1

PRIMJENA ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA PRITISKOM

APPLICATION OF ARC STUD WELDING

Ivan Samardžić * Marko Dunđer **

Zvonimir Kolumbić * * Mechanical engineering faculty in Slavonski Brod

Trg I.B.Mažuranić 18, 35000 Slavonski Brod ** Stjepana Radića 16/4, Novi Travnik, Bosnia and Hercegovina

Ključne riječi: elektrolučno zavarivanje pritiskom, primjena, parametri zavarivanja, greške Key words: arc stud welding, application, welding parameters, failures Sažetak: U radu se obrazlaže princip i primjena elektrolučnog zavarivanja pritiskom. Ovaj je postupak zavarivanja primjenljiv kod niskougljičnih, srednje ugljičnih, visokougljičnih čelika, kod niskolegiranih čelika, toplinski obrađenih konstrukcijskih čelika, visokolegiranih austenitnih čelika, kao i materijala koji nisu na bazi željeza (aluminij, magnezij, bronca ...). Navode se glavni parametri zavarivanja i važniji čimbenici koji utječu na kvalitetu i pouzdanost spojeva zavarenih elektrolučnim postupkom zavarivanja pod pritiskom. Pored toga se pokazuju karakteristični primjeri uspješne primjene ovog postupka zavarivanja s posebnim naglaskom na primjenu u kotlogradnji, te normativi vremena potrebnog za primjenu ovog postupka zavarivanja. Zaključno se obrazlaže pristup optimalizaciji parametara elektrolučnog zavarivanja pritiskom. Abstract: This paper explained principle and application of arc stud welding. This welding process is applicable at welding of low carbon, medium and high carbon steels, high alloyed austenitic steels, heat treated structural steels and nonferrous materials (aluminum, magnesium, bronze ...). The main welding parameters and influence items on quality and reliability of arc stud welds were explained. Beside that, some practical examples of arc stud welding application mostly in steam boiler application and normative were explained. Finally, an approach to optimization of welding parameters at arc stud welding was explained.

1. UVOD U praksi postoje dva osnovna izvora energije koji se koriste za formiranje električnog luka kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka. To su istosmjerni izvori struje za zavarivanje vrlo slični onima koji se koriste kod ručnog elektrolučnog zavarivanja taljenjem i energetski nabijeni kondenzatori. Daleko se više koriste istosmjerni izvori struje za zavarivanje koji kao i kod ručnog elektrolučnog zavarivanja taljenjem (REL) imaju strmo padajuću (CC) karakteristiku. Sličnosti sa elektrolučnim postupcima zavarivanja taljenjem proizlaze iz primjene električnog luka za lokalno taljenje i omekšavanje radnog komada i svornjaka, dok su razlike brojnije.

Elektrolučno zavarivanje svornjaka pritiskom je postupak zavarivanja svornjaka ili sličnog manjeg komada na određeni radni komad, zasnovano na toplini koja se razvija u kratkotrajnom programiranom električnom luku koji lokalno tali i omekšava mjesto spoja, te kratkotrajnom programiranom pritisku koji omogućuje stvaranje fizičke veze u spoju. To je visokoučinski postupak zavarivanja bilo da se radi o poluautomatskom ili automatskom zavarivanju, a njegova je primjena ekonomična za točno određenu primjenu. Početak primjene ovog postupka se veže uz primjenu kod gradnje brodova. Točnije, za postavljanje i fiksiranje drvenih podova i drvene konstrukcije na metalnu konstrukciju unutar broda. Nakon toga ovaj se postupak godinama razvijao i usavršavao, tako da je danas našao primjenu u različitim proizvodnim djelatnostima u građevinarstvu, mostogradnji, kotlogradnji, brodogradnji, automobilskoj industriji i dr. U nastavku će se obrazložiti osnove elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom, s posebnim naglaskom na primjenu u kotlogradnji. 2. PRINCIP ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA SVORNJAKA PRITISKOM

