KM MOT D.O.O Preduzeće za proizvodnju delova cevovoda, procesne opreme i metalnih konstrukcija
ZAVARIVANJE Dipl. Ing. Igor Maravić 8/3/2010
Škola zavarivanja KM Mont d.o.o 1
UVOD U TEHNOLOGIJU ZAVARIVANJA
Zavarivanje predstavlja process ostvarivanja nerazdvojive veze između materijala koji poseduju sposobnost zavarljivosti, uz primenu odgovarajuće dodatne energije. (1) Postupci zavarivanja, koji se najčešće koriste u praksi, zasnovani su na lokalnom zagrevanju materijala iznad temperature topljenja, kada zavareni spoj nastaje očvršćavanjem (npr. elektrolučno zavarivanje), ili na lokalnom zagrevanju materijala do temperature topljenja, kada zavareni spoj nastaje uz dodatno delovanje pritiska (npr. elektrootporno zavarivanje). (3) Zavareni spoj je celina, ostvarena zavarivanjem, koja obuhvata dodirne delove zavarenih komada. Okarakterisan je međusobnim položajem zavarenih komada. (2) Prilikom zavarivanja topljenjem dolazi da topljenja osnovnog i dodatnog materijala (ukoliko se koristi dodatni materijal) nakon čega se rastopljena metalna kupka hladi formirajući oćvrsli metal.sl.1.
a) pre očvršćavanja
b) posle očvršćavanja Slika 1. Očvršćavanje zavarenog spoja
Osnovni pojmovi u zavarivanju Zavareni spoj predstavlja celinu u koju spadaju: osnovni metal (1) i metal šava ili skraćeno šav (sl 2). Metal šava se sastoji: lice šava (2), naličje šava (3), koren šava (4) i ivica šava (8), sl. 2a. Deo osnovnog metala, koji se topi u procesu zavarivanja i ulazi u sastav metala šava, zove se uvar (5), čija je granica obeležena sa (6), sl. 1a, a dubina sa (9), sl. 2b. Zona uticaja toplote (ZUT), označena sa (7) na sl. 2a, je onaj deo osnovnog metala, koji je pod uticajem zagrevanja i hlađenja pretrpeo izvesne strukturne promene. Na sl. 1 prikazane su i osnovne dimenzije šava: širina (11), debljina (12) i nadvišenje (10), i to za slučaj sučeonog, sl. 2b, i ugaonog spoja, sl. 2c, kao i za navareni sloj, sl. 2d, kod koga je bitna i njegova debljina (13).
a)
b) c) d) Slika 2. Osnovni elementi zavarenog spoja po JUS C.T3.001
Pre početka zavarivanja neophodno je izvršiti pripremu ivica osnovnog metala, čime se dobija žljeb za zavarivanje. Izbor žljeba za zavarivanje je određen standardom i zavisi od debljine osnovnog materijala. Na slici 3 su dati neki osnovni elementi žljeba. U zavisnosti od debljine osnovnog materijala razlikujemo sledeće žljebove I,V,X,U,K, itd. 2
1 - stranica žleba 2 - koren žleba 3 - oštri koren žleba 4 - tupi koren žleba 5 - razmak u korenu žleba 6 - zatupljenje korena žleba 7 - otvor žleba 8 - širina otvora žleba 9 - ugao otvora žleba 10 - ugao zakošenja žleba Slika 3. Osnovni elementi žleba U toku procesa zavarivanja pripremljen žljeb miže da se ispuni sa dodatnim materijalom (ili bez dodatnog materijala) u jednom ili više prolaza ili jednom ili više slojeva sl. 4. Da li će pripremljen žljeb biti ispunjen sa jednim ili više slojeva ili prolaza zavisi od debljine osnovnog materijala.
a) jednoprolazni
b) višeprolazni Slika 4. Vrste šavova
c) višeslojni
Prema obliku lica šava razlikuju se ravni, udubljeni i ispupčeni šavovi, sl.5, a prema kontinuitetu šavovi se dele na neprekidne, sl. 6a i isprekidane, sl.6b, koji mogu da budu simetrični, sl. 6c, ili nesimetrični, sl. 6d.
a) ispupčeni
b) udubljeni
c) ravni
Slika 5. Oblici lica šava
3
a) neprekidni
d) nesimetrično b) isprekidani c) simetrično Slika 6. Podela šavova po kontinuitetu
U zavisnosti od međusobnog položaja delova koji se zavaruju, razlikujemo: • Sučeoni sl 7a, • Preklopni sl. 7b, • Ivični sl. 7c, • T spoj sl. 7d.
a) sučeoni
b) preklopni
c) ivični
d) T spoj
Slika 7. Osnovne vrste zavarenih spojeva U zavisnosti od položaja zavarivanja razlikujemo: • Horizontalni sl.8a, • Horizontalno-vertikalni sl.8b, • Vertikalni sl.8 c, • Nadglavni sl. 8d. Svi položaji koji nisu u horizontalnom se nazivaju prinudni položaji zavarivanja.
a) horizontalni
b) horizontalno c) vertikalni vertikalni Slika 8. Položaji zavarivanja
d) nadglavni
Pored definisanja i pripreme žljeba i vrste šava potrebno je odrediti i položaj zavarivanja. Definisanje položaja zavarivanja je veoma bitno jer na sam proces zavarivanja 4
utiče i sila zemljine teže. Pri izboru elektroda postoje preporuke za koje položaje zavarivanja je elektroda preporučena, a za koje ne.
PA Horizontalan položaj
PC horizontalno položaj
vertikalni
PE nadglavni položaj
PF vertikalni prema gore
PG Vertikalni prema dole
Sučeonispojevi
PA Horizontalan položaj
PB horizontalno položaj
PDHorizontalno položaj
PF vertikalni prema gore
nadglavni
vertikalni
PG Vertikalni prema dole
Slika ugaoni spojevi
5
OZAČAVAJE I PREDSTAVLjAjE ZAVAREIH SPOJEVA A CRTEŽU Crtež zavarene konstrukcije treba da sadrži sve neophodne podatke potrebne za njegovu izradu (način pripreme žljeba,geometriske mere šava, postupak zavarivanja). Da bi se ovi podaci prikazali što jednostavnije standardom je definisan način predstavljanja i oznake zavarenih spojeva, koje se sastoje od grafičke i brojne oznake. Grafička oznaka definiše pripremu žleba i oblika šava, oblik spoljne površine, vrste spojeva pri zavarivanju pritiskom, dopunske radove na korenom zavaru (žlebljenje se označava udvojenim simbolom oblika spoljne površine kod asimetričnih žlebova ili sa dve vertikalne crtice u sredini simetričnih žlebova) i kontinualnost šava pri zavarivanju topljenjem (neprekidni šavovi se označavaju horizontalnom crticom preko osnovnog simbola). Brojčana oznaka sadrži najbitnije podatke u zavisnosti od vrste spoja, oblika i kontinualnosti šava, i po pravilu se sastoji od dva broja, odvojena crticom, prvi za kote preseka šava, a drugi za dužinu šava. Primeri označavanja neprekidnih spojeva su dati (sučeoni), gde su prikazani jednostrani "I" spoj, dvostrani "X" spojevi (simetrični i nesimetrični), jednostrani udubljeni i dvostrani simetrični ravni spoj, isprekidani spojevi gde su prikazani sučeoni "I" i ugaoni "T" spoj. Kompletna oznaka zavarenog spoja još sadrži i brojčanu oznaku postupka zavarivanja, u skladu sa podacima iz tab. 6.
6
Tabela 4. Primeri označavanja neprekidnih spojeva skica
opis jednostrani ″I″ spoj, debljine 3 mm, dužine šava 100 mm
simetrični ″X″ spoj, debljine 15 mm, dužine šava 100 mm
nesimetrični ″X″ spoj, debljine 17 mm (jedan zavar 10 mm, drugi 7 mm), dužine šava 100 mm
oznaka 3-100
15-100
10+7-100
7
udubljeni spoj, preseka 4 mm, dužine šava 100 mm
simetrični ravni ″T″ spoj, dužine krakova 6 mm, dužine šava 100 mm
Tabela 5. Primeri označavanja isprekidanih spojeva skica
opis
oznaka
sučeoni ″I″ spoj, debljine 5 mm, 3 zavara dužine 10 mm, korak 100 mm
ugaoni ravni ″T″ spoj, preseka 4 mm, 4 zavara dužine 10 mm, korak 50 mm
Izbor režima zavarivanja Režim zavarivanja čini skup karakteristika procesa zavarivanja bilo kog postupka zavarivanja koji direktno utiču na kvalitet i geometrijski izgled šava. Za svaki postupak zavarivanja treba definisati pojedinačne parametre koji definišu režim zavarivanja Režim zavarivanja čine osnovni i uslovljeni parametri. Osnovni parametri zavarivanja definišu se i zavise od kvaliteta i debljine osnovnog materijala, zatim od kriterijuma projektanta, za izvođenje konstrukcije, tj. konstruktivnih rešenja zavarenih spojeva. Uslovljeni parametri režima zavarivanja su uslovljeni osnovnim parametrima, odnosno njihovu vrednost diktiraju osobine i kvalitet osnovnog materijala, oblik i dimenzije šava, potreban kvalitet avarenog spoja, karakteristike uređaja za zavarivanje itd.
8
Tabela 6. Klasifikacija postupaka zavarivanja 1 Elektrolučno zavarivanje 111 obloženom elektrodom - E 114 punjenom žicom 12 pod praškom - EPP 13 topljivom elektrodnom žicom u zaštiti gasa 131 zaštita u inertnom gasu - MIG 135 zaštita u aktivnom gasu - MAG 14 netopljivom elektrodom u zaštiti gasa 141 inertni gas - TIG 15 plazmom 185 magnetno elektrolučno rotirajućim lukom 2 Elektrootporno zavarivanje 21 tačkasto 22 šavno 23 bradavičasto 24 sučeono varničenjem 25 sučeono zbijanjem 3 Gasno zavarivanje 311 oksi-acetilenskim plamenom
4 41 42 43 44 45 48 7 71 72 74 751 76 91 913 914 916 94 97
Zavarivanje u čvrstom stanju ultrazvukom trenjem kovačko eksplozijom difuzijom na hladno Drugi postupci zavarivanja aluminotermitsko električno pod troskom - EPT indukciono laserom elektronskim snopom Tvrdo lemljenje u peći uronjavanjem u soli indukciono Meko lemljenje Zavarivačko lemljenje
ELEKTRIČI LUK Električni luk je električno pražnjenje (usmereno kretanje elektrona i jona) izmedju elektrode i radnog dela kroz jonizovani vazduh ili gas. Da bi vazduh bio jonizovam u njemu moraju da postoje joni i elektroni, koji svojim kretanjem obezbeđuju protok električne struje. Ovaj proces može da se objasni u osnovnim crtama na primeru uspostavljanja luka kratkim spojem, što se koristi kod E postupka (dodir elektrode i osnovnog metala). Zbog mikroskopskih neravnina na dodirnim površinama, kontakt i protok struje se uspostavlja na veoma maloj površini, gustina struje je veoma velika, pa se dodatni i osnovni materijal tope gotovo trenutno, a delimično i isparavaju. Dejstvom jakog električnog polja, stvorenog naponom praznog hoda, atomi metalnih para gube elektrone koje privlači pozitivna elektroda (anoda), dok preostali deo atoma (pozitivni jon) privlači katoda. Istovremeno mehanizmom termičke jonizacije katoda počinje da emituje elektrone, koji se kreću velikom brzinom prema anodi. Pri kretanju elektroni se sudaraju sa okolnim atomima i molekulima, stvarajući tako nove elektrone i jone, čije usmereno kretanje održava električni luk. U međuvremenu elektroda se odmiče na pogodno rastojanje, proces uspostavljanja luka je završen i postignuto je stabilno stanje u strujnom kolu koje čine izvor struje, elektroda, luk i osnovni metal.
Šema uspostavljanja luka
Električni luk - šematski prikaz
9
Šema zavarivačkog luka
Slika 4. Statička karakteristika luka
U električnom luku mogu da se uoče tri različite oblasti: katodna (2), anodna (4) i stub luka (3), Stub luka nije u direktnom kontaktu ni sa anodom ni sa katodom, već je od njih odvojen užarenim oblastima koje se zovu anodna i katodna mrlja, sl.3, pozicije (1) i (5). U oblasti katodne mrlje oslobađaju se elektroni, potrebni za održavanje struje u stubu luka. Na osnovu vrednosti katodnog i anodnog pada napona za različite metale, date za različite jačine struje i gasne sredine, može da se zaključi da gasna sredina ima znatno veći uticaj od jačine struje, tj. da zaštitni gasovi kao što su Ar i CO2 značajno smanjuju katodni i anodni pad napona. Ukupni pad napona u luku, Ul, definisan je izrazom: U l = U k + U sl + U a gde je Usl pad napona u stubu luka.
Zavisnost napona od jačine struje pokazuje tri različite oblasti u ponašanju luka - I oblast u kojoj napon opada sa porastom jačine struje, II oblast u kojoj je napon približno konstantan, i III oblast gde napon raste sa porastom jačine struje. Na statičkoj karakteristici električnog luka uočavaju se tri područja: I – Područje malih gustina električne struje, otpor u električnom luku je veliki, budući da temperatura I procesi jonizacije nisu dovoljni za emitiranje elektrona u dovoljnoj količini (a istovremeno se značajna količina topline odvodi iz električnog luka, što dodatno povećava otpor električnog luka). U ovom području je izvod funkcije promene napona i jačine struje ( tgα < 0 ), što znači da je to područje u kojemu je statička karakteristika električnog luka negativna ili padajuća. II – Područje srednjih jačina struje, karakterističnih za REL zavarivanje. Napon zavarivanja se gotovo ne mjenja sa porastom jačine struje zavarivanja, pa je statička karakteristika električnog luka ravna ( tgα = 0 ). III - Područje povećane jačine struje i napona zavarivanja. U ovom području je izvod funkcije promene napona i jačine struje ( tgα > 0 ), što znači da je to područje u kojem je statička karakteristika električnog luka pozitivna ili rastuća. Kod zavarivanja jednosmernom strujom zavarivanje može biti izvedeno ili kao zavarivanje sa direktnim polarizacijom (DCSP) ili sa obrnutim (inverznom) polarizacijom (DCRP). Kod DCSP zavarivanja pozitivan kraj (+) aparata za zavarivanje treba spojiti za radni deo a elektrodu spojiti na negativan kraj (-) izvora, (slika 5);ovde se elektroni kreću od elektrode do radnog komada. Za DCRP zavarivanja, pozitivan kraj (+) aparata za zavarivanje 10
treba spojiti sa elektrodom a radni deo na negativan pol (-), kod ovog načina zavarivanja elektroni se kreću od osnovnog materijala ka elektrodi, što u nekim slučajevima prouzrokuje preterano zagrevanja elektrode (TIG postupak)
Zavarivanje direktnom polarizacijom Zavarivanje inverznom polarizacijom (DCSP) (DCRP) Jedan drugi efekat DCRP zavarivanje je tzv. ravan efekat čišćenja. Ovo dejstvo čišćenja površine je prouzrokovano ili od elektrona koji napuštaju površinu ili od uticaja na gas jona koji napadaju ravnu površinu, koji teže da razbiju površinske oskide i prljavštine obično prisutne. Zavarivanje naizmaničnom strujom predstavlja kombinaciju ova dva postupka (DCSP i DCRP) i daje oblik šava između ova dva procesa. Kod zavarivanja naizmaničnom strujom zbog teoriskog gašenja električnog luka prilikom svakog prolaska kroz nulu, u aparate se dodaje visokofrekfentni generator kako bi se omogučili lakše uspostavljanje i održavanje električnog luka.
Zavarivanje sa direktnim, inverznim polaritetom izvora kao i sa naizmeničnim izvorom Pri korišćenju visokofrekfentnog generatora imamo sledeće prednosti: (a) Luk se može uspostaviti bez dodirivanja elektrode i radnog dela. (b) Dobija se bolja stabilnost luka (c) Moguć je duži luk. Ovo je posebno važno za proces navarivanja Prenos dodatnog materijala kroz električni luk Mehanizam prenosa dodatnog metala kroz električni luk uključuje sledeće bitne pojave: gravitaciju, površinski napon, magnetno polje oko luka, pritisak od strujanja gasova i pritisak plazme. Elektromagnetska sila (pinč) Površinski napon Strujanje gasova Pritisak plazme Gravitacija
Mehanizam prenosa metala kroz električni luk 11
Gravitacija uvek deluje nadole, što znači da ometa proces prenosa dodatnog metala.
čvrst čv
o
rsto tečno
te
Dejstvo elektromagnetske sile na rastopljeni vrh elektrode Površinski napon u početnoj fazi teži da stvori kapljicu sfernog oblika i sprečava njeno odvajanje od elektrode, a kada se kapljica odvoji i dođe u metalnu kupku sprečava njeno razlivanje, što pomaže zavarivanje u prinudnim položajima. Magnetsko polje oko električnog luka (provodnika), proizvodi elektrodinamičku silu. U slučaju provodnika konstantnog preseka ova sila deluje samo u radijalnom pravcu, a u slučaju provodnika promenljivog preseka, kakav je rastopljeni vrh elektrode, osim radijalne postoji i aksijalna komponenta. Smer dejstva radijalne komponente elektrodinamičke sile je prema osi provodnika, što izaziva suženje preseka kapljice (tzv. "pinč efekt"), dok aksijalna komponenta deluje u smeru prenosa dodatnog metala, a intenzitet sile je proporcionalan kvadratu jačine struje. Stoga se povećanjem jačine struje pojačava pinč efekt i olakšava prenos dodatnog metala, ali se takođe povećava i rasprskavanje dodatnog metala.
Slika 10. Pinč efekt
Slika 11. Delovanje pritiska plazme
Magnetsko oduvavanje električnog luka izraženo je kod zavarivanja jednosmernom (DC) strujom, a uzrokuje skretanje električnog luka. Na slici 8 prikazano je nekoliko karakterističnih slučajeva magnetskog oduvavanja električnog luka pri zavarivanju. Može se primetiti da je veće “oduvavanje” luka na početku i na kraju ploče, a normalan luk je u sredini ploče.
. Magnetsko “oduvavanje” na krajevima i normalan luk u sredini ploče 12
Kod REL zavarivanja potrebno je da zavarivač izvede naginjanje elektrode u smjeru magnetskog oduvavanja električnog luka. Na taj način električni luk se može dovesti u vertikalni položaj, mada ovo nije najpouzdanija metoda. POSTUPCI ZAVARIVAJA
GASO ZAVARIVAJE I REZAJE Osnovni zahtevi koje treba da ispuni gorivi gas da bi se koristio za zavarivanje su da temperatura plamena bude znatno viša od temperature topljenja osnovnog i dodatnog metala, da brzina sagorevanja bude što veća, da se razvija dovoljna količina toplote za topljenje osnovnog i dodatnog metala. Najčešće se koriste gorivi gasovi na bazi ugljovodonika: metan (CH4), metilacetilenpropadijen (C3H4 - trgovački naziv MAPP), acetilen (C2H2), propan (C3H8), propilen (C3H6), butan (C4H10) i vodonik (H2). Ugljovodonici sagorevaju u dve faze, primarnoj i sekundarnoj, osim H2 koji sagoreva u jednoj fazi. Pod primarnim sagorevanjem se podrazumeva reakcija sa kiseonikom iz boce, a pod sekundarnim reakcija sa kiseonikom iz vazduha. Brzina sagorevanja (brzina širenja plamena) je brzina kojom se front plamena kreće upravno na njegovu površinu kroz okolni nesagoreli gas. Brzina sagorevanja bitno utiče na veličinu i temperaturu primarnog plamena. U tablici su dati osnovni podaci o gorivim gasovima, kao što su maksimalna temperatura neutralnog plamena, tmax, količina oslobođene toplote kod primarnog i sekundarnog sagorevanja (osim za H2 koji sagoreva u jednoj fazi), Qprim i Qsek, ukupna količina toplote po jedinici zapremine i po jedinici mase, Qvol i Qmas, količina kiseonika potrebna za putpuno sagorevanje jedinične količine gasa (stehiometrijska smeša) - oznaka O2 (ukupno) i količina kiseonika koja se u tu svrhu dobija iz boce (ostatak se dobija iz vazduha) - oznaka O2 (boca), odnos gustine gasa prema gustini vazduha (na temperaturi od 15°C, atmosferskom pritisku i gustini vazduha ρvaz=1,21 kg/m3), molarna masa, M, specifična zapremina, υ, i brzina sagorevanja neutralnog plamena, vsag. Tabela Osnovne osobine najčešće korišćenih gasova tmax Qprim Qsek Qvol Qmas O2 (ukupno) O2 (boca) ρ/ρvaz M υ=V/m vsag
(°C) (MJ/m3) (MJ/m3) (MJ/m3) (MJ/kg) (mol) (mol) (-) (g/mol) (m3/kg) (m/s)
acetilen 3087 18,9 35,9 54,8 50 2,5 1÷1,3 0,91 26,0 0,91 5,7
propan 2526 9,5 83,6 93,1 51 5 3,5
butan 2300 130 -
metan 2538 0,4 37 37 56 2 1,5
propilen 2865 16,3 71,9 88,3 49 4,5 2,6
MAPP 2927 19,3 70,4 89,6 49 4 2,5
1,52 44,0 0,54 3,9
2,10 58,1 0,39 -
0,62 1,44 5,5
1,48 0,55 -
1,48 0,55 -
vodonik 2655 12 120 0,5 0,3÷0,4 0,074 11,77 11
13
Gasovi lakši od vazduha su acetilen, metan i vodonik, a teži od vazduha butan, propan i MAPP. Acetilen razvija najvišu temperaturu plamena ,a i pogodan je zbog male potrošnje kiseonika (posle vodonika). U novije vreme se koriste postupci dobijanja kiseonika i vodonika iz vode (H2O). MAPP i propilen, osim relativno visoke tmax, imaju veliku Qsek, pa su pogodni i za zagrevanje velikih komada.
Slika 2,1. Intenzitet ukupnog sagorevanja nekih gorivih gasova PLAME ACETILE-KISEOIK Sagorevanje acetilena se odvija prema sledećim uprošćenim jednačinama: - primarno: - sekundarno: - ukupno:
C2H2+O2 ⇒ 2C+H2+O2+0,225 MJ ⇒ 2CO+H2+0,47 MJ/mol 2CO+H2+1,5O2 ⇒ 2CO2+H2O+0,81 MJ/mol C2H2+2,5O2 ⇒ 2CO2+H2O+1,28 MJ/mol
Prilikom zavarivanja dolazi do određenih gubitaka toplote koje su za određene gorionike date u tabeli. Tabela Koeficijent iskorišćenja toplote η u zavisnosti od veličine plamenika
14
plamenik broj η
1 0,72
2 0,68
3 0,51
4 0,44
5 0,36
6 0,29
7 0,25
8 0,22
1 - gubici u okolinu (33%) 2 - zagrevanje dodatnog metala (12%) 3 - gubici usled razbrizgavanja (2%) 4 - topljenje dodatnog metala (10%) 5 - topljenje osnovnog metala (12%) 6 - topljenje osnovnog i dodatnog metala (22%) 7 - gubici u osnovni metal (43%) 8 - zagrevanje osnovnog metala (55%) 9 - ukupna toplotna moć (100%) Raspodela toplote pri zavarivanju plamenikom br. 8
U zavisnosti od odnosa gasova kiseonika i acetilenarazlikuju se tri vrste plamena: • Redukujući (manje kiseonika), • Oksidujući (višak kiseonika), • Neutralan plamen (odnos kiseonika i acetilena 1:1) U praksi se koristi neutralan plamen ,sa blagim viškom kiseonika sa odnosom O2:C2H2 =(1,1÷1,2):1,gde se višak kiseonika troši na sagorevanje okolnih gasova. Kod gasnog zavarivanja razlikujemo tri oblasti plamena: ·Jezgro oblika konusa ili cilindra (zavisno od načina isticanja gasova), u kojem se odvija deo primarnog sagorevanja. Pri tome sagoreva manji deo smeše gasova, dok se veći deo razlaže na ugljenik i vodonik. Oslobođena količina toplote zagreva slobodni ugljenik stvarajući svetli omotač jezgra, šta daje utisak jarko bele boje. ·Srednja zona, oblika klina, gde se odvija ostatak primarnog sagorevanja, a počinje i sekundarno sagorevanje, odnosno oksidacija 2CO i H2 kiseonikom iz vazduha. U ovoj zoni se postiže najviša temperatura plamena (do 3100°C), na 4÷6 mm od vrha jezgra, pa se ona koristi za zavarivanje. Stoga se srednja zona zove i zona zavarivanja. ·Omotač plamena, u kojem se odvija sekundarno sagorevanje na račun kiseonika iz vazduha. Temperatura u zoni sekundarnog sagorevanja je znatno niža od maksimalne. Boja u ovoj zoni prelazi od plavo-ljubičaste boje u sredini do žuto-narandžaste na krajevima.
