Doktorat PhD Thesis Marjan Suban

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA

TOKA

Doktorsko delo

Predložil Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani

za pridobitev znanstvenega naslova doktor znanosti

Marjan Suban

Mentor: izr. prof. dr. Janez Tušek, univ. dipl. inž.

Ljubljana, 2004

Odločba podiplomske komisije

Z A H V A L A

V prijetno dolžnost si štejem, da se lahko zahvalim mentorju izr.prof.dr. Janezu Tušku,

univ.dipl.inž. za vodstvo, pomoč in strokovne nasvete pri raziskovalnem delu ter izdelavi

pričujoče doktorske naloge.

Veliko znanja in pomoči sta pri pripravi varilne opreme ter preizkuševališča nudila Miro

Uran, univ.dipl.inž. in Aleksander Bon, inž. Za pomoč pri pripravi varjencev in

makroobrusov se zahvaljujem dobremu prijatelju Zdravku Kovačeviču.

Zahvaliti se moram tudi prof.dr. Janezu Možini, univ.dipl.inž., ki je z dobro voljo in

vztrajnostjo pripomogel, da sem se naloge lažje in odločneje lotil.

Večji del naloge je financiralo Ministrstvo za znanost in tehnologijo, delno pa tudi

Fakulteta za strojništvo in Institut za varilstvo. Vsem navedenim se za materialno pomoč

pri izdelavi doktorske naloge zahvaljujem.

En velik HVALA pa tudi moji družini, ženi Andreji in sinu Nejcu, za potrpljenje in zamujene skupne urice našega življenja. Hvala vsem.

Marjan Suban

Tek. štev.: Dr/264 UDK 621.791.75:621.791.753.9 Marjan Suban RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA TOKA Ključne besede:

• obločno varjenje • MIG/MAG načini varjenja • varilna oprema • zaščitni plin • masivna žica • analiza procesa • prehajanje materiala • talilni učinek • matematični model • oblika prereza navara

Izvleček:

V pričujoči doktorski nalogi je poudarek na razvoju nove varilne opreme ter raziskavi tehnologije pulznega varjenja s tremi žicami v zaščitnem plinu. Osnovni namen raziskav je povečanje produktivnost navarjenja z uporabo več žic. V prvem delu naloge je podan pregled literature o načinih varjenja z več žicami. Na osnovi praktično izvedenih preizkusov z navarjanjem z eno, dvema in tremi žicami je v drugem delu naloge izvedena analiza procesa varjenja. Iz analize procesa varjenja je možno sklepati na način prehajanja materiala in stabilnost varilnega procesa. V tretjem delu naloge je analizirana produktivnost načina varjenja oz. pretaljevanje dodajnega materiala. V tem delu naloge so izdelani matematični modeli napovedi talilnega učinka za pulzno varjenje z več žicami. Zadnji del naloge je namenjen raziskavi vpliva na obliko prečnega prereza navara in stopnjo razmešanja. Podani so tudi praktični rezultati navarjenja. Razvita varilna oprema zadovoljuje vse zahteve za stabilno pulzno varjenje z več žicami. Doseženo je povečanje produktivnosti ter zmanjšanje stopnje razmešanja.

No.: Dr/264 UDC 621.791.75:621.791.753.9 Marjan Suban DEVELOPMENT OF DEVICE AND WELDING TECHNOLOGY FOR WELDING WITH THREE WIRES WITH COMMON POWER SOURCE Key words:

• arc welding • MIG/MAG welding processes • welding equipment • shielding gas • solid wire • process analysis • material transfer • melting rate • mathematical model • shape of weld cross section

Abstract:

The present PhD thesis concerns design and development of welding equipment and research of gas shielded pulsed welding technology using three wires. The purpose of the research is to increase surfacing productivity using multiple-wire welding. The first part of the thesis comprises a survey of literature on multiple-wire welding processes. On the basis of practical tests of surfacing with one, two and three wires a welding process analysis is given in the second part. The welding process analysis permits us to draw some conclusions as to the mode of material transfer and welding process stability. In the third part of the thesis the welding process productivity and the melting of a filler material are analysed respectively. Also mathematical models for prediction of melting rate are presented in this part. The last part of the work deals with the influence on the shape of the weld cross section and mixing rate. Some practical examples are shown. The welding equipment developed satisfied all the demands for stable pulsed welding using multiple-wire and it results in an increase of productivity and a decrease of mixing rate.

RAZVOJ NAPRAVE IN TEHNOLOGIJE VARJENJA S TREMI ŽICAMI S SKUPNIM VIROM VARILNEGA TOKA 6

KAZALO

Stran:

KAZALO 6

UPORABLJENE KRATICE IN SIMBOLI 9

UVOD 11

1. PREGLED LITERATURE 12

1.1 ZGODOVINSKI PREGLED VARJENJA 12 1.2 VARILNI OBLOK 12

1.2.1 SPLOŠNO 12 1.2.2 OSNOVE VARILNEGA OBLOKA 13

1.2.2.1 Katodno področje 14 1.2.2.2 Steber obloka 14 1.2.2.3 Anodno področje 15

1.2.3 STATIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA 15 1.2.4 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA 17 1.2.5 PREHAJANJE MATERIALA SKOZI VARILNI OBLOK 17

1.2.5.1 Sile v varilnem obloku pri prehodu materiala 17 1.2.5.2 Klasifikacija prehajanja materiala 20

1.3 OSNOVE NAČINOV VARJENJA V ZAŠČITNEM PLINU S TALJIVO ELEKTRODO 22 1.3.1 TALILNI UČINEK 23 1.3.2 ZAŠČITNI PLIN 26

1.3.2.1 Razdelitev zaščitnih plinov 26 1.3.2.2 Fizikalne lastnosti zaščitnih plinov 27 1.3.2.3 Vpliv zaščitnega plina na prehod materiala 28 1.3.2.4 Vpliv zaščitnega plina na normirani talilni učinek 29 1.3.2.5 Vpliv zaščitnega plina na obliko vara 30

1.3.3 DODAJNI MATERIAL 30 1.4 PULZNO VARJENJE 31

1.4.1 PRŠEČ, KAPLJIČAST IN KRATKOSTIČEN PREHOD MATERIALA PRI MIG/MAG VARJENJU 31 1.4.2 MIG/MAG PULZNO VARJENJE 31 1.4.3 PREDNOSTI PULZNEGA MIG/MAG VARJENJA 33

1.4.3.1 Učinek parametrov pulziranja na proces 33 1.4.4 PREHAJANJE MATERIALA PRI PULZNEM VARJENJU 35 1.4.5 DRUGE OBLIKE MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA 36 1.4.6 PREDNOSTI IN SLABOSTI MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA 37

1.5 OPREMA ZA MIG/MAG PULZNO VARJENJE 37 1.5.1 MODERNI VIRI 39 1.5.2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI 40 1.5.3 TIRISTORSKI VIRI ENERGIJE 41 1.5.4 TRANZISTORSKI VIRI ENERGIJE 41 1.5.5 INVERTERSKI VIRI ENERGIJE 42 1.5.6 ZNAČILNOSTI VIROV ENERGIJE 42

1.5.6.1 Dinamična karakteristika vira energije 43


1.5.6.2 Dinamika pulznega toka 43 1.6 VISOKOPRODUKTIVNA OBLOČNA VARJENJA 44

1.6.1 UVOD 44 1.6.2 NAČINI VARJENJA Z VEČ ŽICAMI 45

1.6.2.1 Pregled stanja in trenutna situacija 45 1.6.2.2 Problemi varjenja z več žicami 51

2. RAZVOJ OPREME ZA VARJENJE 54

2.1 ZAHTEVE ZA VARILNO OPREMO 55 2.2 OSNOVNI PRINCIP 55 2.3 OPIS SESTAVNIH DELOV VARILNE OPREME 56

2.3.1 OSNOVNI VIR ENERGIJE 56 2.3.2 SEKUNDARNI MOČNOSTNI DEL 58 2.3.3 KRMILJE SEKUNDARNEGA MOČNOSTNEGA DELA 60 2.3.4 PODAJALNI MEHANIZEM IN CEVNI PAKET 62 2.3.5 GORILNIK 63

2.4 OPIS PROGRAMIRANJA 65 2.5 DOLOČEVANJE PULZNIH PARAMETROV VARJENJA 67

3. EKSPERIMENTALNA OPREMA, MATERIALI IN METODE 70

3.1 VARILNA NAPRAVA 70 3.2 MERILNA SHEMA IN METODE MERJENJA 71 3.3 OSNOVNI, DODAJNI IN POMOŽNI MATERIALI 74

4. RAZISKAVA PREHAJANJA MATERIALA 75

4.1 UVOD 75 4.2 ANALIZA PROCESOV VARJENJA 77

4.2.1 PULZNO VARJENJE Z ENO ŽICO 77 4.2.2 PULZNO VARJENJE Z DVEMA ŽICAMA 84 4.2.3 PULZNO VARJENJE S TREMI ŽICAMI 86

4.3 RAZISKAVA PULZNEGA PREHAJANJA MATERIALA 93 4.4 VNOS TOPLOTE V PROSTI KONEC ŽICE 95

5. RAZISKAVA PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA 99

5.1 TALILNI UČINEK 99 5.1.1 VPLIV JAKOSTI VARILNEGA TOKA 100 5.1.2 VPLIV DOLŽINE PROSTEGA KONCA ŽICE 101 5.1.3 MATEMATIČNI MODEL TALILNEGA UČINKA 104

5.2 RELATIVNI IZKORISTEK PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA 110

6. TEHNOLOŠKA RAZISKAVA NAVARA 113

6.1 ANALIZA OBLIKE NAVARA 113 6.2 PREDSTAVITEV POGOSTIH NAPAK 117

7. ZAKLJUČKI IN SMERNICE ZA NADALJNJE DELO 121

7.1 ZAKLJUČKI 121


7.2 DOPRINOS K ZNANOSTI 122 7.3 SMERNICE ZA NADALJNJE DELO 122

LITERATURA 123

PRILOGE 128

PRILOGA 1 128 PRILOGA 2 132


UPORABLJENE KRATICE IN SIMBOLI Kratice:

EPP - Elektroobločno Pod Praškom EPŽ - Elektro Pod Žlindro GMAW - Gas Metal Arc Welding IIS - Institut International de la Soudure IIW - International Institute of Welding MAG - Metal Active Gas MAGM - Metal Active Gas Mixed MIG - Metal Inert Gas MSG - Metal-SchutzGasschweiβen RO - Ročno Obločno TIG - Tungsten Inert Gas T.I.M.E. - Transferred Ionized Molten Energy Simboli:

ag - statistična teža atoma aip - statistična teža pozitivnih ionov b [mm] - razdalja med sosednima žicama bn [mm] - širina navara d [mm] - premer varilne žice dk [mm] - premer kapljice e0 [As] - osnovni naboj elektrona E [V/m] - gradient napetosti Ep [J/g] - energija potrebna za pretalitev 1 g jekla f [Hz] - frekvenca pulziranja ft [/] - faktor oblike temena navara fu [/] - faktor oblike uvara F [N] - sila Fp [%] - polnilni faktor g [m/s2] - gravitacijski pospešek h [Js] - Planckova konstanta H [J/mm3] - vnesena toplota HL[J/mm3] - vnesena toplota v prosti konec žice hn [mm] - višina temena navara I [A] - jakost varilnega toka Ik [A] - jakost kratkostičnega toka Im [A] - srednja jakost varilnega toka pri pulziranju Io [A] - jakost osnovnega toka Ip [A] - jakost pulznega toka j [A/mm2] - gostota toka k [J/K] - Boltzmannova konstanta L [mm] - dolžina prostega konca žice LK [mm] - razdalja med kontaktno šobo in varjencem Lo [mm] - dolžina obloka M [kg/h] - talilni učinek


Mr [g/s] - količina izparene kovine Mk [g] - masa kapljice me [g] - masa elektrona mp [g] - masa varjenca pred varjenjem mv [g] - masa varjenca po varjenju mzice [g] - masa žice n [/] - št. varilnih žic p [%] - verjetnost dogodka pn [mm2] - površina prereza temena navara pu [mm2] - površina prereza uvara Qa [W] - toplota generirana na anodi Qc [W] - toplota generirana na katodi Qk [J/g] - energija kapljice po odcepitvi rk [mm] - polmer kapljice rv [mm] - polmer vrata varilne žice rz [mm] - polmer varilne žice S [mm2] - presek varilne žice SR [%] - stopnja razmešanja T [oC], [K] - temperatura t [s] - čas tk [s] - čas kratkega stika to [s] - čas trajanja osnovnega toka tp [s] - čas trajanja pulznega toka tv [s] - čas varjenja u [mm] - globina uvara U [V] - napetost obloka U0 [V] - napetost prostega teka UA [V] - anodni padec napetosti UC [V] - katodni padec napetosti UE [V] - prielektrodni padec napetosti Vk [mm3] - prostornina kapljice vk [m/s] - hitrost kapljice med preletom vr [m/s] - hitrost kovinskih par vv [m/min] - hitrost varjenja vž [m/min] - hitrost podajanja varilne žice Xi [/] - stopnja ionizacije η [%] - relativni izkoristek pretaljevanja dodajnega materiala α [Ωmm] - specifična upornost prostega konca žice β [J/g] - toplotna energija v žici pri sobni temperaturi γ [o] - kot tangente iz fazne meje na površino temena navara ϕp [s] - fazni zamik med pulzi ρ [kg/m3] - gostota σ [N/m] - površinska napetost ν [s-1] - frekvenca elektromagnetnega valovanja Φ [V] - izstopno delo elektronov µ0 [Vs/Am] - permeabilnost


UVOD MIG/MAG način varjenja je daleč najbolj razširjen postopek elektro obločnega varjenje. Hiter razvoj MIG/MAG načinov varjenja se je začel po drugi svetovni vojni zaradi pospešenega razvoja industrije, ki mu je botrovala potreba po uvajanju novih tehnologij in tehnik spajanja kovin. Način varjenja je primeren za različne naloge, z njim pa dosegamo visoko kakovost varov. Na tem področju so tudi stalno potekale različne raziskave, katerih rezulat je bil pojav pulznega varjenja, novi načini visokoproduktivnega varjenja (T.I.M.E., RAPID ARC, ...) ter načini varjenja z več žicami. Temu razvoju sem želel slediti tudi s temo te doktorske naloge, pulzno varjenje s tremi žicami. Naloga raziskovalcev s področja razvoja načinov varjenja je torej jasna: povečati produktivnost načinov varjenja, pri tem naj se kakovost zvarnega spoja ne spremeni, zaželeno pa je celo izboljšanje. Raziskovalci so uporabili zelo različne pristope, med katerimi lahko naštejemo naslednje: • varjenje s podaljšanim prostim koncem žice; • uporaba dodatne hladne ali vroče žice; • večžična elektroda; • več elektrodnih glav; • uporaba dodatnega kovinskega prahu. Glede na to, da so se v zadnjem času pojavili razni raziskovalci in proizvajalci, ki opisujejo tudi varjenje z dvema žicama pri varjenju v zaščiti plina in je pri njih v ospredje postavljeno dejstvo o povečanju produktivnosti, smo tudi sami želeli raziskati številne teoretične in praktične neznanke pri teh načinih varjenja. Razvoj večžičnega varjenja v zaščitnem plinu sledi razvoju večžičnega varjenja pod praškom. Obstajata dve varianti: prva z dvema ali tremi žicemi, ločene kontakne šobe, viri energije, podajalne enote ter druga s skupno kontaktno šobo, enim virom energije in skupno podajalno enoto. V doktorski nalogi je opisan sistem s tremi žicami, ločenimi kontaktnimi šobami, ločene podajalne enote ter en vir energije z ustreznim krmiljem. Dobljeni rezultati so zadovoljivi in nakazujejo, da bo mogoče tak način varjenja kmalu uporabiti v praksi. Po podatkih iz domače in tuje literature je očitno, da je raziskav, ki proučujejo omenjene načine varjenja, relativno malo, kar je tudi razumljivo, saj so načini varjenja z več žicami v zaščitnem plinu šele na začetku razvoja. V večini dosedanjih opisanih raziskav je bil poudarek predvsem na konstrukciji samega vira energije in manj na tehnoloških parametrih procesa. Še posebej skopo pa so opisani produktivnost načina varjenja ter vplivi nanjo. Raziskava, ki smo jo izvedli, je ločena na tri faze: • razvoj varilne opreme za pulzno varjenje s tremi žicami; • opis in raziskava tehnologije varjenja v zaščitnem plinu s tremi žicami; • modeliranje procesa ter izdelava enačb za napoved talilnega učinka. V okviru doktorske naloge je bil torej zajet razvoj vira energije, predvsem sekundarnega močnostnega dela, podajalnega mehanizma in gorilnika. Na osnovi izdelane varilne naprave so bila opravljena tudi številna varjenja, ki jim je sledila analiza procesa varjenja, na katerega vplivajo številni varilni parametri. Vse to vpliva tudi na način prehajanja materiala. V nadaljevanju naloge je podana raziskava pretaljevanja dodajnega materiala, ki na osnovi talilnega učinka prikazuje produktivnost načinov varjenja, prikazani pa so tudi pripadajoči matematični modeli za napoved talilnega učinka pri varjenju z eno, dvema, tremi in n-žicami. Zadnji del naloge je namenjen dogajanju v talini vara oziroma o vplivu na obliko navara in najbolj pogoste napake navara, ki smo jih opazili v razvojni fazi projekta. Razvoj varilne opreme, priprava varjencev za raziskave, priprava eksperimentalnega mesta ter raziskave varilnega procesa so potekali na Institutu za varilstvo v Ljubljani. Fakulteti za strojništvo pa gre zahvala za nabavo vitalnih delov varilne opreme.


1. PREGLED LITERATURE

1.1 ZGODOVINSKI PREGLED VARJENJA Varjenje oz. spajanje materialov se je razvijalo vzporedno z razvojem znanja o materialih. Kljub temu pa je bilo do leta 1880 malo znanih postopkov spajanja materiala (spajkanje in kovaško varjenje). S pojavom elektrike se je pojavila tudi možnost uporabe električnega obloka za varjenje. Prvič je oblok za varjenje uporabil N.N. Benardos leta 1882. Že leta 1885 sta N.N. Benardos in S. Olszewski v Franciji, Veliki Britaniji, Nemčiji in na Švedskem patentirala postopek elektroobločnega varjenja z ogleno elektrodo ob istočasnem dodajanju žice kot dodajnega materiala [44]. Začetki oplaščene elektrode segajo v letu 1907, izum pa pripada Kjellbergu [44]. Leta 1948 je bil v ZDA razvit elektroobločni način varjenja v zaščiti inertnega plina (helij ali argon) s taljivo elektrodo ali kratico MIG ("Metal Inert Gas"). Postopek je bil patentiran leta 1949. V začetku so ga uporabljali predvsem za varjenje aluminija in njihovih zlitin, a se je kasneje uporaba razširila tudi na varjenje drugih kovi. V letih 1951/52 je Ljubovskij v nekdanji ZSSR poskusil namesto inertega plina uporabiti veliko cenejši plin ogljikov dioksid. Za razliko od helija ali argona je ogljikov dioksid aktiven plin, zato so način varjenja poimenovali s kratico MAG ("Metal Active Gas"). Ta način varjenje je bil primeren zlasti za varjenje malolegiranih jekel. Kot dodajni material so se uporabljale masivne žice, vendar so se zelo kmalu pojavile tudi strženske žice. S ciljem izboljšanja fizikalno metalurških lastnosti vara so se že takoj po 60-tih letih začele uporabljati tudi mešanice plinov argon, helij, ogljikov dioksid in kisik. Na osnovi problemov prehajanja materiala (predvsem brizganje), ki nastopa pri tem načinu varjenja, so konec 60-tih let razvili in tudi v praksi uporabili pulzno varjenje aluminija in njegovih zlitin. Uporabljali so se predvsem argon in helij. Kmalu je pulzno varjenje našlo uporabnost tudi pri varjenju jekel v plinskim mešanicah argona in helija z ogljikovim dioksidom ali kisikom. V zadnjih tridesetih letih so MIG/MAG načini varjenja dosegli izjemno hiter razvoj ter tako postali najpogosteje uporabljan način varjenja. Razlogi za to so naslednji: • enostavna oprema, • možnosti ročnega, mehaniziranega ali robotiziranega varjenja, • ekonomičnost, • visok talilni učinek (visoka produktivnost), • relativno visoka kakovost zvarnih spojev, • enostavna priučitev. S temi načini varjenje lahko varimo vse komercialno pomembnejše kovine, kot so konstrukcijska jekla, visokotrdnostna jekla, nerjavna jekla, nikelj in njegove zlitine, aluminij in njegove zlitine, baker ter njegove zlitine itd.

1.2 VARILNI OBLOK

1.2.1 SPLOŠNO Za segrevanje se uporabljajo pri varjenju različni energetski viri oz. oblike energije (električna, kemična, mehanska, svetlobna itd.), ki jih na različne načine pretvarjamo v toplotno energijo. V varilni tehniki se v največji meri uporabljajo viri toplote, ki pretvarjajo električno energijo v toplotno. To je posledica dobro razvejanega električnega omrežja ter dejstva, da je tak način segrevanja metalurško gledano čist (z gretjem se v var ne vnašajo drugi kemični elementi kot npr. pri plamenskem varjenju).


Električni oblok je v varilni tehniki najpomembnejši vir toplotne energije. V času razvoja varjenja se je oblok kot vir energije vse bolj in bolj uveljavljal, tako da danes zavzema obločno varjenje že večino vseh varilskih del [46].

1.2.2 OSNOVE VARILNEGA OBLOKA V varilnem obloku se električna energija pretvarja v toplotno, ki tali osnovni in dodajni material. V literaturi, ki opisuje lastnosti in sestavo električnega obloka, najdemo številne definicije. Kot najbolj splošno veljavno definicijo električnega obloka lahko navedemo sledečo:

Električni oblok je električno praznenje med elektrodama v ioniziranem plinu [47]. Fiziki menijo, da je treba oblok definirati s stališča jakosti varilnega toka ter padca napetosti. Če opredelimo oblok na ta način, potem je zanj značilno področje jakosti toka od 0,1 A oz. 1 A do zelo velikih vrednosti, kjer je padec napetosti v območju od nekaj voltov pa do nekaj deset voltov [48].

Slika 1.1: Varilni oblok s taljivo elektrodo [47] Na sliki 1.1 je shematsko prikazan varilni oblok s taljivo elektrodo. Varilni oblok, ki gori med negativno elektrodo (katodo) in pozitivno elektrodo (anodo), je del tokokroga, skozi katerega se prevaja varilni tok. Nosilci elektrenine so elektroni ter pozitivi ioni. Ker imajo elektroni 100-krat večjo gibljivost od ionov v ionizirani plazmi, se električni tok prenaša skozi oblok v največji meri z elektroni in le 0,2% do 3% z ioni [49].

AnodaKatoda Steber obloka

U [V]E [V/m]

Anodni padecnapetosti

Katodni padecnapetosti

U(x)

E(x)

Dolžina obloka

Slika 1.2: Varilni oblok, padec napetosti in električno polje v varilnem obloku [47] Električno polje med elektrodama ni linearno. Tik ob elektrodah opažamo razmeroma velik padec napetosti, medtem ko je v stebru obloka padec napetosti enakomeren. Z ozirom na padec napetosti in procese, ki potekajo v obloku, lahko oblok razdelimo na tri značilna področja (glej tudi sliko 1.1) [47]: • katodno področje s katodno pego,


• steber obloka, • anodno področje z anodno pego.