Princip elektrolučog zavarivanja svornjaka pritiskom je u suštini vrlo jednostavan. Postoji nekoliko varijanti postupka ovisno o vrsti izvora energije za zavarivanje (DC izvor struje, nabijeni kondenzator), vrsti zaštite mjesta zavarivanja (keramički prsten, plinska zaštita, bez ikakve zaštite, slika 2), te obliku i stanju površine vrška svornjaka koji se zavaruje. S obzirom na učestalost primjene u praksi, najrasprostranjeniji je postupak zavarivanja sa keramičkim prstenom. Taj je postupak elektrolučnog zavarivanja shematski prikazan na slici 1. Svornjak se stavlja u pištolj koji je sastavni dio uređaja za zavarivanje, potom se na vrh svornjaka postavlja keramički prsten, svornjak sa prstenom se priljubi uz radni komad na kome je predviđeno zavarivanje svornjaka. Nakon toga se u točno određenom trajanju pušta struja, uspostavlja električni luk, svornjak se malo udalji od radnog komada kako bi se uspostavljenim električnim lukom postiglo ravnomjerno zagrijavanje, lokalno taljenje i omekšanje materijala na mjestu spoja, nakon čega djeluje pritisak u određenom trajanju koji potiskuje svornjak i daje konačni oblik zavarenom spoju. Vrijeme gorenja električnog luka i utiskivanje svornjaka u lokalno rastaljeni i omekšani osnovi materijal se automatski kontrolira pomoću upravljačke jedinice koja je sastavni dio opreme za zavarivanje. Zbog činjenice da je ciklus gorenja električnog luka kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom vrlo kratak (vremenski interval gorenja električnog luka ovisi o promjeru svornjaka i iznosi 0,05 do 2 sekunde, no najčešće se kreće ispod jedne sekunde), to ima za posljedicu vrlo mali toplinski input u zavareni spoj u odnosu na konvencionalno elektrolučno zavarivanje taljenjem.

Slika 1. Shematski prikaz principa elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom uz primjenu keramičkog prstena.

-

+DC

-

+DC

3

a) b) c)

Slika 2. Faze nastajanja zavarenog spoja kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom: zavarivanje uz primjenu zaštitnog prstena (a), zavarivanje u zaštitnom plinu (b) kratkotrajno zavarivanje sa ili bez plinske zaštite (c). [1]

4

Prosječan je učinak zavarivanja 5 zavarenih svornjaka u minuti, iako je i 15 zavarenih svornjaka uobičajeno u nekim slučajevima zavarivanja.

Oblik keramičkog prstena ovisi o obliku svornjaka koji se zavaruje. Tako postoji više oblika i vrsta svornjaka kao i keramičkih prstena. Uloga keramičkog prstena je višenamjenska:

- koncentrira toplinski input na usku zonu, - ne dopušta «istiskivanje» rastaljenog materijala u stranu - sprečava pregrijavanje i stvaranje uključaka i zavaru, - doprinosi pravilnom formiranju oblika zavarenog spoja, - štiti zavarivača i okolinu od štetnog utjecaja električnog luka za oči.

Najčešće korišteni materijali za svornjake su niskougljični čelik, nerđajući čelik i aluminij. Ostali materijali koriste se za posebne slučajeve. Oprema za zavarivanje se sastoji od pištolja za zavarivanje, upravljačko kontrolne jedinice za vrijeme i jakost struje zavarivanja, DC izvora struje za zavarivanje sa strmo padajućom karakteristikom i odgovarajućih kabela za zavarivanje. 2.1 Glavni su parametri kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom Glavni su parametri kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom:

• jakost struje zavarivanja, (A) • trajanje gorenja električnog luka kod zavarivanja, (s) • veličina pomaka (posmaka) svornjaka, (mm) • snaga opruge, (N) ili brzina utiskivanja svornjaka, (mm/s) • protok zaštitnog plina kod zavarivanja u zaštiti plinova

Jakosti struje za zavarivanje i trajanje zavarivanja ovise o promjeru svornjaka koji se zavaruje (slika 3). Jakost struje, A

Trajanje zavarivanja, ciklusi (60 ciklusa=1 sekunda)

Slika 3. Dijagram za određivanje jakosti struje zavarivanja i trajanja zavarivanja ovisno o promjeru

svornjaka. [2] 2.2. Aktivnosti na osiguranju kvalitete zavarenih spojeva Za dobivanje kvalitetnog zavarenog spoja nužni su odgovarajući materijali kako za svornjak tako i za poziciju/sklop na koji se zavaruje svornjak. Pored toga nužna je odgovarajuća oprema za zavarivanje, postavke parametara zavarivanja, odgovarajuća procedura za zavarivanje (WPS) i uvježbani operater.

Odgovarajuće postavke parametara zavarivanja podrazumijevaju podešavanje odgovarajućeg povratnog hoda (posmaka) svornjaka u odnosu na keramički prsten, te podešavanje jakosti struje i vremena zavarivanja. Kvaliteta zavarenih spojeva usko je povezana sa pažnjom koja

5

se posvećuje kontroli utjecajnih čimbenika na kvalitetu procesa zavarivanja. Prije zavarivanja potrebno je:

- imati odgovarajući izvor DC struje sa strmo padajućom karakteristikom za određenu veličinu i tip svornjaka koji se zavaruje,

