca med drugim: • Usposabljanje za varno delo Delodajalec mora delavce usposobiti za varno opravljanje dela v prvi vrsti z ustreznim strokovnim izpopolnjevanjem. Ga seznaniti z možnimi nevarnostmi in usposobiti za ustrezna ukrepanja. • Pregledi delovne opreme in preiskave delovnega okolja Delodajalec mora zagotoviti periodi ne preiskave delovnega okolja (delovni prostori) in periodi ne preglede in preizkuse delovne opreme (strojev). Opravljanje teh nalog sme zaupati le osebam oziroma zato pooblaš enim organizacijam s pridobljenim dovoljenjem za delo. • Navodila za varno delo Delodajalec mora delavce obveš ati o varnem delu tako, da izdaja pisna obvestila in navodila, zlasti v primerih, ko delavcu grozi neposredna nevarnost za življenje in zdravje. Obvezno je potrebno zagotoviti zlasti obveš enost nose nic, mladih delavcev, starejših delavcev in delavcev z manjšo delovno zmožnostjo.
Le delavci, ki so prejeli potrebna navodila, smejo imeti dostop na mesta, kjer preti neposredna neizogibna nevarnost oziroma smejo uporabljati delovno opremo. Delodajalec mora delovna mesta in sredstva za delo (stroji) opremiti z znaki za obvestila in nevarnosti ter navodili za varno delo. • Zdravstveni pregledi delavcev Delodajalec mora zagotoviti zdravstvene preglede delavcev. Vrste, na in, obseg in roke opravljanja zdravstvenih pregledov se opredeli na osnovi ocene tveganja in v skladu z veljavnimi predpisi o zdravstvenih pregledih ob strokovni pomo i pooblaš enega zdravnika. • Nadzorstvo Zagotoviti je potrebno stalen nadzor dejanska stanja opreme in uporabe zaš itnih sredstev, ki jih predpisuje zakon o varnosti pri delu. Poskrbeti je potrebno za udejanjanje predpisov, ki so izdani v okviru novih zakonov o varstvu pri delu. LITERATURA 1. R. Boekholt: The Welding Workplace, Woodhead Publishing Limiited, Abington, Cambridge 2000 2. I. Polajnar, N. M išina: Opasnost i zaštita na radnom mjestu zavariva a , 2. me unarodni stru no-znanstveni skup Zaštita na radu i zaštita rada, Zbornik radova, str 33-41, Bjelolasica 2008 3. J.Prezelj, I.Polajnar: Slišni zvok kratkosti nega M AG varjenja. Varilna tehnika, Let. 51, Št. 3, str. 80-85, 2002 4. M . udina: Priro nik za varno in zdravo delo Tehniška založba Slovenije , Hrup in vibracije, str, 189-216, Ljubljana, 2002 5. Grothe & Kraume: Instruction of Welders in Health and Safety, Deutscher Verlag f r Schweisstechnik, DVS-Verlag GmbH, D sseldorf, 1996. 6. M .Garibaldi: Odsesavanje dimnih plinov pri varjenju -zakaj in kako.Dnevi varilne tehnike 2008, zbornik predavanj str, 10-17, Celje, 2008. 7. I.Polajner, D.Stojadinovi : Osebna zaš itna sredstva za varilice, Dnevi varilne tehnike 2008, zbornik predavanj str, 21-24, Celje, 2008. 8. T.Gazvoda, J.Horvat, Ergonomska obremenitev varilca, Dan varilne tehnike 2005, zbornik referatov, str, 186-189, Novo mesto, 2005. 9. G.M c M illan: M ednarodne aktivnosti na podro ju zdravja in varnosti pri varjenju, Varilna tehnika, Let. 55, Št. 2, str. 58-61, 2006. 10. J. Valenti : Priru nik zaštite na radu, za obrazvanje i praksu. Školska knjiga, Zagreb, 1990. 11. N. L. Nikoli : Opasnosti i zaštita pri zavarivanju. Nau na knjiga, Beograd, 1987. 12. B. Pu ko: Zaš ita in varnost, poglavje iz gradiva s specializacije IWE/IWT. Institut za varilstvo, Ljubljana, 2007. 13. I. Polajnar: Zaš ita in varnost, poglavje iz gradiva s specializacije IWE/IWT Institut za varilstvo, Ljubljana, 2010.
Safety risks and necessary protective measures in underwater welding Jadranka Eržišnik1, Zoran Kožuh2, Slobodan Kralj2 1
2
Croatian Welding Society, Ivana Lucica 1, HR-10000 Zagreb, Croatia Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Ivan a Lucica 5
Abstract Underwater welding that are today carried ou t at bo th small and great depths for th e purpose of maintain ing ships, p latforms, submarines, gas pip es and so on are extremely complex activities. The main sources of dang er in carrying out underwater w elding are electrica l current, explosive gases, pieces that migh t fall off the construction and problems caused b y the stay of divers/welders at depth. Breath ing gases at increased pressure leads to a number of changes in the organism, and hence to possible complications and even death. In order to provide conditions for safe stays and effective work under water for the d ivers/welders it is necessary constantly to carry out the established preventa tive measures, before, during and after diving.
1.
INTRODUCTION
The importance of technologies of underwater welding comes out with its use in numerous installations, primarily on repairs to and maintenance of shipping. In the past such underwater works were carried out only when necessary and for the sake of welding patches on tankers and other ships for the sake of avoiding shipwrecks. With time, and with the improvement in the techniques of welding, with ever better and more perfect diving equipment, such works became ever more demanding, and complete reconstructions are now carried out underwater. Although automation is indispensable, in some cases conventional diving methods are also inevitable, and it is of great importance to train and exercise the human resources. Divers/welders must have excellent welding skills in real conditions and on different practical tasks so as to avoid the occurrence of errors. Great importance, along with welding skills, is attached to diving skills, and the two are as a rule difficult to achieve together. Welding operations require divers to spend a long time at the work site, which is often also located at quite great depths, and they demand from the divers the maintenance of concentration and composure, as well as considerable physical activity. The human organism is not fitted for stays at high pressures, and so it is hard to fulfil the tasks mentioned. Breathing gases at high pressure leads to a number of changes in the organism, and hence possibly to complications and even death. In order to ensure conditions for a safe stay and effective work underwater for divers/welders, it is necessary incessantly to carry out the settled preventive measures before, during and after diving, and it is of particular importance to have good coordination among divers/welders and the team on the surface.
2.
HAZARDS DURING UNDERWATER WELD ING
Hazards during underwater welding can be divided into hazards that are a consequence of welding and hazards that are a consequence of diving. The welding hazards are dangers from electrical current, explosions and electric arc flashes. Diving dangers are the dangers that are possible in any dive, such as the sudden emergence of the diver onto the surface, toxic effects of pressurised oxygen, the toxic effects of carbon dioxide, the narcotic effects of nitrogen, hypoxia, decompression sickness, baro-traumatic gas embolisms, drowning, contamination of the diver’s air, injuries during the dive, risk of infection, hypo- and hyperthermia. 2.1
Hazards arising from welding operations
During underwater welding there are many potential difficulties that if ignored can bring about major injuries or even death. The greatest hazard in underwater wet welding is electricity. Alternate current is not used during underwater welding. An electric shock arising from alternating current results in spasms of the muscles, and the diver who has electrodes in his hand cannot in such a situation drop them since he is inside an electric circuit. During underwater welding, only direct current is used. Appropriate welding power sources have to ensure good welding parameters. Welding power sources are constructed in such a way that they have reduced voltage, for the safety of the welder, and yet also appropriate characteristics for welding. Transistor welding power sources are also used, and further research suggests that the current stage of welding power source technology will enable a better establishment of the electric arc and its stability. As a result of welding and the creation of drops of molten metal it is possible to damage the dry diver suit. Even the smallest of holes in a dry diver suit will lead to the leakage of water into the suit, increasing the danger from electric shocks. The second direct hazard consists of explosions that can happen during underwater welding and cutting. During welding, when the electrode combusts and water evaporates, explosive gases are created that contain great quantities of water and oxygen. These gases that remain in the pipes in the form of bubbles represent potential dangers of explosion. Other dangers that occur during welding are eyes damage as a result of the flash of the electric arc, and parts prepared for welding coming apart and falling on the welder. Also in the supply of electrodes from the surface to the welder, most often done with a basket, it is possible that the cable and the air tube become entangled. In the event of piped supply of electrodes, it is possible for the diving suit to be damaged if the electrodes come down too fast. In the use of the habitat, fires and sudden uncontrolled drops of pressure are the most frequent potential dangers in the performance of operations at depths. Because of the possibility of the rapid spread of fires in a hyperbaric atmosphere, fires are hazards of the first order: most fires in such conditions also finish with an explosion, and even the most harmless fires in the habitat are considered hazards of the first order. Every delay in putting out a fire at the very beginning will lead to its sudden flare-up and a tragic outcome for the crew of the habitat and for the personnel in the surroundings. A fire in a high pressure atmosphere can smoulder or spread very rapidly. The first most often occur in electrical conduits, and the flare up and spread of fires is mostly contributed to by a high percentage of oxygen, the presence of objects that are flammable, and secondarily the kind of inert gas of which there is the highest proportion in the high pressure atmosphere. A fire has to be put out with all available resources. The best results are achieved with a special system with a water jet under pressure executed centrally or autonomously. As soon as the danger of the spread of a fire has been obviated, the diver has to be switched over to the emergency breathing mixture. This prevents
carbon monoxide poisoning and removes the danger of hypoxia. Often a diver has to be removed from the habitat into a rescue bell or container. 2.2
Hazard arising from diving
Diving is an activity that requires an understanding of the physiology of the human body, of medicine, physics and engineering, and the exercise of special skills, procedures and rules. The concept of safety is primary in diving, and the dangers that derive from diving are crushing, sudden emergence of the diver onto the surface, high pressure oxygen toxicity, carbon dioxide toxicity, the narcotic effect of nitrogen, hypoxia, decompression sickness, barotraumatic gas embolisms, drowning, contamination of the diver’s air, wounds in the dive, risk of infection and hypo- and hyperthermia. Crushing: Crushing or compression is the name use for a serious underwater incident specific for diving in a dry diving suit that comes as a result of too rapid descent to the depths, and it is caused by sudden depression. Sudden emergence of the diver onto th e surface: Sudden emergence of the diver onto the surface occurs when the diving dry suit is given too much air or when it is exhausted insufficiently into the environment. The sudden emergence of a diver onto the surface, except from small depths, is a serious incident. There is a great chance that a suddenly emerging diver will collide with various items that are in the water, or vessels that are located above the underwater working site. There is also a real danger that the diver can be exposed to decompression sickness. High pressure oxygen toxicity: Although the gas oxygen is essential for the support of life on earth, on conditions in which it is inhaled in conditions of high pressure, it may work as a strong toxin. Oxygen toxicity can be divided into two groups: - the pulmonary form, also called the Lorain Smith effect, comes after several hours of breathing oxygen at a pressure of more than 0.6 bar; this form is characterised by serious inflammation of the respiratory tract and lungs that on the whole will respond to no kind of treatment. This event is not significant for everyday diving practice, but can be a big problem with long decompression procedures, when the oxygen is inhaled, - the neuro-toxic effect is much more important for everyday practice for it drastically limits the application of oxygen only to diving at small depths and for a short time. It appears if pure oxygen is breathed too long at high pressure. This form of oxygen toxicity is manifested with contortions similar to epilepsy, and is actually also called oxygenous epilepsy. Carbon dioxide to xicity: Accumulation of carbon dioxide occurs in the observation chambers and in submarines or in devices in which air is not led up to the surface. The accumulation of carbon dioxide is a major hazard in autonomous diving decides of a close or semi-closed circle as well. Nitrogen narcosis: Also known as rapture of the deep, this is a specific state similar to being drunk with alcohol, and arises in conditions of increased atmospheric pressure (i.e. increased partial nitrogen pressure) whether in diving conditions or while staying in a hyperbaric chamber. Nitrogen works on the cerebral synapses. For an explanation of why nitrogen has a narcotic effect, the M ayer-Overton formula is used, according to which gases that show a pronounced narcotic potential with respect to the central nervous system have a high coefficient of solubility in fats and lipids as compared with their solubility in water. Hypoxia (hypo xia ): Hypoxia is the name for shortage of oxygen in the blood and tissues because of the reduction of the partial pressure of oxygen in inhaled air or the impossibility of oxygen being used in the organism. In diving with an air or mixture of gases supplied from the surface hypoxia most often occurs when there is a break in the supply, because of some
fault in the compressor or because of a break in the supply pipes. Hypoxia also often occurs in the case of autonomous closed circuit diving devices that are supplied with pure oxygen. Decompression sickness: Decompression sickness is a health problem that appears with persons who breathe air under pressure or an artificial mixture of gases in sporting or professional diving. The sickness is caused by bubbles of inert gas (nitrogen or helium) that arise in the organism because of an over rapid return from elevated to normal pressure. In high pressure conditions more gas is dissolved in the fluid with which this gas is in contact, depending on the coefficient of solubility of this gas in a certain fluid. Nitrogen dissolved in the body under pressure will, on surfacing, leave the tissue and go into the blood. If the surfacing is gradual, the nitrogen will have time to abandon the tissues dissolved in venous blood and will be exhaled in the lungs. In contrast, if the surfacing regime is not adequate, the body is not able to eject the nitrogen from the body in the normal way and the gas will stay in the body in the form of the bubbles that can form in the venous blood, in muscles and bones as well as in other tissues. Decompression sickness is manifested by a great many symptoms, ranging from itching to convulsions and death. Barotraumatic gas embolism: this is among the gravest and most dramatic states that can appear during diving. It is caused by gas bubbles that come into the circulation from previously damaged lungs that have been excessively dilated. Over-dilation and breaking of the tissue of the lungs comes when in the lungs of a healthy person the pressure sudden passes the critical border of 8 -11 Kpa (corresponding to a pressure of about 0.1 bar). Barotraumatic gas embolisms most commonly appear during emergence. Drowning: This is the name for acute suffocation caused by the presence of a fluid, most often water, in the respiratory tract, as a result of which there is an acute shortage of oxygen because it is impossible for air to reach the lungs. Rare cases of drowning during diving occur after the breakage of the glass on the mask or because of incorrect sealing and a poor join with helmet and mask. If the diving is poorly secured, all conditions accompanied by loss of consciousness (oxygen and carbon dioxide toxicity, rapture of the deep) can result in drowning if the regulator is dropped out of the diver’s mouth. Contamination o f th e breath ing medium: A great deal of attention has to be devoted to the quality of breathing medium. Danger of harmful mixtures in diving air increases progressively with depth of the dive, because of the fact that with the rise in the ambient pressure the partial of the gaseous components in the breathing medium rises, and hence the toxic effect of the toxic admixtures. The concentrations of toxic gases that in normal conditions do not endanger the life of the person who inhales them at normal pressure can be very dangerous during diving. Breathing medium contamination can occur for example with the suction of the exhaust gases of an internal combustion engine while tanks are being filled with a compressor, the most dangerous being carbon monoxide, nitrous gases and saturated and nonsaturated hydrocarbons. Physical in juries during diving: Injuries during diving can be of various origins and extents, and are most often inflicted by underwater fishing gear, various objects in the water and on the surface that might be in the way during a sudden diver emergence. They might be ship’s screws, explosions of fuels and lubricants during underwater cutting or welding. To such wounds we should add grazes and various wounds from rocks, corals, shells, sharp edges of the metal of wrecks and divers’ knives. Risk of infection: Infections are directly transmitted during diving – by contact of the diver with contaminated water or indirectly by interpersonal contact or the use of common parts of diving equipment. Infections can be general or localised on the mucous membranes. The waters of harbours, canals and rivers are particularly liable to contamination when untreated or partially treated effluent enters them. General infectious diseases of diverse are enteric typhoid, paratyphoid, dysentery , amoebic meningitis, schistosomiasis, cholera, viral hepatitis
and other sicknesses caused by enteroviruses. As for local and mainly purulent infections there are athletes foot, purulent infection of the ear canal and swimmers itch, and in exotic areas schistosomal dermatitis. Diver hypothermia: The temperature of the surface layers of marine and lacustrine waters oscillates markedly according to season, and the speed and intensity of cooling depends on the temperature of the water, the kind of insulation in the suit, the thickness of subcutaneous fat, the breathing medium, ambient pressure and individual sensitivity to cooling. Shivering and other defensive reactions of the organism to cold reduce the ability to work, as well as bottom time, and increase the hazard of decompression sickness. Diver hyperthermia: Hyperthermia is the consequence of one or more factors like physical activity, diving suits that are too thick, exposure to warmth and insufficient intake of fluids. In normal circumstances the body will cool by sweating, and since the diving suit makes this impossible, the overheated diver can become disturbed and even collapse. 3.
DEFINING THE S AFETY UNDERWATER WELDING
INS TRUCTIONS
NECESS ARY
FO R
General recommendations for protection before and during diving:
1. Check that power sources for welding and all ancillary equipment are earthed. 2. Check that the power source for welding is not short-circuiting, or that there can be no short circuit. 3. Check that all electrical joins are made correctly. 4. Whenever possible stand on a dry wooden surface or some similar insulator. 5. Wear dry rubber gloves whenever handling “live” lines. 6. Keep all switches at the electricity source dry in order to prevent sparking. Recommendations for handling electrode ho lders:
1. Only electrode holders specially constructed for underwater welding can be used. They have to be able to be loaded with the highest currents necessary for underwater wet welding. Use only attested holders. 2. Check that all parts of the holders are covered with insulation. 3. Use non spring-loaded electrode holders whenever possible. 4. Change electrodes only when there is no live circuit 5. Never turn the holder in such a way that the electrode is turned towards the diver. 6. Take especial care that the electrode does not come into contact with metal parts. 7. Be careful that not a single metallic part of the diving equipment comes into contact with the basic material. Recommendations for handling live cab les:
1. All parts of submerged cables must be properly insulated. 2. Check if there is any place on the cables with damaged insulation. If there is, repair at once. 3. Use only attested cables. They have to be able to conduct the maximum current necessary for underwater welding. 4. During the joining of two cables, make use of devices for joining that have at least the capacity of the cables. 5. All joining devices must be well insulated. 6. Check the cables are not tangled. 7. Join and place the cables in such a way that the diver/welder’s body is never between the electrode and the earth in the circuit.
8. Cables that are used under water are not to be used for surface work. 9. Long cables should be placed in the air, above head height, on board ship, whenever possible. If it is not, place them along the deck, protect them suitably and ensure normal passage. Recommendations for handling the safety switch:
1. Have the electricity off except when underwater operations are being carried out. 2. Keep switches off except when underwater operations are being performed. 3. Place the safety switch on the welding cable as part of the electric circuit. 4. Don’t use the switch in flammable atmospheres and use only attested switches. Recommendations for cho ice o f diving suits and other gear:
1. Take care that the body does not come into contact with live additional material unless the safety switch is on. 2. It should be completely isolated from all live circuits. 3. Take care that the diving suit is in good condition and undamaged. There must be no holes or faults in the diving suit that might affect the insulating characteristics. 4. M andatory wearing of undamaged rubber gloves. 5. Obligatory use of welding helmets. They must have appropriate protective welding glass. With all these recommendations it is very important that during the whole of his time underwater the diver/welder can be in two-way contact with the support team on the surface. The support team has to be informed of all events under the water and give the diver practical advice. Every diver/welder must be very well familiarised with the safety recommendations, and at each place where works are being carried out there has to be a safety at work manual. If after performing his work a diver/welder has to be subjected to decompression, the decompression chamber must be under surveillance the whole of the time. One of the reasons is the possible presence of harmful explosive gases such as argon, carbon dioxide (used during welding), helium (from the breathing mixture), nitrogen (used for equalising pressure in the chamber), oxygen and hydrogen. Recommendations when d iving with gas mixtures:
1. While planning a dive it is necessary to now the depth of the dive, the composition of the mixture of the breathing gas, the necessary total quantity of diving gas, to define and calculate the decompression profile. Fig. 1. shows an example of a calculated decompression profile and Fig. 2. a depiction of the saturation of individual parts of the body with breathing gas before the start of the ascent. 2. Using an authorised supplier for filling the appropriate mixes of gases, analysis of mixture before the dive, and proper labelling of tanks according to kind of gas mix 4. All divers have to know procedure for changing mixes during the dive 5. All divers have to be trained how to behave if during a dive there is a toxic gas effect, decompression sickness and so on, as well as stress.
Figure 1:
50 m, 60 minutes bottom time, mixture on the bottom and during the dive: Tx 23/34 (23% O 2, 34% He, 43% N 2), decompression mix: EAN50, O 2
Figure 2:
Depiction of saturation of ind ividual parts of the organism with breathing gas before the start of ascen t: 70 m, 60 minutes bottom time; mixture on the bo ttom and during the dive: optimal Tx 17 /50 (17% O 2, 50% He, 33% N 2)
4.
CONCLUS ION
The paper treats of safety problems that occur in underwater welding. The hazards that arise from the very technology of underwater welding itself and the dangers that occur during diving are presented. Also, recommendations are made that should be respected before and during the time that underwater operations (welding) are being carried out. During the planning of underwater works, first of all attention must be paid to the health of the diver, that is, his physical and mental state. If the diver is totally ready to carry out the job, before the dive all the equipment that is used for diving has to be checking, the length of the stay underwater planned, and according to the depth, the gas mixture for breathing carefully chosen. Check of the good working order of the equipment used for welding is also obligatory. Attention should be paid to the possibility of explosion, the good condition of the electric cables, and the use of only direct current. As well as to these hazards, especial attention has to be paid to the dangers that are possible during diving. Underwater welding is a particularly complex and dangerous job. Because of this complexity and the hazard involved, special measures and procedures for achieving safety and protection of the diver/welder have to be respected. For as safe as possible a performance of underwater works, a well trained team has to be chosen for safe diving, in which every member will be assigned a role, and the execution of the tasks has to be planned very carefully. Apart from the dive coordinator, there also has to be a protection at work expert present, who according to the complexity of the execution of the underwater operations will draw up safety instructions, will supervise their implementation and check out the use of personal protective equipment. LITERATURE 1. Gošovi , S.: Ronjenje u sigurnosti. –Zagreb:JUM ENA,1990. 2. Govor inovi , G.: Osposobljavanje zavariva a za podvodno mokro zavarivanje. Diplomski rad. – Zagreb: F SB, 2000. 3. Haux, G.: Ronjenje i ronila ka tehnika. – Zagreb: SPEKTAR, 1982 4. Jackson, J.: Autonomno ronjenje.- Zagreb:ZNANJE, 2002 5. Kralj, S., Kožuh,Z., Garaši , I.: Stanje i trendovi razvoja podvodnog zavarivanja i nerazornih ispitivanja. – Zavarivanje, 48,2005, 5/6, 153-165 6. Kralj, S., Kožuh, Z., Garaši , I.: Podvodno mokro zavarivanje i podvodno ispitivanje u održavanju pomorskih objekata, SORTA, 2004 7. Kralj, S., M arku i , D., Kožuh, Z.: M odern technologies for maintenance of underwater structures. –Gliwice: BIULETYN ISG, 49, 2005, 5, 45-49 8. Krni , N.: Istraživanje toplinskih u inaka pri mokrom podvodnom zavarivanju. Doktorska disertacija. - Zagreb:FSB,1999 9. Križani , M .: Podvodno mokro zavarivanje aluminijskih legura. – Zagreb:FSB, 2002 10. Ostoi ,I., Kožuh, Z.:Primjena plinskih mješavina u ronila kim radovima, Zavarivanje u pomorstvu, Hvar, 2004, str. 533-540 11. Palmer, W.: Effects of Welding on Health/VII – M iami, Florida: American Welding Society, 1989
Sekundarna nosilna struktura v varjenih nosilcih Janez Kramar, Metod uk, Boris Jerman Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevku je prikazan pomen sekundarne nosilne strukture pri nosilcih s tankostenimi varjenimi prerezi ve jih izmer. Sekundarna struktura je sestavljena iz vzdolžnih in pre nih okrepitev, privarjenih na osnovno strukturo. Te okrepitve zagotavljajo, da prerez ohranja svojo prvotno obliko in da ne pride do lokalne izbo itve sten nosilca. Prikazana je deformirana oblika prereza za primer, ko nosilec nima sekundarne strukture in za primer, ko ima samo vzdolžne okrepitve. Iz rezultatov je razvidno, da vzdolžne okrepitve ne pripomorejo k ohranjanju oblike temve so za to potrebn e pre n e okrepitve. Vzdolžne okrepitve so, z druge strani, zelo pomembne za prepre evanje lokalnega izbo enja tankostenih stranic. Dovolj mo ne vzdolžne okrepitve namre zožijo opazovano plo evinsko polje, s imer se pove a njegova odpornost proti lokalnemu izbo enju. Prikazani so primeri po vseh štirih robovih lenkasto podprtih pravokotnih plo evinskih polj ter primeri, kjer so lenkasto podprti trije robovi, etrti pa je prost. Izpeljano je dopustno razmerje širine p lo evinskega polja proti debelin i plo evine v polju. Iz tega razmerja se da dolo iti najve jo dopustno širino plo evinskega polja, kar predstavlja hkrati tudi optimalno razdaljo med vzdolžnimi okrepitvami.
1.
UVOD
Za ravninske in prostorske varjene nosilne konstrukcije se najve uporabljajo nosilci prizmati ne oblike kot so: odprti varjeni nosilci I in U pre nega prereza ter zaprti varjeni nosilci pravokotnega ali trapeznega pre nega prereza. Omenjeni prizmati ni nosilci so pri ve jih pre nih merah zvarjeni iz plo evin, ki predstavljajo primarno nosilno strukturo. S tanjšanjem teh plo evin in pove evanjem pre nih mer prereza dobimo bolj toge in lažje strukture pod pogojem, da pri tem ne ogrozimo stabilnosti oblike pre nega prereza in lokalne izbo itvene stabilnosti posameznih sestavin. 2.
S EKUNDARN A NOS ILNA S TRUKTURA
Za stabilizacijo oblike pre nega prereza se pri dovolj velikih pre nih merah uporabijo pre ne stene in druge pre ne okrepitve. Žal za ta, sicer odli en na in krepitve stabilnosti oblike, še ni dobrih teoretskih osnov. Te okrepitve se nameš ajo predvsem izkustveno in na mestih, kjer je še kakšna druga potreba po takih okrepitvah. Za lokalno stabilizacijo posameznih osnovnih sestavin prizmati nih nosilcev se uporabljajo predvsem vzdolžne okrepitve, ki se privarijo na omenjene osnovne plo evine. Za tovrstno krepitev lokalne stabilnosti plo evin so na voljo že zelo dodelani napotki. Osnovno nosilno strukturo konkretnega nosilca s slike 1 sestavljata dve stojini (debeline 20 mm) in dve pasnici (debeline 25 mm). Sekundarno nosilno strukturo sestavljajo vzdolžni plo evinski trakovi (presek je po rnjen) in obrobljeni pre no nameš eni okvirji. Vsaka od
stojin ima po štiri vzdolžne plo evinske okrepitve višine 220 mm in debeline 20 mm. Tla na pasnica (gornja) ima znotraj škatle dve vzdolžni plo evinski okrepitvi višine 300 mm in debeline 25 mm. Tretja poševna vzdolžna okrepitev podpira rob prevesnega dela pasnice, da jo stabilizira v primeru vodoravnih obremenitev glave tirnice. Natezna pasnica (spodnja) nima vzdolžnih okrepitev. Pre ni okvir je s svojo stojino uvarjen med vzdolžnimi notranjimi okrepitvami in privarjen na osnovno nosilno strukturo in na vzdolžne okrepitve z obojestranskim kotnim varom debeline 8 mm. Višina te stojine se povsod ujema z višino vzdolžnih okrepitev. Stojina pre nega okvirja je nato znotraj obrobljena s pasni no plo evino debeline 15 mm in širine 200 mm. Pre ni okvirji so pri tej višini nosilca (3200 mm) nameš eni na vsake 2 do 2,5 m vzdolž osi nosilca. Tako oblikovani okvirji so dovolj togi in nudijo prost prehod širine 890 mm in višine 2520 mm.
Slika 1:
Primer varjenega škatlastega nosilca pri mostnem žerjavu velike razpetine in nosilnosti
e bi projektant ne predvidel pre nih okrepitev v tako visokem in za to višino zelo tenkostenem nosilcu, bi vertikalne obremenitve povzro ile nestabilnost oblike, ki je za podoben primer prikazana na sliki 2. Pri tej vrsti nestabilnosti ne koristijo niti vzdolžne okrepitve (slika 3). e ima pre ni prerez nestabilnost oblike, tudi niso uporabni obrazci za izra un vztrajnostnih in odpornostnih momentov.
Slika 2:
Primer oblikovne nestabilnosti pre n ega prereza neokrepljenega nosilca
Slika 3:
Oblikovna nestabilnost vzdolžno okrepljenega pre nega prereza nosilca
Sistem pre nih in vzdolžnih okrepitev v škatlastih nosilcih razdeli osnovno nosilno strukturo na vrsto pravokotnih plo evinskih polj, ki so s sosednjimi sestavinami (osnovnimi ali okrepitvenimi) na štirih robovih pre no podprta. M noga od teh polj so obremenjena s tla no in (ali) strižno napetostjo. Tla na in strižna napetost pa sta lahko povzro itelja lokalne izbo ivene nestabilnosti (glej sliki 4 in 5). b a
Slika 4:
Izbo itev plo evinskega polja pri konstantnem vzdolžnem tlaku (a = 3 b)
y x
Slika 5:
w
Izbo itev plo evinskega polja pri konstantni strižni obremenitvi (a = b)
V primeru, da je potrebno pre no in (ali) vzdolžno okrepiti nosilec z odprtim pre nim prerezom, dobimo tudi plo evinska polja, kjer so pre no podprti le trije robovi in je en vzdolžni rob prost. Na sliki 6 je prikazan primer izbo itvene oblike le vzdolž treh robov pre no podprte pravokotne ploš e.
y
w x
Slika 6:
Izbo itev pravokotne ploš e z enim prostim vzdolžnim robom τ xy
σ 1x
σ 1x
x
τx y
τ xy
b
y σ2x
τ xy
σ2x
a
Slika 7:
Splošna linearizirana pravokotnega polja
normalna
obremenitev
ter
strižna
obremenitev
Na sliki 7 sta prikazani splošna linearizirana normalna vzdolžna napetost (σ x ) ter konstantna strižna napetost (τ xy ). Vzdolžna obremenitev se spreminja linearno od ve je tla ne (σ 1 x ) do
manjše tla ne ali celo natezne obremenitve (σ 2 x ) . Vrisani sta vzdolžna (x) in pre na (y) os. Ozna eni sta še dolžini obeh stranic a in b, ki sta vedno orientirani vzporedno z x oziroma y osjo, Debelina plo evine je enaka t . V nadaljevanju bo prikazan izsek teoreti nih osnov za izbor primerne normalizirane širine plo evinskega polja, ki jo izrazimo z razmerjem širine in debeline tega polja (b/t). 3.
KRITI NA IZBO ITVEN A NAPETOS T
Velikost najve je tla ne (strižne) napetosti, pri kateri se nenadoma pojavi izbo itvena slika v pravokotnih plo evinskih poljih (glej slike 4, 5 in 6), je možno izra unati z rešitvijo ustrezne diferencialne ena be po Eulerjevih predpostavkah: material plo evine je idealno elasti en z neskon no mejo plasti nosti, plo evina je idealno ravna. Dobljen rezultat imenujemo kriti na izbo itvena napetost. V literaturi so take napetosti dobljive v eksaktni in v asimptotski vrednosti, lo eno za tla no in za strižno obremenitev. Odnos med eksaktno in asimptotsko kriti no napetostjo je vedno:
σ kr , eks ≥ σ kr , a simp t
in
τ kr , eks ≥ τ kr , a simp t
V tem prispevku so prikazane asimptotske vrednosti, za katere so obrazci enostavnejši in so za uporabo na varni strani. Omejili se bomo na podolgovata plo evinska polja (a>b) in na linearno porazdeljene normalne napetosti po sliki 7:
α ≥ 1 α =
3.1
a b
− 1,0 ≤ ψ x ≤ 1,0
in
ψx =
σ 2x σ 1x
Kriti na asimptotska izbo itvena napetost za idealno elasti no in ravno plo evino v tlaku (Vsi štirje robovi so pre no lenkasto podprti)
σ kr , a simp t
kσ =
in
π2⋅E t = kσ ⋅ ⋅ 2 12 ⋅ (1 − µ ) b
2
pri emer so:
8 ,2 1,05 + ψ x
kσ = 7,81 − 6,29 ⋅ ψ x + 9,78 ⋅ ψ x2 E ………….. elasti ni modul
µ …………. Poissonovo število
za
0,0 ≤ ψ x ≤ 1,0
za
− 1,0 ≤ ψ x ≤ 0,0
3.2
Kriti na asimptotska izbo itvena napetost za idealno elasti no in ravno plo evino v tlaku (En vzdolžni rob prost, ostali trije robovi pre no lenkasto podprti)
Za primer treh lenkasto podprtih in enega prostega robu je postopek enak, le da je koeficient kσ bistveno manjši in s tem kriti na izbo itvena napetost pri isti širini plo evine mnogo manjša. kσ = 0,57 − 0,21⋅ψ x + 0,07 ⋅ψ x2
za − 1,0 ≤ ψ x ≤ 1,0
Zadnji obrazec velja za obi ajni (neugodnejši) primer, ko nastopa ve ja tla na napetost vzdolž prostega roba plo evine. 3.3
Kriti na asimptotska izbo itvena napetost za idealno elasti no in ravno plo evino v strigu (Vsi štirje robovi so pre no lenkasto podprti)
τ kr , a simp t
kτ ,
xy
4.
π2⋅E t = kτ ⋅ ⋅ 2 12 ⋅ (1 − µ ) b
= 5,34 +
4
α
2
2
........ velja za α =
a b
≥ 1
MEJN A IZBO ITVENA NAPETOS T ZA REALNO ELAS TO-PLAS TI NO PLO EVINO
Dandanes kriti na izbo itvena napetost ni neposredno uporabna za dokazovanje varnosti proti izbo itvi. Upoštevati je potrebno še mejo plasti nosti materiala plo evinskega polja in neko dogovorjeno za etno neravnost plo evine f . f ≤ min
a
250
;
b
250
Da bi dognali realen zmanjševalni faktor nosilnosti Κ p za tlak in strig, je bilo potrebno opraviti ve tiso preskusov razli nih debelin plo evine, razli nih oblik in razli nih vrst konstrukcijskih jekel. Vodilna nit teh preskusov je bila normalizirana vitkost pravokotne ploš e λ p za tlak in λ p , τ za strig:
λp =
R pl
σ kr
oziroma
λp , τ =
R pl
τ kr ⋅ 3
4.1
Mejna izbo itvena nosilnost (odpornost) v tlaku je sedaj
σ u = Κ p (λ p )⋅ R p l M ejno izbo itveno nosilnost (odpornost) plo evinskega polja potrebujemo pri dimenzioniranju tla no obremenjenih tenkostenih elementov na isti na in kot potrebujemo mejo plasti nosti pri dimenzioniranju nateznih elementov. V zadnjem obrazcu je Κ p (λ p ) brezdimenzijski zmanjševalni faktor tla ne nosilnosti, ki izraža stopnjo zmanjšanja nosilnosti tla no obremenjene plo evine zaradi nevarnosti izbo itvene nestabilnosti. Odvisnost zmanjševalnega faktorja tla ne nosilnosti Κ p od normalizirane vitkosti: pri 0,0 ≤ λ p ≤ 0,673
Κ p = 1,0 Κp =
λ p − 0,22 λ p2
(0,673 je mejna normalizirana vitkost)
pri λ p ≥ 0,673
Potek je pokazan tudi z grafom na Sliki 8. Tu se lepo vidi to ka, kjer pri ne vrednost zmanjševalnega faktorja padati (ozna uje jo rtkana pokon na rta skozi mejno normalizirano vitkost).
Kp 1,0
0
0
1
λp
Slika 8: Diagram zmanjševalnega faktorja tla ne nosilnosti Κ p (λ p ) Mejne vitkosti pravokotnih plo evinskih polj: Tla no obremenjeno plo evinsko polje je polno izkoristljivo (ima polno nosilnost), e je njegova normalizirana vitkost λ p enaka ali manjša od mejne normalizirane vitkosti (0,673).
λp =
R pl
σ kr
≤ λ p , mejn i
e v zadnjo neena bo vstavimo izraz za kriti no izbo itveno napetost in jo razrešimo po razmerju b/t, dobimo normalizirano širino: b t
≤ λ p , mejn i ⋅
kσ ⋅π 2 ⋅ E
(
)
12 ⋅ 1 − µ 2 ⋅ R p l
Normalizirana širina (razmerje širine proti debelini) plo evinskega polja je klju ni parameter pri zasnovi tla no obremenjenih tenkostenih varjenih nosilnih elementov.
Posebni primeri pri pravokotnih plo evinskih poljih iz jekla: a) Z vzdolžnim tlakom obremenjena in na vseh štirih robovih pre no na srednjo ravnino lenkasto podprta pravokotna ploš a ( α ≥ 1 ): Konstantna tla na napetost (σ 2 x = σ 1x ) : b t ≤ 37,88 ⋅ ε Trikotno porazdeljena tla na napetost (σ 2 x = 0.) : b t ≤ 52,94 ⋅ ε ista upogibna (tla no-natezna) napetost (σ 2 x = − σ 1x ) : b t ≤ 92,60 ⋅ ε b) Z vzdolžnim tlakom obremenjena ploš a. En vzdolžni rob prost, ostali trije robovi pravokotne ploš e pre no na srednjo ravnino lenkasto podprti Konstantna tla na napetost: b t ≤ 12,42 ⋅ ε Faktor v gornjih obrazcih predstavlja vpliv meje plasti nosti gradiva. Pri jeklu z mejo plasti nosti 235 MPa ima ta faktor vrednost 1,0. Pri uporabi jekel z višjo mejo plasti nosti je vrednost tega faktorja manjša kot 1,0:
ε =
235 R pl
Mejna izbo itvena nosilnost v strigu:
τ u = Κ p ,τ (λ p , τ )⋅
R pl
3
Pri tem je Κ p , τ (λ p , τ ) brezdimenzijski zmanjševalni faktor strižne nosilnosti, ki izraža stopnjo zmanjšanja nosilnosti strižno obremenjene plo evine zaradi nevarnosti izbo itvene nestabilnosti. Brezdimenzijski zmanjševalni faktor strižne nosilnosti: Κ p , τ = 1,0 pri 0,0 ≤ λ p , τ ≤ 0,673 (0,673 je vrednost mejne normalizirane vitkosti) Κ p, τ =
4.2
λ p , τ − 0, 22 λ p2 , τ
pri λ p , τ ≥ 0,673
Mejna strižna vitkost pravokotnih plo evinskih polj
Strižno obremenjeno plo evinsko polje je polno izkoristljivo (ima polno nosilnost), e je njegova normalizirana vitkost λ p , τ enaka ali manjša od mejne normalizirane vitkosti (0,673).
λp , τ =
R pl
τ kr ⋅ 3
≤ λ p , τ , mejn i
e v zadnjo neena bo vstavimo izraz za kriti no strižno izbo itveno napetost in jo razrešimo po razmerju b/t, dobimo:
b t
≤ λ p , τ , mejn i ⋅
kτ ⋅π 2 ⋅ E ⋅ 3
12 ⋅ (1 − µ 2 )⋅ R p l
Razmerje širine proti debelini plo evinskega polja je klju ni parameter pri zasnovi tenkostenih varjenih nosilnih elementov. Posebna primera pri pravokotnih plo evinskih poljih iz jekla S strigom obremenjena in na vseh štirih robovih pre no na srednjo ravnino lenkasto podprta zelo dolga pravokotna ploš a (a >> b): b t ≤ 57,61⋅ ε S strigom obremenjena in na vseh štirih robovih pre no na srednjo ravnino lenkasto podprta kvadratna ploš a (a = b): b t ≤ 76,19 ⋅ ε 5.
ZAKLJU EK
Da v varjenih tenkostenih nosilcih ne more priti do nestabilnosti, ki so prikazane na Slikah 2 do 6, potrebujemo sekundarno nosilno strukturo v obliki vzdolžnih in pre nih okrepitev. Te okrepitve je potrebno na osnovno nosilno strukturo korektno privariti. Zaradi dinami nih obremenitev in, kadar obratuje konstrukcija v agresivnem okolju, je prav uporabiti neprekinjene kotne zvare manjše debeline z obeh strani okrepitvenega elementa. Le pri priklju evanju okrepitev, ki po priklju itvi tvorijo z osnovno plo evino zaprto obliko, za vsak priklju en rob okrepitve zadostuje po en zvar. e pa uporabimo prekinjene kotne zvare, pa nezvarjenost ne sme biti predolga, da ne bi prišlo do izbo itve osnovne plo evine na mestih nespojenosti. Dovoljena dolžina nespojenosti je samo 12 debelin osnovne plo evine. Ker so vzdolžne okrepitve bistveno bolj obremenjene kot pre ne, imajo vzdolžne okrepitve prednost pred pre nimi, zaradi esar pre ne okrepitve primerno izrežemo, da te ejo vzdolžne okrepitve skozi pre ne brez prekinitve. e je potrebno vzdolžno okrepitev podaljšati, se obvezno uporabi so elni zvar s polno prevaritvijo. Vzdolžne okrepitve Sodobni predpisi po vsem svetu, ki urejajo dimenzioniranje nosilnih elementov, so vsebolj naravnani na predpisovanje najve jih dopustnih razmerij b/t. Pri tem je širina b razdalja med dvema sosednjima vzdolžnima okrepitvenima elementoma oziroma razdalja vzdolžnega okrepitvenega elementa od robne osnovne plo evine, ki podpira opazovano plo evinsko polje. Z nadaljno zaostritvijo in gradacijo podanih mejnih razmerij b/t so pre ni preseki nosilnih elementov kategorizirani v štiri razrede kompaktnosti. Nosilne elemente, ki imajo pre ne preseke v prvih dveh razredih kompaktnosti, je možno obravnavati tudi v elastoplasti nem podro ju. V primerih, ko trdnostno ni mogo e izkoristiti nosilnih elementov (odlo ilen je naprimer deformacijski kriterij dimenzioniranja), pa je umestno razmerje b/t tudi pove ati na mejo, ki jo dolo a znižana tla na ali strižna napetost v elementu. Povzetek razlogov za vzdolžne okrepitve: • pove anje izbo itvene stabilnosti sestavin osnovne nosilne strukture; • pove anje lokalne upogibne nosilnosti sestavin osnovne strukture za prevzem pre nih ploskovnih, linijskih in to kovnih obremenitev; • ravnanje neravnih plo evin osnovne nosilne strukture; • dvig lastnih frekvenc plo evin osnovne nosilne strukture;
Pre ne okrepitve Ve ji tankosteni (tankostenost je relativen pojem) profilirani ali votli varjeni prerezi potrebujejo tudi pre ne okrepitve. Pre ne okrepitve najprej stabilizirajo obliko prereza. Zagotavljajo naprimer pravokotnost škatle,. ki bi se brez vsaj nekaj pre nih okrepitev pod vplivom pre nih motenj spreminjala v romboidu podoben lik. Druga funkcija pre nih okrepitev je opora vzdolžnim okrepitvam. Oblikovno lahko pre na okrepitev popolnoma zapre notranjost votlega nosilnega elementa (diafragma), lahko ima v osrednjem podro ju izrez za prehod varilca, lahko je oblikovana kot okvirna konstrukcija, ki je praviloma nekaj višja kot so vzdolžne okrepitve. Povzetek razlogov za pre ne okrepitve: • dvig stabilnosti oblike pre nega preseka osnovne nosilne strukture; • opiranje vzdolžnih okrepitev; • pove anje lokalne upogibne nosilnosti plo evin osnovne strukture za prevzem pre nih ploskovnih, linijskih in to kovnih obremenitev; • dvig lastnih frekvenc plo evin osnovne nosilne strukture; LITERATURA 1. SIST EN 1993-1-1:2005 - Evrokod 3: Projektiranje jeklenih konstrukcij – 1-1. del: Splošna pravila in pravila za stavbe - Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings; 2. SIST EN 1993-1-5:2007 - Evrokod 3: Projektiranje jeklenih konstrukcij - 1-5. del: Elementi plo evinaste konstrukcije - Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-5: Plated structural elements; 3. Robert Englekirk. Steel Structures, Controlling Behavior Trough Design. John Willey & Sons, INC. New York 1994.
Zvarni spoji v jeklenih gradbenih konstrukcijah Igor Križman, Martin Strašek ARMAT Šentjanž d.o.o., Ko evarjev a 2, 8000 Novo mesto
Povzetek Zaradi vse težjih razmer na trgu smo primorani iskati pocenitve jeklenih konstrukcij. Ena od možnosti je tudi uporaba standardnih do lžin europrofilov za izdelavo elementov nosilnih jeklenih konstrukcij. V prispevku prikazujemo ekonomsko upravi enost posameznih variant spajanja le teh. Ugotavljamo, da bi lahko s primerno geometrijo zvarnega spoja zadostili zahtevam nosilnosti, dosegli najve je prihranke ter s tem pove ali konkuren nost.
1.
UVOD
V svetu, predvsem v Severni Ameriki in Aziji, najve jeklenih konstrukcij uporabijo pri gradnji mostov in visokih gradnjah. V Evropi nimamo takšne tradicije. Najve jeklenih konstrukcij za visoke zgradbe uporabljajo v Avstriji, Slovenija pa je povsem na repu, saj je delež uporabe jeklenih konstrukcij zanemarljiv. Prav tako je zanemarljiv delež jeklenih konstrukcij v mostogradnji. najve ji obseg gradenj v jeklu v Sloveniji dosegamo pri enoetažnih proizvodnih in poslovnih objektih (proizvodne hale, skladiš a, trgovske centre ali parkirne hiše). Razlogov, zakaj obseg jeklenih konstrukcij pri nas ni ve ji, je ve . Deloma je to posledica tradicije gradnje v Evropi, deloma so odgovorni vplivni gradbeni lobiji, cene jekla na svetovnem trgu, pa tudi želje investitorjev in nezainteresiranost projektantov zgradb. Gradnja z jeklenimi konstrukcijami se od svojih za etkov ni bistveno spreminjala. Še najve sprememb so pri nas v zadnjem asu prinesli novi standardi (Eurocode) ter spremenjeni na ini protikorozijske zaš ite. Barvanje se namre vse ve krat nadomeš a z vro im cinkanjem, ki zagotavlja daljšo in boljšo zaš ito. Za montažne spajanje pri jeklenih konstrukcijah s v ve ini primerov uporablja vija ne spoje, varjenje na gradbiš ih se uporablja v manjši meri, predvsem za pritrjevanje sekundarne konstrukcije. Obi ajno je, da se vsi postopki varjenja posameznih nosilcev izvedejo v kontroliranih pogojih proizvodnje, kjer je mogo e procese varjenja voditi in kontrolirati v vseh fazah. Prednosti jeklenih konstrukcij so predvsem: estetika konstrukcij, možnost spreminjanja že zgrajenih konstrukcij, dobro razmerje med težo in nosilnostjo, dobra potresna varnost ter v možnosti reciklaže. Odpadno jeklo se namre lahko v celoti vnovi uporabi in je tako pomembna surovina, ki bistveno znižuje porabo energije in s tem stroškov pri proizvodnji novega jekla. Kriza v gradbeništvu ima na uporabo jeklenih konstrukcij negativni vpliv, kar se odraža v zmanjšanju povpraševanja, ter posledi no v pove anju konkurence. Zato smo primorani iskati konstrukcijske rešitve, ki vodijo k nenehnim pocenitvam pri proizvodnji jeklenih konstrukcij.
2.
OPIS PROBLEMA
M ožnosti pocenitve jeklenih konstrukcij izhajajo tako iz zasnove, optimizacij pri stati nem izra unu, kakor tudi iz tehnoloških rešitev. Eno od težav s katero se že nekaj asa ukvarjamo je optimalna poraba standardnih dolžin jeklenih europrofilov, ki so na trgu najcenejši. Namre naši objekti se ne ponavljajo, vsak je razli nih dimenzij in oblik. Tako ne moremo govoriti o serijski proizvodnji standardnih elementov. Kot primer bi navedli izdelavo stebrov nosilne jeklene konstrukcije proizvodne hale nestandardne višine 7m. Za izdelavo stebrov kupujemo europrofile, ki so že pri dobavitelju razrezani na želeno dolžino, kar nam predstavlja dodatni strošek, ki ga dobavitelj zara una zaradi odpada in dodatnega razreza standardnih profilov dolžine 12 m. V želji po zmanjšanju teh stroškov razmišljamo o možnosti uporabe europrofilov standardnih dolžin, katere bi sami razrezali in s pomo jo varjenih in vija nih spojev uporabili z najmanjšim možnih odpadom. M ožnosti spojev pri podaljševanju europrofilov: a) Spajanje profilov z vija nimi spoji (Slika 1), b) Spajanje profilov s kotnim varom in dodatno vmesno ploš o (Slika 2), c) Spajanje profilov s so elnim varom in kontrolo zvarov (Slika 3), d) Spajanje profilov s so elnim varom in zamaknjenim spojem pasnic (Slika 4).