1.2.2.1 KATODNO PODROČJE

Katodno področje zavzema zelo ozek prostor (5⋅10-6 m) ob negativni elektrodi [49]. To področje se nadalje deli še na tri dele (področje prostorskega naboja, področje visoke osvetlitve in zoženo področje). Pri varilnem obloku ločimo naslednje izvore elektronov [47, 49]: a) termična emisija elektronov:

Katoda, ki je segreta na dovolj visoko temperaturo, emitira elektrone v skladu z Richardson-Dushmanovo enačbo:

⋅

Φ⋅−⋅⋅=

Tk

eTAj 02 exp (1.1);

b) poljska emisija elektronov:

⋅

⋅+

⋅

Φ⋅−⋅⋅=

Tk

E

Tk

eTAj

5,002 39,4

exp (1.2);

c) fotoemisija zaradi obsevanja z elektromagnetnimi valovi:

Φ⋅=⋅ 0eh ν (1.3);

d) bombardiranje z ioni. Površino na katodi, iz katere izstopajo elektroni, imenujemo katodna pega. Ta z visoko gostoto toka "pleše" po površini in "išče" najugodnejše mesto za emisijo elektronov, ki je v veliki meri odvisna od vrste materiala in poljske jakosti. Gostota toka na katodni pegi je lahko zelo različna. Spreminja se v odvisnosti od različnih faktorjev in znaša od 106 do 1012 A/m2 [47]. S toplotnega stališča moramo opazovati procese na katodni pegi, ki katodi energijo dovajajo (pozitivni ioni), ter procese, ki s katode energijo odvajajo (termične emisija elektronov, prevod toplote po katodi, energija potrebna za segrevanje in taljenje katode - delno tudi izparevanje, toplotne izgube zaradi sevanje). Toploto, ki se generira na katodi zaradi gorenja obloka, lahko matematično popišemo z enačbo [29]:

⋅⋅−Φ−⋅=

0

2

e

TkUIQ CC

(1.4).

Iz zgornje enačbe vidimo, da je toplota, generirana na katodi, odvisna od: • jakosti varilnega toka I, • padca napetosti v katodnem območju UC, • izstopnega dela elektronov Φ, • temperature T na katodi. Temperatura katodne pege pri varjenju s taljivo jekleno elektrodo znaša približno 2700 K [50].

1.2.2.2 STEBER OBLOKA

Steber obloka zavzema del obloka med katodnim in anodnim področjem (glej sliko 1.2). Skozi steber obloka se prenaša varilni tok v glavnem z elektroni zaradi večje gibljivosti in v manjši meri z ioni, v njem pa so tudi nevtralni delci, atomi in molekule. Pogoji so v stebru obloka veliko bolj definirani kot v katodnem in anodnem področju.


Pomembna lastnost stebra obloka je njegova električna nevtralnost: pri atmosferskem in povišanem tlaku vsebuje vsaka enota prostornine stebra obloka enako število pozitivnih in negativnih nosilcev naboja. Posledica električne nevtralnosti je konstantno električno polje v stebru obloka. Gradient padca napetosti v stebru obloka je približno 103 V/m, vendar se lahko poveča, če se povečajo izgube toplote v okolico. Tako na primer znaša pri varjenju po MAG načinu z žico premera φ1,2 mm gradient padca napetosti od 1500 do 3500 V/m [51]. Gostota toka v stebru obloka znaša od 106 do 107 A/m2 [47]. Druga lastnost stebra obloka je približno termično ravnotežje pri atmosferskem tlaku. Pri tem je temperatura elektronov Te vedno večja od temperature plina Tg. Odstopanja od termičnega ravotežja v katodnem in anodnem področju nastopijo zato, ker je v teh področjih malo trkov med delci in je s tem izmenjava energije med njimi nepopolna. Temperatura obloka določa mnoge lastnosti stebra obloka, med njimi tudi stopnjo disociacije in ionizacije. Stopnjo ionizacije lahko izračunamo iz termodinamične zveze, ki jo je podal Saha [49]:

)/(0

2/52/3

22

2 22

1TkW

g

e

g

ip

i

i iep

Tk

h

m

a

a

X

X ⋅−⋅⋅

⋅

⋅⋅⋅

⋅=

−

π (1.5).

Za steber obloka sta značilni visoka temperatura in velika hitrost pretokov plazme. Na temperaturo v stebru obloka vpliva mnogo faktorjev. V splošnem znaša temperatura stebra obloka od 6000 do 27000 K [1, 47].

1.2.2.3 ANODNO PODROČJE

Anodno področje je v nekaterih pogledih podobno katodnemu. V obeh primerih obstaja zoženo področje med stebrom obloka in površino elektrode, v katerem nastopi padec napetosti. Anodno področje zavzema prostor ob pozitivni elektrodi (anodi), ki znaša od 5⋅10-7 do 2⋅10-6 m [47]. Elektroni, ki so zapustili katodo in se gibljejo skozi katodno področje ter steber obloka, so del energije že oddali, del pa jo oddajo na površini anode in jo segrejejo do vrelišča. Po nekaterih podatkih anoda ne emitira pozitivnih ionov, tako da so nosilci naboja izključno elektroni [47]. Vpliv anode na oblok je manjši od vpliva katode, zato je bilo tudi narejeno manj raziskav o tem področju. Padec napetosti v anodnem področju je odvisen od vrste in sestave materiala, ni pa odvisen od jakosti varilnega toka. Anodni padec napetosti je manjši od katodnega in znaša od 2 do 10 V [47]. Gostota toka na anodni pegi je manjša kot na katodni pegi ter se giblje od 106 do 108 A/m2 [47]. Temperatura, ki jo dosega anodna pega, je višja od temperature katodne pege in znaša od 2530 do 3440 K (manjša gibljivost anodne pege, zaletavanje elektronov) [29]. Toplota, transformirana na anodo, se po Lancastru popiše z naslednjo enačbo [52]:

⋅⋅−Φ+⋅=

0

2

e

TkUIQ AAA (1.6).

1.2.3 STATIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA Statična karakteristika varilnega obloka podaja odvisnost med varilnim tokom in napetostjo obloka med varjenjem, neodvisno od časa:

)(IfU = (1.7).


Karakteristika varilnega obloka pri nižjih jakostih varilnega toka se razlikuje od karakteristike ohmskega upora. Statično karakteristiko obloka lahko razdelimo na tri značilna območja (glej sliko 1.3).

U [V]

I [A]

lobl,1

lobl,2

l > lobl,1 obl,2

dU/dI < 0 dU/dI = 0 dU/dI > 0

Slika 1.3: Statična karakteristika varilnega obloka Ayrtonova [47] je bila prva, ki je na osnovi eksperimenta z ogleno elektrodo naredila matematičen zapis U-I karakteristike varilnega obloka:

I

LDCLBAU o

o

⋅++⋅+= (1.8).

Enačba (1.8) velja za padajoči in vodoravni del statične karakteristike. Nekoliko drugače je U-I karakteristiko zapisal Goldman [47]:

I

CIBAU +⋅+= (1.9),

kjer so vrednosti konstant A, B in C odvisne od dolžine obloka Lo in vrste medija, v katerem gori oblok.

U [V]

I [A]

U

I

o

k

U

I

v

v

DELOVNATOČKA

U [V]

I [A]

U o

U

I

v

v

DELOVNATOČKA

IkIk

U o

U o

oblok

vir

oblok

vir

Slika 1.4: Delovna točka pri padajoči in vodoravni statični karakteristiki vira energije Delovna točka oz. ustrezna varilna napetost ter jakost varilnega toka sta določeni s presečiščem statične karakteristike obloka in statične karakteristike vira energije (glej sliko 1.4). V tej točki mora biti izpolnjen še pogoj stabilnosti gorenja obloka:

0>−vir

vir

obl

obl

dI

dU

dI

dU (1.10).

Stabilnost gorenja obloka je odvisna od električnih in energetskih razmer med elektrodama.


1.2.4 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VARILNEGA OBLOKA Zaradi spremembe dolžine varilnega obloka se spremeni tudi jakost varilnega toka in napetost obloka, kar prikaže tudi dinamična karakteristika varilnega obloka. Spremembe napetosti in toka so v praksi zelo hitre in so pod vplivom različnih faktorjev, kot so: • električna in toplotna prevodnost obloka, elektrode in varjenca; • dolžina prostega konca žice in dolžine obloka; • vrsta zaščitnega sredstva itd. Dinamično karakteristiko lahko posnamemo npr. z elektronskim večkanalnim osciloskopom (glej sliko 1.5) in tako dobimo sledeči odvisnosti:

)(tfU = in )( tfI = (1.11). Z dinamično karakteristiko lahko ugotovimo primernost varilnih parametrov ter način prehajanja materiala. Pojav kratkega stika med elektrodo in varjencem ter prehod večje ali manjše kapljice spremljata povečanje jakosti varilnega toka in padec varilne napetosti.

Slika 1.5: Časovni potek varilnega toka in napetosti pri različnih načinih prehajanja materiala

1.2.5 PREHAJANJE MATERIALA SKOZI VARILNI OBLOK Dodajni material se v obloku raztali, preide v tekoče stanje in zaradi delovanja sil oblikuje kapljico raztaljene kovine, ki nato preide skozi oblok v talino. Način prehoda materiala skozi varilni oblok do varjenca predstavlja pri obločnem varjenju pomembno vlogo. Oblika prehoda materiala vpliva na: • metalurške in kemične procese med raztaljeno kovino in zaščitnim sredstvom; • obliko vara; • brizganje; • posredno tudi na mehanske lastnosti zvarnega spoja.

1.2.5.1 SILE V VARILNEM OBLOKU PRI PREHODU MATERIALA

Pri varjenju s taljivo elektrodo se zaradi uporovnega segrevanja ter segrevanja s strani varilnega obloka tali dodajni material. Na konici elektrode se oblikuje kapljica, ki se nato odtrga ter preide v talino pod vplivom različnih sil, ki delujejo nanjo. Varilni tok je eden od osnovnih dejavnikov, ki


vplivajo na velikost sil v obloku ter s tem tudi na način prehoda materiala. Nanj delujejo v varilnem obloku naslednje sile, ki pospešujejo ali zavirajo prehod kapljice (glej sliko 1.6) [47, 49]: • sila gravitacije, • sila površinske napetosti, • elektromagnetna sila, • sila reakcijskega delovanja zaradi izparevanja kovine, • sila, povzročena zaradi pretokov plinov in plazme, • sila zaradi plinskih in parnih izbruhov, • sila, povzročena z zunanjim magnetnim poljem, • zunanje mehanske sile.

ds

FF rg

Fem r

dz

Fpn

ds

FF rg

dz

FpnFem r

Fem aFem

dv

Slika 1.6: Shematski prikaz nekaterih sil pri varjenju s taljivo žično elektrodo [47, 49] a) Sila gravitacije Fg Sila gravitacije deluje v smeri prehoda materiala ali pa v nasprotni smeri, odvisno od položaja varjenja. Za kapljico kroglaste oblike velja, da je gravitacijska sila enaka

grFkg

⋅⋅⋅⋅= ρπ 3

3

4 (1.12).

b) Sila površinske napetosti Fpn Ko je raztaljena kapljica na koncu varilne žice, sila površinske napetosti nasprotuje prehodu kapljice. Na velikost sile površinske napetosti vpliva koeficient površinske napetosti σ, ki je odvisen od vrste dodajnega materiala, temperature kapljice (glej sliko 1.9), oblike kapljice ter plinske atmosfere, v kateri se odvija proces varjenja.

1,8

1,85

1,9

1,95

2

1500 1550 1600 1650 1700 1750

Temperatura [ C]o

Pov

ršin

ska

nape

tost

[N

/m]

Slika 1.7: Vpliv temperature na površinsko napetost staljenega železa [53] Vrednost sile površinske napetosti lahko izračunamo s pomočjo naslednje enačbe [54]:

k

z

pnr

rF

2

2 ⋅⋅⋅= σπ (1.13).

c) Sila reakcijskega delovanja Fr


Sile reakcijskega delovanja se pojavi zaradi izparevanja kovine na elektrodi. Izparevanje na kapljici se pojavlja na več mestih. Velikost rezultante sil je odvisna od jakosti varilnega toka, deluje pa v smeri zaviranja odcepitve kapljice od žice. Na osnovi enačbe (1.14) lahko izračunamo njeno vrednost [54]:

rrr vMF ⋅= (1.14). d) Sila, povzročena zaradi pretoka plinov in plazme Fpl Zaradi pretoka plazme se ustvarja pritisk na kapljico, kar pospešuje hitrost kapljice pri prehodu. Hitrost plazemskega pretoka lahko izračunamo s pomočjo enačbe [47]:

ρ

µ

π ⋅⋅

⋅=

20

r

Iv pl

(1.15).

e) Elektromagnetna sila Fem Pri pretoku toka skozi kapljico se tvori magnetno polje, ki vpliva na nastanek elektromagnetne sile (Lorentzova sila). Sila je sestavljena iz radialne Fem,r ter aksialne komponente Fem,a, kar prikazuje tudi slika 1.6. Radialna komponetna elektromagnetne sile se imenuje tudi sila pinch efekta (efekt stiskanja). Pri delovanju te sile (ter drugih sil) se zaradi deformacije varilne žice (stiskanja) tvori vrat varilne žice. Radialna komponenta sile ne vpliva na prehod kapljice od varilne žice proti talini, izračunamo pa jo lahko po enačbi:

π

µ

⋅

⋅=

8

20

,

IF rem (1.16).

Velikost aksialne komponetne lahko izračunamo po sledečih enačbah: • pred tvorjenjem vratu

z

s

aemr

rIF ln

4

20

, ⋅⋅

⋅=

π

µ (1.17),

• ko je vrat že oblikovan

v

s

aemr

rIF ln

4

20

, ⋅⋅

⋅=

π

µ (1.18).

Sila Fem,a je lahko večja od nič (pospešuje odcepitev kapljice), manjša od nič (zavira odcepitev kapljice) ali enaka nič. Da bi bila vrednost izraza večja od nič, mora biti polmer stebra obloka na površini kapljice (rs) večji od polmera vratu (rv). Polmer stebra obloka je odvisen od jakosti varilnega toka, polaritete ter vrste zaščitnega plina. Večanje jakosti varilnega toka ter pozitivna polariteta večajo polmer stebra obloka. Zanimiv je slučaj, ko je Fem,a = 0. V tem primeru se ustrezna jakost varilnega toka imenuje "kritična jakost varilnega toka", prehod materiala pa se spremeni iz kapljastega načina prehoda v pršečega. Hitra sprememba iz enega načina prehoda v drugega se lahko dogodi le v plinskih mešanicah, ki niso preveč bogate z ogljikovim dioksidom, kot je prikazano na sliki 1.8.


0

50

100

150

200

0 100 200 300 400 500 600

1 - 100% Ar2 - Ar + 25% CO3 - Ar + 60% CO4 - 100% CO5 - Ar + 13% CO + 3% O

Jakost varilnega toka [A]

Frek

venc

a kr

atki

h st

ikov

[s

]-1

2

4

35

1

2

2

2

2 2

Slika 1.8: Odvisnost števila kratkih stikov pri prehodu materiala od jakosti varilnega toka ter zaščitnega plina [55]

1.2.5.2 KLASIFIKACIJA PREHAJANJA MATERIALA

Odvisno od bilance sil v varilnem obloku lahko nastopijo različni načini prehajanja materiala. Tabela 1.1 ter slika 1.9 prikazujeta klasifikacijo po priporočilu študijske skupine 212 in komisije XII-F Mednarodnega instituta za varjenje (IIW) [56]. Klasifikacija prehoda materiala temelji na fenomenoloških študijah z uporabo hitrotekoče kamere. Tabela 1.1: Klasifikacija prehajanja materiala po priporočilih IIW [56]

NAČIN PREHAJANJA MATERIALA PRIMER SLIKA 1.9 1 prehajanje s prostim preletom 1.1 prehajanje kapelj 1.1.1 kapljasti prehod MIG, nizek tok a 1.1.2 prehod z odbojem MAG (CO2) b 1.2 pršeče prehajanje 1.2.1 usmerjen prehod MIG, MAGM, pulzno c 1.2.2 prehod s tečenjem MIG/MAG, večji tok d 1.2.3 prehod z vrtenjem (rotirajoč) PLAZMA-MIG, MIG/MAG z zelo

visokim tokom e

1.3 eksplozijsko prehajanje (z razpočenjem) RO, MAG f 2 prehajanje s premoščanjem 2.1 prehod s kratkim stikom MAG, nizek tok g 2.2 trajno premoščanje hladna ali vroča dodatna žica 3 prehajanje ob zaščiti žlindre 3.1 prehod ob steni žlindre EPP h 3.2 drugi načini prehoda RO, EPŽ, strženska žica

Na sliki 1.9 so prikazani posamezni načini prehoda, spodaj pa je podan opis vsakega od njih. a) Pri kapljastem prehodu je gravitacijska sila najvplivnejša sila, ki pripomore k prehodu kapljice.

Ta ima večji premer, kot je premer elektrode. V takem primeru je gostota toka v varilni žici nizka, prav tako pa je majhna tudi frekvenca prehoda kapljic.

b) Pri uporabi molekularnega plina z višjo disociacijsko energijo se steber obloka zoža. Pojavi se delovanje odbojne sile, ki nasprotuje prehodu kapljice. Delovanje odbojne sile je poleg tega tudi asimetrično, zato pride do rotacije kapljice izven osi elektrode. Kapljica je nepravilno oblikovana ter ima večji premer, kot je premer elektrode. Pri tem načinu prehoda je običajen pojav nekoliko večje brizganje.

c) Usmerjen prehod materiala se pojavi pri uporabi pulznega varilnega toka ter v zaščiti plina z majhno toplotno prevodnostjo. K prehodu pripomore v veliki meri elektromagnetna sila, zato se kapljica odtrga še predno je njena masa zadosti velika. Skozi oblok leti kapljica z visoko hitrostijo. Premer kapljice je približno enak ali manjši od premera elektrode.


d) Slika 1.9 d prikazuje prehod materiala s tečenjem, ki je v bistvu posebna oblika usmerjenega prehoda. Tvori se konična oblika staljene konice elektrode, na koncu katere se odcepijo drobne kapljice druga za drugo, skoraj v curku. Gostota varilnega toka v tem primeru ni visoka samo v času trajanja pulza, kot v primeru prehoda na sliki 1.9 c, ampak je celotna raven gostote toka veliko višja. Uvar ima značilno obliko, t. j. na sredini je globok, ob straneh pa plitek (uvar v obliki prsta).

e) Z večanjem gostote varilnega toka preide staljena konica elektrode v obliko spirale in začne rotirati. Po Schellhaseju nastane tak prehod materiala zaradi podaljšanega prostega konca žice ter močnega longitudinalnega magnetnega polja ali zaradi magnetnega polja sosednjega obloka (v primeru varjenja z več obloki). Zaradi rotacije padajo kapljice v talino vara radialno, uvar je zato širok in plitek.

f) Prehod z razpočenjem je posledica kemičnih reakcij v staljenem dodajnem materialu in se večinoma pojavi pri varjenju z oplaščeno elektrodo. Istočasno preide iz elektrode do varjenca več različno velikih ter nepravilno oblikovanih kapljic. Zaradi burnih reakcij se poveča količina obrizgov.

g) Kadar sta gostota varilnega toka ter varilna napetost nizka, je velika možnost, da se pri odcepitvi kapljice tvori most med elektrodo in varjencem. Pojavi se kratek stik. Naraščanje kratkostičnega toka povečuje tudi silo pinch efekta, ki zožuje most. Prehod materiala se izvede s silo površinske napetosti ob pomoči elektromagnetne sile. Pri ponovni vzpostavitvi obloka se most sunkovito pretrga, delčki, ki poletijo, pa tvorijo obrizge.

h) Prehod ob steni žlindre nastopi pri varjenju pod praškom EPP ter pri varjenju z oplaščeno elektrodo. Staljena kapljica zdrsne ob steni žlindre ali ob staljenem prašku v talino. Za prehod kapljice je pomembno omočenje med kapljico in žlindro.

Slika 1.9: Načini prehajanja materiala po klasifikaciji IIW [49] Z namenom, da se izboljša nadzor prehoda materiala, so bili v zadnjih letih razviti elektronsko krmiljeni viri energije. Z modifikacijo jakosti varilnega toka glede na čas je možno doseči zadovoljiv nadzor prehoda materiala. Obstajata dva tipa krmiljenega prehoda materiala: • pulzni, • krmiljeni kratkostični. Pulzni načini varjenja v zaščitnih plinih so bili uvedeni z namenom, da se doseže pršeči prehod materiala pri jakostih varilnega toka (srednja vrednost), ki so manjše od "kritične jakosti varilnega toka". Gorenje obloka se vzdržuje z nizko jakostjo varilnega toka, medtem ko se prehod materiala izvede pri visoki jakosti toka. Pulzni način varjenja je podrobneje obdelan v nadaljevanju.


Pri krmiljenem kratkostičnem načinu prehajanja materiala je bistvo v krmiljenju jakosti varilnega oz. kratkostičnega toka kot odgovor na dogodke pri kratkem stiku [57].

1.3 OSNOVE NAČINOV VARJENJA V ZAŠČITNEM PLINU S TALJIVO ELEKTRODO Obločno varjenje v zaščiti plina s taljivo elektrodo je način varjenja, kjer oblok gori med dodajnim materialom v obliki brezkončne žične elektrode ter varjencem. Dodajni material se tali zaradi uporovnega segrevanja v prostem koncu žice ter zaradi obločne energije. Varjenec se pretaljuje pretežno zaradi energije obloka. Dodajni material se tali in prehaja v talino v zaščitni atmosferi. Istočasno mora biti zaščitena tudi talina vara, sicer bi vodik, kisik in dušik iz okoliške atmosfere prešli v talino, rezultat tega pa je porozen var. Zaščitni plin se v tem primeru dovaja v obločno področje skozi gorilnik. Dodajni material, ki je žica, navita na kolut, se prek podajalnega mehanizma podaja v varilni proces. Shematična zgradba naprave za varjenje v zaščiti plina je prikazana na sliki 1.10. Gorilnik je s cevnim paketom povezan z virom energije. Cevni paket vsebuje vodilo žične elektrode, cev za dovod zaščitnega plina, vodilo električnega toka, dovod in odvod hladilne tekočine. Naloga vira energije je nemotena preskrba z električno energijo za vžig in gorenje obloka. Krmilna omarica s podajalnim mehanizmom služi krmiljenju procesa varjenja ter podajanju žične elektrode skozi cevni paket do gorilnika, kjer se odtaljuje.

Slika 1.10: Shematična zgradba naprave za varjenje v zaščiti plina Osnovna značilnost tega načina varjenja je visoka gostota toka. Glede na vrsto elektrode ločimo načine varjenja z netaljivo in s taljivo elektrodo. Glavna delitev načinov varjenja v zaščitnem plinu s taljivo elektrodo se nanaša na vrsto zaščitnega plina, in sicer: • varjenje v zaščiti inertnega plina - MIG

Uporabljajo se inertni plini helij, argon ter njihove mešanice z ogljikovim dioksidom in kisikom, katerih delež v mešanici je zelo majhen,

• varjenje v zaščiti aktivnega plina - MAG Uporablja se aktivni plin ogljikov dioksid, ki pa je lahko tudi v mešanici z argonom, helijem ter kisikom. Načini varjenja v zaščiti aktivnih plinskih mešanic se označujejo tudi s kratico MAGM.