- osigurati dobro spajanje «masenog» kabela na radni komad, - imati kabele za zavarivanje odgovarajuće duljine i vodljivosti, - koristiti odgovarajuće keramičke prstene, - osigurati odgovarajuće napuštanje svornjaka u odnosu na keramički prsten, te odgovarajući

povratni hod pištolja za zavarivanje (posmak) u cilju optimalnog vođenja procesa zavarivanja (napušteni dio svornjaka se tali u električnom luku što je potrebno uzeti u obzir kod podešavanja parametara zavarivanja, duljina napuštanja svornjaka ovisi u prvom redu o promjeru svornjaka pa prema tome i jakosti struje zavarivanja). Npr. za promjer svornjaka od 5 do 13 mm napuštanje svornjaka je oko 3 mm, dok je za promjer od 16 do 22 mm napuštanje oko 5 mm.

- držanje pištolja u odgovarajućem položaju tijekom zavarivanja (obično je to okomiti položaj u odnosu na radni komad). Nepoželjni pomaci tijekom zavarivanja mogu uzrokovati greške u zavarenom spoju.

- čišćenje površina koje će biti u zoni zavarenog spoja, - držati opremu za zavarivanje u urednom i ispravnom stanju, - provoditi ispitivanja kvalitete zavarenih spojeva i odabranih parametara zavarivanja prije

početka rada (vizualna kontrola kvalitete i mehanička ispitivanja). Na slici 4, pored ispravno zavarenog spoja (slika A) prikazane su karakteristične greške koje mogu nastati kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom (slike B do F).

Slika 4. Izgled zavarenih spojeva zadovoljavajuće (A) i nezadovoljavajuće kvalitete (B do F).

Nedovoljno «uranjanje» svornjaka (B), «ovješenje» svornjaka (C), loše poravnanje (D), nedovoljan toplinski input (E), prevelik toplinski input (F). [2]

Greška tipa B može biti posljedica puhanja električnog luka. «Ovješenje» svornjaka može nastati kod nepravilnog izbora vrijednosti napuštanja svornjaka i povratnog hoda (posmaka). Greška tipa D posljedica je nepravilnog položaja pištolja sa svornjakom u odnosu a radni komad tijekom zavarivanja, dok su greške tipa E i F posljedica nepravilnog toplinskog inputa koji je rezultat djelovanja određene jakosti struje u odabranom vremenu zavarivanja. Mehanička ispitivanja podrazumijevaju najčešće savojno i vlačno ispitivanje. Rezultati ispitivanja i kriteriji prihvatljivosti ovise u prvom redu o materijalima koji se zavaruju, o zahtjevima za kvalitetu te o odabranim parametrima zavarivanja.

6

3. PRAKTIČNI PRIMJER ZAVARENIH SPOJEVA ELEKTROLUČNIM ZAVARIVANJEM SVORNJAKA PRITISKOM U KOTLOGRADNJI U nastavku se daju karakteristični primjer primjene elektrolučnog postupka zavarivanja svornjaka u kotlogradnji. Svornjaci se zavaruju na cijevne stjenke ili oplate kotlova. U pravilu su od čelika koji su postojani na visoke temperature u dugom vremenskom periodu i uvjetno su zavarljivi. Ovisno o obliku i dimenzijama svornjaka u jednoj se smjeni zavari do 1000 svornjaka.

Slika 4. Prikaz zavarivanja svornjaka na cijevni zid 4. ZAKLJUČAK Elektrolučni postupak zavarivanja svornjaka može se svrstati u specijalne postupke zavarivanja zbog različitosti u odnosu na konvencionalne elektrolučne postupke zavarivanja. To je ujedno i visokoučinski postupak zavarivanja, bilo da se radi o poluautomatskom ili automatskom zavarivanju. U radu se obrazlaže princip elektrolučnog zavarivanja svornjaka, a navedeni su i osnovi parametri kod ovog postupka zavarivanja, te uobičajene greške koje se mogu pojaviti zbog nepravilno odabranih parametara zavarivanja ili nepridržavanja mjera osiguranja kvalitete. Zaključno se navode neki primjeri primjene ovog postupka zavarivanja u kotlogradnji. Literatura 1. Köco – Bolzenschweissen, prospekt proizvođača opreme za elektrolučno zavarivanje

svornjaka. 2. Kearns,W.H. Welding Handbook. 7th edition, volume 2. «Welding processes – arc and

gas welding and cutting, brasing and soldering». AWS, 1978, page 264-290. 3. Howard,B.Cary. Modern welding technology. 1979 by Prince-Hall Inc. Englewood Cliffs,

N.J. 07632. ISBN 0-13-599290-7, page 119-126. 4. Dokumentacija tehnološkog odjela za zavarivanje tvornice Austrian energy, Slavonski

Brod, HR.