15
a) oksidišući
b) neutralni
c) redukujući Šematski izgled plamena (a - oksidišući, b - neutralni, c - redukujući) Gasovi iz omotača plamena sprečavaju pristup okolnim gasovima iz vazduha (kiseonik , azot) da dopru u metal šava. Veoma je važno održavanje propisanog rastojanja između jezgra i površine radnog komada (3÷5 mm), jer inače nastaju sledeće greške: ·ako je jezgro suviše blizu rastopljenog metala dobija se oksidirani tvrdi sloj; ·ako je jezgro suviše udaljeno, provarivanje je otežano, a pojava gasnih mehurova česta. Neutralan plamen se koristi za zavarivanje čelika, bakra, nikla i njegovih legura, bronze i olova. Redukujući plamen se primenjuje kada se traži porast ugljenika u zavaru kao npr. kod zavarivanja sivog liva, kao i za zavarivanje aluminijuma i njegovih legura, legura magnezijuma i navarivanja tvrdim legurama. Oksidacioni plamen se izbegava jer sadrži višak kiseonika. Kiseonik Kiseonik omogućava sagorevanje gorivih gasova, a nalazi se u vazduhu (21% zapreminskog udela). Na 15°C i atmosferskom pritisku gustina kiseonika iznosi 1,43 kg/m3, molarna masa 32 g/mol, a u tečno stanje prelazi na -183°C. U gasovitom stanju kiseonik nema boju i miris, nije zapaljiv i eksplozivan. Međutim, pošto u njegovom prisustvu neke materije postaju zapaljive, rukovanje kiseonikom mora da bude oprezno. Kiseonik se najčešće proizvodi frakcionom destilacijom tečnog vazduha. Tehnički kiseonik je čistoće 99,2 do 99,8%, a nečistoće su azot, argon i voda. ^istoća kiseonika je bitna za njegovo korišćenje. Kiseonik se prenosi i čuva u čeličnim bocama pod pritiskom 150-200 bar. Acetilen Acetilen je gas bez boje, bez mirisa ako je čist, lakši od vazduha i jako zapaljiv. Nije otrovan i moze se udisati. Obično se korist itehnički čist acetilen karakterističnog mirisa (beli luk). Tačka paljenja smeše acetilena sa vazduhom ili kiseonikom varira u zavisnosti od sastava. Granice zapaljivosti u vazduhu iznose od 2,5% do 80%, a u kiseoniku 2,5% do 93%. Zbog toga je acetilen opasan gas. Acetilen se dobija hemijskom reakcijom vode i kalcium karbida u razvijačima acetilena: CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 + Q(toplota)
16
Produkti ove reakcije su acetilen (C2H2) i kalcijum karbid (Ca(OH)2), tzv. gašeni kreč, uz oslobađanje određene toplote. Razlikujemo sledeće vrste razvijača: • Acetilenski razvijač na principu padanja karbida u vodu karakteriše dovoljna količina vode za potpunu reakciju, pri čemu se kao ostatak formira krečno mleko. • Acetilenski razvijač na principu kapanja vode na karbid • Acetilenski razvijač na principu kontakta radi na principu relativne pokretljivosti kalcijum karbida i vode, prema potrebnim količinama acetilena, pri čemu se kao ostatak formira krečno mleko Osnovna podela razvijača prema radnom pritisku acetilena u razvijaču je na: • razvijač niskog pritiska do 0,3 (bar) • razvijač visokog pritiska od 0,3 do 1,5 (bar). U novije vreme sve više je u primeni postupak pirolize ugljovodonika, i proces koji koristi delimično sagorevanje metana u kiseoniku. Acetilen dobijen iz razvijača sadrži mehaničke i hemiske nečistoće (vodena para, kreč u vidu prašine, sumporvodonik, fosforvodonik) pa se za njihovo odvajanje ugrađuju mehanički prečistači (filteri, kondenzatori pare itd.) i hemiski prečistači (vezuju nečistoće bez da reaguju sa acetilenom). Acetilen je rastvorljiv u vodi u odnosu 1:1 i u acetonu u odnosu 1:25, na sobnoj temperaturi i atmosferskom pritisku. Rastvorljivost acetilena u acetonu raste sa porastom pritiska, a opada sa porastom temperature. Acetilen se transportuje i čuva u čeličnim bocama pod pritiskom 15 bar, a u slučaju velike potrošnje racionalnije je koristiti razvijače acetilena. Aparatura za zavarivanje Aparaturu za gasno zavarivanje čine boce za kiseonik i acetilen, redukcioni ventili, dovodna creva, gorionik sa promenljivom mlaznicom i pomoćni alat. Kiseonička boca je obojena plavo ili ima plavu traka na 2/3 visine. Boce za kiseonik u gasovitom stanju su zatvoreni čelični sudovi. Boca se obeležava plavom bojom. Na slici se vidi presek boce sa ventilom gde su osnovni delovi: telo boce (1); ventil boce (2); kapa boce (3); postolje boce (4). Zapremina boce je 40 litara u koju na temperaturi od 20 C°, i pritisku 150 bara, može stati oko 6 Nm^3 kiseonika. Ventil boce za kiseonik je specijalne konstrukcije i može se montirati samo na bocama za kiseonik. Brzina trošenja ne sme da pre|e 2 Nm^3/h.Kod potrošnje veće od 2 Nm^3/h dolazi do pojave zaleđivanja ventila na boci i redukcionom ventilu. U boci uvek mora ostati količina gasa pritiska do 2 bara, čime se izbegava ulazak vazduha u bocu. Kapa boce ima ulogu zaštite ventila. Promena temperature uticaće na promenu pritiska kiseonika u boci. Boca za acetilen je obojena belo, ili ima belu traku na 2/3 visine. Acetilen u boci se rastvara u acetonu, jer je sam acetilen kao nezasićeni ugljovodonik vrlo eksplozivan na povišenom pritisku. Osim toga, boca se prethodno puni poroznom masom (najčešće drveni ćumur ili mešavina uglja i infuzorijske zemlje) u koju se uliva aceton, a zatim rastvara acetilen. Boce za acetilen su izra|ene od čelika, slične su bocama za kiseonik, i napunjene odgovarajućom poroznom masom i acetonom, a osnovni delovi su telo, ventil, postolje, kapa, i pozicija (5) porozna masa i aceton što se vidi na slici. Boca se obeležava belom bojom. Kao porozna masa se koristi infuziona zemlja, drveni ćumur mešavina uglja i dr. Acetilen rastvoren u acetonu (disugas) nije eksplozivan pa ga je moguće sabijenog ubaciti u bocu pod pritiskom od 18-25 bara. Zapremina boce za acetilen je takođe 40 litara i u nju stane oko 6 Nm^3 acetilena. Propusni ventil je specijalne izvedbe i primenjiv jedino na boci za acetilen, a na njega je moguće montirati samo redukcioni ventil za acetilen. Od ukupne zapremine boce porozna masa zauzima 25%, 17
38% aceton, 29% prostor za širenje acetona pri apsorpciji (rastvaranju) acetilena i 8% je sigurnosni prostor. Moguća su manja odstupanja od navedenih vrednosti. I kod ovih boca je izražena zavisnost pritiska od temperature.
Boca i ventil za a) kiseonik i b) acetilen. Boca: 1-telo, 2-vrat, 3-kapa, 4-postolje, 5-porozna masa. Ventil (a): 1-navrtka, 2-opruga, 3-ploča, 4-točkić, 5-navrtka za blokiranje, 6-pločica, 7vreteno, 8-jezičak za okretanje navrtke, 9-nosač zatvarača, 10-zatvarač, 11-telo ventila. Ventil (b): 1-četvrtka za otvaranje, 2-navrtka, 3, 4-zaptivač, 5-telo vretena, 6-zatvarač. Greške pri rukovanju bocama sa tehničkim gasovima pod pritiskom su najčešće uzrok nesreće sa veoma teškim posledicama. Stoga treba se strogo pridržavati propisa o rukovanju sa ovim gasovima. Boce treba povremeno proveravati da li iz njih ističe gas, boce je neophodno držati u vertikalnom položaju ili pod uglom od 45°, kako nebi iscurila porozna masa iz boce za acetilen. Zaostali pritisak u boci u zavisnosti od okolne temperature treba da bude 0,5 bara (t<0°C), 1 bar (0
razlika je u načinu vezivanja na bocu, pa redukcioni ventil za kiseonik se postavlja preko navrtke, a redukcioni ventil za acetilen preko uzengije, čime se izbegava mogućnost zamene tj. Greške, kod kiseonika manometri su do 300 bara (pritisak u boci), odnosno 16 bara (radni pritisak), a kod acetilena do 40 bara, odnosno 2,5 bara. Po pravilu redukcione ventile treba skidati sa boca nakon završetka rada i odmah dovesti vreteno u donji položaj. Pri radu sa redukcionim ventilom za kiseonik zabranjen je rad masnim rukama zbog mogućnosti eksplozije. Pri upotrebi može da dođe do zaleđenja vlage iz vazduha na redukcionom ventilu ili i u samom ventilu. U tom slučaju odleđivanje se vrši postepeno i to bez primene bilo kakvog sredstva i uz prisustvo za to obučenog lica. Isti problem se može rešiti postavljanjem grejača pre redukcionog ventila i upotrebom redukcionog ventila sa dvostepenom redukcijom pritiska.
a) za kiseonik
b) za acetilen Redukcioni ventili
Pored redukcionog ventila neophodan je i ventil protiv povratnog udara plamena koji može biti: • Suvi ventil, • Vodeni ventil (najčešće se postavlja na razvijače acetilena) Princip rada suvog ventila je sledeći: kroz gumeno crevo dotiče gas u cevni nastavak (2) ventila i otvara nepovratni ventil (4), protiče kroz ventil u unutrašnjost poroznog uloška (5), zatim kroz njegov porozni zid u sredinu uloška, a otuda u nastavak (3) i u gorionik. U slučaju eksplozije povratni udar plamena stiže do komore između zida cevi ventila (1) i uloška (5) i tu se gasi, jer se pri prolasku kroz porozni uložak ohladi ispod temperature paljenja mešavine gasova. Povećani pritisak od eksplozije gotovo trenutno zatvara nepovratni ventil.
Šematski prikaz suvog ventila Radi na principu pritiska gasa pri zavarivanju. Ukoliko dođe do povratnog udara plamena, smer dejstva sagorelih gasova je u pravcu sile opruge i dolazi do zatvaranja protoka gasa, čime se plamen prekida. Postoje i suvi osigurači na principu porozne mase koja propušta hladne gasove u oba smera ali se, u slučaju da dođe do povratnog udara plamena, masa zagreje i zatvori pore, čime se prekida dotok gasa i gasi plamen, a ponovan protok gasova je moguć 19
nakon što se masa ohladi. Broj udara koji mora da izdrži suvi osigurač, posle koga se mora zameniti novim, je propisan važećom tehničkom dokumentacijom i kreće se od 9 do 19 (zavisno od tipa). Vodeni osigurači se postavljaju na cevovode acetilena ili cevovodu razvijača. Na pojedinačnim radnim mestima nisu dozvoljeni za upotrebu. U gorionicima se dobijaju potrebne smeše kiseonika i acetilena, pri čemu se zahteva stabilan plamen određenog oblika i toplotne moći. Osnovni delovi gorionika prikazani su na slici. Koristi se više tipova gorionika koji se dele prema pritisku napajanja (gorionik niskog i visokog pritiska) i prema regulaciji protoka (gorionik stalnog i višestrukog protoka).
Slika .Gorionik - šematski prikaz Prema pritisku napajanja gorionici se dele na osnovu pritiska smeše u mlaznici i pritiska svakog od gasova. Ako je pritisak smeše manji od pritiska gasova onda se radi o gorioniku niskog pritiska, a u slučaju da je pritisak smeše veći od pritiska bar jednog gasa, onda se radi o gorioniku visokog pritiska. Dodatni materijal Dodatni materijali se isporučuju u obliku žica i šipki. U slučaju zavarivanja niskougljeničnih i niskolegiranih čelika dodatni materijal je u obliku šipki dužine 1000 mm ili koturova žice mase 40 kg, standardnih prečnika: 2; 2,5; 3,25; 4; 5; 6,3 mm. Oznaka dodatnog materijala se sastoji iz dva dela: opšteg (slovo P) i dopunskog (slovo O, Z, Y ili cifre od 1 do 6) sa značenjem datim u tab. 1.2-4. Žice su prevučene tankim slojem bakra radi zaštite od korozije. Topitelj se kod zavarivanja koristi u slučajevima kada su prisutni teškotopljivi oksidi koji svojim prisustvom sprečavaju uspešno zavarivanje i oni se dele na kisele i bazične. Tehnologija gasnog zavarivanja Propisivanje tehnologije gasnog zavarivanja uključuje izbor i nagib gorionika, izbor žice za zavarivanje, kao i izbor tehnike i parametara zavarivanja (veličina mlaznice, prečnik žice, brzina zavarivanja, potrošnja acetilena, kiseonika i žice za zavarivanje). Kod gasnog zavarivanja najčešće se koriste nagibi gorionika 60÷80°, sem kod vrlo tankih limova, gde se koriste manji nagibi, 45÷60°. Vrsta i prečnik žice se bira u zavisnosti od osnovnog materijala i njegove debljine. Pri tome treba imati u vidu zahtev da se žica topi optimalnom brzinom, ni prebrzo ni presporo u odnosu na topljenje osnovnog materijala.
20
Uticaj nagiba gorionika na oblik zavara Tehnike zavarivanja U zavisnosti od kretanja gorionika i žice postoje dve tehnike gasnog zavarivanja: unapred i unazad (u smislu međusobnog položaja žice i gorionika). Ove dve tehnike se zovu još i ulevo i udesno, što je odgovarajući naziv samo ako se gorionik drži u desnoj ruci. Tehnika zavarivanja unapred se sastoji u sledećem: • Plamen je usmeren prema ivicama osnovnog metala (žleba). • Žica se drži ispred plamena, njen vrh je blizu mesta zavarivanja, povremeno se uranja u metalnu kupku i treba da bude u zaštiti plamena. • Način vođenje i nagibi žice i gorionika zavise od položaja zavarivanja i debljine osnovnog metala. U slučaju sučeonog ″I″ spoja na tankom limu (do 3 mm), žica se vodi bez poprečnih oscilacija, a gorionik od jednog do drugog kraja žleba, poprečnim (″cik-cak″) ili kružnim kretanjem, dok su im nagibi oko 45°. Tehnika zavarivanja unazad se sastoji u sledećem, sl. 2.10b: • Plamen je usmeren prema metalnoj kupki i ravnomerno zagreva i topi osnovni i dodatni materijal. • Žica se drži iza plamena, i nalazi se između osnovnog materijala i gorionika. Vrh žice je neprestano uronjen u rastop, pomera se u krug, i stalno meša rastop. • Način vođenje i nagibi žice i gorionika takođe zavise od položaja zavarivanja i debljine osnovnog metala. U slučaju sučeonog V spoja na limu debljine preko 3 mm, žica je nagnuta pod 45° i pomera se ukrug od ivice do ivice žleba, a gorionik je nagnut 45-70°, zavisno od debljine, i kreće se pravolinijski. Zavarivanje unapred je jednostavnije za rad, regulacija metalne kupke je lakša i dobijaju se lepi i glatki zavari, dok je kod zavarivanja unazad bolje iskorišćenje toplote i bolja zaštita metalne kupke.Pprimena tehnike zavarivanja unapred ograničena na debljine do 5 mm, a za veće debljine se koristi tehnike zavarivanja unazad, jer njene prednosti tada dolaze do izražaja.
21
a) unapred b) unazad Gasno zavarivanje Parametri gasnog zavarivanja čeličnih limova Debljin Veličin Prečni Vreme Brzina Potrošnja Potrošnj Potrošnj a lima a k žice zavarivanj zavarivanj acetilena a a žice mlaznic a a kiseonik e a [mm] [-] [mm] [min] [m/h] [l] [l] [g] Horizontalni sučeoni spoj - tehnika zavarivanja unapred 1 1 2 5 12 8,5 10 20 2 2 3 10 6 35 42 50 3 3 3 15 4 75 90 90 Horizontalni ugaoni spoj - tehnika zavarivanja unapred 1 1 2 6 10 12 14 25 2 2 3 10 6 42 50 48 4 3 4 20 3 160 210 200 6 4 4 30 2 375 450 440 10 6 5 50 1,2 1000 1200 1100 Horizontalni sučeoni spoj - tehnika zavarivanja unapred- bez dodatnog metala 1,0 1 3 20 5 6 1,5 2 4,30 14 11 13 2,0 2 5 12 18 22 Horizontalni sučeoni spoj - tehnika zavarivanja unazad 5 4 3 20 3 165 198 206 6 4 3 24 2,5 240 288 290 8 5 4 32 1,85 486 580 580 10 6 5 40 1,5 665 800 800 15 7 6 60 1,0 1500 1800 1800
22
GASO REZAJE Gasno rezanje je postupak razdvajanja metala njegovim sagorevanjem u struji kiseonika, uz istovremeno oduvavanje produkata sagorevanja (troske). Da bi metal sagorevao treba ga predgrejati do temperature paljenja (početka sagorevanja). Postoje određeni uslovi koji moraju da budu ispunjeni da bi proces rezanja mogao da se odvija: • Temperatura sagorevanja metala treba da bude niža od temperature topljenja. • Temperatura topljenja oksida treba da bude niža od temperature topljenja metala. • Toplota sagorevanja metala treba da bude dovoljna da, zajedno sa toplotom plamena, održava temperaturu sagorevanja.
Šematski prikaz gasnog rezanja Sagorevanje čelika može da se predstavi sledećim hemijskim jednačinama: Fe+0,5O2=FeO+267 kJ 2Fe+1,5O2=Fe2O3+825 kJ 3Fe+2O2=Fe3O4+1120 kJ Oslobođena toplota čini približno 2/3 toplote potrebne za sagorevanje čelika, a 1/3 se dobija sagorevanjem gorivog gasa. Uređaj za gasno rezanje Uređaj za ručno gasno rezanje je praktično isti kao uređaj za zavarivanje, s tim da je gorionik drugačiji. Od ključnog značaja za uspešno rezanje su mlaznice, koje mogu da budu veoma raznovrsne i prilagođene specifičnim zahtevima (mlaznice za različite gorive gasove, za različite debljine, za brzo i sporo rezanje, za posebne uslove). Ručni gorionik snabdeven je sa tri nezavisna ventila, puštanje mlaza za rezanje ipak izaziva poremećaj acetilenskog plamena, pa se njegova krajnja regulacija obavlja posle puštanja mlaza kiseonika.
23
Gorionik za gasno rezanje Standardne mlaznice za rezanje spoljne (broj) 1 2 3 4 unutrašnje (broj) 1-2 3-4 5 6 10 20 3÷10 / 30÷60 / debljina materijala (mm) 0÷200 0÷300 10÷30 60÷100
a)
b)
Mlaznica za rezanje (a) sa više otvora (b) sa jednim prstenastim otvorom
a) b) c) Dodatni alat ("kolica") gorionika za mehanizovano rezanje Pravilan proces rezanja se odvija konstantnom brzinom sa neprekidnim mlazom produkata sagorevanja (oksidi u obliku varnica). Pri tome acetilenski plamen i sagorevanje metala treba da obezbede dovoljno toplote da gornja ivica reza bude stalno na temperaturi paljenja. Osnovni parametri gasnog rezanja su protok i pritisak kiseonika za sagorevanje i brzina rezanja. Navedeni parametri se biraju prema debljini materijala, mada postoji i njihova međuzavisnost. Protok kiseonika za sagorevanje se reguliše prečnikom (brojem) mlaznice, koji se bira na osnovu debljine materijala. 24
Brzina rezanja može da bude ograničena pojavom otklona mlaza produkata sagorevanja na površini reza, koji joj je proporcionalan. Otklon nema bitnijeg uticaja na kvalitet rezanja ako je njegova vrednost u granicama 5-15% debljine materijala, ali kod većih otklona brzina rezanja mora da se smanji.
Otklon mlaza produkata sagorevanja Greške pri gasnom rezanju Usled pogrešno odabranih parametara ili nepridržavanja propisane tehnologije nastaju razne vrste grešaka pri gasnom rezanju. Ove greške mogu da se otklone naknadnom mašinskom obradom. a)
b)
c)
d)
e)
g)
f)
h)
Greške rezanja: a) nedovoljno predgrevanje i brzina rezanja b) predugačak plamen predgrevanja ;c) nedovoljan pritisak kiseonika; d) previsok pritisak kiseonika i mali otvor mlaznice ;e) nedovoljna brzina rezanja; f) prevelika brzina rezanja ;g) promenljiva brzina rezanja;h) loše nastavljanje RUČ*O ELEKTROLUČ*O ZAVARIVA*JE OBLOŽE*OM ELEKTRODOM Kod ručnog elektrolučnog zavarivanja obloženom elektrodom, osnovni i dodatni materijal se topi usled dejstva električnog luka. Električni luk se uspostavlja i održava između osnovnog i dodatnog metala.