1.3.1 TALILNI UČINEK Talilni učinek je definiran s količino pretaljenega dodajnega materiala v časovni enoti in je najpomembnejši faktor za oceno produktivnosti vsakega varilnega postopka. Pri ročnem obločnem varjenju z oplaščenimi elektrodami je gostota varilnega toka v mejah med 12 in 20 A/mm2. Glavni razlog, ki preprečuje močnejšo tokovno obremenitev elektrode, je segrevanje elektrode zaradi ohmskega upora pri prevajanju varilnega toka. Pri MIG/MAG načinih varjenja je glavna ovira za povečanje gostote toka odstranjena, saj tok dovajamo po posebnem kablu do same kontaktne šobe, nameščene v neposredni bližini obloka, ki je včasih tudi vodno hlajena. S tako visoko gostoto toka dosežemo zelo hitro odtaljevanje materiala. Znano je, da se pri varjenju s taljivo elektrodo za taljenje dodajnega materiala izrablja električna moč, ki je izražena s produktom jakosti varilnega toka s padcem napetosti v prostem koncu žice in v obloku oz. pri varjenju s plus polom na elektrodi v anodnem področju in pri varjenju z minus polom na elektrodi v katodnem področju obloka. V varilni proces dovedena električna energija se pretvori v toplotno energijo in ta poveča notranjo energijo dodajnemu materialu do tališča. Oblikuje se kapljica, ki preide v talino vara. Prehod kapljice je povzročen predvsem zaradi delovanja sil, opisanih v poglavju 1.2.5.1. Celotno energijo, ki je dovedena dodajnemu materialu, lahko popišemo s splošno enačbo:

( )S

LIIUQM Ek

⋅⋅+⋅=+⋅

2αβ (1.19).

V enačbi (20) predstavlja oznaka α specifično upornost na konici prostega konca žice, oznaka β pa toplotno energijo, vsebovano v žici pri sobni temperaturi. Obe vrednosti sta konstantni za določen dodajni material. Konstanta Qk predstavlja celotno energijo, ki jo vsebuje kapljica takoj po odtrganju od žice, in znaša pri varjenju s taljivo elektrodo φ1,2 mm v zaščitnem plinu 1440 J/g [58]. Paton [59] navaja, da znaša potrebna energija za raztalitev 1 g jekla brez izgub 1340 J. Vrednosti UE predstavljajo anodni oz. katodni padec napetosti. Halmφy [58] je v svojem delu izračunal anodni padec napetosti, ki znaša 3,48 V za elektrodo premera φ1,2 mm v zaščiti CO2. V največji meri vpliva na talilni učinek jakost varilnega toka, kar je prikazano tudi na sliki 1.11. Istočasno je na tej sliki prikazan tudi vpliv premera elektrode na talilni učinek. Tudi dolžina prostega konca žice ni zanemarljiv podatek, saj se v tem delu žica segreva zaradi ohmske upornosti in s tem vpliva na talilni učinek.

Slika 1.11: Odvisnost talilnega učinka od jakosti varilnega toka za različne premere žičnih elektrod; zaščitni plin CO2 [60] V literaturi s področja varjenja je bilo objavljeno mnogo člankov raziskovalcev, ki so raziskovali talilni učinek pri varjenju s taljivo elektrodo in so želeli opisati proces z enačbo ali modelom za napoved talilnega učinka. Do rezultatov lahko pridemo na dva oz. tri različne načine: • izvedemo veliko število eksperimentov ter dobljene vrednosti statistično obdelamo; • izdelamo matematični model, ki temelji na fizikalnih zakonitostih;


• kombiniramo oba načina (fizikalne poenostavitve + statistična obdelava podatkov). Med prvimi je obsežne raziskave na področju talilnega učinka izvedel Wilson s svojimi sodelavci [61]. Proučeval je talilni učinek pri varjenju z enojno žično elektrodo v različnih zaščitnih medijih. Na osnovi eksperimentalnih rezultatov je navedel sledečo enačbo za napoved talilnega učinka:

44,2

22,122,27253 1093,21022,41053,9

d

LIIdIM

⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅= −−− (1.20).

V današnjem času samo ena enačba za napoved talilnega učinka ne zadostuje več, saj enačba (1.20) ne pokriva vpliva vrste varilnega toka, polaritete, vrste zaščitnega medija in drugo. Zato so se kmalu začele pojavljati nove enačbe za napoved talilnega učinka. Lesnewich [62] je že dve leti za Wilson-om razvil nov matematični model za napoved talilnega učinka. V svojih raziskavah je proučeval tudi vplive polaritete, vrste zaščitnega plina ter kemične sestave elektrode na talilni učinek. Z upoštevanjem vseh vplivov je priredil empirično enačbo, ki matematično napove talilni učinek za enosmerni tok, s plus polom na elektrodi, za malo legirana jekla:

52,2

26243 101,310043,21071,7

d

ILIdIM

⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅= −−− (1.21).

Pri raziskavi je upošteval tudi vpliv zaščitnega plina na talilni učinek, vendar je ugotovil, da je vpliv zanemarljiv. Izredno preprost matematični model talilnega učinka navajata avtorja v članku [64]:

2ILBIAM ⋅⋅+⋅= (1.22).

Ker sta v enačbi upoštevani le jakost varilnega toka ter dolžina prostega konca žice, je veljavnost omenjene enačbe (1.22) omejena zgolj na en premer elektrode. V enačbi zajema konstanta A vpliv segrevanja s strani obloka, medtem ko konstanta B zajema vpliv segrevanja v prostem koncu žice zaradi ohmske upornosti. Avtorja Halmφy [58] in Waszink [63] sta se lotila izdelave matematičnega modela za napoved talilnega učinka na drugačen način. Izhajala sta iz fizikalnih zakonitosti segrevanja prostega konca žice. Enačbe, ki sta jih izpeljala avtorja, so zelo posplošene, zato je potrebno določiti koeficiente v enačbah za izbran dodajni material. Če v enačbe vstavimo konstante ter jih prevedemo v želeno obliko, se za primer malo legiranega jekla ter pršeč prehod materiala enačbi za napoved talilnega učinka glasita: • Halmφy

2

263 1088,2105,6

d

ILIM

⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (1.23),

• Waszink

2

263 1034,21092,7

d

ILIM

⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (1.24).

V literaturi nisemo uspeli najti nobenega zapiska, ki bi opisoval ali celo navajal matematične modele talilnega učinka za varjenje v zaščitnem plinu z dvema ali več varilnimi žicami, zato tudi tu niso opisani. Raziskava in matematično modeliranje talilnega učinka za primer varjenja v zaščiti praška z več žicami pa je izredno podrobno opisano v lit. [29]. V delu so opisani naslednji vplivi varilnih parametrov na talilni učinek:


• jakost varilnega toka, • premer varilne žice, • dolžina prostega konca žice, • polariteta, • št. varilnih žic, • razdalja med varilnimi žicami. V nalogi so predstavljeni tudi številni matematični modeli za varjenje v zaščiti praška s plus in minus polom na elektrodi. Enačbe 1.25, 1.26 in 1.27 predstavljajo matematične modele talilnih učinkov z enojno, dvojno in trojno elektrodo s plus polom na elektrodi pri varjenju v zaščiti praška. V enačbi 1.28 je naveden matematični model za varjenje v zaščiti praška s plus polom na varilni žici, kjer je n število varilnih žic:

2

26100194,2234,000938,0

d

ILIM

⋅⋅⋅+−⋅= − (1.25).

2

26106093,3739,002393,0

d

ILIM

⋅⋅⋅+−⋅= − (1.26).

2

26100618,4996,10474,0

d

ILIM

⋅⋅⋅+−⋅= − (1.27).

( ) 87,02

2619,2 102497,2367,0100185,0 n

d

ILnIM ⋅

⋅⋅⋅+−+⋅⋅= − (1.28).

Slika 1.12: Medsebojni vpliv oblokov pri varjenju z več žicami

Slika 1.13: Vpliv razdalje med žicami na talilni učinek pri varjenju s trojno elektrodo različnih premerov [29]

Pri varjenju z več žicami pa ne smemo pozabiti na medsebojni vpliv oblokov. Medsebojni vpliv med obloki (glej sliko 1.12) se spreminja glede na spremembo razdalje med žicami b. Za primer varjenja v zaščiti praška je to opisano v delu [29], iz katerih rezultatov je razvidno, da je sprememba talilnega učinka odvisna, ne samo od razdalje med žicami, ampak tudi od premera varilne žice. Z zmanjševanjem razdalje med žicami se talilni učinek povečuje. Iz diagrama je


razvidno, da je v primeru, kjer je premer varilne žice enak 1,2 mm, medsebojni vpliv oblokov zanemarljiv, saj se talilni učinek s spreminjanjem razdalje med varilnimi žicami ne spreminja.

1.3.2 ZAŠČITNI PLIN Na mestu varjenja, kjer sta prisotni raztaljena kapljica, ki leti skozi električni oblok, ter večja količina taline, je potrebna ustrezna zaščita pred oksidacijskim delovanjem okolne atmosfere. Ta zaščita se lahko uspešno izvede z uporabo ustreznih zaščitnih plinov. Varilna okolica Izgled površine vara Zaščitni plin vpliva na Količina obrizgov in žlindre emisijo dima in plinov. je odvisna od zaščitnega plina. Metalurške in mehanske lastnosti Efekt zaščite Zaščitni plin vpliva na odgor legirnih Staljeni in segreti material je elementov ter prigor kisika, dušika, ogljika. zaščiten pred okolno atmosfero. To vpliva na mehanske lastnosti. Prenos materiala Tip prenosa materiala je močno odvisen od vrste zaščitnega plina. Zaščitni plin vpliva tudi na velikost sil, ki delujejo na kapljico. Geometrija vara Zaščitni plin vpliva na obliko temena ter uvara. Stabilnost obloka Vžig obloka ter stabilnost gorenja obloka sta odvisna od zaščitnega plina.

Slika 1.14: Vpliv zaščitnega plina pri MIG/MAG načinih varjenja Glavne naloge zaščitnega plina so (glej tudi sliko 1.14): • ščitenje staljene kovine pred okolno atmosfero; • olajšanje vžiga obloka ter stabiliziranje gorenja obloka; • skupaj z drugimi parametri varjenja vpliva na prehod materiala, obliko vara ter brizganje; • prek kemijsko-metalurških reakcij vpliva na mehanske lastnosti ter kakovost vara; • v manjši meri vpliva tudi na emisijo dima in plinov.

1.3.2.1 RAZDELITEV ZAŠČITNIH PLINOV

Od decembra 1995 v Sloveniji velja standard SIST EN 439, ki določa razdelitev zaščitnih plinov, področje uporabe, čistost itd. Razdelitev je podana v tabeli 1.2 (zaščitni plini za MIG/MAG načine varjenje so v tabeli osenčeni). Argon in helij sta inertna plina, zato lahko v plinski mešanici skupine R in M deloma nadomestita drug drugega. Med plinoma je seveda razlika pri obnašanju v električnem obloku, predvsem pa tudi v ceni plina. V tabeli 1.2 so skupine plinskih mešanic M1, M2, M3 ter C urejene po oksidacijskem potencialu od slabo oksidacijskih mešanic (M11) do močno oksidacijskih (C2). Oksidacijski potencial zaščitnega plina vpliva na količino žlindre, emisijo dima in plinov, tvorjenje ozona, tečnost taline vara, žilavost in trdnost vara. Vrednost oksidacijskega potenciala zaščitnega plina je odvisna od vsebnosti oksidativnih komponent v zaščitnem plinu. Tabela 1.2: Razdelitev zaščitnih plinov za obločno varjenje in rezanje [65] Označba Komponente v volumskih % Način Skupina Oznaka oksidacijski inertni reducirni reakcijski varjenja Opombe CO2 O2 Ar He H2 N2 TIG


R 1 2

Ostalo1) Ostalo1)

0 do 15 15 do 35

plazemsko varjenje in rezanje zaščita korena

reduktivni

I

1 2 3

100 Ostalo

100 0 do 95

MIG, TIG, plazemsko varjenje, zaščita korena

inertni

M1

1 2 3 4

0 do 5 0 do 5 0 do 5

0 do 3 0 do 3

Ostalo1)

Ostalo1)

Ostalo1)

Ostalo1)

0 do 15

M2

1 2 3 4

5 do 25 0 do 5 5 do 25

3 do 10 3 do 10 0 do 8

Ostalo1)

Ostalo1)

Ostalo1)

Ostalo1)

MAG

slabo oksidac.

M3

1 2 3

25 do 50 5 do 50

10 do 15 8 do 15

Ostalo1)

Ostalo1)

Ostalo1)

C 1 2

100 Ostalo

0 do 30

močno oksidac.

F

1 2

0 do 50

100 Ostalo

plazemsko rezanje, zaščita korena

reakcijski reduktivni

1) Argon se lahko deloma nadomesti zshelijem (glej tabelo 2).

1.3.2.2 FIZIKALNE LASTNOSTI ZAŠČITNIH PLINOV

a) Osnovne lastnosti, disociacija in ionizacija Kar zadeva osnovne lastnosti plina ima gostota zaščitnega plina velik vpliv na učinkovitost zaščite obloka in taline od okolne atmosfere. Zanimive so predvsem vrednosti, ki podajajo relativno gostoto zaščitnega plina glede na zrak. Argon in ogljikov dioksid sta daleč najgostejša plina, zato oblikujeta dober zaščitni plašč okoli obloka. Na drugi strani pa sta vodik in helij (helij je kar 10-krat redkejši od argona), ki sta nagnjena k turbulentnemu toku plina po iztekanju iz plinske šobe (vzrok temu je termični vzgon). Pri segrevanju dvoatomnih plinov, kot so dušik, vodik ali kisik, se molekulam povečuje kinetična energija (gibanje atomov relativno drug proti drugemu). Ko vibracijska energija preseže določno raven (valenčna energija), se vez med dvema atomoma pretrga in molekula preide v atomarno stanje ali v ione. Ta pojav se imenuje disociacija. Pri nadaljnjem segrevanju se energija absorbira v zunanji elektronski lupini in morebiti povzroči odcepitev enega zunanjega elektrona. Pravimo, da se atom ionizira, tvorita se elektron in pozitivno nabit ion. Še nadaljnje povečevanje temperature povzroči večkratno ionizacijo (odcepi se več elektronov). Disociacijska energija je energija, ki je potrebna, da razpade molekula na atome ali ione. Ionizacijska energija je energija, ki je potrebna, da pretrgamo/ustvarimo vez med elektronom in jedrom atoma. Obe energiji podajamo v elektronvoltih (eV). Procesi disociacije in ionizacije v plinski atmosferi vplivajo na lastnosti električnega obloka, predvsem na vžig in stabilnost obloka. Plin z višjim ionizacijskim potencialom potrebuje več energije za ionizacijo, da postane prevoden za tok. Ko tak plin pride v stik z relativno hladnim osnovnim materialom, pride do rekombinacije, pri čemer se vrne absorbirana energija. Plini z višjim ionizacijskim potencialom torej bolj učinkovito segrevajo osnovni material. b) Električna prevodnost Električna prevodnost obloka je odvisna od vrste zaščitnega plina ter temperature obloka. Iz slike 1.15 je razvidno, da z naraščanjem temperature narašča tudi električna prevodnost. To je razumljivo, saj so pri višji temperaturi lažji procesi disociacije in ionizacije, nastopi pa tudi večkratna ionizacija.


Slika 1.15: Električna prevodnost zaščitnih plinov pri tlaku 1 atm [68] c) Toplotna prevodnost Razlike v toplotnih prevodnostih zaščitnih plinov povzročajo razlike v obliki električnega obloka kakor tudi v obliki prereza vara. Slika 1.16 podaja temperaturno odvisnost toplotne prevodnosti najpogosteje uporabljenih zaščitnih plinov.

Slika 1.16: Toplotna prevodnost zaščitnih plinov [67] Iz slike je razvidno, da imajo molekularni plini (vodik, kisik in ogljikov dioksid) največjo vrednost toplotne prevodnosti pri nižjih temperaturah (okoli 3000 K), žlahtna plina helij in argon pa pri višjih temperaturah (okoli 9000 K). Toplotna prevodnost plina vpliva na višino temperature električnega obloka ter taline vara. Tako je npr. prenos toplote v smeri proti varjencu boljši pri plinih z večjo toplotno prevodnostjo.

1.3.2.3 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA PREHOD MATERIALA

Kot je bilo že omenjeno v poglavju 1.2.5, je način prehoda materiala odvisen tudi od vrste zaščitnega medija. V primeru varjenja v inertem zaščitnem plinu lahko že majhen dodatek kisika ali ogljikovega dioksida (pri disociaciji se tvori kisik) znatno zmanjša silo površinske napetosti (glej sliko 1.17). S tem se olajša prehod kapljice, še zlasti v fazi odcepitve kapljice od elektrode.


0

0,6

1,2

1,8

0,001 0,01 0,1 1 10

Fe-O

Fe-S

Fe-NFe-C

Vsebnost [%]

Povr

šins

ka n

apet

ost

[N/m

]

Slika 1.17: Vpliv C, N, S in O na površinsko napetost staljenega železa [69] Velika razlika pri delovanju sil na kapljico je tudi med uporabo argona ter ogljikovega dioksida. Pri uporabi argona kot zaščitnega plina je polmer stebra obloka večji kot pri ogljikovem dioksidu. Zato aksialna komponenta elektromagnetne sile deluje v smeri proti varjencu (glej sliko 1.18), kapljice pa so manjše. Vzrok je treba najverjetneje poiskati v različnih vrednostih toplotne prevodnosti plinov [70]. Posledica različnega razmerja sil v obloku je tudi različen mehanizem prehoda materiala pri plinskih mešanicah. Iz navedenih razlogov je treba za pulzen način varjenja uporabiti mešanice, bogate z argonom. Prevelika vsebnost ogljikovega dioksida (prek 50% v mešanici z argonom) namreč preprečuje usmerjeni način prehajanja materiala.

Fem r

Fem aFem

Fem aFem

Fem r

Ar CO2

Slika 1.18: Vpliv zaščitnega plina na sile ter obliko kapljice

1.3.2.4 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA NORMIRANI TALILNI UČINEK

Faktorja, ki vplivata na taljenje žice pri varjenju v zaščitnem plinu, sta segrevanje zaradi Joulove toplote v prostem koncu žice ter segrevanje zaradi obločne toplote. Generirana Joulova toplota je proporcionalna dolžini prostega konca žice ter jakosti varilnega toka, vrsta zaščitnega plina pa nanjo bistveno ne vpliva. Obločna toplota pa je prav gotovo odvisna tudi od vrste zaščitnega plina, torej lahko sklepamo, da bo tudi talilni učinek odvisen od zaščitnega plina. Prav to prikazuje slika 1.19, kjer je podan normirani talilni učinek (talilni učinek v g/s, deljen z jakostjo varilnega toka v A) pri ničti dolžini prostega konca žice (dobimo z ekstrapolacijo) [71].

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400

1 - 100% Ar2 - 100% He3 - 100% CO4 - Ar + 5% O

2

2

2

1

34

Jakost varilnega toka [A]

Nor

mir

ani t

aliln

i uči

nek

[mg/

As]


Slika 1.19: Odvisnost normiranega talilnega učinka od jakosti varilnega toka in vrste zaščitnega plina za žico premera φ1,6 mm [71] Če si ogledamo krivuljo normiranega talilnega učinka za argon, ugotovimo sledeče. Do "kritične jakosti varilnega toka", ki je približno 270 A, je normirani talilni učinek neodvisen od jakosti varilnega toka in je enak 3,0 mg/As. Odcepitev staljene kapljice je v glavnem odvisna od sile površinske napetosti ter gravitacijske sile. Pri višjih jakostih varilnega toka se začne normirani talilni učinek povečevati s porastom jakosti varilnega toka. Sklepamo lahko, da so pomemben delež k odcepitvi kapljice prispevale elektromagnetne sile.

1.3.2.5 VPLIV ZAŠČITNEGA PLINA NA OBLIKO VARA

Vplive zaščitnega plina na obliko vara lahko delimo na sledeči način: • toplotna prevodnost, disociacijski in ionizacijski procesi zaščitnega plina vplivajo na

porazdelitev energije na površini varjenca in s tem na obliko vara; • zaščitni plin vpliva na temperaturo taline ter površinsko napetost (glej sliki 1.7 in 1.17), kar

povzroča različne pretoke v talini in s tem različne oblike vara; • različni prehodi materiala, na katere vpliva tudi zaščitni plin, povzročajo razlike v obliki vara. Z izbiro različnih plinskih mešanic dobimo različne prehode materiala in tudi različne oblike vara (predvsem oblika uvara - glej sliko 1.20). Čisti ogljikov dioksid tvori najglobji uvar. Čisti argon tvori plitvejši uvar z značilno obliko. Z dodatkom kisika k čistemu argonu ali mešanici Ar/CO2 vplivamo na površinsko napetost in s tem tudi na pretoke v talini. Rezultat tega so širši vari ter nekoliko plitvejši uvari. Helij s svojo visoko toplotno prevodnostjo povzroči širši var ter plitev uvar.

Ar CO 2 He Slika 1.20: Vpliv zaščitnega plina na obliko uvara [74]

1.3.3 DODAJNI MATERIAL Pri MIG/MAG načinih varjenja služi kovinska žična elektroda istočasno za gorenje obloka ter kot dodajni material za zapolnitev zvarnega žleba ali za navarjanje. Kemijska sestava žične elektrode v kombinaciji z zaščitnim plinom vpliva na končno kemijsko sestavo vara ter s tem določa kemijske in mehanske lastnosti zvarnega spoja. Glavni faktorji, ki vplivajo pri izbiri vrste žične elektrode, so: • kemijska sestava osnovnega materiala, • mehanske lastnosti osnovnega materiala, • vrsta zaščitnega plina, • lega varjenja, • zahtevane lastnosti zvarnega spoja pri uporabi itd. Po obliki lahko žične elektrode delimo v dve skupini: • okrogle: - masivne žice,

- strženske žice, • ploščate žice (trakovi). V predhodnih poglavjih o varilnem obloku, prehodu materiala, talilnem učinku ter vplivu zaščitnega plina so podani opisi in podatki samo za primer uporabe masivne žice, ki je v tej doktorski nalogi tudi uporabljena. Stržensko žico bi lahko uporabili brez zadržkov, vendar bi to le dodatno povečalo obseg doktorske naloge.


1.4 PULZNO VARJENJE Modulacija varilnega toka se izjemno veliko uporablja pri kontroli prehoda materiala in kontroli obloka pri MIG/MAG načinih varjenja. Pri pulziranju varilnega toka se ustvarijo pogoji, kjer prehod kapljice postane skoraj neodvisen od sile težnosti in postane predvsem odvisen od elekromagnetnih sil. Zaradi tega je možno varjenje v vseh legah tudi pri nizkih jakostih varilnega toka s pršečim prehodom materiala brez pojavljanja kratkih stikov. S tem obdržimo nizek vnos energije v zvar, kar rezultira v majhni talini, pri čemer je proces brez brizganja in zlepov, ki se pogosto pojavljajo pri kratkostičnem varjenju.

1.4.1 PRŠEČ, KAPLJIČAST IN KRATKOSTIČEN PREHOD MATERIALA PRI MIG/MAG VARJENJU Pri klasičnem MIG/MAG varjenju se pojavljata dva glavna izvora problemov: • neenakomerno in nepravilno oblikovanje kapljic; • nestabilnost obloka, še posebej v bližini prehodne jakosti varilnega toka (med kratkostičnim in

pršečim prehodom materiala). Problem je še posebej izrazit pri nizkih jakostih varilnega toka, kjer se pojavlja kapljica, katere premer je enak večkratnemu premeru varilne žice. Sila težnostni sčasoma pretrga most med kapljico in žico in kapljica poleti ter pade v talino, pri čemer pa se največkrat pojavljajo tudi veliki obrizgi (brizganje). Pred prehodom kapljice se stožec obloka "sprehaja" po veliki površini, kar pomeni povečanje izgube energije v okolico. To je varjenje s kapljastim prehodom materiala, ki je uporabo le v vodoravni legi in ga pogosto povezujemo z napakami, kot so slaba globina uvara, napake v pretaljevanju osnovnega materiala, neenakomerna oblika temena vara. Pri kratkostičnem varjenju je hitrost žice namenoma hitrejša od hitrosti odtaljevanja. Posledica tega je periodično pojavljanje kratkih stikov, med katerimi staljeni konec žice pride v stik s talino. Prehod materiala se pojavlja zaradi sile površinske napetosti, še preden se žica pretali zaradi uporovnega varjenja. Periode kratkih stikov se ponavljajo s frekvenco med 50 in 200 Hz, kar je odvisno predvsem od kemične sestave varilne žice ter zaščitnega plina, premera varilne žice, jakosti varilnega toka in dolžine prostega konca žice. Kratkostično varjenje je zaradi nezveznosti gorenja obloka "hladen" proces spajanja materialov, zaradi česar je primeren za varjenje v vseh legah in za zvarjanje tankih materialov. Vendar se pogosto zgodi, da je proces "prehladen", kar privede do nepretaljenosti v področju zvara.