Slika 1
Slika 2
Slika 3
Slika 4
3.
EKONOMS KA OCENA IZD ELAVE JEKLENEGA ELEMENTA NES TADARDNE DOLŽIN E Kot primer smo vzeli nabavno ceno jeklenega europrofila HEA 400 dolžine 7 m.
3.1
3.2
• • • •
Podatki o nabavnih cenah materialov (cene so informativne) Nabavna cena jek. profila odrezanega na dolžino z upoštevanjem odpada: 0,78 /kg Nabavna cena standardnega profila standardne dolžine 12 m: 0,68 /kg Nabavna cena plo evine: 0,54 /kg Nabavna cena vijakov M 24x100, kv. 10.9, z matico in podložko: 5,4 /kos Izra un cene posameznega jeklenega elementa
a. Element izdelan iz standardnega profila z vija nim spojem:
Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 /kg = 595 Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 /h = 15,0 Priklju ne ploš e dimenzije 430 x 300 x 30 mm, kos: 2; Teža skupaj: 60.8 kg x 0,54 /kg = 32,83 Odrez priklju nih ploš , vrtanje: 0,15 /kg x 60,8 kg= 9,12 Varjenje: 4,0 m x 10 /m= 40,0 Vijaki: 8 kos x 5,4 /kos = 43,2 Vrednost elementa skupaj: 735,15
b. Element izdelan s spajanjem profilov s kotnim varom in dodatno vmesno ploš o:
Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 /kg = 595,0 Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 /h = 15,0 Priklj. ploš a dimenzije 430 x 300 x 30 mm, kos: 1; Teža: 30.4 kg x 0,54 /kg = 16,4
Odrez priklju ne ploš e: 0,15 /kg x 30,4kg= 4,56 Varjenje: 4,0 m x 10 /m= 40,0 Vrednost elementa skupaj: 670,96 c. Element izdelan s spajanje profilov z kontroliranimi zvari S kvalitete
Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 /kg = 595 Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 /h = 15,0 Priprava zvarnih robov in varjenje: 2 m x 15 /m= 30 Kontrola zvara: 40 Vrednost elementa skupaj: 680,0
d. Spajanje profilov z varjenje z izrezanim preklopom
Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 /kg = 595 Strošek razreza profila: 0,8 h x 30 /h = 24,0 Priprava zvarnih robov in varjenje: 2,2 m x 15 /m= 33,0 Vrednost elementa skupaj: 652,0
e. Element odrezan na dolžino: 7m x 125 kg/m x 0,78 /kg = 682,5
4.
ZAKLJU EK
Že enostavna kalkulacija na z goraj navedenem primeru nam pokaže najoptimalnejšo izvedbo spoja. Zagotoviti bi morali le geometrijsko obliko spoja, ki zagotavlja zadostno stati no nosilnost z varjenjem pri katerem dodatna kontrola zvarov ni potrebna. Zagotavljanje nosilnosti bomo poskušali v prihodnje dokazati tudi z ra unsko analizo nosilnosti spoja, ter najprimernejšimi postopki varjenja konstrukcijskih jekel.
Analiza mehanskih lastnosti Al - komponente motornega dvokolesa s stati nim preizkusom Slavko Boži Višja strokovna šola Postojna Fakulteta za pomorstvo in promet Portorož
Povzetek Razvoj in konstrukcija komponent za sestavo motornih dvokoles je ena glavnih proizvajalnih funkcij, s katero si obravnavano namerava podjetje zagotoviti stabilen tržni delež in nadaljn jo rast podjetja. Trendi na svetovnem trgu in v industriji se vse bolj gibljejo v smer uporabe lahkih kovin. V globalnem tržnem okolju prodira na to podro je predvsem uvedba materialov iz aluminija in a luminijevih zlitin predvsem zaradi zmanjšanja teže kon nega izdelka. V prispevku je prikazan postopek 3D razvoja zadnje nihajke motornega dvokolesa in simulacija trdnostnih napetosti ter pomikov po metodi kon nih elementov - FEM. S pravilno izbiro osnovnega materiala in procesom varjenja smo dosegli takšne parametre, ki zagotavljajo ustrezno kvaliteto varjenih mest in mehanske lastnosti celotne konstrukcije.
1.
UVOD
Tehnološka zahtevnost izdelkov pomeni danes za podjetja ve jo konkuren no sposobnost še posebej v industriji motornih dvokoles in avtomobilski industriji. Z novo tehnologijo lahko pove amo konkuren nost podjetja na trgu, kar neposredno pomeni pove anje proizvodnje in porast števila zaposlenih. Glavni cilj prispevka je prikazati postopek preusmeritve že poznane tehnologije varjenja jeklene konstrukcije iz jekla in jeklene plo evine na novo tehnologijo varjenja aluminija in aluminijevih zlitin z vsemi procesnimi koraki, od idejne zasnove do prvega funkcionalnega prototipa. Al in Al-zlitine zahtevajo strogo dolo en in kontroliran postopek dela in vnos energije, saj v druga nem primeru zvari ne dosegajo zahtevanih mehanskih lastnosti. Hitre predhodne preiskave so pokazale, da je z natan no dolo enim izhodnim stanjem materiala, strogo nadzorovanim varjenjem in z natan no dolo enimi postopki po varjenju možno dose i takšno mikrostrukturo zvara, ki daje možnost popolne avtomatizacije varjenja teh jekel in zvare najvišje kakovosti. Izdelava funkcionalnega prototipa omogo a integracijo z vsemi ostalimi sestavnimi deli motornega dvokolesa. V nadaljevanju raziskav je bilo potrebno funkcionalni prototip pripeljati v fazo tehni nega prototipa, ki bo lahko preko eksperimentalnih preizkusov stati nega in dinami nega trajnostnega preizkusa, primeren za serijsko izdelavo v proizvodnih pogojih. Trendi na svetovnem trgu in v industriji se vse bolj gibljejo v smer uporabe lahkih kovin, še posebej aluminijastih zlitin, ki bodo po asi zamenjale sedaj uporabljane jeklene varjene izdelke. V podjetju, ki je velik uporabnik in izdelovalec tovrstnih izdelkov smo se odlo ili, da pospešeno in še pravo asno vlagamo v tehnološki razvoj in s tem krepitev razvojne sposobnosti podjetja. Namen projekta je bilo pove anje tehnološke zahtevnosti izdelkov in s tem konkuren na sposobnost v industriji motornih dvokoles. Izdelek, ki smo ga razvili, je nosilni del – nihajne vilice (nihajke) motornega dvokolesa M C 50 Senior PRO, ki je bil trenutno izdelan iz posameznih elementov iz jekla. V globalnem tržnem okolju prodira na to
podro je uvedba materialov iz aluminija in aluminijevih zlitin predvsem zaradi zmanjšanja teže kon nega izdelka. Prilagajanje konstrukcije nihajke tehnologiji varjenja enake komponente iz aluminija je bila poleg izbire materiala in obdelave vse prej kot lahka naloga projekta. 1.1
Varjenje aluminija in aluminijevih zlitin
Varivost Al in Al zlitin je predvsem odvisna od stopnje ne isto , vsebnosti legirnih elementov in od stanja hladne utrditve do stanja po izlo evalnem strjevanju. Težave pri varjenju Al in Al zlitin je treba iskati v kemi nih in fizikalnih lastnosti Al in njegovih zlitin [1]. Pri taljenju robov se Al oksid ne tali in se useda v korenski del zvara, ter prepre uje spajanje staljenega aluminija. Zato je potrebno površino robov pred varjenjem o istiti. Zaradi dobre toplotne prevodnosti Al, toplota hitro beži od mesta varjenja, zato je ve krat potrebno aluminij pregreti. Dodatne napetosti in deformacije pri varjenju aluminija nastanejo zaradi visokega toplotnega raztezanja v primerjavi z varjenjem jekla. Pravilna priprava robov varjenca je zelo pomembna operacija, od katere v veliki meri zavisi kvaliteta spoja. Za vse na ine varjenja je iš enje nesnage in oksidnega filma izrednega pomena, na kar pri varjenju aluminija in zlitin ne smemo pozabiti, sicer bo zvar zelo porozen. Ne isto e o istimo z organskimi topili (trikloretilen) 100 mm na obe strani. Oksidni film odstranimo mehani no z ostro in gosto ži no š etko ali z namakanjem robov 5 do 10 minut v 15 % raztopini lužnega kamna (NaOH). Po luženju moramo varjence dobro oprati ter posušiti. M IG varjenje je v proizvodnji varjenih aluminijastih konstrukcij najpomembnejši postopek. Ta postopek je primeren za varilska dela ve jega obsega. Za postopek je zna ilen globok uvar [2]. Varimo s pozitivnim polom na elektrodi ali pulzno, e imamo na razpolago ustrezen vir toka. Pulzno varjenje ima prednosti v stabilnosti pri manjših tokovih, zaradi esar varimo uspešneje tanjše materiale. V zvaru se pojavlja pri M IG varjenju nekoliko ve napak, predvsem por, kot pri TIG varjenju. Poleg tega zvarno mesto dosega za približno 15 % manjšo trdnost, kot v primerjavi varjenja s TIG postopkom. 2.
KONS TRUKCIJA IN MEHANS KE LAS TNOS TI NIHAJKE
Nihajna zadnja vilica – nihajka skupaj z glavnim okvirjem motornega dvokolesa predstavlja pomembno nalogo v sestavi, saj mora omogo iti najboljšo stabilnost motornega dvokolesa ter hkrati vzpostaviti dolgotrajen vezni len med osjo krmila in med osjo vpetja nihajne vilice. S svojo konstrukcijo in geometrijo enakomerno razporeja ter prenaša ve je in manjše obremenitve. Poleg tega morajo biti klju ne konstrukcije v ravnovesju z njegovo maso in velikostjo, ki mora biti sorazmerna glede na motocikel in nenazadnje da s svojim dizajnom zadovoljuje potrebe po ustreznem zunanjem videzu motocikla. Poleg teh nalog, tako okvir kot nihajko obremenjujejo še sila upogiba in torzije, vibracije motorja, korozija in še posebno dobro mora prenašati obremenitve zaradi zavitosti cest. M ehanske obremenitve v nihajki so rezultat kolesnega upora, inercije oziroma masno vztrajnostne sile in rezultante vseh delujo ih momentov na motociklu [3]. Pri mo nem zaviranju nastane velika sila trenja v sti ni površini sprednjega kolesa s podlogo. Sile se na zadnji del okvirja prenašajo preko zadnje nihajke, ležaja v vpetju nihajne vilice in preko vzmetenja. Hkrati se pojavi tudi upogibno torzijski moment, vendar vrednosti v primerjavi z momentom v glavi krmila niso zaskrbljujo e. To obremenitev lahko kontroliramo s širino, kjer je vpeta zadnja vilica, in s tem se doseže dobro stabilnost motocikla. Upoštevati je potrebno silo, ki jo povzro a pogonski element – pogonska veriga, pogonski jermen, kardan
ter po potrebi zadnje nihajne vilice okrepiti. Slika 1 prikazuje koncept osnovne sestave motornega dvokolesa.
Slika 1:
Konstrukcija motornega dvokolesa
e se v zadnjih nihajnih vilicah doseže frekvenca resonance, lahko prehod sil povzro i dodatno obremenitev okvirja. Poleg tega je okvir obremenjen še zaradi vibracij pogonskega agregata, zaradi udarcev pogonske verige, ki so lahko posledica nestrokovne montaže. Okvirji in nihajke iz aluminija so po svojih lastnosti zelo krhki, ter zahtevajo dodatne oja itve. V primeru, da obstaja sum okvare je priporo ljiv rent genski pregled komponente, kajti le tako se lahko odkrijejo poškodbe, sicer nevidne za prosto oko. 2.1
Izbira materiala komponent motornega dvokolesa
Izbira materiala nihajke je odvisna od tipa in namena motocikla, od dizajna in marketinških ciljev proizvajalcev. Dolgo asa je prevladovalo železo in njegove zlitine, vendar se v zadnjih letih s tehnološkim razvojem, za eli veliko uporabljati zlitine lahkih kovin. Zelo primerna lahka kovina za izdelavo posebnih profilov in za manj zahtevne odlitke je aluminij – ta ima svoje prednosti in slabosti. Prednosti so majhna teža, primernost za izdelavo delov s tankimi stenami, ki so lahko za oporo ali za estetski videz. Slabosti pa dražja izdelava, sestava, varjenje in popravilo, pa tudi njegova togost in neelasti nost (E = 70000 N/mm2). Zaradi ozkih toleran nih polj je potrebno predhodno testno varjenje, da se ugotovijo zamiki zaradi gretja materiala med varjenjem. Zadnja faza, pred sestavo je površinska zaš ita. V ta namen uporabljajo razli ne metode, kot so eloksidacija površin, nanos lakov in drugih zaš itnih premazov. Za jeklene nihajke je zna ilno, da so cenejše za izdelavo in popravilo, poleg tega je vrednost koeficienta elasti nosti trikrat ve ja, kar jim zagotavlja daljšo življenjsko dobo. Slabosti takšne nihajke pa so sorazmerno visoka teža in neodpornost na rjavenje. Razvoj izdelave takšnih nihajk je naredil v zadnjem obdobju korak naprej, tako da sta oblika in zgradba zelo podobna nihajkam iz lahkih kovin. Pri izdelavi nihajk se pogosto uporabljajo tudi železove zlitine, saj zlitina kroma-molibdena-železa dosega ve jo trdnost in vzdržljivost kot samo železo. Zadnje nihajne vilice skupaj z glavnim okvirjem predstavljajo pomembno nalogo v sestavu, ki mora omogo iti najboljšo stabilnost vozila ter hkrati vzpostaviti dolgotrajen vezni len med osjo krmila in med osjo vpetja nihajne vilice, ki s svojo konstrukcijo in geometrijo enakomerno razporeja ter prenaša ve je in manjše obremenitve. Poleg tega morajo biti klju ne konstrukcije v ravnovesju z njegovo maso in velikostjo, ki mora biti sorazmerna glede na motocikel in nenazadnje da s svojim dizajnom zadovoljuje potrebe po ustreznem zunanjem
izgledu vozila. Poleg teh nalog, tako okvir kot nihajno vilico obremenjujejo še sila upogiba in torzije, vibracije motorja in korozija. Prilagajanje konstrukcije jeklene nihajne vilice, tehnologiji varjenja enake komponente iz aluminija je bila vse prej kot lahka naloga. Na sliki 2 je predstavljena konstrukcija obravnavane nihajne vilice, ki je izdelana iz aluminijevih zlitin. Poleg ekstrudiranih – standardnih profilov, konstrukcija nihajne vilice zajema tudi elemente, izdelane s tehnologijo litja.
Slika 2:
3.
Nihajne vilice – zgornji in stranski pogled varjene konstrukcije [4]
EKS PERIMENTALN I DEL
Obravnavana nihajka je izdelana na osnovi nihajke, ki je izdelana iz jekla za tip motorja TOMOS M C50. Na zadnjo nihajko delujejo razli ne obremenitve katere ne smejo povzro iti plasti ne deformacije komponente. Te sile se morajo iz nihajke prenesti na okvir preko vpenjalne osi in amortizerja. Najve ja sila na zadnjem kolesu nastopi, pri skoku in sicer ob pristanku na zadnje kolo v klanec. Nihajka mora prenesti to obremenitev, pri tem pa ne sme utrpeti plasti nih deformacij. Na sliki 3 so prikazane sile, ki delujejo na zadnjo nihajno vilico. M odel zadnje nihajke je podprt v vpenjalni puši torej tam tam, kjer je nihajka vpeta v okvir motorja. Amortizer je simuliran s togim vpetjem v X-Y osi in drsnikom okoli Z osi. Sila, ki deluje v podpori – amortizerju F P
To ka vpetja nihajke v okvir
Slika 3:
Delovanje sile, ki obremenjuje nihajko; F 1 in F2
Prikaz delujo ih sil na n ihajko [5]
3.1 Napetostno deformacijska analiza aluminijaste zadnje nihajke motocikla Z definiranjem lastnosti materiala in dolo itvijo robnih pogojev komponente smo s pomo jo ra unalniškega programa CATIA V5 R14 izdelali teoreti no simulacijo in analizo
obremenitvenih stanj izdelka ter analizo trdnostnih napetosti ter deformacij, ki so posledica obremenitev. Za obravnavano komponento motocikla so podatki zbrani v Tabeli 1. Tabela 1:
Podatki za obravnavani element.
M aterial M odul elasti nosti E Poissonov koeficient (n) Temperaturna razteznost (T ) Gostota ( ) Natezna trdnost Rm M eja plasti nosti Rp0,2 Trdota HB
Aluminij AlM gSi1 70000 Mpa 0,346 2.38 10-5 K-1 2710 kg/m3 245 N/mm2 195 N/mm2 75
Robni pogoji so postavljeni po naslednjih smernicah: • zadnja nihajka je podprta v osi preko drsnega elementa, ki omogo a vrtenja; • os je togo vpeta; • v horizontalni smeri je nihajka omejena tako, da pomik v osni smeri ni mogo . Pri analizi po metodi kon nih elementov smo upoštevali naslednje predpostavke: • linearno obnašanje materiala; • homogene materialne lastnosti; • izotropnost materiala. V sklopu analize sta bili analizirani napetostno deformacijski stanji konstrukcije za dva obremenitvena primera in sicer: • prvo obremenitveno stanje: Vertikalna sila F1 = 500 N (Normalna obremenitev na vpetju zadnjega kolesa). Predpostavka: celotna masa vozila je na zadnji osi v skrajni legi, kjer je ro ica najve ja. • drugo obremenitveno stanje: Vertikalna sila F2 = 1600 N (Zahtevana obremenitev, pri kateri se ne smejo pojaviti trajne deformacije). 3.2
Rezultati napetostno deformacijske analize
Pri predpisani sili 500 N, ko je motor brez obremenitve dobimo pri akovane rezultate simulacije. Pomiki in napetosti v sami nihajke so majhne. To je tudi razvidno iz rezultatov FEM analize za prvo obremenitveno stanje po sliki 4.
a Slika 4:
b
a) Primerjava deformirane in nedeformirane niha jke b) Deformirana oblika nihajke z vrednostjo pomikov
Iz FEM analize za drugo obremenitveno stanje je na sliki 5 razvidno, da se pojavijo nekoliko ve je napetosti v dveh to kah. Ta napetost pa je še vedno manjša od dopustne napetosti tega materiala. Za zmanjšanje teh napetosti bi bilo potrebno na teh mestih pove ati debelino stene profila oziroma dodati oja itev.
a Slika 5:
3.3
b
a) Primerjava deformirane in nedeformirane niha jke b) Deformirana oblika nihajke z vrednostjo pomikov
S tati ni preizkus aluminijaste nihajke motocikla
Namen stati nega preizkusa na nihajki motocikla je ugotavljanje funkcionalnih lastnosti in deformacij, ki nastanejo pri obremenjevanju izdelka. Z izvajanjem preizkusov na prototipnih izdelkih smo ugotavljali primerljivost teoreti no dobljenih rezultatov z dejanskimi vrednostmi rezultatov. Stati ni preizkus nihajke motocikla je namenjen tudi ugotavljanju pomikov, trdnosti in obnašanju materiala izdelka. Pri mehanskih preizkusih obremenjujemo material s silami na razli ne na ine in se jih pri tem deformira ali celo poruši. Iz obnašanja materiala med preizkušanjem in iz izmerjenih podatkov smo ugotavljali in vrednotili posamezne lastnosti. Na rezultate preizkusov vplivajo razmere pri preizkušanju, zato so preizkusi poenoteni. Zagotoviti je bilo potrebno vedno enake preizkuševalne razmere, tako da je mogo e dobljene rezultate med seboj ponovno primerjati in jih logi no povezati medsebojno. Iz vzorca materiala, ki se ga preizkuša se ponavadi izdela posebno obdelane preizkušance, katerih oblika je prirejena posameznim vrstam preizkušanja. Vpetje nihajke motornega dvokolesa shemati no prikazuje slika 6 in sicer: • drsno vpetje nihajke na vpenjalni puši (tako de je možno obra anje) • fiksno vpetje nihajke na mestu vpetja amortizerja • minimalna obremenitev F1 = 500 N • maksimalna obremenitev F2 = 1600 N.
Slika 6:
Vpetje nihajke in d elovanja sile na n ihajko
Preizkuševališ e stati nega preizkusa prikazuje slika 7. M erilna veriga preizkuševališ a je sestavljena iz: • Pnevmatski valj Festo 60 -10 • Doza z merilnimi listi i HBM U1VZ 10kN • Ra unalniški sistem DAQ in programsko okolje LabVIEW 7.1 - National Instruments • Senzor pomika – ekstenziometer SCHENCK 70/20N • Induktivna merilna zaznavala – M arh • M osti ni oja evalnik – M arh Tip 1802
Mosti ni oja evalec
Ekstenziometer SCHENCK 70/20N
Doza z merilnimi listi i HBM U1VZ 10kN
b
Pnevmatska valja Festo 60 -
c
a Slika 7:
a) Preizkuševališ e stati nega preizkusa b) Induktivni senzorji pomika uporabljeni pri preizkusu c) Merilna urica za kontrolo pomikov
Vrtljivo vpetje nihajke motocikla je na vpenjalni puši φ 23 mm. Obremenitev je delovala 453 mm stran od osi vrtljivega vpetja, togo vpetje pa je bilo izvedeno na mestu za vpetje amortizerja in je 141 mm od osi vrtljivega vpetja nihajke. Obremenjevanje smo pri eli pri sili 400 N in ga pove evali vse do maksimalne sile, ki je znašala 1600 N na mestu vpetja kolesa. M iza za izvajanje stati nih preizkusov se nahaja na togem betonskem temelju, ki je lo en od
temeljev stavbe, tako da se vibracije ne prenašajo na stavbo in da je vpliv okolice im manjši. Pri vpetju preizkušanca se poskušamo im bolj približati dejanskemu stanju vpetja pri njegovem delovanju. Podatke zajemamo preko digitalne kartice USB 9016 proizvajalca National Instruments. Zajete podatke prikazujemo v diagramu sila/pomik, ki se nam sprotno izrisuje med izvajanjem preizkusa. Stati ni preizkus je bil izveden s pomo jo senzorja sile na prijemališ u amortizerja na nihajno vilico in ekstenziometra, ki meri pomike nihajne vilice na koncu desne nihajne vilice - pri vpetju zadnjega kolesa, kjer so predvidene najve je deformacije. Na sliki 8 ter v tabeli 2 so predstavljeni rezultati meritev stati nega preizkusa nihajke. Sila se pove uje približno po 400 N s pove evanjem tlaka na oba cilindra hkrati z namenom ugotavljanja plasti ne deformacije. 1 0 00100000 9500
Deform acija osi vpetja
Reakcijska sila F1; F2
9 0 9000 00 8500
8 0 8000 00
Deform acija v podpori - amortizerju
7500
7 0 7000 00 6500
6 0 6000 00
Deform acija na prijemališ u sile
5500
5 0 5000 00 4500
4 0 4000 00
Deform acija na koncu nihajke
3500
3 0 3000 00 2500
2 0 2000 00 1500
1 0 1000 00 500 0
-1 -1
- 0, 5
0 0
0, 5
1
1
1, 5
Ded orm.uše sa ni ha jk e
2
2
2 ,5
3
3
3, 5
4
4
4,5
Deform acija
De fo rm.osi vpe tj a
5 5
5, 5
l
6 6
6, 5
Deform. Na kon cu ni h.
7 7
7 ,5
8 mm 8
De fo rm. Ni ha jke
Slika 8:
Deformacija nihajn e vilice ob pove evanju obremenitve na vpetju kolesa
Tabela 2:
Rezultati stati nega preizkusa Sila F (N)
Sila v podpori F (N)
Elasti na deformacija ∆l (mm)
400 500 700 1000 1500 1600 2000 2500 2770
1280 1600 2250 2250 4815 5130 6420 8025 8900
0,75 0,95 1,4 2,1 3,2 3,35 4,2 5 6
Plasti na deformacija ∆l (mm) 0 0 0 0 0 0 0 0 0,3
Nihajna vilica vozila se ob stati ni obrementevi 1600 N na vpetju kolesa, v predvideni to ki najve je deformacije povesi za 3,35 mm. Ob tem se ne pojavi plasti na deformacija. Pri stati nem preizkusu nihajke motocikla ugotovimo, da je nihajka pri obremenitvi 1600 N na mestu vpetja kolesa še vedno v podro ju plasti ne deformacije in je še vedno uporabna. 4.
ZAKLJU EK
Pri analiziranju rezultatov metode kon nih elementov in stati nega preizkusa smo ugotovili, da so za primer aluminijaste nihajke motocikla rezultati medsebojno primerljivi. S prvim obremenitvenim poskusom pri katerem je razvidno s primerjavo prvega obremenitvenega
primera pri sili 500 N je pomik dobljen z FEM analizo 0,94 mm, pri stati nem preizkusu za primer 500 N se v podpori pojavi sila 1605 N in povzro i pomiki med ( 0,9 mm – 1 mm). Za drugi obremenitveni primer 1600 N pa je dobljeni pomik z analizo FEM 3,1 mm, pri stati nem preizkusu pa je izmerjeni pomik (3,25 mm - 3,35 mm) sila v podpori za drugi obremenitveni primer pa je znašala 5136 N. Razlika pri rezultatih pomika je predvsem zaradi ne dovolj togega preizkuševališ a. Doza za merjenje sile je vpeta na mestu vpetja amortizerja z vijakom, prav tako nihajka ni vpeta povsem togo na preizkuševališ e med vpenjalno pušo in vijakom za vpenjanje. Iz FEM analize ugotovimo, da je izdelek trdnostno dovolj mo en, ker so notranje napetosti majhne in znotraj dopustnih meja. To tezo potrdi še stati ni preizkus pri katerem ne pride do plasti ne deformacije preizkušanca znotraj predpisanih obremenitev. LITERATURA 1. M athers G., The Aluminium and its alloys, Woodhead Publishing Limited, Cambridge England, 2002, pp.69-115L. 2. Bergman H.W.: Current Status of Laser Surface M elting of Cast Iron, Surface Engineering, 1,2 (1985) 137-155. 3. Leijun L., Failure Analysis of Aluminium Alloy Swing Arm Welded Joints, Journal of Failure Analysis and Prevention, Volume 4(3), June 2004, pp.52-57 4. Slavko B., Dispozicija projekta: Tehnologija varjenja komponent iz aluminija in aluminijevih zlitin na programu motornih dvokoles, Tomos, 2003. 5. M iha S., Konstrukcija zadnje nihajke motocikla, diplomska naloga, FS, Ljubljana.
Ponašanje zavarenog spoja visokolegiranog elika X20 u uslovima delovanja promenljivog optere enja Zijah Burzi 1, Vencislav Grabulov2, Dženana Ga o3, Meri Burzi
4
1
2
Vojnotehni ki institut, Ratka Resanovi a 1, 11000 Beograd, Srbija Institut za ispitivanje materijala - Institut IMS, Bulevar vojvode Miši a 43, 11000 Beograd, Srbija 3 Tehni ki fakultet, Univerzitet u Biha u, Dr Irfana Ljubijanki a b.b., Biha , Bosna i Hercegovina 4 Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu, Kraljice Marije , 11000 Beograd, Srbija
Rezime: Eksperimentalna istraživanja u ovome radu su obuhvatila uticaj eksploatacionih uslova (vremena eksploatacije i temperature) na karakteristike visokocikli nog zamora osnovnog materijala i zavarenog spoja elika X20 CrMoV 12 1 (u daljem tekstu X20). Uticaj eksploatacionih uslova je analiziran ispitivanjem novog materijala i materijala koji je bio u eksploataciji 116000 sati. Dobijeni rezultati ispitivanja i njihova analiza predstavljaju prakti an doprinos oceni kvaliteta osnovnog materijala i zavarenog spoja elika X20, a sve u cilju revitalizacije i produženja radnog veka vitalnih termoenergetskih postrojenja izra enih od visokolegiranih elika za rad na povišenim temperaturama.
1.
UVOD
Pojedine komponente procesne opreme u termoenergetskim postrojenjima koje rade u uslovima povišenih temperatura predstavljaju kriti na mesta zbog eksploatacionih uslova, budu i da se koriste ve toliko dugo da su pojedine komponente u upotrebi duže od projektovanog radnog veka. Eventualni otkaz na ovim komponentama predstavljao bi opasnost ne samo po ljude i rad postrojenja ve i po sredinu koja ih okružuje [1]. Uobi ajeni eksploatacioni vek procesne opreme u termoenergetskim postrojenjima koje rade u uslovima povišenih temperatura iznosi do 30 godina, odnosno 150000 radnih asova. Ekonomski interesi su uticali na produženje projektovanog perioda, jer je eksploatacioni vek velikog broja komponenti elektrana naj eš e duži od projektovanog što ukazuje na konzervativizam u projektovanju. Zbog toga je porastao zna aj produženja radnog veka i revitalizacije komponenti termoenergetskih postrojenja, kao na ina da se starije elektrane zadrže u pogonu 40-50 godina, pa i duže. Preliminarne studije [2-4] pokazuju da cena revitalizacije tipi nih termoenergetskih postrojenja može biti 20 do 30% cene izgradnje nove termoelektrane. Pra enje i kontrola osobina konstrukcionih materijala visokotemperaturski optere enih delova, izloženih i visokom pritisku u koroziono aktivnim sredinama, predstavlja osnovni pokazatelj pouzdanosti njihovog rada. Najzna ajnija i najobimnija kontrola ija je svrha utvr ivanje stanja metala u drugoj polovini preostalog radnog veka izvodi se po isteku 60% radnog veka komponenti, jer se verovatno a pojave prslina koje mogu da rastu do loma brzo pove ava posle te granice. Stoga je od zna aja procena preostalog veka komponente i preostalog radnog veka postrojenja [1]. Jedan od naj eš e koriš enih elika za rad na povišenim temperaturama i visokim pritiscima, a ujedno i otporan na koroziju je elik oznake X20 CrM oV 12-1 (u daljem tekstu: X20),
prevashodno namenjen za parovode i cevovode u termoelektranama zbog dobre vrsto e i žilavosti, na povišenim temperaturama. Uticaj eksploatacionih uslova (vremena eksploatacije i temperature) na zatezne osobine, kao i na karakteristike visokocikli nog zamora osnovnog materijala (OM ) i zavarenog spoja visokolegiranog elika X20 je analiziran ispitivanjem nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Ispitivanja nove i eksploatisane cevi od elika X20 obuhvatilo je odre ivanje zateznih osobina, kao i trajne zamorne vrsto e i konstruisanje Velerove krive na sobnoj (20° C), radnoj (545° C) i maksimalnoj (570° C) radnoj temperaturi. Dobijeni rezultati ispitivanja i njihova analiza treba da daju prakti an doprinos oceni kvaliteta OM i zavarenog spoja elika X20, a sve u cilju revitalizacije i produženja radnog veka vitalnih termoenergetskih postrojenja izra enih od visokolegiranih elika za radna povišenim temperaturama [5]. 2. 2.1
EKS PERIMENT Materijal
Za analizu uticaja temperature i vremena eksploatacije na zatezne osobine i karakteristike visokocikli nog zamora OM i zavarenog spoja visokolegiranog elika X20 na raspolaganju smo imali uzorak nove zavarene cevi koja nije bila u eksploataciji (Uzorak-N) dimenzija ∅ 450x50mm i dužine caa. 400mm, i uzorak zavarene cevi (Uzorak-S) dimenzija ∅ 450x50mm i dužine oko 500mm, uzorkovane sa parovoda sveže pare termoelektrane, i koji je bio u eksploataciji oko 116000 sati. Hemijski sastav uzoraka nove i eksploatisane cevi ra en je na kvantometru JOEL na posebno pripremljenim plo icama dimenzija 40x40x10 mm. Rezultati odre ivanja hemijskog sastava dostavljenih uzoraka dati su tab. 1. Tabela 1: Šarža Uzorak - N Uzorak - S
2.2
Hemijski sastav ispitanih uzoraka cijevi [5] C 0,21 0,22
Si 0,27 0,31
Mn 0,563 0,539
P 0,017 0.019
% mas. S Cr 0,006 11,70 0,005 11,36
Mo 1,019 1,033
Ni 0,601 0,551
V 0,310 0,314
Dodatni materijal
Ru no elektrolu no zavarivanje (E postupak) obloženim elektrodama je osnovni postupak zavarivanja pri montaži elika X20, s tim što se u ve ini slu ajeva zahteva da se koreni prolaz i dva do tri naredna prolaza izvedu zavarivanjem netopivom elektrodom u zaštiti argona (TIG). Prema DIN 8575 za elik X20 je preporu ena žica CM 2-1G (stara oznaka SG CrM oWV 1-2) pre nika ∅ 3,2 mm i elektroda FOX20M VW (stara oznaka EKb CrM oWV 1226) pre nika ∅ 4 mm. Hemijski sastav koriš ene žice i elektrode je dat u tab. 2, a osnovne mehani ke osobine u tab. 3. Protok zaštitnog gasa argona za TIG zavarivanje treba da bude 8 do 12 l/min (u konkretnom slu aju 10 l/min.), a njegova isto a 99,99% za zavarivanje elika X20. Tabela 2: Dodatni mate rijal
Hemijski sastav dodatnog materijala za zavarivanje [5] % mas. C Si Mn P S Cr Mo
Ni
V
CM2-1G FOX20MVW
Tabela 3:
0,19 0,20
0,69 0,77
0,011 0.014
0,005 0,005
10,43 10,75
0,94 0,88
0,60 0,55
0,27 0,29
Mehani ka svojstva dodatnog materijala [5]
Dodatni materijal CM 2-1G FOX20M VW 2.3
0,35 0,39
Napon te enja, MPa > 510 > 510
Zatezna vrsto a, MPa 580 – 710 560 –630
Izduženje A, % >14 22 - 30
Energija udara, J 20°C 545°C 570°C > 47 > 47 > 47
Tehnologija zavarivanja elika X20
Oblik žljeba za pripremu zavarivanja je izabran u odnosu na pre nik i debljinu zida cevi u skladu sa odgovaraju im standardima. Na sl. 1. data je shema pripreme žljeba, kao i sam redosled izvo enja zavarivanja prema proceduri M ANNESM ANN [6].
Slika 1:
Priprema žljeba i redoslijed izvo enja zavarivanja [6]
Prije privarivanja (pripajanja) cevi su dovedene u saosan položaj, pri emu je vo eno ra una o zazoru u korijenu, koji treba da iznosi 1 do 2,5 mm, u zavisnosti od dimenzija dodatnog materijala, i koji je u konkretnom slu aju iznosio 2 mm. Broj pripoja mora biti takav da obezbe uje ispravan položaj cevi. Kako je u pitanju cev vanjskog pre nika iznad 150 mm i debljine zida iznad 10 mm, pripajanje se vrši pomo u 3 do 4 mosti a, koji se izbruse posle izvo enja korenog prolaza. Izuzetno je važno da se prilikom izvo enja pripoja ne unesu dodatni naponi u zavareni spoj, zbog ega se predvi a oslanjanje krajeva cevi. Temperatura predgrevanja elika X 20 za zavarivanje TIG postupkom (koreni prolaz i nekoliko prvih prolaza, naj eš e do etiri) je 225 do 250° C. Širina zone koja se predgreva treba da bude jednaka trostrukoj debljini zida cevi, ali ne sme da bude manja od 100 mm. Temperatura predgrevanja se mora održavati tokom itavog procesa zavarivanja. Brzina zagrevanja do dostizanja temperature predgrevanja treba da bude umerena, i u konkretnom
slu aju iznosi do 10° C/min. Za cevi vanjskog pre nika iznad 108 mm i debljine zida ve e od 16 mm zahteva se elektrootporno ili elektroindukcijsko zagrevanje, dok se manje cevi mogu zagrevati i plamenom gasa. Kojeni prolaz se po pravilu izvodi TIG postupkom. Da bi se izbeglo stvaranje karbida volframa u zavaru preporu uje se upotreba TIG aparata sa visokofrekventnim ure ajem, što obezbe uje uspostavljanje elektri nog luka izme u volframove elektrode i osnovnog materijala bez dodira. Strujanje zaštitnog gasa mora da bude mirno da ne bi došlo do duvanja luka, a treba da traje nekoliko sekundi posle završenog zavarivanja da bi se istopljeni metal šava ohladio u zaštitnoj atmosferi. Za elike sa sadržajem Cr iznad 1,25% (u koju spada i elik X20) obavezna je zaštita korenog prolaza sa unutrašnje strane (sl. 2).
Slika 2:
Zaštita pri TIG zavarivanju korenog prolaza cevi od elika X20 [5]
Odmah posle završenog nanošenja korenog prolaza i etiri naredna prolaza, pristupilo se popuni žleba E postupkom, sa preporu enom bazi nom obloženom elektrodom, koja se vezuje na "+" pol izvora struje. Ja ina struje se bira iz kataloga proizvo a a elektrode prema tipu i pre niku elektrode. Posebnu pažnju treba posvetiti uspostavljanju i prekidanju luka. Luk treba uspostaviti dodirom elektrode i osnovnog materijala u žlebu. Po etak narednog sloja treba da bude bar za 20 do 30 mm preklopljen na završenom prethodnom sloju. Za zavarivanje cevi pre nika iznad 219 mm preporu uje s e rad dva zavariva a (sl. 1.). Svaki zavar mora biti ozna en žigom zavariva a. Termi ka obrada radi otklanjanja zaostalih napona je ura ena pod stru nim nadzorom tehnologa za zavarivanje, neposredno nakon završenog zavarivanja. Na elno, termi ka obrada za elik X20 se obavlja na 720 - 780° C, sa brzinom zagrevanja do 220° C/h i brzinom hla enja do 150° C/h. Vreme zadržavanja na temperaturi termi ke obrade je 5 min/1 mm debljine zida, a najmanje 2 asa. Širina zone termi ke obrade je najmanje jednaka trostrukoj debljini zida cevi, ali nikako ispod 100 mm. Hla enje se izvodi propisanom brzinom do temperature 300° C, a zatim se zavareni spoj hladi na mirnom vazduhu. Zavareni spoj elika X20 se posle zavarivanja mora držati jedan as na temperaturi 120 - 150° C 2.3
Ispitivanja
Uticaj temperature i vremena eksploatacije na ponašanje OM i zavarenog spoja elika X20 u uslovima delovanja stati kog i promenljivog optere enja je ra eno na epruvetama izva enim iz uzorka nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Ova ispitivanja su ra ena sa ciljem da se odrede zatezne osobine, kao i ta ke u S-N dijagramu (konstruisanja Velerove krive) i da se odredi trajna dinami ka vrsto a Sf . Postupak ispitivanja, kao i epruvete za ispitivanje definisane su prema standardu ASTM E8 [7] za zatezna ispitivanja, i A STM E466 [8] za dinami ka ispitivanja. Za razliku od ispitivanja na sobnoj temperaturi, postupak ispitivanja
na povišenim temperaturama od 545°C i 570°C kao i geometrija epruveta su definisani standardom ASTM E1475-00 [9]. Ispitivanja epruveta za zatezanje izva enih iz uzorka nove cevi i cevi iz eksploatacije su ra ena na elektromehani koj kidalici u kontroli deformacije. Brzina uvo enja optere enja je bila 5 mm/min. Izduženje je registrovano pomo u dvostrukog ekstenzometra, i induktivnog dava a. Dinami ka ispitivanja su ra ena na visokofrekventnom pulzatoru. Visokofrekventni pulzator može da ostvari s inusoidalno naizmeni no promenljivo optere enje u opsegu od -100 kN do +100 kN. Srednje optere enje i amplituda optere enja je registrovana sa ta noš u ± 50N. Ostvarena u estanost se kretala od 110-170 Hz, u zavisnosti od veli ine optere enja i ispitivane temperature. Imaju i u vidu eksploatacione uslove rada kriti nih komponenti termoenergetskuh postrojenja ura enih od visokolegiranog elika X20, ra en je najkriti niji slu aj delovanja promenljivog optere enja, i to naizmjeni no promenjivo optere enje zatezanje - pritisak (R = -1). Pri ovom ispitivanju se po pravilu samo utvr uje broj promena optere enja do loma pri dejstvu optere enja konstantnog raspona, i standardom se zahteva samo podatak o veli ini napona pri kojoj ne dolazi do loma posle odre enog broja ciklusa (obi no izme u 106 i 108 ciklusa). Za eli ne materijale standard ASTM E466 definiše trajnu dinami ku vrsto u, Sf , posle 107 ciklusa. Zbog toga je ovo ispitivanje izuzetno skupo i opravdano kada su potrebni podaci za projektovanje, prvenstveno sa aspekta zamora i mehanike loma; zna i kada se projektuju delovi izloženi dugotrajnom promenljivom optere enju u ukupnom projektnom veku konstrukcije. 3. 3.1
REZULTATI I D IS KUS IJA Zatezna ispitivanja
Ispitivanjem epruveta zavarenog spoja, smo dobili neophodne podatke kako izabrana tehnologija zavarivanja uti e na vrsto u zavarenog spoja, kao i komponente zavarenog spoja. Dobijeni rezultati ispitivanja, tab. 4, ukazuju da i kod uzoraka zavarenog spoja nove cevi i eksploatisane cevi, izabrana tehnologija zavarivanja nema zna ajnijeg uticaja na vrsto u zavarenog spoja. Sve ispitivane epruvete, su polomljene u OM , što jasno ukazuje na karakter zavarenog spoja. U pitanju je "over-matching" što zna i da je vrsto a M Š viša od vrsto e OM . Rezultati popre nog zatezanja epruveta zavarenog spoja izva enih iz nove i eksploatisane cevi ukazuju da sa pove anjem temperature ispitivanja dolazi do smanjenja vrednosti napona te enja i zatezne vrsto e, a pove anja izduženja, što se vidi iz tab. 4. Tabela 4:
Oznaka uzorka
Rezultati zateznih ispitivanja epruveta zavarenog spoja [5]
Temperatura ispitivanja, ° C
Napon te enja Rp0,2, MPa Nova cev
ZS - 1N ZS - 2N ZS - 3N
20 545 570
ZS - 1S ZS - 2S ZS - 3S
20 545 570
Zatezna vrsto a Rm, MPa
518 725 217 294 185 241 Cev iz eksploatacije 472 691 210 268 163 201
Izduženje* A, %
Mjesto loma
11.6 14.6 15.5
OM OM OM
12.4 14.2 15.3
OM OM OM
* izmereno na L0 = 80 mm, kao uporedna veli ina (ne kao svojstvo materijala). Ono što je interesantno, a što je karakteristi no za ova ispitivanja je relativno nisko izduženje, odnosno mala plasti nost OM u zoni oko zavarenog spoja. Pad izduženja je najverovatnije posledica deformisanja tri razli ita materijala. Naime, osnovni princip pri projektovanju zavarenih konstrukcija je da vrsto a M Š bude ve a od vrsto e OM. Kako svaka konstitutivna faza predstavlja razli iti materijal do te enja M Š dolazi tek kada OM oja a do nivoa napona te enja M Š. Kada optere enje dostigne nivo da treba da do e do plasti ne deformisanosti najslabije konstitutivne faze, a to je u ovom slu aju OM , dolazi do pojave nelinearnosti, koja je izražena u dosta blažoj formi nego kod epruveta OM , zbog toga što nastavak elasti ne deformisanosti M Š i ZUT, spre ava nagli rast plasti ne deformisanosti OM [9]. Plasti na deformisanost OM se odvija postepeno, ve i je nagib krive u zoni po etka plasti ne deformisanosti, brže se dostiže maksimalna sila, odnosno udio homogene deformisanosti je dosta manji nego kod epruveta OM . Analiziraju i dobijene rezultate ispitivanja zatezanjem na sobnoj temperaturi epruveta izva enih iz uzorka nove i eksploatisane cevi od elika X20 datih u tab. 5, može se konstatovati da su rezultati ispitivanja novog materijala u granicama standardom propisanih vrednosti za taj materijal, odnosno vrednosti koje je dao proizvo a u atestnoj dokumentaciji. Ova konstatacija ne važi za epruvete izva ene iz eksploatisanog materijala. Naime, dobijene vrednosti napona te enja ne zadovoljavaju standardom propisane vrednosti, dok su vrednosti zatezne vrsto e na samoj granici zadovoljavaju ih. Tabela 5:
Rezultati zateznih ispitivanja epruveta osnovnog metala [5]
Oznaka uzorka
Temperatura ispitivanja, ° C
OM - 1 - 1N OM - 2 - 1N OM - 3 - 1N
20 545 570
OM - 1 - 1S OM - 2 - 1S OM - 3 - 1S
20 545 570
Napon te enja Zatezna vrsto a Rp0,2, MPa Rm, MPa Nova cev 516 738 234 305 198 254 Cev iz eksploatacije 471 709 217 269 182 227
Izduženje A, % 17.9 19.2 22.2 16.4 18.9 20,7
Dobijeni rezultati zatezanja novog i eksploatisanog OM tako e ukazuju da sa pove anjem temperature ispitivanja dolazi do smanjenja vrednosti napona te enja i zatezne vrsto e, a pove anja izduženja, što se vidi iz tab. 5. Odnos zatezne vrsto e Rm i napona te enja Rp0,2 kod novog osnovnog materijala elika X20 se kretao od 1,40 za ispitivanja na sobnoj temperaturi do 1,28 za ispitivanja na temperaturi od 570° C. Kod koriš enog osnovnog materijala elika X20 taj odnos je na sobnoj temperaturi još ve i i iznosi oko 1,50 dok se na temperaturi ispitivanja od 570° C smanjuje i iznosi oko 1,20. Evidentno je da eksploatacioni period od približno 116000 sati više uti e na vrednosti zatezne vrsto e nego na vrednosti napona te enja što su potvrdili i drugi autori [10]. 3.2
Dinami ka ispitivanja
Zamor metala je definisan kao proces zbirnog ošte enja pod dejstvom promenljivog optere enja, a koji se iskazuje pojavom zamorne prsline i loma. Zamorna vrsto a zavarenih
spojeva odre uje se ispitivanjem epruveta ili modela pri promenljivom optere enju do pojave prsline ili loma. U slu aju parovoda od posebnog su zna aja ispitivanja visokocikli nog, malocikli nog (niskocikli nog) zamora i termi kog zamora. vrsto a zavarenog spoja pri promenljivim optere enjima, kakva se javljaju u nestacioniranim režimima rada parovoda u periodu startovanja i zaustavljanja (sl. 3) je važna karakteristika veka. Pri tom treba imati u vidu da do ošte enja u vidu prslina dolazi posle velikog broja promena optere enja pri naponima nižim od napona te enja (visokocikli ni zamor), ili posle relativno malog broja promena optere enja (do 50000), pri naponima koji su bliski naponu te enja (niskocikli ni zamor). Zbog obimnosti eksperimenta, posebno je interesantan visokocikli ni zamor, koji je i bio predmet eksperimentalnih istraživanja.
Slika 3:
Tipske šeme naprezanja glavnih parovoda termoelektrane: I-start; II-stacionarni režim; III-zaustavljanje; IV- mirovanje.