25
Šema elektrolučnog zavarivanja obloženom elektrodom Zavarivanje počinje kada se električni luk uspostavi između vrha elektrode i osnovnog metala. Dejstvom toplote električnog luka tope se ivice osnovnog metala i vrh elektrode, na kome se obrazuju kapljice koje se velikom brzinom prenose u metalnu kupku. Zavarivač istovremeno pokreće određenom brzinom elektrodu u pravcu zavarivanja, održavajući električni luk potrebne dužine. Za održavanje električnog luka neophodnan je dovoljno jak izvor struje, kao i odgovarajuće rastojanje između vrha elektrode i osnovnog materijala. Osnovna uloga obloge elektrode je: - zaštita zone zavarivanja od okolnog kiseonika, azota i vodonika; - stabilizacija i jonizacija električnog luka; - usporavanje hlađenja metala šava; - prečišćavanje i legiranje metala šava; - omogućavanje zavarivanja u prinudnim položajima. Troska, obrazovana od očvrslih delova rastopljene obloge prekriva metal šava i usporava njegovo hlađenje, jer ima znatno manju toplotnu provodnost. Posle zavarivanja troska se uklanja specijalnim čekićem. Pre nanošenja narednog sloja neophodno je da se troska potpuno ukloni ako se troska nebi zadržala i samim tim prekrila narednim slojem, što bi uslovilo zarobljavanje troske unutar metala šava. Uloga obloge u omogućavanju prinudnih položaja zavarivanja (npr. nadglavni) se ostvaruje povećanjem njene viskoznosti, što se postiže prvenstveno dodavanjem baznih i celuloznih sastojaka. Prema sastavu obloga je u metalurškom smislu kisela, bazna, celulozna i rutilna, a u novoije vreme se često koriste mešavite obloge kao što su rutilno-kisela, rutilno-bazna i rutilno-celulozna. Osim navedenih postoje i specijalne vrste obloge. Označavanje elektroda Da bi se olakšala identifikacija elektroda uvedeno je standardizovano označavanje, i to posebno za pojedine vrste konstukcionih materijala. Osim navedenih materijala, postoje i elektrode za zavarivanje drugih metala, koje zasad nisu standardizovane. Sem standardne oznake elektroda treba imati u vidu i oznake proizvođača npr. PIVA 150 B za debelo obloženu
26
baznu elektrodu, namenjenu zavarivanju ugljeničnih i niskolegiranih čelika čvrstoće do 510 MPa i sitnozrnih čelika napona tečenja do 380 MPa. Tabela 2. Standardi za obložene elektrode Oznaka JUS JUS C.H3.011 JUS C.H3.015 JUS C.H3.017 JUS C.H3.016 JUS C.H3.019
Oznaka EN EN 499 prEN 1599 prEN 1600
prEN 757
Namena niskougljenični i niskolegirani čelici i čelični liv čelici otporni na puzanje nerđajući i visokolegirani čelici livena gvožđa (sivi liv, nodularni liv i temper liv) navarivanje čelika mikrolegirani čelici povišene čvrstoće
Za E postupak koriste se obe vrste struje, jednosmerna i naizmenična, pri čemu izbor prvenstveno zavisi od vrste obloge i obično je preporučen od strane proizvođača elektrode. Izbor vrste struje prvenstveno zavisi od vrste elektrode i vrste zavarenog spoja (obično proizvođač propisuje vrstu struje, položaj zavarivanja) . Za NS koriste se transformatori, dok se za JS koriste ispravljači (uz transformator) ili pretvarači (motro-generator). Ako je potrebno imati obe vrste struje na raspolaganja, koriste se jednofazni transformatori-ispravljači ili alternator-ispravljač, a u novije vreme sve češće se koriste invertori zbog male mase. Čeljusti držača elektrode, koje su u dirketnom kontaktu sa elektrodom, moraju da budu u dobrom stanju i ne smeju da prave veći otpor struji da se ne bi pregrevale. Kablovi moraju da budu što savitljiviji, posebno onaj koji povezuje držač elektrode sa izvorom struje. Osim toga, kablovi treba da budu otporni na habanje i abrazij. Tehnologija zavarivanja Rešenje sa najmanjom masom šava je po pravilu i rešenje sa najmanjom deformacijom zavarenog spoja, jer se unosi najmanje toplote. Prečnik i vrste obloge elektroda se biraju prema osnovnom metalu i specifičnim zahtevima konkretnog problema zavarivanja. Prečnici elektroda su standardizovani prema sledećem nizu: 2; 2,5; 3,25; 4; 5; 6; 8 i 10 mm, a biraju se tako da se uzima najveći prečnik koji veličina žleba dozvoljava. U slučaju višeprolaznog zavarivanja, za koren šava se koriste elektrode prečnika 2,5÷4 mm, a za popunu žleba se koriste elektrode većeg prečnika, zavisno od debljine osnovnog materijala. Za prinudne položaje se uglavnom biraju elektrode sa tankom oblogom ili oblogom srednje debljine, a da bi se sprečilo curenje tečnog metala šava koriste se rutilne ili celulozne obloge. Pri izboru parametara treba imati u vidu prvenstveno vrstu, polaritet, jačinu i napon struje, dužinu električog luka, ugao nagiba i pravac kretanja elektrode i brzinu zavarivanja. Vrsta struje se bira u zavisnosti od vrste obloge elektrode. Za kisele, rutilne i oksidne obloge najčešće mogu da se koriste naizmenična ili jednosmerna struja direktne polarnosti (JSDP), dok se kod baznih, po pravilu, koristi jednosmerna struja indirektne polarnosti (JSIP). Zavisnost oblika šava od vrste struje prikazana je na, gde se vidi da je dubina uvarivanja najveća za JSIP, a najmanja za JSDP, uticaj na nadvišenje je obrnut, a na širinu šava zanemarljiv. Pogrešan izbor vrste i polariteta struje dovodi do grešaka tipa poroznosti, nestabilnog električnog luka i većeg razbrizgavanja dodatnog metala tokom zavarivanja.
27
JSIP
NS
JSDP
Zavisnost oblika šava od vrste i polariteta struje Jačina struje značajno utiče na oblik šava i mehaničke osobine spoja. Pri povećanju jačine struje nadvišenje i dubina uvarivanja se povećavaju, dok je širina šava praktično nepromenjena. Iz=(20÷25)⋅de, de<4 mm; Iz=(35÷50)⋅de, de=4÷ 5 mm; Iz=(15+6⋅de)⋅de, de>5 mm gde je de prečnik elektrode (mm), a Iz jačina struje (A). Pri zavarivanju u prinudnim položajima jačina struje se smanjuje do 20%, dok se za visokoproduktivne elektrode koristi jača struja.
→ I Zavisnost oblika šava od jačine struje Povećanjem prečnika elektrode povećava se odvođenje toplote i smanjuje gustina struje, što sužava šav i smanjuje dubinu uvarivanja.
→ de Zavisnost oblika šava od prečnika elektrode
→ v Uticaj brzine zavarivanja na oblik šava Napon luka ima mali uticaj na oblik šava, posebno ako se ima u vidu mali raspon promene kod E postupka, 22-32 V. Povećanjem napona luka povećava se širina šava, a promene dubine uvarivanja i nadvišenja su neznatne. Povećanjem dužine luka povećava se širina šava, a dubina uvarivanja i nadvišenje smanjuju. Optimalnu dužinu luka: l=(0,9÷1,1)⋅de (sučeoni spojevi ugljeničnih i niskolegiranih čelika) l=(0,8÷0,9)⋅de (ugaoni spojevi ugljeničnih i niskolegiranih čelika) l=(0,8÷0,9)⋅de (sučeoni spojevi visokolegiranih čelika) l=(0,7÷0,8)⋅de (ugaoni spojevi visokolegiranih čelika) Treba imati u vidu i uticaj vrste obloge na izbor dužine luka. Kod kiselih i rutilnih obloga preporučuje se dužina približno jednaka prečniku elektrode, a kod baznih obloga i kod elektroda od obojenih metala preporučuje se dvostruko manja dužina, uglavnom radi bolje zaštite metalne kupke. 28
Zavisnost oblika šava od dužine luka Nagib elektrode u ravni upravnoj na ravan predmeta koji se zavaruju utiče prvenstveno na dubinu uvarivanja, a u manjoj meri na širinu i nadvišenje šava.
Uticaj nagiba elektrode na oblik šava Tehnika zavarivanja Uspostavljanje električnog luka je osim dodirom i odmicanjem, moguće i povlačenjem vrha elektrode, uz prelazak na potrebno rastojanje. Drugi način ima prednost, jer se luk uspostavlja bez oštećenja obloge, a dužina luka se reguliše povećanjem, a ne njegovim smanjenjem, što je daleko lakše.
a)
b)
Uspostavljanje luka (a) primicanje-odmicanje (b) povlačenje Prekidanje električnog luka je najbolje izvesti povlačenjem elektrode unazad na očvrslu trosku i udaljavanjem nakon toga. Pri direktnom podizanju elektrode može da nastane greška u šavu tipa poroznosti.
a)
b)
Prekidanje električnog luka a) nepravilno; b) pravilno
a) koreni zavar
b) zavar popune 29
Nastavljanje zavarivanja Često se kod izvođenja E postupka koristi tzv. njihanje elektrode, tj. popunjavanje žleba njenim poprečnim kretanjem (a ne samo podužnim).
Prikaz osnovnih načina njihanja elektrode Jačina struje se bira u zavisnosti od prečnika elektrode, a napon luka u zavisnosti od jačine struje. Jačina struje i napon luka de (mm) 2 Iz (A) 60 U (V) 22
2,5 75 23
3,2 115 25
4 160 27
5 230 29
6 300 32
Broj prolaza za sučeoni i ugaoni spoj δ (mm) 2-5 5-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-17 17-18 18-19 19-20 sučeoni 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ugaoni 1 1 2 2 3 3 4 5 6 6 Ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom može da se primenjuje za spajanje velikog broja uobičajenih materijala, kao što su ugljenični, niskolegirani i visokolegirani čelici, livena gvožđa, bakar, nikl, aluminijum i njihove legure. Takođe je moguće spajanje materijala različitih po hemijskom sastavu, ali metalurški kompatibilnih. Ovaj postupak se ne primenjuje na materijale kod kojih je zaštita gasnim produktima obloge nedovoljna, kao što su reaktivni (Ti, Zr) and refrakcioni (Cb, Ta, Mo) metali. Proizvodnja obloženih elektrode Ovi materijali se sastoje od mnogih minerala, ruda, hemijskih supstanci i metalnih elemenata koji su pažljivo kontrolisani sa stanovišta količina, hemijskih i fizičkih svojstava. Ovi materijali se izrađuju prema veoma strogim standardima. Obložene elektrode se sastoje iz metalnog jezgra(1) cilindričnog oblika i obloge (2) čiji hemiski sastav zavisi od traženih osobina materijala šava. Metalno jezgro predstavlja hladno vučenu žicu. Zbog uticaja ugljenika na smanjenje plastičnosti i na obrazovanje prslina u šavu, njegov sadržaj u jezgru elektrode je ograničen.
30
Obloga elektrode predstavlja mehaničku smešu organskih i mineralnih materija. Obloga može biti tanka, srednja i debela. Uloga obloge elektrode je višestruka i ima za cilj da: •
Obrazovanje troske koja štiti rastopljeni metalod štetnog uticaja vazduha, usporava hlađenje metala šava i učestvuje u metalurškim procesima izdvajajući iz rastopa kiseonik, azot, sumpor i fosfor.
•
Dezoksidacija i legiranje rastopa preko posebnih elemenata koji imaju veliki afinitet prema kiseoniku koji isplivavaju na površinu rastopa i prelaze u trosku. Legiranje se vrši radi dobijanja boljih mehaničkih osobina materijala šava.
•
Jonizacija vazdušnog prostora između osnovnog i dodatnog materijala. Pošto vazduh ima visok potencijal jonizacije, u oblogu se stavljaju elementi koji imaju nizak potencijal jonizacije kako bi se povećala stabilnost električnog luka.
•
Obrazovanje zaštitne atmosfere koji štiti rastopljeni metal od štetnih gasova pre svega kiseonika i azota iz okolne sredine.
Elektrode se prozvode po šaržama tako da se maksimalna kontrola mora praktično sprovesti pri obezbeđivanju mešavine obloge. Sve šarže se mešaju prema propisanoj recepturi. Standardi po pravilu ne postavljaju ograničenja proizvođaču u pogledu materijala koji će koristiti u oblozi, već samo propisuju položaje zavarivanja, električne karakteristike i mehaniča svojstva dobijenog metala šava. Ovo pruža industrijskim proizvođačima elektroda odrešene ruke da razvijaju nove pristupe za izradu obloga elektroda. Klasifikacija obloga elektroda Pored ovih elektroda postoje i spesijalne ekektrode ka ošto su elektrode sa dubokim prodiranjem (uvarom) i elektrode sa visokim stepenom iskorišćenja. Nanošenje obloge na jezgro elektrode se vrši na dva načina umakanjem metalnog jezgra u oblogu (tanke elektrode) i u posebnim presama (debele elektrode). Dodatni materijali za zavarivanje su metalni materijali čijim topljenjem se ispunjava žljeb šava, vrši mešanje sa istopljenim osnovnim metalom i čijim očvršćavanjem se formira odgovarajući šav. Ukoliko dodatni materijal osim topljenja i formiranja šava služi i za provod električne energije i uspostavljanje električnog luka sa osnovnim metalom tada se on naziva elektrodom. U zavisnosti od oblika i strukture, elektrode mogu da budu: - obložene, - neobložene (gole), - punjene, ili - u vidu pune elektrodne žice.
31
Ako dodatni materijal ima samo funkciju topljenja i popunjavanja žljeba pri visokim temperaturama nastalim usled već uspostavljenog električnog luka ili plamena, on se naziva prema svom obliku: - žica, - šipka, - štap, - prah itd. Obložene elektrode se koriste pri ručnom elektrolučnom zavarivanju. One se sastoje od: • Metalnog jezgra (1), • obloge ili plašta (2). Prečnik jezgra elektrode (d) zavisi od debljine šava koji se izvodi i najčešće iznosi: 2, 2,5, 3,2, 4 ili 5 mm, a dužina elektrode ( l ) je uglavnm 200, 300, 350 ili 450 mm. Obložene elektrode Obloga ili plašt je smeša praha mineralnog i metalnog porekla koja je u obliku koncentričnog plašta vezana za jezgro electrode vodenim staklom (so silicijumove kiseline i natrijuma). Ona treba da bude ravnomerna, da dobro prijanja uz jezgro i da se pri normalnom rukovanju ne oštećuje. Obloga se ne postavlja na kraju elektrode koji se povezuje u strujno kolo kako bi se omogućio strujni kontakt. Drugi kraj elektrode je oblikovan tako da omogućava brzo uspostavjanje električnog luka. Debljina obloge se iskazuje preko odnosa prečnika elektrode (D) I prečnika njenog jezgra (d), odnosno parametra f=D/d. U zavisnisti od vrednosti ovog parametra razlikuju se elektrode: - sa tankom (f ≤ 1,2) oblogom, - srednjom (1,2 < f ≤ 1,4) oblogom i - debelom (f > 1,4) oblogom. Obložena elektoda treba da ispunjava sledeće osnovne zahteve: - lako uspostavljanje električnog luka i obezbeđenje njegove stabilnosti tokom topljenja, - lako ponovno uspostavljanje luka pri njegovom prekidu, ravnomerno topljenje jezgra i obloge u toku zavarivanja, - dobro ispunjenje žljeba i formiranje šava, - dobro uvarivanje osnovnog materijala i izvođenje korenog zavara, - dobijanje šava određenog kvaliteta bez grešaka , - zavarivanje u svim položajima, - visoka produktivnost zavarivanja, - lako odvajanje troske sa ohlađenog šava, - lako skladištenje na suvom mestu bez promene osobina, - da ne razvija gasove i isparenja koji su opasni pozdravlje zavarivača i okoline. Obloge elektroda se dele prema hemijskom sastavu troske i metalurškom karakteru. Taj karakter se određuje prema oksidu gvožđa. Postoje sledeći tipovi obloga: Kisele - kiseli materijali su oksidi silicijuma, titana I mangana. Ove elektrode imaju povećanu brzinu topljenja. U nepovoljnim položajima zavarivanja daju šav osetljiv na topple prsline. Koriste se za zavarivanje čelika sa povećanim sadržajem ugljenika i sumpora; Kiselo-rutilne - pored kiselih materijala dodaje se i titandioksid (TiO2) ili rutil. Troska je tečnija pa su povoljnije od kiselih za zavarivanje u nepovoljnim položajima; Rutilne - glavni dodatak je rutil. Ove elektrode daju stabilan luk, dobar izgled šava, nisu osetljive na stvaranje prslina i pogodne su za zavarivanje u nepovoljnim položajima; 32
Bazne - bazni dodaci su oksidi kalcijuma, mangana I aluminijuma, karbonati kalcijuma, magnezijuma i kalijuma i dr. Troska je gusta i lako ispliva na površinu rastopa. Ove electrode daju šav koji nije osetljiv na prsline, mogu da se izvode debeli šavovi i koriste se za zavarivanje u nepovoljnim položajima. Obloga je higroskopna, pa, pre upotrebe, elektrode treba osušiti; Celulozne - one sadrže velike količine organskih materija čijim sagorevanjem se dobija zaštitni gas, a mala količina troske. Jonizacija je dobra i dobija se luk koji omogućava duboko uvarivanje. Pogodne su za zavarivanje u nepovoljnim položajima; Oksidne - dodatak čine oksidi gvožđa i mangana. Koriste se za izvođenje šavova manjih debljina, jer luk daje malu dubinu uvarivanja. Daju najbolji izgled šava. Označavanje obloženih elektroda za ručno elektrolučno zavarivanje je definisano standardom JUS C.H3.011. Označavanje elektroda se vrši prema njihovim mehaničkim karakteristikama. Najvažnije mehaničke karakteristike elektroda za zavarivanje su: 1. čvrstoća na zatezanje (fu), 2. izduženje pri lomu (δ5) i 3. žilavost koja se definiše energijom udara. Elektrodne žice su kontinualne elektrode namenjene za poluautomatske i automatske postupke zavarivanja.One mogu da budu: punjene ili pune. Punjene elekrodne žice su slične obloženim elektrodama. Oblogu čini metalni cilindar ,a jezgro je od metalnog i mineralnog praha. Prave se od hladno valjane trake čiji kvalitet odgovara osnovnom materijalu, koja se savija poprečno i ispunjava prahom pre zatvaranja. Uobičajeni prečniči su: 1,2; 1,6; 2,4; 3,2; 4 i 5 mm. Pune elektrodne žice se izrađuju u obliku hladno vučene ili hladno valjane žice punog poprečnog preseka. Isporučuju se namotane u koturove. Najčešće se koriste za MIG, MAG i EPP postupak zavarivanja. Vrstu hemijskog sastava definiše vrsta osnovnog metala. Žica je presvučena tankim slojem bakra, radi zaštite od korozije. Čuvanje i skladištenje elektroda Elektrode se moraju uskladištiti tako da su zaštićeni od atmosfeskog uticaja, posobno vlage, a takođe mora da bude i osigurano da ne dođe do oštećenja obloge i zamene pojedinih vrsta elektrode. Sušenje elektroda se obavlja u posebnim pećima za sušenje sa mogućnošću regulacije temperature. Sem toga svaki zavarivač bi morao na radnom mestu da ima posebnu priručnu peć-sušionik za održavanje temperature, kako bi se sprečilo vlaženje elektroda za vreme rada. Rutilne i kisele elektrode po pravilu ne treba sušiti, sem u slučajevima primetnih znakova vlažnosti. Tada ih treba sušiti na temperaturi l200C u trajanju 2 časa. Bazične elektode i pored dobrog skladištenja treba u većini slučajeva sušiti, a naročito ako se zavaruju mikrolegirani čelici ili debeli limovi neumirenog čelika. Ove elektrode se suše po pravilu na temperaturi 300 do 3500C u trajanju od najmanje 2 časa. Pri zavarivanju vlažnim elektrodama čuju se male eksplozije i pucketanja, a sa površine može da se primeti isparavanje vlage. Sušenje elektrode rutilnog tipa, u nedostatku drugog načina, može da se obavi i neposredno pre zavarivanja uključivanjem elektrode u kratak spoj.
33
Obložene elektrode vremenom stare, što može da se primeti po malim belim kristalima na oblozi. Ovo je rezultat hemijakih reakcija sastojaka iz obloge. Ovakve elektrode ne smeju da se koriste. ELEKTROLUČO REZAJE
Elektrolučno rezanje se zasniva na topljenju metala i oduvavanju rastopa iz žleba, pomoću kiseonika ili vazduha pod pritiskom. Kako je temperatura luka dovoljna za topljenje svih komercijalnih metala to ovaj postupak ima manje ograničenja od gasnog rezanja u pogledu primenjivosti na različite materijale. Postoji više varijanti elektrolučnog rezanja, a najčešće se koriste grafitne ili šuplje elektrode. Elektrolučno rezanje i žlebljenje šupljom elektrodom kroz koju struji kiseonik (OXYARC postupak) koristi toplotu luka za topljenje metala i kiseonik pod pritiskom za njegovo oduvavanje i delimično sagorevanje. Površina reza međutim nije dovoljno kvalitetna, pa je za odgovornije primene neophodna naknadna mašinska obrada. Elektrolučno rezanje i žlebljenje grafitnom elektrodom (ARC-AIR postupak) koristi toplotu luka za topljenje metala i vazduh koji struji kroz dve rupice na držaču elektrode za njegovo oduvavanje. Kao u prethodnom slučaju postupak je jednostavan i jeftin, ali je kvalitet površine rezanja loš. Osnovnu primenu ovaj postupak ima za žlebljenje u slučajevima kada uobičajene tehnike ne mogu da se primene.
Izrada U žleba ARC-AIR postupkom
a)
c)
d)
b) Žlebljenje ARC-AIR postupkom u različitim položajima: a) vertikalni; b) nadglavni; c) horizontalni; d) horizontalno vertikalni
34
ELEKTROLUČO ZAVARIVAJE TOPLJIVOM ELEKTRODOM ŽICOM I PUJEOM ŽICOM U ZAŠTITI GASA - MAG/MIG POSTUPAK
Elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodnom žicom u zaštiti gasa je postupak spajanja metala topljenjem i očvršćavanjem dela osnovnog metala i dodatnog metala (elektrodna žica) pri čemu se za zaštitu rastopljenog metala koriste inertni i aktivni gasovi, ili njihove mešavine. U zavisnosti od prime ne zaštitnog gasa razlikujemo: - MIG (Metal Inertni Gas) koji koristi inertni gas kao zaštitu (argon, helijum ili njihove mešavine), - MAG (Metal Activ Gas) koji koristi aktivan gas za zaštitu (ugljen dioksid,azot, vodonik ili njihove mešavine).
Elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodom u zaštiti gasa
Aparat za MIG/MAG postupak zavarivanja
35
Osnovni načini prenosa dodatnog metala su: - prenos u mlazu, - kratkospojeni prenos i - prenos u krupnim kapima. Prenos u mlazu je moguće postići strujom jačine veće od neke granične vrednosti, i to prvenstveno u zaštiti Ar (ili He), jer bi se u zaštiti CO2 dodatni metal rasprskavao. Prenos u mlazu je pogodan za zavarivanje debljih limova, jer koristi velike jačine struje i prečnike elektrode.
Načini prenosa dodatnog metala: a) prenos u mlazu; b) prenos krupnim kapima u dugom luku: b1 - formiranje kapi, b2-ekscentrično potisnuta kap; c) kratkospojeni prenos: c1-formiranje kapi, c2-prenos kapi Kratkospojeni prenos se postiže primenom najmanjih jačina struje i najmanjih prečnika žice. Na ovaj način se dobijaju zavari malog preseka, koji se brzo hlade, što je pogodno za spajanje tankih limova. Prenos u krupnim kapima je po svim karakteristikama između prethodna dva. Ovakav prenos dodatnog metala se javlja prvenstveno pri upotrebi CO2, a jačina struje i napon luka čine "međuoblast" u odnosu na prethodna dva načina prenosa. Najveći uticaj na način prenosa dodatnog metala imaju parametri struje (vrsta i jačina, karakteristika izvora), zaštitni gas, sastav dodatnog materijala i slobodna dužina elektrodne žice. Povećanjem jačine struje prenos dodatnog metala se menja od kratkospojenog do prenosa u mlazu, ali samo sa Ar kao zaštitnim gasom.
a) δ=15mm, I=280A b) δ=40mm, I=280A c) δ=40mm, I=450A d) δ=60mm, I=280A Uticaj jačine struje (I) i slobodne dužine elektrodne žice (δ) na način prenosa U slučaju zaštite Ar, prenos u mlazu može da se postigne dovoljnom jačinom struje, koja zavisi od prečnika elektrodne žice. Uticaj jačine struje je sličan i kod ostalih zaštitnih gasova, ali zavisi i od drugih faktora. Od svih zaštitnih gasova samo Ar, pri dovoljnoj jačini struje, garantuje prenos u mlazu. Helijum, iako inertan kao i Ar, po pravilu daje prenos u krupnim kapima, nezavisno od jačine i vrste struje. S druge strane, He obezbeđuje veću dubinu uvarivanja od Ar, a prenos u mlazu može da se postigne dodavanjem bar 20% Ar, što ujedno znatno smanjuje eksplozivnost He i daje značajnu praktičnu primenu ovakvim mešavinama. Prenos u mlazu je kod MAG postupka moguće postići samo indirektnom polarnošću, i to ako su ispunjeni još neki uslovi (npr. dodatak natrijuma i cezijuma u zaštitnom premazu elektrodne žice). 36
Očigledno je da aktivni gasovi, CO2 i N2, imaju sličan uticaj na prenos dodatnog metala kao He, uz dodatne probleme zbog sila odbijanja koje skreću kap van ose luka, posebno kod direktne polarnosti. Osim ova tri načina prenosa dodatnog metala, sve veću primenu ima impulsni prenos, koji po kvalitetu može da dostigne TIG zavarivanje. Osnovna odlika ovog načina prenosa je mogućnost regulisanja veličine kapi u zavisnosti od učestanosti kapanja. Luk je bez kratkog spoja i ostvaruje se impulsnom strujom iz pomoćnog izvora. Učestanost impulsa, a time i broj kapi u određenom vremenskom periodu, može da se podešava.