1.4.2 MIG/MAG PULZNO VARJENJE Needham [18] je v letih 1962 in 1963 predstavil pulzni nadzor prehoda materiala in stabilnosti obloka predvsem pri MIG varjenju aluminija. V tistem času je bila oblika pulzov sinusna, ker je pač taka oblika toka izvirala neposredno iz omrežja. Tudi frekvence pulziranja so bile povezane s frekvencami, ki izhajajo iz omrežja, kot so: 16,67; 25; 33,33; 50; 100; 150 in 300 Hz. V osnovi je bilo pulziranje uvedeno zaradi kontrole prehoda materiala z uvedbo "umetnih" pulzov, ki pripomorejo k prehodu materiala. Perioda se sestoji iz periodičnega ponavljanja faze nizke in visoke ravni jakosti varilnega toka (glej sliko 1.21). Osnovni namen nizkega jakosti varilnega je ohranjanje pilotnega obloka, s čimer se ohranja tekočnost taline zvara ter tudi stabilnost obloka. Visoka raven pulza pa zagotavlja hitro taljenje in prisiljeno enakomeren prehod materiala.


Slika 1.21: Tipična oblika poteka pulznega varilnega toka Moderni polprevodniški viri energije omogočajo uporabo širokega spektra amplitud, trajanja in oblike pulza pri frekvencah od nekaj Hz po do nekaj kHz. S tako vsestranskostjo je mogoče uporabiti pulziranje za dosego različnih efektov. Jakost varilnega toka in gostota toka v pulzu morata biti dovolj visoka, da vedno zagotovita pršeč prehod materiala (ne kapljasti), tako da je možno varjenje v vseh legah. Najboljša kombinacija trajanja pulza in amplitude pulza je takrat, ko je dosežen prehod ene kapljice na en pulz, pri čemer je premer kapljice enak premeru žice. Trajanje pulza mora biti zadosti dolgo, da Lorentzova elektromagnetna sila v obloku odcepi in pospeši kapljico prek obloka z zadostno hitrostijo, da postane prehod materiala neodvisen od sile težnosti in lege. Posledično imajo kapljice višjo kinetično energijo, kar poveča tudi razmešanje taline. Trajanje pulza pa ne sme biti tako dolgo, da se pojavi prehod večjih kapljic v času trajanja enega pulza, ali pa kapljica ne doseže taline, preden se pulz konča, sicer se v nasprotnem primeru lahko pojavi brizganje. Namen osnovnega (baznega) toka je ohranjanje pilotnega obloka, ki je dovolj tog, da oblok ne "pleše" naokoli, dokler se ne pojavi nov pulz. Čas pulza in jakost pulznega tok morata biti optimirana tako, da se doseže prehod ene kapljice na en pulz (prikaz na sliki 1.22). Pri večjem številu kapljic na pulz je kontrola vnosa materiala omejena, pogosto prihaja do močnega brizganja. Klasična zveza med časom trajanja pulza tp ter jakostjo pulznega toka Ip je podana z enačbo (1.29) in je grafično ponazorjena na sliki 1.22 [75, 76, 77]:

.konstIt x

pp =⋅ (1.29),

kjer je eksponent x odvisen od kemične sestave dodajnega materiala ter uporabljenega zaščitnega plina. Vrednosti eksponenta x se gibljejo med 1,5 in 2,3 [76, 77].

I

t

p

p

več kapeljna impulz

ena kaplja na impulz

področje pršečegaprehoda materiala

Slika 1.22: Optimiranje prehoda materiala pri pulznem varjenju


1.4.3 PREDNOSTI PULZNEGA MIG/MAG VARJENJA S pulziranjem varilnega toka premaknemo naravno mejo prehoda med kratkostičnim in pršečim prehodom (običajno 180-220 A za žico premera 1,0-1,2 mm) do nižjih vrednosti, kar nam omogoča gladko varjenje brez brizganja pri srednjih jakostih varilnega toka npr. 50 do 150 A (glej sliko 1.23). V nasprotnem primeru bi pri takih jakostih varilnega toka prehod materiala potekal kratkostično z vsemi svojimi značilnostimi (neregularen prehod, brizganje).

Slika 1.23: Pretaljevalna karakteristika za žico premera 1,0 mm (nizkolegirano jeklo) in mešanico 95%Ar/5% CO2

S pojavom sodobnih polprevodniških virov energije se je pojavila tudi pravokotna oblika pulza. Pri pravokotnem pulzu znaša čas naraščanja toka od osnovnega do pulznega 10 do 50 µs. S tem se doseže bolj tog oblok in hitrejše ter bolj kontrolirano taljenje in odcepljanje kapljic kot pri sinusoidni obliki pulza. V kombinaciji s prav tako hitrim znižanjem toka iz pulznega na osnovnega je energija obloka koristno uporabljena le za zaželjeni namen taljenja in prehajanje kapljice in kontrole obloka in ne za nezaželjeno segrevanje elektrode in varjenca. Za določen linijski vnos energije je zvar pri pulznem načinu varjenja ožji in globji kot pri klasičnem enosmernem varjenju, prav tako je ožje tudi toplotno vplivano področje. Dosežena sta boljša kontrola oblike temena in korena zvara ter zveznejši vnos toplote.

1.4.3.1 UČINEK PARAMETROV PULZIRANJA NA PROCES

Pulzni in osnovni tok nista značilno vplivana s spremembo napetosti, zato se za definiranje procesa uporabljajo naslednji parametri: • jakost varilnega toka in čas trajanja pulza (Ip, tp); • jakost varilnega toka in čas trajanja osnovnega toka (Io, to); • hitrost podajanja varilne žice vž; • napetost, ki regulira dolžino obloka. Pri pravokotni obliki pulza je odcepljanje kapljic odvisno od jakost varilnega toka in časa trajanja pulza (Ip, tp), prostornina kapljice s hitrostijo podajanja varilne žice vž in frekvenco f (definarana je s časoma tp in to) in stabilnost obloka z jakostjo varilnega toka in časom trajanja osnovnega toka (Io, to). Z natančno kontrolo teh osnovnih varilnih parametrov je fleksibilnost procesa bistveno izboljšana v primerjavi s klasičnim enosmernim MIG/MAG varjenjem. Odcepljanje kapljic je določeno z enačbo (1.30). Konstanta je določena z materialom in premerom dodajnega materiala. Prostornina kapljice je določena z enačbo:

f

AvV

ž⋅= (1.30).

Srednja jakost varilnega toka pri pravokotni obliki pulza je podana z enačbo:


op

oo

ppmtt

tItII

+

⋅+⋅= (1.31).

Moderni tranzistorski viri energije proizvajajo pravokotne pulze, katerih oblika je skoraj podobna idealni pravokotni obliki pulza. Parameter, ki bistveno vpliva na obliko pulza, je frekvenca pulziranja (glej sliko 1.24).

Slika 1.24: Oblika pravokotnega pulza pri 500 A tranzistorskem viru, delujoč pri a) 100 Hz in b) 2,5 kHz

S kombinacijo omenjenih varilnih parametrov želimo doseči prehod ene kapljice na pulz s točno določeno prostornino kapljice. To je mogoče doseči na dva načina: a) spreminjanje frekvence pulziranja pri konstantnih časih trajanja pulza (glej sliko 1.25 zgoraj); b) spreminjanje časa trajanja pulza pri konstantni frekvenci pulziranja (glej sliko 1.25 spodaj). V praksi se je zaradi enostavnosti kontrole uveljavila predvsem druga metoda. Tri karakteristike, značilne za to metodo, so: • parametri pulziranja so izbrani avtomatsko; • frekvenca pulziranja je neposredno povezana s hitrostijo podajanja žice; • kontrola parametrov zagotavlja enakomerno globino uvara in obliko profila vara.

Slika 1.25: Tipični obliki modulacije pulziranja Amplituda pluza in njegova širina sta izbrana tako, da se pretali in odcepi le ena kapljica na pulz premera, približno enakega premeru varilne žice. Pri kapljičastem prehajanju materiala je premer kapljic večji od dvakratnega premera varilne žice. Razlika med pršečim prehajanjem in prehajanjem s tečenjem je v premeru kapljic, ki znaša v prvem primeru polovico premera žice, v drugem primeru pa le četrtino premera žica, in v frekvenci prehajanja kapljic. Frekvenca pulziranja


je določena na osnovi hitrosti podajanja varilne žice, če se poveča hitrost podajanja varilne žice, se poveča tudi frekvenca pulziranja. Tudi jakost osnovnega varilnega toka se spreminja s spreminjanjem hitrosti podajanja žice in frekvenco pulziranja. Produkt med jakostjo varilnega toka in časom trajanja pulza (Ip, tp) je konstanten in variira, kot je to prikazana na sliki 1.26. S tem je dosežena popolna kontrola nad varilnim procesom. Vpliv časa trajanja pulza na globino uvara je bistven. Krajši časi trajanja pulza rezultirajo v plitvejšem uvaru, globejši uvar pa dosežemo, če uporabimo daljše čase trajanja pulza.

Slika 1.26: Vpliv časa trajanja pulza na profil vara [18] Vrsta in premer dodajnega materiala, vrsta in debelina osnovnega materiala določata jakost osnovnega in pulznega toka varjenja. Želja je dobiti relativno nizko vrednost srednje jakosti varilnega toka pri zadosti velikem osnovnem in pulznem toku, da dosežemo pretaljevanje osnovnega materiala, taljenje dodajnega materiala in prehajanja kapljic s prostim preletom, brez brizganja in kratkih stikov. Jakost osnovnega varilnega toka mora biti takšne vrednosti, da zagotovi zadosti veliko segrevanje vrha elektrode, zadosti veliko segrevanje in pretaljevanje osnovnega materiala pri dovolj dobri ionizaciji električnega obloka. Vrsta in debelina osnovnega materiala sta odločujoči za izbor velikosti osnovnega toka. Velik osnovni tok pomeni tudi velik vnos energije in obratno. Pri varjenju tankih pločevin mora biti osnovni toka majhen, pri varjenju debelih varjencev pa mora biti dovolj velik, da se preprečijo zlepi. Pri določenju velikosti osnovnega toka pa malenkostno vpliva tudi premer dodajnega materiala. Vrednosti osnovnega toka so v principu večje pri varjenju z nižjimi frekvencami kot pri varjenju z višjimi frekvencami. V praksi se najpogosteje vrednosti osnovnega toka gibljejo med 20 A in 150 A.

1.4.4 PREHAJANJE MATERIALA PRI PULZNEM VARJENJU Pri varjenju z enosmernim električnim oblokom je karakter prehajanja materiala v osnovi opredeljen z jakostjo varilnega toka in varilno napetostjo, torej so to parametri, ki jih zahteva geometrija vara. V vrsti primerov spremlja proces varjenja, še posebej v procesu prehajanja materiala, povečano nezaželeno brizganje. Pri varjenju z drugačnom obliko varilnega toka je mogoče prisilno, neodvisno od jakosti varilnega toka in varilne napetosti, doseči želeni način prehajanja materiala, kar zelo razširi območje režimov in tehnološke možnosti varjenja v zaščitnem plinu s taljivo elektrodo. Najbolj razširjeno krmiljeno prehajanje materiala je kapljičast prehod s prostim preletom brez kratkih stikov, ki ga dobimo pri varjenju s pulznim električnim oblokom. Oblikovanje kapljice na konici varilne žice in njen prehod proti talini v smeri osi varilne žice dosežemo s pomočjo pulza varilnega toka. Prisiljena odcepitev kapljice je možna v vseh legah varjenja. Premer kapljice se običajno giblje v območju 0,5- do 1,5-krat premer varilne žice (glej primer na sliki 1.27). Osnovni sili, ki določata tak način prehajanja materiala sta elektrodinamična sila in sila površinske napetosti. Sile težnosti in sila pritiska električnega obloka na kapljico sta zanemarljive v primerjavi s prej omenjenima. S povečanjem pulza varilnega toka se poveča elektrodinamična sila, ki


povzroča oblikovanje vratu med kapljico in varilno žico in s tem določa dimenzijo kapljice. V procesu oblikovanja in odtrganja kapljice se sila površinske napetosti prav tako spreminja. Osnovne značilnosti prehajanja materiala pri pulznem načinu varjenja (premer kapljice, frekvenca prehajanja kapljic, hitrost poleta kapljic in druge) so določene s parametri pulziranja (energijo pulza). Energijo pulza določata višina in širina pulza. Pojavljajo se trije značilni načini prehajanja materiala, in sicer: a) en pulz ne odtrga kapljice; b) pulz odtrga in povzroči prehod ene kapljice; c) pulz odtrga in povzroči prehod več kapljic.

Slika 1.27: Karakteristika prehoda kapljic pri pulznem MAG varjenju (premer varilne žice 1,0 mm)

V prvem primeru se pod vplivom elektrodinamične sile v času delovanja pulznega toka tvori kapljica, ki je usmerjena v smeri taline. Sila površinske napetosti je sila, ki ne glede na položaj varjenja preprečuje prehod kapljice. Že predhodno so bili omenjeni vplivi, s katerimi je možno zmanjšati silo površinske napetosti. Samo en pulz pa je nezadosten, da bi tudi povzročil odcepitev in prelet kapljice v talino. Kapljica narašča tudi v času delovanja osnovnega varilnega toka. Ko kapljica naraste do določene velikosti, ko že začne bistveno vplivati tudi sila težnosti, ta v kombinaciji z elektrodinamično silo v enem izmed naslednjih pulzov povzroči odtrg in prelet kapljice. Premer odtrganih kapljic v takem primeru ni konstanten. Hitrost preleta kapljice je nizka in znaša od 0,4 do 0,7 m/s. V primeru b) je glavna sila, ki povzroči prehod ene kapljice na pulz, elektrodinamična sila. V odvisnosti od parametrov pulziranja je odtrg kapljice mogoč na koncu pulza ali pa celo določen čas po zaključku pulza. Premer kapljic je konstanten in je približno enak premeru varilne žice. Hitrost preleta kapljice je višja in znaša od 1,2 do 2,0 m/s. Pri pravilno izbranih parametrih pulziranja se brizganje ne pojavi. V zadnjem primeru se varilna žica intenzivno tali zaradi previsoke energije pulza. V času do konca pulza se odtrga več kapljic. Dimenzije odtrganih kapljic so neenakomerne. Hitrost preleta kapljic pa znaša tudi prek 2,5 m/s. Pri tako veliki hitrosti kapljice zadenejo ob talino in povzročijo brizganje, ki je posledica pluskanje taline.

1.4.5 DRUGE OBLIKE MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA Poleg klasičnega pulziranja so v praksi znane še druge oblike pulziranja, in sicer: a) termično pulziranje

Osnovni namen tega pulziranje ni kontrola prehoda materiala, ampak kontrola vnosa energije v var. Bistvena razlika med termičnim in klasičnim pulziranjem je tudi v tem, da se pri termičnem pulziranju pojavlja tudi pulziranje hitrosti podajanja varilne žice. Frekvence pulziranja so nizke (v območju nekaj Hz).


b) izmenično pulziranje Za razliko od klasičnega pulziranja temelji to pulziranje na izmeničnem toku, kjer pride do veljave izraba različnih značilnosti obloka v pozitivni in v negativni fazi.

c) pulziranje varilne napetosti Pri konstantni hitrosti podajanja žice in srednji jakosti varilnega toka se spreminja varilna napetost, kar posledično pomeni tudi spreminjanje dolžine obloka. Ta varianta je bila razvita za uporabo pri varjenju v ozki reži.

1.4.6 PREDNOSTI IN SLABOSTI MIG/MAG PULZNEGA VARJENJA Pulzno varjenje združuje prednosti varjenja s kratkostičnim oziroma s pršečim prehodom materiala, pri tem pa so slabosti obeh načinov varjenja zmanjšane. Pulzno varjenje namreč omogoča varjenje s pršečim prehodom, pri čemer je povprečni tok takšen kot pri kratkostičnem varjenju. Tako se je mogoče izogniti prevelikemu vnosu toplote, kot tudi slabi prevaritvi in brizganju, kar je značilno za kratkostično varjenje. Prednosti pulznega varjenja so: a) Izkoristek toplote je večji zaradi izjemno hitrega porasta vnosa toplote pri pulzu. Ponor toplote

(varjenec) ni sposoben tako hitro odvesti toplote, zato je pretaljevanje hitrejše, izgube toplote zaradi prevoda pa manjše.

b) Toplota se v talini prenaša hitreje zaradi večjega razmešanja (gibanje taline), kar preprečuje nastanek večjih termičnih gradientov. Zmanjša se izparevanje in poroznost.

c) Visoka jakost varilnega toka v pulzu proizvede izredno stabilen (tog) oblok, kar je še zlasti prednost pri varjenju korenskih varkov, kjer je pomembna stabilnost vodenja obloka.

d) Podobno kot z jakostjo varilnega toka je tudi z varilno napetostjo. Višja varilna napetost pomeni večjo stabilnost obloka oziroma zmanjšanje pihalnega učinka [113]

e) Popolna kontrola nad tvorbo in odcepljanjem kapljic, prehodom material in obnašanjem obloka v širokem polju srednje jakosti varilnega toka. Posledica je minimalno brizganje, kar poveča izkoristek pretaljevanja materiala ter zmanjša čase potrebne za čiščenje varjenca in plinske šobe.

f) Uporaba stabilnega pršečega oziroma usmerjenega načina prehajanja materiala pri nizkih jakostih varilnega toka, kjer bi se običajno pojavil kratkostični prehod materiala. Omogočeno je varjenje v vseh legah varjenja ob doseganju ustrezne kakovosti varov.

g) Neposredna povezava med frekvenco pulziranja in hitrostijo podajanja varilne žice omogoča prehod ene kapljice na en pulz s premerom, enakim premeru varilne žice.

h) Pulzno varjenje je primerno za varjenje v vseh legah, ker je prehod kapljice neodvisen od težnosti in zato ker nizka povprečna jakost varilnega toka oz. nizek linijski vnos energije proizvaja manjšo količino taline.

i) Boljše oziroma lažje razplinjevanje taline vara. Pulzno varjenja pa ima tudi svoje slabosti: a) Nepravilna izbira pulznih parametrov lahko privede do razpokljivosti v vročem. b) Ker se pri pulznem varjenju sprošča manj dima in plinov ter zaradi tega, ker je jakost varilnega

toka v pulzu izredno visoka, je povečano ultravijolično (UV) sevanje v okolico. c) Večja količina UV sevanja pomeni tudi večjo količino ozona v varilni okolici. d) Enoličen, enofrekvenčen zvok pulznega varjenja je za človeško uho lahko dokaj neugoden

pojav.

1.5 OPREMA ZA MIG/MAG PULZNO VARJENJE Viri energije za pulzno varjenje so se najprej pojavili pri TIG načinu varjenja, in sicer leta 1962 [17], ko je bil razvit vir energije na sliki 1.28. Vir energije je zgrajen primitivno, vendar je popolnoma funkcionalen.


Slika 1.28: Vir energije za TIG pulzno varjenje iz leta 1962 [17] Leta 1966 sta dva avtorja [38] objavila članek o razvoju enostavnega vira energije za pulzno varjenje v zaščitnem plinu s taljivo elektrodo. Na sliki 1.29 je prikazana shema vira energije, ki je bil v bistvu sestavljen iz dveh ločenih virov enegije, prvi za osnovni tok in drugi za pulzni tok.

Slika 1.29: Blokovni diagram vira energije za pulzno varjenje [38] To so bili začetki razvoja pulznih virov energije, na osnovi katerih so izvedeni moderni viri. Že kmalu je bilo namreč ugotovljeno, da enostavno dobljeni sinusni polvali ne zadoščajo vsem zahtevam [37]. Želja je bila doseči ožji čas pulza, višje jakosti pulznega toka ter sistem, ki bo manj odvisen od nihanja varilne napetosti. Ugotovljeno je bilo namreč, da se z znižanjem časa trajanja pulza in povečanjem jakosti pulznega varilnega toka zmanjša premer plazme v obloku in zaradi tega poveča togost obloka, kar pomeni povečanje stabilnosti obloka. Konec sedemdesetih let je bil že razvit tranzistorski vir energije [17]. Njegov razvoj je temeljil predvsem na potrebah iz industrije, ki so zahtevale natančnejšo in enostavnejšo kontrolo varilnih parametrov. Cena takega vira energije je bila takrat ogromna. Trenutni razvoj novih tranzistorskih, tiristorskih in invertorskih virov energije pa je omogočil padec cen in dostopnost »pulziranja« vsakemu zaradi padca cen polprevodniške elektronike. Slikovni prikaz razvoja na področju virov energije je prikazan na sliki 1.31. V praksi je uveljavljena uporaba naslednjih oblik pulzov: • sinusna oblika, • pravokotna oblika, • poljubna oblika. Da dobimo želeno obliko pulza, moramo seveda imeti tudi ustrezne konstrukcije virov energije. Na sliki 1.31 so prikazane oblike pulzov. Sinusne oblike pulzov lahko dobimo izredno enostavno s pomočjo dodatnega transformatorja in usmernika, ki je opremljen z diodami ali tiristorji. Pravokotno obliko pulza pa dobimo s pomočjo dodatnega tranzistorskega vira energije.


Slika 1.30: Zgodovinski razvoj virov energije [42]

I [A]

t [ms]

I [A]

t [ms]

I [A]

t [ms]

Slika 1.31: Oblike pulzov toka (levo - sinusna oblika, sredina - pravokotna oblika, desno - poljubna oblika)

Prvi viri energije za pulzno varjenje so bili izvedeni za sinusno obliko pulza. Višina pulza se spreminja v odvisnosti od števila ovojev na transformatorju, pri čemer se čas trajanja pulza ne spreminja. To ni posebno ugodno. Viri energije, ki se danes uporabljajo v svetu, so večinoma tiristorski. V tem primeru dobimo višino pulza s spremembo števila ovojev na transformatorju, s spremembo kota odpiranja tiristorja pa spreminjamo čas trajanja pulza. Najnovejši viri energije so izvedeni s tranzistorji, s katerimi lahko dobimo tudi pravokotno obliko pulza. Na ta način lahko nastavimo jakost pulznega varilnega toka in čas trajanja pulza, neodvisno drug od drugega. V nadaljevanju tega poglavja so na kratko predstavljene tipične konstrukcije virov energije za pulzno varjenje.