Pri nivou optere enja nižim od napona te enja, karakteristi nom za visokocikli ni zamor, naj eš e se ispitivanje izvodi u krutom režimu, odnosno pri zadatoj amplitudi napona Sa , MPa. Najbolje je da ciklus optere enja simulira uslove rada konstrukcije, ali se prakti no koriste uproš eni oblici ciklusa optere enja (naj eš e naizmeni no promenljivi). Jasno je da vrsto a pri visokocikli nom zamoru zavisi od osobina konstituenata zavarenog spoja. Zbog toga su potrebni podaci za OM i M Š, ali i za ZUT, što ispitivanje zavarenih spojeva u visokocikli nom zamoru ini složenim i skupim. S obzirom na to, opravdano je i laboratorijsko ispitivanje realnih konstrukcijskih oblika ili modela, ali jedan od zna ajnih faktora je radna temperatura. Pri tom treba imati u vidu da se karakteristike visokocikli nog zamora znatno menjaju tek na temperaturama preko 450° C za elik za parovode X20 i za njihove zavarene spojeve, te ova ispitivanja ini opravdanim tek za radne temperature, koje za elik X20 iznose od 545° C do blizo 600° C [10, 11]. Uticaj vremena eksploatacije i temperature na ponašanje osnovnog materijala i zavarenog spoja elika X20 u uslovima delovanja promjenljivog optere enja je ra eno na epruvetama izva enim iz uzorka nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Uticaj ovih parametara na vrednosti trajne dinami ke vrsto e Sf , odnosno maksimalnog dinami kog napona pri kojem ne dolazi do inicijacije prsline kod glatkih konstrukcijskih oblika, je prikazana grafi ki u obliku Velerovih krivih (S-N dijagrami) na sl. 4 za OM nove cevi i sl. 5 za OM cevi iz eksploatacije. Ponašanje zavarenog spoja u zavisnosti od vremena eksploatacije i temperature je prikazano tako e grafi ki u obliku Velerovih krivih za zavareni spoj nove cevi na sl. 6, i za zavareni spoj cevi iz eksploatacije na sl. 7.
600
600
OM - Nova cev
o
545 C
500
o
20 C o
545 C
500
o
570 C
N a p o n, Smax., MPa
N a p o n, Smax., MPa
OM - Cev iz eksploatacije
o
20 C
400 300 200
o
570 C
400 300 200 100
100 0
0
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
4
10
5
10
6
10
Slika 4: S-N dijagram epruveta OM nove cevi od elika X20 [5]
8
10
Slika 5: S-N dijagram epruveta OM cevi iz eksploatacije od elika X20 [5] 600
600
o
20 C
ZS - Nova cev
o
20 C
ZS - Ce v iz eksploatac ije
o
545 C
o
545 C
500
500
o
570 C
N a p o n , Smax., MPa
N a p o n, S max., MPa
7
Broj ciklusa, N
Broj ciklusa, N
400 300 200
o
570 C
400 300 200 100
100
0
0 10
4
10
5
10
6
7
10
10
8
Broj ciklusa, N
Slika 6: S-N dijagram epruveta zavarenog spoja uzorka nove cevi od elika X20 [5]
4
10
10
5
10
6
7
10
10
8
Br oj ciklusa, N
Slika 7: S-N dijagram epruveta zavarenog spoja cevi iz eksploatacije od elika X20 [5]
Analiziraju i Velerove krive, dobijene ispitivanjem OM i zavarenog spoja epruveta nove cevi i cevi iz eksploatacije, sl. 4 do 7, vidimo da vreme eksploatacije i temperatura ispitivanja zna ajno uti u na dobijene vrednosti trajne dinami ke vrsto e. Sa pove anjem temperature ispitvanja dolazi do pada vrednosti trajne dinami ke vrsto e, Sf . Eksploatacioni period od 116000 sati doveo je do smanjenja vrednosti trajne dinami ke vrsto e kod epruveta OM za oko 25%, što može da bude veoma zna ajan podatak ako se znaju uslovi rada parovoda. U zavisnosti od temperature ispitivanja kod novog materijala imamo da nam je na sobnoj temperaturi dobijena vrednost trajne dinami ke vrsto e 79% vrednosti napona te enja, a kod eksploatisanog 71%. Kod ispitivanja na radnoj temperaturi od 545° C dobijena je vrednost za novi materijal od 65%, a za eksploatisani 55% napona te enja, dok je kod maksimalne radne temperature vrednost trajne dinami ke vrsto e 64%, a za eksploatisani materijal 53% od vrednosti napona te enja na toj temperaturi. 4.
ZAKLJU AK
Na osnovu napred izloženog može se zaklju iti da: • Na osnovu dobijenih rezultata zateznih osobina epruveta izva enih iz zavarenog spoja i OM elika X20 na izabranim temperaturama, može se zaklju iti da je kod oba materijala dobijeno smanjenje osobina vrsto e, napona te enja i zatezne vrsto e sa porastom temeperature i vremena eksploatacije.
•
Period eksploatacije (novi i eksploataisani materijal) uti e na vrednosti trajne dinami ke vrsto e, tako što nov materijal ima ve u otpornost na inicijaciju prsline kod glatkih konstrukcijskih oblika. Vrednost trajne dinami ke vrsto e opada sa rastom temperature ispitivanja.
LITERATURA 1. Sedmak, S., Pretrovski, B., Obezbe enje kvalitetnih zavarenih spojeva i njihovog pouzdanog rada na parovodima termoelektrana ZEP-a, Studija za potrebe Združene elektrorivrede Beograd, U govor br. 1093, TMF, 1988. 2. Project EPRI, The Grade 22 Low Alloy Steel Handbook, Electric Pover Research Institute (EPRI), EPRI Project M anager D. Gandy, Palo Alto, California, USA, 2005. 3. EC Project CRETE, Development and Harmonisation of Creep Crack Growth Testing for Industrial Specimens-A Root to a European Code of Practice, EC Project No. GRD22000-30021, 2001-2005. 4. EC Project Advanced Creep, WG1 on Guidelines and Procedures, European Creep Collaborative Committee (ECCC), European Technology Development (ETD) Ltd., EC Project No. G1RT-CT-2001-05042, 2001-2005. 5. Ga o, Dž., PhD Thesis, University of Belgrade, Department of M echanical Engineering, Serbia, 2007. 6. Brohl, F., M esch, H., Welding of Alloyed Ferritic and M artensitic Steels in Piping Systems for High-temperature Service, M annesmann, Düsseldorf, 1986. 7. ASTM E8-02, Standard M ethods of Tension Testing of M etallic M aterials, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 2002. 8. ASTM E466-95, Standard Practice for Conducting Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of M etallic M aterials, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1995. 9. ASTM E 1475-00, "Standard Test M ethod for M easurement of Creep Crack Growth Rates in M etal", Annual Book of ASTM Standards Vol. 03.01, pp. 936-950, 2000. 10. Dogan, B., "High temperature defect assessment procedures", International Journal of Pressure Vessels and Piping, No. 80, 2003, p. 149. 11. Burzi , M ., PhD Thesis, University of Novi Sad, Department of Technical Faculty, Serbia, 2008.
Ali vibriranje vpliva na udarno žilavost zvara? Bogdan Pu ko TÜV SÜD SAVA d.o.o., Cesta XIV. divizije 36, 2000 Maribor
Povzetek Z vibriranjem po varjenju lahko dosežemo izboljšanje mikrostrukture zvara. Vplivamo lahko tudi na mehanske lastnosti, nivo zaostalih napetosti in deformacij. V lanku so podani rezultati raziskav vpliva na udarno žilavost. V ta namen smo zavarili štiri enovarkovne vare. Vibrirano, žarjeno in kombinirano žarjeno-vibrirano stanje smo primerjali z osnovnim zavarjenim stanjem. Rezultate smo primerjali z izsledki raziskav ve varkovnega vara. Vibriranje med varjenjem pove a absorpcijsko energijo pri preskusu udarne žilavosti vara in izboljša tip preloma.
1.
UVOD
Vibriranje varjencev se uporablja za zmanjševanje zaostalih napetosti in vpliva na njihovo prerazporeditev. Na ta na in zmanjšamo izkrivljanje konstrukcij, ki so posledica teh napetosti. Vibriramo lahko po varjenju (ang. VSR - vibratory stress reliving) [1, 2], ali pa med varjenjem (ang. VWC – vibratory weld conditioning) [3-6]. Redko se v literaturi poleg meritve zaostalih napetosti spremljajo tudi spremembe mehanskih lastnosti. V lanku Prohazske idr. [7] je bila poleg zmanjšanja zaostalih napetosti z vibriranjem merjena tudi sprememba trdote, udarne žilavosti in natezne trdnosti. Vzorci so bili segreti na razli ne temperature razli no dolgo. Kot posledica vibriranja se je žilavost pove ala. Podobne rezultate je dobil Kalna [8]. Prehodna temperatura žilavosti se je kot posledica vibriranja znižala za 20 °C. Zaradi manjše mobilnosti atomov pri sobni temperaturi vibriranje po varjenju povzro a manj sprememb v mikrostrukturi kot vibriranje med varjenjem. Vpliv vibriranja med litjem [9, 10] je tem ve ji, ve ja je razlika v spremembi volumna staljenega in strjenega materiala. Pri litju aluminija se je z vibriranjem zmanjšala poroznost in pove ala hitrost solidifikacije, s tem pa se je zmanjšalo zrno [11]. Razlago, da se pozitivni efekti vibriranja med varjenjem ne pokažejo vedno, raziskovalci najdejo v krajšem asu ohlajanja v primerjavi z litjem [12, 13]. Obi ajno ne opazijo sprememb v mikrostrukturi. Raziskovalci, ki razlike v velikosti zrn zvara opazijo [14-16], razlagajo, da so te spremembe posledica lomljenja dendritov pri solidifikaciji, kar se odraža poleg velikosti tudi na razli ni usmerjenosti zrn. Vibriranje lahko vpliva tudi na oblikovanje tipa ferita v zvarih [17, 18]. Spremembe velikosti zrna so ve je pri subresonan nem vibriranju [14, 19]. Pri vibriranju pri povišani temperaturi imajo feritni kristali tendenco orientirati se v smeri napetosti [20]. Hebel [14] dokazuje, da se s subresonan nim vibriranjem med varjenjem zaradi spremembe velikosti zrna spremenijo mehanske lastnosti. Vpliv vibriranja na žilavost je obravnavana v predhodnih lankih [16, 21, 22].
2.
PRES KUS I
Izdelali smo štiri varilne ploš e iz osnovnega materiala Niomol 490 K (P500Q; DIN EN 10028-6). Zvarni žleb je bil izrezkan v osnovno ploš o dimenzij 25 x 200 x 1000 mm, 8 mm v globino s kotom odprtja 45°. Varili smo po EPP postopku z dodajnim materialom Filtub 128 (F 9 A 8-EC-G; AWS-SF A-5.23) in varilnim praškom FB TT (SA FB 1 55AC H5; EN 760). V tabeli 1 so podane oznake talonov. Preskušali smo udarno žilavost v sredini zvara. Po varjenju smo izdelali žilavostne epruvete nestandardnih velikosti 7 x 8 x 50 mm z ISO-V zarezo globine 2 mm. Prelomna površina je bila po sredini zvara, s smerjo širjenja v smeri dolžine zvara. Temperatura preskušanja je bila v intervalu od -60 °C do 20 °C. Dodatno so bili preskusi izvedeni na dveh ploš ah enakih debelin s K zvarom in z ve varkovnim varjenjem. Ena ploš a je bila zavarjena s T.I.M .E. postopkom, druga po EPP postopku. V tem primeru je bilo možno izdelati žilavostne epruvete standardnih velikosti. Vari so bili metalografsko in fraktografsko pregledani. Tabela 1:
3.
Oznake zvarov in pogoji preskušanja
1 2 3
oznaka AW HT VWC
4
VWC+HT
pogoji preskušanja varjeno stanje po varjenju segrevano na 500 °C 20 min vibrirano med varjenjem vibrirano med varjenjem in po varjenju segrevano na 500 °C 20 min, vibrirano med žarjenjem
REZULTATI PRES KUSOV
Izmerili smo udarno žilavost Charpy preskušancev v temperaturnem podro ju od -60 do 20°C v koraku po 20°C. Tako smo dobili diagram spremembe udarne žilavosti v odvisnosti od temperature - žilavostno krivuljo. eprav imajo praviloma žilavostne krivulje obliko funkcije arcus tangens, je v našem primeru regresijska polinomska krivulja drugega reda dovolj dobro opisala trend spremembe žilavosti za dano temperaturno podro je. Na sliki 1 so prikazani rezultati udarne žilavosti v odvisnosti od temperature in pogojev preskušanja. Vsaka to ka predstavlja posamezen preskus. Za vsako temperaturo so bili izvedeni trije preskusi. Za posamezen pogoj preskušanja je bila izra unana regresijska krivulja. Preskuse udarne žilavosti smo izvedli po metodi t.i. instrumentiranega Charpy preskusa, kjer merimo silo v odvisnosti od asa. Karakteristi ne to ke krivulje so Fm – maksimalna sila, Fu – sila iniciacije razpoke in Fa – sila ustavitve razpoke (sliki 2 in 3). Površina pod krivuljo predstavlja energijo. Površina do to ke Fm predstavlja energijo za iniciranje razpoke, preostali del pa energijo za širitev (propagacijo) razpoke.
Slika 1:
Udarna energija enovarkovnih varov
Slika 2:
Udarni preskus, AW, 0°C
Delež žilavega loma se lahko iz diagrama izra una po ena bi 1 [23]. Rezultati izra una po ena bi se zelo dobro ujemajo z vrednostmi dobljenimi s statisti nimi metodami fraktografske analize. Iz ena be 1 in diagramov na slikah 2 in 3 je razvidno, da ve ja maksimalna sila Fm in manjša razlika med Fu in Fa pove ujejo udarno energijo. Tako lahko na podlagi diagramov ocenimo udarno žilavost. A = 1−
Fu − Fa Fm
⋅ 100 %
(1)
Slika 3:
Udarni preskus, VWC, 0°C
V tabeli 2 je podana primerjava izbranih pogojev pri dveh razli nih temperaturah preskušanja. Delež žilavega loma je podan v diagramu na sliki 4. Tabela 2:
pogoj temperatura Fm [N] Fu [N] Fa [N] % žilavega loma
Karakteristi ne to ke udarnih preskusov
AW -60 °C 0 °C 8378 7643 8378 7159 2535 4068 30
60
HT -60 °C 0 °C 8179 7739 8179 7242 551 3416 7
51
VWC -60 °C 0 °C 8824 7760 8824 5166 2640 3702 39
81
VWC+HT -60 °C 0 °C 6231 7497 6231 6850 1069 3085 29
50
Prelomne površine so bile pregledane in ocenjene v sredini preskušanca, 2 mm pod mehansko zarezo. Razlike v tipu preloma so vidne na sliki 5, kjer sta primerjana vzorca osnovnega stanja in vzorca vibriranega med varjenjem. Da bi poskušali najti korelacijo med udarno žilavostjo enovarkovnih in ve varkovnih zvarnih spojev, smo enako serijo preskusov udarne žilavosti izvedli na ve varkovnih spojih. V ta namen smo preskuse vršili na enakem materialu enake debeline. Rezultati so prikazani na sliki 6.
Slika 4:
Delež žilavega loma glede na pogo je varjenja in temperaturo preskušanja
Slika 5:
Prelomna površina nevibriranega (AW) in vibriranega (VWC) vzorca pri temperaturi preskušanja 0 °C
Slika 6:
Udarna energija ve varkovnega zvara
4.
KOMENTAR
V lanku je podana ocena vpliva pogojev varjenja in vibriranja na udarno energijo (Charpy žilavost) zvara. Žilavost je odvisna od vrste materiala, mikrostrukture vzorca in temperature preskušanja. Rezultati preskusov so obi ajno prikazani v obliki krivulje udarne žilavosti, ki podaja odvisnost udarne žilavosti od temperature preskušanja. V splošnem so razlike med posameznimi stanji o itnejše pri nižjih temperaturah preskušanja. Glede na dobljene vrednosti in obliko krivulje sklepamo, da nismo dosegli NDT (Nill Ductility Transition) temperature (temperatura prehoda v krhki lom). Za izbrano temperaturno podro je preskušanja smo rezultate dovolj dobro (faktor R2 > 0,9) opisali z regresijsko krivuljo polinoma drugega reda. Pri širšem temperaturnem obmo ju bi bilo potrebno izbrati drugo regresijsko krivuljo, obi ajno arctg. Iz primerjave osnovnega in vibriranega stanja brez žarjenja se opazi pozitiven u inek vibriranja (AW - VWC slika 1). Pri enovarkovnih zvarih, kjer ni dodatnega segrevanja, tako lahko pri uporabi vibriranja med varjenjem pri akujemo boljše vrednosti udarne žilavosti. Proti pri akovanju enakega efekta ne zasledimo pri žarjenih vzorcih. V praksi se takšni pogoji pojavijo pri ve varkovnem varjenju, ko temperatura naslednjega varka termi no vpliva na predhodni varek. Ob u inku toplote se dodatno pojavlja še vibriranje. Vendar, ko primerjamo delež žilavega loma, vidimo, da se z vibriranjem le-ta ne zmanjša ali celo pove a (slika 4). Pri nižjih temperaturah so razlike v prirastu deleža žilavega preloma ve je kot pri višjih temperaturah. To je ugodno, saj je pri nižjih temperaturah nevarnost krhkega loma ve ja. Generalno iz slike 4 izhaja, da vibriranje pove uje delež žilavega loma. Razlike v tipu preloma dokazujejo raziskave prelomne površine z vrsti nim (SEM ) elektronskim mikroskopom (slika 5). Prelomne površine vibriranih vzorcev imajo ve ji delež žilavega preloma, kar se odraža v stanju prelomne površine, ki je jami asta (žilava). Nasprotno se na krhkem prelomu opazijo ploš ice in usmerjene strukture preloma (ang. facets and rivers). Razliko med stanji se da razbrati tudi iz diagramov na slikah 2 in 3. Potek krivulje pri vibriranih (bolj žilavih) vzorcih je gladkejši, z manjšimi razlikami med Fu in Fa . Da bi potrdili rezultate žilavosti na dejanskih ve varkovnih zvarih, so bile epruvete odvzete iz ve varkovnih zvarov na enakem osnovnem materialu varjenem z enakim dodajnim materialom. Varili smo z dvema razli nima postopkoma (slika 6). Rezultati udarne žilavosti za postopek T.I.M .E. potrjujejo ugotovitve na enovarkovnih varih in pri simulaciji ve varkovnega varjenja. Pri postopku EPP pozitiven u inek ni tako enozna en. eprav imajo žarjeni enovarkovni zvari manjšo udarno žilavost, je ob uporabi vibriranja pri ve varkovnem varjenju žilavost ve ja, razlika pa je odvisna tudi od izbranega varilnega procesa. Kot se kaže, je udarna žilavost ve varkovnih zvarnih spojev precej kompleksna tema. Na mikrostrukturo odlo ujo e vplivata dva parametra, vibracije in toplota, ki vplivata na izoblikovanje mikrostrukture med strjevanjem. Nekatere spremembe se lahko odvijajo tudi po strjevanju. Vibracije in toplota imata primerljiv vpliv na mobilnost atomov in taline, mobilnost dislokacij in difuzijo. Po drugi strani so u inki na velikost zrna, velikost dendritov in njihovo usmerjenost nasprotujo i. Te kategorije vplivajo na izoblikovanje strukture in posledi no na mehanske lastnosti zvara. Težko je napovedati, kdaj se bo u inek vibriranja in toplote dopolnjeval oziroma kdaj se bo izni eval ali oviral, posebej kar se ti e velikosti zrna in vrsto mikrostrukture. Vpliv vibriranja na izoblikovanje feritne mikrostrukture je obravnavan v zgodnejših lankih [17, 18].
5.
ZAKLJU KI • • • • •
6.
Upoštevajo rezultate udarne žilavosti, metalografske in fraktografske raziskave, vibriranje ugodno vpliva na lastnosti zvara. Vibriranje med varjenjem pove uje udarno žilavost enovarkovnih zvarov. Vibrirani vzorci Charpy preskusa izkazujejo pove an delež žilavega loma na prelomnih površinah. Žarjenim enovarkovnim zvarom se žilavost v primerjavi z izhodnim stanjem zmanjša, vendar veliko manj, e med varjenjem vibriramo. Ve varkovni zvari imajo ve jo žilavost v vibriranem stanju. ZAHVALA
Preiskave in preskusi so bili izvedeni na Fakulteti za strojništvo, M aribor. LITERATURA 1. RAO D.L., ZHU Z.Q., CHEN L.G., NI C.Z.: Reduce the residual stresses of welded structures by post-weld vibration, M aterial Science Forum, Vol. 490-491, 2005, p. 102106 2. RAO D.L., CHEN L.G., NI C.Z.: Vibratory stress relief of welded structure in China, M aterials at High Temperatures, Vol. 23, No. 3-4, 2006 , p. 245-250 3. KUO C.W., YANG S.M ., CHEN J.H.; LAI G.H.; WU W.: Study of vibration welding mechanism, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 13, No. 4, 2008, p. 357-362 4. LU Q., CHEN L.G., NI C.Z.: Effect of vibratory weld conditioning on welded valve properties, M echanics of M aterials, Vol. 40, No. 7, 2008, p. 565-574 5. XU J.J., CHEN L.G., NI C.Z.: Effect of vibratory weld conditioning on the residual stresses and distortion in multipass girth-butt welded pipes, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 84, No. 5, 2007, p. 298-303 6. AOKI S., NISHIM URA T., HIROI T., HIRAI S.: Reduction method for residual stress of welded joint using harmonic vibrational load, Nuclear engineering and design, Vol. 237, No. 2, 2007, p. 206-212 7. PROHASZKA, J., HIDASI, B., VARGA, L.: Vibration – Induced Internal Stress Relief, Periodica Polytechnica, Vol. 19, 1975, p. 69-78 8. KALNA, K.: Influence of M echanical Treatment on Properties of Welded Joints, IIW Doc. X-1270-93, 1993 9. FREEDMAN, A.H., WALLACE, J.F.: The Influence of Vibration on Solidifying M etals, American Foundryman's Society Transactions, Vol. 65, 1957, 10. GARLICK, R.G., WALLACE, J.F.: Grain Refinement of Solidifying M etals by Vibration, American Foundryman's Society Transactions, Vol. 67, 1959 11. FISHER, T.P.: Effects of vibrational energy on the solidification of aluminum alloys, British Foundryman 66(3), 1973 12. STARKEY, J.P.: The Effect of Vibratory Stress Relief on M etal Fatigue in Steel Weldments, master degree thesis, Faculty of the College of Applied Science and Technology Central M issouri State University, 1987 p. 39-43
13. KLAUBA, B.B., ADAM S, C.M .: Progress Report on the Use and Understanding of Vibratory Stress Relief, Proc. ASM E Conf. on Productive Applications of M echanical Vibrations, Phoenix, Arizona, 1982, p. 47-58 14. HEBEL, T., KREIS, R.: Der bessere Weg zum Spannungsabbau, M etall, 1983, p. 259-261 15. WEITE WU: Influence of vibration frequency on solidification of weldments, Scripta M aterialia, Vol. 42 (2000), No. 7, p. 661-665 16. LU Q.H., CHEN L.G., NI C.Z.: Improving welded valve quality by vibratory weld conditioning, M aterials Science and Engineering: A, Vol. 457, No. 1-2, 2007, p. 246-253 17. PU KO, B.: The Influence of Vibration during Welding on Weld toughness, Faculty of M echanical Engineering, University of M aribor, Ph.D. thesis, 2003 18. PU KO, B., GLIHA; V.: Charpy toughness and microstructure of vibrated weld metal, Science and Technology of welding and Joining, Vol. 11, No. 3, 2006, p. 289-294 19. HEBEL, A.G.: Subresonant Vibrations Relieve Residual Stress, M etal Progress, 1985, p. 51-55 20. MUNSI, A.S.M .Y., WADDELL, A.J., WALKER, C.A.: The effect of vibratory stress on the welding microstructure and residual stress distribution, Proceedings of the I M ECH E Part L Journal of M aterials: Design and Applications, 2001, Vol. 215, No. 2, p. 99-111 21. PU KO, B., GLIHA, V.: Effect of Vibration on Weld M etal Hardness and Toughness, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 10, No. 3, 2005, p. 335-338 22. PU KO, B., GLIHA, V.: Charpy Toughness of Vibrated M icrostructures, M etalurgija, 2005, Vol. 44, No. 2, p. 103-106 23. SEP 1315, Kerbschlag-Biegeversuch mit Ermittlung von Kraft und Weg, Stahl- EisenPrüfblatt, M ai 1987
Ocena lastnosti so elnega zvarnega spoja plinovodnih cevi pri razli nih temperaturah okolice Andrej Weiss, Marjan Suban, Robert Cvelbar Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevku je prikazan na in ocenjevanja lastnosti zvarnega spoja pri so elnem varjenju plinovodnih cevi na osnovi numeri ne simulacije z metodo kon nih elementov. Simulacija je o o izvedena pri dveh razli nih temperaturah okolice in sicer 20 C in -5 C. V varilnem postopku so obi ajno do lo en e vrednosti temperature predgrevanje ter medvarkovne temperature, obstaja pa tudi dolo ilo glede najnižje temperature okolice, pri kateri je še dovoljeno varjenje. Iz rezultatov numeri ne simulacije je razviden vpliv temperature okolice na mikrostrukture ter napetostno-deformacijsko stanje v zvaru in toplotno vplivanem podro ju.
1.
UVOD
Inženir je vse bolj izpostavljen trgu in s tem tudi racionalizaciji proizvodnje. Tako je potrebno optimizirati obstoje e tehnologije kot tudi razvoj novih izdelkov. Zaradi hude konkurence, se spodbuja razvoj in rabo matemati nih modelov v tehniki. Delo inženirja mora biti vse bolj usmerjeno v optimizacijo procesov v industriji. Z razvojem ra unalniške industrije je prišlo do razvoja orodij, ki omogo ajo simulacijo postopkov. S tem je inženirju dano orodje s katerim lahko z manjšimi stroški preizkusi ve je število varilnih postopkov še predno se odlo i to izvesti tudi v realnosti. Seveda pa je za izvajanje simulacij potrebno obsežno in multidisciplinarno poznavanje matemati nih modelov, varilnih postopkov, materialov itd. Dolo evanje najnižje temperature okolice pri kateri je varjenje še dopustno je prav tako pomembno kot dolo evanje temperature predgrevanja ter medvarkovne temperature. Temperatura okolice vpliva na proces varjenja v smislu hitrejšega odvoda toplote z mesta varjenja. Posledica tega je pove anje hitrosti ohlajanja, kar pa pomeni višje zaostale napetosti ter mehansko neugodne mikrostrukture, kot sta bainit (pogojno sprejemljiv) ter martenzit. V tej fazi pa nam simulacija omogo a na bolj enostaven in cenejši na in preveriti vse parametre, ki vplivajo na varjenje ter še pred izvedbo samega varilnega postopka identificirati kriti ne vrednosti le-teh. 2. 2.1
IZVEDBA S IMULACIJE Popis varilnega postopka (WPS )
Kratica WPS izhaja iz standarda EN ISO 15609 (Welding Procedure Specification) in pomeni navodilo, ki predstavlja preverjeni tehnološki postopek za varjenje v proizvodnji. Priporo ljiv je za vse varilne postopke. Vsebovati mora dovolj podrobnosti, da varilec izdela zvare sprejemljive kakovosti. Tako vsebuje na in priprave robov, gradnja varkov, parametri varjenja, osnovni in dodajni materiali, na in varjenja, obdelave zvara, temperaturo
predgrevanja. Varilni tehnolog mora za vsak tip zvara pripraviti popis varilnega postopka. Primer WPS za varjenja plinovoda je prikazan na sliki 1. M ed številnimi parametri varjenja, ki so navedeni na WP S smo se v okviru tega prispevka osredoto ili na vpliv minimalne zunanje temperature na lastnosti zvarnega spoja. Pri temperaturah nižje od te nadaljnje izvajanja varjenja ni ve v skladu z WPS.
Slika 1:
2.2
WPS za varjenje plinovoda
Programsko orodje S ysweld
Sysweld je program, ki omogo a ra unalniško simulacijo toplotne obdelave in varjenja. Pri raziskavi smo se opredelili na simulacijo varjenja, ki zahteva dve analizi, termo metalurško analizo in mehansko analizo. Simulacija poteka tako, da se najprej v modulu »Visual mash« izriše 3D model ter dolo ijo trajektorije varov (slika 2). Ta model se nato uvozi v Sysweld v katerem se s pomo jo »Welding Advisor« vnese vhodne podatke potrebne za izvedbo simulacije. M ožnosti, ki jih nam ponuja »Welding Advisor« so prikazane na sliki 3. M ed mnogimi na ini varjenja, ki obstajajo, je aplikacija Sysweld primerna za na ine: • ro no oblo no varjenje;
• • • • •
TIG varjenje; M IG/M AG varjenje; lasersko varjenje ter varjenje z elektronskim žarkom; uporovno to kovno varjenje; varjenje s trenjem.
Slika 2:
Mreža kon nih elementov ter trajektorije varjenja izdelan e v »Visual mash«
Slika 3:
Sestavni moduli »Welding Advisor«
Priprava simulacije in vnos podatkov poteka v modulu »Welding Wizard«, kjer: • dodelimo materialne lastnosti posameznim elementom; • dolo imo varilni proces (vnos toplote in trajektorij varjenja); • definiramo robne pogoje; • pripravimo datoteke za izra un. V naslednjem modulu »Solve« nastavimo geometrijo in parametre numeri ne simulacije kot so dodajanje geometrije varov, na in izra unavanja ter prikaza podatkov in rezultatov. Sysweld izvaja nelinearne izra une z vsemi lastnostmi materialov, ki so odvisni tako od temperature kot tudi od faznih (materialnih) transformacij, deležev kemi nih elementov ter tudi drugih pomožnih spremenljivk. Osnove izra una v sklopu simulacijskega programskega orodja Sysweld temeljijo na nelinearnem prenosu toplote, nelinearni geometriji, vklju no z velikimi napetostmi, izotropno in kinemati no napetostno utrjevanje, vklju no s fazo transformacije, plasti nost deformacijo in nelinearne mešanica pravil za napetosti te enja pri posamezni fazi. Kot rezultat programskega orodja Sysweld ponuja prikaze za: • temperaturna podro ja; • deformacije (tudi plasti ne deformacije) ter zaostale napetosti; • deleže posameznih faz (mikrostruktur) v zvaru, TVP in osnovnem materialu; • trdote; • napetost te enja.
2.3
Zaostale napetosti in mikrostrukture
Zaostale napetosti so napetosti, ki ostanejo v elementu tudi, ko je zunanji vzrok za nastanek le-teh odstranjen (zunanje sile, vir toplote). Pojavijo se lahko zaradi preoblikovanja, toplotne obdelave, varjenja itd. Za varjenje potrebna toplota povzro a lokalno širjenje materiala. Pri ohlajanju se prav zaradi neenakomerne porazdelitve temperature ter vpetosti varjenca pojavijo napetosti in deformacije. V grobem jih lahko lo imo na napetosti in deformacije, ki so posledica vpliva toplote oz. temperaturnega polja ter na tiste, ki so posledica faznih transformacij. Slika 4 prikazuje odvisnost napetosti in deformacij od temperaturnega polja ter nastalih mikrostruktur v zvaru in TVP.
Slika 4:
Medsebojna odvisnost temperature-mikrostrukture-napetosti
M ed mikrostrukturami, ki se pojavljajo v zvaru in toplotno vplivanem podro ju (TVP) jekel in so bile vklju ene v izra unu simulacije tudi naslednje: • Perlit je dvofazna mikrostruktura sestavljena iz ferita (88%) in cementita (12%), ki se nahaja v obi ajnih jeklih in litinah. Njegov nastanek je pogojen s po asnim ohlajanjem pri evtektoidni reakciji iz razpada austenita pri temperaturi 723oC. Pri varjenju je zaželeno po asno ohlajanje saj se s tem v zvaru in TVP doseže ugodna perlitna mikrostruktura. • Bainit je mikrostruktura, ki se pojavi v jeklih pri dolo enih toplotnih obdelavah, predvsem kot posledica hitrejšega ohlajanja preko evtektoidne temperature 723oC. Obmo je hitrosti ohlajanja je približno 50oC/s. Bainitna mikrostruktura je podobna martenzitne, ampak so njene mehanske lastnosti v zvaru ugodnejše kot slednje. • M artenzit Visoke hitrosti ohlajanja v zvaru in v TVP privedejo do tvorjenja trde mikrostrukture imenovane martenzit. Pod mikroskopom je struktura vidna, kot igli asta. M ikrostruktura je zaradi svojih mehanskih lastnosti zlasti neugodna v natezno obremenjenih zvarih, ker je ob utljiva na nastanek in rast razpok.
3.
REZULTATI S IMULACIJE
Kot osnova za izvedbo simulacije je bil vnesen varilni postopek WPS prikazan na sliki 1. Parameter, ki smo ga spreminjali v dveh razli nih simulacijah je bila temperatura okolice. V prvem primeru je ta znašala 20oC, v drugem pa -5oC. Vpliv temperature okolice smo nato preu evali v rezultatih programa Sysweld in sicer v simulaciji temperaturnega polja, deformacij, napetosti in mikrostruktur. V izra unu in prikazu rezultatov je uporabljen le etrtinski izsek cevi. 3.1
Temperaturno polje
Temperaturna razlika med okoliško temperaturo 20oC in -5oC nima opaznega vpliva na temperaturno polje, ki se pojavi po varjenju zadnjega osmega varka. To je nekako razumljivo saj razlika 25oC predstavlja le cca. 1% temperature, ki je dosežena v talini zvara. Sama primerjava obeh posnetkov na sliki 5 nam torej na sporo a nobenih bistvenih informacij, na osnovi katerih bi se lahko odlo ali o ustreznosti varilnega postopka.
Slika 5:
3.2
o
o
Temperaturno polje po zadnjem varku in pri 20 C (levo) oz. -5 C (desno)
Deformacije
Drugi sklop posnetkov na sliki 6 prikazuje deformacije, ki se pojavijo v zvarnem spoju pri varjenju korenskega varka. Pri nižji temperaturi okolice so deformacije manjše (za približno 15%). Rezultat je vsaj v neki meri pri akovan, saj je jeklo pri nižjih temperaturah manj elasti no.
Slika 6:
3.3
o
o
Deformacijsko polje po korenskem varku in pri 20 C (levo) oz. -5 C (desno)
Zaostale napetosti
Napetostno stanje v varjencu po zaklju ku varjenja (po osmem varku) nam odraža obratno situacijo kot je to v primeru deformacijskega stanja. Natezne napetosti (na posnetkih svetlejši odtenki) so v primeru varjenja pri 20oC nižje kot pri temperaturi -5oC (glej sliko 7). Glede na razporeditev napetosti znotraj zvara in TVP lahko identificiramo dve obmo ji višjih vrednosti nateznih napetosti. Prvo je v sredini zvarnega spoja (približno na mestu varjenja petega in šestega varka), drugo pa v samem korenu zvara. Slednje je tudi bolj kriti no, saj natezne napetosti na površini varjenca pospešujejo nastanek in rast razpok.
Slika 7:
3.4
Napetosti v pre n em prerezu varjenca po zavarjenem zadnjem varku in pri o o 20 C (levo) oz. -5 C (desno)
Mikrostrukture
V zvarnem spoju in TVP nastanejo zaradi lokalnega segrevanja ter faznih transformacij razli ne bolj ali manj ugodne mikrostrukture. Izvedena simulacija nam podaja rezultate v obliki treh posnetkov in sicer prvi za vsebnost perlita, drugi za bainit, zadnji pa podaja delež martenzita v celotni sestavi. Primerjava je bila seveda narejena tako za varjenje pri 20oC in pri -5oC. Iz prikazov na sliki 8 lahko opazimo predvsem razliko pri najbolj kriti ni mikrostrukturi, t.j. martenzit. Le-ta se pojavi v TVP na korenski strani zvara. Vsebnost martenzita pri -5oC je približno 10% ve ja kot pri zvaru varjenem pri temperaturi 20oC. e k tej ugotovitvi dodamo še ugotovitev iz prejšnjega poglavja, kjer ugotavljamo, da so prav v
tem obmo ju prisotne višje natezne zaostale napetosti, lahko ozna imo korenski del zvara za izredno ob utljivo obmo je, vsaj kar se ti e nastanka in rasti razpok. Sprememba temperature okolice ima torej majhen vpliv na ve razli nih parametrov (deformacije, napetosti, mikrostrukture), ki pa kot seštevek lahko rezultirajo kot velik vpliv na samo kakovost zvarnega spoja. Temperatura okolice -5oC
MARTENZIT
BAINIT
PERLIT
Temperatura okolice 20oC
Slika 8:
4.
Mikrostrukture v pre nem prerezu varjenca po zavarjenem zadnjem varku
ZAKLJU KI
Simulacija je narejena na cevi Ø800 z debelino stene 16 mm. Za so elno varjenje plinovodnih cevi se uporablja ro no oblo nem varjenje. Temperatura predgrevanja znaša 110 do 130 °C. Pri simulaciji smo upoštevali, da plinovodno cev zavarimo v osmih varkih. Namen simulacije je bil narediti primerjavo kako okoliška temperatura vpliva na temperaturno polje, deformacije, napetosti in mikrostrukture. Predvsem so nas zanimale
spremembe, ki nastopajo zaradi temperaturne razlike okolice in ali je kot tak varilni postopek primeren za varjenje na prostem brez posebnih ukrepov. Iz simulacije, ki smo je naredili lahko zaklju imo, da pride do razlike v mikrostrukturi le v toplotno vplivanem podro ju, kjer je odvod toplote najve ji. Zaradi tega dejstva je delež bainita in martenzita ve ji. Najbolj nevarne mikrostrukture martenzita je tako v toplotno vplivanem podro ju na korenski strani zvara za 10% ve pri zunanji temperaturi -5 °C kot pri okoliški temperaturi 20oC. Sprememba temperature okolice ima torej manjši vpliv na sam nastanek mikrostruktur, e pa k temu dodamo še vpliv na pove anje zaostalih nateznih napetosti pa je nevarnost nastanka in rasti razpok višja. Prav zaradi navedenega lahko zaklju imo, da je upoštevanje varilnega postopka še posebej temperature predgrevanje in omejitve glede temperature okolice potrebno upoštevati, saj je vpliv le-teh bistven za kakovostno izvedbo korenskega varka, kot najbolj kriti nega v dani situaciji.
Influence of basicity of PIVA 150 electrode covering on the content and distribution of alloying elements and structure components of metal weld of low alloyed steel Žarko Ble i , Dragoljub Ble i , Irena Nikoli Faculty of Metallurgy and Technology, University of Montenegro, Cetinjski put bb, 81000 Podgorica, Montenegro
Abstract Content o f min eral and o ther componen ts in electrode covering greatly d eterminate structure composition of metal weld. In fluen ce o f covering is complex and it is used to stab ilize electric arc, for degazation, dezoxidation and additional alloying. All mention ed above influ ence on the con tent o f structure component in th e meta l weld (content o f accurate and p late ferrite, martensite - austenite –carbid e phase, and content of non-metallic inclusion etc.). Properties of welded joint d epend on th e typ e and content of men tioned structure component. In this paper, conten t of Piva 150 electrode covering is presented ( using its basicisty) and its influen ce on th e distribu tion o f alloying elements in feathered ferrite ( FF), in accurate ferrite (AF), in martensite - austenite –carbide phase (MAC), and conten t of nonmetallic in clusion in structure of weld metal, as well. Mechan ical properties of welded joint indica te on th e conclusion of ba lanced covering composition.
1.
INTRODUCTION
Production of coated arc welding electrode represents very complex research work and technological process what means processing of receipt (composition of electrode coating) for metal arc hand welding. Role of electrode coating is complex because it is used stabilization of electric arc, degassing, deoxydation and for additional alloying as well. An electrode coating has refinement effect on weld and micro alloying effect, as well. Primary alloying is realized trough electrode wire. System electrode coating - wire request exact calculation of oxygen potential of electrode coating, because small range oxygen content is existing in weld of low alloy steels providing a creating more than 80% of acicular ferrite in the structure. [1] Electrodes belong to program range of Electrodes Plant ’’Piva-Plužine’’. Changing of composition of electrode covering (basicity) and electrode core intended for welding of low alloy steels. Results of investigation are related to qualitative analysis of type and content of nonmetallic and content of nonmetallic inclusions and structural components and their influence on the properties, as well. Increase of content of acicular ferrite in the structure of weld and decreasing of content of nonmetallic inclusions are realized upon increase of basicity of electrodes coating. Oxygen content higher than 0,04% or less than 0,02% causes a sudden drop of acicular ferrite for the sake of feathered ferrite. Electrode coatings represent a multicomponent system which in terms of welding is far from balance. For this reason, it is quite difficult to explain their effects on composition of weld metal. Regardless of the above matter, it is possible to evaluate coating oxidation abillity, that is chemical composition of the weld metal which is
being created owing to influence of oxidation – reduction reaction where a main oxygen source becomes electrode coating. 2.
EXPERIMENT
This work deals with testing the structure of weld deposit mechanical properties and the effects of alloying elements (Al, M n, Si, i Ti), on the structure, nonmetallic inclusions and mechanical properties of weld metal. Alloying elements were applied through electrode coatings. Approximate chemical composition of electrode coating is shown in Table 1. Table 1:
Some of components in an electrode covering with basicity factor
X9 X19 X29 X39 X49 X59
The rest
ZrO2
SiO2
Fe2O3
Al2O3
MnO
CaF2
MgO
CaO
Na2O
Basicity of covering
Electrode mark
1 B=0.60 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 2 B=0.70 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 3 B=1.20 X21 X22 X23 X24 X25 X26 X27 X28 4 B=2.00 X31 X32 X33 X34 X35 X36 X37 X38 5 B=2.20 X41 X42 X43 X44 X45 X46 X47 X48 6 B=2.60 X51 X52 X53 X54 X55 X56 X57 X58 *) X1 – Xn component content in a electrode covering – formula protected
X10 X20 X30 X40 X50 X60
Change of covering basicity and its alloying capability may influence on the content of some structural component in a weld metal, obtained by welding [2]. Factor of electrode basicity is determined using the formula: B=
%CaO + %MgO + % BaO + % Na 2 O + % K 2 O + %CaF2 + 0.5%(MnO + FeO ) %SiO 2 + 0.5%(TiO 2 + Al 2 O 3 + ZrO 2 + Fe 2 O 3 )
(1)
Welding were carried out following standard ISO 14174 in a three coats, with approximate current and voltage of I=500-620 A and U=27-33 V, and velocities of v=20-24 m/h. Low alloyed steel of perlite type is used for welding. Table 2:
C 0.11
Chemical composition of welded steel
Mn 0.55
Si 0.2
Chemical composition of welded steel Cr V Mo Ni S 1.00 0.20 0.35 0.20 0.045
P 0.045
Cu 0.15
The samples were taken out from weld metal to determine chemical composition of metal and perform metallographic testing. Chemical analysis was done by spectral method using BIARD factilities, metalographic analysis were done on the light microscope NEOFOT -21 and Electron Scaning M icroscope JSM -840 manufactured by JOEL [3].
Content of structural component were determined using a quantitative methods [4]. Elements content in the structural components is determined applying microspectral and wave dispersion spectral analysis. 3.
RES ULTS AND DISCUSS ION
Chemical composition of tested samples of weld metal and electrode core wire are given in the Table 3. Table 3:
Chemical composition of tested samples of weld metal and electrode core w ire
No Basicity Kernel: Sv - 08 A 1 2 3 4 5 6
B=0.60 B=0.70 B=1.20 B=2.00 B=2.20 B=2.60
C 0.085
0.08 0.065 0.06 0.055 0.04 0.05
Mn 0.50
0.050 1.41 0.35 0.85 0.30 0.63
Chemical composition, % Si 0.03
0.26 0.40 0.032 0.130 0.15 0.23
Cr <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02 <0.02
Cu 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
S
P
0.021
0.010
0.023 0.032 0.032 0.032 0.032 0.032
0.028 0.037 0.037 0.037 0.037 0.037
Results of metallographic tests showed presence of the following main structural components in weld metal samples: acicular ferrite [AF], feathered (alotrimorphic) ferrite [FF], widmanshtetenic ferrite [WF],and martensite – austenite – carbide (M AC) – phase, upper bainite (UB) and lower bainite (LB). The most common weld metal structure appearance is shown in Figure 1.
a) PF x 1000
b) VF x 1000
c) AF x 1000
d) MAC x 1000
e) UB x 1000
f) LB x 1000
Figure 1:
Structure of tested weld metal samples
Change of content of structural components of weld metals in dependance of electrode basicity is shown in the Fig.2.
Figure 2:
Change of structural cmponen ts in weld metal in d ependanceof basicity o f covering
It is evident that increasing of basicity of covering influence on the increase of accurate ferite (AF) in the structure of weld metal and considerably decreasing of feathered ferrite (FF) and widmanshtetenic ferrite [WF], what is in accordinance with previous investigations [4,5]. Alloying elements in a weld metal are mainly distributed in non metal inclusion ( oxides and nitrides ) and in a solid solution ( Table 4.) Table 4:
Mn 0.40 0.30 0.23 0.20 0.24 0.20
Content of a lloying elements in structural components of meta l weld
In oxides Si Ti 0.12 0.001 0.16 0.002 0.30 0.008 0.20 0.008 0.35 0.008 0.40 0.008
Al 0.009 0.010 0.010 0.010 0.010 0.013
Alloying elements (%) In nitrides Mn Si Ti Al 0 0.08 0.020 0.015 0 0.09 0.005 0.020 0 0.05 0.040 0.010 0 0 0 0 0 0 0.003 0.006 0 0 0.003 0.003
Mn 0.64 0.62 0.57 0.50 0.45 0.40
In a solid solution Si Ti Al 0.053 0.01 0.006 0.054 0.005 0.003 0.49 0.003 0.001 0.32 0.003 0.001 0.23 0.001 0.001 0.194 0.010 0.004
Content of M n, Si, Ti and Al in a solid solution, and content of structural components in a meta weld as well, in the function of basicity of covering are given in the Fig.3-6, while the change of grain size and content of nonmetallic inclusions in the function of basicity of covering are given in the Fig. 7 and 8.
Figure 3: Conten t of Mn, FF and AF o f metal weld in a function basicity o f covering.
Figure 4: Conten t of Si, FF and AF in a metal weld in a function basicity o f covering.
Content of AF is decreasing with increasing of basicity of covering. Content of alloying elements M n, Si, Ti and Al in solid solutions of structural components follow increase or decrease of investigated structural components. So, M n and Si are mainly dissolving in a feathered ferrite, while Al and Ti are dissolving in an accurate ferrite.
Figure 5: Conten t of Ti, FF and AF in a metal weld in a function of basicity of covering
Figure 6: Conten t of Al, FF and AF in a metal weld in a function of basicity of covering
Increase of accurate ferite up to 80 % in a structure of metal weld contribute to the best properties combination of strength and toughness, [1]. The increase of basicity of covering results in increase of primary austenite grain size in weld metal samples. This is influenced by different share of nonmetalic inclusions and their distribution along boundaries and inside primary austenite grain (Figs. 7 and 8). 88
90
1,2
83
85
1
80 75
D, MKM
75
0,8
TiN
0,6
TiS
0,4
70
SiC
0,2 0
65 0.6
1.2
2.6
Figure 7: Effects of basicity on primary grain size
0
1
2
Figure 8: Effects of basicity on quantity of nonmetalic inclusion
Nonmetallic inclusions share is higher at primary austenite grain boundary than inside the grain. As expected, inclusions share along the boundary and inside the austenite grain is higher when applying acid coating than neutral or basic ones. The conclusion is that increased content of inclusions at primary austenite boundaries compared to content of inclusions inside the grain results in decrease of austenite grain size. M echanical properties of weld metals are given in the Fig. 9 and 10
Figure 9: Tensile strengh t and yield strength of weld meta l in a fun ction o f basicity
Figure 10: Toughness of tested metal welds in a function of basicity
Increase of basicity of electrode covering tensile strenght and yield strength are decreasing inconsiderably, but toughness is increasing. 4.
CONCLUS IONS • •
•
• • • • • • •
The test results obtained in this work show that basicity in electrode covering is in the range 0.60-2.60, what has significant influence on creating of nonmetallic inclusions, structure and weld properties of low alloyed steels. Quantitative tests of structure were performed in order to define effects of basicity of electrode covering and its alloying and oxidizing abilities on structural composition of certain morphological forms of ferrite as well as mechanical properties of low alloyed steel welds. The highest level of nonmetallic inclusions was reached when applied welding with electrodes whose covering has the lower basicity. Primary austenite grain size was increased with increasing of basicity of covering.. Dominating structural components of low alloyed steels are feathered ferrite, acicular ferrite, vidmanshtetenic ferrite, M AC – phase, upper and lower bainite. M ost desirable structural component in terms of strength and toughness are acicular ferrite and martensite-austenite – carbide (M AC) – phase. The higher share of basicity of covering the higher content of acicular ferrite in weld metal structure. The higher share of basicity of covering the higher toughness of welded joint, provided that Al + Ti deoxidizer took part. For all other combined Al + Ti deoxidizers, maximum toughness can be reached with electrodes having basicity of 1.2. The highest strength and ductility indicators were obtained when applied welding of low alloyed steels with highest basicity of covering of 2.60. Relation between alloying abilities of material to be welded and oxidation abilities of coating must be determined carefully, so that silicium content in ferrite matrix should not exceed 0,1%, and titanium and aluminium 0,15% and 0,003%. The higher content of these elements in solid solution, the higher share of feathered morphological forms of ferrite, the higher strength of weld metal, but the lower ductility and toughness.