Slika 6. Karakteristika struje pulsirajućeg prenosa
ZAŠTITI GASOVI Kao zaštitni gasovi se koriste argon, helijum, ugljen-dioksid, kiseonik, azot, vodonik i njihove mešavine. Najčešće korišćeni zaštitni gasovi, prema EN 439, i njihove mešavine prikazani su u tabeli, zajedno sa podacima o ponašanju, primeni u svojstvima.
Argon je inertan gas, bez boje, mirisa i ukusa. Iako nije otrovan, treba imati u vidu da Ar u zatvorenoj prostoriji može da smanji koncentraciju kiseonika.Argon se proizvodi u četiri kvaliteta, zavisno od čistoće: A (najmanje 99,999% Ar), B (99,99% Ar), C (99,96% Ar) i D (85% Ar). Za zavarivanje se koristi Ar kvaliteta C, a za specijalne slučajeve kvaliteta B. Argon 37
se isporučuje u čeličnim bocama označenim žutom bojom, zapremine 40 l i pritiska do 200 bara, pri čemu u bocu staje 6 Nm3, odnosno 10 kg argona. Boce sa Ar se ne prazne do kraja, već se uvek ostavlja dovoljan natpritisak da se spreči prodiranje vazduha u bocu. Ugljendioksid je gas bez boje i mirisa, kiselkastog ukusa. Do koncentracije 2,5% CO2 nije opasan za udisanje (kraće vreme), ali u većoj koncentraciji ili pri dugotrajnijem dejstvu može da bude štetan. Ugljendioksid se skladišti u čeličnim bocama, označenim tamnosivom bojom, zapremine 40 l i pritiska od 70-100 bara, tako da u svaku bocu staje 15 Nm3, odnosno 30 kg CO2. Standardom su definisana tri kvaliteta CO2: tehnički, čisti i čvrsti (suvi led). U zavarivanju se primenjuje čisti CO2 najmanje koncentracije 99,8%. Elektrodna žica Elektrodne žice se proizvode u koturovima mase 1 - 100 kg u nizu prečnika od 0,8 do 1,6 mm sa korakom 0,4 mm, a izuzetno 2,4 i 3,2 mm, pri čemu se žice manjeg prečnika (do 1,2 mm) obično koriste za prenos krupnim kapima, a žice većeg prečnika (preko 1,2 mm) za prenos u mlazu i impulsni prenos. U industriji motornih vozila se koristi još i žica φ 0,9. U slučaju zavarivanja čelika elektrodna žica treba da ima povećan sadržaj Si i Mn u cilju dezoksidacije metala šava i nadoknade sagorelih elemenata u osnovnom metalu. U cilju sprečavanja nastanka poroznosti u metalu šava i zakaljenja, sadržaj ugljenika je ograničen na 0,12%. Pri izboru dodatnog materijala treba uzeti u obzir hemijski sastav i mehanička svojstva osnovnog materijala, stanje i čistoću osnovnog materijala, položaj zavarivanja i oblik prenosa dodatnog metala. Primer: EN 440 - G46 3M G3Si1 - MIG/MAG žica napona tečenja 460 MPa, (46), prosečna udarna energija 47J na -30°C (3), zavarivanje u zaštiti gasa (M), sa elektrodnom žicom G3Si1. EN 440 - G3Si1 - elektrodna žica hemijskog sastava. Standard propisuje uslove zavarivanja (parametri za φ1.2 mm, redosled nanošenja zavara, temperatura između zavara), i uslove za ispitivanje (zatezanje i udarna žilavost) i hemijski sastav. IZVORI STRUJE I UREĐAJI ZA ZAVARIVAJE Komponente: Izvor struje, Uređaj za dotur (dovod) žice, Električni kablovi i gorionik (pištolj), Komandni sistem za zaštitne gasove, rashladni sistem,opšti komandni sistem (orman). Boca sa zaštitnim gasom.
38
Uređaj za elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodom u zaštiti gasa Pištolj se sastoji od kontaktne vođice, mlaznice za zaštitni gas i elemenata za fiksiranje.Tokom rada, temperatura može da dostigne 700oC (čak i pri kratkotrajnom zavarivanju), usled čega se na gasnoj mlaznici lepi troska. Da bi se to sprečilo, posebno kod većih jačina struje, koriste se pištolji hlađeni vodom.
pistolji za MIG/MAG zavarivanje
. „Spool gun“ gorionik 39
Korištenjem posebne izvedbe gorionika tzv. «spool gun», kod kojeg se pogon nalazi samo u ručki gorionika (kao kod push-pull sustava), ali je i žica na manjem kolutu takoder smještena na rucki gorionika. Kolut sa žicom je prečnika 100mm i može sadržavati najviše do 0,5 kg žice. Iz ovog je vidljivo da se ovaj nacin koristi samo za male prečnike žice i to pretežno za aluminijum (0,6-1,0mm). Ovim načinom postižu se udaljenosti od izvora do 15m bez većih problema, a i paket kablova nije težak. Za elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodnom žicom u zaštiti gasa koriste se izvori struje sa ravnom ili blagopadajućom spoljnom statičkom karakteristikom da bi se iskoristio efekt samoregulacije dužine luka. Naime, ako se dužina luka poveća tako da se karakteristike luka menjaju od 1 do 3, značajno se smanjuje jačina struje, što je na označeno sa I1 do I3. Usled smanjenja jačine struje gotovo trenutno se smanjuje brzina topljenja elektrodne žice, a time i dužina luka. S druge strane, ako se dužina luka smanji (karakteristike luka 3-1), jačina struje raste od I3 do I1, pa se dužina luka povećava. Prema tome dužina luka se vraća na početnu vrednost, što se naziva efektom samoregulacije.
I3
I2
I1
I (A)
Efekt samoregulacije
Za elektrolučno zavarivanje topljivom elektrodom u zaštiti gasa po pravilu se koristi jednosmerna struja indirektne polarnosti jer daje stabilan luk, ravnomeran prenos dodatnog metala (po potrebi prenos u mlazu, čak i pri korišćenju aktivnih zaštitnih gasova) sa malim gubicima usled rasprskavanja i dobre karakteristike spoja u širokom opsegu jačine struje. Direktna polarnost se koristi ukoliko je neophodno dobiti što manje uvarivanje, npr. kod tankih limova, ali se njena primena izbegava zbog smanjene stabilnosti luka. Naizmenična struja se ne koristi zbog značajno smanjene stabilnosti luka. Kod zavarivanja nerđajućih čelika uglavnom se koriste plastični točkići za vođenje, kako nebi došlo do oštećenja žice. Od velikog je značaja i način dovođenja žice , odnosno bolje je vođenje sa više koturova jer je dotur žice ravnomerniji. Tehnologija zavarivanja Osnovni parametri elektrolučnog zavarivanja topljivom elektrodnom žicom u zaštiti gasa su vrsta i jačina struje, napon luka, brzina zavarivanja, prečnik, dužina slobodnog dela i nagib žice za zavarivanje, položaj zavarivanja, vrsta i protok zaštitnog gasa. Slobodni kraj žice mora da bude u određenim granicama jer njegova prevelika dužina uslovljava višak dodatnog metala i nedovoljnu količinu toplote za njegovo topljenje, što daje plitko uvarivanje i nepovoljan oblik šava, a s druge strane, smanjenjem njegove dužine luk postaje nestabilan.
40
vž (m/min)
I(A) Karakteristični položaji Zavisnost brzine dovođenja elektrodne žice vž i slobodnog kraja žice i mlaznice za gas jačine struje I U zavisnosti od jačine struje razlikuju se tri međusobno zavisna položaja slobodnog kraja žice i mlaznice za gas: - slobodni kraj žice manji od odstojanja mlaznice, za jačine struje 50-150 A, sl. a - slobodni kraj žice jednak odstojanja mlaznice, za jačine struje 150-350 A, sl. b - slobodni kraj žice veći od odstojanja mlaznice, za jačine struje iznad 350 A, sl. c.
Karakteristični položaji slobodnog kraja žice i mlaznice za gas
41
Napon luka utiče bitno na kvalitet zavarenog spoja, jer promenom njegove vrednosti može da se utiče na način prenosa dodatnog metala i u manjoj meri na dimenzije šava (na isti način kao kod E postupka). Uticaj brzine zavarivanja je isti kao kod E postupka. Brzina zavarivanja se bira prvenstveno u zavisnosti od jačine struje (proporcionalno njenoj vrednosti, da bi se održala zadana vrednost pogonske energije) i položaja zavarivanja (manja brzina zavarivanja za prinudne položaje, pod uslovom da je i jačina struje manja). Položaj pištolja ima veliki uticaj na oblik šava. Tako npr. nagib elektrodne žice u odnosu na vertikalu bitno menja oblik šava od širokog i plitkog (nagib u smeru zavarivanja, tj. tehnika zavarivanja unapred) do uskog i dubokog (nagib suprotan smeru zavarivanja, tj. tehnika zavarivanja unazad).
Uticaj nagiba pištolja na oblik šava
42
Maksimalna dubina uvarivanja se postiže tehnikom zavarivanja unazad. Osim toga, tehnika zavarivanja unazad daje stabilniji luk, manju poroznost šava i manje rasprskavanje dodatnog metala. S druge strane, rukovanje pištoljem i kontrola metalne kupke su jednostavniji pri zavarivanju unapred, koje stoga ima prednost kod tankih limova i korenih zavara. Prenos dodatnog metala u mlazu i krupnim kapima se po pravilu primenjuju za zavarivanje u horizontalnom položaju, dok se kratkospojeni i pulsirajući prenos koriste u svim položajima. Za zavarivanje u vertikalnom i nadglavnom položaju koriste se žice manjeg prečnika, kao i kratkospojeni ili pulsirajući prenos dodatnog metala, jer se time pojačavaju dejstva elektrodinamičke sile i površinskog napona, što omogućava savladavanje dejstva gravitacije. Od koristi je i primena manje količine unete toplote, da bi metal šava brže očvrsnuo. Kod nagnutih (pretežno horizontalnih) položaja, nagib radnog predmeta u odnosu na horizontalu utiče bitno na oblik šava.
a) nagib nadole
b) ravno
c) nagib nagore
Uticaj nagiba u pretežno horizontalnom položaju zavarivanja na oblik šava Uticaj vrste zaštitnog gasa na oblik šava je dat na. Osim vrste zaštitnih gasova bitan je i uticaj njihovog protoka koji zavisi od vrste spoja, položaja i brzine zavarivanja, oblika i dimenzija žleba, jačine struje i napona luka i prečnika žice. Pri određivanju potrošnje zaštitnog gasa, treba imati u vidu da u slučaju nedovoljne količine okolni gasovi mogu da prodru u metalnu kupku, a u slučaju prevelike količine i brzine strujanja nastaje turbulencija sa istim posledicama.
43
Uticaj vrste zaštitnog gasa na oblik šava Pri zavarivanju u zaštiti gasa treba imati u vidu strujanje okolnog vazduha, koje ne sme da bude takvo da ometa dejstvo zaštitnog gasa. Posebno pri radu na otvorenom potrebno je predvideti dovoljno dobar zaklon od vetra i prinudnog strujanja vazduha. Tehnika zavarivanja Kretanje vrha žice kod poluautomatskog višeprolaznog zavarivanja u horizontalnom položaju je prikazano na sl. 31, tako što je koreni prolaz dat na sl. 31a, prolaz popune na sl. 31b, a pokrivni prolaz na sl. 31c. Pištolj se po pravilu vodi tehikom unazad, nagnut do 25° u odnosu na vertikalu, sem kod tankih limova, kada se koristi tehnika unapred. Zavarivanje u prinudnim položajima se takođe izvodi tehnikom unazad da bi se sprečilo curenje rastopa, naročito kod nadglavnog položaja. Kada se zavarivanje završi i isključi struja, pištolj se drži nad metalnom kupkom još 510 s, da bi se obezbedila zaštita metalu šava. Kod odgovornih konstrukcija luk treba prekinuti na pomoćnoj izlaznoj pločici, a ne na metalu šava. Greške pri MIG/MAG zavarivanju su date u tab.6 i prikazane na sl. 32.
44
spo
Položaj elektrode , brzina zavarivanja-uticaj na šav
45
Kratkospojeni prenos materijala
Parametri zavarivanja za ugljenični i niskolegirani čelik
46
Prenos u mlazu
Parametri zavarivanja za ugljenični i niskolegirani čelik
47
Kratkospojeni prenos nerđajuči čelik
Prenos u mlazu nerđajuči čelik
48
ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE PUNjENOM ELEKTRODNOM ŽICOM Elektrolučno zavarivanje punjenom elektrodnom žicom je isto kao i postupak MIG/MAG, stim što je žica punjema praškom i po pravilu koristi zaštitni gas CO2, ukoliko ne koristi zaštitni gas onda se naziva samozaštitna žica. U sastav praška u svakom slučaju ulaze komponente od kojih nastaje troska koja štiti šav od okoline i usporava njegovo hlađenje, i materije za prečišćavanje metala šava i za stabilizaciju luka.
Šema elektrolučnog zavarivanje punjenom elektrodnom žicom
Karakteristični preseci punjenih žica Punjene žice se proizvode od žice dobijene izvlačenjem (″žice bez šava″), sl.33a ili spajanjem krajeva trake, savijene na različite načine (″šavne žice″), sl.33b-f. Tehnologija proizvodnje žica bez šava koristi metalnu cev koja se puni praškom i postepeno izvlači kroz kalupe da bi se dobio konačni prečnik. Ove žice imaju relativno mali odnos punjenja (količnik mase punjenja i ukupne mase žice), 12-14%, pa im je produktivnost manja. Relativno debeo omotač čini ove žice krutim, što je povoljnije za vođenje žica kroz dugačke kablove. Postoji nekoliko tehnologija za proizvodnju šavnih žica, a sve koriste metalne trake savijene u obliku U - slova, punjene praškom i zatvorene da bi se dobio okrugli poprečni presek. Tri osnovna tipa cevnih omotača šavnih žica su: - Čeoni, kod koga se obloge dodiruju i formiraju spoj koji može da bude zavaren, sl.33b,d,e. - Preklopni, kod koga se cev formira od obloge nejednakog U - oblika tako što jedna ivica preklapa drugu kada se cev zatvori, sl. 33c. - Srcasti, kod koga su obe ivice trake savijene u centar cevi posle punjenja, sl.33f. 49
Čeono zatvorene žice imaju odnos punjenja 18-24%, dok je kod preklopnog i srcastog tipa žice odnos punjenja 30-45%. Punjene elektrodne žice se proizvode u nizu prečnika 1,2 do 5 mm, a najčešće se koriste prečnici 1,2-3,2 mm. Većina nelegiranih i niskolegiranih punjenih žica ima prečnik 1,2 mm. Specifičnosti opreme za elektrolučno zavarivanje punjenim žicama Za zavarivanje punjenim žicama, po pravilu se koristi jednosmerna struja indirektne polarnosti, iz istih razloga kao kod MIG/MAG postupka, a izvor struje može da bude sa strmom ili, češće, blagom karakteristikom. Kada se koristi strma karakteristika, dodavač žice je obično osetljiv na napon luka, tako što registrovanjem promene napona luka koriguje dužinu luka (tzv. naponska regulacija dužine luka). Kako punjene žice mogu lakše da se oštete od punih žica to je važno da se sa punjenim žicama postupa pažljivo i da se sistem za dotur žice prilagodi zavarivanju punjenim žicama. Preporučuje se upotreba mehanizma za dotur žice sa četiri pogonska valjka, umesto sa dva, jer se time omogućava primena manje pritisne sile i smanjuje opasnost od deformacije žice. Osim toga preba voditi računa o profilu pogonskih točkića ('∪' umesto 'V').
ELEKTROLUČO ZAVARIVAJE ETOPLJIVOM ELEKTRODOM U ZAŠTITI IERTOG GASA - TIG POSTUPAK
Elektrolučno zavarivanje netopljivom elektrodom u zaštiti gasa je postupak spajanja metala topljenjem i očvršćavanjem dela osnovnog metala i dodatnog metala (žica za zavarivanje - ako se koristi), pri čemu se kao zaštita koristi inertan gas (aktivni gasovi ne dolaze u obzir jer bi izazvali oksidaciju vrha elektrode).
Šematski prikaz elektrolučnog zavarivanja netopljivom elektrodom Vrste i izvori struje -
jednosmerna struja (JS) i/ili naizmenična struja (NS) JS se koristi za sve osnovne metala, osim za Al, Mg i ostale metale sa tvrdim oksidima za koje se koristi NS 50
-
strmopadajuća statička karakteristika noviji izvori struje: tranzistorski ili tiristorski, omogućavaju zavarivanje u ciklusu (startovanje, pulsiranje jačine struje i zaustavljanje luka) - JS izvori su obično sa trofaznom strujom - uniformno opterećenje električne mreže - NS izvor obično ima i JS - stariji izvori NS sa jednofaznom strujom - nesimetrično opterećenje električne mreže - noviji izvori NS manje mase (manji transformator i induktansa) - sa tranzistorima (invertori), sa dvofaznim priključivanjem i uniformnim opterećenjem električne mreže Kod TIG postupka se najčešće koriste naizmenična struja (NS) i jednosmerna struja direktne polarnosti (JSDP). Uticaj vrste struje na oblik šava izveden TIG postupkom je prikazan na sl. Jednosmerna struja direktne polarnosti daje najuži i najdublji šav. Toplota pri zavarivanju se raspoređuje približno 1/3 na elektrodu, a 2/3 na osnovni materijal. Jonizovane čestice su usmerene od materijala ka elektrodi, a elektroni od elektrode ka osnovnom materijalu, tako da se ne dobija efekt površinskog čišćenja teškotopljivih oksida, kao što je to slučaj kod jednosmerne struje indirektne polarnosti (JSIP). Stoga se jednosmernom strujom direktne polarnosti zavaruju metali kod kojih efekt čišćenja nije potreban (čelici, nikal, bakar i njihove legure). Indirektna polarnost daje najširi i najplići šav. Toplota pri zavarivanju se raspoređuje suprotno prethodnom slučaju, odnosno 2/3 na elektrodu, a 1/3 na osnovni materijal, što je neracionalno i daje nestabilan luk. Iako jednosmerna struja indirektne polarnosti, zahvaljujući kretanju elektrona od osnovnog materijala ka elektrodi, proizvodi efekt površinskog čišćenja teškotopljivih oksida, s obzirom na navedene nedostatke njena praktična primena je beznačajna, a za zavarivanje aluminijuma i njegovih legura se koristi naizmenična struja.
Oblik šava u zavisnosti od vrste struje: JSDP; JSIP; NS Naizmenična struja daje šav širine i dubine izmeđa dva polariteta jednosmerne struje. S obzirom na prirodu naizmenične struje (promena polariteta 50 puta u sekundi) električni luk je nestabilan. Da bi se ova mana naizmenične struje svela na najmanju meru primenjuje se tzv. visokofrekventni (VF) napon, odnosno ugrađuje VF generator. Nedostatak je i tzv. nesimetrija 51
struje, usled poremećaja njene vremenske sinusoide. Radi se o različitim sposobnostima aluminijuma i volframa da emituju elektrone, usled čega se povećava negativna poluperioda na račun pozitivne, jer se više elektrona emituje sa volframove elektrode kada je ona na (-) polu. Da bi se ovo sprečilo, u strujno kolo se uvodi kondenzatorska baterija, vezana redno sa lukom, koja ima zadatak da povećava pozitivne polu-periode, tj. da uspostavlja simetriju talasa. Time se ujedno i povećava efekt čišćenja, što omogućava primenu naizmenične struje za zavarivanje aluminijuma i njegovih legura. Stoga su noviji transformatori za TIG postupak po pravilu snabdeveni i VF generatorom i kondenzatorskom baterijom.
Efekt katodnog čišćenja; •
Asimetrični i simetrični oblik periode NS
Za materijale kao što su Al, Mg, i neke bronze koristi se NS sa sinusoidalnim ili pravougaonim oblikom periode;
*etopljiva elektroda Netopljiva elektroda se pravi od volframa, odnosno legura volframa i torijum, cirkonijum ili lantan oksida. Za ručni TIG postupak postoje četiri vrste elektroda: a) Elektrode od čistog volframa (W) - temperatura topljenja 3410°C, koje se proizvode sinterovanjem praška volframa, čistoće min. 99,5%, jer veći udeo nečistoća prouzrokuje brzo trošenje elektrode. b) Elektrode od volframa sa dodatkom 0,9 do 4,2% oksida torijuma (W-Th), koji omogućava lakše emitovanje elektrona, što obezbeđuje lakše uspostavljanje i održavanje strujnog luka i 52
bolje podnošenje strujnih opterećenja. Osim toga, ovim elektrodama se povećava stabilnost luka na temperaturama, nižim i do 1000°C u odnosu na elektrode od čistog volframa, čime se izbegava delimično rastapanje elektrode i obezbeđuje znatno duži radni vek. Na sl. 5 je prikazana zavisnost gustine struje od temperature za W i W-Th elektrode.
Zavisnost gustine struje od temperature kod W i W-Th elektrode c) Volframove elektrode sa 0,3 do 0,9% cirkonijum oksida. Po svojstvima i ceni ove elektrode su između dve navedene grupe. Primenjuju se samo kod naizmenične struje, odnosno za zavarivanje aluminijuma i lakih legura. d) Volframove elektrode sa 0,9 do 1,2% lantan oksida. Koriste se za plazma zavarivanje, jer imaju duži vek od ostalih varijanti. Kodifikacija pre hemijskom sastavu a. prvo slovo = simbol glavne komponente b. drugo slovo = početno slovo oksida + broj = sadržaj oksida x 10 ♦ Uslovi isporuke - prečnici : 0.5; 1.0; 1.6; 2; 2.5; 3.2; 4; 5; 6; 8; 10 - dužine: 50; 75; 100 - 175 - pravolinijske (strogo) - kvalitet (bez prslina, delaminacija, pora, uključaka)
53
ETOPLJIVE ELEKTRODE Materijal
(dodaci -
%)
Simb
Boja
Primedbe
ol Volfram
< 0.2
WP a
0.3-0.5 Volfram ThO2 sa torijum 0.8-1.2 10 oksidom ThO2 1.7-2.2 20 ThO2 2.8-3.2 30 ThO2 3.8-4.2 40 ThO2 Volfram sa cirkonijum 0.15-0.5 oksidom ZrO2 0.7-0.9 ZrO2 Volfram sa lantan 0.9-1.2 oksidom LaO2 10
WT4 WT WT
a
WT
časta
WT
džasta
Malo ispravljanje i dobra Zelen stabilnost kod NS. Problemi pri startovanju kod JS. Plava Povećanjem sadržaja ThO2 Žuta povećava se vek, dozvoljena Crven jačina struje i popravlja startovanje. Ljubi Th je radioaktivan! Naran
WZ 4 WZ 8 a
Smanjeni uključci volframa Smeđ u metalu šava (koristi se za nuklearne posude). Bela
WL
Crna
Duži vek od WT elektroda (za plazma zavarivanje)
Ne samo vrsta materijala, već i oblik vrha elektrode bitno utiče na stabilnost luka i dubinu uvarivanja. Postoje dva osnovna oblika vrha elektrode: konusni i sferni. U prvom slučaju gustina struje je znatno veća, pa je strujni luk koncentrisan. U drugom slučaju jačina struje je mala, luk nije koncentrisan, pa se dobija znatno manja dubina uvarivanja, a veća širina šava. Konusni oblik se koristi sa JS, a sferni sa NS.