1.5.1 MODERNI VIRI Moderni viri varilnega toka so osnovani na napredku močnostne elektronike, in tako sta se pojavili dve tipični vrsti virov varilnega toka, ki se delita glede na vrsto močnostnih elementov, ki so vgrajeni v močnostni tokokrog, ki preskrbuje varjenje z varilnim tokokrogom. Prva je tranzistorska izvedba, druga pa tiristorska. Nadaljnji razvoj je omogočil, da so bili viri varilnega toka konstruirani s klasičnim omrežnim transformatorjem, ali pa so bili izvedeni z invertorjem, kjer se uporablja visokofrekvenčni transformator. Prav zaradi tega smo dobili t.i. analogne vire varilnega toka in inverterske. Slednje odlikuje odlična dinamična karakteristika, tako za primer klasičnega kot tudi pulznega MIG/MAG varjenja. Poleg hitrosti delovanja odlikuje invertorske vire tudi majhna teža, kajti velik omrežni transformator, ki največ prispeva k skupni masi vira, je nadomeščen z visokofrekvenčnim transformatorjem, katerega masa je odvisna od uporabljene frekvence pretvorbe in je nižja od omrežnega. To pa pomeni, da je tak način gradnje virov varilnega toka tehnološko najbolj zanimiv. Poleg najboljših rezultatov, ki jih prispeva tehnični in tehnološki razvoj, pa omenjen razvoj tudi zelo vpliva na ekonomičnost gradnje virov. Seveda je


bil razvoj virov varilnega toka zaradi prednosti tranzistorske tehnike obrnjen prav k njej. Zaradi tega, ker se je tranzistorska tehnika tako hitro razvijala, so se razvijale tudi metode za optimiranje varilnih parametrov le za primer uporabe pravokotnih pulzov, to je za primer tranzistorskih virov. Velika prednost teh je tudi kontinuirana spremenljivost pulzne frekvence, kar v primeru tiristorskih virov to ni mogoče. Pulzna frekvenca je v tem primeru konstantna in jo je mogoče prednastaviti kot mnogokratnik omrežne. Ker pa v praksi odloča poleg že naštetih prednosti tudi ekonomija, to je cena za nabavo, vzdrževanje in servis naprave za varjenje, postajajo zanimivi za uporabo tudi tiristorski viri zaradi napredka tiristorske tehnike in njihove cene.

1.5.2 KONSTRUKCIJSKE ZNAČILNOSTI Glavna značilnost, ki karakterizira moderne vire varilnega toka, je uporaba polprevodniških elementov za neposredno krmiljenje izhodnega toka ali napetosti. To je nekako povsem v nasprotju s starimi konstrukcijami, kjer je bilo krmiljenje izhoda mehansko (pretikalo) in je zaradi tega bilo nemogoče hitro spreminjanje izhoda. To tudi onemogoča izvedbo povratne zanke in s tem vseh lastnosti, ki nam jih prinaša regulacijska tehnika. Moderen vir varilnega toka mora imeti sposobnost krmiljenja s šibkim signalom, le na ta način dobimo ustrezne odzivne čase, po drugi strani pa lahko vključimo mikroprocesorsko krmiljenje in izvedemo regulacijo s povratno zanko. Princip take regulacije je prikazan na sliki 1.32.

Slika 1.32: Regulacija izhoda s pomočjo povratne zanke Senzor M meri izhodni signal vira varilnega toka b in ga primerja z referenčno vrednostjo signala r. Razlika obeh signalov e pa je informacija za krmiljenje vira varilnega toka, ki ga je treba predhodno prirediti v ojačevalniku A. Referenčni signal r, ki ga dobimo iz bloka referenčne vrednosti (želena vrednost), je lahko nastavljiv, konstantne vrednosti, ali pa se spreminja po izbranem programu. Povratni signal b pa je lahko proporcionalen izhodnemu toku, izhodni napetosti ali kombinaciji obeh: • Ko merimo tok, je statična karakteristika strmo padajoča. To pomeni, da je tok vseskozi

konstanten v procesu varjenja (vertikalni del krivulje), kar je razvidno iz slike 1.33-krivulja a. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za različne neklasične postopke varjenja.

• Če želimo imeti ravno statično karakteristiko vira energije, potem merimo izhodno napetost. To pomeni, da je napetost vseskozi konstantna, kot prikazuje slika 1.33-krivulja b. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za MIG/MAG varjenje.

• Ko merimo izhodni tok in izhodno napetost, dobimo padajočo statično karakteristiko, kot je prikazano na sliki 1.33-krivulja c. Viri varilnega toka s tako karakteristiko se uporabljajo za ročno obločno in TIG varjenje.

Glede na način konstrukcije delimo moderne vire varilnega toka v tri skupine: 1. tiristorski viri varilnega toka, 2. tranzistorski viri varilnega toka, 3. inverterski viri varilnega toka.


Slika 1.33: Različne izhodne karakteristike virov energije

1.5.3 TIRISTORSKI VIRI ENERGIJE Za tiristorske vire varilnega toka je značilno, da imajo v močnostni tokokrog vgrajene tiristorje, ki izhodno izmenično napetost usmerijo in krmilijo njeno višino z zakasnitvijo točke vklopa tiristorjev, torej točke, kjer pride do prevajanja tiristorjev. To moramo ponoviti pri vsakem prehodu toka skozi 0. Pri izmenični napetosti je to določeno z njeno frekvenco. Shema takšnega vira varilnega toka je prikazana na sliki 1.34.

Slika 1.34: Tiristorski viri varilnega toka Napajanje je trifazno. Viri varilnega toka v opisani izvedbi so primerni za varjenje po postopku MAG/MIG, pulzno MAG/MIG, TIG, pulzno TIG.

1.5.4 TRANZISTORSKI VIRI ENERGIJE Karakterizira jih sklop vzporedno delujočih tranzistorjev, ki so vgrajeni na enosmerni strani vira varilnega toka. Usmernik ima pogosto vgrajene še dodatne gladilne filtre v obliki elektrolitskih kondenzatorjev, s čimer odpravljamo višje harmonske komponente usmerjene napetosti. Pri linearni izvedbi (imenovani linearni ojačevalnik), ki jo prikazuje slika 1.35, se znaten del energije izgubi v linearnem ojačevalniku v obliki toplote. Izkoristek je zgolj okrog 50%, vendar pa ima naprava zelo dobro dinamično karakteristiko.

Slika 1.35: Tranzistorski vir varilnega toka z linearnim ojačevalnikom


Primeren je za uporabo v virih varilnega toka za varjenje po postopku MIG, pulzno MIG in TIG ter pulzno TIG. Pri nelinearni izvedbi je namesto linearnega ojačevalnika uporabljeno stikalno preklapljanje, s katerim je mogoče znatno zmanjšati izgube, vendar pa je treba električni tok še dodatno gladiti, kar prispeva k slabši odzivnosti in višji ceni. Shema takega vira varilnega toka je prikazana na sliki 1.36.

Slika 1.36: Tranzistorski vir varilnega toka s stikalnim preklapljanjem Stikalno preklapljanje deluje s frekvenco od 30 do 40 kHz, jakost povprečnega toka pa je odvisna od časa prevajanja in časa izklopa tranzistorjev. Primeren je za vir varilnega toka za varjenje po postopku MAG/MIG; pulzno MAG/MIG, TIG, pulzno TIG.

1.5.5 INVERTERSKI VIRI ENERGIJE Čeprav so inverterski viri varilnega toka danes običajno izvedeni v tranzistorski tehniki, je izvedba mogoča tudi v tiristorski tehniki. Izvedba virov v inverterski tehniki zagotovi lahek vir toka v primerjavi s klasičnimi viri. Napajalni izmenični tok najprej usmerimo, stikalni elementi pa spremenijo enosmerni tok v izmenični tok visoke frekvence (običajno od 16 do 100 kHz). Tega nato transformiramo in ponovno usmerimo, pri tem je transformator zaradi uporabe višje frekvence pretvorbe napetosti bistveno manjši in lažji. Napetost, ki jo dobimo iz visokofrekvenčnega transformatorja, moramo usmeriti in dobro zgladiti. Celotna naprava je zaradi uporabe dvojnega usmernika, inverterja in visokofrekvenčnega transformatorja dražja, v primerjavi s klasičnimi, vendar je veliko lažja in ima zelo dobre dinamične lastnosti. Osnovna shema je prikazana na sliki 1.37.

Slika 1.37: Tranzistorski vir varilnega toka z inverterjem

1.5.6 ZNAČILNOSTI VIROV ENERGIJE Viri varilnega toka, ki so izdelani na podlagi moderne polvodniške tehnike, imajo lahko različne statične karakteristike, kot je to razvidno iz slike 1.33. Čeprav imajo vsi sistemi izvedeno regulacijo na podlagi povratne zanke, pa se vseeno razlikujejo predvsem v različni obliki izhoda ter dinamičnih karakteristikah in vrsti uporabljenih krmilnih elementov, kajti to vpliva na delovanje varilne naprave.


1.5.6.1 DINAMIČNA KARAKTERISTIKA VIRA ENERGIJE

Poleg statične karakteristike, ki je določena s povratno zanko in obliko izhoda, ki pa je zopet določen z vrsto vira varilnega toka, je zelo pomembna lastnost dinamična karakteristika oziroma odziv na spremembo referenčnega signala, kot tudi na spremembo zunanjega bremena. Slednje pride še posebno v poštev pri CO2 MAG kratkostičnem varjenju, prvo pa pri pulznem varjenju. Odziv sistema lahko prikažemo kot spremembo izhoda zaradi trenutne spremembe referenčnega signala ali zunanjega bremena. Kriterij za ocenjevanje odziva je prehodni čas t0, ki predstavlja čas v katerem se regulacijska spremenljivka c ustali pri ± 5% končne izhodne vrednosti. Glede na to ločimo sisteme z dobrim in s slabim odzivom.

1.5.6.2 DINAMIKA PULZNEGA TOKA

Ko govorimo o pulznem MIG/MAG varjenju, običajno mislimo na pulzno varjenje s pulzi toka, ki delujejo v srednjefrekvenčnem območju. Obstajajo pa tudi drugi načini pulznega varjenja, ki so že opisani v poglavju 1.4.5. Za primer pulznega MIG/MAG varjenja s pravokotno obliko pulzov toka je značilno, da uporabljamo območje pulzne frekvence, ki se giblje od 20-500 Hz, uporabljamo torej t.i. srednje frekvenčno območje s periodo od 2 do 50 ms. Obseg pulzne frekvence je omejen z induktivnostjo v močnostnem tokokrogu (transformator, varilni kabli itd.). Še en podatek je značilen za opisano pulzno varjenje. To je hitrost porasta električnega toka od vrednosti osnovnega do vrednosti pulznega toka. Čim hitrejši je porast, tem regularnejši prehod kapljice dobimo, ob zmanjšanem brizganju, ki je že tako manjši kot pri klasičnem MIG/MAG varjenju. Ugotovljeno je bilo, da hitrost porasta toka v območju 10-50 µs zagotovi želene pogoje. Za primer pulznega MIG/MAG varjenja s sinusno širinsko krmiljeno obliko toka je značilno, da je pulzna frekvenca v izbranem območju varjenja konstantna, je prednastavljena, lahko jo sicer spremenimo, vendar le z zunanjim posegom. Druga značilnost pa je, da uporabljamo pulze toka s sinusno obliko, ki jih lahko kontinuirano spreminjamo z zakasnitvijo vklopa tiristorja. Že nespremenljivost pulzne frekvence zelo zmanjša uporabnost take naprave za varjenje, obenem pa zahteva zelo natančno nastavitev varilnih parametrov. Običajno uporabljamo frekvence, ki so mnogokratnik omrežne frekvence (25, 50, 100 in 300 Hz), prav tako je sinusna oblika pulza toka določena s frekvenco napajanja, ki je običajno 50 Hz. Sinusna oblika pulza toka prav tako omejuje področje uporabe. Sinusni pulz toka lahko razdelimo v dva dela: • vklop tiristorja v delu od 0 do T/4 povzroči sinusni pulz toka, ki relativno dolgo traja in doseže

amplitudno vrednost sinusnega pulza toka; • vklop tiristorja v delu T/4 do T/2 povzroči sinusni pulz toka, ki relativno kratko traja in ne

doseže amplitudne vrednosti sinusnega pulza toka. Pulz toka traja toliko časa, dokler skozi tiristor teče minimalni tok. Ko pa pade pod minimalno vrednost, tiristor preneha prevajati. To je zagotovljeno z uporabo izmenične napetosti. Hitrost narasta toka je omejena s sinusno obliko pulza toka (pri 50 Hz znaša čas polperiode 10 ms), kar pri zakasnitvi vklopa tiristorja 0 ms pomeni 5 µs in se zmanjšuje s povečevanjem časa zakasnitve vklopa tiristorja do 5 µs, kjer dosežemo hitrost narasta tudi okrog 50 µs. Enako je pri upadu toka. Vsi ti dolgi časi narasta in upada lahko povzročijo težave pri prehodu kapljic in brizganje. Poleg zgoraj opisanih pomankljivosti pa, če primerjamo obe vrsti pulzov toka, je sinusni pulz toka, gleden na pravokotni pulz toka, pri enakem času trajanja in pri enaki jakosti pulznega toka brez zakasnitve vklopa tiristorjev (dobimo polno sinusno obliko) za faktor 2/π manjši po površini, kot jo ima pravokotna oblika pulzov toka z enako površino, to pomeni, da je sinusni pulz toka po moči toliko šibkejši in da moramo, če želimo doseči isti efekt varjenja, uporabiti ustrezno višjo jakost pulznega toka.


1.6 VISOKOPRODUKTIVNA OBLOČNA VARJENJA

1.6.1 UVOD V zadnjih letih se je močno povečalo zanimanje za načine varjenja, ki ponujajo visoke talilne učinke. Visok talilni učinek pomeni večjo produktivnost in s tem manjše stroške proizvodnje, kar pa je vsekakor interes vsake industrije. Pri povečanem talilnem učinku pa ne gre samo za večjo količino pretaljenega dodajnega materiala, ampak tudi za večjo količino energije, ki se vnese v var, kar lahko negativno vpliva na njegove mehanske lastnosti. Pri varjenju z visokoproduktivnimi načini je zatorej treba biti previden in upoštevati kemično sestavo in mehanske lastnosti materiala. Iz literature in tudi že v praksi poznane številne metode ter novi načini varjenja, s katerimi je možno povečati produktivnost pri obločnem varjenju z eno žico, so naslednje: 1. Švedska firma AGA je v okviru programa RAPID PROCESSING razvila dva varilna procesa

na osnovi MAG načina varjenja ter ju poimenovala RAPID ARC in RAPID MELT proces [78, 79]. Pri obeh načinih varjenja se uporablja trokomponentna plinska mešanica (92% Ar + 8% CO2 + NO), klasičen vir energije ter izboljšan sistem za pogon žice. Da je bila dosežena večja produktivnost pri ustrezni kakovosti zvarnega spoja, je bila uporabljena nekonvencionalna nastavitev varilnih parametrov [79]. Taka nastavitev vodi k razširitvi delovnega področja MAG načina varjenja, kot je prikazano na sliki 1.38.

Slika 1.38: Delovno področje MAG in RAPID načinov varjenja [79]

RAPID ARC je način varjenja, ki omogoča povečanje hitrosti varjenja (tudi do 2 m/min) ob zagotovitvi dobre kakovosti zvarnega spoja. Princip temelji na povečanju hitrosti podajanja žice ter podaljšanem prostem koncu žice. Napetost obloka je zaradi tega nižja, pojavi se tako imenovani prisiljeni kratkostični oblok. RAPID MELT je namenjen varjenju večjih debelin pločevin. Značilnost tega načina varjenja je visok talilni učinek (do 25 kg/h) [79]. Glede na prehod materiala pri RAPID MELT načinu ločimo: • modificirani pršeči prehod (nižja napetost varjenja), • rotirajoči prehod materiala (višja napetost varjenja). Razlika med obema prehodoma se pokaže tudi v obliki prereza zvara. Modificirani pršeči prehod materiala ima značilen globok uvar, medtem ko je pri rotirajočem prehodu uvar širok in plitek [79].

2. Drugi način varjenja, ki si je tudi že utrl pot v industrijo, pa je T.I.M.E. (Transferred Ionized Molten Energy) način varjenja. Postopek je sad dvajsetletnega razvoja s strani W.P.I. (Kanada) ter raziskovalcev J.G. Churcha in H. Imaizumija [80]. Tehnična novost, ki je bila uporabljena pri T.I.M.E. načinu varjenja, je štririkomponentna plinska mešanica s kemično sestavo 65% Ar; 26,5% He; 8% CO2 ter 0,5% O2. Avtorja izhajata iz dejstva, da je možno s


sestavo plinske zaščite obloka bistveno vplivati na fiziko obloka, predvsem pa tudi na talilni učinek.

3. Med zadnjimi se je pojavil LINFAST koncept. Za zaščito se uporabljajo različne trokomponentne plinske mešanice (Ar, He, CO2). Kot zagotavlja avtor [81], je možno doseči prehod materiala v obliki visoko učinkovitega pršečega prehoda ali v obliki stabilnega rotirajočega prehoda.

1.6.2 NAČINI VARJENJA Z VEČ ŽICAMI Obstajajo mnoge prednosti, ki narekujejo uporabo varjenja z dvema ali več žicami, kot so: • varjenje v ozki reži za doseganje optimalnega pretaljevanja robov zvarnega žleba; • pri navarjenju se enostavneje dosegajo enakomerne porazdelitve legirnih elementov ter

optimalna oblika navara (plitek uvar); • pri varjenju kotnih in sočelnih zvarov se v primeru različne širine špranje lažje dosega

prevaritev (globina uvara); • večji izkoristek dovedene energije; • boljši ekonomski učinek. Seveda je razumljivo, da sistemi z dvema ali več žicami dosežejo večjo produktivnost oz. talilne učinke kot v primeru varjenja z eno žico. Sistemi z dvema ali več žicami omogočajo tehnologijo varjenja, kjer se doseže nizek vnos energije v zvar ob istočasni visoki produktivnosti (visok talilni učinek), kar je še posebej ugodno pri varjenju "občutljivih" jekel [1].

1.6.2.1 PREGLED STANJA IN TRENUTNA SITUACIJA

Med prvimi, ki se je ukvarjal z varjenjem z več žicami, točneje z dvojno žico, je bil Brown [2]. Njegov sistem je bil sestavljen iz dveh ločenih virov energije: • prvi za oskrbo obloka z osnovnim tokom, • drugi za oskrbo obloka s pulznim tokom, superponirano na osnovni tok, ter preklopnega sistema, ki je izmenično preklapljal med obema žicama. V delu je prikazal sposobnost, da dve žici pri varjenju v zaščitnem plinu lahko tvorita skupno talino vara, istočasno pa je dosegel tudi dobro kontrolo globine uvara. Trenutni razvoj polprevodniške elektronike krmiljenega pulznega MIG/MAG varjenja prinaša tri bistvene prednosti: 1. Prehajanje materiala je bolje kontrolirano. Prehod kapljic je kontroliran z obliko in frekvenco

pulziranja. 2. Doseganje usmerjenega prehajanja (področje prehoda materiala s prostim preletom) je

doseženo pri nižjih povprečnih jakostih varilnega toka. S tem je omogočena boljša kontrola nad vnosom energije v zvar in varjenje v prisilnih legah brez problemov, ki se pojavijo pri kratkostičnem varjenju (brizganje, zlepi).

3. Sposobnost uvajanja elektronske kontrole v vse aspekte pulznega varjenja. Na Institutu za varjenje v Kanadi so v letu 1987 razvili nov pristop h kontroli pulznega varjenja [1]. Razviti sistem temelji na povratni zanki varilne napetosti, ki kontrolira frekvenco pulziranja (frekvenčna modulacija). Sprememba v dolžini bloka (motnja) povroči spremembo v varilni napetosti. Razlika med referenčno (prednastavljeno) vrednostjo varilne napetosti in izmerjeno rezultira v spremembi frekvence pulziranja, katere namen je izničiti motnjo. Proces zagotavlja, da je dolžina obloka ves čas konstantna, poleg tega pa sistem omogoča tudi spreminjanje jakosti pulznega varilnega toka, časa trajanja pulza in jakosti osnovnega varilnega toka, s čimer je sistem primeren za vse aplikacije. Sistem varjenja z dvojno žico ne temelji na superponiranju ("add-on" koncept), ampak je raziskovalcem bolj ustrezal razvoj dvojnega vira energije, ki sta temeljila na inverterski tehnologiji. K viroma energije je bil dodan še sklop za frekvenčno modulacijo za sinhronizacijo


obeh podsklopov med seboj ("slave" in "master"). Shematsko je koncept sistema prikazan na sliki 1.39.

Slika 1.39: Koncept varjenja z dvojno žično elektrodo [1] V sistem je integriran nadzor nad varilno napetostjo "slave" in "master" varilne žice. V primeru odstopanja od referenčne varilne napetosti je sistem sposoben spreminjanja jakosti osnovnega toka in časa trajanja pulza na "slave" žici. Istočasno pa se spremeni tudi frekvenca pulziranja oz. srednja jakost varilnega toka na obeh varilnih žicah. Taka metoda kontrole varilnega toka zagotavlja stabilen oblok brez motenj, pršeč prehod materiala na obeh varilnih žicah, kljub temu, da je polariteta obeh varilnih žic ista. Sistem omogoča, da je razdalja med električno izoliranima žicama lahko izredno majhna (do 3 mm) ob tem, da je pihalni učinek in nezaželjen vpliv na prehod materiala neopazen. Opisane značilnosti sistema indicirajo uporabo takega sistema za navarjanje. Za razliko od navarjanja z enojno žico se pri navarjanju z dvojno žico doseže manjša globina uvara ter manjše toplotno vplivano področje. Izdelani sistem je omogočal tudi različne variacije, kot so: • uporaba dveh žic z različno kemično sestavo (kemična sestava navara ni več odvisna samo od

ene žice in osnovnega materiala, ampak jo je možno prilagajati s kemično sestavo druge žice), • uporaba dveh žic z različnima premeroma, hitrostijo podajanja ter parametri varjenja. Na sliki 1.40 sta prikazana dva prečna prereza navarov, izvedena s 5 mm in 7 mm razdaljo med varilnima žicama.

Slika 1.40: Prečni prerez navara pri varjenju z dvojno žico (razdalja med elektrodama 5 mm - levo; 7 mm - desno; Ip = 275 A; Io = 40 A; tp = 4 ms; to = 5 ms) [1]


V istem prispevku je v besedilu tudi že nakazana možnost uporabe istega principa pri varjenju z večžično elektrodo. Navajajo naslednji zahtevi za izvedbo takega sistema: • neodvisne kontrole med varilnimi žicami; • fazni zamik med posameznimi pulzi. Bolj raziskovalno delo sta opravila Rehfeld in Polte [32] z Analizatorjem Hannover. Raziskovala sta proces varjenja z dvema žicama. V svojem pregledu literature navajata dva sistema za varjenje z dvema žicama, in sicer sistema "twin" in "tandem" (glej sl. 1.41). Prvi je sistem z dvojno žico v skupni kontaktni šobi in enim virom energije. Sistem "tandem" je sistem varjenja z dvema žicama z ločenimi kontaktnimi šobami in dvema viroma energije. Od teh dveh virov je eden glavni ali "master" in drugi pomožni ali "slave".

Slika 1.41: Princip varjenja z dvojno žico "twin" (levo) in dvema žicama "tandem" (desno) [32]

Za izvedbo takega sistema se priporoča uporaba pršečega ali pulznega načina prehajanja materiala. Za sistem z dvema žicama se v splošnem lahko uporabi le sistem s pulziranjem, ki imata za 180o premaknjeno fazo pulza. Na sliki 1.42 je prikazana eksperimentalna postavitev. Kot je razvidno, sta uporabila dva vira energije in ločene kontaktne šobe, vse skupaj pa sta merila tudi z dvema ločenima merilnima sistemoma, ki sta bila med seboj sinhronizirana z enoto DSO.