REFERENCES 1. Abson D. I., Dolby R.E., Hart P. M .: The role of nonmetallic inclusions in ferrite nucleation in carbon steel weld metals/ Trends in steel and consumables for welding// Weld.Ins.Conf. London -88p. 2. Hrivnjak at al./ M etalofizi eskie issledovanija martenzitno-austenitnoj coctavljajušej (MAS) matala ETV bisokopro nih nizkolegirovanij stalej/ Avtomati eskaja svarka . 1999. 3 pp.22-30 3. Der Europaische M ark dur M etallshweissanlagen, M aschinenanbau 5, 1998, p. 50 4. Seferijan D.: M etallurgija svarki.-M : M ettallurgizdat.- 1963. - M oskva. - p. 338. 5. Yurioka N:, Science and Technology of welding and joining in 20 century and perspective for 21. century, Nipon Steel Corporation, V. 46 3, 2001 pp. 123-128 6. Cullison A: A Plan for the future of welding is in the M aking/ Welding Jurnal, 1998, str. 43-45
Izbor dodatnog materijala pomo u Schaeffler-ovog dijagrama kod zavarivanja razli itih elika Džafer Kudumovi Mašinski fakultet u Tuzli, Univerziteta u Tuzli
Sažetak Danas je skoro svaki metalni materijal industrije, a posebno pove ava i primjenu metala je mogu e zavariti, ali isklju ivo drugog materijala i samim tim osobine dodatnog materijala.
zavarljiv, što veoma pospješuje mnoge grane pojed inih meta lnih konstrukcija. Dva raznorodna se mora paziti da je jedan materijal razli it od su razli ite, što predstavlja problem u izboru
1. UVOD Razvojem metalne industrije tekao je i razvoj na ina vezivanja materijala, posebno metalnih materijala. Tako da danas jedan od naj eš ih na ina spajanja metalnih materijala je zavarivanje, koje je išlo u korak s razvojem tehnologije. Danas imamo spektar na ina zavarivanja metalnih materijala, koji su uveliko efikasniji i primjenljivijih od prethodnih. Zavarivanje spada u moderniji na in spajanja materijala koji omogu ava nastajanje vrste veze izme u spojenih materijala. Prednosti ovog postupka, u odnosu na druge postupke spajanja, su izbjegnuto slabljenje materijala, nosivost se pove ava do nosivosti osnovnih materijala, konstrukcija je lakša i ljepša, sam proces spajanja je jednostavniji itd.. Zavarljivost metala je jedan od osnovnih faktora koji su utjecali, ali i dalje utje u na razvoj industrije. Od po etaka primjena spajanja materijala u neku vezu do danas, došlo je do velikog napretka u na inu vezivanja materijala u vrstu vezu. Zavarivanje je danas gotovo nezamjenljiv postupak vezivanja metalnih materijala. 1.1
Zavarljivost metala
Zavarljivost materijala u velikoj mjeri je odre en, pored osobina materijala, i izborom pravilnog na ina zavarivanja, koji doprinosi osobinama zavarenog spoja. “M etal smatramo onda zavarljivim kada, koriste i odre en postupak zavarivanja, za odre enu namjenu, postižemo homogen zavaren spoj odgovaraju om tehnikom zavarivanja, koji odgovara postavljenim zahtjevima o njegovim mehani kim osobinama, a ujedno zadovoljava kao sastavni dio itave konstrukcije”. Veoma je važno naglasiti da na kvalitet zavarenog spoja utje e i sam izvršilac procesa zavarivanja. 1.2
Zavarljivost elika
Jedan od novijih na in zavarivanja je pomo u laserskog snopa, ali tako e tu su i usavršavani na ini zavarivanja elika.
Na ini zavarivanja zavarivanja elika.
elika sve su više usavršavani tako da danas imamo više na ina
1.2.1 Nelegirani elici Najvažniji prate i element kod nelegiranih konstrukcijskih elika je ugljik. Njegov se sadržaj kre e u granicama 0.1 - 0.6 %. Pored ugljika nelegirani elici sadrže 0.5 % Si , 0.1 % Al, 0.8 % M n, 0.1 Ti, 0.05 % S, 0.25 Cu (iz otpada pri dobivanju elika) 0.05 % P. S obzirom na dodatke za dezoksidaciju: Si, M n, Al mogu se proizvesti u eli ani: 2. Neumireni elik, bez dezoksidacije, s nepoželjnim segregacijama, ali mehkanom površinom pogodnom za duboko vu enje. Ova vrsta elika je najjeftinija. 3. Poluumireni s djelomi nom dezoksidacijom. Ima manje izražene segregacije. 4. Umireni elici se umiruju s dezoksidantima u dovoljnim koli inama. 5. Posebno umireni elici osim Si sadrže Al kao dezoksidant. služi kao tvorac klica kristalizacije i dobiva se sitnozrnati elik s dobrom udarnom žilavosti, otpornosti starenju, jer se azot veže u aluminij nitrid. Sadržaj Al mora biti ve i od 0.02%. Dobro zavarljivim elicima smatrajmo one koji sadrže C < 0.25%. Za elike s C > 0.25% zavarljivost je uslovna, iz toga proizilazi da je potrebno provoditi odre ene mjere kako bi se smanjila vjerojatnost pojave pukotina i da se postignu zadovoljavaju a osobine zavara. Kako bi se što bolje izvršilo zavarivanje nelegiranih konstrukcijskih elika potrebno je: a) Predgrijavanje. Na temperaturu predgrijavanja utje u osim %C i sadržaj ostalih elemenata, debljina stjenke, upetost i sadržaj difuzijskog vodika, tako da je potrebno dodatno korigirati temperaturu predegrijavanja. Tabela 1:
Temperatura predgrijavanja To pri zavarivanju nelegiranih elika
C% 0.20 - 0.30 0.30 - 0.45 0.45 - 0.8
To, oC 100 - 150 150 - 275 275 - 425
b) Zavarivati s ve im unošenjem top line. . To se postiže ja om strujom, manjom brzinom zavarivanja, ve im promjerom elektrode. Kao rezultat dobivamo smanjenje zakaljivanja odnosno tvrdo e ZUT i ZT (zona uticaja toplote i zona topljenja), manja vjerovatnost pojave hladnih pukotina. c) Primjena bazi n ih elektroda, ime dobivamo ve u udarnu žilavost i istezljivost, te manju mogu nost pojave pukotina. d) Oblikovanje konstrukcije treba smanjiti upetost, debljinu i diskontinuitete (koncentraciju naprezanja). Sadržaj S i P mora biti što manji (sadržaj se ograni ava na 0.05%P i 0.05%S). Noviji elici sadrže obi no ispod 0.035% P i približno isto toliko S, pa se može postaviti ova vrijednost kao maksimalna dozvoljena za dobru zavarljivost. Ovakvi isti elici su otporni na pojavu toplih pukotina, pukotina zbog korozije uz naprezanje i na trganje u slojevima. e) Popuštanje zaostalih napetosti za deblje zavarene proizvode, kada se javljaju opasna zaostala troosna naprezanja i sklonost krhkom lomu. Popuštanje zaostalih napona toplinskom obradom se provodi obi no na 550-650oC. Pored navedenog popuštanje zaostalih napona je mogu e provoditi i mehani kim obradama: vibracijama, prenaprezanjem i eksplozijom.
1.2.2 Legirani Mo, CrMo i CrMoV elici Legirani elici su elici koji su uglavnom predvi eni za rad na visokim temperaturama te drugim postrojenjima gdje se traži visoka vrsto a na puzanje i trenutna vrsto a pri visokim temperaturama. Ovi elici naj eš e se koriste za izradu cijevi, komora i posuda pod pritiskom. Kod ovih elika mogu e je posti i višu vrsto u na visokim temperaturama i to legiranjem s 0.5-1.0% M o, 0,5-12.0% Cr i 0,3-0,7 V. Cr poboljšava otpor na oksidaciju pri visokim temperaturama jer stvara oksidni sloj na površini koji ima zaštitnu ulogu, a Cr i M o pove avaju prokaljivost. Zavarljivost i prokaljivost elika s više legiranih dodataka se pove ava, pa se tvrdo a zone uticaja topline (ZUT) i zone topljenja (ZT) pove ava. Sa pove anjem sadržaja legiranih elemenata, tvrdo e i vrsto e pove ava se i sklonost ka hladnim pukotinama ovih elika u ZUT i ZT zoni. Pri zavarivanju treba paziti na isto u rubova, izbor dodatnog materijala i rukovanje njime (mjesto i na in skladištenja elektroda), temperatura izme u prolaza Tm ne smije biti previsoka. Tehnika polaganja gusjenica "povla enjem" je bolja od "njihanja", jer smanjuje deformacije i daje bolju udarnu žilavost. Naknadna toplinska obrada je na elno potrebna za ovu grupu elika za elike 31 %Cr. Za proizvode iz elika ove grupe nakon zavarivanja se preporu uje ponovo provo enje poboljšanja (kaljenje+popuštanje) da bi se postigla zahtijevana svojstva. Nakon zavarivanja uz predgrijavanje, ako je potrebna naknadna toplinska obrada, preporu uje se odmah dizati temperaturu od temperature predgrijavanja na temperaturu odžarivanja. Nakon zavarivanja uz predgrijavanje preporu uje se odmah podizanje temperature na temperaturu toplinske obrade. 2.
ZAVARIVANJE RAZNORODNIH MATERIJALA I IZBOR DODATNOG MATERIJALA
Spajanje raznorodnih materijala je s metalurškog gledišta teže od spajanja istorodnih materijala. Naj eš i problem imamo pri zavarivanju raznorodnih elika. Spojevi raznorodnih elika se javljaju u tri slu aja: a) Zavarivanje razli itih vrsta elika, kada se ZT razlikuje od bar jednog materijala, ili kod oba elika. b) Navarivanje nelegiranog ili niskolegiranog elika zaštitnim slojem nehr aju eg elika ili navarivanje tvrdih slojeva specijalnim legurama se ne razmatra. c) Zavarivanje istorodnih OM (osnovni materijal) uz primjenu DM drugog sastava. Zavarljivi su svi elici otporni na koroziju i vatrootporni elici, s tim što se koriste dodatne žice namijenjene za zavarivanje nehr aju ih i vatrootpornih elika. Za zavarivanje legiranih i uglji nih elika primjenjuje se dodatna žica istog hemijskog sastava kao i osnovni materijal. Da se izbjegnu prsline, martenzitni Cr- elici moraju biti predgrijani prije zavarivanja na temperaturi do 250oC-300oC i žareni poslije zavarivanja. U posebnim slu ajevima, kada se zavaruju raznorodni materijali ograni ene rastvorivosti komponenata u vrstom stanju. Difuzija dovodi do pojave starenja uslijed obrazovanja tvrdih i krtih hemijskih jedinjenja, koje se izdvajaju u toku vremena i time progresivno pogoršavaju neke osobine zavarenog spoja. Kod zavarivanja nehr aju ih elika treba posvetiti pažnju izboru dodatnog materijala. esto se doga a da se zbog nemogu nosti nalaženja adekvatnog dodatnog materijala koriste trake isje ene iz osnovnog materijala sli nog hemijskog sastava kao dodatni materijal. Osnovni uslov zavarljivosti ovih elika je da sadržaj -ferita u šavu ne pre e granicu od 3-8 %. Izbor hemijskog sastava dodatnog materijala zahtjeva pridržavanje slijede ih uslova:
1. Austenitni DM se u pravilu koristi za zavarivanje bilo kog Cr elika s austenitnim elikom. 2. Za zavarivanje jednog, na zraku zakaljivog Cr elika s drugim, dodatni materijal sadrž i Cr u koli ini koju sadrži bilo koji od zavarenih elika, ili sadržaj hroma u iznosu srednje vrijednosti zavarenih metala. 3. Zavarivanje bilo kojeg Cr elika s elikom nižeg sadržaja legiranih elemenata ili uglji nim elikom, zahtijeva DM sastava manje legiranog elika ili uglji nog elika. Preporu ljivo je koristiti (ako je mogu e) najmanje zakaljiv dodatni materijal. U mnogo slu ajeva primjenjiv je austenitni zavar. Kako bi izvršili zavarivanje elika razli itog hemijskog sastava potrebno je izabrati odgovaraju i dodatni materijal (elektrodu) kojeg naj eš e biramo na osnovu Schaeffler-ovog dijagrama. Struktura šava zavisi od koli ine „ -genih“ i „ -genih“ elemenata, koji ulaze u sastav dodatnog materijala. Uticaj „ -genih“ elemenata je izražen ekvivalentom hroma, Cr, tj., koli inom hroma koja bi obrazovala istu koli inu ferita kao i zbir svih „ -genih“ elemenata. 2.1
S chaeffler-ov dijagram
Osnovna specifi nost Schaeffler-ovog dijagrama su njegove ose slika1. Na ordinatu se nanose vrijednosti nikl ekvivalenta, dok se na apscisu nanose vrijednosti hrom ekvivalenta. Pošto se izra unaju vrijednosti Crek i Niek za dodatni materijal, na osnovu Schaeffler-ovog dijagrama, se može odrediti mikro struktura šava. Pored postoje ih formula za odre ivanje Cre k i Niek postoje još mnoge formule za izra unavanje, odnosno modificirane formule. One se razlikuju u ta nosti koje se dobijaju tim izrazima. Posljednja modificirana formula za izra unavanje Crek i Niek glasi [1]:
U Schaefflerov dijagram Bystram je ucrtao linije odnosno podru ja mogu ih opasnih pojava kao što su: • izlu ivanje sigma faze, odnosno pove anje krhkosti (500-8000C) • pojava vru ih pukotina (> 12500C) • pogubljenje zrna (> 11000C) • zakaljivanje i hladne pukotine (< 4000C). Ove nepovoljne pojave zavise o koordinatama, odnosno o sastavu elika, pa nam pored strukture daju podatke za izbor uslova zavarivanja: na ina i postupka (režima) zavarivanja, oblika žlijeba, dodatnog materijala, stepen miješanja osnovnog i dodatnog materijala i slijeda zavarivanja. Delong je modificirao ekvivalent Ni unose i uticaj azota (30 N) i mjere i sadržaj delta ferita feritnim brojem FN (Ferrite Number). Za Schaeffler-ov dijagram možemo re i da je podijeljen na pet podru ja, koja se razlikuju po osobinama. Za izbor DM -a najpovoljnije je podru je 5 (podru ja su naglašena na slici 2.).
Slika 1:
Schaeffler-ov dijagram za odre ivanje strukture šava (www.brod.sfsb.hr)
Slika 2:
Podru ja pove ane krhkosti poslije top linske obrade na 500-900 C; 2) Podru je pove ane sklonosti toplim pukotinama; 3) Podru je pove ane sklonosti hladnim pukotinama u martenzitu. Neophodno predgrijavanje; 4) 0 Ukrupnjavanje zrna iznad 1100 C. Mala radnja loma na sobnoj temperaturi; 5) Podru je dobre zavarljivosti (www.brod.sfsb.hr)
2.2
0
Primjena S chaeffler-ovog dijagrama
Sljede a slika (slika 3.) prikazuje korištenje Schaeffler-ovog dijagrama da bi se odredio kona ni sastav ZT, poznavaju i stepen miješanja, sastav metala koji se spajaju i sastav DM odnosno elektrode koja se koristi pri zavarivanju. Date je elektroda 24Cr 13Ni za zavarivanje 2.25Cr1M o (M 1) s 12Cr1M o03V (M 2). Sastav samog zavara treba biti u šrafiranom podru ju, ako je mogu e. Šrafirano podru je u Schaeffler-ovom dijagramu predstavlja podru je dobre zavarljivosti. M iješanje od 40% (za REL postupak) je izabrano u oba slu aja. To pokazuje da tok i postupak koji se koristi za zavarivanje igraju bitnu ulogu u odre ivanju postotka
miješanja i u izboru sastava zavarenog spoja. Za pojedine postupke zavarivanja imamo stepen miješanja koji ima približnu vrijednost. Tko da imamo: • REL 20-25% miješanje; • M IG 20-40% miješanje; • EPP 20-50% miješanje; • TIG 20-50% miješanje; • EPP- navarivanje trakom 5-25% miješanje; Sve ove vrijednosti zavise od niza faktora kao što su jakost struje, nagib elektrode, debljina materijala, vrsta dodatnog materijala, ali i osnovnog itd. Slijede i primjer pokazuje primjenu Schaeffler-ovog dijagrama. Imamo metalni materijal 2.25Cr 1M o (M 1) za koji izra unavamo Cr i Ni ekvivalent na osnovu hemijskog sastava (tabela 2.). Tabela 2:
Hemijski sastav 2.25Cr1Mo
Iz hemijskog sastava slijedi prora un Ni i Cr ekvivalenta:
Tako smo dobili ta ku M 1 na Schaeffler-ovom dijagramu (unose i vrijednost Cr i Ni ekvivalenta). Slijedi prora un Cr i Ni ekvivalenta za drugi metalni materijal (12Cr1M o0.3V). Tabela 3:
Hemijski sastav 12Cr1Mo0.3V
Slijedi prora un:
Iz ovoga dobivamo ta ku M 2. Ucrtane ta ke M 1 i M 2 spajamo linijom, na ijoj sredini se nalazi ta ka A (dobiva se na osnovu miješanja 20%:20%). Poziciju dodatnog materijala na Schaeffler-ovom dijagramu
dobivamo kao i poziciju materijala M 1 i M 2 (na osnovu prora una Cr i Ni ekvivalenta dodatnog materijala), te iz toga dobivamo ta ku B. Spajamo ta ku A sa ta kom B, te na osnovu stepena miješanja postavljamo ta ku C koja odgovara šavu, odnosno strukturi dobivenog šava. itav postupak prikazan je na slijede oj slici (slika 3.).
Slika 3:
Dijagram Schaeffler za odre ivanje sastava ZT spoja elika (M 1) i (M 2) REL zavarivanjem (40% miješanje OM). Najpovoljn iji je dodatn i materijal 24Cr 13 Ni-austenitn e strukture s oko 7% ferita (može se koristiti i elektroda BÖHLER CM 2-IG) (www.brod.sfsb.hr)
Sam iz gled zavarenog spoja (osnovni materijal (www.msitesting.com) dat je na slici 4. ovog rada.
Slika 4:
3.
Izgled zavarenog spoja (www.msitesting.com)
s
(osnovni materijal s
dodatnim
materijalom)
doda tnim
materijalom)
ZAKLJU AK
esta je pojava da se dolazi u poziciju da se moraju zavariti elici razli itog hemijskog sastava odnosno osobina. Jedan od važnijih segmenate zavarivanja je zavarivanje raznorodnih materijala. Danas je skoro svaki metalni materijal zavarljiv, što veoma pospješuje mnoge grane industrije, a posebno pove ava i primjenu pojedinih metalnih konstrukcija. Dva raznorodna metala je mogu e zavariti, ali isklju ivo se mora paziti da materijal M 1 je razli it od M 2 i samim tim osobine su razli ite, što predstavlja problem u izboru dodatnog materijala. Prvo se mora upoznati s njihovim osnovnim osobinama. Svakako, danas je mogu e dva metalna materijala zavariti i nekim posebnim postupcima, ali se unosi velika koli ina energije pri tom procesu, pa zavar nije toliko siguran zbog hemijskih karakteristika šava koje nastaju
upotrebom velike koli ine energije. Pored ostalog potrebno je ista i da se moraju pro i sve pripreme prije zavarivanja ovakvih konstrukcija te izvršiti pravilan izbor dodatnog materijala , a i samog proizvo a a, što pokazuje i ovaj rad (elektroda BÖHLER). LITERATURA 1. 1.Schaeffler dijagram Ir G Henderieckx GietechDIAGRAM BV M arch, 2006; SCHAEFFLER DIAGRAM ; “CALCULATION OF STRUCTURE FOR STAINLESS STEELS” 2. 4. SEM INAR; „ elici otporni na koroziju“ (nehr aju i elici) 24.05.2007., Pula „ZAVARIVANJE Cr-Ni CELIKA, KOROZIJSKA POSTOJANOST,RUKOVANJE“ Prof.dr.sc. Ivan Juraga, Vinko Šimunovi , dipl. ing., Ivan Stojanovi , dipl. ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje, 10 000 Zagreb, I. Lu i a 5 3. “ZAVARLJIVOST M IKROLEGIRANIH POBOLJŠANIH ELIKA RABLJENIH U BRODOGRADNJI”; Dr. sc. Nedjeljko M išina, Fakultet elektrotehnike, strojarstva I brodogradnje Sveu ilišta u Splitu, R. Boškovi a b.b., 21000 Split; Dr. sc. M arijo Oršuli , Visoka pomorska škola Sveu ilišta u Splitu, Zrinsko-frankopanska 38, 21000 Split; Dr. sc. Ivan Polajnar, Fakultet za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia 4. 4. M e unarodno znanstveno-stru no savjetovanje TEHNOLOGI NA PRIMJENA POSTUPAKA ZAVARIVANJA I ZAVARIVANJU SRODNIH TEHNIKA U IZRADI ZAVARENIH KONSTRUKCIJA I PROIZVODA; Slavonski Brod, 14. – 16. studeni 2007.; “NEKA ISKUSTVA PRI ZAVARIVANJU M ARTENZITNOG ELIKA T/P 92”; B. DESPOTOVI , T. MARSENI , B. BRECHELM ACHER, D. BIRA 5. “OSVAJANJE TEHNOLOGIJE ZAVARIVANJA DVOSLOJNIH Cr-M o-Ni ELIKA VISOKE VRSTO E”; Z. Odanovi , V. Grabulov, B. Katavi ; April 2008. 6. “PRIM ENA SEFLEROVOG DIJAGRAMA ZA PROCENU ZAVARLJIVOSTI NEHR AJUCIH ELIKA”; M r Julija FISL, dr Bela SABO, dr Ivan GLAVARDANOV, dr Leposava SIDANIN Fakultet tehni kih nauka, Novi Sad 7. “Ferit u metalu zavara-Schaefflerov dijagram”; WRC 1992 Constitution dijagram; Lincoln electronic 8. “Postupci zavarivanja i njihov utjecaj na kvalitetu i troškove u proizvodnji“; jednodnevni seminar; voditelj seminara: dipl. ing. Nihad Crnali , EWE; Pula 08.12.2005. 9. Dr. Džafer Kudumovi ; “Zavarivanje i termi ka obrade”; Univerzitet u Tuzli; Fakultet elektrotehnike i mašinstva; Tuzla januar 1998. god. 10. Avram M ajstorovi , M ilorad Jovanovi ; „Osnovi zavarivanja, lemljenja i lepljenja“; Nau na knjiga; Beograd 1995. god. 11. Internet: http://www.thomas-sourmail.org/stainless/index.html http://www.migweld.de/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-withdifferent-base-materials.html http://www.migweld.de/english/products/packaging/nickel-alloys.html http://en.wikipedija.org http://www.elektroda-zagreb.hr/dodatni_materijali3.htm http://www.sfsb.hr/kth/zavar/tii/mikro.html http://www.treatrade.hr/Reparaturna_tehnika.html http://www.varstroj.si/index.php/naputci-za-izbor-postupka-zavarivanja.html http://www.brod.sfsb.hr http://www.msitesting.com
Kakovost spoja trdega navara na valjih stroja za kontinuirno litje Petro Yasniy1, Pavlo Maruschak1, Volodymyr Hlado1, Tomaž Vuherer2, Vladimir Gliha2 1
Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ukrajina Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Slovenija
2
Povzetek Analizirali smo lastnosti materiala na spoju trdega navara na mehko osnovo valja za kontinuirno litje, ki je mo no podvržen nastajanju razpok zaradi termi nega utrujanja. Z merjenjem mikro trdote in meta lografsko analizo ter s fraktografsko analizo vzorcev, ki so bili zlomljeni pri dveh referen nih temperaturah, smo zaklju ili, da je kakovost tega zelo tankega sloja zadovoljiva. Nismo našli nikakršnih napak, a sama žilavost je glede na karakteristike prelomnih površin materiala na spoju dobra.
1.
UVOD
Valji strojev za kontinuirno litje jekla so izredno mo no obremenjeni strojni deli tako v mehanskem kot v toplotnem smislu. Po dolo enem asu uporabe se na njih pojavi mreža razpok, ki so znak izrabljenosti valjev in vplivajo na kvaliteto litega izdelka. Tak vzorec materiala površine valjev po dolo eni dobi uporabe je prikazan na sliki 1.
Slika 1:
Valj z mrežo razpok
Da bi pri omejeni ceni takšne opreme dosegli dobre operativne lastnosti valjev in im daljšo uporabo, se navari na mehko osnovo trše jeklo in tako dobi primerno trdno delovno površino. Za osnovo valja uporabljajo materiale iz skupine navadnih feritno-perlitnih jekel, za navarjanje pa legirane elektrode, tako da dosežejo zaš itni sloj s feritno-martenzitno mikrostrukturo. Ta sloj mora imeti visoko trdoto ter biti odporen proti obrabljanju in pregorevanju. Vse te lastnosti zaš itnega sloja in njegovo odpornost na nastajanje razpok zaradi termi nega utrujanja materiala se doseže z optimalno mikrostrukturo materiala navara v smislu njegove kemi ne sestave in kombinacije mikrostrukturnih sestavin.
Jasno je, da se mikrostruktura materiala na spoju navara, to je na prehodu od osnovnega feritno-perlitnog jekla na sloj feritno-martenzitnega jekla, odraža na mehanskih lastnostih tega spoja in zaradi tega na funkcionalnost celotne strojne komponente [1]. M orfologija martenzita na rti spajanja dveh razli nih jekel vpliva na krhkost materiala, oziroma na raven njegove lomne žilavosti. Ta lastnost materiala je bistvena na mestu, kjer se napetosti, ki so posledica oviranega termi nega širjenja i kr enja materiala, v asu cikli nega prihajanja površine valja v stik z vro im materialom, najbolj intenzivno spreminjajo. Zaradi zadovoljive lomne žilavosti je spoj med osnovo i navarom bolj odporen proti pojavu razpok zaradi termi nega utrujanja. Razen tega pa možno izlo evanje karbidnih delcev in visoka stopnja tetragonalnosti martenzitne kristalne rešetke povzro i zmanjšanje plastifikacije dislokacijskih letev, kar ima za posledico velike mikrostrukturne napetosti. V lanku so prikazani rezultati metalografskih in fraktografskih raziskav mikrostrukturnih parametrov materiala na spoju trdega navarjenega sloja na mehko osnovo valja, ki so dobljeni pri raziskavah z opti nim mikroskopom in elektronskim vrsti nim mikroskopom. 2.
METODA RAZIS KOVANJA
Po navarjanju je bil premer valja 97 mm. Navarjanje bilo je izvedeno pod praškom z dvema slojema v skupni debelini 3.6 mm z 2.4-mm žico in z legirnimi elementi v prašku. Jakost elektri nega toka je bila I = 240-260 A, napetost U = 28 V ter hitrost navarjanja v = 30-34 m/h [2]. Da bi se zmanjšal uvar in s tem stopnja namešanja, kar vpliva na delež osnovnega materiala v sestavi navara, je bil prvi sloj narejen z elektrodo na + polu, naslednji sloj pa z obratno polariteto. Dolo ili smo kemi no sestavo obeh materialov navarjenega valja. Osnovni material je jeklo 35G2, a navarjeni sloj odgovarja jeklu 18Kh11M NFB (tabela 1). Tabela 1:
Kemi na sestava materiala navarjenega valja
Jeklo 35G2 18Kh11M NFB
C 0,35 0,18
Si 0,25 0,6
Ni 0,3 1,0
Cu 0,3 -
Cr 0,3 11
Mn 1,4 1,0
Mo 0,7
V 0,2
M ikrostrukturno analizo navarjenega podro ja smo po jedkanju poliranih površin vzorcev s 5 g FeCl3 v 10 ml HCl in 100 ml C2H5OH izvedli z opti nim mikroskopom Epiphot 300 in vrsti nim elektronskim mikroskopom REM -106 tipa I. Trdota je na navarjenim vzorcih dolo ena z merilcem Super Rockwell pri obremenitvi 150 N, a mikro trdota na podro ju prehoda na trdi navarjeni sloj z merilcem PTM -3 i pri obremenitvi 1 N in držanjem obremenitve 15 s. Udarno žilavost bimetalnih vzorcev dimenzije 5×5×27.5 mm z V-zarezo globine 1 mm ter ostrino 0.125±0.0125 mm z uravnoteženim delom osnovnega materiala i materiala navara smo izmerili na Charpy kladivu VKM -5 pri temperaturah +20 in +250° . Dolo itev vpliva mikrostrukturnih parametrom na mikro mehanizme loma je bilo izvedeno na prelomih teh preizkušancev z uporabo vrsti nega mikroskopa REM -106 tipa I. 3.
REZULTATI IN DIS KUS IJA
Osnovni material valja, ki je nosilec trdega navara, je jeklo 35G2, ki se uvrš a med srednje oglji na feritna-perlitna jekla. Raziskave mikrostrukture so pokazale, da gre za strukturno
enostaven ferit, perlitne kolonije, ki so locirane na razli nih delih feritnih zrn z podolgovatimi ali globularnimi karbidnimi podro ji [4]. Glede na dispergiranost delcev cementita lahko zaklju imo, da gre za sorbitno mikrostrukturi. Navar na valju iz jekla 18Kh11M NFB se uvrš a med nizko oglji na feritno-martenzitna jekla. M artenzitne cone mikrstrukture su iz letev dislokacijskega martenzita [4]. M etalografska analiza vzorcev je pokazala, da so na spoju obeh materialov pravzaprav tri razli ne cone. Prva cona obsega osnovni material, ki je termi no vplivan v asu navarjanja prvega sloja navara, druga je v širšem smislu rta spajanja, a tretja je prehodno podro je na navaru. Celotna širina rte spajanja se na razli nih delih vzorcev ne spreminja veliko in znaša okoli 150 µ m (slika 2). Ker se osnovni material bolj jedka od materiala spoja, je medsebojna penetracija enega materiala v drugega dobro vidna (slika 2d). Na spoju nismo našli nikakršnih sledov nizov ali posami nih por ter nekovinskih dodatkov. Zaradi pojave enakomerno distribuiranih oksidov v zvarni kopeli nastanejo oksisulfidi M nS•FeS•CrS•FeO. Posledica je, da so med kristalizacijo kopeli in nastajanjem martenzitnih letev odsotni vklju ki manganovega sulfida (M nS). M ikro trdota osnove se spreminja od 220 HV ob rti spajanja do 180 HV na oddaljenosti 1.5 mm od rte spajanja (slika 3b).
Slika 2:
a
b
c
d
Spoj, ki deli osnovo valja, torej jeklo 35G2, od navara, ki ima kemi no sestavo jekla 18Kh11MNFB. Dve fo tografiji pri razli n i pove avi so narejen e z opti nim mikroskopom (a, b) in dve z vrsti nim elektronskim mikroskopom ( , d).
V navarjenem jeklu je do 0.1 mm od rte spajanja zabeleženo lokalno pove anje mikro trdote do 543 HV, a malo dalje, na oddaljenosti 0.5 do 1.5 mm, je mikro trdota 480-488 HV. Verjetno pride do pove anja mikro trdote isto ob rti spajanja zaradi formiranje depozita karbidov vzdolž mej zrn navarjenega jekla. Razen tega je lahko pove anje mikro trdote povzro eno s pove anjem dela martenzita v feritno-martenzitni mikrostrukturi s fragmentacijo lamel v martenzitnih paketkih. Fotografije z odtisi od merjenja mikro trdote v bližini rte spajanja so prikazane na sliki 3c in 3d. HV150
HV1
500
600
450 500
400 350
35G2
18Kh11MNFB
300
400
35G2
18Kh11MNFB
300
250
200
200 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5
0
L, mm
Slika 3:
0,5
1,0
1,5
2,0
-1,5
-1,0
- 0,5
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
L, mm
a
b
c
d
Trdota in mikro trdota preko spoja osnove ni navarjenega sloja (a,b) ter odtis i od merjenja mikro trdote na rti spajanja ( c,d )
Fraktografska analiza prelomne površine, izvedena po merjenju udarne žilavosti, dokazuje transkristalni karakter loma obeh jekel pri nižji in višji temperaturi testiranja, vendar pa se prelomne površine mo no razlikujejo. V navaru (jeklo 18Kh11M NFB) se vidi pri temperaturi testa +20°C lom z kvazi cepljenjem v kombinaciji s površino, ki nastane z bolj žilavim transkristalnim lomom. Prisotnost sekundarnih mikro razpok dokazuje, da je bil del energije za prelom porabljen tudi za njihov nastanek. Strižno deformirana podro ja so karakteristi na po nekaj manjši plasti ni deformaciji, pri emer je na prelomni površini, ki nastane s takšnim lomom, opažena mreža grebenov, kar dokazuje prisotnost krhkega in nekaj bolj žilavega tipa loma.
Rezultati fraktografske analize dela preizkušanca iz jekla 35G2, ki je bil zlomljen pri temperaturi +20°C, izkazujejo jami asto strukturo preloma (slika 4a). Pri žilavem prelomu tega dela Charpy preizkušancev se ustvarijo paraboli ne jamice, ki nastanejo z izvle enjem delov materiala v nasprotni smeri od mesta za etka loma iz zareze. Neke ve je jamice, ki presežejo velikost 5 µ m, prestavljajo manj trdne dele mikrostrukture, vendar je raztegovanja in stiskanje materiala med njimi dokaz da je med lomom potrošeno veliko energije. Rezultati fraktografske analize preloma na temperaturi +250°C povedo, da gre tudi v tem primeru za manjše, mnogo bolj fine jamice (slika 4b). Razen tega so prisotna podro ja z kvazi cepljenjem in interkristalnimi mikro razpokami. Odsotnost ve jih jamic na delu prelomne površine na jeklu 18Kh11M NFB je dokaz manjše plasti ne deformacije materiala. V mnogih vdolbinah so delci, ki so vzrok za za etek nastajanja mikro por. Ko je bila temperatura testiranja žilavosti +250°C se v jeklu 35G2 oblikujejo podro ja z izvle enimi deli materiala, ki so prepleteni, kar dokazuje, da je plasti nost in poraba energije za lom pove ana (slika 4). Velikost in izvle enje paraboli nih jamic se pove a, pove a pa se tudi zbiranje materiala na stranskih površinah Charpy preizkušancev. Fraktografska analiza prelomnih površina dokazuje da imajo podro ja na osnovnem, mehkejšem jeklu 35G2 in na trdem jeklu 18Kh11M NFB razli en karakter loma. Ugotovili smo, da na prelomu na spoju ni mikro razpok. Zaklju imo lahko, da zaradi navarjanja to podro je ni postalo bolj krhko.
a Slika. 4:
b
Fraktografski posnetki rte spajanja po testiranju udarne žilavosti na 0 0 temperaturi +20 (a) in +250 (b)
LITERATURA 1. Dombrovsky F.S., Leshchinsky L.K.: Serviceability of hard-faced rolls of billet continuous caster. Kyiv, E.O. Paton Institute of Welding, 1995. 198 p 2. Krasilnikov S.G., Okunev Y,V., Panteleymonov V.A.: Application of the power wire OSC “T.M. WELTEK” in manufacturing metallic constructions JSC “NKMZ”. Svarshchik. 2007. No 1. p. 6-9 3. Orlov L.N., Golyakevych A.A., Novikova D. P.: Welding of the CCM supporting surfaces by the powder wire. Svarshchik. 2002. No 3. p 5-12 4. Yasniy P., Hlado V., M aruschak P.: Effect of structure on the fracture micromechanisms of the CCM roll welded layer under the impact toughness. Scientific Letters. Selected papers, Lutsk. 2007. Issue 20. p. 591-595
! " # $ %
&
'
Determination of Welding Heat Input in TIG and Laser welding of duplex LDX 2101 Steel S. Cvetkovski 1, L.P. Karjalainen1, V. Kujanpää2, A. Ahmad2 1
University of Oulu, Department of Mech anical Engineering, Box 4200, 90014 Oulu, Finland 2 Lappeenrant a University of Technology, 53851 Lappeenranta, Finland
Abstract The heat input applied in arc w elding can be estimated based on the pow er taken from th e welding power source and the thermal efficiency of the welding method. In laser weld ing, however, the absorption of laser beam can vary very significan tly, so that th e estimation o f laser heat input is difficult. In the presen t paper a method is d escribed to estimate the rea l heat input applied in w elding based on determination of the temperature distribution in a welded jo int of dup lex steel sheet. The temperature distribution is determined based on observations of the positions o f certain metallurgical microstructures in the hea t-affected zone. The exact temperatures for the formation of these specific microstructures were obtained by thermal simulation using various peak temperatures and cooling rates.
1.
INTRODUCTION
In laser beam welding, the absorption of the beam in the metal is not known, so that the welding heat input cannot be calculated directly. The basic idea of this study is to develop a procedure for determination of heat input in the laser welding process by implementing the Adams equation for the two-dimensional heat distribution. To realize this idea, it is necessary to determine two characteristic microstructure locations corresponding to the known peak temperatures in the welded joints HAZ, and to measure the distance between them. Implementing the measured distance in the Adams equation, the absorbtion coefficient can be determined, and finally heat input can be calculated. 2.
MATERIAL AND EXPERIMENATAL
LDX 2101 (EN 1.4162; UNS S32101) is a quite new duplex steel grade. It is a low-alloyed, general-purpose duplex stainless steel. The main properties of LDX 2101 steel are: high strength, good fatigue resistance, very good weldability, good corrosion resistance, high resistance to stress corrosion cracking and high energy absorption [1-7]. The balanced chemical composition of LDX 2101, given in Table 1, results in a microstructure containing approximately equal amounts of ferrite and austenite. Table 1:
Chemical composition of LDX2101 steel (wt% )
Element C % 0.03
N 0.22
Cr 21.5
Ni 1.5
Mo 0.3
Mn 5.0
Sheets from LDX 2101 steel, with thickness of 3 mm, were investigated in this study. The tests material was provided by Outokumpu Stainless Oy. Two autogenous, automatic TIG, bead-on-plate welding experiments were carried out. The welding parameters employed are given in Table 2. An intention was to obtain two dimensional thermal conduction conditions, i.e. deep full penetration. In the present tests, typical cross-sections of the welds are shown in macro photos Figure 1 (a and b). Table 2:
Welding parameters used in two au togenous TIG bead-on-p late weld ing experiments W eld a 120 12 220 236
P aramet ers Current (I) Volt age (V) W elding speed (mm/min) Heat input Q (J/mm)
Figure 1:
W eld b 150 12 250 260
Macro photos of cross-sections of TIG bead-on-plate w elded joints
Laser weldments were carried out at Lappeenranta University of Technology employing CO2 laser (He shielding gas with the flow rate of 20 l/min) in the keyhole mode. Applied parameters for laser welding tests are given in Table 3. Typical cross-sections are shown in Figure 2. Table 3:
Welding parameters for laser weld ing tests
Weld No.
Sheet thick. mm
Laser power, W
Welding speed, m/min
13 20 33 36
3 3 3 3
5000 5000 5000 5000
1 4.5 1.5 6
a
Figure 2:
b
Focal length, mm 300 300 200 200
c
Macro photos of cross-sections of laser weldmen ts a. No 13 b. No 33 c. No 36
Simulation of the influence of thermal heat input on microstructures of the HAZ was performed on a Gleeble 1500 simulator. The shape and dimensions of the specimens for simulation experiments are shown in Figure 3. The following parameters were used in the simulation experiments: 0 • Heating rate: 500 C/s
Peak temperatures: 900, 1000, 1100, 1200, 1250, 1300 and 1350 0C/s Holding time: 1 s Cooling time, ∆t8/5: 1.7 s (air cooling), 5 s and 10 s. Thermal history curves in the simulation experiments with the peak temperatures in the range 900-1350°C and the cooling time of 1.71 s (air cooling) can be seen in Figure 4. • • •
1600
30
15
1400
30
Peak tem p. 900 0C Peak tem p. 1000 0C
Peak temperatur e,
oC
1200
10
Peak tem p. 1100 0C Peak tem p. 1200 0C
1000
Peak tem p. 1250 0C Peak tem p. 1300 0C
800
Peak tem p. 1350 0C
600
400
5
200
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
time, s
Figure 3:
Shape and dimensions of the specimens
Figure 4: Thermal curves in simulation: hea ting rate for thermal simulation 500°C/s, hold ing time 1s, cooling time 1.7 s
After the bead-on-plate TIG and laser welding experiments and the Gleeble simulation, hardness measurements and metallographic investigations were performed. Hardness (HV2) was measured along the line beneath the surface of the sheet with the interval of 0.5 mm between the measuring points. Nine measurements were made on every specimen and the mean values were used. 2.1
Preparation of metallographic of specimens
From the simulated specimens and TIG and laser weldments, specimens for metallographic investigations were made. Standard metallographic preparation of specimens is performed. M any trials with different electrolytic and chemical etchants were performed for appropriate revealing of characteristic microstructure. Quantitative and qualitative metallographic analysis was made on NIKON optical microscope. 3.
RES ULTS
The influence of the peak temperature and cooling rates on the hardness is shown in Figure 5. 260 t8/ 5 = 1 .71 s
Hardness values HV2
255
t8/ 5 = 5 s t8/ 5 = 1 0s
250 245 240 235 230 225 850
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
1400
Pe ak tempe rature , 0C
Figure 5:
Hardness values in dependant o f th e simula tion p eak temperature and cooling rate
3.1
Welding simulation - characteristic microstructure changes
M icrostructures of specimens heated to the peak temperatures in the range from 900 to 1350 C and the cooling time of ∆t 8/5=5 s are shown in Figure 6. Generally it can be seen that banded ferritic-austenitic microstructure is dominant in the temperature range 900-1300 0C. With increasing peak temperature the width of the bands tend to increase. This is most obvious at the highest peak temperatures of 1250 and 1300 0C. At 1300°C, the banded structure is still present, but as seen in Figure 6d, destruction of the banded structure starts at some isolated locations. At the temperature of 1350°C completely retransformed microstructure can be observed. New polygonal ferritic grains are formed with austenite on grain boundaries and in some cases inside the grains (Figure 6e). 0
a
b
c
Figure 6:
d
e
Microstructure of LDX 2101 steel in simula ted thermal cycles ∆ t8/5 = 5 s (10% Oxalic a cid) a) Tp = 900 °C b) Tp = 1000 °C c) Tp = 1250 °C d) Tp = 13000 °C e) Tp = 1350 °C
Another observation from metallographic investigations of simulated specimens is the precipitation of particles, probably CrN nitrides, inside the ferrite grains, appearing as dark or black spots. From analyze of Figures 6a and 6b, can be seen that the start temperature of the precipitation is 1000°C. This conclusion was confirmed performing etching with different
etchants: H2S04, HNO3 and Beraha etchant. The specimens shown in Figure 6 were etched with 10% oxalic acid (4V, 60s). At highest temperatures, precipitation is very pronounced so that grains are almost black. Hence, as result of metallographic investigation of the thermal-simulated specimens, two characteristic temperatures can be determined: 0 • 1350 C - peak temperature at which retransformation of microstructure appears. 0 • 1000 C - peak temperature at which precipitation of particles with appearance of dark spot clusters are discovered in the ferritic bands. Simulation using different cooling times, i.e. ∆t 8/5 = 1.7, 5 and 10 s did not show any noticeable difference in the microstructure. However, as seen in diagram figure 5, there is a slight difference in hardness values depending of cooling times. It can be noticed that the shape of curves are quite similar, and slight differences in hardness values can be result of difference in cooling rates. It can be noticed that after peak temperatures of 1100 0C, there is lowering of hardness values probably because of grain size/bands growth at higher temperatures. 3.2
Microstructure of TIG welded joints
Similar microstructures as in the simulated specimens are detected in the HAZ of TIG welded joints, Figure 7. In Figure 7a the start of precipitation can be noticed. In Figure 8b, the weld metal, fusion line and HAZ adjacent to the fusion line are shown. Retransformation of microstructure and formation of equiaxed ferritic grains with austenite on grain boundaries and inside the grains are distinct. Precipitated particles are numerous, too. Precipitates in coarse-grained HAZ and weld metal can be seen in Figure 8 at a higher magnification. Precipitation occurs both inside the grains and grain boundaries ferrite/austenite. However, it was realized that short-time etching, i.e. light one, of about is much better for precipitation analysis (Oxalic acid, 4V, 40 s etching time).
a
Figure 7:
b
Microstructure of autog enous TIG bead-on-plate welded jo int, Q = 236 J/mm a) start of precipitation b) HAZ, fusion line and w eld meta l
a
Figure 8:
3.3
b
Precipitation in TIG bead-on-plate w eldments a) HAZ b) weld metal
Metallographic investigations of laser weldments
From macro-photos in Figure 2 and low a difference in the width of the weld metal and HAZ can be ascertained as a result of different heat input. Besides, in specimen No 36 with the lowest power, there is much more intensive precipitation of particles in the weld metal compared with other weldments (9a). As a result of high cooling rates (i.e. low heat inputs) there is much more ferrite in weld metal microstructure and adjacent to the fusion line. From pre-saturated ferrite, precipitation of particles can occur.
a
Figure 9:
b
Microstructure of laser weldment specimen 36 a) Laser weldment- lower magnification b) HAZ, fusion line and w eld meta l
Another observation is that there is not such characteristic microstructure of the high temperature HAZ in laser weldments as found in TIG weldments. This means that equiaxed grains cannot be found, only bands of ferrite and austenite even very close to the fusion line. But, there is sharp fusion line between the weld metal and HAZ. This can clearly be seen from Figure 9b which concerns the microsturucture of the weld No 36 too. 3.4
Determination of welding heat input using the Adams equation and comparing to the heat input applied in TIG welding
After metallographic analysis of simulated specimens and autogenous TIG bead-on-plate welded joints, the procedure for heat input determination using the Adams equation was performed. As previously was pointed out, two characteristic peak temperatures (Tp) were observed by welding simulation: 0 • 1350 C - temperature of retransformation of microstructure, 0 • 1000 C – the start temperature of nitride particle precipitation.
The melting temperature of 1445 0C i.e. temperature at fusion boundary taken from literature (8) was used in calculation too (Tm). The heat input in TIG bead-on-plate welding was determined using well known equation for arc welding. The values obtained are given in Table 2. Q =η ∗
U ∗ I ∗ 60 kJ/mm v ∗ 1000
(1)
where:
U – Voltage (V), A – current (I); v – welding speed (mm/min), η - efficency of welding process.
Calculated values for Q from the equation (1) was implemented in the Adams equation in order to determine distance between the fusion line and precipitation start location (1000°C). The Adams equation [2] is used for the 2D-temperature distribution is as follows: 1 Tp − T 0
=
4.13 ∗ ρ ∗ t ∗ c ∗ Y Q
+
1
(2)
Tm − T 0
The parameters and their values used for LDX 2101 steel are the following: Density of material, ρ = 0.008 g/mm3 ; Thickness of sheet, t = 3 mm; Specific heat capacity, c = 0.5 J/g0C; Y = distance between to temperature points, mm; M elting temperature T m = 1445 0 C, Ambient temperature T o = 20°C; Peak temperature, T p = 1000 °C; Heat input Q J/mm. In the calculation, temperature at the fusion line, i.e. melting temperature T m is taken as 1445°C, the data according to Rolled Alloys RA, and as the temperature of precipitation start 1000 °C was used according to metallographic analyze (T p). Using the NIKON optical microscope the same distance was determined by direct measurement. The values for distance from measurements and calculations are given in Table 4. In Figure 10, the measurement using optical microscopy has been demonstrated. Table 4:
0
Measured and calcula ted values for the d istance b etween 1445 and 1000 C
Temperature, Distance, µ m 1445/1000 0C
Figure 10:
TIG Q1 = 236 J/mm M easured Calculated 1472 1517
TIG Q = 260 J/mm M easured Calculated 1629 1672
Determination of temperature d istance 1445/1000 Q=260 J/mm
0
C for TIG weldments
As seen, the procedure shows very good consistence between the measured and calculated values for TIG welding, so that it can be implemented for laser weldments, too. 3.5
Determination of welding heat input using the Adams equation in laser welding
In laser welding direct determination of heat input is not possible because the absorption coefficient should be known. From metallographic photos, the distance between the fusion line and precipitation start location, i.e. 1445/10000C, could be obtained. These values are implemented in the Adams equation (3) for the absorption coefficient determination: ∆r ∗ A=
v∗d π ∗e ∗ ∗ (2 ∗ ρ ∗ c ) P 2
1 Tp − T 0
−
(3)
1 Tm − To
where: Α - absorption coefficient, ∆r - distance between maximum and minimum temperature
position (mm), v- welding speed (mm/s), d - penetration depth 3 (mm), P - laser power 5000 (W), e - base natural log, ρ - material density 0.008 (g/mm3), T 0 – ambient temperature 20 0C, T m – melting temperature 1425 0C , T p – peak temperature 1000 0C. Determination for the distance 1445/1000 0C in the case of different laser weldments is shown on Figure 11 and 12(a and b), and the values obtained for the absorption are given Table 5. Table 5:
Values for absorption for different laser weldments and used parameters in its calcula tion
Laser test No 13 33 36 36
Laser power (W) 5000 5000 5000 5000
Welding speed (mm/min) 1000 1500 6000 6000
Distance Absorption % (µ m) 32 29 35 44
612 375 113 144
0
Figure 11: Determination of temperature distance 1445/1000 C for laser weldments by optical microscope, specimen 13, absorption 32%
After determination of absorption coefficient heat input in laser welding can be determined using the equation (4): Q=
A∗ P v
(4)
where: Α - absorption, P - laser power 5000 W, v- welding speed (mm/s)
0
Figure 12 (a and b): Determination of temperature distan ce 1445/1000 C for laser weldments by optical microscope, specimen 36 a) absorption 35% b) absorption 44%
4.
