pred. 04.-05.tehnologija zavarivanja -toplotni osnovi zavarivanja

Toplotni osnovi zavarivanjaOpšte

Toplota igra bitnu ulogu pri zavarivanju, kako u pogledu omogućivanja spajanja tako i u pogledu proizvodnosti procesa i kvaliteta spoja. Procesi se odigravaju veoma brzo, u velikom temperaturnom intervalu (od oko – 20°C pri mrazu, do oko 3000°C – temperaturi isparavanja metala). U tom kratkom razmaku vremena nastupa: topljenje osnovnog i dodatnog materijala, metalurške reakcije u rastopu, kristalizacija rastopljenog metala, strukturne i zapreminske promene u dodatnom i osnovnom metalu. Da bi mogli da upravljamo metalurškim procesima koji se pod uslovima zavarivanja odigravaju s jedne strane i procesima deformacija i napona usled zavarivanja s druge strane, treba znati kako na njih deluju parametri zavarivanja, u prvom redu dejstvo izvora toplote, u našem slučaju električnog luka.

Najznačajni elektrolučni postupci zavarivanja

Naziv postupkazavarivanja

Skraćeno OznakaPolje primene

t [mm] Materijali

Elektrolučno zavarivanjesa obloženomelektrodom

E 111 3-50nelegirani,

niskolegirani i finozrni visokovredni čelici

Elektrolučno zavarivanjepod zaštitnim prahom

EPP 12 4-80nelegirani i

niskolegirani čelici

Elektrolučno zavarivanjeelektrodnom žicom podzaštitom inertnog gasa

MIG 131 4-24

nelegirani <0,22%C)i niskolegirani

(0,35%C) čelici i Al-legure

Elektrolučno zavarivanjeelektrodnom žicom podzaštitom aktivnog gasa

MAG 135 <30 nelegirani iniskolegirani čelici

Elektrolučno zavarivanjenetopljivom elektrodompod zaštitom inertnog

gasa

TIG 141 <12visokolegirani čelici

i Al-legure

Pod pojmom elektrolučnog zavarivanja podrazumevaju se postupci zavarivanja koji kao izvor toplote koriste električni luk uspostavljen između elektrode i osnovnog materijala, a dodatni materijal je sama elektroda (postupci sa topljivom elektrodom) ili žica za zavarivanje (postupci sa netopljivom elektrodom). Konvencionalni postupci elektrolučnog zavarivanja su E (obložena elektroda), MAG/MIG (topljiva elektrodna žica u zaštiti inertnog ili aktivnog gasa), TIG (netopljiva elektroda i dodatni materijal oblika žice, u zaštiti inertnog gasa), EPP (topljiva elektrodna žica pod praškom) i zavarivanje punjenom elektrodnom žicom u zaštiti gasa ili bez nje (samozaštitna žica). Svaki od ovih postupaka koristi toplotu električnog luka za topljenje dodatnog i osnovnog materijala i odgovarajuće izvore električne struje (uređaje za zavarivanje). Topljenje dodatnog materijala i njegov prenos u metalnu kupku je praćen pojavom sila, kao što su elektromagnetna i gravitaciona, sile od strujanja i eksplozije gasova, sila od pritiska plazme i sila od površinskog napona, koje bitno utiču na proces zavarivanja.

Električna moć luka Električni luk je stabilno električno pražnjenje

(usmereno kretanje elektrona) kroz jonizovani vazduh ili gas. Da bi vazduh bio jonizovan u njemu moraju da postoje elektroni i joni, koji svojim usmerenim kretanjem obezbeđuju protok električne struje. Elektroni i joni u vazduhu nastaju kao posledica procesa koji se odvija pri uspostavljanju električnog luka.

Električna moć luka srazmerna je proizvodu pada napona u luku (U) i jačine struje (J). Ova energija se pretvara u toplotnu. Toplotni ekvivalent električne moći jednak je Q=0,24 UJ kal/sec. Ako se toplotna moć luka meri u đžulima onda je cal=4,1855 Joul pa je Q=UJ džaul/sec.

Slika rasporeda napona električnog luka pri zavarivanju

S obzirom na karakterističan pad napona 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, pozicije (1) i (5). U atmosferi stuba luka se nalaze elektroni, kao i pozitivni i negativni joni, koji su ukupno električno neutralni. U oblasti katodne mrlje oslobađaju se elektroni, potrebni za održavanje struje u stubu luka. Na osnovu vrednosti katodnog (Uk) i anodnog (Ua) 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 Ul= Uk+Usl+Ua

gde je Usl pad napona u stubu luka. Ukupni pad napona i dužina luka su povezani izrazom

Ul=a+b l⋅gde je a koeficijent anodnog i katodnog pada napona, koji ne zavisi od

dužine luka l, a b srednji pad napona po jedinici dužine luka. Pad napona luka (U) nije konstantan na dužini luka, već se sastoji od

pada napona u katodnoj i anodnoj mrlji i pada napona duž dužine luka. Kako razvijanje toplote srazmerna lokalnom padu napona, to proizilazi da je u katodnoj i anodnoj mrlji koncetrisana velika količina toplote.

Usled neizbežnih gubitaka koji se javljaju, uzima se u račun uvođenjem koeficijenta korisnog dejstva η. Koeficijent korisnog dejstva je dakle odnos toplote koja se preko luka uvodi u komad koji se zavaruje, prema toplotnom ekvivalentu snage električnog luka.Tako da je efektivna toplotna moć luka:

JUQ C

Pri zavarivanju električnim lukom obloženim elektrodama i pri zavarivanju u zaštitnim gasovima, moć luka iznosi 4 do 10 Kw, a pri zavarivanju EPP 10 do 50 Kw. Vrednost koeficijenta ηe za razne vrste zavarivanja data je u tabeli.