Slika 1.42: Eksperimentalna oprema za spremljanje procesa varjenja z dvema žicama v zaščitnem plinu [32]

Prvi, bolj komercialno široko zastavljeni razvoj vira energije, je bil osnovan na procesu T.I.M.E. in ga je podjetje Fronius predstavilo v 90-tih letih pod imenom T.I.M.E.-TWIN [39]. Njihov razvoj je temeljil predvsem na povečanju produktivnosti varjenja malolegiranega jekla. Sistem se je izkazal za uspešnega in v nekaj letih so ga že uporabili tudi za varjenje aluminija in njegovih zlitin. V začetni fazi razvoja so poskušali izvesti sistem s skupno kontaktno šobo, vendar so kmalu ugotovili, da taka zasnova ne zagotavlja ustrezne stabilnosti procesa varjenja. Njihov novi koncept temelji na dveh ločenih sistemih, ki sta med seboj povezana s sinhronizacijsko enoto (glej sliko 1.43). Ta je uporabljena z namenom, da se natančno kontrolira pulziranje in s tem prehajanje materiala med obema žicama izmenično. Varilni žici sta dve in sta med seboj v kontaktni šobi električno ločeni. Prednosti uporabe sistema z dvema žicama se pokažejo v večji produktivnosti (talilni učinek) in z njim povezane večje hitrosti varjenja (glej tabelo 1.3).


Tabela 1.3: Odvisnost hitrosti varjenja od višine kotnega vara in uporabljenega načina varjenja (material: malolegirano jeklo) [12]

Višina kotnega vara a3,5 a4 a5 a6

Hitrost varjenja [m/min] MAG 0,7 0,6 0,4 0,3 T.I.M.E. 1,0 0,9 0,7 0,6 T.I.M.E. TWIN 1,5 1,4 1,2 1,0

Slika 1.43: Shematski prikaz sistema T.I.M.E.-TWIN [12] Na potrebe tržišča so se kmalu odzvala tudi druga podjetja. Med prvimi, ki je sledilo razvoju je bilo podjetje KUKA, ki je leta 1998 predstavili svoj sistem varjenja z dvema žicama za zvarjanje [9]. Varilni žici sta postavljeni zaporedno in zato oblok vodilne žice gori na osnovni material, oblok sledilne žice pa v talino. Podjetje je predstavili sistem, ki je zasnovan na robotski manipulaciji in v že v osnovi loči dva sistema, in sicer sistem z dvema kontaktnima šobama, ki sta med seboj izolirani, in sistem z dvema povsem ločenima gorilnikoma (glej sl. 1.44).

Slika 1.44: Shematski prikaz sistema KUKA, levo električno izolirani kontaktni šobi in desno sistem z dvema gorilnikoma [9]

Sistem, ki ima ločena potenciala med dvema kontaktnima šobama, omogoča veliko večjo stabilnost procesa, poleg tega pa tudi uporabo dveh različnih hitrosti podajanja varilne žice ali pa dveh različnih premerov varilne žice. Sistem je izveden tako, da omogoča tudi nastavljane različne razdalje med kontaktnima šobama, kakor tudi spreminjanje naklona kontaktne šobe. Glede na naklon kontaktne šobe se za primer zvarjanja uporabljajo naslednje kombinacije (odvisno od aplikacije, predvsem od debeline osnovnega materiala): • vodilna varilna žice - vlečenje, sledilna varilna žica - nevtralno; • vodilna varilna žice - nevtralno, sledilna varilna žica - potiskanje; • vodilna varilna žice - vlečenje, sledilna varilna žica - postiskanje; Prispevek [10], objavljen leta 1999, predstavlja raziskave podjetja Lincoln na področju varjenja z več žicami v zaščitnem plinu. Podobno, kot že prej omenjeni sistemi so, tudi tu izbrali sistem z dvema žicama z ločenima kontaktnima šobama. Njihov prispevek k znanosti temelji predvsem na raziskavah, kjer so poskušali ugotoviti stabilnost varilnega procesa in s tem povezano kakovost vara v odvisnosti od oblike varilnega toka na posamezni žici. Rezultat njihovega dela je


predstavljen v obliki matrike v tabeli 1.4. Njihova raziskava je temeljila le na dveh načinih prehajanja materiala, saj smo že prej omenili, da se kratkostičen prehod materiala pri varjenju z več žicami v zaščitnem plinu ni izkazal za primernega. Avtorji v istem članku podajajo tudi priporočeno (optimalno) razdaljo med dvema varilnima žicama, in sicer znaša ta približno 5 mm.

Tabela 1.4: Matrika primernosti uporabe pršečega in pulznega prehoda materiala pri varjenju z dvema žicama [10]

Vodilni oblok

pršeč prehod Vodilni oblok pulzni prehod

Sledilni oblok pršeč prehod

NE NE

Sledilni oblok pulzni prehod

DA DA

Podjetje CLOOS je začelo razvijati sistem za varjenje z dvema žicama že leta 1980, v letu 1999 pa predstavilo moderen, izpopolnjen sistem. Prva njihova izvedba je bil sistem s skupno kontaktno šobo, vendar jim je nadaljnji razvoj nakazal uporabo sistema z ločenimi kontaktnimi šobami. Na sliki 1.45 je shematično prikazan moderen sistem za varjenje z dvema žicama in dvema ločenima viroma energije.

Slika 1.45: Shematski prikaz sistema CLOOS [11] Njihov sistem omogoča varjenje samo z eno žico ali z dvema varilnima žicama, ki imata različne premer in različno kemično sestavo. Možno je klasično varjenje ali varjenje s pulznim tokom, različnih materialov, kot so navadna jekla, aluminij in nerjavno jeklo. Na osnovi njihovih raziskav navajajo znatno povečanje talilnega učinka v primerjavi z visokoproduktivnimi procesi z eno žico ali s klasičnim varjenjem z eno žico (glej sliko 1.46). Na osnovi povečanja talilnega učinka je možno znatno povečati hitrost varjenja, zaradi česar se tudi zmanjša vnos energije v var. ESAB-ov sistem za varjenje z dvema žicama podrobneje opisuje Goecke [16]. Podobno kot do zdaj opisani sistemi, tudi ta temelji na ločeni kontaktni šobi ter "master" in "slave" viru energije, ki sta med seboj povezana s sinhronizacijsko enoto. V svojem prispevku tudi pojasni terminologijo, in sicer pomen izrazov: • "twin" - sistem, ki ima en ali dva ločena podajalna mehanizma, en vir energije in skupno

kontaktno šobo; • "tandem" - sistem z dvema podajalnima mehanizmoma in viroma energije ter električno ločeni

kontaktni šobi.


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

M [k

g/h]

TANDEM Enojna žica-visokoproduktivna Enojna žica-klasično

Slika 1.46: Primerjava talilnih učinkov za varjenje v zaščitnem plinu z dvema žicama in z eno žico premera 1,2 mm[11]

Sistem omogoča klasično in pulzno varjenje s sinhronizacijo ali brez nje. Bistvena prednost uporabe sinhroniziranega pulziranja se izkaže z višjo stabilnostjo procesa in boljšo kontrolo taline pri višjih hitrostih varjenja. Avtor je raziskoval tudi vpliv faznega zamika med obema pulzoma z namenom zmanjšanja nestabilnosti, brizganja ter izboljšanja izgleda vara. Kot rezultat za doseganja optimalnih lastnosti navaja fazni zamik med pulzoma v velikosti 1 ms. S tako vrednostjo faznega zamika se doseže večja stabilnost taline (manjše valovanje zaradi delovanja pulzov) in večja stabilnost oblokov. Na osnovi posnetkov hitrotekoče kamere je mogoče opaziti situacijo, kjer oblok, ki v pulzu povzroči veliko večji in bolj škodljiv vpliv na oblok, ki gori na osnovnem varilnem toku. Visok pritisk plazme na začetku pulza ima manjši vpliv na nasprotni oblok, če je ta v fazi pulznega toka. Kot večina drugih avtorjev pa navaja glavno prednost varjenja z dvema žicama, in sicer povečanje produktivnosti, to sta talilni učinek (glej sl. 1.47) in hitrost varjenja (glej sl. 1.48).

Slika 1.47: Primerjava talilnih učinkov različnih načinov varjenje v zaščitnem plinu [16]

0

50

100

150

200

250

300

350

Hit

rost

var

jen

ja [

cm/m

in]

Enojna žicaDvojna žica

Sočelni var Kotni var Prekrovni var

Slika 1.48: Primerjava hitrosti varjenja za varjenje v zaščitnem plinu z eno in dvema žicama premera 1,2 mm pri različnih oblikah varov [16]


SKS je še eno izmed podjetij, ki ima v svojem prodajnem sklopu sistem za varjenje z dvema žicama v zaščitnem plinu. Konstrukcija njihovega sistem, ki ima skupno kontaktno šobo, je prikazana na sliki 1.49. Na zadnjem svetovnem sejmu v Essnu so razstavili tudi zadnji dosežek njihovih razvojnikov, in sicer sistem, ki temelji na tem prikazanem sistemu in omogoča varjenje s tremi žicami. Vir energije se v tem primeru sestoji iz treh inverterjev.

Slika 1.49: Shematski prikaz sistema SKS za varjenje z dvema žicama Večina omenjenih sistemov v tem podpoglavju je bila prvenstveno namenjenja zvarjanju in ne navarjanju, zato je bila tudi postavitev žic zaporedna z vodilno in sledilno varilno žico.

1.6.2.2 PROBLEMI VARJENJA Z VEČ ŽICAMI

Glavni problem pri varjenju z dvema ali več žicami je relativno majhna razdalja med dvema ali več obloki, ki med seboj vplivajo z elektromagnetnim poljem. Pojavlja se problem, ki je znan kot "pihalni učinek". V posameznih varilnih žicah teče električni tok vzporedno in zaradi znane elektromagnetne sile se žici, odtrgane kapljice in obloki med seboj privlačijo. Prisotnost elektromagnetne sile se pri varjenju z večkratno elektrodo kaže v: • nestabilnosti obloka; • neenakomernem prehajanju materiala; • slabšem izgledu temena zvara; • nastajanju obrobnih zajed; • neenakomerni globini uvara v vzdolžni smeri. Če varilni tok teče skozi obe žici, ki imata skupno kontaktno šobo, potem je padec napetosti med varjencem in žicami enak za obe žici. To pomeni, da drugi oblok ugasne, če je prva žica v kratkem stiku. Kapljica na koncu žice se lahko zaradi dolgih časov kratkega stika strdi. Zaradi tega razloga varjenje s kratkimi stiki pri varjenju z več žicami ni primerno (glej sl. 1.50) [4].

Slika 1.50: Oblok in prehajanje materiala pri kratkostičnem varjenju z dvema žicama [4]

Omenjeni problem kratkih stikov je mogoče nekoliko omiliti, če uporabimo dva ločena podajalna mehanizma. V takem primeru ima lahko pri zvarjenju vodilni oblok višjo hitrost podajanja varilne žice v proces in s tem višjo jakost varilnega toka.


Pri varjenju s pršečim načinom prehajanja materiala je dolžina obeh oblokov približno enaka in se časovno le malo spreminja. Tudi padca napetosti sta enaka v obeh oblokih. Problem pa je že opisani pihalni učinek, ki pozvroča nestabilnost obokov in posledično tudi slabo kakovost varov. To sta dva glavna razloga, zakaj se varjenje z več žicami ni že prej pojavilo v praksi. Opisani problem je med prvimi obravnaval in nakazal rešitev Brown [2]. Njegov pristop je zajemal uporabo komutatorskega preklopnega sistema, med prvim virom energije, ki je izmenično "dobavljal" visoko raven jakosti varilnega toka med dve varilni žici in drugim virom energije. Dobri rezultati varjenja z dvema žicama so se pojavili šele s pojavom pulznega varjenja. Pulziranje je sinhroniziramo med obema žicama. Visoka jakost varilnega toka v pulzu povzroči, da se kapljica odcepi v času 1,8 do 2 ms. Jakost varilnega toka v pulzu dosega za žico 0,9 mm vrednosti okoli 400 A, za žico premera 1,0 mm pa 500 A [4]. Pri varjenju z dvema ali več žicami želimo zmanjšati vpliv pihalnega učinka predvsem z uporabo pulziranja. Slika 1.51 prikazuje vpliv pihalnega učinka na oblikovanje obloka in prehajanje materiala pri pulznem načinu prehajanja materiala ter skupni kontaktni šobi.

Slika 1.51: Varjenje z dvema žicama in pulznim prehodom materiala [4] Dva vzporedna obloka z enako polariteto ustvarita eno magnetno polje. Obloka in kapljice, ki prehajajo, silijo druga k drugi. Če je razdalja med žicama optimalna, se kapljice v prostem preletu združita in skupno padeta v talino (glej sl. 1.51). Če je razdalja med žicama premajhna, se lahko še pred odcepitvijo kapljice oblikuje ena velika skupna kaplja. Običajno potem elektromagnetna sila (sila "pinch efekta") ni dovolj velika, da bi povzročila odcepitev kaplje in oblok zagori nazaj v kontaktno šobo (glej sl. 1.52). Če je razdalja med žicama prevelika, se kapljici v prostem preletu ne srečata in padeta v talino vsaka zase. Posledično se zaradi tega zmanjša hitrost varjenja (glej sl. 1.53).

Slika 1.52: Prehajanje materiala pri premajhni razdalji med žicama [4]

Slika 1.53: Prehajanje materiala pri preveliki razdalji med žicama [4]


Tušek se je srečal s podobnim problemom premajhne razdalje v lit. [33]. V omenjenem prispevku je raziskoval prehajanje materiala pri varjenju z več žicami v zaščitnem plinu s skupno kontaktno šobo. Prehajanje materiala je spremljal s hitrotekočo kamero, katere posnetki so za dve žici prikazani na sliki 1.54. Na sliki 1.54-a je dobro viden pojav ene skupne kaplje, ki predstavlja velik problem pri enakomernem odtaljevanju. Pri varjenju s tremi žicami v zaščitnem plinu Tušek [33] navaja, da je prehajanje materiala oz. prehod posemezne kapljice veliko bolj naključen, kot bi to lahko pričakovali. Proces prehajanja kapljic z nizko stopnjo enakomernosti oziroma ponovljivosti ne more zagotavljati niti dobre stabilnosti procesa. Slika 1.54 prikazuje posnetke hitrotekoče kamere varjenja v zaščitnem plinu s tremi žicami.

Slika 1.54: Posnetki varjenja z dvema (levo) in tremi (desno) žicami v zaščitnem plinu [33]

Rehfeld in Polte v svojem prispevku [32] omenjata optimalno razdaljo med žicama pri varjenju z dvojno žico v zaščitnem plinu in dvema pulznima viroma energije. Ta naj bi znašala med 5 mm in 9 mm. Premajhna razdalja povzroči nestabilnost oblokov, medtem ko lahko varjenje s preveliko razdaljo med žicama povzroči nastanek dveh ločenih talin. Pri MIG/MAG varjenju z eno žico se predpostavlja, da se prehajanje materiala iz varilne žice v talino dogaja na sredini. Glede na smer varjenja sta tako prisotni še dve področji, in sicer področje predgrevanja in pogrevanja (glej sl. 1.55-levo). Področje predgrevanja pomaga pri segrevanju in taljenju osnovnega materiala, področje pogrevanja pa var razširi in oblikuje teme vara. Pri varjenju z dvema žicama lahko rečemo, da je področje prehajanja materiala v talino nekoliko večje (glej sl. 1.55 - desno), kot je v primeru varjenja z eno žico. To je posledica pihalnega učinka. Na drugi strani pa se povečata področji predgrevanja in pogrevanja. Ta učinek omogoča, da se osnovni material hitreje raztali ter var razširi, kar omogoča varjenje z večjimi hitrostmi varjenja.

1 – območje predgrevanja 2 - območje prehajanja materiala 3 – območje pogrevanja

Slika 1.55: Področja obloka pri varjenju z eno (levo) in dvema žicama (desno) [4]


2. RAZVOJ OPREME ZA VARJENJE Ideja za razvoj varilne opreme se je dejansko razvila pri opazovanju potreb industrije. Pri navarjanju se velikokrat pojavlja potreba po navarjanju velikih površin z dodajnim materialom, katerega kemična sestava je zahtevnejša in je na tržišču dobavljiv le v obliki varilne žice. Navarjanje s tračno elektrodo tako ni mogoče, navarjanje z eno žico pa je zamudno opravilo. Povečanje produktivnosti v smislu povečanja jakosti varilnega toka je nezaželjeno, saj se s povečanjem jakosti varilnega toka povečuje tudi globina uvara, s tem pa tudi stopnja razmešanja. Visoka stopnja razmešanja je pri navarjanju nezaželjena, saj je potem potrebno večje število navarov, da dosežemo ustrezno kemično sestavo navara. Najbolj sprejemljiv način povečanja produktivnosti je uporaba več žic pri navarjanju. Načini varjenja v zaščiti praška z več žicami so že dobro znani, varjenje z več žicami v zaščitnem plinu pa je manj uveljavljeno v praksi in seveda tudi ustrezno temu manj raziskano. Kot je že bilo navedeno v začetnem poglavju, se trenutno stanje varjenja z več žicami v zaščiti plina konča pri dveh žicah. Največkrat sta uporabljena tudi dva vira energije. Naslednji korak v razvoju je pričakovan, in sicer v smislu uporabe treh žic pri varjenju v zaščiti plina. Zastavljena doktorska naloga je sledila tej ideji oziroma razvoju, pri čemer smo želeli za varjenje uporabiti samo en, skupen vir energije. Pri varjenju z več žicami predstavljajo glavni problem medsebojni vplivi oblokov. Popolna preprečitev medobločnih delovanj elektromagnetne sile je nemogoča, vendar pa obstaja več načinov za njihovo omilitev. Tušek je v lit. [29] shematsko že nakazal varilno napravo za varjenje z dvema in s tremi žičnimi elektrodami (glej sliko 2.1). S posebno krmilno napravo bi tok iz enega vira energije usmerjali izmenično, v prvo in tretjo varilno žico istočasno, in nato v drugo varilno žico. Navedeni so tudi trije problemi oz. zahteve, ki se pojavljalo pri konstruiranju takega vira energije: • visoka jakost varilnega toka, • visoka frekvenca pulziranja, • visoka hitrost naraščanja varilnega toka pri vklopu in izklopu pulza (nad 800A/ms). Vir energije naj bi bil primeren tako za varjenje pod varilnim praškom kot tudi za varjenje v zaščitnem plinu.

Slika 2.1: Shematski prikaz pulznega varjenja s tremi žicami[29] V nadaljevanju je opisan razvoj opreme za varjenje, ki je bil razvit in vsebuje dve novosti na tem področju: • omogočeno varjenje s tremi žicami (klasično ali pulzno), • en, skupen vir energije.


2.1 ZAHTEVE ZA VARILNO OPREMO Na začetku razvoja varilne opreme so bile postavljene naslednje zahteve, ki bi jih morala izpolnjevati varilna oprema: • možnost varjenja z eno, dvema ali tremi žicami; • medsebojno električno izolirane kontaktne šobe; • možnost varjenja z različnimi premeri varilne žice; • ločeni podajalni mehanizmi z ločeno regulacijo hitrosti podajanja varilne žice; • en, skupen vir energije; • ustrezno krmilje, ki bo sposobno energijo iz vira energije ustrezno razporediti na tri varilne

žice; • možnost varjenja klasično in pulzno. Ker naj bi bila varilna oprema prvenstveno primerna za uporabo pulznega varilnega toka, se je zato zahtevalo, naj krmiljenje omogoča spreminjanje najpomembnejših pulznih varilnih parametrov, vključno s spreminjanjem faznega premika med pulzi (glej sliko 2.2). Glede na idejo naj bi bila varilna oprema primerna predvsem za navarjanje, kar je bilo tudi v nadaljevanju te doktorske naloge raziskano.

I [A]

t [ms]

t [ms]

t [ms]

p3t

p2t

p1t

3

I [A]2

I [A]1

p32ϕ

p21ϕ

p13ϕ

o3I

o1I

o2I

p3I

I p1

I p2

o3t

o2t

o1t

Slika 2.2: Krmiljeni pulzni varilni parametri

2.2 OSNOVNI PRINCIP Na osnovi podanih zahtev je bila izdelana konceptualna shema varilne opreme, ki je prikazan na sliki 2.3. Iz slike je razvidna tudi razlika proti že obstoječimi viri energije za varjenje z več žicami. Naš doprinos je bil predvsem na razvoju sistema z enim močnostnim virom energije (na sliki VDU) in razvoju sistema za pulzno varjenje s tremi žicami (na sliki C, IGBT, DUŠILKA). Večina objavljenih del na tem podorčju je temeljila na razvoju dveh močnostnih virov energije in varjenju z dvema žicama (klasično ali pulzno). Sad lastnega razvoja je tudi krmilje sekundarnega močnostnega dela (na sliki ATMEL, PWM).


IGBT 1 DUŠILKA 1

+

_

+ +C 1

IGBT 2 DUŠILKA 2+ +C 2

IGBT 3 DUŠILKA 3+ +

C 3

VDU

PWM

ATMELRAČUNALNIK M 1

M 3M 2

ZAŠČITNI PLIN

Slika 2.3: Osnovna shema konstrukcije varilne opreme Iz slike je razvidno, da se vir energije sestoji iz dveh osnovnih sklopov:

• osnovni vir energije (na sliki 2.3 označen z VDU), • sekundarni močnostni del s krmiljem.

Drugi pomemben del razvite varilne opreme je podajalni mehanizem, ki omogoča ločeno regulacijo in podajanje treh varilnih žic. Zadnji, vendar še posebej ne najmanj zahteven element varilne opreme, je gorilnik.

2.3 OPIS SESTAVNIH DELOV VARILNE OPREME

2.3.1 OSNOVNI VIR ENERGIJE Za osnovni vir energije so bile postavljene naslednje zahteve: • enosmerna napetost na sekundarni strani; • vodoravna statična karakteristika; • velika moč na sekundarni strani, točneje, visoka jakost varilnega toka. Za izvedbo smo uporabili varilni stabilni usmernik VDU 1201, ki je v osnovi namenjen varjenju pod praškom ali žleblenju z ogleno elektrodo. Tehnične značilnost varilnega usmernika VDU 1201 so prikazane v tabli 2.1. Tabela 2.1: Tehnične značilnosti varilnega usmernika VDU 1201

Naziv

Karakteristika vira Vodoravna Padajoča

Napajanje trofazno, 380V, 50Hz Nazivni varilni tok 1250A Naziva moč 135kVA Intermitenca 100% pri 1250A Obseg reguliranja varilnega toka

300A-1250A

Obseg reguliranja delovne napetosti

24V-66V 26V-60V

Izkoristek 83% 84% Napetost praznega teka 100V


Varilni usmernik (glej sliko 2.4 in fotografijo na sl. 2.6) je sestavljen iz transformatorja (poz. 1), tiristorske enote (poz. 2), dušilke varilnega tokokroga (poz. 3), avtomatskega izklopa omrežja, nadzorne omarice, čelne plošče, zaščitne enote (poz. 4) in električnega motorja z ventilatorjem za hlajenje (poz. 5). Transformator je trofazen, tiristorska enota pa se sestoji iz šestih tiristorjev.

Slika 2.4: Sestavni deli varilnega usmernika VDU 1201

Slika 2.5: Fotografija varilnega usmernika VDU 1201 Varilni usmernik je univerzalen in ima vodoravno in padajačo statično karakteristiko (glej sliko 2.6). Zvezno reguliranje jakosti varilnega toka in napetosti je izvedeno s potenciometrom na čelni plošči. Ustrezno vezje omogoča tudi spreminjanje naklona vodoravne statične karakteristike varilnega usmernika.


Slika 2.6: Statične karakteristike varilnega usmernika VDU 1201 Za uporabo varilnega usmernika VDU 1201 za razvito varilno opremo je bilo treba na sekundarni strani osnovnega vira energije izločiti dušilko. Ta v našem primeru nima funkcije in bi lahko predstavljala motnjo za razviti sekundarni močnostni del oziroma za proces varjenja. Dušilka se vedno uporablja v varilnem tokokrogu tik pred varilnim oblokom, zato smo v sekundarni močnostni del dodatno vgradili dušilke za vsako varilno žico posebej.