S UMMARY
In the duplex LDX 2101 stainless steel, two characteristic temperatures were determined: 0 • 1350 C - the peak temperature at which retransformation of microstructure appears. New polygonal ferrite grains delineated with austenite and smaller amount of austenite inside the grains is formed. 0 • 1000 C - the peak temperature at which precipitation of particles, presumably chromium nitrides, with appearance of dark spot clusters are discovered in the ferrite bands. This peak temperature was used in performed calculations. Based on the above-mentioned temperatures and corresponding microstructures, it is shown that the Adams equation can be used to predict the 2-D temperature distribution in autogenous bead-on-plate TIG welds. In CO2 -laser welding in the keyhole mode the similar microstructural features can be identified in the HAZ. However, the location of 1350°C is quite difficult to find, so that the precipitation start temperature must be located. The absorption coefficients obtained for laser welds varies between 29 and 44%. It seems that in joints welded at higher welding speeds have somewhat higher absorption coefficient. LITERATURE 1. 2. 3. 4.
LDX 2101 Duplex Stainless, Outokumpu Stainless AB DATA SHEET LDX 2101 UNS S32101, Outokumpu Stainless Ralph Davison, LDX New, Cost Effective Stainless Steel, Outokumpu Stainless James Chater, The best of most worlds: recent developments in duplex and super duplex alloys, www.stainless-steel-world.net 5. Anders Olsson, M arket and Trends -Stainless Steel, Outokumpu Stainless AB,
6. LDX 2101 Comparative to last, Outokumpu Stainless 7. LDX 2101 AC/DC Covered electrodes www.avestawelding.com 8. Corrosion resistant rolled alloys, www.RolledAlloys.com , rolledalloys.com® - W
AC-MIG pulzno varjenje z VPS 3000 AC-MIG PLUS Bojan Ternar Varstroj d.d. Industrijska ulica 4, 9220 Lendava - Lendva
Povzetek Opisana je nadgradnja varilnega izvora, poimenovana VPS 3000 AC-MIG PLUS.
1.
UVOD
Vse ve je so zahteve po univerzalnosti varilnih izvorov, pri emer se hkrati zahteva absolutna zanesljivost in ponovljivost postopka v osnovnih in pri posebnih pogojih varjenja. Taki »univerzalni« varilni izvori morajo seveda omogo ati možnost nadgrajevanja programske opreme, saj je to predpogoj za univerzalnost v prihodnosti. Ob takih zahtevah je možnost samo ena: inverterski varilni izvori. Obenem pa zaradi potrebe po pove evanju produktivnosti varjenja nastajajo zahteva, da se z produktivnejšimi varilnimi postopki poskuša zamenjati manj produktivne postopke npr. TIG varjenje. Glede na znano dejstvo, da ja med osnovnimi na ini varjenja M IG/M AG najbolj produktiven na in varjenja, ima prav M IG/M AG postopek varjenja najve jo možnost za poseg v podro ja ostalih na inov varjenja; pri tem pa seveda ne sme priti do kakršnekoli nezanesljivosti in zmanjšanja kvalitete. 2.
AC-MIG PULZNO VARJENJE
Zadali smo si željo po stabilnem varjenju tankih plo evin debeline med 0,6 in 1,5mm, kar je tipi no podro je varjenja po TIG postopku. Pri varjenju tankih plo evin se pojavljajo mnogi (standardni) problemi. Naštejmo najpogostejše: • problem prevelike zra ne reže med varjencema, kar ve krat onemogo a zanesljivost varjenja in s tem stabilnost procesa (predvsem pri varjenju na avtomatu oz. z robotom). • pojavljanje deformacij plo evine, kar še dodatno pove uje problematiko pove ane zra ne reže med varjencema • želja po pove anju produktivnosti, kar nas pelje v smer izvedbe varjenja po M IG/M AG postopku • zmanjšanje stroškov varjenja. M ed mnogimi idejami se je ponujala tudi ideja o uporabi negativne komponente pri M IG/M AG varjenju. Na ta na in bi si v procesu varjenja zagotovili nekaj dodatnega dodajnega materiala, s katerim bi zapolnili pogosto preveliko režo med tankima varjencema. Želja po pove evanju koli ine dodajanja dodajnega materiala seveda ni nova, a se je ponavadi kon ala z zlepi (premalo ogret dodatni material), ali pa s pregrevanjem osnovnega materiala (prevelik vnos energije v postopek varjenja).
Slika 1:
AC-MIG - oblika signala pri AC pulznem varjenju
Pri pove anem dodajanju-taljenju dodajnega materiala je zelo pomembno, da ne zaidemo v katero od zgoraj opisanih skrajnosti, zato moramo imeti delež negativne komponente strogo pod nadzorom, obenem pa skrbno ohranjati na razmerje med vnešeno energijo in koli ino vnesenega dodajnega materiala, za kar v praksi potrebujemo kvaliteten sinergijski varilni izvor, saj povsem ro no nastavljanja parametrov v praksi ni izvedljivo. Delež EN =
Ien Ien + Iep
x 100%
Iz grafa napetosti na sliki 1 vidimo, da z vpeljavo negativne komponente pride do prehoda napetosti skozi vrednost U = 0, pri emer nam varilni oblok praviloma ugasne. Problema ne moremo reševati na na in, kot nam je znan iz TIG varilnih izvorov.
Slika 2:
Blok shema VPS 3000 AC-MIG
V blok shemi inverterskega varilnega izvora VPS 3000 AC-M IG lahko opazimo posebno vezje ki skrbi, da varilni oblok v trenutku prehoda napetosti skozi U=0 ne ugasne. Gre za posebej za ta primer razvito vezje (razvoj in patent - OTC Daihen Corp.). Kot je razvidno iz sheme, gre za inverterski Varilni izvor, primeren za ro no in tudi za avtomatizirano varjenje (predvsem varjenje z varilnim robotom). Ko omenimo AC-pulzno varjenje najprej pomislimo na varjenje aluminija. Tudi AC-M IG postopek je bil prvotno razvit za potrebe varjenja aluminija (VPS 3000 AC-M IG). V nadaljevanju pa se je pojavila potreba tudi po AC-pulznem varjenju ostalih materialov. Tako je nastala nadgradnja varilnega izvora, poimenovana VP S 3000 AC-M IG PLUS.
Slika 3:
Vpliv negativne komponente na koli ino taljenja doda jnega materia la
Na sliki 3 je prikazan primer pove anja taljenja dodajnega materiala AlM g3 premera 1.2 mm v odvisnosti od pove evanja negativne komponente. Pri tem je seveda pomembno, da z deležem negativne komponente ne pretiravamo in najdemo pravo razmerje med vnosom energije in koli ino vnosa dodajnega materiala. Pri tem nam je v veliko korist sinergijski varilni izvor, ki skrbi za pravo razmerje. Na sliki 4 je prikazan primer, ko vnos energije v osnovni material pada s pove evanjem deleža negativne amplitude EN. Pri tem postaja penetracija manj globoka pri isti koli ini dodajne žice.
Slika 4:
Vpliv EN na globino p enetracije / AC-MIG pulzno varjenje (prikazan primer: varilni tok 60 A; hitrost varjenja 90 cm/min; osnovni material AlMg; 1.5 mm + 1,0 mm; žica AlMg5 premera 1,2 mm)
Slika 4 nam jasno prikaže, da dobimo z ustrezno kontrolo penetracije dobre rezultate varjenja tankih plo evin tudi v primerih ve je zra ne reže med varjenima plo evinama. Glede na dejstvo, da imamo prav pri tankih plo evinah najve težav z zra no režo med ploš ama osnovnega materiala, se prav v tem primeru pokaže velika prednost, ki jo omogo a dodajanje negativne komponente (dodatno taljenje dodajnega materiala).
Slika 5:
Spreminjanje hitrosti dodajan ja dodajnega materiala v odvisnosti od deleža EN (prikazan primer: varilni tok 80 A; hitrost varjenja 80 cm/min; osnovni material AlMg3 d ebeline 1,5 mm, varilna žica AlMg4,5 premera 1,6 mm)
Predstavljena je še ena dodatna funkcija, ki je namenjena varjenju materialov razli nih debelin. Pogosto nastaja potreba po varjenje materialov izrazito razli nih debelin. V takem primeri se nam dogaja, da je za tanjši material vnos energije prevelik, za debelejšega pa premajhen. V tem primeru imamo možnost uporabiti funkcijo S YNCHRO MIG. Funkcija je namenjena za robotsko varjenje ob uporabi VPS 3000 AC-M IG in robota generacije AX ali novejše. Omogo a sinhronizirano spreminjanje varilnega toka glede na položaj gorilnika. Ko je gorilnik nad debelejšim materialom tok naraste na višjo vrednost, ko pa je nad tanjšim materialom, pa se zniža na nižjo vrednost (»pendlanje« gorilnika)
Slika 6:
Funkcija SYNCHRO MIG-omogo a prilagajanje varilnega toka dvema debelinama
Inverterski sinergijski MI G/MAG varilni izvor -
AC pulzno varjenje
-
DC pulzno varjenje
-
AC WAVE pulzno varjenje
-
DC WAVE pulzno varjenje
-
MIG lotanje
Slika 7:
VPS 3000 AC-MIG PLUS
Slika 8:
Tehni ni podatki VPS 3000 AC-MIG PLUS
LITERATURA 1. Varstroj d.d., Lendava, Slovenija 2. OTC Dihen Corporation, Kobe, Japonska
Visoko produktivno A-TIG varjenje Arpad Köveš Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana
Povzetek V lanku je podana primerjava visoko produktivnega varjenja A-TIG s konvencionalnim postopkom TIG na osnovi analize rezultatov prakti nega varjenja. Predstavljena sta primera navarjanja nerjavnega jekla in varjenja oglji n ega jekla cevi po obeh postopkih ter uporaba pulznega varjenja. Po leg prakti nih primerov je predstavljeno tudi fizikalno ozadje procesa varjenja po na inu A-TIG, kjer z rabo površinsko dodanih aktivnih praškov bistveno pove amo penetracijo zvara med varjenjem oziroma hitrost varjenja.
1.
UVOD
Varjenje po na inu TIG uporabljamo, kadar dominirajo zahteve po lepem videzu zvara in visoka kvaliteta zvara. Pri tem na inu oblok gori med netaljivo volframovo elektrodo in osnovnim materialom. Kot zaš itni plin se uporabljata najve krat inertna plina argon ali helij oziroma njuni mešanici. Glavna pomanjkljivost omenjenega na ina varjenja je nizka penetracija, precejšnja ob utljivost varilne kopeli na stanje površine osnovnega materiala ter nizka produktivnost. Za pove anje uspešnosti in produktivnosti varilnega procesa po na inu TIG se v zadnjem asu v praksi vedno bolj uveljavlja varjenje z uporabo aktivnih praškov. Postopek pogosto imenujemo kar A-TIG varilni proces in izhaja iz angleške besede Active Flux TIG. Poglabljanje uvara in pove anje varilne hitrosti je pri elektrooblo nem varjenju z volframovo elektrodo mo dose i z dodajanjem površinsko aktivnih elementov, z obliko varilnega toka ter uporabo nekaterih oksidativnih mešanic plinov Ar-O2 in Ar-CO2 /1/, /2/, /3/, /7/. Varjenje A-TIG je na in varjenja, kjer zaradi stiskanja obloka in spremenjenega toka taline v varilni kopeli dobimo precej globlji uvar v osnovni material, kot pri obi ajnem TIG varjenju. V kombinaciji z globino uvara moremo uporabiti tudi bistveno ve je hitrosti varjenja, kar pove a produktivnost varilnega procesa. Prvi preizkusi uporabe na ina A-TIG segajo v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, ko so na Patonovem institutu prvi uporabili nanašanje aktivnega praška na površino osnovnega materiala in sicer pri TIG varjenju titana. Na osnovni material so nanesli tanko plast aktivnega praška, katerega del se je med varjenjem uparil ter reagiral s talino zvara. Poleg doseženih lastnosti zvara so opazili doseganje bistveno ve je globine uvara kot pri klasi nem na inu TIG. A-TIG na in varjenja je za el doživljati ponoven preporod v zadnjih desetih letih, tako na razvojnem, kakor tudi na aplikativnem podro ju. V tem kontekstu predstavljamo nekatere prakti ne ugotovitve in dognanja. 2.
VARILNI PREIZKUS I
Prvi sklop varilnih preizkusov predstavlja varjenje (navarjanje) nerjavnega avstenitnega jekla debeline 5 mm po na inu TIG v zaš itnem plinu Ar (100%). Varjenje smo izvajali na varilni
progi tako, da sta bila zagotovljena konstantna hitrost ter položaj gorilnika med varjenjem. Uporabili smo digitalni inverterski varilnik tipa OTC DT 300P. Primer nanosa aktivnega praška na osnovni material prikazuje slika 1, varilni parametri štirih razli nih primerov s slikami zvarov pa v tabeli I.
Slika 1:
Primer nanosa aktivnega praška na osnovni material – na sredini je lepo viden prehod iz podro ja brez praška na podro je s praškom
V prvem primeru smo varili (navarjali) brez praška. Vrednost varilnega toka je znašala 204 A, varilna napetost 12 V. Pri drugem primeru smo uporabili visokofrekven no pulzno DC varjenje frekvence 300 Hz z razmerjem vrednost ter razmerjem . Opazili smo, da se je v tem primeru rahlo zožila širina temena zvara ter nekoliko pove ala globina uvara. Razlike so opazne vendar minimalne. Pri tretjem primeru smo pri varjenju uporabili aktivni prašek tipa EWI SS-7, ki vsebuje titan, silicij in kromov tri oksid. Varili (navarjali) smo z enakimi varilnimi parametri kot v prvem primeru. Teme zvara se je nekoliko zožilo, uvar se je pove al skoraj za tri krat. V etrtem primeru smo pri uporabi aktivnega praška varili s pulzno obliko toka frekvence 300 Hz, razmerje vrednosti je bilo isto kot v drugem primeru. Zaradi efekta stiskanja obloka se vidi v primerjavi z prejšnjim primerom še nadaljnja zožitev temena zvara ter pove anje uvara. V drugem sklopu primerov smo izvajali orbitalno varjenje cevi premera 180 mm z debelino stene 6,2 mm (zaš itni plin argon) – slika 2. Uporabili smo sodoben varilnik za orbitalno varjenje firme Polysoude, ki omogo a sektorsko programiranje varilnih parametrov.
Slika 2:
Naprava za orbitalno varjenje cevi po na inu TIG
V prvem primeru smo varili cev brez praška – varilni tok je znašal 181 A, varilna napetost 9,1 V. Globina uvara je znašala le dobro polovico stene osnovnega materiala – slika 3. V drugem primeru smo uporabili aktivni prašek tipa EWI SS 7 ter varili z enakimi varilnimi parametri, kot prej. V tem primeru smo z enim varkom prevarili celotno steno cevi – slika 3.
Slika 3:
3.
Slika zvara brez nanosa praška in po nanosu praška
ANALIZA VARJENJA PO NA INU A - TIG
Pove anje uvara oziroma pove anje varilne hitrosti pri elektrooblo nem varjenju z volframovo elektrodo je mo dose i z dodajanjem površinsko aktivnih elementov. Analiza pregleda raziskav razli nih avtorjev in tudi rezultati lastnih dognanj potrjujejo dejstvo, da vglavnem vplivata naslednja faktorja na rezultat varjenja: • sprememba tako imenovanega M arangonijevega toka, ki je posledica spremembe gradienta površinske napetost ter efekt • stiskanja obloka Pri varjenju A-TIG se koncentrira oblok in spremeni tok taline, kar je odvisno od gradienta površinske napetosti. Zaradi velikega vpliva temperaturne odvisnosti površinske napetosti se smer toka taline v varilni kopeli obrne (od toka navzven v tok navznoter) in to pri enakih varilnih parametrih. Temperaturno odvisnost površinske napetosti spremenijo dolo eni kemijski elementi, ki jih v obliki premaza dodamo na površino osnovnega materiala ali celo dodajamo v obliki zaš itnega plina v oblok in na talino zvara. Premaz more vsebovati naslednje element: kisik (O), žveplo (S), titan (Ti), selen (Se), antimon (Sb) telur (Te) ipd. Imenujejo se površinsko aktivni elementi. Opravljene so bile številne raziskave glede efekta aktiviranih tokov na TIG oblok pri varjenju. Poleg boljše omo ljivosti taline je pomembna sprememba smeri toka taline (M arangonijevega toka). Le-ta je posledica spremembe koeficienta temperaturnega gradienta površinske napetosti γ . Pri negativnih vrednostih γ imajo hladnejša obrobna obmo ja taline zvara višjo površinsko napetost, kot v središ u zvara, zato je tok od znotraj navzven, kar ustvari široko in plitvo varilno kopel. Pri materialih s pozitivnim γ pa je smer toka taline obrnjena od roba proti sredini, kar ustvarja ožjo in globljo talino zvara za povsem enake varilne parametre /4/. Na sliki 4 moremo videti M arangonijeve tokove v odvisnosti od gradienta površinske napetosti.
Slika 4:
Marangonijev tok v zvarni kopeli za γ < 0 in γ > 0
Drug pomemben pojav je, kot smo že omenili, koncentriranje oziroma stiskanje obloka. Oblok postane ožji in prodornejši, kar prav tako vpliva na ve jo penetracijo. Na sliki 5 moremo videti primer stiskanja obloka posnete s hitroslikovno kamero.
Slika 5:
Efekt stiskanja obloka
Pri varjenju po na inu A-TIG moremo opaziti tudi rahlo pove anje oblo ne napetosti, kar ugotavljata tudi C. Dong in S. Katayama /5 /, slika 6. To pomeni, da so polja oblo nih karakteristik pri varjenju A-TIG rahlo dvignjena v primerjavi s klasi nim na inom varjenja vendar ne toliko, da bi izraziteje vplivala na parametre varilnega procesa. To pomeni, da je za varjenj po na inu A-TIG možno uporabiti enake varilnike kot za konvencionalno TIG varjenje. Za pulzno varjenje višjih frekvenc pa pridejo v poštev le moderni elektronski varilniki /6/. Pri prakti nih preizkusih smo ugotovili, da se je pri enaki hitrosti varjenja uvar pove al iz vrednosti 1,71 mm na 4,98 mm (prvi sklop primerov), kar je skoraj za tri krat. Podobno smo ugotovili pri varjenju cevi. Seveda je možno za doseganje enakih penetracij v primeru varjenja A-TIG uporabiti tudi do tri krat ve je hitrosti varjenja. V vsakem primeru omenjeni postopek omogo a najmanj tri krat ve jo produktivnost v primerjavi s klasi nim na inom TIG. Pomembno je tudi dejstvo, da je mo uporabiti prakti no enake varilne izvore pri varjenju.
Slika 6:
4.
asovni potek varilne napetosti:
A brez nanosa aktivnega praška B z nanosom aktivnega praška
ZAKLJU EK
Rezultati varjenja, predstavljeni v tem delu kažejo, da je z uporabo aktivnih praškov mo bistveno pove ati penetracijo pri varjenju na ina TIG (približno za 300%). Z enim varkom smo dosegli polno prevaritev pri navarjanju avstenitnega jekla debeline 5 mm pri varjenju s tokom 204A oziroma polno prevaritev pri varjenju cevi debeline 6,2 mm pri toku 181 A. Še boljše rezultate glede penetracije moremo dobiti pri uporabi aktivnih praškov v kombinaciji z visokofrekven nim pulznim na inom varjenja (med 100 Hz in 300 Hz), saj se v tem primeru pove a efekt stiskanja obloka. Varilna napetost se je pri uporabi praškov nekoliko pove ala, vendar ne bistveno ve kot za 1V. A-TIG varilni proces ne zahteva posebnih dinami nihlastnosti varilnika, zato zadostujejo obstoje i varilni izvori. Pove anje produktivnosti A-TIG varjenja odpira nadaljnje možnosti uporabe na ina TIG tudi na podro ju avtomatizacije. Ker so praški danes komercialno že dostopni, njihova cena sprejemljiva, pri akujemo, da se bo omenjeni na in varjenja za el uveljavljati v praksi tudi pri nas. Upamo, da bo k uveljavitvi predstavljenega na ina varjenja pripomogel tudi pri ujo i lanek. LITERATURA 1. Tomc, J.: Vloga površinske napetosti taline zvara pri varjenju A-TIG (1. del). Varilna tehnika, 53(2004)1, str. 3-12. 2. Tomc, J.: Vloga površinske napetosti taline zvara pri varjenju A-TIG (2. del). Varilna tehnika, 53(2004)2, str. 47-53. 3. Lu, S., Fujii, H., Tanaka, M ., Nogi, K.: Effects of welding parameters on the weld Shape in Ar-O2 and Ar-CO2 shielded GTA welding. IIW Doc. XII-1801-04. 4. Lowke, J. J., Tanaka, M ., Ushio, M.: Insulation effects of flux layer in producing Greater weld depth. IIW Doc. XII-1800-04. 5. Dong, C., Katayama, S.: Basic inderstanding of A-TIG welding process. IIW Doc.: XII1802-04. 6. Köveš, A.: Stanje in trendi nadaljnjega razvoja varilnikov za elektrooblo no varjenje. Dan varilne tehnike 2005, Zbornik referatov, Novo mesto 26. maj 2005, str. 106-113. 7. Köveš, A.: Visokou inski A – TIG postupak za zavarivanje = High-productivity A – TIG welding. V: SAM ARDŽI , Ivan (ur.). 4. M e unarodno znanstveno-stru no savjetovanje Tehnologi na primjena postupka zavarivanja i zavarivanju srodnih tehnika u izradi zavarenih konstrukcija i proizvoda, Slavonski Brod, 14. – 16. studeni 2007. Zbornik radova. Slavonski Brod: Strojarski fakultet, 2007, str. 45-51.
Varjenje MIG/MAG z gladkim in impulznim enosmernim varilnim tokom in virom mo i s pretvornikom v tiristorski tehnologiji Danijel Langus, Viljem Kralj*, Janez Grum* *Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevki je opisana posodobitev vira mo i s tiristorski tehnologijo z uporabo novega na ina programiranega vžiga tiristorjev in vgradnjo dodatnih filtrov.
1.
UVOD
Konvencionalni viri mo i za varjenje M IG/M AG z gladkim in impulznim enosmernim varilnim tokom, e se ozremo na obdobje, ko se je že pri ela uporabljati mo nostna elektronika, so bili realizirani v tiristorski tehnologiji, ki je zaradi hitrega razvoja in prednosti, ki ga je ponudila tranzistorska tehnologija, ta prevladala nad tiristorsko. Tranzistorska tehnologija je v tem obdobju popolnoma nadomestila tiristorsko. Prevlada te tehnologije je trajala vse do nekaj let nazaj, ko so trendi v razvoju in eksploataciji opozorili na ponoven vzpon deleža virov mo i enosmernega varilnega toka, realiziranih v tiristorski tehnologiji. Pospešen razvoj je namre omogo il rešitve s katerimi so vpeljali posodobitve, ki so omogo ile, da so tiristorski viri mo i postali cenejši, enostavnejši in zanesljivejši v delovanju in vzdrževanju. Slednje se je izkazalo predvsem v praksi pri izdelavi težkih konstrukcij, v ladjedelništvu, petrokemiji ipd. Kot je bilo omenjeno, imajo novejše tehnologije mo nostne elektronike, krmiljenja in regulacije zelo mo an vpliv na razvoj virov mo i, še posebej na podro ju varjenja M IG/M AG. Pojavili so se novi viri mo i, ki so realizirani z IGBT tranzistorji, ki so manjši, lažji in u inkovitejši kot konvencionalni, pri tem pa nudijo vrsto funkcij s katerimi lažje izbiramo nastavitve, kar zagotavlja boljše rezultate varjenja in ve jo udobnost rokovanja z napravo, kar zmanjša odpor varilcev pri uporabi novih naprav. Pa vendar so viri mo i s tiristorskimi pretvorniki, ki imajo v primerjavi s tranzistorskimi pretvorniki omejene možnosti, še vedno zelo priljubljeni v eksploataciji, ker so robustni, cenejši in enostavnejši za uporabo in vzdrževanje, zaradi napredka na podro ju tiristorske tehnike in uvedbe GTO tiristorjev, kar je zagotovilo zanesljivejše delovanje. Za varjenje M IG/M AG s tiristorskim pretvornikom v primeru varjenja z gladkim enosmernim varilnim tokom obi ajno uporabimo vir mo i, ki vsebuje trifazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost in trifazno polnovalno mosti no vezje, ki je polnokrmiljeno (slika 1). Na izhodu vezja je vgrajena dušilka, ki izhodni tok zgladi in zagotovi ustrezno dinamiko. Nivo enosmerne napetosti na izhodu pretvornika lahko spreminjamo s spremembo to ke vžiga tiristorjev ali pa s primarnimi odcepi na transformatorju.
Slika 1:
Vir mo i za varjenje MIG/MAG z gladkim enosmernim varilnim tokom
Za varjenje M IG/M AG s tiristorskim pretvornikom in uporabo varjenja z gladkim in impulznim enosmernim tokom , uporabimo vir mo i, ki vsebuje dva pretvornika, ki sta vezana paralelno. Prvi tiristorski pretvornik napaja posebni dvofazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost, ki jo potrebujemo za impulze varilnega toka , tiristorski pretvornik pa je izveden v dvofaznem polnovalnem mosti nem vezju, ki jo polnokrmiljen (slika 2). Drugi pretvornik napaja posebni trifazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost osnovnega varilnega toka, kar je pogoj za dosego stabilnosti varjenja, pretvornik sam pa je izveden v trifaznem polnovalnem mosti nem vezju, ki je nekrmiljeno. Namesto tiristorjev uporabimo v tem primeru diode in ker je vrednost osnovnega toka majhna, je cena pretvornika in transformatorja nizka. To zelo poceni vir mo i.
Slika 2:
Vir mo i za varjenje MIG/MAG z impulznim enosmernim varilnim tokom
Izhoda iz obeh pretvornikov sta vezana paralelno. Na izhodu je vgrajena dušilka, s katero uravnavamo dinamiko procesa varjenja. Jakost osnovnega enosmernega varilnega toka nastavimo na primerno velikost s pomo jo odcepov drugega pretvornika, medtem ko jakost in trajanje impulzov nastavimo s spremembo to ke vžiga tiristorjev prvega pretvornika. Impulzno frekvenco izberemo s pomo jo prvega pretvornika in je obi ajno mnogokratnik osnovne mrežne frekvence. Viri mo i s tiristorsko izvedbo pretvornika povzro ijo nastanek višjih harmonskih komponent napajalnega toka, kar zelo obremenjuje napajalno mrežo. Prvi vzrok za nastanek višjih harmonskih komponent v dovodu je predvsem v obliki toka, ki ga dobimo iz pretvornikov in ni sinusne oblike. Pojav povzro a širinsko krmiljenje tiristorjev ali pa popa enje sinusne oblike zaradi vpliva nasi enosti železnega jedra. M etoda, s katero analiziramo omenjene pojave, je Fourierjeva analiza periodi nih funkcij. Drugi vzrok za nastanek višjih harmonskih komponent v napajalnem toku pa je nesimetri na obremenitev. M etoda, s katero analiziramo omenjene pojave, je metoda simetri nih komponent, ki jo nadgradimo s Fourierjevo analizo. Opisane višje harmonske komponente zelo obremenjujejo napajalno omrežje. Slednje je še posebej poudarjeno v primeru varjenja z impulznim enosmernim varilnim tokom zaradi nesimetri ne obremenitve, ki jo povzro a dvofazni tiristorski pretvornik, kar povzro i reakcijo mreže tako, da se zelo poslabša faktor mo i.
2.
POS ODOBLJEN VIR MO I S TIRIS TORS KIM PRETVORN IKOM
Na osnovi predhodnih spoznanj je bil zasnovan vir mo i v tiristorski tehnologiji, ki je prikazan na sliki 3. Sestavlja ga trifazni transformator v vezavi trikot-zvezda s primarnimi odcepi, trifazni mosti ni tiristorski pretvornik, ki je polno krmiljen, z vgrajeno ni no diodo, dva resonan na filtra in gladilna dušilka z odcepi.
Slika 3:
Trifazni polnokrmiljeni tiristorski pretvornik z vgrajenima filtroma
Trifazni transformator, ki je vgrajen med omrežjem in varilnim tokokrogom, ima nalogo, da galvansko lo i oba tokokroga in zaš iti varilca pred previsoko napetostjo dotika, obenem pa zniža nivo vhodne napetosti na vrednost, ki je primerna za varjenje. Izbrana vezava transformatorja in tiristorskega pretvornika ugodno vpliva na zmanjšanje motenj, ki jih povzro ajo višje harmonske komponente in na ta na in zmanjša potrebo po jalovi mo i, ker izni i tretjo harmonsko komponento. Z odcepi na primarni strani transformatorja lahko izberemo primerno vrednost napetosti, ki jo zahteva varjenje. Z izbranim trifaznim most nim tiristorskim pretvornikom, pri katerem uporabimo nov na in vžiga tiristorjev, je mogo e variti M IG/M AG tako z gladkim, kot impulznim varilnim tokom, impulzno frekvenco, ki je mnogokratnik osnovne frekvence mreže, lahko nastavimo s krmiljenjem pretvornika, kot tuda as trajanja impulza toka. Vezje tiristorskega pretvornika je bilo izbrano v predstavljeni obliki zato, ker omogo a znižanje jalove mo i, e uporabljamo to ko vžiga tiristorjev v obmo ju nad pi/3 celotne širine impulza izmeni nega toka, s katerim generiramo impulz varilnega toka. Pri uporabi to ke vžiga pri manjšem kotu, kot je navedeno, je enosmerna napetost, ki jo dobimo iz izbrane vezave tiristorkega pretvornika vedno pozitivna, zato ni na dioda na izhodu vezja ne more delovati. Ko to ka vžiga preseže navedeno vrednost kota, obremenilni tok pri ne te i preko ni ne diode in na ta na in kratkotrajno izklopi napajanje pretvornika iz mreže ter tako prepre i enosmerni napetosti obrat v negativno smer. S tem prepre imo pretok sorazmerno velike jalove mo i iz mreže, kar ima za posledico tudi izboljšanje faktorja mo i. Ni na dioda odigra klju no vlogo v omejitvi kratkosti nega toka in na ta na in pomaga vzbuditi in vzdrževati elektri ni oblok ob za etku varjenja in pri motnjah, ko pride do težav gorenja elektri nega obloka. V obeh primerih se komutacija elektri nega toka zgodi s pomo jo ni ne diode zelo mirno in v obliki e-funkcije. Na vhodu, kjer omrežni tok vstopa, je vgrajen termi ni in magnetni sprožnik, ki š iti napravo pred termi nimi in kratkosti nimi pojavi, ki se lahko zgodijo zaradi napak v napravi. Za nadaljno zmanjšanje jalove mo i in s tem višjih harmonskih komponent toka, sta uporabljena dva razli na harmonska linijska resonan na filtra. Vrednost induktivnosti,
kapacitivnosti in upornosti je dolo ena s pomo jo simulacije in je odvisna od vrste varjenja. Širokopasovni efekt filtra je dolo en z omsko upornostjo filtrov. 3.
ZAKLJU EK
Iz lanka in priložene simulacije je razvidno, da s programiranim na inom vžiga tiristorjev in vgradnjo ustreznih filtrov zelo posodobimo tiristorski vir mo i, razširimo podro je njegove uporabe, kot tudi njegove energetske u inkovitosti. LITERATURA 1. Killing, R.1991. Welding Handbook, part I, DVS, Duesseldorf 2. Heumann, K. 1991. Fundamentals of Power Electronics, Teubner Verlag, Stuttgart 3. Langus, D., Kralj, V., Grum, J, 2007. Optimisation of Welding Parameters in Pulsed M IG/M AG Welding with Width-controlled Sine-wave Current Pulses ( part 1.,part.2) International Journal of M aterials&Product Tehnology, Vol. 29 No.1/2/3/4, Interscience Enterprices Limited
OPOMBA Razmišljanja, ki so predstavljena v okviru tega lanka, so nastala na osnovi pobud, ki izhajajo iz razvojnega projekta, ki ga sofinancira M VZT in podjetje Varstroj Lendava in ki ga vodi prof.dr. Janez Grum.
DODATEK Oscilogram enosmerne napetosti in enosmernega toka pri prestavnem transformacijskem razmerju 0,07.
Slika 4
Fourierjev spektrum toka dovodni fazi – brez filtra F1.
v
izmeni ni
Fourierjev spektrum toka dovodni fazi – z filtrom F1.
v
izmeni ni
Slika 5
Slika 6
Oblika enosmerne napetosti in enosmernega toka pri spremembi to ke vžiga tiristorjev (impulzna frekvenca je 100 Hz, širina impulza 3,3 ms)
Slika 7
Oblika enosmerne napetosti in enosmernega toka pri spremembi to ke vžiga tiristorjev (impulzna frekvenca je 50 Hz, širina impulza 3,3 ms)
Slika 8
Oblika enosmerne napetosti in enosmernega toka pri spremembi to ke vžiga tiristorjev (impulzna frekvenca je 100 Hz, širina impulza 6,6 ms)
Slika 9
Fourierjev spektrum toka dovodni fazi – brez filtra F2.
v
izmeni ni
Fourierjev spektrum toka dovodni fazi – z filtrom F2.
v
izmeni ni
Slika 10
Slika 11
Termitno varjenje katodne zaš ite Simon Boži , Andrej Zajec, Marjan Suban Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana
Povzetek Katodna zaš ita izvedena s termitn im postopkom varjenja bakrenih vodnikov na jekleno cev se pogosto izvaja pri razli nih cevovodih. Do sedaj nismo zasledili in formacij, kakšen vpliv ima ta na in varjenja na osnovni material. Namen tega lanke je, da se opozori na morebitn e nepravilnosti (napake), ki se pri tovrstnem varjenju lahko pojavijo.
1.
UVOD
Korozija je razkroj snovi zaradi kemijskih in elektrokemijskih reakcij snovi z okoljem, da bi prepre ili morebiten propad materiala se uporablja ve metod s katerimi lahko material zaš itimo. Ena izmed teh metod je tudi katodna zaš ita, ki se predvsem uporablja pri zaš iti cevovodov in sicer na tak na in, da cevovod povežemo z aktivno anodo. Obstajata dve vrsti katodne zaš ite: pasivna zaš ita z aktivno (žrtveno) anodo in aktivna zaš ita z zunanjim vir enosmernega elektri nega toka. Katodna zaš ita z aktivno (žrtveno) anodo je bolj preprosta in zahteva uporabo nekega anodnega materiala (M g ali Zn anodo), ki š iti jekleno katodo. Za pritrditev vodnikov na katodo in anodo se uporablja postopek aluminotermi nega (termitnega) varjenja. Da bi lahko dolo ili morebiten vpliv termitnega varjenja bakrenih vodnikov na jekleno podlago, smo izvedli serijo preskusov tovrstnega varjenja 2.
TERMITNO VARJENJE
Termitno varjenje je varjenje pri katerem se toplota, ki je potrebna za varjenje sproš a ob gorenju reakcijske (termitne) zmesi. Te zmesi so zmesi aluminijevega prahu in kovinskih oksidov (Al + železov (III) oksid Fe2O3 v razmerju 3 : 1). Sam postopek termitnega varjenja je prikazan na slikah od 1 do 8 in obsega naslednje korake: • Brušenje in sušenje površine osnovnega materiala • Namestitev Cu vodnika • Namestitev varilne komore, njena zatesnitev in nasutje termitne zmesi v komoro • Vžig in gorenje termitne zmesi (varjenje) • Odstranitev varilne komore in tesnilne mase • Test spoja Cu vodnika z osnovnim materialom (preskus s kladivom)
Slika 1: Priprava površine in namestitev Cu vodnika
Slika 2: Namestitev varilne komore in njena zatesnitev
Slika 3: Nasutje termitn e zmesi
Slika 4: Vžig termitne zmesi
Slika 5: Gorenje termitne zmesi - varjenje
Slika 6: Odstranitev varilne komore
Slika 7: Preskus uspešnosti varjenja
Slika 8: Izgled zvarnih bradavic
Pri preskusnem termitnem varjenju smo varili bakrene vodnike NYY 1x16 mm na osnovni material A STM A106 Gr. B (P255G1TH) po sistemu CADWELD. Pri preskusu smo uporabili že precej izrabljeno varilno komoro in pa novo varilno komoro. Termitno varjenje je bilo najprej izvedeno brez predgrevanja osnovnega materiala, v nadaljevanju pa smo opravili tudi varjenje pri katerem pa smo osnovni material predgrevali na temp. 35 oC, 50 oC, 60 oC in 80 oC. 3.
OPRAVLJENE RAZIS KAVE
Na zavarjenih vzorcih termitnega varjenja bakrenih vodnikov na jeklo smo izvedli naslednje preiskave: • Vizualna preiskava mesta spoja, • M akroskopska preiskava mesta spoja, • M ikroskopska preiskava spojnega mesta (pregled mikrostrukture materiala, globino penetracije bakra v material cevi, pojav razpok), • M eritve mikrotrdot na posameznih mestih prereza. 4. 4.1
REZULTATI RAZIS KAV Vizualne preiskave
Pri vizualnem pregledu zvarnih bradavic smo odkrili, da varjenje z izrabljeno varilno komoro ne da dobrih rezultatov. Zvarne bradavice so neenakomerne in mo no porozne (slika 9). Pri varjenju z novo varilno komoro pa je oblika bradavic ustrezna (slika 10).
Slika 9: Neenakomerni in porozni zvarni bradavici
4.2
Slika 10: Ustrezna zvarna bradavica
Makroskopske preiskave
Pri makroskopskih preiskavah zavarjenih spojev smo opazovali naslednje: • Obliko zvarnih bradavic, • Poroznost zvarnih bradavic, • Spojenost zvarnih bradavic z jekleno podlago, • Velikost TVP v osnovnem materialu. Neenakomerna oblika zvarnih bradavic in poroznost sta lahko posledica izrabljene varilne komore (slika 11). Na sliki 12 pa je prikazan izgled zvarne bradavice, ki je bila izvedena z novo varilno komoro, kjer nismo zasledili poroznosti. Pri obeh slikah se vidi velikost toplotno vplivanega podro ja (TVP) pod zvarno bradavico. Na slikah 11 in 12 sta zvarni bradavici ustrezno spojeni s podlago, na slikah 13 in 14 pa je prikazano, kako izgleda zvarna bradavica, ki je pomanjkljivo spojena z jekleno podlago in je pri obdelavi makroskopskega vzorca odpadla.
TVP TVP
Slika 11: Neenakomerna zvarna bradavica. Slika 12: Enakomerna zvarna bradavica. Viden je porozen del zvarne bradavice s Viden je n eporozen del zvarne bradavice s toplotno vplivanim podro jem toplotno vplivanim podro jem
Slika 13: Slabo spojena zvarna bradavica
4.3
Slika 14: Slabo spojena zvarna bradavica, ki je pri pripravi vzorca odpadla
Mikroskopske preiskave
M ikroskopske preiskave spojev so pokazale naslednje: • M ed bakrom in jekleno podlago se pojavi vmesna plast, kamor je prodrl baker. Ta plast je velika od 10 do 20 m, • Tik pod površino osnovnega materiala se pojavijo pove ana kristalna zrna, • Na nekaterih mestih se tik pod površino pojavi martenzitna mikrostruktura zaradi hitrega ohlajanja, • Iz martenzitne mikrostrukture izhajajo mikrorazpoke, ki so zapolnjene z bakrom. Njihova dolžina je lahko 0,11 mm. Kjer martenzitne mikrostrukture ni, teh mikrorazpok nismo zasledili. Pri pregledu mikrostrukture osnovnega materiala smo opazili, da tik pod zvarno bradavico prihaja do nastanka razpok v katere je penetriral teko i baker [1]. Do tega pojava pride zaradi stika teko e kovine (Cu) s trdno kovino (jeklo), saj imata baker in jeklo razli ne temperature strjevanja (razlika cca. 450 oC). Prav tako na dolo enih mestih prihaja do nastanka trde martenzitne mikrostrukture, katera predstavlja inicial za propagacijo teh razpok. Potrebno pa je tudi poudariti, da je martenzitna mikrostruktura, ki je prisotna pod zvarom zelo podvržena navzemanju vodika. Literatura navaja, da v primeru katodne zaš ite hitreje prihaja do nastanka atomskega vodika, ki se bo absorbiral v martenzitno plast in povzro il tako imenovano vodikovo krhkost [2]. Vodikova krhkost se pojavlja tako pri malooglji nih jeklih, kot pri visokotrdnostnih jeklih, pri katerih pa ima še posebej razdiralen u inek. Na slikah 15 in 16 je prikazan izgled penetracije bakra v osnovni material.
Slika 15: Penetracija bakra v osnovni material
4.4
Slika 16: Penetracija bakra v osnovni material. Vidna je vmesna plast med bakrom in jeklom ter pove ana kristalna zrna.
Preskusi mikrotrdote
Preskusi mikrotrdot tik pod zvarno bradavico so pokazali, da so vrednosti v martenzitnem podro ju lahko tudi 367 HV. Tak rezultat smo dobili v primeru izrabljene varilne komore in varjenju pri temperaturi cca. 15 oC. Ko pa smo uporabili novo varilni komoro in osnovni material samo malo pogreli (osušili) na temperaturo cca. 35 oC, je vrednost mikrotrdot v martenzitnem podro ju takoj padla na vrednost od 210 do 250 HV. e smo temperaturo predgrevanje pove ali na 60 oC se je vrednost mikrotrdot tik pod zvarno bradavico še znižala (pod 200 HV). Višja tempertatura predgrevanja na 80 oC ni prinesla boljših rezultatov mikrotrdot.
Slika 17: Izmerjena trdota v toplotno vplivanem podro ju (mikrotrdota v tem podro ju je 318 HV)
Slika 18: Izmerjena trdota v toplotno vplivanem podro ju (mikrotrdota v tem podro ju je 367 HV)
Slika 19: Izmerjena mikrotrdota v martenzitnem podro ju (216HV)
Slika 20: Izmerjena mikrotrdota v toplotno vplivanem podro ju, kjer ni prišlo do tvorbe martenzita (mikrotrdota v tem podro ju je 186 HV)
Iz slike 21 je razvidno, da prihaja že pri minimalnem predgrevanju do bistvenega zmanjšanja trdot tik pod zvarno bradavico. Izmerjene mikrotrdote po preseku 400
M ikrotrdo te (HV)
350 300 Izrabljena komora
250
Nova komora predgrevanje 38 ºC
200 150 100 Rob zvara
TVP
Osnovni material
Me ritve od ro ba p ro ti sredini
Slika 21:
Prikaz meritev mikrotrdot po preseku
5.
ZAKLJU EK
Zaradi toplotnega šoka pri varjenju na površini materiala nastane plast ve jih kristalnih zrn, posledi no se zaradi tega pojavijo tudi mikrorazpoke po mejah teh zrn. V te mikrorazpoke difundira teko i baker in jih zapolni. Pri hitrem ohlajanju spoja prihaja tik pod površino do nastanka trde in krhke martenzitne mikrostrukture, ki je lahko inicial za propagacijo razpok. Da bi zmanjšali trdoto te neugodne mikrostrukture, je potrebno zmanjšati hitrost ohlajanja, kar pa lahko dosežemo s predgrevanjem jeklene podlage. S predgrevanjem vsaj na 50 oC, kar je posebej pomembno pri nizkih zunanjih temperaturah se zmanjša možnost nastanka te neugodne martenzitne mikrostrukture. S tem predgrevanjem prav tako odstranimo vlago, ki se lahko pojavlja na površini cevi in povzro a, da se med varjenjem zvarna bradavica ne spoji z osnovnim materialom. Za konec pa naj dodamo, da nepravilna uporaba in nezadostno poznavanje materialov lahko pripelje do nenadnih zlomov, katerih inicial je trda in krhka mikrostruktura tik pod zvarno bradavico. Da se prepre i nastanek vodikove krhkosti je po kon anem varjenju potrebno zvarno bradavico vodotesno zapreti, s tem se prepre i vdor vlage in posledi no tudi difuzija vodika v kovino. LITERATURA 1. M agnabosco I., Ferro P., Bonollo F., Arnberg L.: An investigation of fusion zone microstructures in electron beam welding of copper- stainless steel, M aterial science and Engineering A 424 (2006), str. 163-173. 2. Hörnlund E., Fossen J.K.T., Hauger S., Haugen C., Havn T. and Hemmingsen T.: Hydrogen Diffusivities and Concentrations in 520M Carbon Steel under Cathodic Protection in 0.5M NaCl and the Effect of Added Sulphite, Dithionite, Thiosulphate, and Sulphide, Int. J. Electrochem. Sci., 2 (2007), str. 82 – 92. 3. Godec B., Grdun V.: Krhkost nizkooglji nega jekla zaradi stika s teko o kovino, 8 konferenca materiali, Portorož 2000.
Varjenje s kerami no podložko Marija Kisin Preloge 73, 1000 Ljubljana
Povzetek Zaostrene gospodarske razmere zahtevajo ob pove ani produktivnosti racionalizacijo proizvodnje, vzdrževanje konkuren ne sposobnosti in nenehno skrb za kakovost ter optimizacijo izdelovalnih postopkov. V prispevku so prikazani rezultati uvodnih preizkusov varjenja jeklenih ploš s kerami no podložko. Z uporabo kerami nih podložk se kakovost korena zvara izboljša, zmanjša se poraba dodajnega materiala in pove a produktivnost.
1.
UVOD
Postopek varjenja s kerami no podložko je posebno primeren za enostransko varjenje ve jih jeklenih ploš v ladjedelništvu, pri gradnji mostov in v strojni ter kemi ni industriji. Že mnogo let se uporablja povsod tam, kjer je varjenje in popravilo korena zvara iz nasprotne strani oteženo ali onemogo eno. Na tržiš u so kerami ne podložke dobavljive zelo razli nih vrst, oblik in standardnih ter nestandardnih dimenzij, primernih za vse materiale in oblike zvarov.
Slika 1:
2.
Kerami na podložka in njena namestitev pred varjenjem [1]
PRIPRAVA PREIZKUŠ ANCEV IN VARJENJE
Za uvodne testne preizkuse varjenje s kerami no podložko soležnih V zvarov, je bilo pripravljenih osem jeklenih ploš dimenzije 300x200x70 mm. Uporabili smo enostransko tehniko ro no oblo nega varjenja (elektrode EVB 50) in postopek M IG varjenjea (varilna žica VAC 60-1.2) z in brez uporabe kerami ne podložke. Vsi preizkušanci so bili predgreti na 100 0C. Zelo pomembna je izbira varilnih parametrov, predvsem jakost varilnega toka, dolžina obloka in hitrost varjenja. Koreni zvarov so po varjenju bili pregledali s penetranti. Na sliki 2 ( levo) je prikazan koren zvara po varjenju z uporabo kerami ne podložke, na sliki 2 (desno) pa pretaljeni del kerami ne podložke, zaradi neustrezno izbranih varilnih pogojev.