Slika zavarivanje aluminijuma TIG postupkom
54
a) b) Uticaj oblika vrha elektrode na oblik šava
Dodatni metal - žice za zavarivanje Žice za zavarivanje čelika su po pravilu oblika šipki dužine 1000 mm, prečnika 0,8 do 4 mm. U tab. su dati podaci o nekim žicama za zavarivanje nerđajućih visokolegiranih čelika. Žica za zavarivanje nerđajućih visokolegiranih čelika oznaka hemijski sastav (%) osnovni PIVA C Si Mn Cr Ni Nb Mo materijal TIG 19/9 Nb 0,040,3-0,6 1,5-1,9 19,09,5-10,5 0,4-0,8 Č4571-2, Č4580 0,07 20,5 TIG 19/12/3 Nb 0,040,3-0,6 1,5-2,0 18,511,50,4-0,8 2,0-2,6 Č4573-4, Č4583 0,07 19,5 12,5 TIG 25/20 0,080,5-0,7 1,7-1,9 24,520,0Č4578 0,12 25,5 21,0 TIG 18/8/6 0,050,2-0,5 6,5-7,5 18,58,0-9,0 visokolegirani č. 0,10 19,5 Primer označavanja je: Žica 2,0 S.AlMg3.20 JUS C.H3.061 za vučenu žicu prečnika 2 mm, izrađenu od legure AlMg3. Šipke za zavarivanje aluminijuma i aluminijumskih legura moraju da budu obojene na jednom kraju, sa čela, jednom ili dvema bojama. Primena žica i šipki za zavarivanje aluminijuma i aluminijumskih legura je takođe data u tab.
55
Žice i šipke za zavarivanje aluminijuma i aluminijumskih legura oznaka boja sastav - standard primena (osnovni materijal) S.Al99,8 plava-smeđa JUS C.C2.100 Al99,8; Al99,7 S.Al99,5 plava JUS C.C2.100 Al99,5; Al99; AlMn1 S.AlMn1 ljubičasta JUS C.C2.100 AlMn1 S.AlMg3 zelena JUS C.C2.100 AlMg2; AlMg3; AlMg5 S.AlMg5 zelena-smeđa JUS C.C2.100 AlMg3; AlMg5 S.AlSi12 smeđa JUS C.C2.100 Al-Si legure sa Si>8%
Zaštitni gasovi i mlaznica Za zaštitu metalne kupke koriste se po pravilu inertni gasovi, argon ili helijum, a ponekad i vodonik ili azot. Osnovne prednosti argona u odnosu na helijum su: veća jonizaciona energija, što omogućava lakše uspostavljanje i održavanje električnog luka, manji gradijent napona (6 V) u strujnom luku, što obezbeđuje neznatnu promenu napona pri promeni dužine luka, izraženiji efekat čišćenja oksida, manja osetljivost na strujanje okolnog vazduha, niža cena i sigurniji rad. Prednost helijuma je veća toplotna moć luka, što je bitno kod zavarivanja metala velike toplotne provodnosti, posebno kod većih debljina. Dodatni problem kod primene helijuma je njegova mala gustina (nekoliko puta manja od vazduha, dok je gustina argona veća od gustine vazduha), pa je za održavanje zaštitnog omotača potreban dva do tri puta veći protok gasa. Stoga se u praksi najviše primenjuje argon, a sreću se i mešavine argona sa helijumom (veće debljine i/ili materijali veće toplotne provodnosti) ili sa vodonikom (nerđajući čelik). Osim vrste zaštitnog gasa, i oblik mlaznice ima veliki uticaj na efikasnost zaštite. Koriste se tri osnovna oblika mlaznice: konusni, cilindrični i profilisani. Najbolja zaštita se postiže profilisanim mlaznicama. Na efikasnost zaštite utiče i dovod gasa do mlaznice, koji se izvodi sa odbojnikom ili bez njega. Kao što se vidi, odbojnik vrlo povoljno utiče na širinu zaštitne zone, odnosno efikasnost zaštite. Zaštitni gasovi i njihova primena prema E439 nelegirani ili nerđajući čelici Gas niskolegirani čelici l Ar X X Ar + H2 X He He-Ar (25-75) He-Ar (50-50) zaštita korenog Forming gas Forming gas prolaza - Ar/He Ar/He-Ar r
u
i
OM osetljiv na gasove X X X X Ar He
r
56
. Uticaji zaštitnih gasova na parametre zavarivanja Gas Uspo Stabi stavljanje lnost luka a šava luka Ar 3 3 Ar/He 3 3 He 1 1 He/Ar 2 2 (25/75) 1 1 He/Ar (50/50) 1 - mali uticaj; 2 - srednji uticaj; 3 - veliki uticaj
a. konusna Slika 8. Konstruktivni oblici mlaznica
širin
3 2 1 3 2
b. cilindrična
Dubin a uvarivanja 2 2 3 2 3
Brzi na zavarivanja 2 3 3 3 3
c. profilisana
Uticaj dovoda gasa do izlaza iz mlaznice na širinu zaštitne zone Uređaj za zavarivanje Uređaj za zavarivanje TIG postupkom je prikazan na sl; njegovi osnovni elementi su: izvor struje, boca (ili boce) za zaštitni gas, sa odgovarajućim ventilima, gorionik sa netopljivom elektrodom, paket creva za dovod argona, rashladnu vodu i električni kablovi. Izvor struje je po pravilu strmopadajuće statičke karakteristika, kao kod E postupka, da bi slučajna promena dužine luka što manje uticala na jačinu struje. Ako se napaja naizmeničnom strujom, uređaj treba da proizvodi simetrične, odnosno uravnotežene talase struje. Pištolj za zavarivanje treba da ima dovoljan strujni kapacitet da se ne bi pregrevao, a po pravilu se hladi, vazduhom ili vodom. Sastavni deo pištolja je mlaznica, čiji oblik bitno utiče na efikasnost zaštite. Mlaznica treba da ima takav oblik da isticanje zaštitnog gasa bude bez turbulencije, a da pri tome bude što udaljenija od mesta zavarivanja, da bi zavarivač imao bolji pregled. Creva za dovod zaštitnog gasa treba da budu od specijalnog plastičnog materijala ukoliko se koristi He, čiji su atomi toliko mali da kroz obično gumeno crevo difunduju u okolinu. 57
Osim navedenog, uređaj za TIG zavarivanje često ima i elemente za regulisanje jačine struje, uspostavljanje luka bez dodira vrha elektrode o radni komad, automatsko otvaranje i zatvaranje protoka argona i rashladne vode, VF generator i kondenzatorsku bateriju, a u slučaju TIG zavarivanja sa zagrejanom žicom postoji i dodatni element za elektrootporno zagrevanje žice.
Uređaj za TIG postupak - osnovni elementi Tehnologija zavarivanja Osnovni parametri zavarivanja TIG postupkom su vrsta i prečnik elektrode, vrsta i prečnik žice, brzina zavarivanja, vrsta i jačina struje, kao i sastav i protok zaštitnog gasa. Uticaj i izbor nekih osnovnih parametara (vrsta elektrode, žice i struje, sastav i protok zaštitnog gasa) je već objašnjen, a uticaj prečnika žice, brzine zavarivanja i jačine struje je praktično isti kao kod drugih elektrolučnih postupaka. Uticaj i izbor prečnika elektrode je usko vezan za materijal od koga je elektroda napravljena, tj. jačinu (gustinu) struje. Zavisnost jačine i vrste struje od vrste i prečnika elektrode prečnik I (A), JSDP I (A), JSIP I (A), NS (simetrična) elektrode, sve sve W elektrode W-Th, W- W-Th mm elektrode elektrode Zr (0,5%) 1,6 70-150 10-20 30-80 60-120 30-120 2,4 150-250 15-30 60-130 100-180 60-180 3,2 250-400 25-40 100-180 160-250 100-250 4,0 400-500 40-55 160-240 200-320 160-320 4,8 500-750 55-80 190-300 290-390 190-390 6,4 750-1000 80-125 250-400 340-525 250-525 skraćenice: JSDP - jednosmerna struja direktne polarnosti, JSIP - jednosmerna struja indirektne polarnosti, NS – naizmenična struja
58
Parametri zavarivanja niskolegiranih čelika TIG postupkom Debljina Prečnik Prečnik Brzina Prečnik komada elek. žice zav.(cm/min) mlaz. (mm) (mm) (mm) (mm) 3,0 25-30 6 3,0 1,6÷2,4 4,0
2,4
3,0-4,0 25
5,0
2,4-3,2
3,0÷4,0 20÷24
6,0
3,2
4,0÷5,0 18-20
8,0
3,2
5,0
10,0
4,0
5,0÷6,0 13
15
Jačina struje (A) 120150 9 140180 11 180250 11 ili 18013 340 13 250340 13-15 260350
Parametri zavarivanja visokolegiranih čelika TIG postupkom Debljina Prečnik Prečnik Jačina Protok Broj struje gasa prolaza komada elektrode žice (mm) (mm) (A) (l/min) (mm) 0,6 1,0 bez 15-25 3 1 1,0 1 1,0÷1,6 1,0÷1,5 25-80 4 2,0 1,6 1 1,5÷2 80-110 4 3,0 2,4 100-150 4 1 2÷3 4,0 2,4 3 120-200 5 1 5 3,2 3-4 200-250 5 1 6 3,2 4 200-250 6 2
Protok argona (l/min) 5 5 5-6 6 7 7
Brzina zavarivanja (cm/min) 30-40 25-30 25-30 25-30 25 25 25
Tehnika zavarivanja
Pošto se luk uspostavi, gorionik se kreće u malim krugovima da bi se obrazovala tečna metalna kupka, uz postepeno naginjanje u odnosu na vertikalu do 15° kod ručnog zavarivanje, dok kod automatskog zavarivanja gorionik po pravilu ostaje u vertikalnom položaju. Zatim se u metalnu kupku dodaje žica pod uglom od 15°. Pre pomeranja gorionika (elektrode) do vodeće ivice metalne kupke, žicu treba udaljiti. Ponavljanjem ovog postupka dobija se neprekidni šav. Luk se najefikasnije prekida isključivanjem struje, jer bi naglo odmicanje elektrode dovelo do oksidacije metala šava.
59
Tehnika ručnog zavarivanja TIG postupkom u prinudnim položajima 60
Sistem zaštite korenog prolaza pri zavarivanju cevi Zavarivanje korena • •
Zahteva posebnu obuku zavarivača. Koren je zona sa najviše potencijalnih grešaka.
AVARIVAJE
(
b 2 , 1 3 , 1
b
Navarivanjem nazivamo izvođenje više zavara, postavljenih jedan uz drugi sa određenim međusobnim preklapanjem,kako bi se dobio kompaktan navaren sloj metala.
)
Slika Navarivanje na ploči To je proces nanošenja površinskog sloja na metalni deo da bi se povećala njegova otpornost prema abraziji, eroziji, udarcima ili nekom drugom obliku habanja. Proces navarivanja je praktično isti kao zavarivanje, s tim da je namena drugačija. Stepen mešanja osnovnog i dodatnog materijala po pravilu treba da bude što manji, jer je uticaj osnovnog metala na tražena svojstva navarenog sloja (prvenstveno tvrdoću) nepovoljan. Da bi se ovaj problem rešio često se koristi navarivanje u više prolaza, od kojih tek u pokrivnom sloju nema uticaja osnovnog metala. Gasno plameno navarivanje ; primenom ovog postupka postize se odnos mesanja do 1 % . Lako se upravlja gorionikom tako da se navar moze naneti na male povrsine . Gorinik poseduje sud u kome se nalazi dodatni materijal u obliku praha . Debljina navarenog sloja iznosi od 0,05 do 3 mm , a brzina polaganja navara 0,5 kg/h. Rucno elektrolucno navarivanje ; ovaj se proces koriti za kabaste i teske delova gde se 61
navarivanje vrsi na terenu odnosno.na mestu gde su ti delovi instalirani. Cena oprema za navarivanje je niska . Odnos mesanja krece se od 10 do 30 % , debljina navara iznad 3 mm .Cesto je u ovom postupku potrebno predgrevanje osnovnog materijala cime se smanjuje tvrdoca ali se izbegavaaju prsline u navaru. TIG navarivanje nudi nekoliko pogodnosti u odnosu na ostale metode: proces moze biti rucni , poluautomatski i automatski . Luk je gladak i tih osloboden troske . Dodatni materijal moze biti zica ili sipka . Medutim TIG navarivanje ima i nedstke : stepen mesanja krece se 2 do 40 % ali obicno 10 % . Argon i Helijum su skupi , a brzina navarivanja je mela . Zbog toga se TIG navarivanje koristi samo za delove malih gabarita . avarivanje pod prahom se u praksi dosta koristi zbog visoke produktivnosti i visokog kvaliteta izvedenih navara . EPP navarivanje najcesce se pimenjuje za navarivanje velikih ciindricnih delova . Navarivanje se izvodi neprekidnim procesom uz obtno kretanje dela koji se navaruje kao glavnog kretanja i translatorno kretanja navarivacke glava duz ose valjka kao pomocnog kretanja . avarivanje plazmom Ovaj postupak je najbolji ako se uzme u obzir odnos mesanja i dubina uvarivanja koji su najmanji u odnosu na sve poznate postupke navarivanja . Dodatni materijal se dovodi slicno kao kod gasno plamenog postupka navarivanja ili se nanosi pre navarivanja , pa se zatim stapa mlazom plazme . Navarivanje se izvodi jednosmernom strujom prave polarnosti . Jednim prolazom se moze naneti navar debljine 0,25 mm i sirine 6 mm . Moguce je postici brzinu navarivanja vecu od 50 cm/min . Nedostaci ovog postupka su : velika cena opreme , vestina navarivaca i teskoce pri radu na terenu . Medutim dva najvaznija postupka navarivanja su elektrolucno punjenom zicom i EPP (vidi text dalje) . Dodatni materijal za navarivanje Najekonomicnije legure za navare otporne na habanje su sa Hromom kao osnovnim legirajucim elementom , pri cemu treba da bude ispunjen uslov : 9 < Cr/C < 22 . Jos veca otpornost na habanje postize se uvodenjem Volframa , Vanadijuma i Bora a na racun smanjenja Hroma . legure za navarivanje su razvrstane u sedam glavnih grupa koje osim hemijskog ukljucuju i neke mehanicke osobine navara (tvrdoca navara ) , kao i metode za nanosenje navara . Glavni kriterijumi pri razmatranju legura za navarivanje po ovoj metodi su : 1. otpornost na abrazivno habanje 2. otpornost na udar - kod udarnih opterecenja biraju se legure sa manjom tvrdocom i povecanom zilavoscu . ( otpornost na abrazivno habanje i udar se medusobno iskljucuju , jer se visoka tvrdoca opstize samo na racun pada zilavosti ) . 3. otpornost na toplotu i koroziju Tesko je utvrditi kako ce se neka legura ponasati u slozenim uslovima rada koji obuhvataju vise vrsta naprezanja . Za pravilan izbor legure i postupka , treba imati puno znanja i iskustva , kao i rezultate odgovarajucih laboratorijskih istrazivanja . Odnos mesanja
62
Odnos mesanja se karakterise kao procentni udeo osnovnog materijala u navaru . Njegovim porastom opadaju korisne osobine navara (tvrdoca , otpornost na habanje i sl .) . Odnos mesanja moze se odrediti iz poprecnog preseka navara nakon navarivanja : D = A2/ (A1+A2 ) gde su : D odnos mesanja 0 < D < 1 ; A2 povrsina uvara A1 povrsina navara
Tako na primer odnos mesanja od 10 % ( D = 0,1 ) znaci da navar sadrzi 10 % osnovnog materijala i 90 % legure za navarivanje . Ponekad se primenom odgovarajuceg medusloja odnos mesanja znatno smanjuje i istovremeno smanjuju nepozeljne posledice koje nastaju zbog razlicitih koeficjenata sirenja osnovnog materijala i legure za navarivanje . Odnos mesanja moze varirati od 1 do 60 % zavisno od izabranog procesa navarivanja , kao i vrste osnovnog materijala i legure za navarivanje . Orjentaciono odnos mesanja kod gasno plamenog navarivanja iznosi 5 % , kod REL , MIG i elektrolucno punjenom zicom 10 do 30 % , a kod EPP 10 d 40 % . Na odnos mesanja se moze uticati variranjem parametara navarivanja : jacina struje , brzina polaganja navara , velicina preklapanja susednih navara . Izbor postupka navarivanja Pri izboru postupka navarivanja treba da se vodi računa o veličini, obliku i masi komada koji se navaruje, osnovnom materijalu, leguri za navarivanje, i posebnim zahtevima navarenog sloja. Veličina, oblik i masa komada koji se navaruje uvek utiču na izbor postupka. Za veoma velike, masivne komade potreban je postupak navarivanja sa mobilnom opremom, što je najčešće E postupak. Suprotno tome, delovi koji mogu lako da se prenesu do opreme za navarivanje i koje je potrebno proizvesti u većim količinama, mogu da se navaruju pomoću mašine ili automatski, što je i najekonomičniji način. Hemijski sastav, temperatura topljenja i plastičnost su osobine osnovnog metala koje najviše utiču na izbor postupka zavarivanja. Sklonost osnovnog materijala prslinama ili oksidaciji na višim temperaturama se isto tako često uzimaju u obzir. Stoga, kada postoji opasnost od prslina u osnovnom metala usled naglog zagrevanja, po pravilu je potrebno predgrevanje. Osobine i kvalitet navarenog sloja zavise najviše od legure koja se koristi. Ostali uticajni faktori su sastav osnovnog metala i primenjen postupak navarivanja. Udeo osnovnog metala u navarenom sloju se menja u zavisnosti od procesa i broja slojeva. Kako udeo osnovnog metala raste, tako se otpornost na habanje smanjuje. Ponekad se, u cilju održavanja sastava, nanosi međusloj između osnovnog metala i legure za navarivanje. Za navarivanje se najviše koriste E, MIG i TIG postupci, a kada je potrebno naneti sloj na što veću površinu primenjuje se EPP ili eksplozivni postupak. Što se tiče oblika dodatnog materijala, za navarivanje se koriste žica, šipka, prah, elektroda ili traka
63
Debljine slojeva - najčešći postupci navarivanja Karakteristike postupka postupak debljina oblik materijala primena uređaja (mm) za nanošenje na terenu E obložena ili punjena najraznovrsnija elektroda gasni da 1 / 0,5÷3 žica (šipka) / prah plazma 1,5 žica ili šipka ne uvek MIG 3 žica da, prenosiv TIG žica ili šipka ne uvek 2÷4 EPP 4 žica ili traka ne eksplozivno traka ili tabla da
brzina nanošenja materijala (kg/h) 1÷7 1 / 0,5 3,5 1÷10 2 30 površina do 30 m2
stepen mešanja
Izbor parametara i tehnika navarivanja topljenje manja brzina veća brzina
Uticaj njihanja na oblik navara
širina zavara Uticaj brzine navarivanja
64
Deformacije pri zavarivanju Zavarivački izvor toplote se u toku zavarivanja neprekidno kreće. To dovodi do neravnomernog zagrevanja i hlađenja elemenata koji se zavaruju. Metal oko šava se suprotstavlja tako nastalim deformacijama što kao rezultat prouzrokuje deformacije zavarenog spoja. Ukoliko su deformacije iznad dozvoljenih granica neophodno je izvršiti ispravljanje takve konetrukcije. Deformacije i naponi koji postoje u telu a nisu izazvane delovanjem spoljnih sila, nazivamo sopstvenim deformacijama. Sopstvene deformacije i napone koji nastaju u toku procesa zavarivanja nazivamo privremenim, dok one koji ostaju u zavarenoj konstrukciji posle njenog hlađenja nazivamo ostatnim. Ostatne deformacije i naponi nastali kao posledica zavarivanja nazivamo primarnim, dok su sekundarne deformacije one deformacije nastale kasnijom obradom (termička obrada,mehanička obrada). Da bi se smanjile deformacije konstrukcija usled zavarivanja preporučuju se tehnike rada kao na sl.
Tehnike rada kod E postupka: a) kratki šavovi- bez prekida; b) šavovi srednje dužine - od sredine prema krajevima; c) šavovi srednje dužine - povratnim korakom; d) šavovi srednje dužine povratnim korakom na preskok; e) dugački šavovi- od sredine prema krajevima sa povratnim korakom
Višeslojlno zavarivanje
65
Pri zavarivanju elemenata velike debljine, popunjavanje žleba slojevima bez prekida nije dozvoljeno, kako zbog nastajanja znatnih deformacija usled zavarivanja, tako i zbog mogućnosti pojave prslina u prvom sloju šava. Naime, prvi sloj šava se suviše ohladi pre izvođenja drugog sloja, pa se svi naponi nastali pri hlađenju koncentrišu u njemu zbog velike razlike između površine poprečnog preseka tog sloja i osnovnog rnaterijala. Da bi se sprečilo stvaranje prslina, pri zavarivanju elemenata velike debijine treba da bude kraći vremenski razmak izmedju izvodjenja susednih slojeva. U tu svrhu se primenjuju postupci izvodjenja višeslojnih šavova.
ČELIK Čelik se definiše kao materijal koji u masenim procentima sadrži najviše gvožđa (Fe) više od bilo kog elementa, gde je sadržaj ugljenika do 2%. Procenat ugljenika definiše razliku između čelika i livenog gvožđa, gde je ta granica 2%. Ispod 2% ju čelik, a iznad 2% je liveno gvožđe. Prema sadržaju ugljenika i čelici se dele na: - niskougljenične do 0,25% C, - srednjeugljenične od 0,25% do 0,6% C, - viskokougljenične preko 0,6% C. Prema nameni ugljenični čelici se dele na: konstrukcione, do 0,6% C, alatne, preko 0,6% C. Prema hemiskom sastavu čelici se dele na - Nelegirane , - Legirane. Nelegirani čelici su čelici gde ni jedan elemet ne dostiže utvrđenu graničnu vrednost. Legirani čelici su čelici gde najmanje jedan element dostiže utvvrđenu graničnu vrednost.
66
Postoje tri klase nelegiranhh čelika: - Nelegirani osnovni čelici, - Nelegirani kvalitetni čelici, - Nelegirani specijalni čelici. Legirani čelici se klasifikuju u dve klase: - Legirani kvallitetni čelici, - Legirani specijalni čelici. OZNAČAVANJE ČELIKA Označavanje čelika se deli na dve osnovne grupe: - Označavanje čelika na osnovu upotrebe i mehaničkih i fizičkih osobina,(dato u prilogu) - Označavanje čelika na osnovu hemiskog sastava.
OZNAČAVANJE ČELIKA NA OSNOVU HEMISKOG SASTAVA *elegirani čelici (osim čelika za obradu na automatima) sa srednjim sadržajem Mn<1% Ovi čelici se obeležavaju na sledeći način: C--Osnovna oznaka C - Oznaka da je reč o ugljeničnim(nelegiranim) čelicima (ispred slova C se može pojaviti slovo G - za slučaj da je reč o livenom čeliku) ---stostruki srednji sadržaj ugljenika (trocifren broj)
P R I M E R: C35 - nelegirani čelik sa 0.35%C *elegirani čelici sa sadržajem mangana ≥1%, nelegirani čelici za obradu na automatima i legirani čelici (osim brzoreznih) kod kojih je sadržaj svakog legirajućeg elementa <5% Ovi čelici se obeležavaju na sledeći način: Osnovna oznaka
_ _ _ a1 a2 a3 n-n-n
67
_ _ _ - stostruki srednji sadržaj ugljenika (trocifren broj) Ispred trocifrenog broja se može pojaviti slovo G - za slučaj da je reč o livenom čeliku a1 a2 a3 - hemijski simboli legirajućih elemenata koji karakterišu čelik i za kojima sledi n-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji sadržaj elemenata u % umnožen sledećim faktorima Element Cr, Co, Mn, Ni,
Faktor 4
Si,W Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta,Ti, V, Zr Ce, N, P S B
10 100 1000
Dodatna oznaka za proizvod od čelika P R I M E R: 28Mn6 - Čelik sa 0.28%C i 1.5%Mn Legirani čelici (osim brzoreznih) kod kojih je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5% X _ _ _ a1 a2 a3 n-n-n Osnovna oznaka X - Oznaka da je u pitanju legirani čelik (osim brzoreznog) kod koga je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5% (Ispred oznake X se može pojaviti slovo G - za slučaj da je reč o livenom čeliku _ _ _ - stostruki srednji sadržaj ugljenika (trocifren broj) a1 a2 a3 - hemijski simboli legirajućih elemenata koji karakterišu čelik i za kojima sledi n-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji sadržaj elemenata u % (zaokruženo na najbliži ceo broj) Dodatna oznaka za proizvod od čelika PRIMER X5CrNi18-10 - Legirani čelik sa 0,05%C (nije brzorezni, kod koga je sadržaj najmanje jednog od legirajućih elementa ≥5%) koji sadrži 18%Cr i 8%Ni.