2.3.2 SEKUNDARNI MOČNOSTNI DEL Namen sekundarnega močnostnega dela je, kot je prikazano tudi na sliki 2.7, da: 1. dodatno zgladi izhod iz osnovnega vira energije (varilni usmernik VDU 1201); 2. pretvori enosmerno napetost na vhodu v želeno obliko napetosti, npr. pulzno z želeno obliko

pulza; 3. določa dinamično karakteristiko sistema.

IGBT DUŠILKA

+

_

+ +C

Slika 2.7: Sekundarni močnostni del Prvo nalogo opravljajo kondenzatorji, ki so vezani na posamezni vhod v IGBT modul. Zaželeno je namreč, da je vhod v IGBT čim bolj "gladek" - brez motenj. Uporabljeni so bili sklopi petih kondenzatorjev CELCO (10µF, 100V). Prevorbo enosmerne napetosti v poljubno izhodno obliko napetosti opravljajo IGBT moduli. Ti so v elektrotehniki manj znani. Gre za tranzistor s skorajda idealnimi lastnostmi. Je mešanica MOSFET in BIPOLARNEGA tranzistorja. Krmiljen je le z napetostjo (značilno za MOSFETe), medtem ko se na močnostnih sponkah obnaša kot navaden bipolaren tranzistor.


Slika 2.8: Fotografija sekundarnega močnostnega dela

Slika 2.9: Shematski prikaz IGBT modula (levo osnovna vezalna shema, desno

označbe krmilnih vhodov) Uporabljeni IGBT moduli (SEMIKRON SkiiP 602 GB 061 - 259 CTV) spadajo med močnejše, hkrati pa imajo že vgrajene različne zaščite (zaščita pred kratkim stikom, temperaturno zaščito,...). Naslednja tabela prikazuje glavne karakteristike IGBT modula SkiiP 602 GB 061 - 259 CTV.

Dušilka Kondenzatorski sklop

IGBT modul

Gonilnik


Tabela 2.2: Tehnične značilnosti IGBT modula SkiiP 602 GB 061 - 259 CTV

Naziv Vrednost Napetost 600V Prebojna napetost 2500V Trajna tokovna obremenitev 600A Maksimalna tokovna obremenitev (t < 1 ms) 1200A

Moduli so zaradi možnosti prekomernega gretja pritrjeni na vodno hlajeno aluminijasto podnožje WK 40/180, katerih namen je odvajanje odvečne toplote. Zadnji element sekundarnega močnostnega dela je dušilka. Njena funkcija je "dušiti" dinamično izredno hiter vir energije na dinamično raven, ki ustreza varilnemu procesu. Uporabljena je bila dušilka podjetja VARSTROJ z nazivom VMG 400 PULS. Med razvojem varilne opreme je bilo potrebno dobavljeno dušilko nekoliki prirediti. V osnovni izvedbi je bilo dušenje procesa zaradi "premočne" dušilke preveliko - hitrost naraščanja in padanja pulznega varilnega toka je bila prenizka. Dušenje dušilke smo zmanjšali tako, da smo spremenili režo med jedri iz 10 mm na 1 mm (povečal se je magnetni sklop dušilke). Po modifikaciji je induktivnost dušilke znašala 80 µH pri 1 kHz in 87 µH pri 27 kHz (podatki proizvajalca), kar ustreza zahtevam pulznega varjenja.

2.3.3 KRMILJE SEKUNDARNEGA MOČNOSTNEGA DELA Krmilje sekundarnega močnostnega dela, ki je rezultat lastnega razvoja naj bi zagotavljalo naslednje:

• vklop in izklop; • možnost klasičnega in pulznega varjenja; • nastavljanje posameznih pulznih parametrov.

Izhodišče za snovanje krmilja je bilo PWM krmiljenje IGBT modulov. Nastavljena frekvenca razsekavanja vhodne enosmerne napetosti ("chopper") je bila 21 kHz. Omenjeno krmiljenje je izvedeno z mikroprocesorjem ATMEL, ki je bil programiran prek osebnega računalnika. Vezje za podporo mikroprocesorja z ustrezno tokovno in napetostno zaščito ter programska koda sta bila razvita za potrebe te naloge. Povezava med osebnim računalnikom in mikroprocesorjem je bila vzpostavljena le v času programiranja. Za obratovanja povezava ni potrebna. Shematičen prikaz krmilja je na sliki 2.10. Podrobnejši električni načrt vezja je podan v prilogi 2.

IGTB 1

NAPAJANJE

ATMELBDM PROG. PWM

PCRAČUNALNIK

LPT1

IGTB 2

IGTB 3

PROGRAMIRANJE

OBRATOVANJE

Slika 2.10: Shematski prikaz krmilja IGBT modulov

Kot mikroprocesor za krmiljenje je bil uporabljen 8-bitni procesor ATMEL AT90S8535 z lastnostmi prikazanimi v tabeli 2.3. Tabela 2.3: Tehnične značilnosti mikroprocesorja ATMEL AT90S8535


Lastnost Vrednost Hitrost procesorja 4 MHz Hitrost obdelave 8 MIPS I/O vrata 32 programabilnih vrat Spomin 8 kB - programski prostor

512 B - EEPROM 512 B - notranji SRAM

Posamezni sklopi so bili med seboj povezani, kot je prikazano na sliki 2.11 (vezalna shema krmilja za IGTB modul) oziroma fotografija izdelanega krmilja z enim IGBT modulom na sliki 2.12.

IGBT14

DUŠILKA

14

KRMILNA KARTICA

Napajanje 24 V

Nap

ajanje 16

V

10

ATMEL

A C

B

10 10

10

P1

P8 5 V

Napajanje 12 V

VHODI8 7 6 5 4 3 2 1

VHODStartStop

Slika 2.11: Vezalna shema krmilja IGBT modulov

Slika 2.12: Fotografija krmilja IGBT modulov


2.3.4 PODAJALNI MEHANIZEM IN CEVNI PAKET Ločeni podajalni mehanizmi za tri varilne žice so bili izvedeni z uporabo treh sklopov za pogon varilne žice CWF 400 in ustreznega krmilja PICWELD 200, oba iz podjetja COOPTIM. Pogon varilne žice CWF 400 ima naslednje značilnosti, opisane v tabeli 2.13. Tabela 2.4: Tehnični podatki pogona CWF 400

Lastnost Vrednost Nazivna napetost 24 V Nazivna moč 120 W Št. gnanih koles 4 Hlajenje motorja zračno Hitrost podajanja žice 0 - 25 m/min Območje premera žic 0,6 - 1,6 mm

Krmilje PICWELD 200 ima naslednje značilnosti: • regulacija hitrosti podajanja varilne žice s povratno zanko prek tahogeneratorja, integriranega v

pogon CWF 400; • zapiranje in odpiranje pretoka zaščitnega plina z nastavitvijo časa pred- in povpihovanja; • omogoča nastavljivost zagonskega časa varilne žice – mehki zagon ("soft start"); • elektronsko krmiljeno zaviranje. Vezalna shema krmilja PICWELD 200 je prikazana na sliki 2.13.

Slika 2.13: Vezalna shema krmilja pogonskega sistema PICWELD 200 Tri samostojne enote je bili potrebno še med seboj povezati in izdelana je bila krmilna omarica za pogon treh žic, ki je prikazana na sliki 2.14. Na naslednji sliki je prikazan sistem treh pogonov s cevnimi paketi in krmilno omarico.


Slika 2.14: Krmilna omarica pogonskega sistema

Slika 2.15: Pogonski sistem s cevnim paketom Cevni paket je imel samo dve funkciji, in sicer:

• prenos toka od izvora (vir energije) do ponora (kontaktna šoba) prek bakrene pletenice; • vodenje varilne žice od pogonskega sistema do kontaktne šobe.

Hlajenje cevnega paketa ni bilo potrebno, ker je bila pletenica glede na tokovno obremenitev predimenzionirana (izvedeno je bilo le na gorilniku). Dotok zaščitnega plina je bil izveden neposredno na gorilnik.

2.3.5 GORILNIK Osnovne zahteve pri izvedbi gorilnika so bile:

• električna izoliranost med posameznimi kontaktnimi šobami; • zagotavljati mora ustrezno plinsko zaščito oblokov in taline; • ustrezno hlajenje; • čim manjši.


Zasnova in konstrukcija gorilnika sta rezultat lastnega razvoja za potrebe te naloge. Med največjimi problemi pri zasnovi gorilnika, ki je prikazana na slik 2.16, je bila izbira ustreznega izolacijskega materiala, ki bo prenesel visoke temperature na gorilniku ter istočasno zagotavljal ustrezno električno neprebojnost. Kot najbolj ustrezen material je bil izbran teflon.

1 23

Slika 2.16: Konstrukcija gorilnika

Slika 2.17: Fotografija izdelanega gorilnika Material gorilnika je bila medenina, ker dobro odvaja toploto in nudi tudi ustrezne mehanske lastnosti. Kot se je izkazalo pri praktični uporabi, je bilo uporabljeno vodno hlajenje gorilnika prešibko za odvod toplote iz gorilnika, zato je prišlo do taljenja plinske šobe (glej sl. 2.17).

Vodno hlajenje

Dovod varilne žice

Dovod zaščitnega plina

Kontaktna šoba


Gorilnik je prirejen tako, da je mogoče uporabiti kontaktne šobe za klasične gorilnike tipa ISKRA ali BINZEL. Pri izdelavi gorilnika za varjenje z več žicami sta bistveni dve dimenziji:

• razdalja med žicami; • kot med žicami.

Vrednost kota med sredinsko in stranskimi žicami je 8o. Za razdaljo med žicama se razume razdalja med osema žicama, ker pa sta žici med seboj nagnjeni pod določenim kotom je ta razdalja določena na konici prostega konca varilne žice. S tako konstrukcijo gorilnika je namreč mogoče s spreminjanjem dolžine prostega konca žice ali pa s spreminjanjem položaja kontaktne šobe proti položaju plinske šobe spreminjati tudi razdaljo med varilnimi žicami. V doktorski nalogi smo se omejili le na eno postavitev varilnih žic in nismo spreminjali niti kota niti razdalje med žicami. Poimenovanje varilnih žic glede na položaj v gorilniku, ki velja tudi za celotno doktorsko nalogo, je sledeč:

• sredinska žica oz. oznaka 1 na sl. 2.16; • stranski žici oz. oznaki 2 in 3 na sl. 2.16.

Glede na uvodne besede, kjer smo omenili, da je raziskava usmerjena samo v razširitev področja uporabnosti navarjanja, je logično, da je bila orientacija gorilnika glede na smer varjenja taka, da so varilne žice postavljene vzporedno.

2.4 OPIS PROGRAMIRANJA Programiranje mikroprocesorja je potekalo prek osebnega računalnika, tipa PC Pentium I, na katerem sta bila nameščeni dve programski orodji:

• FastAVR ver. 2 (glej sl. 2.18); • PonyProg 2000.

Programsko orodje FastAVR je prirejeno za programiranje in razhroščevanje ATMEL mikroprocesorjev v jeziku Basic. Primer programa, napisanega za krmiljenje treh žic s pulziranjem, je prikazan v prilogi 1. Nalogi programskega orodja PonyProg 2000 sta bili pretvorba programa v strojno kodo ter prenos prek paralelnih vrat računalnika (LPT port) v mikroprocesor.


Slika 2.18: Osnovni zaslon programa FastAVR Program, ki krmili IGBT module, je pisan v jeziku Basic in je razdeljen na naslednje podsklope:

• opis vrat mikroprocesorja; • določitev vrat mikroprocesorja; • določitev uporabljenih spremenljivk; • delovni del programa.

Delovni del programa se sestoji iz koraka, ki preverja vklop oziroma izklop ter iz šestih korakov, ki se ponavljajo, če je izpolnjen pogoj vklopa. Dva koraka določata pulz za posamezno žico in sicer čas mirovanja, ko teče osnovni varilni toka skozi vse tri varilne žice, in čas pulza, ko teče pulzni varilni tok skozi posamezno varilno žico. Čas mirovanja v tem primeru predstavlja fazni zamik med posameznimi pulzi. Program je napisan le za določanje časovne baze pulziranja. Jakost osnovnega in varilnega varilnega toka bi bilo možno prav tako krmiliti z mikroprocesorjem, vendar smo se zaradi enostavnosti odločili za regulacijo prek dveh potenciometrov, ki sta določala višino osnovnega in pulznega varilnega toka. Krmilnik je na osnovi sprogramiranih parametrov in ob vklopu začel krmiliti IGTB modul. Posneti signal na sliki 2.19 prikazuje izhod iz IGBT modula v praznem teku za primer programa za varjenje s tremi žicami.


Slika 2.19: Posnetek signala iz IGBT modula v praznem teku za program varjenje s tremi žicami (tp = 3 ms; to = 6 ms)

2.5 DOLOČEVANJE PULZNIH PARAMETROV VARJENJA Določevanje pulznih varilnih parametrov varjenja že za eno varilno žico predstavlja velik zalogaj eksperimentalnega dela. Zaradi tega smo si delo v tem pogledu olajšali v tem smislu, da smo pulzne parametre varjenja pridobili na osnovi meritev, izvedenih s sodobnim virom energije T.I.M.E. SYNERGIC avstrijskega podjetja FRONIUS, ki se je na področju pulznega varjenja izkazal kot izredno dober vir energije. Naprava T.I.M.E. SYNERGIC je modularno grajena in se sestoji iz naslednjih večjih sklopov: • sinergetski inverterski vir energije T.I.M.E. SYNERGIC, • podajalna naprava T.I.M.E. 30, • cevni paket z ročnim gorilnikom, • hladilni agregat FK 71, • MIG/MAG programski in manualni daljinski regulator TR 34 T.I.M.E. Na osnovi posnetih signalov varjenja (glej primer na sl. 2.20) z omenjenim virom energije smo izločili ključne podatke o pulznih parametrih varjenja in jih vprogramirali v našo varilno opremo.


Slika 2.20: Posnetek signala pulznega varjenja s T.I.M.E. SYNERGIC V osnovi smo pulzne parametre varjenja z eno žico uporabili tudi pri varjenju z dvema in s tremi žicami, le da smo jih malenkostno modificirali v smislu podaljšanja časov osnovnega toka (istočasno smo znižali tudi jakost osnovnega toka). Pri varjenju z več žicami se pojavi še en parameter varjenja, ki je bistven za stabilnost procesa varjenja in ga bomo poimenovali fazni zamik med posameznimi pulzi ϕp. Ločimo tri različne situacije (glej sliko 2.21):

• konec pulza na prvi žici in začetek pulza na drugi žici sta istočasna: ϕp je enak 0; • začetek pulza na drugi žici se začne kasneje, kot je konec pulza na prvi žici: ϕp je

pozitiven; • začetek pulza na drugi žici se začne, preden je nastopil konec pulza na prvi žici: ϕp je

negativen;

I [A]

t [ms]

t [ms]

2

I [A]1

pϕ

POZ.

>0

I [A]

t [ms]

t [ms]

2

I [A]1

pϕ

0

=0

I [A]

t [ms]

t [ms]

2

I [A]1

pϕ

NEG.

<0

Slika 2.21: Različni primeri faznega zamika med posameznimi pulzi


Pri praktičnem preskušanju smo boljše rezultate (višjo stopnjo stabilnosti procesa) dosegli, če smo uporabili ϕp = 0. S pozitivnim faznim zamikom med pulzi (vrednosti so bile od 0 do 1ms) se je stabilnost procesa zmanjševala. Kljub temu da literatura [16] navaja, da se v primeru negativnega faznega zamika med pulzi stabilnost poveča, pa tega na osnovi naših rezulatov ne moremo potrditi.


3. EKSPERIMENTALNA OPREMA, MATERIALI IN METODE

3.1 VARILNA NAPRAVA Za izdelavo doktorske naloge je bila za varjenje v zaščiti plina s taljivo elektrodo uporabljena naslednja varilna oprema in je prikazana na sliki 3.1 skupaj s celotno uporabljeno eksperimentalno opremo:

• razviti vir energije opisan v predhodnem poglavju; • podajalni mehanizem z vpenjalom gorilnika; • jeklenka z reducirnim ventilom z možnostjo pretoka zaščitnega plina do 30 l/min; • računalnik za programiranje krmilja.

Slika 3.1: Uporabljena varilna in eksperimentalna oprema

VDU

Sekundarni močnostni vir

Podajalni mehanizem s krmiljem

Gorilnik

Programirni računalnik

Merilni računalnik

Shunti


Za popolno mehaniziranje postopka je bilo treba dograditi še voziček, ki omogoča premikanje v smeri varjenja. S tem je bil popolnoma izločen vpliv varilčeve roke na proces varjenja. Voziček je bil izveden tako, da je bila nanj možna pritrditev varjenca. Gorilnik je bil nameščen na stabilno konzolo, ki je omogočala nastavitev gorilnika po višini in širini ter spremembo naklona gorilnika. Voziček podjetja PS je gnan prek zobatega jermena s servo motorjem in omogoča hitrosti premikanja oz. varjenja od 0 do 8,7 m/min.

3.2 MERILNA SHEMA IN METODE MERJENJA Kot je razvidno iz električne merilne sheme na sliki 3.2, je bilo potrebno pri eksperimentalnem delu meriti naslednje parametre: 1. jakost varilnega toka I

Za meritev skupne jakosti varilnega toka (priklop na negativnem polu - masi) je bil uporabljen shunt ISKRA SH-3 1000 A/60 mV z razredom natančnosti 0,2 ter nanj vezan milivoltmeter ISKRA UNIMER 13 z razredom natančnosti 1,5. Za zajemanje podatkov o posameznih jakostih varilnega toka na pozitivnem polu prek računalnika so bili uporabljeni trije shunti, izdelani po naročilu JOMA 300 A/60 mV z razredom natančnosti 0,5.

2. varilno napetost U Za merjenje varilne napetosti je bil uporabljen voltmeter AOIP MV 303 z razredom natančnosti 1,5.

Slika 3.2: Električna merilna shema

Signale varilne napetosti in jakosti varilnega v odvisnosti od časa smo posneli s pomočjo A/D pretvornika in računalnika. Iz slike 3.2 je razvidno, da je bila namesto metode enojnih vhodov uporabljena diferencialna metoda. Razlog o tej odločitvi je v tem, da so na posameznih kontaktnih šobah trije različni potenciali - napetosti. Poleg tega je diferencialna metoda primerna zlasti za šibke signale, kar pa izhod iz shunta, ko merimo jakost varilnega toka, vsekakor je, saj nudi večjo imuniteto merilnega sistema do motenj. Za zajemanje podatkov z računalnikom smo uporabili naslednje elemente: 1. računalnik

Računalnik je bil vrste PC 486. Na omrežno napetost je bil priključen prek ločilnega transformatorja, ki ustvari plavajoči ozemljitveni priključek (preprečimo pojav nastanka neželenih tokov zaradi različnih priključnih potencialov).

+VIRENERGIJE

M 1

M 3M 2

ZAŠČITNI PLIN

_

DELILNIKINAPETOSTIPC

RAČUNALNIKA/D

PRETV.

GND

12

3

VHODI (varilna napetost)

VHODI (jakost varilnega toka)


2. A/D pretvornik Uporabljen je bil A/D pretvornik z oznako PC-30G proizvajalca EAGLE TECHNOLOGY s tehničnimi podatki, podanimi v tabeli 3.1. To je multifunkcijska kartica s programabilnimi ojačitvami za vsak posamezni kanal, lastnim spominom, možnostjo koriščenja zapisa tudi v spomin računalnika ali neposredno na trdi disk (hitrost vzorčenja je v tem primeru odvisna od hitrosti zapisovanja na trdi disk).

Tabela 3.1: Tehnični podatki A/D pretvornika

Tip 12 bit Št. vhodno kanalov 16 enojnih ali

8 diferencialnih Območja vhodne napetosti 0 do 5 V

0 do 10 V -5 do 5 V

Max. vhodna napetost ±12 V Frekvenca vzorčenja 0 do 100 kHz/kanal Vhodna impendanca 10 GΩ/20 pF Stopnje ojačevanja vhodnega signala 1, 10, 100, 1000 Količina lastnega spomina 512 kB

Kot program za zajemanje podatkov je bil uporabljen program Wave View 1.26, proizvajalca EAGLE TECHNOLOGY, ki je prirejen za izvajanje meritev z uporabljenim A/D pretvornikom. Meritve je možno izvajati tako v DOS kot tudi WINDOWS operacijskem okolju. Nastavitve programa so bile naslednje:

• frekvenca vzorčenja: 10 kHz; • čas vzorčenja: 0,5 s; • št. uporabljenih vhodnih kanalov (max.): 3 kanali za merjenje varilne napetosti in 3

kanali za merjenje jakosti varilnega toka; • stopnja ojačitve vhodnih kanalov: 1 za varilno napetost in 10 za jakost varilnega toka.

Na sliki 3.3 je prikazan izgled zaslona programa Wave View z izvedeno meritvijo v zgornjem oknu ter izračunom frekvenčnega odziva procesa s pomočja Fourierjeve transformacije, ki je že integrirana v program, v spodnjem oknu.


Slika 3.3: Osnovni zaslon programa Wave View 3. napetostni delilnik za merjenje varilne napetosti

Zato ker je bila merjena napetost dosti večja od dovoljene vhodne napetosti v A/D pretvornik, je bilo potrebno uporabiti napetostni delilnik, ki je prikazan na sliki 3.5. Napetostni delilnik se sestoji iz zaporedno vezanega upora z upornostjo 2,2 kΩ ter vzporedno vezanega upora z upornostjo 180 Ω. Iz tega sledi, da je faktor napetostnega delilnika enak:

07563,01802200

180

21

2ln =

+=

+==

RR

R

IN

OUTF

ikadeli (3.1);

R

IN OUTR2

1

Slika 3.4: Napetostni delilnik za merjenje varilne napetosti

Vse računalniško pridobljene signale oziroma podatke smo v nadaljevanju obdelali še z drugimi programskimi orodji, kot je SPSS 11.0, MatLab 6.1 in Excel 2000. Iz, na sliki 3.2, prikazane merilne verige je razvidno, da pri zajemanju podatkov nismo uporabili analognih nizkopasovnih filtrov, kjub temu da so zaradi procesa varjenja, visokih jakosti varilnega toka in posledično tudi velikih magnetnih polje, motnje izredno velike. Odločitev je temeljila na tem, da se dejansko posname realni signal, ki ga lahko nato še nadalje obdelamo. Nadaljnja obdelava signala s programskim orodjem, kot je MatLab, namreč omogoča uporabo digitalnih filtrov. Pri vseh obdelanih signalih smo uporabili Butterworthov digitalni nizkopasovni filter z območjem filtriranja nad 1000 Hz (glej sl. 3.4).


Slika 3.5: Nastavitve Butterworthovega nizkopasovnega filtra (MatLab)

Poleg že navedene opreme, pa je bila uporabljena še druga nujno potrebna oprema, kot na primer: • štoparica CITIZEN, • kljunasto merilo MITUTOYO, • tehtnica OLIMPIA.

3.3 OSNOVNI, DODAJNI IN POMOŽNI MATERIALI Pri eksperimentalnem delu je bilo kot osnovni material uporabljeno pomirjeno splošno konstrukcijsko jeklo (oznaka po SIST EN 10025 je S 235 JRG1) z naslednjo kemično sestavo: • ogljik 0,17%, • žveplo 0,05%, • fosfor 0,05%. Jeklo s tako kemično sestavo omogoča dobro varivost, še posebej v kombinaciji z izbranim dodajnim materialom. Varjenci so bili izrezani iz pločevine in so bili dveh različnih dimenzij pl.15 ... 250 × 70 ter pl.10 ... 250 × 150. Kot dodajni material smo uporabili masivno varilno žico VAC 60 premera φ1,2 mm. Žica VAC 60 (proizvajalec ŽELEZARNA JESENICE - FIPROM) je pobakrena žica za varjenje v zaščitnem plinu CO2 ali mešanici M 21 ter M 22 - M 33. Primerna je za varjenje nelegiranih in malo legiranih konstrukcijskih jekel. Kemična sestava žice je sledeča: • ogljik 0,10%, • silicij 0,90%, • mangan 1,5%. Kot pomožni material je bila uporabljena mešanica zaščitnega plina z naslednjo kemično sestavo: 90% Ar / 5% CO2 / 5% O2 (proizvajalec MG Ruše, oznaka po SIST EN 439 je M23).