Slika 2:
3.
Koren zvara pri uporabi kerami ne podložke (levo) in zaradi neustrezno izbranih varilnih pogojev pretaljena kerami na podložka (desno) [2].
REZULTATI VARJENJA S KERAMI NO PODLOŽKO
Pri primerjavi varjenja z uporabo kerami ne podložke in varjenja brez uporabe kerami ne podložke se je izkazalo, da se pri uporabi kerami ne podložke zmanjša poraba dodajnega materiala pri ro nem oblo nem varjenju za 27-31 %, pri M IG varjenju je razlika manjša in znaša 10 – 12 %. Ker ni potrebno žlebljenje in brušenje korena zvara se pri varjenju s kerami no podložko za dokon anje dela porabi tudi ob utno krajše ase. Ob upoštevanju stroškov nabave kerami ne podloge je njena uporaba še vedno ekonomsko opravi ena. Osnovne prednosti varjenja s kerami no podložko so: • kakovost korena zvara je manj odvisna od znanja in spretnosti varilca, • v korenu zvara je manj napak, posebno v težje dostopnih obmo jih in • proces varjenja se skrajša, zato se lahko pove a produktivnost. 4.
ZAKLJU EK
Varjenje s kerami no podložko zagotavlja kakovostni koren zvara brez dodatnega brušenja. Pri tem je zelo pomembna ustrezna izbira in nastavitev optimalnih pogojev varjenja. Kerami na podložka se namesti enostavno, odporna je na pregretje, visoke temperature, je higroskopska in kemijsko ne reagira s talino zvara. Rezultati uvodnih preizkusov varjenja s kerami no podložko V zvarnih spojev jeklenih ploš in primerjava stroškov varjenja brez in z uporabo kerami ne podložke so potrdili, da bi uvedba postopka v redni proizvodni proces lahko bila upravi ena. Smiselno bi bilo s preizkusi nadaljevati in ustvariti ustrezno bazo uporabnih podatkov. LITERATURA 1. http://www.gullco.com/Ceramic-Weld-Backing.html 2. Tomazini I.: Varjenje s kerami no podložko, Diplomska naloga (2007), VSŠ Škofja Loka 3. http://www.esabna.com/EUWeb/SA_handbook/585sa2_15.htm
Navarivanje metalnim prahom u zaštiti gasa Milan D. Milovanovi Univerza v Kragujevcu, Fakulteta za strojništvo, Sestre Janji br.6, 34000 Kragujevac, Srbija
Sažetak U radu su prikazane mogu nosti gasnog i plazemskog zavarivanja sa dodajnim materialima u obliku praha. Iako je ova tehnmologija zavarivanja poznata ve duže vremena, dolaze njene prednosti do punog izražaja tek onda kad se usaglasu svi parametri, to je od hemijskog sastava osnovnog i dodajnog materiala, granulacije doda jnog materia la i tehnološki parametri zavarivanja. Baš na tom polju usaglašavanja svih parametra pružaju se nove mogu nosti uspešne upotrebe te tehno logije u savremenoj industrijskoj okolini.
1.
UVOD
Ve ina praškastih materiala za briz ganje i zavarivanje proizvodi se mlažnjenjem (mlaznicom). U vakumskoj pe i rastapa se pre legiranja i preko prstenaste dizne rasprše se pritiskom gasa ili vode. Veli ina deli a i oblik su zavisni od pšritiska mlažnjenja i sredstva za mlažnjenje. Ukoliko je ve i pritisak utoliko su deli i manji. Sa gasnim mlažnjenjem nastaju naj eš e rup asti deli i a od vodenog mlažnjenja prizmati ni delovi. Zbog bolje raspršivosti daje se prioritet rupi astom prahu. Dalji uticaj na oblik deli a ima visina pada (rastojanje od zraka mlažnjenja do skupljanja vode). Kod odgovaraju e ve e visine pada zadržava se rupi asti oblik. M ulj praha se kona no suši i seje kroz sito i klasira prema veli ini zrna. Razli iti postupci brizganja i zavarivanja zahtevaju razli ito raspadanje zrna. Kona ni kvalitet praškastog dodatnog materiala zavisi pored hemijskog sastava u velikoj meri i od raspadanja zrna, oblika i površine deli a kao i od dobre smeše. Da bi se postigao kvalitet moraju se primeniti metode ispitivanja koje se razlikuju od ispitivanja drugih dodatnih materiala za zavarivanje. Kod zavarivanja su uvedeni pored dodatnog materiala u obliku štapi aste elektrode, štapova (traka) za zavarivanje, elektroda sa oblogom vrlo uspešno i praškasti materiali za gasno-, plazma-prah-navarivanje, kao i za prah-plameno i prah-plazma-brizganje. Pri nabrizgavanju mogu se pored razvoja dima posmatrati i odbojanja deli a. Proces topljenja sa autogenim gorionikom daje dalje razjašnjenje za: • te ni sadržaj, • mogu nost modeliranja, • metalni sjaj. Ove ocene su ipak veom razli ite i esto protivure ne. Jedan mehanizirani postupak eksperimentalnog nanošenja pri gas-prah-navarivanju omogu ava jedan test sa konstantnim parametrima, pri emu mora vremenski test.navarivanje i topljenje da bude podešen preko elektronskog priklju ka za jedan odredjeni prah. Ispitivano telo kre e se kontinualno u pravcu dužine objekta. Jedan test ispitivanja mikrotvrdo e trebalo bi da zaklju i ovo ispitivanje. Ova ispitivanja sigurnosti kvaliteta su skupa i morajo biti podešena prema vrsti praha i jako povezana sa iskustvom da bi ispitivani praškovi bili u razumnim granicama za proizvodnju.
2.
LEGIRANJE PRAHOM
Poznatim takozvanim »samote ljivim legiranjem« na bazi nikla i nikl-hroma zapo elo je nanošenje sloja sa materijalima u obliku praha. Dodatkom bora i silicija podignuta je radna temperatura za topljenje sloja na 1000 – 1100oC. Time se ostvaruje ta ka topljenja ispod mnogobrojnih metalnih osnovnih materiala. Tvrdo e ovih slojeva leže izmedju 180Hb i 65HRC. Kod plazma-prah-navarivanja nastaje izmedju osnovnog materiala i nanetog sloja rastopljeni spoj, dok kod gas-prah navarivanja, plamenog i plazma brizganja sa naknadnom termi kom obradom nastaje uzana difuziona zona prijanjanja us osnovni material. Ova jednokomponenntna legiranja ozna avaju se i kako matri ni prah mogu biti pomešana sa trvdim materijalima (naj eš e volfram karbidima). Pored koli inskih delova (do 80% težine WC/W2C) moraju biti podešene i veli ine zrna metalnog praha i volfram ili sinter karbida. Slika 1 prikazuje volfram karbide sa nejasnom (nedovoljno oštrom konturom). Pomo u grube matrice – zrna nije bilo mogu e brzo postavljanje mreže. Otopljeni karbidi su termi ki obuhva eni. Ri velikim zrnima karbida nastaju izmedju pojedinih karbida velike matri ne površine.
Slika 1:
Karbidi volframa sa nedovoljno oštrom konturom (uve anje 50x)
Slika 2 pokazuje nasuprot tomedobru raspodelu karbida sa oštro izraženim granicama poligonalnih karbida (matri ne i karbidne veli ine zrnba su u pravom odnosu). Pored Ni-B-Si i Ni-Cr-B-Si legiranja i mešavina sa tvrdim materijalima realizovana su i druga legiranja na bazi gvoždja i kobalta. Sa prahom na bazi kobalta parcijalno su navarivane velike serije sa plazmom-prah postupkom navarivanja. Na okside metala u obliku praha i nitride metala kao i spaljenu toplotu reaguju eg praha se ne može uticati.
Slika 2:
3.
Ravnomerna raspodela karbida volframa sa oštrim konturama (uve anje 50x)
ZAVARIVANJE LIVENOG GVOŽDJA
Razmatraju se neki novi aspekti zavarivanja nanošenjem praha kod livenog gvoždja. Posebna pažnja posve ena je prakti noj primeni istraživanja. Takodje je dat osvrt na zavarivanje sa plazmom i prahom i zavarivanje sa žicom za ispunu kod proizvodnje i reparature forme u obliku aše. Zaštita od habanja i korozije igra zna ajnu ulogu pri zavarivanju livenog gvoždja. Ranije su delovi od livenog gvoždja bili naj eš e oklopjavani po postupku ru no elektrolu no zavarivanje. 3.1
Zavari vanje plamenom
Kod gas-prah zavarivanja radi se sa autogenim plamenom kao izvorom energije. Gorionik je prikazan na slici 3.
Slika 3:
Gorionik za zavarivanje plamenom i prahom kao dodatnim materijalom
3.2
Zavari vanje plazmom
Ovaj postupak zavarivanja može se izvoditi sa prenešenjem plazemskog luka preko gorionika ili direktnom uspostavom luka na osnovni materijal, slika 4.
Slika 4:
4.
Princip postupka PTA-zavarivanja
ZAKLJU AK
Prednosti zavarivanja sa materijalimi u obliku prah do u do potpunog izražaja tek onda, kad se usaglasu svi tehnološki parametri. Pri razvoju i ispitivanju novog praha i mešavine prahova zavisi industrijska primena i uspeh od reproduktivnosti procesa nanošenja slojeva. Na prvom mestu se nalazi material u obliku praha. LITERATURA 1. Ernst Pfeiffer, Pulverformige Werkstoffe fur das Spritzen und Schweissen. M esser Greisheim Gmbh, 001.1206/35 8081/1 C.A./2035 2. E.A. Berthold Gusseisen kaltgeschweisst-aber richtig! Schweisstechnik, 5/1990 3. Uwe Scieslo, Olaf pennig Kriftel, Auftragschweissen an Gusseisenwerkstoffen-Innovative Schweisstechnologie, Schweiss & Pruftechnik 10/1999 4. Bohler Oberflachentechnik Flamm.Spritzen, BAG2/87 5000 1217 5. M esser Griesheim Gridur metal powders for wear and corrosion-resistent surfacing duties, 40.6011e 6. Yu.K. Rodin, I.I. Krikunova VNIIA AVTOGENM AŠ, Apparattura dlja gazopraškovoj naplavki, Svaro noe Proizvodstvo, No. 9, 1984 7. Walter Hansch, Gas-Pulver-Schweissen, Sonderdruck 2/71 aus »M aschinenmarkt«, Heft 107/108 (1970), Vogel Verlag, Wurzburg
Adhezijsko spajanje Ernst Pichler1), Brigita Kirar Meža2), Mitja Škali
2)
1)
Ögussa GmbH, Liesinger Flur-Gasse 4, A-1235 Dunaj, Avstrija 2) Zlatarna Celje d.d., Kersnikova 19, SI-3000 Celje, Slovenija
Povzetek Spajanje (spajkanje, lotan je) je postopek za trdno spajan je materialov in nanos površinskih slojev. Spajanje poteka s taljen jem in uteko injanjem spajke ter z difuzijskim spajanjem mejnih površin. Osnovni material se pri tem ne raztali, kar je tudi bistvena razlika v primerjavi z varjenjem, kjer se raztali tudi osnovni material.
1.
TEORIJA S PAJANJA
Spajanje (lotanje) je delovna tehnika, ki spominja na talilno varjenje v levo. Pri spajanju osnovni material na dolo enih mestih segrejemo na delovno temperaturo, material za spajanje pa po kapljicah nanašamo na spoj. Temperatura je najvišja na elni to ki spoja, vro a to ka pa se hkrati s hitrostjo dela pomika po spoju. Ob robovih spoja temperatura hitro pade. Pri spajanju ozkih spojev je potrebna enakomerna razporeditev temperature v obdelovancu. Obdelovanec vzdolž stika po ve ji površini enakomerno segrejemo na delovno temperaturo.
Slika 1:
Varjenje
Spajanje
Podobni materiali ter skoraj enaka delovna temperatura varjenca in varilnega material a.
Skoraj vse kombinacije materialov. Spajka se topi pri nižjih temperaturah kot obdelovanec.
Primerjava med varjenjem in spajanjem
Pri procesu spajanja je potrebno prepre iti izrazite vro e to ke. To je možno dose i z uporabo posebnega spajkalnega gorilnika, ki ga ustrezno pomikamo po spoju, kar je npr. potrebno pozorno upoštevati tudi med delom z varilnim gorilnikom. Delovna temperatura je najnižja površinska temperatura na mestu spajanja pri kateri se za ne spajka taliti in za ne potekati difuzija mejnih površin. Ob uporabi ustreznega talila je delovna temperatura konstanta, vendar vedno odvisna od spajke. Pri delovni temperaturi, nižji od 450 °C, govorimo o mehkem spajanju, pri delovni temperaturi nad 450 °C postopek imenujemo trdo spajanje, pri temperaturi nad 900 °C in ob delu v vakuumu ali z zaš itnim
plinom pa govorimo o visokotemperaturnem spajanju. e ima spoj obliko stika z vzporednimi robovi širine od 0,02 do 0,25 mm, govorimo o spajanju rež. V vakuumu kovinske površine tvorijo nenasi ene vezi. e pridejo te površine v stik z zrakom, se za nejo nanje nalagati plinske molekule (npr. kisik). Plinske molekule reagirajo s površino in tvorijo oksidacijski sloj, ki prepre uje razlitje teko e spajke po površini. Oksidacijske sloje lahko odstranimo s posebnimi zaš itnimi plini (vodikom), talili (kemi no odstranjevanje) ali v vakuumski pe i. e torej kaplja teko e spajke pride v stik s tako pripravljeno kovinsko površino, se lahko razlije po kovinski površini. Pri tem zaradi nasi enja prostih vezi nastane adhezijska sila. Ko je dosežena potrebna delovna temperatura se za nejo atomi osnovnega materiala in teko e spajke zaradi toplotne gibljivosti atomov povezovati (difuzija). Nastane spoj sestavljen iz osnovnega materiala in spajke. M ed strjevanjem spajke se pove a tudi njena kohezijska sila. M ehanska kakovost spoja je v prvi vrsti odvisna od adhezije in kohezije. Pri izbiri površine za spajanje, je treba upoštevati obliko spoja ter primernost za nanos spajke in talila, možnosti dela s spajko in talilom ali spajko in zaš itnim plinom. 2.
OBLIKA REŽE
Pri spajanju rež je potrebno dose i, da so reže im ožje. Najbolj optimalna širina spoja za spajanje s talilom znaša od 0,05 mm do 0,25 mm. Vendar pa reže zopet ne smejo biti preozke, saj vanje ne bo prodrlo dovolj talila. Talila imajo zgolj omejeno možnost topljenja kovinskih oksidov. Debelina sloja talila, potrebna za raztopitev oksidacijskega sloja na obeh stenah spoja znaša 0,05 mm, vendar pa je pri spajanju s talilom širina stika, ki ga želimo spojiti, omejena.
Slika 2:
Potek spajanja
Polnjenje špranje poteka na osnovi tlaka kapilarnega polnjenja. Na ta na in teko a spajka ste e v režo. Tlak kapilarnega polnjenja reže je obratno sorazmeren s širino spajkalne reže. Pri preširoki reži je tlak kapilarnega polnjenja tako nizek, da spajka ne te e ve v režo in je torej ne more napolniti. Zato znaša zgornja meja širine reže 0,25 mm. Reže spojev morajo imeti vzporedne stene ali pa se morajo ožiti v smeri toka spajke. Lijakaste razširitve povzro ajo nepotrebno pove anje porabe spajke, zaradi nastanka votlih žepkov ter ujetega plina in talila pa nastanejo porozna in pogosto netesna mesta, ki niso dovolj trdna.
Ustrezno
Slika 3:
3.
Neustrezno
Zasnova rež za spajanje
TALILA
Pri trdem spajanju kovinskih osnovnih materialov imajo talila nalogo raztapljanja mote ih oksidacijskih slojev in prepre itve nastajanja novega oksidacijskega sloja med postopkom spajanja. Brez uporabe talila je spajanje mogo e samo v vakuumu ali z uporabo zaš itnega plina, ki zmanjša nastanek oksidacijskega sloja, ali e spajka sama vsebuje sestavino, ki uni uje mote e okside. Takšen primer so trde spajke z vsebnostjo fosforja za spajanje bakra in bakrovih zlitin. V vseh drugih primerih je uporaba ustreznega talila eden od predpogojev za spajanje kovinskega elementa s staljeno spajko. Pri izbiri talila je potrebno upoštevati slede e: • kemijsko sestavo osnovnega materiala • delovno temperaturo spajke • temperaturno obmo je delovanja talila • predvideni postopek spajanja • obliko obdelovanca • morebitne posebne naloge talila • ostanke talila in možnost njihovega odstranjevanja. Ker talila praviloma ne morejo raztopiti oksidov težkih in lahkih kovin hkrati, so za dolo ene skupine materialov na voljo posebna talila. Delovna temperatura spajke mora biti znotraj temperaturnega obmo ja delovanja talila. Temperaturno obmo je delovanja talila pomeni temperaturno obmo je, v katerem lahko talilo raztaplja kovinske okside in prepre uje njihov ponovni nastanek med spajanjem. Namen temperaturnega obmo ja je, da dobimo ob doseženi dolo eni temperaturi isto površino materiala brez oksidov. Zgornja meja temperaturnega obmo ja delovanja talila mora biti višja od zgornje meje temperaturnega obmo ja delovne temperature spajke, saj mora talilo delovati, tudi e spajko prekomerno segrejemo.
Slika 4:
Mešanje talila in spajke
Ker lahko vsako talilo sprejme zgolj omejeno koli ino kisika, je potrebna posebna pozornost, da je spajanje kon ano v treh do štirih minutah, saj je po tem asu talilo zasi eno in ne more ve sprejemati kisika. e je pri obdelovancih z zelo veliko maso potreben daljši as segrevanja, je nujna uporaba posebnega talila z ustrezno dolgim asom u inkovanja, pri ro nem spajanju pa se priporo a uporaba spajke, ki je oplaš ena s talilom. Ostanki talila lahko vpijajo vodo iz zraka in ob nasi enju z vodo povzro ijo korozijo. Zato je ostanke talila priporo ljivo odstraniti. e to zaradi posebnih zna ilnosti obdelovanca ni mogo e, je potrebno preveriti, ali ostanki talila povzro ajo korozijo. Odstranjevanje ostankov talila je na eloma zelo preprosto s topili, ki jih ponuja proizvajalec talil. Praviloma tvorijo ostanki talila prosojni sloj. e se ostanki obarvajo motno sivo ali celo rno, to kaže na znatno vsrkanje kisika. Tako obarvane in s kisikom nasi ene ostanke je precej težko odstraniti. Temu se lahko izognemo z ustreznim iš enjem obdelovanca, skrajšanjem asa spajanja ali izbiro drugega talila.
Slika 5:
4.
Ostanki talila
TALILA V PLINAS TEM S TANJU
e je osnovni material železo ali e je spajka bakrena ali iz bakrove zlitine, spoji ali reže pa niso pregloboki, lahko uporabimo tudi talilo v plinastem stanju, ki ga na mesto spajanja nanašamo s plamenom gorilnika. V posebnih napravah zmešamo gorilni plin in talilo ter mešanico po dodajanju talila dovedemo v gorilnik. Uporabo talil v plinastem stanju prepoznamo po izraziti zeleni barvi plamena. 5.
S PAJKE BREZ VS EBNOS TI KADMIJA
Zaradi truda za varovanje okolja, ki na tem podro ju izhaja zlasti iz Skandinavije, je bilo treba za spajanje obdelovancev, ki prihajajo v stik z živili ali loveškim telesom (medicinski pripomo ki), razviti spajke, ki so z vidika delovne temperature im bliže nizkotemperaturnemu trdemu spajkanju in se v teko em stanju tudi podobno obnašajo. Dandanes je v tovrstne namene na voljo širok izbor spajk. Za nizko topne spajke, pri katerih znaša delovna temperatura približno 650 °C, se uporabljajo zlasti zlitine iz srebra, bakra in cinka z dodatkom kositra.
6.
S PAJKE IZ S REBRA, BAKRA IN FOS FORJA
Trde spajke z vsebnostjo bakra in fosforja lahko uporabljamo za spajanje dveh bakrenih elementov brez uporabe talila. M ed spajanjem del fosforja zgori in se veže z bakrovim oksidom na površini bakra, pri emer tvori bakrov metafosfat. Ta deluje podobno kot talilo ter prekrije staljeno spajko in okolico mesta spajanja z zaš itnim slojem, ki se obarva modrosivo ko se ohladi, prav tako pa ga ni potrebno odstranjevati, saj ne povzro a tveganja za nastanek korozije. Na voljo so trde spajke z vsebnostjo fosforja in 0-18 % srebra, pri emer žilavost spajke naraš a z vsebnostjo srebra. Delovna temperatura znaša od 680 do 720 °C in naraš a premo sorazmerno z vsebnostjo srebra. Spajanje bakrenih zlitin, npr. medenine z bakrom, je mogo e prav tako izvesti s spajko z vsebnostjo fosforja, vendar je potrebna uporaba talila. Železovih in nikljevih zlitin ne smemo spajati s trdimi fosfornimi spajkami, saj lahko nastanejo krhki vmesni sloji, ki lahko povzro ijo lom spoja. Prav tako se ne uporabljajo spajke z vsebnostjo fosforja, e bo mesto spajkanja prišlo v stik s snovmi, ki vsebujejo žveplo, saj lahko to povzro i korozijo. V teh primerih se uporabljajo nizko topne trde spajke z vsebnostjo srebra.
Slika 6:
Spoj bakrenih cevi s spajko, ki vsebuje baker, srebro in fosfor
Trde spajke z vsebnostjo fosforja najve krat uporabljamo v elektro industriji, kjer je zlasti zaželeno, da ni treba odstranjevati ostankov talila, pri polaganju vodovodov in toplovodnih napeljav, pri namestitvi sistemov za uteko injene pline, stisnjeni zrak ali kisik ali pri izdelavi vodov hladilnih sistemov, pri katerih je treba cevovode za hladilna sredstva, kot so klorirani ali fluorirani ogljikovodiki, spajati brez uporabe talil. Pri tem ni nevarnosti, da bi ostanki talila ostali v notranjosti vodov. V izogib nastanka škaje v notranjosti cevi lahko slednjo med spajanjem spiramo z zaš itnim plinom. 7.
NAS TAVITVE GORILNIKA
Spajkalni gorilnik je treba vselej nastaviti tako, da dovaja ve jo koli ino plina od predpisane, zlasti pri spajkanju dveh bakrenih elementov s fosfornimi spajkami in pri trdem spajanju aluminija. M ed spajanjem naj jedro plamena nikoli ne pride v stik z obdelovancem. Spajati je potrebno samo z zunanjim razpršenim plamenom. M ed dodajanjem spajke je naj plamen nekoliko odmaknjen od obdelovanca.
8.
IZBIRA US TREZNE S PAJKE
Strokovno izdelane spajke izkoriš ajo specifi no trdnost spojenih elementov. Že desetletja se pri nameš anju tehni nih plinskih inštalacij uporabljajo trde spajke. Na podro ju inštalacij iz bakrenih cevi in pri povezovanju mešanih cevi iz nerjavnih jekel ali bakrenih zlitin se uporabljajo nizko topne srebrne spajke brez vsebnosti kadmija. Za spajkanje cevovodov za medicinske pline po potrebi uporabljamo spajke z vsebnostjo fosforja, saj jih lahko pri spajanju bakrenih elementov uporabimo brez talila. Pri mešanih spojih (npr. spoji medenine in jekla) lahko delamo tudi s spajkami z vsebnostjo srebra in talilom. Ostanke talila je treba po spajkanju temeljito odstraniti. M ed spajanjem cevovodov za tehni ne in medicinske pline je nujna uporaba zaš itnega plina, ki zmanjša nastanek oksidacijskega sloja (mešanica dušika in vodika, isti dušik ali argonom). Praviloma uporabljamo dvakratno koli ino plina, kot je predpisana za spajanje. V vodu vselej ohranjamo rahel nadtlak, pri emer naj najve ji pretok znaša 10 l/min. Cevovodi za kisik in didušikov oksid morajo biti povsem brez olja in masti. Dobavitelj mora pred dobavo bakrene cevi za medicinske in tehni ne pline le-te zapreti s epi. Trdo spajanje naj bo vselej skladno z državnimi in mednarodnimi predpisi zadevnega podro ja. Spajalnega mesta med izdelavo ne segrevamo prekomerno, saj lahko to neugodno vpliva na strukturo materiala. Spajke z vsebnostjo fosforja ne uporabljamo za medije, ki vsebujejo žveplo, ampak uporabljamo spajke z vsebnostjo srebra. Raztezanje in kr enje cevovodov zaradi temperaturnih nihanj izravnavamo z razteznimi elementi, saj lahko na spojih v nasprotnem primeru nastanejo razpoke.
Metoda spremljanja obrabe naležnih površin elektrodnih konic Vasja Ravbar , Željko Pelengi , Drago Bra un, Ivan Polajnar, Janez Diaci Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevku je opisana metoda brezdoti nega merjenja stanja naležnih površin elektrodnih konic. Bistvena zna ilnost metod e je, da se meritve izvede v realnih pogo jih dela med premorom dveh zaporednih zvaritev. Rezultati izvedenih eksperimentov kažejo, da je metoda primerna za uporabo v industrijskem okolju in da omogo a zanesljivo vzdrževanje optimalnih varilnih parametrov.
1.
UVOD
Ena od pomembnih zna ilnosti postopkov uporovnega to kovnega varjenja (UTV) je, da se med vsako zvaritvijo naležne površine elektrodnih konic deloma obrabijo. Ta pojav je še posebej opazen pri varjenju prevle enih materialov, ki se jih vse pogosteje uporablja zlasti v avtomobilski industriji. Pove ana in nepredvidljiva obraba je problem tudi pri varjenju z ve jimi gostotami jakosti varilnega toka i [A/mm2] in/ali pri uporabi ve jih specifi nih tlakov 2 p [N/mm ] na mestih varjenja. Pri varjenju razmeroma neproblemati nih materialov in v okviru blažjih režimov dela je sicer možno z veliko stopnjo verjetnosti napovedati potek spreminjanja stanja elektrodnih konic v odvisnosti od števila izvedenih zvarov. Vendar se v realnih pogojih pogosto dogaja, da potek obrabe elektrodnih konic ne sledi statisti nim napovedim. Zato je ocena obrabe elektrodnih konic zgolj na osnovi preštetih to kovnih zvarov premalo zanesljiva. Na osnovi brezdoti nega sprotnega merjenja stanja elektrodnih konic po vsaki zvaritvi smo razvili metodo, ki mogo a zanesljivo ugotovitev stanja naležnih površin. Na ta na in je mogo e ustrezno prirejanje varilnih parametrov za vsak naslednji to kovni zvar tako, da se te izvede v okviru optimalnih pogojev varjenja. S tem se znatno pove a možnost doseganja stabilne kakovosti to kovnih zvarov tudi v primerih, ko prihaja do nepredvidljivih poškodb elektrodnih konic. V prispevku so predstavljene meritve oblike naležnih površin elektrodnih konic med procesom UTV, izvedene s pomo jo laserskega triangulacijskega sistema. Reliefne spremembe (stanje) na elektrodni konici, ki se zgodijo po dolo enem številu zvaritev, smo opredelili z enoštevil nim parametrom. Rezultati kažejo, da je potek tega parametra povezan z obrabo elektrodnih konic in je tudi uporaben kot zanesljiva osnova za sprotno prilagajanje varilnih parametrov. 2.
EKS PERIMENT
Pri eksperimentih smo uporabili varjence iz toplo pocinkane plo evine (Z 140M B po EN 10142), ki se zaradi številnih dobrih mehanskih in kemi nih lastnosti pogosto uporablja v industriji. V primerih UTV je slabost tega materiala v tem, da povzro a hitro in
nepredvidljivo obrabo elektrod med procesom in posledi no nepredvidljivo kakovost zvarov. Eksperimente smo izvedli na stroju Elektroda nazivne mo i 60 kVA. Na stroj za uporovno to kovno varjenje smo vgradili laserski triangulacijski sistem, ki ga sestavljata laserski projektor in CCD kamera, kot je prikazano na sliki 1. Projektor projicira na površino spodnje elektrode šop svetlobnih ravnin. Pri našem eksperimentu jih je na površino elektrodne konice s kontaktnim premerom 7 mm (izbrana po navodilih DIN 44759 standarda) vpadlo približno 18. Ko se ti žarki difuzno odbijejo na površini elektrodne konice, je z vseh strani na površini viden rtast vzorec (slika 3). Sliko tega vzorca zajamemo s kamero, ki je nameš ena pod dolo enim triangulacijskim kotom glede na os projektorja. Velikost triangulacijskega kota je odvisna predvsem od tega, kakšne detajle na elektrodni konici želimo opazovati.
Slika 1:
Shema merilnega sistema
Digitalizirano sliko nato ra unalniško obdelamo z algoritmom dolo itve reliefa in tako dobimo kon no meritev oblike elektrodne konice (slika 2).
Slika 2:
Elektrodna konica (fotografija na (ra unalniška upodobitev na desni)
levi) in
njene izmerjena
površina
Opravili smo 300 zaporednih zvaritev pri naslednjih nastavitvenih parametrih: • pritisna sila: 6 kN • nominalna jakost varilnega toka: 10 kA • as pritiska: dvajset period (t p = 0,4 s) • as varjenja: deset period (t v = 0,2 s) • as zadrževanja: dvajset period (t d = 0,4 s) • na in varjenja: kontinuiran Naredili smo 1600 zaporednih zvaritev ter opravili meritve stanja elektrodne konice po 150., 350., 600., 950., 1300. in 1600. zvaru. Slika 3 prikazuje v enakem merilu odsev svetlobnih rt z naležne površine spodnje elektrodne konice po 150. in 1600. zvaritivi. Na sliki so vidne svetle rte, ki predstavljajo merilne laserske ravnine. Iz poteka teh rt rekonstruiramo obliko površine konice. Že s prostim o esom je razvidna razlika med levo in desno sliko, do katere pride zaradi obrabe konice. Z ra unalniško obdelavo se te razlike izostrijo in jih je mogo e natan no ovrednotiti.
Slika 3:
3.
Fotografije spodnje elektrodne konice po 150. (levo) in 1600. (desno) zvaritvi
REZULTATI
Na sliki 4 sta prikazani ra unalniško generirani sliki 3D izmerkov spodnje elektrodne konice po 150. in 1600. izvedeni zvaritvi. Na slikah je ozna en karakteristi ni prerez A-A, ki ga uporabljamo pri opisu in ovrednotenju obrabe konic.
Slika 4:
Izmerjeni površini spodnje elektrodne konice po 150. (levo) in 1600. (desno) zvaritvi
Potek karakteristi nega prereza A-A po razli nem številu zvaritev je prikazan na sliki 5. Na prerezu T1(x) nove elektrodne konice vidimo, da je srednji premer konice približno 7 mm. Poleg tega je opazna rahla bombiranost elektrodne konice – približno 0,14 mm. Po opravljenih 150. zvaritvah (prerez T2(x)) se konica sploš i, vendar pa se tako oblika kot srednji premer bistveno ne spremenita. Po 600 zvaritvah (prerez T3(x)) se oblika nove elektrodne konice že mo no razlikuje od za etne oblike. Vrh konice se na levi strani mo no sploš i – približno za 0,8 mm, medtem ko se njegov srednji premer pove a na približno 8 mm. Podobno velja za elektrodno konico pri 1600. zvaru (prerez T4(x)), kjer imamo še izrazitejšo sploš itev, srednji premer pa se pove a na 9,5 mm. Elektroda po 1600. zvarih je bila že degradirana, presenetljivo pa je bilo to, da je bila njena površina precej ravna. Za takšne primere je zato pomembno, da opazujemo površino elektrodne konice v nekoliko širši okolici, torej ve ji od okolice s srednjim premerom nove elektrodne konice. Oblika karakteristi nih prerezov jasno pokaže trend obrabe elektrodne konice z ve anjem števila zvaritev.
- T1(x) ... nova elektroda - T2(x) ... elektroda po 150. zvaru - T3(x) ... elektroda po 600. zvaru - T4(x) ... elektroda po 1600. zvaru
Slika 5:
Prikaz karakteristi nih profilov T(x) sp. konice po razli n em številu zaporednih zvaritev
Metoda vrednotenja obrabe elektrodne konice Z dobljenimi meritvami smo dobili podatke o obliki naležne površine elektrodne konice, ki je v ra unalniški obliki opisana z matriko, katere indeksi predstavljajo diskretne lokacije na referen ni ravnini, vrednosti pa razdaljo nad oz. pod to ravnino. Ta na in opisa imenujemo množica oz. 'oblak' to k. Z naraš anjem števila to kovnih zvarov se površina elektrodne konice, zaradi obrabe, spreminja. Površinske spremembe med novo elektrodno konico in elektrodno konico po dolo enem številu zvarov želimo opisati z enoštevil nim parametrom, ki ga dolo imo na podlagi osnovnega profila elektrodne konice T(x) , dobljenega iz 'oblaka' to k z mediansko preslikavo. T(x) dolo imo tako, da na interesnem obmo ju L izra unamo vrednost mediane vzdolž vsakega posameznega stolpca xj (v y smeri). Za vrednost mediane smo se odlo ili zato, ker v primeru eventualnih manjših lokalnih napak, le-te nimajo ve jega vpliva. T(x)= mediana y
(x, y) ; x,y ∈ L
(1)
Parameter profilnih odstopkov Opr predstavlja vsoto vseh kvadrati nih odstopkov med osnovnima vzdolžnima profiloma degradiranega predmeta TD(x) ter prvotnega predmeta TN(x). Na koncu vsoto odstopkov še normiramo. V ena bi (2) je M število vseh stolpcev vzdolž interesnega obmo ja L. Opr =
1 M
(TD ( x) − TN ( x ))2
; x∈L
(2)
x
Osnovni vzdolžni profil T(x) smo vpeljali zato, ker omogo a bolj pregledno opazovanje sprememb pri obrabi konice kot 3D površina. Kot je razvidno iz slike 6, parameter Opr naraš a z naraš anjem števila zaporednih zvaritev v celotnem obmo ju. Elektroda po 300. zvarih še ni bila degradirana do te stopnje, da bi jo bilo potrebno zamenjati. Degradiranost vrha elektrodne kape se kaže predvsem v spremembi srednjega premera elektrodne konice in lokalnih sprememb na njeni površini. Tudi te razmeroma majhne spremembe lahko zaznamo in sproti spremljamo preko parametra Opr, ki se kaže kot ob utljiva in zanesljiva mera postopne degradacije konic. S sprotnim dolo anjem parametra Opr torej lahko spremljamo obrabo elektrod in po potrebi spreminjamo varilne parametre tako, da izvajamo proces v optimalnem obmo ju. Z eksperimenti bi bilo mogo e dolo iti mejno vrednost parametra Opr, ki bi opredeljevala teoreti no mejo med sprejemljivo in nesprejemljivo degradacijo elektrode. Doseženo mejno vrednost parametra Opr lahko uporabimo kot signal operaterju, da samodejne korekcije parametrov niso ve smiselne ter da je potrebno zamenjati konici.
Slika 6:
4.
Prikaz odvisnosti parametra obrabe Opr od števila n zaporednih zvaritev
ZAKLJU KI
Razvili smo sistem za sprotno spremljanje reliefnih sprememb na površini elektrodne konice in ga aplicirali na stacionarnem stroju za UTV (uporovno to kovno varjenje) Velikostni merjene površine je bila 7x7mm, na njen smo merili reliefne spremembe pod 0,1 mm. Ta sistem nam odpira nove možnosti študije obrabe elektrodne konice in možnost uporabe teh informacija za krmiljenje UTV. Nadaljne raziskave bodo usmerjene predvsem v dolo anje meje sprejemljive degradacije konic na osnovi razvitih oblikovnih parametrov obrabe. Na ta na in bi bilo mogo e izlo iti subjektivni faktor presoje stopnje obrabe konic.
LITERATURA 1. Bra un D., Diaci J., Polajnar I., M ožina J., Using laser profilometry to monitor electrode wear during resistance spot welding. Sci. technol. weld. join., 2002, letn. 7, št. 5, str. 294298. 2. RAVBAR, Vasja, PELENGI , Željko, DIACI, Janez. M erjenje profila elektrodnih konic pri uporovnem to kovnem varjenju. V: POLAJNAR, Ivan (ur.), ŠTULAR, Pavel (ur.). Dan varilne tehnike, Celje, 20. maj 2004. Zbornik referatov. Ljubljana: Slovensko društvo za varilno tehniko, 2004. 3. Polajnar I., Bra un D., Podržaj P., Diaci J., Electrode contact area monitoring during resistance spot welding of coated steel. IIS/IIW Doc.: III-1310-04. V: 57th Annual Assembly of IIW/IIS, Osaka, July 11.-16. 2004. [Osaka], 2004: International Institute of Welding, 9 str. 4. Bra un D., Polajnar I., Diaci J., Indentation shape parameters as indicators of spot weld quality. V: GRUM , Janez (ur.). 8th International Conference of the Sovenian Society for Non-Destructive Testing, Portorož, Slovenia, 1-3 September 2005. Conference proceedings. Ljubljana: Slovenian Society for Non-Destructive Testing, 2005, str. 419427.
IN MEMORIAM Ne, jaz no em še umreti, saj še sije zlato sonce, saj mladost me drzna spremlja, saj so cilji še pred mano; ne jaz no em še umreti. (Sre ko Kosovel)
Soavtorji prispevka se ob tej priložnosti priklanjamo spominu Vasje Ravbarja univ. dipl. inž., ki je kot diplomant Fakultete za strojništvo sodeloval pri opisani raziskavi in za to delo prejel Prešernovo nagrado za študente UL-FS. Žal je njegov nadaljnji uspešen strokovni razvoj prekinila prezgodnja smrt.
Detekcija akusti ne emisije pri uporovnem to kovnem varjenju Ivan Polajnar, Tomaž Kek, Janez Grum Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškr eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek Z detekcijo akusti n e emisije med procesom uporovnem to kovnem varjenju je možno zaslediti za etek pojava nezaželen ega brizganja. Iz posnetih in analiziranih signalov akusti ne emisije lahko z veliko gotovostjo sklepamo, da je med varjenjem prišlo do pojava brizganja. Z razvojem matemati nega a lgoritma pa bi bilo možno za eti po jav tudi avtomati no prekiniti.
1.
UVOD
Uporovno to kovno varjenje (UTV) je v množi ni proizvodnji, še posebej v avtomobilski industriji, med najbolj pogosto uporabljenimi varilnimi postopki. Kljub temu, da je postopek cenen, ne smemo zanemariti dejstva, da mora kvaliteta vsake zvarne to ke ustrezati predpisanim tolerancam. Pri vzpostavljanju pogojev za kontrole kvalitete v industrijskih pogojih naletimo na naslednje težave: to kovne zvare se zvari v zelo kratkem asu in tudi varjenje naslednjega zvara sledi po razmeroma kratkem premoru, kar pomeni, da tudi v asu premora ni na razpolago prav veliko asa za celovito presojo kakovosti predhodno zvarjenega to kovnega zvara. Poznamo sicer ve off-line postopkov kontrole kvalitete zvarov, vendar ti ne omogo ajo kontrole že med samim varjenjem. Zato želimo v našem razviti inteligenten nadzor nad varjenjem, ki bo ekonomsko upravi en, zanesljiv in primeren za uporabo v industrijskem okolju. Izhodiš e za raziskave na tem podro ju je bilo dejstvo, da bi lahko brizganje prepre ili še preden se sploh pojavi. Brizganju taline se namre želimo izogniti iz ve razlogov: zaragi energetskih prihrankov, kar pomeni, da je bila v podro je zvara vnesena manjša koli ina energije, da bi zmanjšali obrabo elektrodnih konic in zlasti zato da bi dvignili splošni nivo kakovosti to kovnih zvarov in samega izdelka. Briz ganje namre zmanjša trdnost in korozijsko odpornost to kovnih zvarov in kvari zunanji videz zvara. Ob tem povzro a brizganje še dodatne poškodbe površin varjencev, onesnažuje okolje in ogroža varnost okoliških delavcev. 2.
TVORBA ZVARA IN POJAV BRIZGANJA
UTV je postopek spajanja praviloma dveh enako debelih varjencev, ki sta vstavljena med dve osno-simetri ni elektrodi [1]. Elektrodi sta priklju eni v elektri ni tokokrog pod napetostjo varjenja UW in stisnjeni s pritisno silo FW (Sl. 1). Kot posledica celotne upornosti tokokroga RT in napetosti varjenja UW, ste e tok varjenja IW. Pri tem se v asovnem intervalu dt sprosti dolo ena koli ina toplote dQ (En. 1). Zaradi velike kontaktne upornosti med varjencema RC [2, 3], se velik del te toplote sprosti prav na mestu varjenja. dQ = P dt = U W (t) IW (t)
2
dt = IW (t) RT (t) dt
(1)
Slika 1:
Shema UTV
Potek formiranja to kovnega zvara je odvisen od ve jega števila parametrov, med katerimi so najpomembnejši: • vrsta, debelina in stanje površine varjencev, • oblika in premer elektrod, • velikost pritisne sile, • vrsta in velikost varilnega toka IW, • as varjenja tW. Za segrevanje dolo enega volumna zvarne le e V z gostoto ρ in specifi no toploto cp, ki ga segrejemo od temperature okolice T 0 do temperature tališ a T m (∆T = Tm – T 0), bi teoreti no potrebovali toploto Q T (En. 2). Dejanska vnešena toplota Q A je ve ja od Q T (En. 3) zaradi segrevanja okolice in zaradi toplotnih izgub - ηw [6]. Q T = V cp ρ ∆T Q A = RC I W
Slika 2:
2
tW / ηw
(2) (3)
Vpliv jakosti varilnega toka in asa na tvorbo to kovnega zvara
Sproš ena toplota je torej neposredno odvisna od izbrane velikosti varilnega toka in asa varjenja. V praksi težimo k temu, da izberemo varilne parametre tako, da omogo ajo doseganje želene oblike in kvalitete zvara z minimalnimi toplotnimo izgubami. To pomeni, da po možnosti varimo s im višjo vrednostjo jakosti varilnega toka, ki obenem naj ne bi
povzro al brizganja taline (Sl. 2,3). Pojav brizganja taline pri UTV je sicer zelo pogost, vendar nezaželen. Povzro ajo ga: • prevelik vnos energije in s tem preseganje dolo ene velikosti zvarne le e (pri primerni velikosti varilnega toka, veliki pritisni sili in pove anem asu varjenja), • prevelik za etni varilni tok (pogosto pri premajhni velikosti zvarne le e in premajhni pritisni sili), • tog prenos pritisne sile (tudi pri optimalnih vrednostih drugih varilnih parametrov in pri akovani velikosti zvarne le e).
Slika 3:
3.
Primer varjenja z brizganjem taline
AKUS TI NI POJAVI MED UTV
Naše raziskave so bile usmerjene v možnost napovedovanja in prepre evanja brizganja, z uporabo posnetega slišnega zvoka. M ed varjenjem se generira slišni zvok na podoben na in, kot nastaja akusti na emisija visokih frekvenc, ki je posledica razli nih efektov med procesom varjenja. Ti efekti povzro ajo zvo ne valove razli nih frekvenc in amplitud, ki so združeni v zvok (ta vklju uje tudi šume iz okolice) [3, 4]. Po izvoru lahko te signale razdelimo v dve glavni skupini (Sl. 4): • izbruhi, kot posledica trenutnih dogodkov (kjer amplituda signala s asom eksponentno pada) • zvezni signali kot posledica ponavljajo ih in prekrivajo ih se dogodkov Posnete zvo ne signale med UTV lahko v asovnem diagramu razdelimo v pet zna ilnih faz: 1. dotik elektrod z varjencema (izbruh zvoka visoke amplitude) 2. stiskanje elektrod pred varjenjem (iznihavanje - amplituda zvoka pada na nivo šuma okolice) 3. varjenje – ko skozi tokokrog te e tok (zvezni signal, ki nosi koristna sporo ila o poteku varjenja – iz tega signala poskušamo ugotoviti, ali je prišlo do pojava brizganja taline)
4. stiskanje elektrod po varjenju (iznihavanje zveznega signala - amplituda nihanja pada na nivo šuma okolice) 5. razklenitev elektrod (izbruh zvoka visoke amplitude) Zvo ni izbruh
Zvezni signal
1
1 ,5
0 ,8 1
am plituda
am plituda
0 ,6
0 ,4
0 ,2
0 ,5
0 0
1 0
0 2
0 3
0 4
0 5
0 6
0 7
-0 ,5
0 0
1 0
0 2
0 3
4 0
5 0
0 6
0 7
-1 -0 ,2
-0 ,4
-1 ,5
as
Slika 4:
as
Primer zvo nega izbruha in zveznega signala
Za etek in intenzivnost brizganja pri UTV lahko zasledujemo na razli ne na ine: iz poteka dinami ne upornosti, pomika elektrod, iz detektirane akusti ne emisije ali slišnega zvoka. Za razliko od navedenih metod, ki zahtevajo uporabo prilagojenih senzorje in obdelavo podatkov, obeta brezkontaktna senzorika pojava brizganja s slišnim zvokom enostavnost in cenenost [5, 6]. 4.
EKS PERIMENTI
Vsi preizkusi so bili izvedeni na stacionarnem stroju za UTV ELEKTRODA, tip TA 60-S (Sl. 5), z elektrodami iz materiala Varmat 3, standardne oblike po DIN 4458, s premerom elektrodne konice dC = 7,0 mm [7, 8].
Slika 5:
Stroj za UTV: ELEKTRODA, tip TA 60-S
Varjenci so bili iz hladno valjanega konstrukcijskega jekla St.37, debeline δ = 2,0 mm in dimenzij 40 x 110 mm. Zvarili smo jih z enim to kovnim zvarom, po priporo ilih standarda DIN 5411 za natezno-strižni preizkus s prekritjem ep = 35 mm. Ob konstantni pritisni sili sta bila varilni tok in as varjenja izbrana tako, da sta zagotavljala približno enak vnos energije, pri dveh razli nih varilnih režimih: • blag varilni režim - z manjšim varilnim tokom in daljšim asom varjenja, ki ne povzro i brizganja taline • oster varilni režim - z ve jim varilnim tokom in krajšim asom varjenja, ki naj bi povzro il brizganje taline Tabela 1:
Nastavitve in varilni parametri
Režim varjenja
Nastavitve stroja
blag oster
III - 5 IV – 5
Pritisna sila FW [kN] 3,0 3,0
Tok varjenja IW [kA] 7,11 7,54
as varjena tW [s] 0,60 0,40
Varilni tok smo merili posredno s tuljavo Rogowsky (s karakteristiko 1 kA = ^ 200 mV), ugrez elektrod s triangulacijskim laserskim senzorjem M EL D-85836 (s pripadajo im oja evalnikom) in slišni zvok s kapacitivnim mikrofonom B&K 4145 0,5" z mikrofonskim oja evalnikom in napajalnikom tipa 2801. Signal iz mikrofona smo vodili skozi 800 Hz nizkopasovni filter, na ta na in smo se znebili zvoka visokih frekvenc, ki je v primeru digitalizacije nezaželen. Signale smo posneli z dvema digitalnima osciloskopoma in prenesli na PC. 5.