Brzorezni čelici HSn-n-n Osnovna oznaka HS - Oznaka da je u pitanju brzorezni čelik n-n-n - brojevi razdvojeni crticama koji predstavljaju srednji sadržaj elemenata u % (zaokruženo na najbliži ceo broj)i to prema sledećem rasporedu: W - Mo - V – Co
68
ZAVARIVAJE VISOKOLEGIRAIH ČELIKA Izbor elektrode za zavarivanje visokolegiranih čelika se vrši na osnovu Šeflerovog dijagrama. U Šeflerovom dijagramu su naznačena sledeća područja: 1. Područje feritnih čelika (F) koje karakteriše velika sklonost ka rastu zrna. Zavarivanje može da se izvede takvim dodatnim materijalom da se dobije: • Feritna struktura slična osnovnom materijalu. U ovom slučaju je neophodno predgrevanje osnovnog materijala kao i naknadna termička obrada nakon zavarivanja. • Feritno-austenitna upotrebom hrom nikl i hrom nikl molidben elektroda, ovim načinom se smanjuje sklonost ka porastu zrna. • Austenitna struktura , na ovaj načina se izbegava termička obrada nakon zavarivanja , mada ostaje krupno zrno u ZUT-u. 2. Područje martenzitnih čelika (M). Ovi čelici su skloni hladnim prslinama pa je neophodno predgrevanje osnovnog materijala, a nakon toga termička obrada. Termička obrada se može izbeći upotrebom materijala koji bi dao metal šava austenitnog sastava. 3. Područje austenitnih čelika (A). Kod zavarivanja ovih čelika poseban je problem procenat ferita preko 10%, jer se na taj način obrazuje tvrda i krta faza,ovi čelici su skloni toplim prslinama.
Šeflerov (Schaeffler) dijagram Sa dijagrama se vidi da na osnovu hemiskog sastava osnovnog i dodatnog materijala se vidi u kom području se čelik nalazi na osnovu izraza za ekvivalentni hrom (Crekv.) i na osnovu ekvivalentnog nikla (Niekv.) pri zavarivanju visokolegiranih čelika treba koristiti
69
mešanje osnovnog i dodatnog materijala kako bi se metal šava nalazio u pogodnom području (u zavisnosti od zahteva).
METALA KUPKA Rastopljeni dodatni i osnovni metal čine metalnu kupku, koja se kreće frontalno prateći pokretni izvor toplote. Udeli osnovnog i dodatnog metala u obrazovanju metala šava mogu da se definišu koeficijentom mešanja γ (pod uslovom da su gustine osnovnog i dodatnog metala iste): γ=Som/(Sdm+Som)
gde su Som površina osnovnog metala, a Sdm površina dodatnog metala, koje učestvuju u obrazovanju šava. Udeo osnovnog metala je jednak koeficijentu γ, dok je udeo dodatnog metala 1-γ. Prosečne vrednosti koeficijenta γ za neke elektrolučne postupke zavarivanja su date u tab
Metalna kupka pri zavarivanju
Udeo osnovnog i dodatnog metala
Česta posledica kristalizacije metala šava je i segregacija ugljenika, štetnih i legirajućih elemenata, koja se javlja u tri oblika, kao unutarkristalna, međukristalna i lokalna. Unutarkristalna segregacija nastaje zbog razlike između solidus i likvidus temperatura slično običnoj kristalizaciji.Unutarkristalna segregacija je manje opasna od preostale dve vrste segregacije.
Šema kristalizacije šava
. Međukristalna segregacija dvojnih legura
70
Međukristalna segregacija nastaje usled izdvajanja lakotopljivih eutektikuma po granicama metalnog zrna. Od posebnog značaja u tom pogledu je S koji sa Fe gradi eutektikum čija je temperature topljenja 985°C i koji može da izazove tzv. crveni lom. Lokalna segregacija je posledica nejednovremene kristalizacije perifernih i centralnih oblasti metala šava, pri čemu se zajedno sa preostalim rastopljenim metalom u centralnoj oblast koncentrišu razne štetne primese.
Uticaj oblika šava na pojavu lokalne segregacije Brzina kristalizacije, odnosno hlađenja, bitno utiče na pojavu segregacija, tako što se njenim povećanjem segregacije smanjuju. STRUKTURE PROMEE U ZAVAREOM SPOJU Usled dejstva termičkog ciklusa pri zavarivanju (zagrevanje ili hlađenje) nastaju različite strukturne promene, zavisno od postupka i parametara zavarivanja, kao i od vrste i stanja osnovnog metala. U slučaju niskougljeničnog žarenog čelika mogu da nastanu zona rastopa, zona nepotpunog topljenja, zona pregrevanja, zona normalizacije, zona nepotpune normalizacije i zona osnovnog materijala, a u slučaju hladnovaljanog čelika nastaje još i zona rekristalizacije, Pri zagrevanju podeutektoidnog žarenog čelika uočljivo je sledeće: − zagrevanjem do A1 linije feritno-perlitna struktura i dalje dominira, ali feritno zrno postaje sve krupnije (zona osnovnog materijala); − između A1 i A3 linija struktura se sastoji od krupnozrnog ferita i sitnozrnog austenita (zona nepotpune normalizacije); − iznad A3 linije austenitizacija je završena (zona normalizacije); − oblast koja je najbliža ivicama rastopljenog žleba je zagrejana skoro do solidus (A4) linije, pa je u njoj dominantan krupnozrni austenit (zona pregrevanja); − iznad A4 linije nastaje delimično topljenje po granicama austenitnih zrna (zona nepotpunog topljenja). Pri zagrevanju podeutektoidnog hladnovaljanog čelika, osim navedenih pojava, uočljiva je i rekristalizacija na temperaturama iznad 0,4⋅Tt. − Pri hlađenju podeutektoidnog žarenog čelika nastaju sledeće zone, − zona nepotpunog topljenja, koja nastaje u oblasti između solidus i likvidus linije i odlikuje se usmerenim kristalnim zrnima, u pravcu najbržeg odvođenja toplote; − zona pregrevanja, koja nastaje u oblasti krupnozrnog austenita i ima nehomogenu raspodelu ugljenika, tako da u oblastima siromašnim ugljenikom postoje uslovi za nastanak krupnoigličaste feritne faze (Vidmanštetenova struktura), dok u oblastima bogatim ugljenikom može da nastane martenzit; − zona normalizacije, koja nastaje u oblasti sitnozrnog austenita pod uslovima koji odgovaraju istoimenoj termičkoj obradi; − zona nepotpune normalizacije (delimične prekristalizacije), koja nastaje u oblasti mešovite feritno-austenitne strukture, odlikuje se feritom krupnijeg zrna i perlitom sitnijeg zrna;
71
Strukture u žarenom čeliku pri zagrevanju i hlađenju tokom zavarivanja ZAVARLJIVOST Imajući sve navedeno u vidu zavarljivost može da se definiše kao što je učinjeno u dokumentu Međunarodnog Instituta za Zavarivanje (MIZ): ″Metalni materijal se smatra zavarljivim, ako korišćenjem odgovarajuće tehnike zavarivanja nastaju jedinstveni spojevi, koji ispunjavaju zahteve za lokalnim svojstvima šavova i njihovog uticaja na čvrstoću konstrukcije″. Ovako kompleksna i donekle apstraktna definicija obuhvata sve najvažnije aspekte problema zavarljivosti, ali ne daje direktno mogućnost ocene zavarljivosti. Stoga je logično da ne postoji univerzalno prihvaćeni metod ocene zavarljivosti, već se koriste različite metode, koje mogu da se podele na eksperimentalne i analitičke. U prvu grupu spadaju tzv. probe zavarljivosti, a u drugu grupu iskustvene formule zasnovane na tzv. ″ekvivalentu ugljenika″ (CE). Ekperimentalno ispitivanje pomoću proba zavarljivosti je pokušaj da se u laboratoriji simuliraju realni uslovi zavarivanja, pa nije čudno da postoji veliki broj ovakvih proba koje imaju ograničenu primenu. Ocena zavarljivosti pomoću ekvivalenta ugljenika Iskustvene formule za ocenu zavarljivosti polaze od činjenice da povećanje sadržaja ugljenika i legirajućih elemenata nepovoljno utiče na zavarljivost. Ovaj uticaj je različit za različite grupe čelika, što daje čitav niz formula, kao što su: CE=C+Si/4+Mn/4 – za ugljenične čelike CE=C+Mn/6+Cr/5+Mo/4 – za ugljenične čelike sa Cr i Mo CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(i+Cu)/15 – za niskolegirane čelike
72
Na osnovu eksperimentalnih istraživanja i dugogodišnjeg iskustva CE može da se primeni za ocenu zavarljivosti na sledeći način: - Ako je CE>0,5% mogućnost dobijanja jedinstvenih spojeva, koji ispunjavaju sve predviđene zahteve, veoma je mala i zahteva niz posebnih tehnoloških mera. - Za 0,3%
CEu=CE⋅(1+0,005⋅s)
Nešto komplikovanija metoda je primena pokazatelja prslina, Pc, koji uzima u obzir i količinu vodonika u metalu šava, a odnosi se na niskolegirane poboljšane čelike: Pc=CE+s/600+H/60 gde je H količina vodonika u metalu šava (cm3/100 g metala šava), koja može da se odredi pomoću glicerinske probe (JUS C.H3.018), a CE se određuje prema izrazu: CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(i+Cu)/15 Predgevanje po metodi pokazatelja prslina se preporučuje ako je Pc>0,3, a temperatura predgrevanja može da se odredi izrazom: Tp=1440⋅Pc -392 (°C) Jedan od kriterijuma koji takođe može da pokaže povećanje krtosti zbog strukturnih preobražaja, a time i sklonost ka pojavi hladnih prslina, je veličina tvrdoće u ZUT. Iako ovaj pokazatelj nije jednoznačan kao ekvivalentni ugljenik, smatra se da kod većine konstruktivnih čelika veličina tvrdoće do 350 HV ukazuje da se u strukturi, pri razlaganju austenita, ne javljaju tvrde i krte faze. Kod ugljeničnih i niskolegiranih čelika najveća vrednost tvrdoće u zoni uticaja toplote može da se odredi formulom: HV=90+1050⋅C+47⋅Si+75⋅Mn+30⋅i+31⋅Cr Sklonost ka obrazovanju toplih prslina može da se odredi preko empirijskog koeficijenta HCS (hot cracking sensitivity): HCS =
C [S + P + Si / 25 + i / 100 ]⋅10 3 3 Mn + Cr + Mo +V 73
Ako je HCS<4, tople prsline se ne obrazuju u metal šavu čelika sa Rm<700 MPa, dok je kod čelika povišene čvrstoće (Rm>700 MPa) uslov strožiji, HCS<1,6. Za procenu opasnosti od prslina usled ponovnog zagrevanja može da se koristi parametarski izraz Ita (Ito): P=10⋅V+7⋅b+5⋅Ti+2⋅Mo+Cr+Cu-2 koji treba da bude manji od nule da čelik ne bi bio sklon nastanku prslina. TERMIČKA OBRADA Termička obrada je tehnološki proces koji se sastoji iz zagrevanjametala do odredjene temperature, zadržavanja na toj temperaturi I hladjenja do sobne temperature
Cilj termičke obrade metala i legura jeste da se promene neke njihove mehaničke i fizičkohemijske osobine, pre svega faznim i strukturnim promenama u čvrstom stanju; te su promene uglavnom funkcija temperature,vremena. Vrste termičke obrade čelika U postupke obične termičke obrade spadaju: • Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno, • rekristalizaciono, za otklanjanje napona); • Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko); • Otpuštanje (nisko, srednje, visoko). Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi zagrevaju do odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme na tim temperaturama i zatim lagano hlade. Time se postiže uspostavljanje strukturne ravnoteže koja je poremećena nekim prethodnim postupkom termičke ili mehaničke obrade. Posle žarenja se dobija perlitno-feritna, perlitna, ili perlitno-cementitna struktura (zavisno od sastava čelika). Cilj žarenja je da se popravi obradljivost čelika, da se homogenizuje neujednačena struktura, uklone unutrašnji naponi, smanji tvrdoća, poveća plastičnost i žilavost itd. Žarenje se deli na postupke sa faznim promenama: • difuzno, • normalizaciono, • meko i 74
• potpuno žarenje i postupke žarenja bez faznih promena • rekristalizaciono žarenje i • žarenje radi popuštanja napona.
ormalizaciono žarenje (normalizacija) Izvodi se zagrevanjem čelika ili čeličnog liva do temperature oko 30 do 50°C iznad gornje kritične temperature A3 za podeutektoidne, odnosno iznad ACm za nadeutektoidne čelike, zatim progrevanjem pri toj temperaturi i najzad hladjenjem na mirnom vazduhu. Cilj normalizacije je da se dobije ravnomerna i sitnozrnasta struktura. Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci, otkovci I zavareni spojevi od debelih čeličnih delova rdjave zavarljivosti.
Žarenje za otpuštanje napona Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i potonjim još sporijim hladjenjem nego pri zagrevanju. Čelične odlivke i odlivke od livenog gvoždja treba žariti radi otpuštanja napona pri temperaturi 500-600°C Čelični delovi, obradjeni plastičnom deformacijom na hladno žare se radi smanjenja napona na znatno nižim temperaturama (250-300°C ispod temperature rekristalizacije). Ponekad se žarenjem pri temperaturi od 150°C izvodi tzv. stabilizaciono otpuštanje, uglavnom kod mernih i kontrolnih alata, da bi se postigla neophodna dimenziona stabilnost.
75
GREŠKE U ŠAVU I ZO*I UTICAJA TOPLOTE
Zavarivanje je postupak kojim se omogućava kontinuiranje dva ili više elemenata u spoju. Tom prilikom dolazi do metalurških, hemijskih i fizičkih promena u elementima. Kako se radi o vrlo kompleksnom tehnološkom postupku, na koji utiču mnogi faktori, prilikom zavarivanja mogu da nastanu određene greške. Najvažniji elementi koji utiču na pojavu grešaka u šavovima su: 1. vrsta i hemijski sastav materijala koji se zavaruje, 2. vrsta tehnološkog postupka i primenjena oprema, 3. vrsta dodatnog materijala, 4. kvalifikovanost radnika koji izvodi zavarivanje, 5. uslovi pod kojim se izvodi zavarivanje i dr. Greške u šavovima mogu da se svrstaju u dve grupe: ▪ dimenzionalne greške ili greške oblika i ▪ strukturne greške ili greške kompaktnosti. U dimenzionalne greške spadaju:
76
77
78
79
Stepen rizika usled grešaka nastalih pri zavarivanju metalnih konstrukcija zavisi od: vrste greške, vrste naprezanja i karaktera opterećenja. Nisu sve greške podjednako opasne. Ukoliko se pravci grešaka poklapaju sa pravcem toka sila one su manje opasne od grešaka upravnih na tok sila, kao što su na primer podužne i poprečne prsline, neprovaren koren, nedovoljna visina šava i nadvišenje. Sa stanovišta vrste naprezanja najnepovoljnije je zatezanje.U pogledu vrste naprezanja dinamički opterećene konstrukcije su znatno podložnije negativnim uticajima usled grešaka u šavovima. Kod statički napregnutih konstrukcija mnoge greške u šavovima nisu opasne, sem onih koje direkno ugrožavaju nosivost spoja. Dozvoljena odstupanja dimenzija šavova su ograničena propisima za toleranciju mera i oblika kod nosećih čeličnih konstrukcija. Od izvođača zavarivačkih radova se traži izvođenje šavova sa dimenzijama datim u tehničkoj dokumentaciji I to bez smanjenja dimezija šavova. Međunarodni institut za zavarivanje je izvršio klasifikaciju svih grešaka u šavovima i svrstao ih u šest grupa. Osnovne oznake su: - 100 prsline, - 200 poroznost i druge šupljine, - 300 uključci, - 400 nalepljivanje i neprovaren koren, - 500 greške oblika i - 600 ostale greške. Najčešće greške u šavu pri elektrolučnom zavarivanju su: • ugorine (zajedi), • hladne i tople prsline, • neprovar, • krateri, • prokapljine. Uključci troske mogu da nastanu zbog nepotpunog odstranjivanja troske iz predhodnog sloja, širokog poprečnog kretanja-njihanja elektrode,pri čemu troska očvršćava na zidu žljeba,prekomerne količine troske ispred luka, naročito u dubokom žljebu,upotrebe elektrode velikog prečnika. Mere za sprečavanje ove greške su da se troska potpuno odstrani pre nanošenja sledećeg sloja, da se ograniči širina njihanja elektrode, čime se sva troska zadržava u kupatilu, ravnomerna brzina kretanja elektrode, zadržavanje troske iza luka, skraćenje luka, povećanje ugla nagiba elektrode ili veća radna brzina, upotreba elektrode manjeg prečnika. Poroznost. Može da nastane zbog nečistoća u osnovnom materijalu, kao što su sumpor, fosfor, oksidi, masti, vlaga i dr.poroznost takođe može da nastane zbog prekomerne vlažnosti obloge elektrode, neodgovarajuće dužine luka, prejake struje i prevelike brzine zavarivanja. Za sprečavanje poroznosti treba birati osnovni materijal odgovarajućeg hemiskog sastava, očistiti mesto spajanja i odstraniti vlagu iz obloge elektrode, raditi sa odgovarajučom dužinom luka, smanjiti jačinu struje, smanjiti brzinu zavarivanja. Ugorine. Predstavljau smanjenje preseka u obliku olučastog udubljenja na graničnoj liniji šava. Ova greška je naročito opasna ako je šav napregnut upravno na grešku. Obično nastaje zbog velike struje zavarivanja, dugačkog luka i velike brzinezavarivanja. Da bi se sprečilo nastajanje ove greške treba struju prilagoditi prečniku i vrsti elektrode, luk mora biti što kraći a brzina zavarivanja optimalna. Krateri. Predstavljaju mesta na kojima je poprečni presek šava smanjen usled očvršćavanja rastopljenog metala, pošto je luk ranije prekinut. U njima se često javljaju prsline koji su začeci linijskih prslina. One se obično odstranjuju brušenjem, a ulegnuće tj.
80
krater se ispunjava ponovnim zavarivanjem. Za sprečavanje stvaranjakratera povoljno je da se luk prekine povlačenjem unazad, ili zavarivanje povratnim korakom. Neprovar. Nastaje pri nepotpunom topljenju i javlja se između osnovnog i dodatnog materijala (nalepljivanje), ili između slojeva kada se zavaruje sa više prolaza. Nepotpuno topljenje može da se pojavi usled suveše velike brzine zavarivanja, premošćavanjakorena žljeba umesto ispune, upotrebe elektrode većeg prečnika od potrebnog i loše pripreme žljeba. Prokapljine. Se najčešće javljaju pri suviše maloj brzini zavarivanja, pri čemu se rastopljeni metal preliva ispred luka odnosno zavara. Razlog može i biti neodgovarajući ugao vođenja elektrode i korišćenje elektroda koje daju suviše tečan rastop. Neodgovarajućim uglom elektrode stvara sesila koja potiskuje rastopljeni metal napred na nedovoljno zagrejane zidove žljeba. Tople prsline Tople prsline nastaju tokom primarne kristalizacije šava ili pri hlađenju, ali po pravilu iznad 0,5⋅Tt, gde je Tt (K) temperatura topljenja. Tople prsline su međukristalnog tipa, u odnosu na šav mogu da budu poprečne ili podućne, a osim u metalu šava mogu da nastanu i u ZUT. Podućne prsline prate pravac ose šava, prostirući se uglavnom između stubičastih kristala. Mehanizam nastanka toplih prslina uključuje dejstvo zateznih napona, nastalih usled neravnomernog skupljanja i širenja u području metala šava ili ZUT, kod kojih je napon tečenja skoro jednak nuli zbog visoke temperature. Stoga i pri relativno malom zateznom naponu nastaju plastične deformacije, usled kojih moće da dođe do lokalnog loma, tj. toplih prslina, jer čelik u nekim intervalima povišene temperature ima smanjenu sposobnost deformacije, posebno između solidus i likvidus linije.
Slika topla prslina Tople prsline se dele u dve grupe: kristalizacione i podsolidusne (likvacione). Kristalizacione tople prsline, nastaju u temperaturnom intervalu između likvidus i solidus linija, kada u materijalu postoje i čvrsta i tečna faza. Ovaj tip prslina se posebno javlja kod legura sa velikim intervalom očvršćavanja, a kod legura sa malim intervalom očvršćavanja i čistih metala mogu da nastanu samo likvacione prsline.
b) 81
c)
a) Različiti uticaji na sklonost čelika ka nastanku toplih prslina a) sastav čelika; b) oblik šava i sadrćaj C; c) predgrevanje i sadrćaj C Najveći uticaj na nastanak toplih prslina ima hemijski sastav čelika (C, S i Mn, i u manjoj meri Si), oblik šava i predgrevanje. Hladne prsline Hladne prsline nastaju u metalu šava ili ZUT, najčešće pri kraju hlađenja zavarenog spoja, ispod 300°C. Prema pravcu u odnosu na osu šava hladne prsline se dele na poprečne i podućne, po pravilu su unutarkristalne, iako njihov rast često počinje po granicama zrna. Ove prsline su najopasnije za sigurnost zavarenih konstrukcija jer ih je teško otkriti.
Šematski prikaz hladnih prslina u ugaonim i sučeonim spojevima
Makrografski prikaz hladne prsline u ugaonom spoju
Postoje tri neophodna uslova za nastanak hladnih prslina: prisustvo vodonika, dejstvo zateznih napona i sklonost čelika ka martenzitnoj transformaciji. Vodonik dospeva u metal šava usled prisustva vlage u okolnom vazduhu tokom zavarivanja. Prelazak vodonika iz atomskog u molekulsko stanje stvara veliki lokalni pritisak, usled čega na okolni materijal deluje napon koji moće da budu veći od njegove čvrstoće, pa tako nastaje lokalni lom, odnosno mikroprslina. Takva mikroprslina moće da raste zbog delovanja zateznog napona, nastalog neravnotećnim skupljanjem pojedinih oblasti metala šava i ZUT. Pri tome na nastanak mikroprsline i njen dalji rast bitno utiče plastičnost materijala, koja je tim manja, što je sklonost martenzitnoj transformaciji veća. Brzina hlađenja je jedan od ključnih parametara na koji moće da se utiče da bi se izbegao nastanak hladnih prslina.
82
Lamelarne prsline Lamelarne prsline su posledica dejstva zateznih napona u pravcu debljine zavarenog spoja, nastalih pri termičkom ciklusu zavarivanja, i po pravilu su paralelne površini osnovnog metala. Lamelarne prsline se najčešće javljaju u ugaonim, T i krstastim spojevima veće debljine, blizu zone stapanja. Ove prsline nastaju na relativno niskim temperaturama, a na njihovu pojavu bitno utiču uključci tipa MnS, silikata i druge nečistoće koje smanjuju plastičnost materijala u pravcu debljine, kao i loše konstruktivno rešenje zavarenog spoja. Shodno tome, lamelarne prsline mogu da se izbegnu dobrim konstruktivnim rešenjem spoja,uključujući puterovanje. Osim toga, treba koristiti osnovni materijal sa malim udelom nečistoća i visokom plastičnošću u pravcu debljine (npr. čelika sa manje od 0,007% S i sa procentualnim izdućenjem A5 bar 25%), kao i predgrevanje. Iako su lamelarne prsline tipične za spojeve koji su po prirodi stvari ukrućeniji od drugih (ugaoni, T i krstasti), one se ipak javljaju i u sučeonim spojevima velike debljine, kod npr. C-Mn čelika zavarenih EPP postupkom, prvenstveno zbog trakaste strukture debelih valjanih limova sa visokom koncentracijom MnS uključaka u pojedinim ravnima.
a) b) c) Primeri lamelarnih prslina nastalih usled loših konstruktivnih rešenja
d)
a) b) c) d) Primeri sprečavanja pojave lamelarnih prslina dobrim konstruktivnim rešenjima
ZAMOR MATERIJALA Mehanička svojstva o kojima smo dosad govorili karakterišu otpornost materijala u uslovima statičkog opterećenja (npr. Re, Rm, Rp0,2 i Rm/t/ϑ i sl.), te udarnog opterećenja (KU(V)). Međutim, mnogi su mašinski elementi tokom eksploatacije podvrgnuti dinamičkom opterećenju. To se npr. odnosi na različite delove motora, vozila i slično. August Wöhler uočio je pojavu loma različitih dinamički opterećenih delova uprkos tome što je nametnuo naprezanje bilo manje od (statičke) granice razvlačenja. Pojava loma takvih delova naziva se zamorom materijala, tj. postupnog razaranja materijala usled dugotrajnog djelovanja dinamičkog (promjenljivog) naprezanja. Prelomna površina nastala zamorom materijala ima karakteristični izgled.