Vrste zavarivanja

Zavarivanje topljenom

elektrodom(obloženom) EPP TIG MIG (argon)

vrednost ηe 0.70 do 0.85srednje 0.75

0.80 do 0.95 – 0.99 0.22 – 0.48 0.66 do 0.69

vrsta struje naizmenična naizmenična naizmenična jednosmerna

Efektivna moć električnog luka troši se na grejanje i topljenje osnovnog i dodatnog materijala, topljenje obloge i praha, topljenje osnovnog metala i već deponovanog dodatnog metala. Grejanje i topljenje elektrode odnosno žice, ostvaruje se na račun energije koja se stvara

1) u katodnoj mrlji koja se nalazi na vrhu elektrodne šipke

(odnosno žice), kao i 2). Džaul – Lencovoj toploti koja se javlja pri prolazu struje

kroz žicu.

Toplotno-fizičke karakteristike metalaU toplotnim proračunima javljaju se još i sledeće fizičke veličine

koje ulaze u obrasce za toplotno ponašanje metala pri zavarivanju:

λ – koeficijent provođenja toplote; c – specifična toplota; cγ – zapreminska toplota; – koeficijent toplotne difuzije;A – koeficijent površinskog odavanja toplote (zračenjem i

konvekcijom) b – koeficijent odavanja toplote u okolnu sredinu.

c

a

Osnovna pretpostavka je, da su koeficijent provođenja toplote i specifična toplota, koeficijenti nezavisni od temperature što na slici pokazuje da to nije slučaj .

0.036

0.048

0.06

0.012

TºC80040000

Ccm

Jsec

Slika pokazuje koeficijent provođenja toplote za različite vrste čelika u funkciji od temperature

1 – elektrolitično železo2 – nisko-ugljenični čelik sa 0,1%C3 – ugljenični čelik: 0,45%C; 0,08%Si; 0,07%Mn4 - niskolegirani hrom čelik: 0,10%C; 0,02%Si;

0,4%Mn; 4,98%Cr5 - hromov čelik: 1,52%C; 0,38%Si; 0,38%Mn;

13,1%Cr6 – hrom-nikl nerđajući čelik: 0,15%C; 0,19%Si;

0,26%Mn; 8,04%Ni; 17,8%Cr.

Računske šeme zagrevanja tela električnim lukom

Diferencijalna jednačina provodljivosti toplote u jednoj tački tela, na osnovu Furijeovog zakona provođenja toplote, glasi:

Pod uslovom da možemo uzeti da su λ i cγ konstantni, izraz može da se napise:

Ako je Laplasov operator ( ) pozitivan, toplota se dovodi elementarnom paralopipedu, a ako je negativan, toplota se odvodi ka susednim tačkama. Iz poslednjeg obrasca vidi se da je brzina promene temperature u posmatranoj tački proporcionalna Laplasovom operatoru koji pokazuje promene temperature date tačke.

дt

дT

дz

д

дt

дT

дy

д

дt

дT

дx

д

дt

дTc

Taдz

Tд

дy

Tд

дx

Tд

cдt

дT 22

2

2

2

2

2

Analitički se metod može primeniti jedino u slučaju linearnih diferencijalnih jednačina, to jest u našem slučaju ako su kojeficijenti λ, cγ, a i a konstantni, što znači nezavisni od temperature.

Za niskougljenične čelike treba za λ, cγ i a uzimati vrednost za 500-600°C, a za kojeficijent površinskog odavanja toplote A, za temperaturu od 200 do 400 °C.

Plazma je električno provodljiv, disocirani i visokojonizovani gas, tj. intenziviran elek-trični luk. Plazma luk nastaje u specijalnom plazma gorioniku – plazmatronu, koji se u osnovi sastoji od elektrode, mlaznice i izolatora između njih.

Fronius PLAZMA proces karakteriše veoma velika gustina električnog luka koja rezultira malim zavarivačkim kupatilom i veoma uskom zonom uticaja toplote (ZUT) pa je moguće zavariti materijale do 10mm debljine u samo jednom prolazu bez prethodne pripreme spoja i obaranja ivica. Rezultat je impresivan. Postiže se izuzetno velika brzina zavarivanja čak i na debelim osnovnim materijalima uz istovremeno minimalno rasprskavanje. Zavareni spojevi su apsolutno BEZ POROZITETA!

Zbog ovakvih rezultata PLAZMA postupak nosi nadimak “Kraljevska disciplina zavarivanja”

Laplasov operator, u matematici, je eliptički diferencijalni operator drugog reda. Ima brojne primene širom matematike, te u fizici, elektrostatici, kvantnoj mehanici, obradi snimaka, itd. Nazvan je po francuskom matematičaru Pjeru Simonu Laplasu.

Strukturne promene u zoni šavaKarakteristične zone:1 Rastopljen dodatni materijal;2 Rastopljen osnovni materijal;3 Dugo na visokim temperaturama(porast austenita);4 Dugo zagrejana – brzim hlađenjem –martenzitna struktura (trda i krta), a sorim hlađenjem feritno-perlitna struktura;5 Rekristalizacija – sitnozrna struktura;6 Kratkotrajno zagrevanje – početak rekristalizacije (razlaganje perlita);7 Bez strukturnih promena;