REZULTATI IN DIS KUS IJA
Varilni parametri pri obeh režimih varjenja so zagotavljali približno enak videz zvara, t. j. premer dI in globina vtiska x sta bila približno enaka. Po drugi strani pa sta razli na režima varjenja povzro ila razlike v obliki in premeru zvarnih le , kar kaže tudi slika 7. Pri blagem režimu, t. j. brez brizganja, je zvarna le a bolj sploš ena (dN ’ = 9,5 mm), v ostrem režimu pa je zvarna le a bližje kroglasti obliki (dN ’’ = 8,7 mm) [9]. d I = 8,0 mm
x = 0,2 mm
d N’’= 8,7mm d N’ = 9,5 mm
Slika 7:
Oblike in dimenzije zvarov v pre nem prerezu
Rezultati eksperimentalnega dela so predstavljeni s asovnimi diagrami varilnega toka IW (t), ugrezom elektrod x(t) in slišnim zvokom AS(t) za varjenje z brizganjem ali brez njega. V vseh prikazanih diagramih so ordinatne vrednosti v relativnih enotah. M erjeni signali varilnega toka, ugreza elektrod in slišnega zvoka za blagi režim so prikazani na sliki 8, za ostri režim pa na sliki 9 in 10. Na sliki 9 in 10 imamo dva razli na diagrama za ugrez elektrod in slišnega zvoka (diagram toka je enak za oba). Na prvem paru (Sl. 9) lahko vidimo, da je prišlo do enega brizganja, v drugem primeru (Sl. 10) pa je prišlo celo do dvojnega briz ganja. Analiza asovnih zapisov: • Pojav brizganja je najlažje razbrati iz diagramov ugreza – nenaden dvig krivulje (med varjenjem). • S spremljanjem procesa aktivnosti akusti ne emisije, se briz ganje pokaže kot vidna sprememba v amplitudi zvoka. 2 1 IW 0 1 2
tW 0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
2 1 x 0 1 2
2 1 AS 0 1 2 0
Slika 8:
Blagi režim varjenja
2 1 IW 0 -1 -2
tW 0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
2 1 x 0 -1 -2
2 1 AS 0 -1 -2
Slika 9:
Ostri režim varjenja 2 1 IW 0 -1 -2
tW 0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,7
0,8
1,0
1,2
1,4
t [s]
2 1 x 0 -1 -2
2 1 AS 0 -1 -2
Slika 10:
Ostri režim varjenja
Z velikim številom eksperimentov, pri katerih spreminjamo velikost varilnega toka, lahko konstruiramo zgornjo linijo diagrama, prikazanega na sliki 2 (linija med pravilnim zvarom in brizganjem).
6.
ZAKLJU EK
Dobljeni rezultati kažejo, da je v našem primeru najbolj primeren postopek za ugotavljanje brizganja med uporovnim to kovnim varjenjem brezkontaktno merjenje ugreza z laserskim senzorjem. Vendar je potrebno poudariti, da je tak na in spremljanja zaradi šumov iz okolja v industrijskih pogojih, t. j. v masovni proizvodnji, le delno uporaben. S snemanjem in analizo detektiranih signalov akusti ne emisije je možno zaznati brizganje, vendar se zanesljivost zaznave zmanjša, e so prisotni nekontrolirani šumi iz bližnje okolice. e je zagotovljeno relativno dobro definirano delovno okolje, potem je metoda zaznavanja brizganaja s tem pristopom zelo prikladna zaradi dobre lo ljivosti, zanesljivosti in cenenosti. Z nadaljevanjem dela na tem podro ju bi bilo možno razviti enostaven matemati en algoritem za avtomatsko zaznavo brizganja med procesom, še boljše pa bi bilo poskusiti napovedati brizganje iz poteka dinami ne upornosti. LITERATURA 1. Ko ergin K.A.: Kontaktna svarka. M ašinostroenie, Leningrad, 1987, pp.: 81 – 110. 2. Radaj D.: Schweißprozeßsimulation, Grundlagen und Anwendungen. Verlag für Schweißen und Verfahren D VS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1989, pp.: 121 – 140. 3. Aclini W.V.: Experimental M easurement of Liquid Nugget Heat Convection in Spot Welding. Welding Journal, Vol. 69, April 1990, pp.: 177 - 180. 4. Grabec I., Govekar E. in Gradišek J.: Analysis of acoustic emission of manufacturing processes. The first congress of Slovenian acoustic society. Portorož 1998, Proceedings, 1 - 18. 5. Diaci J. in Polajnar I.: Analysis of low frequency sound detected during resistance spot welding. The first congress of Slovenian acoustic society. Portorož 1998, Proceedings, 223 - 230. 6. Broomhead J.H. and Dony P.H.: Resistance spot welding quality assurance. Welding and M etal Fabrication, July 1990, pp.: 55 - 76. 7. Trošt A.: Fizikalne osnove uporovnega varjenja in kakovost uporovno to kovnih zvarov. Seminarska naloga univerzitetnega študija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998. 8. Trošt A.: Detekcija in analiza nizkofrekven nega zvoka pri uporovnem to kovnem varjenju. Diplomska naloga univerzitetnega študija št. 4883, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998. 9. Šiško L.: Detekcija in analiza zvoka pri uporovnem to kovnem varjenju. Diplomska naloga višješolskega študija št. 3929, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1999. 10. Diaci J., Polajnar I., Elsayed A.E., Šiško L., Acoustic detection of melt expulsion during resistance spot welding. The second congress of Slovenian acoustic society. Portorož 2000, Proceedings, 377 - 386.
Mikrobiološko vplivana korozija zvarnih spojev Marjan Suban, Robert Cvelbar, Borut Bundara Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1001 Ljubljana, Slovenija
Povzetek Prispevek obravnava manj znano obliko korozijo t.i. mikrobiološko vplivano korozijo. Ta dokaj neobi ajna oblika korozije je rezultat interakcije med bakterijami in raznimi kovinami ter njihovimi zlitinami, zanjo pa je zna ilna tudi do 100-krat ve ja hitrost napredovanja kot pri obi ajnih na in ih korozije. Sistemi, ki so ranljivi s stališ a mikrobiološko vplivane korozije so cevovodi, rezervoarji, tla ne posode, protipožarni »sprinkler« sistemi, itd. V prispevku so podrobneje opisani vzroki za nastanek ter potek mikrobiološke vplivane korozije ter njene posledice predvsem na zvarne spoje.
1.
UVOD
V cevovodu, ki je v osnovi namenjen transportu teko ih, plinastih ali razsutih novi, se lahko pogosto pojavijo zastajajo e oz. mirujo e vode. M irujo e vode ali vode, katere pretok je majhen predstavljajo potencialno gojiš e za razvoj mikroorganizmov. M ikroorganizmi ne predstavljajo nevarnost samo živim organizmom ampak je njihovo delovanje škodljivo tudi neživi naravi oz. raznim kovinski ter ostalim materialom. Bakterije, glivice, alge so mikroorganizmi, ki med drugim povzro ajo tudi korozijo kovin in njihovih zlitin. Za tak tip korozije se je uveljavilo ime mikrobiološko vplivana korozija. Podobno velja tudi za sisteme, ki so prikazana v tabeli 1 in so ranljivi s stališ a mikrobiološko vplivane korozije. V tabeli so navedeni tudi mikroorganizmi, ki se najbolj pogosto pojavljajo kot vzrok za korozijo. Tabela 1:
Sistemi, kjer se pojavlja mikrobiološka vplivana korozija [1]
Uporaba/sistem Cevovodi/rezervoarji (pitna ali odpadna voda, plin, nafta)
Hladilni sistemi
Problemati ni element/podro je Obmo ja zastajanj a (znotraj) Zunanjost zakopanih cevi in rezervoarjev v mokrem okolju Neustrezno sušenje po tla nem preizkusu Hladilni stolpi Izmenjev alci toplote
Pomoli, privezi in druge obalne konstrukcije Rezervo arji goriva pri vozilih Elektrarn e in toplarne
Obmo je valovanja Obmo je plimovanja Obmo ja zastajanj a Izmenjev alci toplote Kondenzatorji
Protipožarni sistemi
Obmo ja zastajanj a
Mikroo rganizmi Aerobni in anaerobni proizvaj alci kisline Bakterije, ki reducirajo sulfat Bakterije, ki oksidirajo Fe/Mn Bakterije, ki reducirajo sulfat Aerobne in anaerobne bakterije Bakterije, ki oksidirajo kovine Bakterije, ki tvorijo mulj Alge Glive Bakterije, ki reducirajo sulfat Glive Aerobne in anaerobne bakterije Bakterije, ki reducirajo sulfat Bakterije, ki oksidirajo kovine Anaerobn e bakterije Bakterije, ki reducirajo sulfat
S stališ a korozije kovin so najbolj poznane bakterije, ki reducirajo sulfat (angl. sulphate reducing bacteria SRB). Razvoj bakterij se pojavi v okolju, ki je prikazan na sliki 1. Bakterije v mirujo i ali po asi teko i vodi tvorijo na površini kovine biofilm, pod katerim te ejo korozijski procesi kovine tudi do 1000 krat hitreje kot pri obi ajni koroziji [2]. Biofilm ZnS ZnS agregati
Slika 1:
Sestavni deli okolja za razvoj mikrobiološke vplivana korozije in mikroskopski posnetek biofilma v primeru korozije cinka (levo) [3]
Za potek kemi nih reakcij so pri mikrobiološko vplivani koroziji potrebne bakterije, ki reducirajo sulfat. Fluidi z mikroorganizmi predstavljajo nov izvir katodnih reaktantov. Korozijski len tako izvira iz razgradnih produktov mikroorganizmov. Potek kemijskih reakcij je torej naslednji. Anodna reakcija: 4Fe – 8e– 4Fe2+ (1) Katodna reakcija: 8H2O + 8e– 8H + 8OH– (2) 8H + SO42– 4H2O + S2– (3) len: 4Fe + 8H2O + SO42– 4Fe2+ + S2– + 8OH– (4) 2– 2+ emur sledi S + Fe FeS (5) in 3Fe2+ + 6OH– 3 Fe(OH)2 (6) SRB bakterija torej v primeru železnih zlitin povzro i tvorbo železovega sulfida FeS. V primeru reakcije s cinkom (Zn), ki predstavlja protikorozijsko zaš ito jekla pa so korozijski produkti cinkov sulfid ZnS in njegovi agregati, ki se izlo ajo v biofilmu, kot je to prikazano tudi na sliki 1. Poleg SRB bakterije so poznane tudi ostale bakterije, ki povzro ajo mikrobiološko vplivano korozijo pri kovinah. V tabeli 2 so prikazane najbolj pogoste z opisom njihovega delovanja ter okoljem, v katerem so najbolj aktivne. Tabela 2:
Bakterije za katere je znano, da povzro ajo mikrobiološko vplivano korozijo pri jeklih in drugih kovinah [4]
Vrsta Desul fovibrio
pH 4-8
Temperatura 10°C - 45°C
Potreba po kisiku Anaerobn a
Desul fotomaculum
6-8
Anaerobn a
Desul fomonas Acidthiobacillus thiooxidans
0,5 - 8
10°C - 45°C (some at 45°C - 75°C) 10°C - 45°C 10°C - 45°C
Anaerobn a Aerobna
Ogro žene kovine Železo in jekla, nerjave e jeklo, Al, Zn, Cu in zlitine Železo in jekla, nerjave e jeklo Železo in jekla Železo in jekla, Cu in zlitine
Acidithiobacillus ferrooxid ans Gallionella
1-7
10°C - 45°C
Aerobna
Železo in jekla
7 - 10
10°C - 45°C
Aerobna
Siderocapsa
-
10°C - 45°C
Mikroaero filn a
Leptothrix Sphaerotilus
6,5 - 9 7 - 10
10°C - 45°C 10°C - 45°C
Aerobna Aerobna
Pseudomonas
4-9
20°C - 45°C
Aerobna
Železo in jekla, nerjave e jeklo Železo in oglji na jekla Železo in jekla Železo in jekla, nerjave e jeklo Železo in jekla, nerjave e jeklo
Cevovodi z nevtralnimi pH vode med 4 in 8 ter pri temperature od 20 do 45oC so torej v mikrobiološkem smislu idealni za razvoj mikroorganizmov [5]. Poleg temperature, kislosti (faktorja) pH ter vsebnosti kisika pa na razvoj bakterij vplivajo tudi drugi fizikalno mehanski faktorji kot so površinska energija, hrapavost površine kovine, in hitrost pretoka fluida. Uporaben diagram je bil podan s strani Krooneman et al. v lit. [6] za oceno tveganja pojava mikrobiološko vplivane korozije v cevovodih (glej sliko 2). Kar je pomembno na tej sliki je to, da so mikroorganizmi, tako kot ljudje, zmožni živeti le v dolo enih pogojih, med katerimi pa je hitrost pretoka fluida izjemno pomembna. Kot mejna vrednost hitrosti pretoka na sliki 2 je podana 1,5 m/s. Pod to hitrostjo je razvoj bakterij in tvorjenje biofilma omogo eno, nad to vrednostjo pa so možnosti manjše, ker je hitrost pretoka fluida prevelika. Johnsen in Bardal navajata, da lahko mikroorganizmi tvorijo biofilm tudi pri hitrosti pretoka fluida okoli 4,5 m/s [7]. Ne glede na to obstaja torej dejstvo, da se z zniževanjem hitrosti pretoka fluida zmanjšuje tudi mehanska sila, ki lahko prepre i formiranje biofilma na steni cevovoda in s tem možnost pojava mikrobiološke vplivane korozije.
Slika 2:
2.
Shematski prikaz odvisnosti hitrosti korozije R od hitrosti pretoka fluida v, temperature T in kislosti flu ida pH
EKS PERIMENTALNO DELO
Pri raziskavi pojava mikrobiološke vplivane korozije, kot posledica mirujo ih voda je bil uporabljen realni objekt. Analizirani objekt je vodovodni sistem v bolnišni nem poslopju, ki je bil dokon an leta 2002. V okviru prevzema je bil izveden tla ni preizkus vodovodne inštalacije. Za izvedbo tla nega preizkusa je bila uporabljena navadna pitna voda, ki ni bila dodatno kemi no ali druga e obdelana. Normalna uporaba vodovodnega sistema v objektu se je pri ela leta 2006. V vmesnem asu je bil vodovodni sistem delno ali v celoti izpraznjen. Od takrat pa do konca leta 2008 je bilo v vodovodnem omrežju opravljenih 8 toplotnih šokov s
temperaturo vode višjo od 70°C ter ve klornih šokov. Vodovodno omrežje je od pri etka uporabe neprekinjeno napolnjeno z navadno pitno vodo. Vodovodno omrežje v objektu je bilo grajeno iz pocinkanih rjavnih cevi premerov 1" in 11 /4". Izmerjena debelina zaš itne plasti cinka (vro e pocinkanje) je znašala od 35 pa do 90 m. Pregled korozije v notranjosti vodovodnih cevi je bil izveden z uporabo videoskopa Everest PLS 500 DA. Izbrani deli cevi so bili odvzeti iz sistema in še nadaljnje analizirani z izdelavo makroobrusov. Korozijski produkti so bili tudi kemi no analizirani z uporabo energijsko disperzivne rentgenske spektroskopije (EDX ali ED S). 3. 3.1
REZULTATI IN DIS KUS IJA Izgled in barva korozijskih produktov
Pri pregledu notranjosti cevi je bilo naprej ugotovljeno, da je le-ta prevle ena s karbohidratnimi oblogami (biofilm). Korozija, ki je bistveno bolj intenzivna na spodnji strani cevi (glej sliko 3), kaže, da je korozijski proces in rezultat v glavnem posledica zastale (stagnantne) vode v ne popolnoma izpraznjenem vodovodnem omrežju. To kaže na izrazit vpliv zastale vode, verjetno po tla nem preskusu oziroma v nekem drugem asovnem obdobju, ko je bil sistem za daljše obdobje le delno izpraznjen, ali malo v uporabi. M anjša koli ina mirujo e vode je bila izredno primerno gojiš e za razvoj mikroorganizmov in nadaljni razvoj mikrobiološko vplivane korozije. V njihovi prisotnosti se korozijsko raztapljata cink in železo, pa celo nerjavno jeklo slabše kvalitete (npr. avstenitno 18Cr-8Ni nerjavno jeklo AISI 304) se ne uspe primerno pasivirati v takem mediju.
Zgornji del cevi
Spodnji del cevi
Slika 3:
Korozijski produkti na spodnje delu cevi v njeni no tranjosti levo ter vzdolžno razrezana cev
Pri preiskavi mikrobiološko vplivane korozije je lahko barva korozijskih produktov bistveni indikator. Rde kasto rjava barva korzijskih produktov na sliki 4 so zna ilne za delovanje SRB in železo-oksidirajo ih bakterij. Po rnitev površine korodiranega mesta pod karbohidratno oblogo je o itna indikacija tvorjenja železovega sulfida. Ob odstranitvi biofilma se pojavi tudi zna ilen vonj po gnilih jajcih, ki indicira vodikov sulfid, ki ga proizvajajo SRB bakterije.
Rde kasto rjavi korozijski produkti rna korodirana površina
Slika 4:
Korozijski produkti na površini cevi
Na osnovi klasificiranja morfoloških oblike površin korodiranih mest ni bilo možno podati enotne ugotovitve. Do podobnih rezultatov so prišli tudi drugi avtorji npr. v lit. [8], kjer ugotavljajo, da je morfologija korodirane površine povezana s kemi no sestavo površine kovine in ne s prisotnostjo mikroorganizmov. V naslednji fazi je bil izveden metalografski pregled pre nega preseka korodiranega mesta. Avtorji [9] navajajo, da ima pre ni presek korodiranega mesta pri nerjave ih jeklih zaradi prisotnosti mikroorganizmov tipi no obliko (ink bottle-shaped pit) prikazano na sliki 5 levo. To v našem primeru (prikazan na sliki 5 desno) ne bi mogli potrditi, res pa je, da gre v našem primeru za pocinkano malooglji no jeklo. Vse poškodbe vodovodnih cevi so posledica delovanja korozije v zaš itni plasti vro ega pocinkanja, po preboju te pa je na mestih korozijskih izjed, kjer cink ne š iti spodaj leže e jeklo, prisotno še intenzivno korozijsko raztapljanje železa. M ožno je, da bi se pri rasti korozije v globino na jeklenem delu oblikovala podobna oblika kot na sliki 5 levo.
Slika 5:
Pre ni presek korozijske poškodbe levo tipi na pri n erjavnih jeklih [9], desno v obravnavanem primeru pri pocinkanju na notranji strani cevi
Podobno kot pri cevovodih je nastanek in razvoj mikrobiološka korozija možen tudi v notranjosti rezervoarja hladne vode. Na sliki 6 so prikazane korozijsko napadene (rjavi odcedki korozijskih produktov z raztopljenim železom in legirnimi elementi) površine avstenitne nerjavne plo evine, med temi pa zaradi korozije izstopajo zvari s toplotno vplivanim podro jem TVP. To je posledica osiromašenja obmo ja v neposredni bližini kristalnih mej, kjer se vsebnost kroma zmanjša pod tisto vrednostjo, ki še omogo a pasivacijo jekla.
Zvar
Slika 6:
3.3
Korozija v notranjosti rezervoarja pitne vode iz nerjave ega jekla
EDX analiza
Pri preiskavi korozije na vodovodnih ceveh smo z EDX metodo analizirali korozijske produkte v korozijskih izjedah. V grafu na sliki 7 se razvidni vrhovi za železo Fe, cink Zn, kisik O in žveplo S. Kot je to že pokazano z ena bo (5) se pri mikrobiološko vplivani koroziji v korozijski izjedi tvori železov sulfid FeS. Prav zaradi tega EDX analiza korozijskih produktov odkrije ve jo koli ino žvepla (0,42 mas.%), kar je zna ilnost tega tipa korozije. Prisotnost žvepla v povezavi s cinkom nakazuje tudi prisotnost cinkovega sulfida ZnS v korozijskih produktih. Poleg tega smo v korozijskih produktih odkrili tudi znatno koli ino klora, verjetno v obliki Cl- ionov. Tako velika koli ina kloridov je verjetno prisotna zaradi izvajanja klornih šokov. Vpliv agresivnega klora na nastajanje novih korozijskih izjed ter na poglabljanje že nastalih izjed zaradi že navedenega zastajanja vode v ceveh oz. mikrobiološko vplivane korozije ni bil predmet preiskave.
Element CK OK SK Cl K Fe K Zn K Totals
Slika 7:
App Intensity Conc. Corrn. 44.47 0.4227 242.97 0.9385 2.70 0.8206 6.24 0.7625 239.02 0.9161 113.90 0.8279
Weight% Sigma 13.59 33.44 0.42 1.06 33.71 17.77
Weight%
Atomic%
5.37 4.54 0.56 0.68 4.31 5.00
27.33 50.48 0.32 0.72 14.58 6.57 100.00
EDX analiza mikrobioloških korozijskih produktov na površini galvaniziranega (pocinkanega) jekla
Za primerjavo smo analizirali tudi vodovodno cev, na kateri so kot posledica delovanja korozije samo sledovi bele korozije (slika 8 z goraj). Z analizo korozijskih produktov v korozijski izjedi pocinkanja smo ugotovili, da so korozijski produkti sestavljeni le s produkti cinka, ki je s kisikom vezan kot cinkov hidroksid Zn(OH)2 (slika 7 spodaj). V korozijskih izjedah smo odkrili tudi železo. Ker je delež železa v teh produktih zelo majhen, lahko
sklepamo, da izvira iz spodnjih plasti cinkove prevleke, v kateri je lahko od 7 do okoli 20 mas. % Fe v obliki razli nih intermetalnih faz.
Ele me nt CK OK Fe K Zn K Tota ls
Slika 8:
4.
App Inte nsity Conc. Corrn. 8.34 0.3245 139.59 0.9344 2.92 1.0466 252.49 0.8935
Weight % Sigma 5.58 32.44 0.61 61.37
Weight%
Atomic%
1.98 1.68 0.44 2.09
13.50 58.91 0.32 27.27 100.00
Bela korozija galvaniziranega jekla (zgoraj) in EDX analiza korozijskih produktov (spodaj)
ZAKLJU EK
Pri ujo i prispevek opisuje pojav mikrobiološko vplivane korozije pri pocinkanih jeklih na realnem objektu, kot posledica delovanja mikroorganizmov v mirujo i vodi. Rezultati analize površine korozijske izjede, predvsem EDX analiza, dokazujejo, da so v korozijskih produktih prisotni elementi in spojine (npr. žveplo v obliki FeS in ZnS), ki so znak delovanja mikroorganizmov. Opisani korozijski produkti so posledica korozije zaradi SRB in železo oksidirajo e bakterije, katerih prisotnost pa v prispevku nismo dokazovali z biološkimi analizami. Zvar s toplotno vplivanim podro jem predstavlja v primerjavi z osnovnim materialom bolj ranljivi del sistema tudi kar se ti e mikrobiološko vplivane korozije, kar je v prispevku prikazano s korozijo notranjosti rezervoarja iz nerjave e plo evine. Iz navedenega torej sledi, da se je potrebno izogibati pojavu mirujo ih voda v vodovodnih sistemih, saj le-te predstavljajo potencialni vir mikroorganizmov, ki vodijo k razvoju mikrobiološko vplivane korozije. Pojav mirujo ih voda je pogosto posledica nepravilnosti pri konstruiranju, nepravilni izvedbi tla nega preizkusa ali pa so prisotne zaradi sistema samega (npr. sprinkler protipožarni sistemi). V izogib pojavu mikrobiološko vplivane korozije navajamo nekaj priporo il, ki jih je potrebno upoštevati: • Pri konstruiranju in izdelavi vodovodnega sistema se je potrebno izogibati slepim odcepom in nepravilnim naklonom. Horizontalni cevovodi naj bodo samo-odcejujo i (self-draining). • Konstruirati cevovod tako, da bo hitrost pretoka fluida v njem vsaj 1,5 m/s. • Za polnjenje protipožarnega sistema uporabljati dodatno kemi no obdelano vodo. • Za izvedbo tla nega preizkusa uporabljati vsaj pitno ali demineralizirano vodo. imprej po izvedbi tla nega preizkusa je potrebno cevovod osušiti.
LITERATURA 1. P. J. Scott; S. Borenstein, F. Blackburn; B. Cookingham; D. Demarco, Expert Consensus on M IC: Prevention and M onitoring, Part 1, M aterials Performance, 43 (2004), 3, 50-54 2. G. J. Licina, G. Nekoksa, An Innovative M ethod for Rapid Detection of M icrobiologically Influenced Corrosion, Tri-Service Corrosion Conference, 1994, Orlando FL, 217-229 3. M . Labrenz, G. K. Druschel, T. Thomsen-Ebert, B. Gilbert, S. A. Welch, K. M . Kemner, G. A. Logan, R. E. Summons, G. De Stasio, P. L. Bond,. B. Lai, S. D. Kelly, J. F. Banfield1, Formation of Sphalerite (ZnS) Deposits in Natural Biofilms of SulfateReducing Bacteria, Science, 290 (2000), 5497, 1744-1747 4. S.C. Dexter, M icrobiologically Influenced Corrosion, Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ASM Handbook, vol 13A, ASM International, 2003, 398-416. 5. R. Javaherdashti, M icrobiologically Influenced Corrosion: An Engineering Insight, Springer London, 2008 6. J. Krooneman, P. Appeldoorn, R. Tropert, Detection prevention and control of microbial corrosion, Proceedings of Eurocorr M aastricht, 2006 7. R Johnsen, E. Bardal, Cathodic properties of different stainless steels in natural seawater, Corrosion, 41 (1985), 5, 296-302 8. R. E. Tatnall, D. H. Pope, Identification of M IC. Ch. 8, In: A practical manual on microbiologically influenced corrosion Kobrin G (ed), NACE, Houston, Texas USA, 1993 9. B. J. Little, J. S. Lee, R. I. Ray, Diagnosing microbiologically influenced corrosion: A state of the art review, Corrosion 62 (2006), 11, 1006-1017 10. G. A. Antaki, Piping and Pipeline Engineering: Design, Construction, M aintenance, Integrity and Repair, M arcel Dekker Inc., New York, 2003 11. R. Javaherdashti, Enhancing the Effects of Hydrotesting on M icrobiologically Influenced Corrrosion, M aterials Performance, 42 (2003), 5, 40-43 12. A.M . Olszewski, Avoidable M IC-Related Failures, Journal of Failure Analysis and Prevention, 7 (2007), 4, 239-246
URE v varilni tehniki Ado Barbiš Višja strokovna šola, Ljubljanska 2, 6230 Postojna
Povzetek Opisan je namen u inkovite rabe energije (URE) v varilni tehn iki.
1.
UVOD
Razvoj loveka poteka že tiso letja. Za svoj razvoj in obstoj je uporabljal hrano, ki jo je v daljni preteklosti prideloval na enostaven in preprost na in. Naravo in naravne vire je izkoriš al v sožitju z naravo in ni ve , kot je potreboval za zadovoljitev svojih potreb. Sedanje nepremišljeno, prekomerno, nekontrolirano in ekološko sporno izkoriš anje naravnih virov je že porušilo naravno ravnovesje. lovek z svojimi dejanji posledi no v tla, vodo, zrak spuš a enormne koli ine škodljivih snovi. Prišli smo do trenutka, ko se narava ni sposobna sama zdraviti. Že dolgo nas opozarja, vodilni pa mnogo premalo storijo in ukrepajo, da bi se zadeve za ele izboljševati. e ne bomo za eli hitro in u inkovito ukrepati na vseh podro jih našega življenja je ogrožen obstoj živih bitij in tudi loveške vrste. Vsak dan na primer na planetu zemlja za vedno izginejo dolo ene rastlinske in živalske vrste. Skozi dolga tiso letja je lovek s pomo jo energije izdeloval in preoblikoval kovino ter si izdelal pripomo ke in pribor za vsakdanjo rabo. Pri pridobivanju energije mehanske, toplotne, elektri ne v odvisnosti od vrste primarnih energentov iz fosilnih goriv kot iz obnovljivih virov energije nastaja ve ja ali manjša koli ina stranskih produktov med katerimi so nekateri tudi zelo škodljivi. Poleg tega, da ogrožajo zdravje in obstoj življenja na planetu, vsak dan ogrožajo celoten planet. Strojništvo in metalurgija obravnava številne mehanske in druge postopke, ki so nujno potrebni, da pridemo do surovin, kasneje do polizdelkov in izdelkov. Dolo ene dele in sklope vgrajujemo v številne delovne priprave, ki v asu življenjske dobe opravljajo svoje poslanstvo za kar so izdelani. e se dotaknemo postopke pridobivanja kovin, njihovo predelavo im mehansko obdelavo, vidimo, da je spajanje oziroma varjenje le eden izmed številnih tehnoloških postopkov, ki ga uporabljamo nekje v zaklju ni fazi rojevanja izdelka. Po varjenju sledi še kon na obdelava, antikorozijska zaš ita, preizkušanje. Skozi as so se razvili razli ni varilni postopki in na ini spajanja razli nih materialov. V preteklih letih so bile naprave robustne velike energetsko zelo potratne. Poleg velike koli ine potrebnih surovin, transporta, izdelave polizdelkov, idejnih rešitev, postavitev proizvodnih enot- kapacitet, transporta do trgovin in naro nika sledi normalna življenjska doba naprave ali nekako predvideno število ur obratovanja. Po odsluženi življenjski dobi sledi varna in ekološko sprejemljiva razgradnja. Razli ni varilni postopki, priprava varjencev, spajancev s stališ a priprave, stališ a odpadkov je že pred postopkom varjenja povezana z porabo razli nih vrst goriv in energije.
2.
OS NOVE VARILN E TEHN IKE
M ed postopkom spajanja z varjenjem se zgodi, da npr. pri varjenju iz dveh ali ve kosov dobimo novo obliko, oziroma nov izdelek. Varjenje je tehnološki proces, kjer dosežemo nelo ljivo zvezo med dvema ali ve varjenci. Na ini spajanja so se v zadnjem asu zelo razvili. Tako npr. vse bolj nadomeš a kovi enje postopek varjenja. Poznamo tudi druge na ine spajanja, kot sta npr. lotanje in lepljenje. Postopki spajanja potekajo lahko s segrevanjem varjenje s taljenjem) in brez segrevanja materiala (s pritiskom pri povišani temperaturi ali v hladnem). Potrebna energija za varjenje Povsod, kjer je potrebno za spajanje dvigniti temperaturo varjenja moramo imeti izvor toplotne energije. Toploto za spajanje dovajamo s pomo jo razli nih vrst energije. Najpogosteje uporabljena energija za varjenje je lahko: • mehanska, • elektri na, • kemi na, • svetlobna • in druge oblike energije. Pri plamenskem varjenju in vseh tehnikah plamenskega varjenja in rezanja se razvije zaradi eksotermne kemi ne reakcije toliko toplote, da zadostuje za taljenje kovin. Elektri na energija se prek obloka, plazme, elektri ne prevodnosti (Joulova Toplota), indukcije ali snopa elektronov spreminja v toplotno energijo, ki je potrebna za topljenje varjencev. Za izkoriš anje svetlobne energije za varjenje nam rabi laser. Najbolj pomemben postopek spajanja je varjenje, kjer se vari z vsemi omenjenimi energijami. O varjenju, kjer nastopa mehanska energija, govorimo v primerih, ko pride do varjenja pod pritiskom. To je npr : • varjenje s pritiskom (stiskanjem), • varjenje s trenjem (Izdelke segrevamo s toploto trenja, razvito med sti no ploskvijo mirujo ega in vrte ega se dela varjenca.), • varjenje z ultrazvokom, • varjenje z difuzijo. Ko varjencu dovajamo energijo s pomo jo elektri nega toka, govorimo o postopkih varjenja kot so: uporovno, oblo no varjenje s kovinsko elektrodo in z ogleno elektrodo. Oblo no varjenje s kovinsko elektrodo se deli v: • oblo no varjenje v prosti atmosferi (To je ro no varjenje: z elektrodo s plaš em, z golo elektrodo, s stržensko elektrodo.), • oblo no varjenje v zaš itnem okolju v inertnem plinu helija (He) in argona (Ar): z volframovo elektrodo – TIG postopek ali s kovinsko elektrodo – M IG postopek, v atmosferi CO2 s kovinsko elektrodo – M AG postopek, plazemsko varjenje, varjenje pod praškom (EPP). O dovodu kemi ne energije, ki je potrebna za varjenje, govorimo v primerih eksplozijskega, aluminotermi nega ali plamenskega varjenja. K varjenju drugih vrst energije se prišteva varjenje z elektronskim snopom in z laserjem. Postopke varjenja se nadalje lahko deli glede na to ali je dobljeni zvar nastal s pritiskom ali na osnovi taljenja. M ed varjenjem s taljenjem pride do raztalitve robov osnovnega materiala in dodanega materiala v homogeno talino, ki se po ohlajanju strdi v zvar. Nekoliko druga e poteka varjenje s pritiskom na povišani temperaturi ali v hladnem, kjer se osnovni material
zmeh a. Nato se dovede še sila, ki mora biti ve ja od sile, ki je potrebna za plasti no deformacijo materiala, da pride do spoja. Po varjenju nastane zvar, ki ne sme imeti trdih mest, razpok ali vklju kov, hkrati mora biti homogen in žilav. Njegove mehanske lastnosti in mikrostruktura so iste, kot jih ima osnovna zlitina. Nastali zvar predstavlja nelo ljivo zvezo med dvema varjencema in kot tak mora biti sposoben, da vzdrži velike pritiske, ki delujejo nanj, saj nastopa zvarjeni del kot sestavni del izdelka ali konstrukcije, kjer si ne moremo privoš iti, da bi prišlo do porušitev ali zloma izdelka. Z varjenjem pride do spajanja materialov v novo obliko - izdelek, ki je razdružljiv le s porušitvijo. Izdelke varimo na razli ne na ine. Lo imo ve razli nih vrst varjenja in glede na to tudi obstaja ve delitev varilnih postopkov. Tako lahko delimo postopke : • glede na na in nastanka zvara, tj. varjenje s taljenjem ali s pritiskom, • glede na dovod toplote potrebne za varjenje, pa poznamo varjenje z mehansko, elektri no, kemi no ali drugo obliko energije. Opisana razdelitev je podana na spodnji shemi.
Slika 1:
Delitev vrste varjenja glede na en ergijo
Varjenje je nerazstavljivo spajanje konstrukcijskih ali strojnih delov v eno celoto. To lahko dosežemo s segrevanjem materiala do taljenja, s imer dosežemo zlitje materiala posameznih delov, ali s segrevanjem delov materiala, ko pri uporabi dolo ene mehanske sile dosežemo zlitje materiala pri temperaturi, ki je nižja od temperature taljenja.
Navarjanje je trajno nanašanje materiala na dolo eni del površine konstrukcijskega ali strojnega elementa zaradi pove anja njegovega volumna, pri emer nadomestimo obrabljeni ali odlomljeni del tega elementa, ali pa ustvarimo zaš itno plast, ki je bolj odporna proti obrabi ali koroziji kot material osnove. Osnovni material je material, iz katerega so z varjenjem ali navarjanjem narejeni konstrukcijski in strojni deli. Dodajni material je material, ki ga pri varjenju/navarjanju stalimo skupaj z delom osnovnega materiala za zapolnitev prostora na mestu spoja ali navara. K dodajnemu materialu štejemo vse, kar se dodaja pri izvedbi varjenja/navarjanja kot elektrode, ki so lahko gole, oplaš ene ali strženske palice, in polne ali strženske žice, navite na kolute ali v obliki tankih pali ic. Elektrode in žice, ki se jih dobi na trgu, so standardnih dimenzij. Pomožna sredstva so zaš itni plini in posebni praški kot tudi razli na talila. Te snovi sicer niso neposredno vklju ene v ustvarjanje varov in navarov, so pa potrebne za njihov nastanek in njihovo kakovost. 3.
URE V VARILNI TEHN IKI
Iz podanih osnov in vrst varjenja vidimo, da je potrebno pri varilnih postopkih zagotavljati precejšnje koli ine toplotne energije, ki je potrebna da varjence segrejemo do taljenja. Potrebna energija - toplota zavisi od izbire postopka varjenja, od debeline varjencev, vrste materiala, saj je tališ e posameznih materialov razli no. Pot od ideje do izvedbe in uporabe delovne priprave je izredno dolga. e želimo v celotnem ciklusu od nastanka, uporabe, rednega in preventivnega vzdrževanja naprave in ekološke razgradnje po odsluženi življenjski dobi naprave, U inkovito rabiti energijo moramo: • Imeti veliko potrebnega znanja o pridobivanju osnovnih materialov • Proizvodnji energije • Poznavanje ekonomskih zakonitosti na trgu • Poznavanja zakonitosti transporta in cestnega prometa • Poznavanje ljudi, navad, obi ajev in njihovih potreb • Pravilna izbira materialov in ustrezna mehanska predpriprava ( obdelave s podro ja odvzemanja materialov) in iš enje • Poznavanje tehnologije in postopkov preoblikovanja • Poznavanje varilnih postopkov in izbira najprimernejših za varjenje posameznih obdelovancev • Kon na dela in antikorozijska zaš ita • Poznavanje elementov varnega in u inkovitega dela • Ustrezna osvetljenost, ogrevanje in prezra evanje Pot izdelka je odvisno od izdelka do njene uporabe izredno dolga. Prikaz od zasnove do uporabe • Idejna zasnova, • Priprava orodij, delovnih sredstev za pripravo surovin • Priprava varjencev z uporabo razli nih postopkov odrezavanja in preoblikovanja • Transport surovin do podjetja • Izdelava polizdelkov skladiš enje • Transport polizdelkov do podjetij, ki izdelujejo eno ali ve delov
• • • • • • •
Na rtovanje in izdelava kon nih izdelkov Skladiš enje Transport do veletrgovin Transport do naro nika uporabnika Namestitev in uporaba v asu življenjske dobe po navodilih proizvajalca Redno in preventivno vzdrževanje Ekološka razgradnja
Slika 1:
Shematski prikaz faz od nastanka do razgradnje izdelka, naprave
Iz navedenega in gornje sheme je razvidno, da na tej dogi poti porabljamo veliko energije: elektri ne, mehanske, pogonskih goriv, delovnih plinov, energije za ogrevanje prostorov v posameznem podjetju, upravnih delih proizvodnih objektov, proizvodnji, vsakodnevni uporabi, skladiš enju… Z URE na celotni verigi od ideje, zasnove, surovin, izdelka, uporabe in ekološke raz gradnje vidimo, da lahko privar ujemo velikanske koli ine raznovrstne energije in s tem neposredno prispevamo k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov in drugih nevarnih snovi. URE pa zmanjšuje tudi stroške, pove uje ekonomi nost in zmanjšuje obremenjevanje planeta- Zemlja, ki nam nudi naš dom in pogoje za preživetje.
Analiza napak v zvarnih spojih Rika Legat, Andrej Zajec Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana
Povzetek Varjenje je eden izmed najpogostejših na inov spajanja jeklenih konstrukcijskih elementov v nerazstavljivo celoto. Zahteve po im boljšem izkoristku materiala narekujejo visoko izkoriš enost nosilnih konstrukcijskih elementov ter posledi no s tem tud i varjenih spojev. Zaradi zahtev po zanesljivosti in visokem izkoristku je vse manj dopustne rezerve za napake v varjenih spojih. V prispevku so obravnavane najpogostejše napake v zvarnih spojih, s katerimi se sre ujemo na IMK pri izvajanju aktivnosti certificiranja varilcev in varilnih postopkov.
1.
UVOD
Varjenje je postopek spajanja materialov, kjer na razli ne na ine (taljenje, trenje, ultrazvok, eksplozija,..) ustvarimo stalni, nerazstavljivi spoj. Za razliko od vija nih ali kovi enih spojev, kjer lahko s kontrolo veznih elementov v naprej to no vemo za kvaliteto spoja, pa pri varjenju stvar ni tako enostavna. Najprej je za dolo eno vrsto materiala potrebno izbrati varilni na in, dolo iti varilno tehnologijo in zaporedje varjenja. Šele nato nastopi varilec s svojim znanjem in spretnostjo, da izdela kvaliteten zvarni spoj. Tako pri fazi na rtovanja, kot izdelave zvarnega spoja, pa se lahko pojavijo napake, ki slabijo kvalitete takega spoja. V prispevku bova predstavila najpogostejše napake, ki se pojavijo pri izdelavi zvarnih spojev s katerimi se sre ujemo na IM K pri izvajanju aktivnosti certificiranja varilcev in varilnih postopkov. Pri tem se bova omejila na talilno varjenje kovinskih materialov, kjer je najbolj uporaben postopek. 2. 2.1
VZROKI ZA N AS TANEK IN KLAS IFIKACIJE NAPAK Vzroki za nastanek napak
Vzroki za nastanek napak oz. nepravilnosti v zvarnih spojih so lahko zelo razli ni. Napake zvarnih spojev se lahko pojavijo že zaradi nepravilnega na rtovanja varjenja. Neustrezna tehnologija varjenja (neustrezna priprava zvarnega žleba, neustrezna gradnja varkov, premalo število varkov, nepravilna izbira dodajnega materiala, odsotnost predgrevanja, nezadostno sušenje elektrod) je lahko že vzrok, da varilec ne more dobro opraviti svojega dela. Tudi pogoji dela, v katerih varilec svoje delo opravlja (mraz, prepih, varjenje v prisilnih legah, neustrezni varilni aparati), so lahko eden od vzrokov ve jega števila napak. Vendar še tako dobra varilna tehnologija ni zagotovilo, da bo varilec svoje delo dobro opravil. Zato je pomembno, kako je varilec za svoje delo usposobljen in da svojo usposobljenost
periodi no dokazuje s preskusom svojega znanja (teoreti no in prakti no). Varilec mora poznati materiale, ki jih vari in varilni postopek, ki ga uporablja pri varjenju. Poznati mora tudi napake, ki se pri dolo enem varilnem postopku najpogosteje pojavljajo. 2.2
Klasifikacija napak
Klasifikacija geometrijskih nepravilnosti v kovinskih materialov je podrobneje opisana v standardu SIST EN ISO 6520-1:2008. Nepravilnost je vsako odstopanje od idealnega zvara. Napaka je nesprejemljiva nepravilnost. Klasifikacija nepravilnosti je razvrš ena v šest skupin: 1 – Razpoke 2 – Votlinice 3 – Trdni vklju ki 4 – Zlepi in pomanjkljiva prevaritev 5 – Napake v obliki in dimenzijah 6 – Razli ne nepravilnosti Razpoke so mesta prekinitev v zvaru v toplotno vplivnem podro ju ali v osnovnem materialu. So vzdolžne, pre ne ali zvezdaste, makroskopske ali mikroskopske, interkristalne, nastale v toplem, v asu ohlajanja ali v hladnem.
Slika 1: Mikroskopski prikaz razpoke
Slika 2: Mikroskopski prikaz razpoke
Votlinice so mehur ki ali pore, napolnjene z plinom, ki je po strjevanju ostal v zvaru ali izstopa na površino. Nastajajo zaradi ne isto e osnovnega materiala, dolgega obloka, velikega varilnega toka, velike hitrosti varjenja, pri varjenju z neustrezno polariteto, napa no nastavitvijo zaš ite obloka. Plinski vklju ki so lahko tudi enakomerno porazdeljeni po varu, razlikujejo se od niza por do gnezda por. Lahko je tudi površinska pora, rvasta pora, podolgovata votlinica, lunker, makro votlinica, votlinica v žrelcu, mikro votlinica, interdendritna mikro votlinica in transkristalna mikro votlinica.
Slika 3: Radiografski posnetek zvara na katerem so razvidne pore v nizu
Slika 4: Porozen zvar (Al)
Trdni vklju ki so trdni nekovinski delci, ki se pri ohlajanju ujamejo v varu. M ed trdne vklju ke se prištevajo vklju ek žlindre, vklju ek talila, oksidni vklju ek, oksidna kožica in razni kovinski vklju ki npr. volfram pri TIG na inu varjenja.
Slika 5: Nekovinski vklju ki (žlindra) v zvaru
Zlepi in pomanjkljiva prevaritev je varilska napaka oz. napaka v zvarnem spoju, ko ne dosežemo popolne spojitve med dodajnim in osnovnim materialom.
Slika 6: Mikroskopski prikaz zlepa
Slika 7: Razpoka pri upogibnem preskušancu zaradi zlepa
Slika 8: Zlep v kombinaciji s poroznostjo
Slika 9: Neprevarjeno mesto kotnega zvara razvidno iz prelomnega preskusa
Napake v obliki in dimenzijah so vse nepravilne oblike zunanjih površin zvara ali nepravilna geometrija zvara. M ed te napake prištevamo zajede (neprekinjene, prekinjene, v korenu, med varki, lokalno prekinjene), ezmerno vboklino zvara (temena, korena), preoster prehod temena, prelitje, zamaknitev robov, kotna zamaknitev, povešenje, pregor, nepolni zvar, neenakomerna širina zvara, pretirana asimetrija kotnega zvara, pomanjkljiv koren, napake pri za enjanju, pretirano zveženje, nepravilne dimenzije zvara, pretirana višina kotnega zvara, nezadostna višina kotnega zvara.
Slika 10: Radiografski posnetek zajede v korenu zvara
Ostale nepravilnosti so vse nepravilnosti, katerih ni mogo e vklju iti v prvih pet skupin. Sem spadajo obrobne zajede, obrizgi, brizganje volframa, pretrg na površini, zabrus, zasek, nepravilnost spenjalnega varka, pretiran obrus, zamaknitev nasprotnih varkov, škajasta površina, ostanek talila, barva popuš anja, ostanek žlindre, nabrekanje, nepravilna reža v korenu. Napake v zvarnih spojih na grobo delimo na zunanje in notranje napake. M ed površinske (zunanje) napake zvarov uvrš amo naslednje napake: prekomerno posedeno teme zvara, krater, preoster prehod temena, preliti zvar brez kovinske spojitve, zamaknitev robov, zajede, asimetrija kotnih zvarih, razpoke, plinske mehur ki, zlepi. M ed najpogostejše notranje napake štejemo: napake v korenu, plinske votlinice, vklju ke, zlepe in razpoke.
2.3
Najpogostejše nepravilnosti, ki nastanejo pri dolo enih na inih talilnega varjenja
Pri varjenju z oplaš eno elektrode so najpogostejše nepravilnosti: vklju ki žlindre, pore, zajede in pri zahtevanih položajih napake korena. Za M IG/M AG na in varjenja so zna ilne nepravilnosti kot so zlep, vklju ki žlindre, pore. Pri TIG varjenju med najpogostejše napake prištevamo neprevarjen koren in razne oblikovne napake. Najpogostejše nepravilnosti, ki nastanejo pri plamenskem varjenju so nepopoln koren, pri ve varkovnih zvarih vklju ki oksidov, neprevarjenost, prežgan zvar, kapniki. Najpogostejše nepravilnosti nastale pri varjenju pod praškom so vklju ki žlindre, pore, pri dvostranskih zvarih napake v korenu, razpoke. 3.
ZAKLJU EK
Varjenje je postopek spajanja materialov, kjer lahko razli ni vplivi privedejo do nepravilnosti v zvarnih spojih. e je celotno delo prepuš eno le varilcu (kar se dogaja v velikih primerih), težko govorimo o kvaliteti takih zvarov. Nesprejemljive nepravilnosti (napake) sicer lahko ugotovimo z razli nimi metodami kontrole brez porušitve, mehanskih lastnosti takega spoja pa ne. Poleg tega neporušne kontrole (razen VT – vizualna preiskava) niso vedno predvidene. e ho emo z veliko verjetnostjo govoriti o kvalitetnih spojih, moramo vzpostaviti tak sistem kakovosti dela, ki nam omogo a odpravljanje vzrokov nastanka napak v vseh fazah izdelave spoja. Zato je potrebno izdelati ustrezne varilne tehnologije varjenja, te tehnologije preskusiti, napisati navodila za delo varilcev in nato kontrolirati, e se varilci navodil držijo. S takim pristopom in seveda z varilci katerih znanje in usposobljenost se redno preverja (certificirani varilci), se da zvarne spoje kvalitetno izdelati (brez nepravilnosti in z ustreznimi mehanskimi lastnostmi). Na tak na in izvedeni zvarni spoji kon nemu izdelku zagotavljajo na rtovane mehanske lastnosti in predvideno življenjsko dobo.
Spremljanje zapolnjevanja zvarnih žlebov pri avtomatiziranih postopkih oblo nega varjenja Drago Bra un, Jože Mikolav i , Jernej Volkar, Matjaž Humar, Ivan Polajnar, Alojz Sluga Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V prispevku je predstavljena uporaba laserskega profilomera za sproten nadzor pripravljenosti zvarnega stika pri avtomatiziranem MIG/MAG varjenju. Dobljene meritve se na osnovi predhodno postavljenega algoritma prevede v signale za krmiljenje hitrosti varjenja in pozicije vara. Na ta na in je možno pri avtomatiziranih in robotiziranih postopkih varjenja uspešno zvarjati tudi takšne zvarne spoje, ki imajo ve ja odstopanja v obliki in dimenzijah pripravljenega žleba.
1.