83
Karakteristična lomna površina kod loma od umora materijala Karakteristična prelomna površina ima dva različita dela: - područje trajnog loma koje je u pravilu glatko i na sebi prisutne linije slične godovima kod drveta - područje trenutnog loma koje je u pravilu hrapavije. Začetak trajnog loma nalazi se na mjestu gdje je iz nekog razloga došlo do koncentracije naprezanja. Koncentratori naprezanja mogu biti: - konstrukcijskog porekla (npr. premali radijus zakrivljenosti na mestu promene prečnika osovine) - tehnološkog porekla (npr. oštri zarezi od strugarskog noža) - nastali u eksploataciji kao posledica udarnog oštećenja i istrošenja i sl.) - nesavršeno strukturno stanje u materijalu. Usled delovanja koncentratora naprezanja na tom mestu lokalno naprezanje prelazi vrijednost Rm nastaje inicijalna pukotina koja se usled dugotrajnog delovanja dinamičkog opterećenja širi - nastaje tzv. trajni lorn. Kada je nosiva površina toliko smanjena da naprezanje u još nerazorenom delu prelazi vrijednost Rm nastaje trenutni lom.
ISPITIVAJE ZAVAREIH SPOJEVA Postoje dve metode ispitivanja zavarenih spojeva: •
ispitivanje sa razaranjem ,
•
ispitivanje bez razaranja. Ispitivnje sa razaranjem obuhvata - ispitivanje zatezanjem, - ispitivanje žilavosti, - ispitivanje tvrdoće, - ispitivanje makro i mikrostrukture.
84
Ocena o kvalitetu spoja donosi se poređenjem njegove jačine sa jačinom osnovnog materijala. Osnovni princip pri projektovanju zavarenih konstrukcija je da čvrstoća metala šava bude veća od čvrstoće osnovnog metala. To znači do tečenja metala šava doći tek kada osnovni metal ojača do nivoa granice tečenja metala šava. Ponašanje zone uticaja toplote (ZUT) u opterećenom zavarenom spoju je uslovljeno njenim malim zapreminskim udelom, kao i heterogenošću strukture i različitim mehaničkim osobinama pojedinih područja ZUT. Dobro izveden zavareni spoj, projektovan po principu veće čvrstoće metala šava, pri ispitivanju zatezanjem treba da se pokida u osnovnom metalu. Ispitivanje zatezanjem sučeonih spojeva Sučeoni spojevi se ispituju zatezanjem da bi se odredila zatezna čvrstoća spoja u celini i zatezna čvrstoća metala šava. Ako se određuje zatezna čvrstoća spoja u celini upotrebljava se epruveta sa paralelnim bokovima. Zatezna čvrstoća spoja je određena izrazom, JUS C.A4.002: RM =
FM a ⋅ b2
mm2
,
gde je FM maksimalna sila zatezanja, a debljina epruvete, b2 širina mesta kidanja, b1 širina glave epruvete.
Slika epruvet sa parelelnim bokovima Širina mesta Poluprečnik Dužina lp Debljina ep- Širina b2, zaobljenja R, ruvete a, mm glave b1, kidanja mm mm mm do 10 20 15 10 4a 10 do 20 30 20 15 4a 20 do 35 35 25 20 4a preko 35 40 30 20 4a Epruveta za određivanje zatezne čvrstoće zavarenog spoja u celini.
Ukupna dužina L, mm 250 250 300 350
Epruveta za ispitivanje cevi prečnika većeg od 50 mm.
85
Ispitivanje cevi prečnika manjeg od 50 mm. Ako se određuje zatezna čvrstoća metala šava koriste se epruvete sa udubljenim bokovima. Sredina šava mora da bude na najužem mestu epruvete. Površina šava kao i bočne površine obavezno se obrađuju. Zatezna čvrstoća metala šava se određuje takođe prema JUS C.A4.002: RM =
0,926 FM a ⋅ b2
. 2 mm
Koeficijent 0,926 koriguje prividno povećanje vrednosti zatezne čvrstoće, koje nastaje kao posledica ograničene deformacije materijala (dvoosno naponsko stanje) usled oblika epruvete. U protokolu ispitivanja zatezanjem daju se podaci o osnovnom i dodatnom metalu, temperatura ispitivanja (ako nije sobna), oblik, dimenzije i obrada epruvete, izgled, vrsta i položaj loma, eventualne greške u metalu šava i vrednost zatezne čvrstoće.
Debljina ep- Širina Ukupna Širina mesta Poluprečnik ruvete a, mm glave b1, kidanja b2, zaobljenja R, dužina L, mm mm mm mm do 6 18 12 24 200 6 do 10 24-30 16-20 24 200 10 do 16 36-48 24-32 40 250 16 do 20 54-60 36-40 60 250 Epruveta sa udubljenim bokovima
Ispitivanje zatezanjem ugaonih spojeva Za određivanje zatezne čvrstoće ugaonih spojeva koriste se epruvete koje su izrađene iz preklopnog ili ukrsnog spoja ,a za izračunavanje rezultata se primenjuje JUS C.T3.051. Pre ispitivanja ugaonih spojeva meri se stvarna debljina šava a, Sl. 20. Čvrstoća zavarenog spoja se izračunava kao: RM =
FM 2a s ⋅b
2 mm
gde je as srednja vrednost stvarne debljine onog šava koji se pokidao, a b širina epruvete. U protokolu ispitivanja, osim vrednosti čvrstoće, treba dati izgled preloma i temperaturu ispitivanja. 86
Epruveta za određivanje zatezne čvrstoće preklopnih i krstastih spojeva
Određivanje debljine šava: a) obične elektrode; b) elektrode velike penetracije. Ispitivanje savijanjem Cilj ovog ispitivanja je da se odrede deformacione sposobnosti zavarenog spoja. Epruveta se izrađuje iz sučeono zavarenog spoja, a obrađuje se samo površina šava. Oblik i dimenzije šava su standardizovani kao i ostali uslovi ispitivanja. Kod ispitivanja na savijanje potrebne su dve epruvete , gde se jednasavija sa lica šava , a druga u korenu šava. Kvalitet spoja se određuje prema uglu savijanja u trenutku pojave prve prsline veličine iznad 2 mm. Ispitivanjem savijanjem se proveravaju deformacione sposobnosti zavarenog spoja. Oblik, dimenzije i izrada epruveta su definisane u JUS C.A4.005. Ako je debljina uzorka veća od 30 mm, epruvete se mašinskom obradom svode na debljinu od 30 mm.U svakom slučaju se ispituju po dve epruvete tako da na zateznoj strani jednom bude teme, a drugi put koren šava. Prečnik valjka D se uzima prema zateznoj čvrstoći osnovnog materijala.
Izgled i dimenzije epruveta za ispitivanje savijanjem zavarenih spojeva.
87
Zavisnost prečnika D, debljine lima i zatezne čvrstoće osnovnog metala Zatezna čvrstoća osnovnog Prečnik valjka metala D do 420 MPa 2a 420 do 520 MPa 3a preko 520 MPa 4a
Ugao savijanja Ispitivanje žilavosti Cilj ovog ispitivanja je da se odredi žilavost zavarenog spoja, kako u materijalu šava tako i u zoni uticaja toplote. Oblik, dimenzije i položaj epruveta su definisani u JUS C.A4.004. Ispitivanja se izvode prema JUS C.A4.061, pri čemu se epruveta sa odgovarajućim zarezom, položena na dva oslonca, lomi jednim udarom klatna, a zatim se meri utrošena energija. Osim oblika žleba može da se koristi V žleb sa zaobljenjem vrha R=0,25 mm. U protokol ispitivanja treba uneti dimenzije epruvete, potencijalnu energiju klatna, mesto i izgled preloma, vrednost utrošenog rada i temperaturu ispitivanja.
Izgled, dimenzije i način isecanja epruveta za ispitivanje žilavosti.
Ispitivanje tvrdoće Ovim ispitivanjem međusobno se upoređuje tvrdoća materijala šava, prelazne zone i zone uticaja toplote. Ako se ispituje prema Brinelu za čelike se preporučuje prečnik kuglice D=2,5 mm, sila F=1875 N, a za ispitivanje prema Vikersu najčešće se uzima sila F=300 N. Epruvete se prethodno bruse, poliraju i nagrizaju da bi se što tačnije izmerila tvrdoća pojedinih mesta. U protokolu ispitivanja se daju skica epruvete na koju se upisuje vrednost 88
izmerene tvrdoće na pojedinim mestima, kao i podaci o načinu utiskivanja i aparaturi kojom je mereno.
Izgled epruveta za merenje tvrdoća za različite zavarene spojeve.
Epruvete za merenje tvrdoća za različite ugaone zavarene spojeve. Ispitivanje makro i mikrostrukture Makro ispitivanjem se utvrđuje geometriski oblik šava i postojeće grerške kao što su : prsline,uključci, pore i nedostaci uvarivanja. Mikro ispitivanjem se utvrđuje struktura šava i prelazne zone , kao i mikro prsline, pore i mikrouključci.
Mikrostruktura zavarenog spoja
89
ISPITIVAJE BEZ RAZARAJA Kontrola kvaliteta zavarenih spojeva može se izvršiti: vizuelno,penetrantska tečnost,prozračivanjem rendgenskim i gama zracima,magnetnim fluksom,ultrazvučnim talasima. Prednost korišćenja ovih metoda je što se ne moraju seći epruvete već se kvalitet može utvrditi na gotovim proizvodima. Vizuelna kontrola Ovam metoda se sastoji u vizuelnom ispitivanju zavarenog spoja koji nisu obtađivani. Uslovi ispitivanja su dati u standardu EN970. Osvetljenost površine mora da bude najmanje 350 lx, a preporučena osvetljenost je 500 lx. Da bi se omogućilo direktno ispitivanje, mora biti dovoljno prostora za posmatranje, da bi se ispitalo do 600 mm površine i to pod uglom ne manjim od 30°. Za postizanje dobrog kontrasta i osvetljenosti površine neophodno je korišćenje dodatnog izvora svetlosti. Ukoliko se sumnja na stanje ispitivae površine neophodno je koristiti druge metode ispitivanja bez razaranja. Ovom kontrolom se na već izvedenim šavovima može se ustanoviti: 1. ravnomernost lica šava , u smislu nadvišenja ili udubljenja. 2. Kvalitet prelazasa osnovnog na materijal šava. 3. Površinska poroznost i površinske prsline 4. Kvalitet korena šava. Pri ovim pregledima obično se upotrebljava lupa sa odgovarajućim uvećanjem da bi se uočili navadeni nedostaci.
Slika uređaji za merenje dimenzija šava Ispitivanje penetrantima Primenjuju se za otkrivanje grešaka koje se nalaze na površini komada, a naročito kođ materijala koji nemaju feromagnetne osobine. Metode se zasnivaju na luminiscenciji, odnosno na osobini nekih tečnosti da emituju hladnu svetlost kada se ozrače infracrvenim zracimaj ili pak na fluorescenciji tj. na pojavi da neke materije pod uticajem jedne vrste svetlosti emituju druge vrste manje talasne dužine samo dotle dok svetlost na njih deluje. Ispitivanje se izvodi tako što se predmet koji se ispituje prethodno očisti i nakvasi (potopi) odgovarajućom tečnošću i posle 10-15 minuta tečnost se odstrani sa predmeta. 90
Tečnost prodire u defektna mesta i posle brisanja ostaje u njima. Kada se predmet osvetli vrlo jasno se ocrtavaju mesta defekta. Ovom metodom se otkrivaju prsline šire od 0,01 mm i dubine 0,0 3 - 0,04 mm i više. Danas su u primeni i takva sredstva za otkrivanje grešaka penetracijom koja nisu zasnovana na luminiscenciji, odnosno fluorescenciju, već na principu indiciranja defekta obojenim tečnostima.
Ispitaivanje prozračivanjem rendgenskim i gama zracima Ovaj način kontrole se zasniva na različitoj apsorciji RÖ i gama zraka pri njihovom prolasku kroz kompaktan materijal i mesta gde postoji greška. Ukoliko, na određenim presecima spoja, postoje porozna mesta ili druge greške apsorcija ovih zraka će biti znatno smanjena. Za rendgensku kontrolu primenjuju se specijalnirendgenski aparati, oni sadrže
91
rendgensku cev, u kojoj nastaju i usmeravaju se zraci prema mestu ispitivanja. Sa suprotne strane dela koji se ispituje postavlja se foto ploča Gde je: 1. Rendgentska cev 2. Blenda 3. Lokalizacija šava 4. Šav 5. Film 6. Zaštita filma.
Prilikom razvijanja ploče, nastaju različiti stepeni zacrnjenja, u zavisnosti od prisustva grešaka. Neprovari se na snimku vide u obliku oštrih pravih linija, a prsline se obično vide kao crne vijugave linije. Gama zraci, koji nastaju emisijom nekih radioaktivnih elemenata, koji su bliski po svojoj prirodi rendgenskim zracima. Imaju manju talasni dužinu. Snimci koji se dobijaju prozračivanjem pomoću gama zraka se nazivaju radiogrami. Kao izvor gama zraka se koriste: kobalt (Co), iridijum (Ir), cezijum (Cs). Treba znati da su RÖ i gama zraci opasni po čovečiji organizam, pa se pri radu moraju poštovati propisi o ličnoj zaštiti.
Slika radiogram sučeonog V šava bez grešaka
92
Slika radiogram sučeonov V spoja sa uključcima troske i podužnim prslinama
Slika radiogram sučeonov V spoja sa gasnim mehurovima uključcima troske i nepotpunom penetracijao korena šava.
93
Izpitivanje ultrazvučnim talasima Za ova ispitivanja je osobina ultrazvučnih oscilacija da prolaze kroz čvrstu i tečnu sredinu, a da se odbijaju od granične površine. Ultrazvučni talasi, imaju frekfenciju od 20 kHz20MHz, proizvode se pomoću kristala kvarca, po principu piezoelektričnog efekta. Izvor ultrazvučnih oscilacija, tzv, odašiljač, dovodi se u kontakt sa površinom ispitivanog spoja, tako da se talasi usmeravaju kroz metal u određenom pravcu.
Slika uređaj za ispitivanje ultrazvukom Kod ovog ispitivanja postoje dve varijante: po jednoj odašiljač služi i kao prijemnik (exo metoda), druga metoda odašiljač i prijemnik su posebno izvedeni (prozračivanjem). Radi ostvarivanja dobrog kontakta između odašiljača i površine potrebno je površinu premazati uljem.na uređajima za ispitivanje ugrađen je ekran tako da se vizuelno prate odašiljani i prijemni impulsi. Ako je materijal bez grašaka ultrazvučni talas se odbijaju tek kad dođu do suprotne strane površine komada. Ukolliko zavareni spoj ima neku grešku, talas se odbija ranije i vreća se nazad, što na ekranu registruje kao eho greške ulaznog i izlaznog impulsa. Ovom metodom se može ne samo otkriti greška već i njen položaj i veličina.
94
Ispitivanje magnetnim fluksom
Ovim postupkom mogu se otkriti samo površinske greške zavarenog spoja. Za ovo ispitivanje iskorišćeno je svojstvo da magnetne linije sila izlaze na površinu, kada naiđu na neku grešku.
Na površinu šava koja se ispituje predhodno se nasipa željezni prah ili njegovav suspenzija u ulju. Na mestu izlaska magnetnih linija sila, prah će se nagomilavati, pa tako greške postaju uočljive. Uslov da se greška uoči je da magnetno polje bude bude upravno na pravac prostiranja greške. Praktično, kontrola se sastoji iz namagnetisavanja ispitivanog spoja,
95
nanaošenjaželjeznog praha i uočavanje greške i najzad razmagnetisanje dela. Razlikujemo tri načina namagnetisavanja: 1.stavljanjem ispitivanog spoja u strujno kolo jednosmerne struje ili naizmenične. Pri proticanju električne struje stvara se magnetno polje upravno na pravac struje. S obzirom na pravac magnetnog polja ovaj metod je pogodan za otkrivanje uzdužnih grešaka na spojevima malog preseka. 2. stavljanjem ispitivanog spoja između polova elektromagneta ili u polje solenoida. Na ovakav način pogodno je kontrolisati spojeve od magnetno tvrdih materijala tj. materijala koji se posle prestanka dejstva magnetnog polja ostaju namagnetisani. 3. namagnetisavanjem pomoću magnetnog polja koje se ne prekidaza sve vreme kontrole. Ovaj način namagnetisavanja je pogoda nza kontrolu spojeva od magnetno mekih materijala.
Ispitivanje stručne osposobljenosti zavarivača SRPS E* 287-1 za čelik Ovaj standard obuhvata principe na kojima se zasniva ispitivanje stručne osposobljenosti zavarivača za zavarivanje čelika topljenjem. Kvalitet radova u zavarivanju u velikom stepenu zavisi od veštine zavarivača. Sposobnost zavarivača da sledi usmena ili pismena uputstva , kao i ispitivanje njegove stručne osposobljenosti su važni faktori u obezbeđenju kvaliteta zavarenog proizvoda. Ispitivanje stručne osposobljenosti prema ovom standardu zavisi od primenjenog postupka zavarivanja,ali se uvek primenjuje ista pravila za uslove ispitivanja i za uzorke. Ovaj standard se primenjuje za postupke kod kojih veština zavarivača ima značajan ima značajan uticaj na kvalitet zavarivanja. Za vreme ispitivanje stručne osposobljenosti zavarivač treba da pokaže odgovarajuće praktično iskustvo i poznavanje struke o postupcima zavarivanja, materijalima i zahtevima za bezbednost za postupke za koje treba da dobije uverenje. Zavarivač-osoba koja izvodi zavarivanje. Zavarivač (ručno zavarivanje)- zavarivač koji ručno vodi drži elektrode, pištolj za zavarivanje ili gorionik. Operater zavarivanja- zavarivač koji rukuje uređajem za zavarivanje sa delimično mehanizovanim relativniom kretanjem između držača elektrode , pištolja za zavarivanje ili gorionika i radnog komada. OZ*AKE I SKRAĆE*ICE Ispitni uzorak a-nazivna deblljina šava, BW-sučeoni šav, D-spoljašnji prečnik cevi, FW-ugaoni šav, P-lim, t-debljina lima ili zida cevi, T-cev, z-kateta ugaonog šava. Potrošni materijal (uključujući pomoćne, npr. zaštitni gas, zaštitni prašak) nm-bez dodatnog materijala, nm-sa dodatnim materijalom, 96
A- Kisela obloga, B-bazična obloga, C-Celulozna obloga, R-rutilna obloga, RA-rutilno kisela obloga, RB-rutilno bazična obloga, RC-rutilno celulozna obloga, RR- rutilna obloga (debela), S-ostalo. Ostalo bs-obostrano zavarivanje, gb-zavarivanje sa gasom kao podloškom, gg-žljebljenje ili brušenje šavova, mb-zavarivanje sa podloškom, nb- zavarivanje bez podloške, ng-bez žljebljenja ili brušenja šava, ss- jednostrano zavarivanje. Za ispitivanje stručne osposobljenosti ispitni uzorak se izrađuje za sučeone spojeve (BW) i ugaone spojeve (FW) na limovima (P) ili cevima (T). Grupe materijala Da bi se smanjilo nepotrebno umnožavanje tehnički identičnih ispitivanja, čelici Sa sličnim metalurškim karakteristikama grupisani su u cilju ispitivanja stručne osposobljenosti zavarivača. Zavarivanje bilo kojeg materijala iz jedne grupe podrazumeva stručnu osposobljenost zavarivača za zavarivanje svih ostalih materijala svrstanih u istu grupu, s tim da se dodatni materijali korišćeni pri ispitivanju mogu koristiti i za druge čelike ove grupe. Po pravilu, ispitivanje stručne osposobljenosti zavarivača vrši se nanošenjem metala šava koji ima isti sastav usklađen sa osnovnim materijalom. Ukoliko se zavaruju materijali iz dve rrezličite grupe, a čija kombinacija nije obuhvaćena tabelama, zahveva se ispitivanje za takvu kombinaciju kao posebnu grupu materijala. Ukoliko se dodatni materijal razlikuje od osnovnog materijala, potrebno je izvršiti ispitivanje za takvu kombinaciju osnovnog i dodatnog materijala, izuzev u slučajevima predviđeim u tabelama.. Ispitivanje stručne osposobljenosti zavarivača treba da su zasnovana na debljini materijala (tj. debljina lima ili zida cevi) i prečniku cevi koji će zavarivač koristiti u proizvodnji. Ispitivanja se vrše za tri područja debljinelima i debljine zidova cevi, ili prečnika cevi, kako je navedeno u tabelama, pri čemu nije obavezno precizno merenje debljine i cevi.
97
Tabela 1- debljina ispitnog uzorka (lim ili cevi ) i područje uverenja Debljina ispitnog uzorka, t mm Područje uverenja t≤3 t do 2t 1) 3 < t ≤ 12 3 mm do 2t 2) ≥ 5 mm t > 12 1) Za zavarivanje plamenom kiseonik-acetilem (311): t do 1,5t 2) Za zavarivanje plamenom kiseonik-acetilem (311): 3 mm do 1,5t Tabela 2- prečnik ispitnog uzorka i područje uverenja Područje uverenja Prečnik ispitnog uzorka, D 1) mm D ≤ 25 D do 2D 0,5D do 2D (25 mm min.) D > 25 1) Za šuplje telo “D“ je mera najmanje strane Po pravilu , svako ispitivanje važi za jedan postupak zavarivanja. Promena postupaka zavarivanja zahteva novo ispitivanje stručne osposobljenosti. Međutim, moguće je da se zavarivaču prizna stručna osposobljenost za više postupaka zavarivanja korišćenjem jednog ili dva posebna ispitivanja koja pokrivaju zavarene spojeve izvedene različitim postupcima zavarivanja. Na primer, kada se zahteva ispitivanje za jednostrani sučeoni šav TIG postupkom (141) za korenski zavar i ručno elektrolučno (111) za ispunu, stručna osposobljenost zavarivača se može proveriti na sledeći način: a) Ispitivanje stručne osposobljenosti simuliranjem spoja izvedenog pomoću više postupaka, na primer TIG (141) – koren, ispuna – ručno elektrolučno (111), unutar granica važnosti; b) Posebnim ispitivanjem za TIG (141) bez podloške i ispuna ručno elektrolučno (111) sa podlogom ili zavareno sa obe strane.