UVOD
Spremljanje klju nih varilnih parametrov je pogoj, ki mora biti izpolnjen pri zagotavljanju kakovosti zvarov. Pri postopkih oblo nega talilnega varjenja v zaš itnih atmosferah praviloma zadoš a že izbira optimalnih parametrov in vzdrževanje teh vrednosti v okviru predvidenih toleranc. Pri avtomatiziranih in robotiziranih postopkih varjenja posami nih izdelkov, ali izdelkov v manjših serijah, samo vzdrževanje klju nih parametrov v okvirih predvidenih toleranc ne zadoš a [1]. Pri teh izdelkih se namre pogosto pojavljajo velika odstopanja v oblikah in dimenzijah pripravljenih zvarnih robov. V takšnih primerih je potrebno ali zagotoviti ve jo natan nost v pripravi zvarnih robov ali zagotoviti možnost spreminjanja varilnih parametrov glede na spremenljivo geometrijo zvarnega žleba [2]. Sodobni varilni postopki omogo ajo razmeroma preprosto spremljanje varilnih parametrov. V ta namen so v varilne naprave vgrajeni razli ni sistemi in razli ni senzorji za zbiranje informacij o varilnih parametrih, stanju zvara in geometriji zvarnega žleba [3]. V primeru relativno malih sprememb v geometriji zvarnega žleba zadoš ajo že spremembe v hitrosti varjenja. Z merjenjem oblike zvarnega žleba v obloku ali pred varilno glavo lahko merilna naprava zbira podatke o njegovem stanju. Tako pridobljeni podatki so potrebni za kontrolo delovanja varilne naprave ter za vzdrževanje optimalne kombinacije varilnih parametrov. 2.
VARILNI POS TOPEK
V okviru reševanja zastavljene naloge smo se omejili na oblo ni postopek varjenja v zaš itnih plinskih atmosferah M IG/M AG, ki je med talilnimi postopki varjenja najprimernejši za medprocesno spremljanje varilnih parametrov (Slika 1). Pri tem na inu varjenja se namre uporablja vire toka z vodoravno stati no karakteristiko in z veliko hitrostjo odziva na spremenljivost geometrije obloka, glej diagram na Sliki 2b. Pri dolžini obloka l01 [mm] (Slika 2a) in jakosti toka I1 [A], pretalimo q1 [g/s] dodajnega materiala. e se oblok podaljša iz kakršnega koli vzroka, se mu pove a upornost, posledi no se zmanjša tok (I2), ter tudi hitrost
pretaljevanja dodajnega materiala (q2). To ima za posledico samodejno zmajševanje dolžine obloka (l03), ki je približno enaka za etni nastavitvi dolžine obloka l01.
Slika 1:
Principelna slika MIG/MAG varjenja
a) Slika 2:
3.
b)
Odzivnost razmer odtaljevanja na spremembe geometrije obloka pri MIG/MAG varjenju
MERILNI S IS TEM
M erilnik preseka zvarnega žleba se mora gibati pred oblokom (Slika 3). Spremembo geometrije zvarnega žleba izmerimo s asovnim zamikom, ki je odvisen od hitrosti varjenja in oddaljenosti merilnega senzorja od varilne glave. asovni zamik bi prišel do izraza v primeru velike spremembe geometrije zvarnega žleba in na kratki razdalji. Predpostavimo, da tovrstne spremembe v praksi ne nastopijo ter da se geometrija žleba spreminja v okviru možnih prilagoditev. Delovanje merilnika (Slika 3, poz. 3) temelji na principu laserske triangulacije [4]. Podro je zvarnega žleba se osvetljuje pravokotno na površino s tanko svetlobno ploskvijo (4). Tako osvetljen zvarni žleb nato slikamo s kamero (5) nameš eno pod kotom (6) glede na smer osvetljevanja (triangulacija). Takšna postavitev razkrije tridimenzionalni profil preseka zvarnega žleba. Zajeto sliko nato obdelamo na ra unalniku (7), tako da iz nje najprej
izluš imo opazovani profil laserske rte, ter ga umerimo in vrednostimo. Velikost merilnega obmo ja smo nastavili širino 35 mm ter globino 30 mm (pravokotno na zvarni žleb). Rezultat ene meritve je profil površine {x, y}i , i = 1 ... N, kjer je N = 494 število to k ene meritve (Slika 4). Koordinate vsake to ke so podane v kartezi nem koordinatnem sistemu. 7
Slika 3:
Sistem za avtomatsko spremljanje oblike geometrije zvarnega žleba
Ekstremni bliski obloka lahko preosvetlijo s kamero zajeto sliko, s tem so rezultati meritev neuporabni. Težavi se izognemo z namestitvijo mehanske pregrade (8) med merilnik in varilno glavo. Ta zaustavi ekstremno svetlobno sevanje obloka ter mehanske delce. Kamero dodatno zaš itimo z uporabo ozkopasovnega svetlobnega filtra, ki prepuš a samo svetlobo laserske rte (670 nm). Celotno opti no konfiguracijo merilnega sistema nastavimo tako, da izvajamo meritve z ve je oddaljenosti. Razdalja med merilnikom in sredino merilnega obmo ja je v našem primeru 400 mm.
Slika 4:
Primer meritve zvarnega žleba
Vsako meritev obdelamo tako, da izra unamo parametre: širino reže (b), vertikalni zamik plo evin ( h), kot med plo evinama ( ), ter to ki T 1 in T 3 (glej Sliko 7). Pri razvoju programske opreme za obdelavo meritev in izra un geometrije žleba so bile uporabljene enostavne statisti ne metode, npr. izra un regresijskih premic s katerimi opišemo lego posamezne plo evine. Posebna pozornost je bila posve ena filtriranju za odstranjevanje razli nih motenj, ki se pojavijo v meritvi in so posledica bliskov med varjenjem.
4.
IZRA UN HITROS TI ZVARN EGA ŽLEBA
VARJENJA
V
ODVIS NOS TI
OD
PRES EKA
Pri ro nem, avtomatiziranem ali robotiziranem oblo nem varjenju morajo biti varilni parametri takšni, da v elementarnem asovnem intervalu tx in pri hitrosti dovajanja varilne žice v x , koli ina raztaljenjega dodajnega materiala zapolni volumen, ki ga dolo a presek zvarnega žleba Sx in ustrezna elementarna dolžina vara lx (Slika 6). asovni interval tx je odvisen od zmogljivosti merilnega sistema, odstopanj v geometriji zvarnega žleba in odzivnosti varilnega sistema. Potrebna masa dodajnega materiala m D je tako odvisna od volumna zvarne reže in gostote ρ dodajnega materiala mD = S x ⋅ lx ⋅ ρ
[g].
(1)
M aso dejansko pretaljenega materiala m p izra unamo po ena bi mp = mž ⋅ vx ⋅ tx
[g],
(2)
kjer je m ž [g/m] specifi na masa varilne žice na dolžinski meter, v x [m/s] in tx [s]. Ta vrednost se mora imbolj približati ra unski vrednosti potrebne mase dodajnega materiala m D . Iz predpostavke m D m p lahko izpeljemo ena bo za hitrost premikanja varilne šobe S x ⋅ l x ⋅ ρ = mž ⋅ v x ⋅ t x ,
(3)
in trenutna hitrost gibanja varilne šobe v v(x) je tako vv( x) =
l x mž ⋅ v x K = = = f (S x ) . tx Sx ⋅σ Sx
(4)
Pri tem je SKUPNA konstanta K K=
mž ⋅ vx
ρ
[mm3 /s].
(5)
t
Sx Slika 6:
Segment zvara dolžine lx in preseka S x , zavarjen v asovnem intervalu tx
V praksi pri varjenju tankih plo evin najve krat nastopajo soležni I zvari, pri debelejših plo evinah pa V zvari. Trenutni presek S, ki ga je potrebno zapolniti dolo en s seštevkom presekov žleba SŽ, temena S T in korena SK : S = SŽ + ST + S K . Osnovni presek je dolo en s teoreti nimi predpostavkami dane geometrije žleba, korenski in temenski del pa sta
spremenljiva in sta dolo ljiva empiri no. V splošnem velja, da je ST približno 0.6 ⋅bT⋅h T, presek korena SK pa 0.6 ⋅bK⋅hK . Parametri bK, hK, bT in hT so v najve ji meri odvisni od debeline varjencev, v splošnem je b T=1-2⋅t, h T=0.1-0.3⋅t, bK=0.1-0.3⋅ t, ter hK=0.05-0.2⋅t. V tem prispevku se omejimo na avtomatizirano varjenje soležnega spoja. Obdelava meritev je namre bistveno enostavnejša in hitrejša kot pri V zvarnem žlebu. Presek zvarnega žleba tako izra unamo iz paralelograma, ki ga tvorijo vogalne to ke varjencev T 1 , T 2 , T 3 in T 4 , kot seštevek ploš in dveh trikotnikov Sx = A1 + A2 . Ploš ino A1 zajema trikotnik T 1 T 2T 3 , ploš ino A2 pa trikotnik T 2 T 4T 3 . Vogalne to ke varjencev T 1 in T 3 izra unamo iz meritve, T 2 in T 4 pa dodatno iz znane debeline plo evine in kota posnetja robu.
Slika 5:
Geometrija zvarnega žleba: širina reže (b), vertikalni zamik plo evin ( h), kot med plo evinama ( ) ter deb elina p lo evine ( t).
Avtomatizirano varjenje s konstantnimi varilnimi parametri in s spremenljivo hitrostjo varjenja v v(x) izvajamo zgolj znotraj okvirnih vrednosti robnih pogojev: 1) razmerje višin plo evine napram debelini plo evine h/t sme znašati najve 0.1, 2) kot med plo evinama sme variirati najve ± 10°, 3) velikost preseka Sx sme variirati v obmo ju med 0,7 in 1,3 za etnega preseka Sx dolo enega z nastavitvami varilnih parametrov. Te vrednosti se razlikujejo glede na debelino in vrsto plo evine, presek varilne žice in ostale varilne pogoje (npr. podložna letev). e adaptivno krmiljenje [5] zazna odstopanja od podanih robnih pogojev se varjenje samodejno ustavi, ali opozori na mesta kjer zapolnitev reže ni optimalna. 5.
ZAKLJU EK
V prispevku je prikazan pristop k avtomatizaciji varilnega postopka, v pogojih ko sta oblika in dimenzija zvarnega žleba spremenljive veli ine. Avtomatizacija temelji na merjenju geometrije zvarnega žleba z lasersko profilometrijo in ra unanju klju nih koordinat žleba v realnem asu med varjenjem. Na osnovi teh se med samim varjenjem prireja hitrost varjenja glede na presek zvarnega žleba. Varjenje poteka v okviru dopustnih variacij preseka omejenih z robnimi pogoji. V predstavljenem sistemu je nakazan pristop k ceneni avtomatizaciji M IG/M AG varjenja, ki pride do polne veljave v pogojih posami ne in maloserijske
proizvodnje. V tem delu se nismo poglobili v konkretne razmere med varjenjem, npr. v probleme brizganja in ustreznih materialnih in energetskih izgub. LITERATURA 1. Terry M errifield. Guidelines for implementing robotic arc welding. Welding journal, 2005, vol. 84, no 4, pp. 34-37. 2. Dennis D. Harvig. A wise method for assessing arc welding performance and quality. Welding journal, 2000, vol. 79, no 12, pp. 35-39. 3. Chu Y. X. ; Hu S. J. ; Hou W. K.. Signature analysis for quality monitoring in shortcircuit GM AW. Welding journal A. 2004, vol. 83, no 12, pp. 336S-343S. 4. Bra un Drago, Jezeršek M atija, Diaci Janez. Triangulation model taking into account light sheet curvature. M eas. sci. technol., 2006, letn. 17, št. 8, str. 2191-2196. 5. Drago Bra un, David Kozinc in Peter Butala. M ehatronski sistem za avtomatizirano varjenje. Dan varilne tehnike, Celje, 15. maj 2010. Zbornik referatov. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko, 2010.
Prakti ni primer mehanizacije varjenja velikih nerjave ih rezervoarjev Robert Halas, Rade Gligorin, Robert Laslo VARSTROJ Tovarna varilne in rezalne opreme d.d., Industrijska cesta 4, 9220 Lendava
Povzetek Za znanega kupca je Varstroj mehaniziral varjenje velikih nerjave ih rezervoarjev. Kompletna rešitev varjenja je izvedena s klasi nimi napravami za mehanizacijo varjenja s prosto programibilnimi in CNC krmiljenimi napravami. Varjenje po teka po TIG postopku na treh delovnih mestih - napravah: 1. prvo delovno mesto je izvedeno z napravo za vzdolžno TIG varjenje; 2. drugo delovno mesto je izvedeno s CNC napravo za vzdolžno in to kovni TIG varjenje; 3. tretje delovno mesto je izvedeno z varilno varilno konzolo in obra alno napravo s TIG varjenjem z dodajanjem varilne žice.
1.
UVOD
Hitri odziv na trgu, pove evanje produktivnosti, zniževanje stroškov in visok nivo kvalitete zahteva uvajanje mehanizacije in robotizacije varjenja na vseh podro jih, kjer je to možno. 2.
PREDS TAVITEV IN OPIS PRAKTI NEGA PRIMERA MEHANIZACIJ E VARJENJA VELIKIH N ERJAVE IH REZERVOARJEV
Prakti ni primer mehanizacije varjenja velikih nerjave ih rezervoarjev izveden za znanega kupca. Kompletna varilska linija je sestavljena iz: • naprave za mehanizirani na in vzdolžnega varjenja (7.000mm) plo evin po TIG postopku; • CNC naprave za vzdolžno in to kovno TIG varjenje plo evin in hladilnih plo evin na osnovno plo evino do 3.000 x 7.000mm; • varilne konzole z obra alno napravo s TIG varjenjem z dodajanjem varilne žice za spajanje zvitih plaš ev premera 950 do 2.600mm.
Slika 1:
Nerjave i rezervoar
Slika 2: Naprava za vzdolžno
Slika 3: CNC naprava za
Slika 4: Varilna konzola z
varjenje
vzdolžno in to kovno varjenje
obra alno napravo za krožno varjenje in brušenje
2.1
Naprava za vzdolžno varjenje
Naprava je namenjen za: • so elno TIG varjenje nerjave e plo evine debeline 1,5÷2mm dolžine 7.000mm; • prekrovno TIG varjenje nerjave e plo evine 0,8÷1,0mm na nerjave o plo evino debeline 1,5÷2mm dolžine 7.000mm; Sestava naprave: • vodilna proga za vzdolžni elektromotorni pomik gorilnika max. dolžine 7000mm; • varilni vozi ek s pnevmatskim suportom za dvig spust gorilnika, ro nega križnega suporta, sledilnega koleš ka za mehansko višinsko sledenje; • nastavljivi pnevmatski centrirni elementi za centriranje plo evine vzdolž smeri varjenja (raster 1000mm, centriranje za so elno varjenje plo evin z režo ni predvideno); • pnevmatski vpenjalni mehanizem za vzdolžno vpenjanje dolžine 7000mm (pnevmatsko vpenjanje je izvršeno s pomo jo »gasilske cevi«); • industrijska kamera z ustrezno zaslonko za spremljavo varilnega procesa in sprotne daljinske korekcije poti varilnega gorilnika v pre ni smeri; • krmilno/komandna omarica za vzdolžni varilni portal; • varilni izvor VARTIG 3500 W digit, daljinska komanda za regulacijo varilnih parametrov, vmesni cevni paket in strojni vodno hlajenim gorilnik; Posebnost naprave: Spremljanje procesa varjenja preko industrijske kamere z ustrezno avtomatsko zaš ito (možna spremljava poti gorilnika z varjenjem ali brez) ter program Wise TGI, ki omogo ajo spremljavo varjenja na daljavo. S pomo jo pre nega elektromotornega suporta se izvede daljinska korekcija poti gorilnika.
Slika 5:
Spremljava procesa varjenja preko monitorja
Slika 6: Varilni vozi ek: gorilnik, Slika 7: Vpenjaln i in centrirni suporit, kamera,… mehanizem
2.2
Slika 8: Krmilno komandna omara z monitorjem
CNC naprava za vzdolžno in to kovno varjenje
Slika 9: CNC naprava za vzdolžno in to kovno Slika 10: Varilni portal varjenje
Naprava je namenjen za: • so elno TIG varjenje nerjave e plo evin debeline 1,5 do 2,0mm v pre ni smeri do 3.000 mm; • prekrovno TIG varjenje nerjave e plo evine 0,8÷1,0mm na nerjave o plo evino debeline 1,5÷2mm v pre ni smeri do 3.000 mm, premik 7.000mm v vzdolžni smeri; • to kovno TIG varjenje nerjave e plo evine 0,8÷1,0mm na nerjave o plo evino debeline 1,5÷2mm z vnaprej dolo enim rasterjem v pre ni smeri. Sestava CNC naprave: • vodilna proga za pre ni elektromotorni (servomotor z enkoderjem) pomik gorilnika max. dolžine 3.000mm pre no in 7.000mm vzdolžno; • varilni vozi ek s pnevmatskim suportom za dvig spust gorilnika, ro ni križni suporta za pre no korekcijo gorilnika, sledilni koleš ek za mehansko višinsko sledenje; • pnevmatski vpenjalni mehanizem za pre no vpenjanje dolžine 3.000mm (pnevmatsko vpenjanje je izvedeno s pomo jo »gasilske cevi«); • vozna proga za premik varilnega portala vzdolžno – pokriva obmo je 7.000mm; • dvostransko gnana vozi ka za elektromotorni premik pre nega varilnega portala v vzdolžni smeri s sistemom pnevmatskega fiksiranja; • vpenjalna miza dimenzije 3.000x7.000mm po celotni površini pokrita z bakreno plo evino debeline 5mm; • vakuumsko vpenjanje plo evine na vpenjalno mizo; • CNC krmilnik Burny Phantom ST; • Varilni izvor VARTIG 3500 W digit, daljinska komanda za regulacijo varilnih parametrov, vmesni cevni paket in strojni vodno hlajenim gorilnik. Posebnost naprave: Numeri no krmiljena naprava s pomo jo krmilnika Burny Phantom ST. Izdelava varilnega programa – pot gorilnika pri vzdolžnem in to kovnem varjenju se izvede z dodelanim programom za grafi no programiranje CNC strojev Zevs, ki omogo a hitro in enostavno pretvorbo na rtov z želenimi varilnimi mesti v izvajalno kodo stroja. Tako je omogo ena enostavna izdelava programa za vzdolžno in to kovno varjenje hladilnih ploš poljubnih pravokotnih oblik in dimenzij do 3.000 x 7.000mm.
Slika 11: Grafi no programiranje to kovnega in linijskega varjenja
Slika 12: Varilni vozi ek: Slika 13: To kovni in vzdolžni gorilnik, suport, sledilna,… zvar
2.3
Varilna konzola z obra alno napravo za krožno varjenje in brušenje
Slika 14: Varilna konzola z obra alno napravo
Slika 15: Varilna glava TIG z dodajanjem
Naprava je namenjen za: • horizontalno so elno krožno TIG varjenje nerjave e plo evine z dodajnim materialom debeline 0,8÷2,0mm, premerov 950 do 2.600mm; • vertikalno so elno vzdolžno TIG varjenje nerjave e plo evine z dodajnim materialom debeline 0,8÷2,0mm, višine 2.000mm; • brušenje pasu ob krožnem zvaru s pomo jo tra nega brusilnika. Sestava naprave: Varilna konzola VK 2m/1m: Obra alna naprava 1,5t: − steber; − ogrodje; − konzola; − platforma pozicionerja; − vozi ek konzole; − vpenjalna ploš a s T-utori; − podajalna naprava za dodajanje žice; − centrirni obro ; − sledilna naprava; − dvižni steber obro a. − ro ni suport SK 30; − strojni gorilnik ABITIG MT 300W, − tra ni brusilnik GX 75 2H; − komandna omarica; − varilni izvor (VARTIG 3500 DC W). Posebnost naprave: Naprava omogo a podaljševanje že zvitih in zavarjenih valjev višine 500 do 1.500mm s sestavo le teh s pomo jo centrirnega obro a, ki vsebuje tudi sistem za zaš ito korenskega zvara. Na tak na in je možno izdelati rezervoarje višine 9.000mm. Naprava omogo a tudi brušenje valja s pomo jo tra nega brusilnika, ki je nameš en na nasprotni strani od varilnega dela.
Slika 16: Obra alna naprava s centrirnim obro em
3.
Slika 17: Tra ni brusilnik nameš en na konzoli
ZAKLJU EK
Uvedba mehanizacije varjenja za vzdolžno in krožno varjenje velikih rezervoarjev pomeni poleg humanizacije delovnih mest tudi tehnološki dvig nivoja kvalitete zavarjenih delov. Z uporabo CNC krmiljenja naprave za vzdolžno in to kovno varjenje hladilnih plo evin je zagotovljena tudi visoka fleksibilnost, ponovljivost ter kvaliteta zavarjenih kosov. Zvarna mesta ustrezajo tla nemu preizkusu 15bar, kjer se vrši plasti na deformacija hladilnih plo evin. LITERATURA Prospektni material VARSTROJ d.d. Lendava.
Mehatronska platforma za avtomatizirano oblo no varjenje Drago Bra un, David Kozinc, Peter Butala Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker eva 6, 1000 Ljubljana
Povzetek V delu je predstavljen razvoj mehatronskega sistema za avtomatizirano oblo no varjenje. Sestoji se iz triosnega pozicionirnega sistema in laserskega linijskega triangulacijskega merilnika. Inteligen tni kora ni motorji vgrajeni v pozicionirni sistem omogo ajo enostavno programiranje poljubnega realno- asovnega gibanja in pozicioniranja varjenca. Sinhronizacija po ljubnega gibanja in merjenja omogo a razli n e študije adap tivnega krmiljenja za potrebe avtomatiziranega varjenja, kot tud i meritev tridimenziona lne g eometrije poljubnega objekta za potrebe reverzibilnega inžin iringa.
1.
UVOD
Raziskave na podro ju merjenja tridimenzionalne (3D) geometrije teles za potrebe reverzibilnega inžineringa, kontrole kvalitete izdelkov [1, 2] in avtomatizacije dolo enih tehnoloških postopkov, npr. varjenja [3, 4], graviranja, laserskih obdelav, itd., so v mnogih primerih vezane na pozicionirni sistem, ki mora hitro in natan no premikati orodje ali obdelovanec. Pomike pogosto izvajamo v realnem asu glede na predolo en program gibanja ter glede na vrednosti dolo enih parametrov, ki jih izra unavamo iz izmerkov merilnika geometrije. Krmilni sistemi uporabljani v dosedanji praksi so kompleksni, sestavljeni iz ve modulov, npr. mo nostni krmilniki motorjev, mikrokontrolerji za so asno upravljanje ve mo nostnih krmilnikov ter ra unalnik za krmiljenje celotnega sistema. Z razvojem novih tehnologij, npr. inteligentnih kora nih motorjev z vgrajenimi krmilniki, hitre programabilne logike (FPGA) in fleksibilne programske opreme (LabView) se odpirajo nove možnosti za hitro, enostavno in ceneno gradnjo novih mehatronskih sistemov.
Slika 1:
Avtomatizirano MIG/MAG varjenje; (1) varjenec pritrjen na pozicion irni sistem; (2) laserski triangula cijski merilnik geometrije zvarne reže; (3) varilna šoba; (4) mehanska zaš ita senzorja
V prispevku tako demonstriramo uporabo novih tehnologij na primeru razvoja avtomatiziranega M IG/M AG varjenja. Vodilo pri tem je funkcionalnost in enostavnost gradnje mehatronskega sistema, predvsem pa cenovna dostopnost. Osnovna ideja sistema za
avtomatizirano varjenje je v merilniku geometrije zvarne reže (slika 1, poz. 2), ki se giblje pred varilno šobo (3) in jo vodi med varjenjem. Služi za pozicioniranje varilne šobe na zvarno režo (1) ter za izra unavanje in adaptiranje hitrosti varjenja [5]. Pri slednjem predpostavimo, da se varjenje izvaja s konstantnimi varilnimi parametri, ter da se med varjenjem spreminja zgolj geometrija zvarne reže. Kadar so njene spremembe majhne, zadoš ajo zgolj majhni popravki hitrosti varjenja za zadostno prevaritev plo evine. Pozicionirni sistem mora zagotoviti poljubno spreminjanje hitrosti varjenja med pomikanjem, kot tudi poljubno nastavljanje za etne to ke varjenja. M erilnik preseka zvarnega spoja se giblje pred varilno šobo. Oblok lahko povzro i poškodbe ali celo uni enje merilnika, zato ga zaš itimo z mehansko pregrado (4) ter odmaknemo od obloka. Optimalen odmik bo eksperimentalno dolo en. Spremembo geometrije zvarne reže tako izmerimo s asovnim zamikom, ki je odvisen od hitrosti varjenja in oddaljenosti merilnika od varilne glave. asovni zamik pride do izraza v primeru velike spremembe geometrije zvarnega spoja na kratki razdalji. Predpostavimo, da tovrstne spremembe v praksi ne nastopijo ter da se geometrija spoja spreminja zgolj v okvirih možnosti izdelave zvara. 2.
POZIC IONIRNI S IS TEM
Pozicionirni sistem omogo a pomikanje varjenca (slika 2, poz. 7) v treh oseh {X,Y,Z}, medtem ko je sklop merilnika in varilne šobe fiksen. Tovrstna kinematika je posledica uporabe že obstoje e mehanske konstrukcije (1), namenjene prvenstveno merjenju 3D oblike teles za potrebe reverzibilnega inžiniringa. Konstrukcija je izdelana iz lepljenih ''sendvi '' ploš , ki so lahke in obenem dovolj toge. Pozicioniranje v posameznih smereh je realizirano s pomo jo navojnih vreten gnanih z inteligentnimi kora nimi motorji (2) CoolM uscle [6], ki imajo že vgrajen enkoder, gonilnik in krmilnik. Tako ne rabimo dodatnega krmilnika, kot pri standardnih kora nih motorjih. Na konzoli nad pozicionirno mizo je na ustrezni razdalji nameš en laserski triangulacijski merilnik (3, 4) za merjenje zvarne reže, za oblo no varjenje je nameš ena M IG/MAG varilna šoba (5), za zaš ito pred oblokom pa skrbi zaš itna ploš a (6). M otorji Cool M uscle so zaprto-zan ni vektorsko krmiljeni kora ni motorji, ki imajo vgrajeno 32-bitno RISC CPE, kar omogo a nov nivo krmiljenja, saj ni ve potrebe po dodatnem krmilniku, ki na kora ne motorje pošiljajo ustrezne pulze. Motorji imajo vgrajen magnetni enkoder z visoko lo ljivostjo do 50000 pulzov/obrat, kar omogo a zasuk lo jivosti 0,0072 stopinje. Poleg tega imajo motorji vektorsko krmiljenje zasuka, zato ni težav z resonan nimi obrati kot pri klasi nih kora nih motorjih. Tudi temperatura delovanja je nižja. Potrebno mo motorjem zagotavljamo z 24 V DC napetostnim virom. Omenjeni kora ni motorji omogo ajo nov enostavnejši na in krmiljenja, saj omogo ajo ve na inov delovanja. Pri predprogramiranem na inu se niz ukazov za gibanje shrani v posamezne baze v spominu EEPROM na samem motorju. Posamezne programe v bazah nato zaženemo s stkali, ra unalnikom ali PLC-jem. Naslednji na in je dinami na kontrola, kjer se ukazi pošiljajo iz ra unalnika in na motorju sproti izvajajo. Ta na in nam omogo a tudi vmesno spreminjanje parametrov, kar v našem primeru omogo a spreminjanje hitrosti varjenja v odvisnosti od širine reže. M otorje pa lahko krmilimo tudi analogno, na primer s pomo jo komandne palice (joy-stick-a).
Slika 2:
Mehatronski sistem za avtomatizirano varjenje; (1) pozicion irna miza; (2) kora ni motorji CoolMuscle; (3) laserski projektor; (4) kamera; (5) MIG/MAG varilna šoba; (6) zaš itna ploš a; (7) varjenec
M otorji so povezani z ra unalnikom s serijsko komunikacijo RS232, lahko pa jih vežemo v mrežo v na in ''master – slave'', kamor lahko povežemo do 16 motorjev. Vsak od motorjev v tem primeru pridobi identifikacijsko številko, kar nam v programski kodi omogo a krmiljenje v izbranih smereh le z njenim zapisom pred ali v samem ukazu za izvršitev gibanja. Krmiljenje motorjev poteka s pomo jo CM L (Cool M uscle language) jezika, ki zajema nabor standardnih ASCII znakovnih nizov za izvršitev gibanja in nastavitve parametrov motorjev. S parametri nastavimo izhode in vhode na motorju, privzete nastavitve hitrosti, omejitve navora in toka in podobno. Nizi za izvršitev gibanja zajemajo nastavitve delovne hitrosti in pospeškov ter pozicije, ki jo lahko podamo absolutno ali relativno. 3.
MERILNI S IS TEM
Delovanje merilnika temelji na principu laserske triangulacije [7]. Pri tej zvarni spoj pravokotno osvetljujemo s tanko lasersko ravnino debeline ~50 m (slika 3, poz.5), ki jo generiramo z laserskim projektorjem (4). Opazovanje tako osvetljenega zvarnega spoja pod kotom (3) glede na smer osvetljevanja (triangulacija) razkrije 3D profil zvarnega spoja. Ta profil nato slikamo s kamero (1). Velikost merilnega obmo ja in merilno lo ljivost dolo amo s primerno izbiro objektiva (2) in matri nega detektorja slike v kameri. V našem primeru smo merilni sistem nastavili tako, da ima merilno obmo je širino 35 mm ter globino 30 mm (pravokotno na zvarni spoj). Sledi obdelava slike, kjer najprej izluš imo opazovani profil laserske rte ter ga nato umerimo in vrednostimo. Pri tem uporabljamo posebej razvito programsko opremo, ki deluje na osnovi filtriranja, iskanja robov in stati nih metod. Hitrost merjenja je prvenstveno odvisna od hitrosti delovanja kamere (števila slik zajetih v sekundi). S trenutno uporabljeno kamero zajamemo in obdelamo 10 meritev v sekundi, kar zadostuje za potrebe varjenja. Po potrebi je možno hitrost merjenja pove ati do 200 meritev v sekundi [8] samo z zamenjavo kamere, saj je as obdelave slike, kalibracije in vrednotenje profila na sodobnih ra unalnikih izredno kratek. Rezultat ene meritve je profil površine {x, y}i zapisan v vektorski obliki (Slika 4). Pri tem je vsaka to ka podana s pripadajo ima x in y koordinatama,
vseh to k je N = 494 in i = 1 ... N. Natan nost merjenja to k je v povpre ju 70 m. Ekstremni bliski obloka lahko preosvetlijo s kamero zajeto sliko, s tem pa je meritev neuporabna. Težavi se izognemo z namestitvijo mehanske pregrade (slika 2, poz.6) med merilnik in varilno glavo. Ta zaustavi ekstremno svetlobno sevanje obloka ter mehanske delce. Kamero dodatno zaš itimo z uporabo ozkopasovnega svetlobnega filtra, ki prepuš a samo svetlobo laserske rte (650 nm). Celotno opti no konfiguracijo merilnega sistema nastavimo tako, da izvajamo meritve z velike oddaljenosti. Razdalja med merilnikom in sredino merilnega obmo ja je 400 mm.
Slika 3:
Princip merjenja zvarne reže; (1) kamera; (2) objektiv; (3) kot triangula cije; (4) laserski projektor; (5) svetlobna ploskev; (6) varjenec; (7) smer pomikanja varjenca
Slika 4:
Primer meritve zvarne reže
4.
ADAPTIVNO KRMILJENJE
Programsko opremo za krmiljenje celotnega mehatronskega sistema smo razvili v okolju LabView. Adaptivno krmiljenje je realizirano tako, da meritev profila zvarne reže obdelujemo v realnem asu (10 meritev v sekundi). Pri tem izra unavamo center zvarne reže (cx , cy ),
širino reže (b), vertikalni zamik plo evin ( h) ter kot ( ) med plo evinama (slika 5). Izra unane vrednosti uporabimo za dolo itev popravkov pozicije varilne šobe ter hitrosti varjenja [9]. Slednja je odvisna od preseka zvarne reže, ki jo mora dodajni material zapolniti (hitrost podajanja varilne žice in ostali varilni parametri so konstantni).
Slika 5:
5.
Adaptivno krmiljenje
ZAKLJU KI
V delu je predstavljen razvoj mehatronskega sistema, ki se sestoji se iz triosnega pozicionirnega sistema in laserskega linijskega triangulacijskega merilnika. Posebnost predstavljene konstrukcije je v inteligentnih kora nih motorjih, ki omogo ajo enostavno in hitro programiranje poljubnega realno- asovnega gibanja in natan nega pozicioniranja varjenca. Sinhronizacija pozicionirnega sistema z laserskim brezdoti nim merilnikom geometrije površine nudi možnosti za razvoj razli nih sistemov avtomatiziranega varjenja. Razvit sistem omogo a tudi meritev tridimenzionalne geometrije poljubnih teles na principu skeniranja površine z natan nostjo merjenja v velikostnem razredu nekaj stotink milimetra. S tem se uporabnost sistema razširi tudi na podro je reverzibilnega inžiniringa in kontrole kvalitete geometrije izdelkov. LITERATURA 1. Bra un Drago, Gruden Valter, M ožina Janez. A method for surface quality assessment of die-castings based on laser triangulation, M eas. sci. technol., 2008, letn. 19, št. 4. 2. Perdan Boštjan, Bra un Drago, Diaci Janez, M ožina Janez. Online assessment of power transmission belt geometry by using laser triangulation and profile parameterisation. Int. j. adv. manuf. technol., 2009.
3. Gorki Aleš, Bra un Drago, Jezeršek M atija, Polajnar Ivan, Diaci Janez. M etoda za zajem in analizo topografije laserskih zvarov. Ventil (Ljubl.), 2005, letn. 11, št. 2, str. 76-83. 4. Bra un Drago, M ožina Janez. Lasersko podprto merjenje oblike zvarov. M ater. tehnol., 2001, letn. 35, št. 1/2, str. 69-71. 5. M enno de Graaf, Ronald Aartsa, Ben jonkera in Jahan M eijera. Real-time seam tracking for robotic laser welding using trajectory-based control, Control Engineering Practice (2010), doi:10.1016/j.conengprac.2010.04.001 6. http://www.rpmechatronics.co.uk/products/integrated-motor.html 7. Bra un Drago, Jezeršek M atija, Diaci Janez. Triangulation model taking into account light sheet curvature. M eas. sci. technol., 2006, letn. 17, št. 8, str. 2191-2196. 8. Gorki Aleš, Bra un Drago, Diaci Janez. Razvoj kamere z vgrajenim programirljivim slikovnim procesorjem. Ventil (Ljubl.), jun. 2009, letn. 15, št. 3, str. 246-252. 9. Drago Bra un, Jože M ikolav i , Jernej Volkar, M atjaž Humar, Ivan Polajnar in Alojz Sluga. Spremljanje zapolnjevanja zvarnih žlebov pri avtomatiziranih postopkih oblo nega varjenja. Dan varilne tehnike, Celje, 15. maj 2010. Zbornik referatov. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko, 2010.
Zastupljenost industrijskih robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope Isak Karabegovi , Sead Paši Tehni ki fakultet Biha , Dr Irfana Ljubijanki a bb, 77000 Biha Mašinski fakultet Mostar, Maršala Tita bb, 35000 Mostar
Povzetek U radu je dat presjek primjene industrijskih robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope. Analiza je data i pra ena je godišnja i ukupna insta lacija industrijskih robota u zemljama: Njema koj, Italiji, Francuskoj, Španiji, V.Britaniji, Švedskoj, Poljskoj, eškoj, Slova koj, Austriji, Belg iji, Holandiji, Danskoj, Norveškoj, Ma arskoj i Sloveniji. Data je analiza po industrijskim granama. Izvršena je procjena primjene industrijskih robota u naredne dvije godine do 2012 godine. Upore ivanje primjene industrijskih robota u procesu zavarivanja u navedenim zemljama. Pored tog da ta je uporedba sa primjenom robota u dvije zemlje i to Koreja i Japan.
1.
UVOD
Inteligentne mašine i sistemi razli itog nivoa složenosti su danas sve prisutniji u proizvodnom procesu predstavlja temelj svake koncepcije fabrike budu nosti. Automatizacija procesa i mašina nalazi primjenu prvenstveno kod izvo enja proizvodnih procesa i upravljanjem mašinama a manje kod drugih tako er važnih proizvodnih aktivnosti kao što su: posluživanje radnog mjesta, pozicioniranje radnog komada i sli no. Primjena industrijskih robota je u slijede im tehnološkim operacijama: • posluživanje radnog mjesta, • držanje materijala u radnoj poziciji u raznim fazama izrade i operacioni transport, • tehnološke operacije (zavarivanje, bojenje, brušenje, lemljenje, lijepljenje, iš enje, poliranje itd.), • automatsku montažu i • predprocesnu, procesnu i poslijeprocesnu kontrolu. Roboti su idealni za poslove koji se smatraju teškim i nepogodnim za ljude i poslove koji su opasni za njihovo zdravlje. Koriste se za poslove koji se ponavljaju više puta i kao takvi se smatraju monotonim i u onim procesima gdje se traži visok kvalitet i velika produktivnost . Dizajnirani su raznovrsni industrijski roboti specijalno za odre enu vrstu radnih zadataka. Primjena robotskih sistema u industriji jeste i humanizacija rada, pogotovo na poslovima štetnim po ljudsko zdravlje (rad u zaga enoj sredini, prašini, visokoj temperaturi, rad na monotonim i zamaraju im poslovima). Roboti nalaze primjenu ne samo u industriji, ve i u drugim oblastima života.
2.
RAS PROS TRANJENOS T ROBOTA U INDUS TRIJI
Broj instaliranih višenamjenskih robota i broj ukupnih robota koji su instalirani u Japanu, USA, Europska Unija, Ostatak Evrope, Azija, Australija, dat je u tabeli 1. Statisti ki podaci koji su navedeni u tabelama i dijagramima preuzeti su od International Federation of Robotics (IFR), podataka Ekonomske komisije pri UN za Evropu (UNECE) i Organizacije za ekonomsku kooperaciju i razvoj (OECD). Ova prezentacija treba da pokaže koje u inke roboti imaju na troškove, proizvodnju i strukturu zapošljavanja odnosno da da indikaciju o sveukupnoj profitabilnosti. Korisnici robota i potencijalni korisnici su uglavnom zainteresirani da dobiju informacije kako robot može riješiti odre ene proizvodne probleme, kako se ta rješenja postignu. Tabela 1:
Instaliranje i ukupan broj robota u upotreb i za 2008, 2009, i predvi anja za 2012 godinu
Iz tabele 1., vidi se da tržišta EU i USA stalno rastu i da hvataju priklju ak sa Japanom. S vjetsko tržište robota u 2008 godini zadržalo se na istoj razini kao u 2007 godini to jest 113.345 jedinica. Japan - tokom 20038. godine zabilježen je pad na tržištu koje se smanjilo za 8 %, tj. 33. 138 jedinica. S AD - u toku 2008 godine bilježe snažni pad primjene robota. Tržište se smanjilo za 12 % odnosno za 17.192 jedinica. Evropska unija - tokom 2008. godine bilježi skoro identi an broj instaliranja industrijskih robota kao u godini 2007, odnosno 35.006 jedinica.
Slika 1:
Ukupni broj instalirani industrijski robota u Evropi, Americi i Aziji
Slika 2:
Ukupan broj instalirani industrijski robota u raznim industrijama
Slika 3:
Godišnji broj instaliranih robota u raznim industrijama
Kao što se sa slike1. vidi ukupan broj instaliranih robota u industriji u Americi iz godine u godinu ostaje nepromjenjen, u Aziji može se re i da je broj instaliranja industrijski robota iz godine u godinu zadržan na skoro istom nivou, a u Evropi taj trend primjene robota je u blagom porastu. Po veli ini broja instaliranih industrijskih robota prednost ima Azija, Evropa a zatim Amerika. Na osnovu slike 2. i slike 3. možemo zaklju iti da je godišnj instalacija i ukupna instalacija robota u procesu zavarivanja u trendu pove anja zadnji godina.
3.
PRIMJENA INDUS TRIJS KI ROBOTA U PROCES U ZAVARIVANJA U ZEMLJAMA EVROPE
U Evropi je u 2008 godini instalirano 35.066 jedinica novih industrijskih robota, gotovo isto kao u 2007 godini.Od tog broja ako vidimo u procentima na rukovanje operacije 55% je upotrebljeno, na zavarivanje 25 % , automobilskoj industriji 34%, metalnoj industriji 15% i hemijskoj industriji 15%. Kad gledamo ukupan broj instaliranih industrijskih robota on je 343.700 jedinica, što je više u odnosu na 2007 godinu 5% a od toga u procesu zavarivanja instalirano je 28% robota.
Slika 4:
Godišnja instalacija industrijski robota u Evropi
Slika 5:
Ukupan broj instalirani ind. robota u Evropi
Slika 6:
Ukupna instalirani roboti u 2007 i 2008 godini u Evropi
Slika 7:
Godišnja instalacija robota u 2007 i 2008 god. U Evropi
Kad pogledamo sliku 4. i sliku 5. vidimo da se u zadnje dvije godine 2007 i 2008 broj primjenjeni industrijskih robota zadržao skoro na istom nivou ali ukupni broj instalirani robota u Evropi je u stalnom usponu. Na osnovu dijagrama slika 6. i slika 7. dolazimo do zaklju ka da je trend pove anja instaliranja industrijski robota 2008 godine u odnosu na 2007 godinu u procesu zavarivanja i kad je u pitanju godišnja i ukupna instalacija. Njema ka
Slika 8:
Ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u Njema koj i Francuskoj
Poljska
Slika 9:
Francuska
Slovenija
Ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u Poljskoj i Sloveniji
Kao što se sa zadnji dijagrama vidi u zemljama kao što je Njema ka i Francuska došlo je do neznatnog pove anja primjene industrijski robota u procesu zavarivanja dok je u zemljama koje su postale lanice Evrope došlo do naglog pove anja primjene robotau toj industriji. Jedan od razloga je što je dio automobilske industrije iz razvijeni zemalja Evrope dislociran u pridružene lanice Evrope.
Slika 10:
Ukupan broj instalirani robota u zemljama Evrope u procesu zavarivanja
Slika 11
Broj instaliranih robota u zemljama Evrope u procesu zavarivanja
Na zadnja dva dijagrama dati su grafikoni primjene industrijski robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope u 2007 godini i 2008 godine.Ako se pogleda ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u zemljama Njema ke, Francuske, Italije, Španije, V.Britanije, Švedske i Austrije znatno se nije zna ajno mijenjao, me utim ako se pogleda trend primjene industrijski robota u procesu zavarivanja godišnji u ove dvije navedene godine vidi se odstupanje i pove anje u zemljama koje su postale lanice Evrope. Japan
Slika 12:
Koreja
Primjena robota u procesu zavarivanja u Japanu i Koreji
Kao što vidimo sa zadnja dva dijagrama primjena industrijski robora u procesu zavarivanja u Japani i Koreji zauzima zna ajno mjesto. Kada uporedimo sa primjenom u zemljama Evrope to je daleko zna ajnije. Nagli skok primjene robota u procesu zavarivanja o ito je zna ajan u Koreji a to je posljedica razvoja automobilske industrije u toj zemlji. 4.
ZAKLJU AK
Svjetsko tržište robota u 2008 godini zadržalo se na istoj razini kao u 2007 godini to jest 113.345 jedinica. Japan - tokom 20038. godine zabilježen je pad na tržištu koje se smanjilo za 8 %, tj. 33. 138 jedinica. SAD - u toku 2008 godine bilježe snažni pad primjene robota. Tržište se smanjilo za 12 % odnosno za 17.192 jedinica. Evropska unija - tokom 2008. godine bilježi skoro identi an broj instaliranja industrijskih robota kao u godini 2007, odnosno 35.006 jedinica. Kao što se sa slike1. vidi ukupan broj instaliranih robota u industriji u Americi iz godine u godinu ostaje nepromjenjen, u Aziji može se re i da je broj instaliranja industrijski robota iz godine u godinu zadržan na skoro istom nivou, a u Evropi taj trend primjene robota je u blagom porastu. Po veli ini broja instaliranih industrijskih robota prednost ima Azija, Evropa a zatim Amerika. Na osnovu slike 2. i slike 3. možemo zaklju iti da je godišnj instalacija i ukupna instalacija robota u procesu zavarivanja u trendu pove anja zadnji godina. Na osnovu dijagrama slika 6. i slika 7. dolazimo do zaklju ka da je trend pove anja instaliranja industrijski robota 2008 godine u odnosu na 2007 godinu u procesu zavarivanja i kad je u pitanju godišnja i ukupna instalacija. .Ako se pogleda ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u zemljama Njema ke, Francuske, Italije, Španije, V.Britanije, Švedske i Austrije znatno se nije zna ajno mijenjao, me utim ako se pogleda trend primjene industrijski robota u procesu zavarivanja godišnji u ove dvije navedene godine vidi se odstupanje i pove anje u zemljama koje su postale lanice Evrope. Nagli skok primjene robota u procesu zavarivanja o ito je zna ajan u Koreji a to je posljedica razvoja automobilske industrije u toj zemlji.
LITERATURA 1. World Robotics 2008, United Nations, New York and Geneva, 2008. 2. Wolka, D.W.: Roboter sisteme, Technishe Universität des Saarlandes im Stadtwald, 1992. 3. Wolka, D.W.: Roboter sisteme I, Technishe Grundlagen, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1992. 4. Craig, J.J.: Introduction to robotics, Addison-Wesley Publishing Company, 1989 5. Craig, J.J.: Introduction to robotics, mechanics and control, 2nd, USA, Addison-Wesley Publishing company, 1997. 6. Coiffet, P., Chirouze M .: An introduction to robot technology, Kogan Page Ltd, 1983 7. Karabegovi I, Dole ek V.: Primjena industrijskih robota u 21. stolje u, RIM 2003, Biha , Zbornik radova, str. 3.-22., septembar 2003. 8. Dole ek, V., Voloder, A.: M atematski model prostornog robotskog manipulatora sa fleksibilnim lanovima, III M e unarodni nau no-stru ni skup ''Tendencije u razvoju mašinskih konstrukcija i tehnologija'', Zenica, 1996. 9. Freund, E., Stern, O.: Robotertechnologie I, Institut für Roboterforschung, Dortmund 1999 10. Dole ek V, Karabegovi I. Roboti u industriji, Tehni ki fakultet Biha , Biha ,2008. 11. Karabegovi I , Jurkovi M . Dole ek V. Primjena industrijskih robota u Evropi i Svijetu, Vrnja ka Banja 2005.
Ustrezna izbira vrste plina in na ina oskrbe s tehni nim i plini za optim alno varjenje in rezanje V družbi Messer Slovenija vam nudimo vse vrste tehni nih plinov, plinskih mešanic, aplikativnih rešitev, opreme in optimalnih rešitev za izvedbo oskrbe s plini za procese varjenja in rezanja. Ferrom ix, Inoxm ix, Alumix in Form irni plini so naša mednarodna imena plinov za vse vrste materialov in postopkov varjenja v zaš itni atmosferi. Imamo razvitih ve kot 30 standardnih plinov in plinskih mešanic. Lasersko varjenje in rezanje, Pod imenom Megalas vam ponujamo resonatorske pline in mešanice za vse vrste CO2 laserjev.
Tehnološka podpora kupcem: Oblo ni in laserski postopki varjenja in rezanja: Matej PE NIK, IWT, IWI-S Gsm: 051 689 547
[email protected] Plamenski postopki varjenja in rezanja: Stanko JAMNIKAR, EWT Gsm: 041 339 842
[email protected]
Messer Slovenija d.o.o. Jugov a 20 2342 RUŠE Tel: +386 2 669 03 00 Fax: +386 2 661 60 41
[email protected] www.messer. si
Avtogeno varjenje in rezanje Za optimalno izkoriš enost postopka je izjemno pomembna pravilna izbira plina in opreme. Nudimo vam kakovostno avtogeno opremo in pline za varjenje, rezanje in gretje Messer Cutting & Welding. Oskrba s tehni nim i plini je klju nega pomena za nemoteno in kakovostno obratovanje proizvodnih procesov varjenja in rezanja. S pravilno oskrbo delavnic s plini lahko bistveno vplivamo na varnost, ekonomi nost, produktivnost in življenjsko dobo strojev. Tehnološka podpora kupcem Ker nam zaupajo najzahtevnejši kupci v Sloveniji in svetu, imamo v oddelku razvoja zaposlena dva izkušena mednarodno priznana varilna strokovnjaka.
Naši strokovnjaki vam bodo z veseljem svetovali ter z vam i poiskali optim alno rešitev za vaše proizvode in proizvodne procesa varjenja in rezanja!
Inštitut za metaln e kon strukcije, Mencingerjeva 7, 1001 Ljubljana, T 01/2802 100, F 01/2802 151, E
[email protected]
! " #
%&'('&)*' *+ ) (),
$