98
OPASNOSTI I ZAŠTITA NA RADU PRI ZAVARIVANJU Zaštita pri radu Pri zavarivanju treba voditi računa o nekim merama predostrožnosti. Cilj ovih mera je da se spreče nesrečni slučajevi prilikom postavljanja i upotrebe uređaja za zavarivanje. Zaštita od strujnog udara Uzemljenje. Aparat treba uzemljiti pomoću naročitog priključka koji se daje uz aparat. Priključivanje. Aparat za zavarivanje treba priključititi na mrežu pomoću prekidača sa osiguračem ili isključivačem. Priključivanje na mrežu treba izvesti tek posle povezivanja kablova za zavarivanje. Uređaj se može staviti pod napon tek pošto se obave sva priključenja. Važno je izbegavati rad na vlažnom tlu,i da se pazi na ispravnost priključaka za struju. Električne instalacije moraju uvek biti u ispravnom stanju. Zavarivački kablovi. Kablovi na smeju biti obavijeni metalnim oklopom, moraju da budu potpuno izolovani i propisno zaštićeni od eventualnih oštećenja. Držači elektroda. Mesta kontakta sa kablovima treba povremeno čistiti i pritezati da bi se izbeglo zagrevanje, do koga može doći usled lošeg kontakta. Držače elektrode treba što bolje izolovati, klješta koja drže elektrodu ne treba nikada stavljati na deo koji se zavaruje, niti bilo koji drugi deo preko koga bi se moglo zatvoriti električno kolo i izazove kratak spoj. Procesi zavarivanja praćeni su pojavama visokih temperatura, nastajanjem ili korišćenjem gasovitih produkata, svetlosnim i toplotnim zračenjem, i opasnostima od električne struje. Sve ove pojave ili materije mogu štetno uticati na zdravlje zavarivača i drugih radnika, a predstavljaju i potencijalnu opasnost za nastanak materijalne štete. Električna struja prenosi energiju (toplotu) za sve tipove elektrolučnog zavarivanja. Električna struja je opasna za zavarivača, jer nisu sve komponente u zatvorenom strujnom krugu zaštićene od direktnog kontakta. Električna struja može izazvati udar na ljudsko telo i povrede (oštećenja) zavisno od vrste struje, jačine, dužine trajanja dodira sa strujom i puta struje. Uticaji električne struje na telo su grčenje grudnih mišića i otežano disanje, prolazna paraliza nervnih centara koji upravljaju disanjem, poremećaji rada srca, sprečavanje rada srca zbog grčenja i izliv krvi.Naizmenična struja (AC) od 15 mA može da izazove grčenje mišića, a od 80 mA ugrožava srčani mišić sa fatalnim posledicama. Posebno je opasan napon otvorenog kola struje jer je tu najviši nivo u kolu. U otvorenom kolu električni provodnici (elektroda, elektrodna žica) ne smeju da se diraju bez radnih rukavica.
99
Opasne zone za opremu i priključke Da bi se smanjila mogućnost strujnog udara, definisani su najveći naponi u otvorenom strujnom kolu izvora struje. Neki su slučajevi posebno važni: - normalni radni uslovi, sa dobrom izolacijom za zavarivača i predmete koji se zavaruju; - uslovi "visoke opasnosti od strujnog udara". Najveća opasnost od strujnog udara se javlja: - u prinudnom kontaktu električnih provodnika sa nezaštićenim čovečijim telom) npr.kada čuči, sedi ili je nagnut; - ako je rastojanje za slobodno kretanje između električnih provodnika manje od 2 m; kada je radno mesto vlažno, u pari ili zagrejano, ili ako se radi na terenu.
Tok struje kroz telo zavarivanjapri nepravilnom radnom položaju Pravila pri radu - Izvori struje za zavarivanje ne smeju biti u skučenom nepreglednom prostoru gde ima električne provodljivosti. - Rukovanje blizu priključka na mrežu (promena polarnosti, priključak otvorenog provodnika, popravka oštećenog provodnika) mora obaviti obučen električar. - Kada se zavaruje uz visoku opasnost od struje, zavarivač mora biti dobro izolovan od tla. Zakopčano i suvo odelo štiti od neposrednog kontakta sa strujom. - Izvori struje moraju odgovarati specifikacijama za struju. - Terenska radna mesta (na otvorenom prosotoru) moraju biti opremljena izvorima koji ispunjavaju zahteve IP 23. - Kada se prekida rad, uređaj za kontakt elektrode i gorionik moraju biti na izolovanom mestu. Prilikom rada u skučenim i vlažnim prostorijama dozvoljeno je raditi samo sa jednosmernim izvorima struje (ispravljači i pretvarači). U slučaju da se ne može izbeći korišćenje izvora naizmenične struje biraju se uređaji sa naponom praznog hoda ispod 42 V. Posebnu pažnju treba obratiti pri radu u uskim i vlažnim prostorijama. Pored dobro izolovane podloge, koristiti obe rukavice, klješta ostavljati na izolovanu podlogu, a pri prekidu luka ne držati klješta uz telo.
100
Povreda na radu zbog nedozvoljenog položaja zavarivača Opasnost od zračenja Ultraljubičasto zračenje je najopasnije, jer dovodi do zapaljenja očnih kapaka, oštećenja očnog živca u ekstemnim slučajevima, kao i pregorevanja kože i stvaranje opekotina. Ovo zračenje se odbija od metalnih predmeta i najčešće korišćenih premaza na zidovima, delujući tako i na radnike u okolini. Za smanjenje odbijanja potrebno je da električni luk bude više od 0,5 m udaljen od zida, a radno mesto odvojeno paravanima ili pregradama. Zavarivač mora biti zaštićen od opasnog zračenja električnog luka prikladnim odelom i zaštitnim naočarima sa filterom. Zaštita očiju od zračenja električnog luka je propisana u EN 619 pomoću filtera sa zaštitnim faktorom 8 (za mali luk) do 15 (za veliki luk). Tabela. Primena zaštitng faktora (zatamnjenja) pri zavarivanju Zaštitni faktor
Primena
3
Tvrdo lemljenje i elektrootporno zavarivanje
4i5
Pomoće operacije pri zavarivanju
6 do 8
Zavarivački luk I = 30-75 A
9 i 10
Zavarivački luk I = 30-200 A
11 i 12
Zavarivački luk I = 200-400 A
13 i 14
Zavarivački luk I iznad 400 A
15
Zavarivački luk ekstremno velike jačine I
Zaštitna sredstva Odelo je lično zaštitno sredstvo namenjeno zaštiti tela od toplotnog i ultraljubičastog zračenja rastopljenog i usijanog metala. Izrađuje se iz posebno obrađene vrste pamučnog tkanja ili kože. Zaštitne cipele sa gumenim đonom su lično zaštitno sredstvo koje zavarivača efikasno štite od eventualnog električnog udara prilikom rada na čeličnoj konstrukciji.
101
Zaštitne maske koriste se kao zaštita očiju, glave i vrata od delovanja svetlosnog, toplotnog i ultraljubičastog zračenja, rastopljenih kapljica metala i čestica vruće troske. Skučeni nepristupačni prostori u pogledu zavarivanja se smatraju oni u kojima nema prirodne ventilacije, zapremina je manja 100 m3 ili su dimenzije manje od 2 m (npr. rezervoari, posude, tenkovi, cevovodi, mali brodski prostori). U takvim prostorima treba preduzeti sledeće mere: prinudnu ventilaciju ili odsisavanje gasova, često uz primenu maske za disanje, nošenje vatrootpornih odela,
Slika zaštitna oprema Zdravlje i sigurnost
Tabela prikazuje maksimalno dozvoljene koncentracije nekih gasova (ili koncentracije čestica) prema MAK-limitima Tabela
MAK-limiti
koncentracije
za
pojedine
gasove
Prskanje užarenog metala Rasprsnute kapljice istopljenog materijala mogu izazvati opekotine po telu kao i povrede oka pogotovo pri brušenju. Opasnost za oči predstavlja i skidanje troske nakon zavarivanja. Požar i eksplozija Kada je reč o opasnostima od požara i eksplozije bitno je upoznati se sa tehničkim gasovima 102
(gorivim i zaštitnim) koji se koriste u tehnici zavarivanja i rezanja, a isporučuju se (uglavnom) u posudama pod pritiskom (boce pod pritiskom). Opasnosti od požara i eksplozije su najveće kod postupaka gasnog zavarivanja i rezanja, pa je zbog toga u većini zemalja zaštita od tih opasnosti regulirana posebnim (i preciznim) zakonskim propisima.
Slika 4. Loša zavarivačka praksa i odgovarajuće opasnosti; dobra zavarivačka praksa
Tehnički gasovi za zavarivanje (Gorivi i Zaštitni gasovi) Pojam tehnički gasovi, do skoro je, u tehnici zavarivanja obuhvatao uglavnom one gasove koji se koriste za gasno zavarivanje i rezanje (acetilen i kisik). Današnji pojam tehničkih gasova obuhvata i mnoge druge gasove, kao i njihove mešavine, koji se dobivaju razlaganjem vazduha u pojedine gasove ili drugim metodama dobijanja, a to su: azot (N2), argon (Ar), kiseonik (O2), ugljen-dioksid (CO2), vodonik (H2), helijum (He), i dr. Acetilen (C2H2) je bezbojni gas, lakši od vazduha i karakterističnog mirisa na bijeli luk. Od svih tehničkih gasova acetilen (pomiješan sa kiseonikom) daje najtopliji plamen, maksimalne temperature 3150 °C. Kalorična moć mu je 52 kJ/m^3, nije otrovan, ali je eksplozivan u vazduhu u vrlo širokom opsegu koncentracija od 3-98%. Acetilen se dobija hemijskom 103
reakcijom kalcijum-karbida i vode: CaC2+2H2 → C2H2 +Ca(OH)2 +129 kJ/mol Čisti acetilen se sme komprimovati na pritisak od samo 1,5 bara. Međutim, acetilen se isporučuje u čeličnim bocama rastvoren u acetonu i poroznoj masi (porozna masa aceton smanjuju eksplozivnost acetilena) pod pritiskom od 15 bara, pri čemu rastvoren sa acetonom tvori „disugas“ (rastvoreni gas). Prilikom izlaska iz boce, usled smanjenja pritiska iz disugasa se izdvaja acetilen. Radi pravilnog oticanja gasa potrebno je da boca stoji uspravno i udaljena od toplotnih izvora najmanje 3 m. Boce acetilena su označene bijelom bojom, a težina jedne boce sa ventilom je ~70 kg. Najčešće se koriti boca zapremine 40 l u koju stane 6000 l ili 6 m^3 acetilena. Acetilen u dodiru sa bakrom stvara spoj tzv. eksplozivni bakar koji je crvene boje i taloži se na zidove bakrene cijevi kroz koju prolazi acetilen. Pri mehaničkim udarima eksplozivni bakar može eksplodirati pa zbog toga treba izbjegavati bakarnu armaturu (redukcioni ventil, cijevi za dovod) pri korištenju acetilena. Kiseonik (O2) je gas bez boje i mirisa kojeg u vazduhu ima ~21%. Sam ne gori, ali omogućava i pospješuje sagorevanje. Ulja i masti u čistom kiseoniku gore veoma burno, sa eksplozivnom snagom, pa se zbog toga navoji ventila na bocama za kiseonik ne smeju podmazivati uljem. Zabranjeno je pretakanje kiseonika iz boce u bocu. Nije dozvoljeno sa kiseonikom vršiti izduvavanje, čišćenja (to se radi komprimiranim zrakom), kao i ispuštanje u zatvorene prostorije, jer tada sve materije postaju vrlo zapaljive. Nije preporučljivo udisanje čistog kiseonika duže vreme, jer može oštetiti disajne organe. Isporučuje se u čeličnim bocama plave boje, pod pritiskom od 150 bara, ukupne težine ~85 kg. Da ne bi došlo do nehotične zamjene boca, ventil za kiseonika i acetilen imaju konstruktivno različite priključke za reducir (redukcioni) ventil (kao i materijal: mesing i čelik), tj. sa različitim navojima (desni i lijevi). Brzina isticanja kiseonika iz boce ne bi smjela biti veća 3000 l/h, jer veliki protok izaziva zaleđivanje (intenzivno hlađenje) ventila i nekontrolirano isticanje. Argon (Ar) je jedno-atomski gas bez boje i mirisa i okusa. Hemijski ne reaguje sa drugim elementima pa se kaže da je inertan. Ima težinu 1,784 kg/m3 pa kako je teži od vazduha u zatvorenoj prostoriji može smanjiti koncentraciju kiseonika, ali sam po sebi nije otrovan. Isporučuje se u čeličnim bocama zapremine 40 l i pritiska 200 bara, pri čemu u bocu staje 10 kg argona. Boce argona se ne prazne do kraja, već se uvek ostavlja dovoljan nad-pritisak da se spriječi prodiranje vazduha u bocu. Boce se označavaju žutom bojom sa obavezno ugraviranim podacima o proizvođaču, posljednjem pregledu ispravnosti boce, datumu punjenja (u principu važi za sve boce pod pritiskom za tehničke gasove), itd. Ugljen-dioksid (CO2) je široko rasprostranjen tro-atomski gas, bezbojan, ima miris koji se osjeća, kiselkast okus i nije otrovan. Do koncentracije 2,5% nije opasan za udisanje kraće vrijeme, ali u većoj koncentraciji dugotrajno dejstvo može da bude štetno za zdravlje. Pri pritisku 1 bar i temperaturi 15 °C gustoća CO2 je 1,97 kg/m^3 i za 50% je teži od vazduha pa u zatvorenoj prostoriji pada na pod, ispunjava je, te tako može istisnuti zrak. Iz gasovitog stanja pod dejstvom pritiska prelazi u tečno stanje, a pri intenzivnom hlađenju iz tečnog stanja prelazi u čvrsto stanje – suvi led. Isporučuje se u čeličnim bocama (označene crvenom bojom) zapremine 40 l pri pritisku od 70-100 bara (cca 30 kg CO2). Boce se ne smeju izlagati zagrejavanju (ni jakim sunčevim zrakama) zbog mogućnosti porasta pritiska i eksplozije. Jedan (1) kg tečnog CO2 daje cca 550 l gasa. Strujni udar nastaje kad je ljudsko telo ili deo tela izložen nedozvoljeno visokom naponu. Posledice mogu biti bezazlene ili kobne, što zavisi od niza faktora kao što su: visina
104
I vrsta napona, prelazni otpor kože, dužina izloenosti i put prolaska struje kroz tijelo. Mokra ili vlažna koža ima manji električni otpor tako da je strujni udar obično jači. Električna struja prouzrokuje duboke i oštro ograničene opekline. Prolasci struje kroz srce i kroz mozak mogu izazvati trenutnu smrt zbog zastoja srčanog rada i oštećenja centra za disanje u mozgu. Snažni mišićni grčevi prouzrokovani strujom mogu dovesti do pucanja mišića i koštanih prijeloma. Ukrućenost mišića može potrajati i nekoliko minuta nakon prestanka dodira sa strujom, što u slučaju zahvaćenosti mišića za disanje dovodi do prestanka disanja. Osoba koja je rukama primila žicu pod naponom neće je moći ispustiti zbog grča mišića ruku. Opekline Ozledjeni deo potrebno je hladiti ili polivati vodom barem 10 minuta. Posle toga, pokriti sterilnom gazom opekline, dajte povredjenom puno tecnosti da pije I hitno ga voditi lekaru. Nije dozvoljeno dodirivati opekline, ne odstranjivati nista sto se zalepilo za opekotinu. Opekotinu ne mazati niti zaštićivati dok se ne dodje do lekara. Opšte mere U opšte mere zaštite spadaju: ventilacija (lokalna usisna, ispušna ventilacija) paravani i pregrade, - zamena visoko štetnih tehnologija zavarivanja sa manje štetnim (modernim) postupcima, ako je to moguće. U slučaju izvođenja zavarivanja u zatvorenim prostorima ventilacija je jedan od prvih i najvažnijih zahtjeva. Tu razlikujemo lokalnu usisnu ventilaciju na samom radnom stolu zavarivača i izduvnu ventilaciju cele prostorije, a obe sa ciljem da u radnoj sredini ima što manje prašine i toksičnih gasova. U nekim posebno teškim slučajevima neophodna je primjena specijalnih zaštitnih maski sa posebnim dovođenjem kiseonika do lica zavarivača. Minimalno obnavljanje vazduha pri potpunoj ventilaciji zatvorenih prostorija treba da iznosi oko 2000 m^3/h na 1 kg/h potrošenih srednje-obloženih elektroda.
Usisivač
za
gasove
za
više
radnih
mjesta
Pri zavarivanju u zatvorenom prostoru vrlo praktično rešenje je montaža usisivača za gasove i metalnu prašinu neposredno sa radnog stola (Slika 5). U velikim i modernim zavarivačkim 105
pogonima ventilacija štetnih gasova i prašine se izvodi uz pomoć posebnog centralnog sistema koji ima izvod za svako radno mjesto. Organizacija radnih mjesta sa odgovarajućim pregradama, paravanima i sl. u mnogome poboljšava zaštitu ostalog radnog osoblja u blizini mjesta zavarivanja (Slika 6), sa postupcima koji su manje štetni kao i veće uvođenje mehanizacije i automatizacije pri zavarivanju doprinosi stvaranju boljih radnih uslova za zavarivače.
Transparentni
zavarivački
paravani
Lična zaštita Upotreba ličnih zaštitnih sredstava je prvenstvena obaveza svakog zavarivača i podrazumeva upotrebu sedećeg: zaštitne naočare i/ili zaštitna maska za lice rukavice radno odijelo i kožna kecelja štitnici za noge i posebne radne cipele kožna kapa i nadlaktice respirator
Zaštitne
naočale
Vrste zaštitnih maski: a) obične zaštitne maske, b) nadglavna maska sa samo-zatamljivim staklom, c) pod b) + respirator Zavarivačka zaštitna maska vrši zaštitu očiju, lica i vrata zavarivača od toplote i zračenja električnog luka kao i od letećih varnica istopljenog materijala. Pored toga maska ima vrlo značajan uticaj u zaštiti disajnih organa zavarivača od toksičnih gasova. 106
Nadglavne maske su neophodne kada je pri zavarivanju neophodno da obe ruke budu slobodne za obavljanje rada (TIG ili Plazma zavarivanje). Tamna zaštitna stakla na maski izrađuju se u više stepeni zacrnjenja tako da se za tvrdo lemljenje koriste jedna, za gasno zavarivanje druga, dok za elektrolučna zavarivanja potreban stepen zacrnjenja zavisi od jačine struje zavarivanja. Preko tamnih zaštitnih stakala postavljaju se komadi običnog providnog stakla istih dimenzija kako rasprsnute kapljice metala ne bi oštetile tamno staklo. Maksimalno dozvoljena težina nadglavne maske je 0,7 kg, ali u novije vrijeme izrađuju se daleko lakše maske i to sa foto osjetljivim staklima tako da nije potrebno skidati masku sa lica jer kad nestane električnog luka stakla postaju normalno providna, a čim se uspostavi električni luk ona pocrne i vrše svoju funkciju zaštite. Rukavice za zavarivače izrađuju se od prirodne kože debljine 1,5-2 mm, a dobro štite od opekotina u slučaju direktnog dodira sa vrućim materijalom kao i od zračenja luka i mehaničkih povreda. U slučaju nadglavnog zavarivanja ne koristi se standardna kožna kecelja, već kecelja sa produženim gornjim dijelom koji prekriva i ramena zavarivača.
Zaštitne
rukavice,
odijelo
i
kecelja
Kada zavarivač radi u sjedećem položaju velika je verovatnoća da mu kapljice istopljenog materijala upadnu u cipelu pa je zbog toga, ali i zbog drugih razloga, neophodna upotreba štitnika za noge i štitnika za cipele tzv. kamašne.
Tipična zaštita pri elektrolučnom zavarivanju; b) Zaštita (zaštitna maska sa respiratorom) pri elektrolučnom zavarivanju
107
Preventivne mere zaštite U preventivne mere zaštite zavarivača spadaju: 1) zaštita od strujnog udara, 2) zaštita od požara i eksplozije; radovi se ne smeju izvoditi u blizini lako zapaljivih materijala, te se treba pridržavati sledećeg: osiguranje nadzora prije, u toku i posle zavarivanja, odstraniti pokretne zapaljive stvari, - nepokretne zapaljive stvari navlažiti vodom, ili ih na drugi način propisno zaštititi, - pripremiti u neposrednoj blizini radnog mjesta sredstva za gašenje požara. 3) preventivne mjere za zaštitu zdravlja zavarivača, u koje spadaju: sistematski zdravstveni pregled (minimalno jednom godišnje), dodatni odmor u zimskom periodu, - povremeni seminari o načinima zaštite na radu. Prva pomoć Prva pomoć u slučaju električnog udara - Uobičajeno je čak i da električni udar visokog napona neće odmah ubiti. Žrtva još uvek može biti oživljena čak i kad mu disanje i otkucaji srca prestanu da rade. Znači u slučaju električnog udara moraju se znati postupci i tačno i brazo obavljati kako bi se sačuvao i spasao život žrtve. Trenutno dejstvo. Prvo je potrebno uklonite izvor električne energije od žrtve. Isključite napajanje ako je moguće, ili koristite suve, električno neprovodne materijale (gumene rukavice, drvene metla itd.) kako bi se odvojila žrtva od električnog izvora. Istovremeno treba paziti da i sami ne postanete žrtva. Započeti prva pomoć na licu mesta. Zvati za pomoć dok neko ne stigne. 1. Položiti žrtvu da leži ravno na leđima popustiti steđuće delove odeće (okovratnik, kravata, kaiš itd). 2. Otvoriti mu usta, proveriti i uklonite veštačke vilice, žvakaće guma itd 3. Proverite je li žrtva diše. Ako nije tako, proverite je li njegovo srce kuca. Otkucaje srca je obično lako osetiti u glavnoj arteriji u vratu, sa obe strane grla, ili ispod brade. Ako srce kuca, ali žrtva ne diše, započeti veštačko disanje. Ako žrtvi srce ne kuca započeti spoljnu srčanu masažu. Nastavite da zovete za pomoć dok neko ne stigne. Spoljna srčane masaža 1. kleknuti pored žrtva. Postaviti zatvorenu šaku jedne ruke na centar grudi. Postaviti drugu ruku na vrh prve. 2. Držeći ruke pravo i koristeći celu svoju težinu, pritisnite dole brzo tako da je kost prsa pomerite na dole 4 ' 5 santimetara, a zatim otpustite pritisak. Ponavljajte ritmički postupak, po jedan ciklus u sekundi. To će biti teško raditi, ali nastavite jer njegov život zavisi od Vas. I ne brinite za razbijanje njegovih rebara — ako preživi, to će se lako zalečiti.
Spoljna srčane masaža
Veštačko disanje
Kombinovano oživljavanje
108
Veštačko disanje 1. kleknuti pored žrtva glave. Stavite jednu ruku ispod vrata i polako podižite, čime njegova glava pada nazad. Ovo će podići njegov jezik i otvoriti put vazduhu ka njegovom grlu. 2. Stavite šake ruke sa druge strane vrata kako bi održali bradu u položaju na više. 3. Upotrebite kažiprst i palac na istoj ruci i stegnite čvrsto nosnice. Otvorite mu usta. 4. Udihnite duboko i pokrijte njegova usta sa vasim. Duvajte duboko u njegova pluća kako bi mu proširili grudi. Pomerite Vaša usta od njegovih kako bi dozvolili vazduhu da izadje iz grudi. Treba da vidite da mu se grudi smanjuju. 5. Ponovite postupak "naduvavanje - izduvavanje" brzinom od oko 12 ciklusa u minuti dok žrtva ne počne da diše normalno. Kombinovanje spoljne srčane masaže i veštačkog disanja Ako ste sami, izvodite jedan ciklus veštačkog disanja na svakih 5 ciklusa spoljne srčana masaže. Ako postoje i druge osobe ya pomoć povređenom, treba izvoditi sspoljnu srčanu masažu dok se izvodi veštačko disanje na svakih pet ciklusa masaže. To je puno efeikasnije sa sve osobe. Nakon što žrtvino srce počne da kuca i on počne da diše, okrenuti ga na bočnu stranu i oslonite ga u tom položaju. Kako mu se svest vraća, on može povraćati i to dozvoljava da tečnost izlazi iz njegovih usta. Odvesti žrtvu u bolnicu što je pre moguće, ali ne prekidajte veštačko disanje i spoljnu masažu srca sve dok srce ne počne normalno da kuca. Literatura: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
Branko N. Lukić Tehnologije zavarivanja u praksi 2002 Užice Vlastimir Palić Zavarivanje 1987 FTN Novi Sad Zavod za zavarivanje, kurs za IWE, 2009 Beograd Institut Goša, kurs za IWE,Beograd 2009 Priručnik za gasno i elektrolučno zavarivanje. Standard SRPS EN 970 Obezbeđenje kvaliteta u zavarivanju,Društvo za unapređenje zavarivanja u Srbiji i Savezni zavod za standardizaciju,Beograd 1996. (8) Dr Dragan Adamović Termička obrada, Mašinski fakultet Kragujevac
109