4. RAZISKAVA PREHAJANJA MATERIALA

4.1 UVOD Eksperimentalne raziskave prehajanja materiala pri obločnem varjenju smo opravili za pulzno varjenje z eno, dvema in s tremi žicami v zaščiti opisane plinske mešanice. Uporabili smo merilno verigo opisano v poglavju 3.2 ter prikazano na sliki 3.2. Glavni del eksperimenta je bilo navarjanje na ravno ploščo ter istočasno zajemanje podatkov. S pomočjo že opisane merilne verige smo zajemali podatke o poteku jakosti varilnega toka ter varilne napetosti na posamezni žici v odvisnosti od časa. Za določeno kombinacijo je bilo izvedenih 6 eksperimentov, pri čemer smo spreminjali srednjo jakost varilnega toka oz. hitrost podajanja varilne žice. S povečevanjem jakosti varilnega toka se je povečevalo tudi pretaljevanje materiala, zato je bilo treba povečevati hitrost varjenja. Pri določeni kombinaciji varilnih parametrov smo meritev opravili trikrat, kar nam je omogočilo realnejše vrednotenje podatkov v naslednjem poglavju (talilni učinek in njegovo matematično modeliranje). Kot je že znano iz literature, hitrost varjenja nima bistvenega vpliva na prehajanje materiala. Parameter, ki je ostal ves čas meritev konstanten (za prvi del meritev), je bila razdalja med kontaktno šobo in varjencem, ki je znašala LK = 25 mm (dolžina prostega konca žice je bila torej približno 20 mm). Pretok plina je bil v območju od 18 do 22 l/min, ker smo pri tej vrednosti dobili kakovostne navare brez poroznosti. Za določene kombinacije so raziskave že bile narejene in omenjene v raznih literaturah, vendar je število literature, ki prikazuje vrednotenja signalov I(t) in U(t), izredno skopo. V dosedanjih raziskavah je bilo v glavnem uporabljeno varjenje z eno ali z dvema žicama premera φ1,0 mm ali φ0,8 mm. Manj pa je znana odvisnost prehajanje materiala od jakosti varilnega toka za navarjenje z dvema ali tremi žicami premera φ1,2 mm, česar smo se podrobneje lotili v tem poglavju. Ker signala jakosti varilnega toka ter varilne napetosti nista deterministična, temveč naključna signala, smo za analizo eksperimetalno dobljenih rezultatov uporabili klasične metode statistike. Diskretni naključni signal poteka jakosti varilnega toka ter varilne napetosti v odvisnosti od časa smo statistično obdelali podobno, kot to opravi ANALIZATOR HANNOVER [84].

Slika 4.1: Vrednotenje procesa v smeri ordinate x(t) za primer kratkostičnega prehajanja materiala


Vrednotenje stacionarnih naključnih procesov, kot je v našem primeru potek jakosti varilnega toka ter varilne napetosti lahko opravimo v dveh smereh, in sicer: • v smeri ordinate x(t), • v smeri časovne osi t. V smeri ordinate x(t) lahko izračunamo srednjo vrednost mx, standardno deviacijo σx ter porazdelitev verjetnosti p(x), kot je prikazano na sliki 4.1. Za vrednotenje procesa v smeri časovne osi smo uporabili diskretno Fourierjevo transformacijo [85]. Signali iz digitalnih procesorjev so diskretni časovni signali, ki so definirani le ob trenutkih vzorčenja. Zvezna Fourierjeva transformacija izgubi v teh primerih smisel, to pa zaradi tega, ker diskretni časovni vzorci nimajo ploščine in so zato njihovi transformi enaki nič. To težavo je možno obiti tako, da vsak vzorec obravnavamo, kot da je prirejen primarni funkciji, ki je vzorčena tako, da je možno izračunati pretvorbo. Takšna pot nas privede do izraza za diskretno Fourierjevo transformacijo. Diskretni Fourierjev transform F(ω) = F [f(nT)] je zaporedje (kompleksnih) vzrocev F(ω) v frekvenčnem prostoru, ki je definirano z zvezo:

∑−

=

⋅⋅⋅−⋅⋅=1

0

)()(N

n

TnjeTnfF

ωω (4.1).

V enačbi je N število vzrocev, T čas vzorčenja, frekvenca ω pa se izračuna po enačbi:

1-N , ... 2, 1, 0,=k , TN

k

⋅=ω (4.2).

Absolutna vrednost |F(ω)| kompleksnega spektra F(ω) je spekter amplitudne gostote funkcije f(nT). Izraz |F(ω)|2 označimo s simbolom S(ω),

2)()( ωω FS = (4.3)

in ga imenujemo energijski spekter funkcije f(nT).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14

tp [m s]

p [

%]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14

to [ms]

p [

%]

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

Slika 4.2: Analiza časov pulznega in osnovnega toka

Poleg te statistične analize pa je možno varilne procese s pulznim prehodom materiala ovrednotiti še na en način. Proces varjenja lahko delimo po časovni osi na dve značilni fazi:


• čas osnovnega toka, • čas pulznega toka. Tudi te čase, ki so naključne spremenljivke, lahko statistično obdelamo in prikažemo v obliki porazdelitve verjetnosti (glej sliko 4.2). Na osnovi Fourireove analize pulznega signala smo ugotovili, da je proces varjenja v tem smislu izredno stabilen, zato taka analiza nima pomena oziroma bi njeni rezultati samo potrdili rezultate Fourierove analize signala.

4.2 ANALIZA PROCESOV VARJENJA

4.2.1 PULZNO VARJENJE Z ENO ŽICO Najprej smo želeli ugotoviti ali je možno izvesti pulzno varjenje z varilno opremo, kot smo si jo zamisli, zato smo začeli postopoma z eno žico, nato z dvema in v zaključku s tremi žicami. Na prvi sliki v tem podpoglavju je prikazan signal, ki ga dobimo v praznem teku. V zgornjem delu slike je prikazan časovni potek signala ter izmerjene vrednosti napetosti praznega teka. Spodnji del slike prikazuje Fourierjevo analizo posnetega signala, iz katerega je razvidno da se za sistem s časom trajanja osnovnega toka 3,5 ms in s časom trajanja pulznega toka 2 ms, prvi najmočnejši frekvenčni odgovor nahaja pri frekvenci 181 Hz. V tem smislu se rezultata izračunana tako na časovni osnovi kot tudi frekvenčni osnovi popolnoma ujemata.

Slika 4.3: Izmerjeni signal v prostem teku (to = 3,5 ms; tp = 2 ms) Kot je bilo že omenjeno, smo pri eni oziroma dveh, treh žicah spreminjali srednjo jakost varilnega toka ter tudi časa trajanja osnovnega in pulznega toka. Območje spreminjanja srednje jakosti varilnega toka je bilo od minimalne možne nastavitve na varilni napravi do maksimalne. Zaradi


prevelikega števila diagramov, v katerih so podani rezultati meritev, smo v doktorski nalogi podali le omejeno število diagramov, ki so karakteristični za opis določenega procesa varjenja.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.4: Dinamične karakteristike procesa varjenja z eno žico pri različnih

vrednostih srednje jakosti varilnega toka: - zgoraj Im = 115 A; U = 20,8 V; vž = 2,8 m/min - v sredini Im = 311 A; U = 29,5 V; vž = 12,4 m/min - spodaj Im = 406 A; U = 38,0 V; vž = 15,3 m/min


Že hiter pregled diagramov na sliki 4.4 nam pove, da smo morali za povečanje srednje jakosti varilnega toka povečati jakost osnovnega varilnega toka in zmanjšati čas trajanja osnovnega toka. Jakost pulznega varilnega toka ter čas trajanja pulznega toka sta bila za vse meritve približno konstantna. Razvidno je, da je varilni proces izredno stabilen brez opaženih motenj, kot so kratek stik, izostanek pulza, spreminjanje časov trajanja osnovnega ali pulznega toka itd. Iz poteka signala I(t) lahko ugotovimo tudi hitrost naraščanja toka, ki znaša od 0,7 do 1,3 A/µs. Največji vpliv na hitrost naraščanja in tudi padanja varilnega toka ima dušilka, ki določa dinamične lastnosti sistema. Pri tem je treba pripomniti, da je najverjetneja realna hitrost naraščanja toka v pulzu hitrejša, saj so podatki v prikazanih diagramih že obdelani z digitalnih nizkopasovnim filtrom. Pri analizi nefiltriranega signala se je vrednost hitrosti naraščanja toka gibala okoli 5 A/µs. Glede na podatke iz literature naj bi bile te vrednosti v območju od 10 do 20 A/µs. Po podatkih sodeč, je bilo dušenje izbrane dušilke za tak režim varjenja preveliko. Dinamične procese v obloku lahko prikažemo tudi na drug način, in sicer v obliki ciklogramov na sliki 4.5 ali tako imenovanih Lissajousjevih krivuljah [42]. Ciklograma podajata odvisnost varilne napetosti od jakosti varilnega toka. V posameznem ciklogramu sta opazni dve značilni področji U-I karakteristike. Za področje pulznega gorenja obloka sta značilni višja varilna napetost ter višja jakost varilnega toka, medtem ko sta za področje osnovnega gorenja obloka značilni nižja varilna napetost ter nižja jakost varilnega toka. Povečanje srednje jakosti varilnega toka premakne U-I karakteristiko v zgornji desni kot diagrama, kar pomeni večjo varilno napetost ter višjo jakost varilnega toka. Naslednji korak pri statistični obdelavi signala je porazdelitev verjetnosti za varilno napetost ter jakost varilnega toka. Pri analizi diagrama na sliki 4.6 (nizka srednja jakost varilnega toka) sta tako pri porazdelitvi verjetnosti varilne napetosti kot tudi jakosti varilnega toka opazni dve področji, in sicer: • povprečna osnovna varilna napetost je 18 V; • povprečna pulzna varilna napetost je 42 V; • povprečna osnovna jakost varilnega toka je 55 A; • povprečna pulzna jakost varilnega toka je 480 A. Pri porazdelitvi verjetnosti jakosti varilnega toka in varilne napetosti je področje pulza manj izrazito, kar je posledica dolgega časa gorenja obloka na osnovnem toku in sorazmerno kratkega časa gorenja obloka na pulznem toku. Zaradi tega je verjetnost za osnovne vrednosti bistveno večja od verjetnosti za pulzne vrednosti v razmerju 10:1 (razmerje časov gorenja osnovnega in pulznega obloka je 10:2,5). S povečanjem jakosti varilnega toka se diagrami (sliki 4.7 in 4.8) porazdelitve varilne napetosti ter jakosti varilnega toka premakneta k večjim vrednostim. Verjetnost dogodka varjenja z osnovnimi parametri se zmanjša, ker se čas trajanja osnovnega toka zmanjša, verjetnosti dogodka varjenja s pulznimi parametri tokom pa se sorazmerno temu poveča. Dogodki, ki se pojavijo med področji osnovnega in pulznega gorenja obloka, so posledica tega, ker oblika pulza ni idealno pravokotna, ampak ima določeno hitrost naraščanja in padanja varilnega toka in napetosti. Največji vpliv na to vmesno področje ima dušilka, ki narekuje dinamične lastnosti sistema ter seveda tudi že prej omenjena obdelava signalov (filtriranje podatkov).


0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

I [A

]

I1(U1) I2(U2) I3(U3)

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

I [A

]

I1(U1) I2(U2) I3(U3)

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

I [A

]

I1(U1) I2(U2) I3(U3)

Slika 4.5: Ciklogrami za eno žico:

- zgoraj Im = 115 A; U = 20,8 V; vž = 2,8 m/min - v sredini Im = 311 A; U = 29,5 V; vž = 12,4 m/min - spodaj Im = 406 A; U = 38,0 V; vž = 15,3 m/min

PODROČJE PULZA

PODROČJE OSNOVE


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%] Slika 4.6: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) za eno žico:

Im = 115 A; U = 20,8 V; vž = 2,8 m/min

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]


Im = 311 A; U = 29,5 V; vž = 12,4 m/min


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]


Im = 406 A; U = 38,0 V; vž = 15,3 m/min Kot je bilo že omenjeno v poglavju 3.1, smo s pomočjo digitalne Fourierjeve transformacije prešli iz časovnega v frekvenčni prostor. Na sliki 4.9 so predstavljeni energijski spektri signalov U(t). Kot je bilo možno pričakovati, se z večanjem srednje jakosti varilnega toka povečuje tudi značilna frekvenca pulziranja. Vsako nadaljnje pojasnevanje diagramov ni potrebno, saj je iz njih izredno lepo razvidna značilna frekvenca pulziranja, npr. za primer z nizkimi varilnimi parametri je ta 80 Hz (nastavljena časa pulznega varjenja sta bila: to = 10 ms; tp = 2,5 ms).


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ωωωω [Hz]

S( ωω ωω

)

S(w)-U1 S(w)-U2 S(w)-U3

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ωωωω [Hz]

S( ωω ωω

)

S(w)-U1 S(w)-U2 S(w)-U3

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ωωωω [Hz]

S( ωω ωω

)

S(w)-U1 S(w)-U2 S(w)-U3

Slika 4.9: Energijski spekter signala pri varjenju z eno žico:

- zgoraj Im = 115 A; U = 20,8 V; vž = 2,8 m/min - v sredini Im = 311 A; U = 29,5 V; vž = 12,4 m/min - spodaj Im = 406 A; U = 38,0 V; vž = 15,3 m/min


4.2.2 PULZNO VARJENJE Z DVEMA ŽICAMA Da bi zmanjšali količino predstavljenih diagramov v doktorski nalogi, bo v primeru varjenja z dvema oziroma s tremi žicami prikazano sorazmerno manjše število diagramov, pri čemer pa bodo zajete vse značilnosti varilnega procesa z več žicami. Pri prikazanih diagramih za varjenje z dvema žicama je bil zamik med posameznimi pulzi enak 0. Nastavitve pulznih parametrov za obe žici so bile enake. Iz dinamičnih karakteristik varilnega procesa z dvema žicama na sliki 4.10 (podana za srednjo nastavitev varilnih parametrov) je najbolj očitno dejstvo, da je signal varilne napetosti v odvisnosti od časa za drugo žico bistveno bolj nestabilen. Kot je bilo že omenjeno, je glede na položaj žic v gorilniku prva žica sredinska, druga žica pa stranska (naklon varilne žice je 8o, razdalja med žicami je 8,5 mm pri dolžini prostega konca žice 20 mm). Fizikalnega ozadja za razlago tega pojava na žalost nismo našli. Ista ugotovitev izhaja iz ciklograma na sliki 4.11. Druga (stranska) varilna žica je veliko bolj nestabilna, zato sta področji pulznega osnovnega obloka občutno večji od področja za prvo (sredinsko) žico.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.10: Dinamične karakteristike procesa varjenja z dvema žicama:

- prva žica: Im = 284 A; U = 34,1 V; vž = 8,7 m/min - druga žica: Im = 271 A; U = 33,9 V; vž = 8,7 m/min

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

I [A

]

I1(U1) I2(U2) I3(U3)

Slika 4.11: Ciklogram pri varjenju z dvema žicama:



Pregled diagramov s porazdelitvijo verjetnosti jakosti varilnega toka in varilne napetosti kažejo isto lastnost varilnega procesa. Verjetnost dogodka varjenja z osnovno varilno napetostjo za prvo žico je skoraj 18%, medtem ko za drugo žico znaša le 12,7%. Ekstrem porazdelitve verjetnosti za pulzno varilno napetost druge varilne žice ni niti opazen. Istih zaključkov ne moremo osnovati na drugem diagramu za porazdelitev verjetnosti jakosti varilnega toka. Verjetnost dogodka pulzne jakosti varilnega toka za drugo žico je nižja od prve, medtem ko je pri osnovni jakosti varilnega toka ravno obratno. Razlika med ugotovljenimi dejstvi nastopi zaradi naslednje razlage: varilni proces v sklopu z virom energije se veliko bolj dinamično odziva na spremembe varilne napetosti kot na spremembe jakosti varilnega toka. Jakost varilnega toka je namreč povezana z izhodno močjo in dušenjem vira energije. Signal varilne napetosti je v tem primeru veliko bolj reprezantiven, saj bolje kaže dinamične lastnosti varilnega procesa.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

5

10

15

20

25

30

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%] Slika 4.12: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) pri varjenju z dvema žicama:


Analizo v smeri časovne osi (Fourierjeva analiza) smo opravili tudi za varjenje z dvema žicama, vendar analiza ni pokazala odstopanj od pričakovanega oziroma od tistega, kar smo že navedli tudi v primeru varjenja z eno žico. Večje motnje in pojava tudi drugih frekvenc so opazne pri energijskem spektru signala za drugo varilno žico. Na osnovi opisanega odstopanja varilnega procesa za drugo varilno žico od stabilnosti se postavlja vprašanje, ali je za drugo varilno žico zagotovljen prehod ene kapljice na pulz? V nadaljevanju bo prikazano, da je bil ta kriterij izpolnjen, vendar so bile motnje varilnega procesa večje.


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ωωωω [Hz]

S( ωω ωω

)

S(w)-U1 S(w)-U2 S(w)-U3

Slika 4.13: Energijski spekter signala pri varjenju z dvema žicama:


4.2.3 PULZNO VARJENJE S TREMI ŽICAMI Začetek raziskav varjenja s tremi žicami v zaščitnem plinu je bil podoben, kot že prej opisan. Treba je bilo sprogramirati krmilje IGBT modula, da se na njegovem izhodu pojavijo želene vrednosti. Primer posnetega signala v praznem teku za varjenje s tremi žicami, časom trajanja pulza 3 ms, čas trajanje osnove 10,5 ms in faznim zamikom med posameznimi pulzi +0,5 ms je na sliki 4.14. Pulzi so si v prikazanem primeru sledili zaporedno, iz prve žice na drugo ter nato na tretjo.

Slika 4.14: Posnetek signala iz IGBT modula v praznem teku za program varjenje s tremi žicami (tp = 3 ms; to = 10,5 ms; ϕp = +0,5 ms)


V prvem sklopu treh slik (slike 4.15, 4.16, 4.17 ter 4.18) so prikazane značilnosti varilnega procesa pri varjenju s tremi žicami in ničelnim faznim zamikom med posameznimi pulzi. Ugotovitve, ki sledijo iz prikazanih diagramov, so naslednje: • proces je stabilen, kar lahko sklepamo tudi iz poteka U(t) in I(t), ciklograma ter energijskega

spektra signala S(ω); • iz porazdelitve verjetnosti varilne napetosti je opazna razlika med stranskimi in sredinsko žico

(stranski žici imata bolj položno porazdelitev verjetnosti z manj izrazitimi pričakovanimi ekstremi pri osnovi in pulzni varilni napetosti);

• razlike med žicami niso opazne pri porazdelitvi verjetnosti jakosti varilnega toka; • podobno kot pri varjenju z dvema žicama je tudi v primeru varjenja s tremi žicami mogoče

opaziti iz energijskih spektrov večjo nestabilnost stranskih žic.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.15: Dinamične karakteristike procesa varjenja s tremi žicami:

- prva žica: Im = 261 A; U = 33,3 V; vž = 8,6 m/min - druga žica: Im = 256 A; U = 33,6 V; vž = 8,6 m/min - tretja žica: Im = 263 A; U = 33,7 V; vž = 8,6 m/min

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

I [A

]

I1(U1) I2(U2) I3(U3)

Slika 4.16: Ciklogram pri varjenju s tremi žicami:



0

5

10

15

20

25

30

0 10 20 30 40 50 60

U [V]p

[%

]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%] Slika 4.17: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) pri varjenju s tremi žicami:


0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

ωωωω [Hz]

S( ωω ωω

)

S(w)-U1 S(w)-U2 S(w)-U3

Slika 4.18: Energijski spekter signala pri varjenju s tremi žicami:


Uporaba pozitivnega faznega zamika med posameznimi pulzi privede do diagramov, prikazanih na slikah 4.19 in 4.20. Glede že na prej zapisane ugotovitve za nični fazni zamik, je situacija v tem primeru dokaj podobna. Opaznejša razlika je edino pri porazdelitvi jakosti varilnega toka. Pri pozitivnem faznem zamiku med pulzi je porazdelitev verjetnosti položnejša (brez ekstremov) za


obe stranski žici. Verjetnost dogodka osnovnega varilnega toka je v tem primeru okoli 25%, medtem ko je pri ničnem faznem zamiku ta vrednost okoli 33%.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.19: Dinamične karakteristike procesa varjenja s tremi žicami in pozitivnim

faznim zamikom med pulzi (ϕs = +1 ms): - prva žica: Im = 243 A; U = 30,6 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 251 A; U = 30,1 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 249 A; U = 30,4 V; vž = 8,5 m/min

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%]

Slika 4.20: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) pri varjenju s tremi žicami in pozitivnim faznim zamikom med pulzi (ϕs = +1 ms): - prva žica: Im = 243 A; U = 30,6 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 251 A; U = 30,1 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 249 A; U = 30,4 V; vž = 8,5 m/min


Uporaba negativnega faznega zamika med pulzi pa rezultira v nekoliko drugačni situaciji (glej slike 4.21 in 4.22). Stabilnost sistema se glede na diagrame porazdelitve verjetnosti varilnega toka in varilne napetosti poslabša. Še zlasti slaba je stabilnost stranskih žic (druga in tretja žica), kar je dobro razvidno tudi iz porazdelitve verjetnosti za varilno napetost. Na primer za tretjo žico skoraj ne moramo trditi, da se je odtaljevala pulzno, čeprav porazdelitev verjetnosti jakosti varilnega toka prikazuje nasprotno. Stabilnost stranskih žic je slaba, prehajanje materiala zaradi tega ni ena kapljica na pulz, vse to pa se kaže na spremembi varilne napetosti. Nihanje varilne napetosti je veliko (glej detajl na sliki 4.21), statistična metoda, ki smo jo uporabili za obdelavo signala, pa da rezultate, kot so prikazani na teh diagramih. Rezultat takega načina varjenja z negativnim faznim zamikom med posameznimi pulzi so bili navari z izrazitimi obrobnimi zajedami, ki bodo prikazani v naslednjem poglavju.

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.21: Dinamične karakteristike procesa varjenja s tremi žicami in negativnim faznim zamikom med pulzi (ϕs = -1 ms): - prva žica: Im = 260 A; U = 32,3 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 262 A; U = 34,3 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 268 A; U = 33,6 V; vž = 8,5 m/min

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

20 25 30 35 40

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

DETAJL


0

2

4

6

8

10

12

14

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

2

4

6

8

10

12

14

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%]

Slika 4.22: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) pri varjenju s tremi žicami in negativnim faznim zamikom med pulzi (ϕs = -1 ms): - prva žica: Im = 260 A; U = 32,3 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 262 A; U = 34,3 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 268 A; U = 33,6 V; vž = 8,5 m/min

Zgolj naključje (okvara enega izmed IGBT modulov) kot posledica intenzivnega raziskovalnega dela nas je privedlo do uporabe pulziranja v obratovalnem režimu, kjer sta pulza na stranskih žicah istočasna, ki jima sledi pulz na sredinski žici. Posnetek signala U(t) in I(t) je prikazan na sliki 4.23. Varilni proces je bil v tem režimu obratovanja izredno stabilen, kar je razvidno iz posnetih signalov, predvsem pa iz navara, ki je bil rezultat takega varjenja. Ustrezna metalografska analiza navarov bo podrobneje predstavljena v naslednjem poglavju. Iz porazdelitve verjetnosti ter tudi iz dinamične karakteristike je razvidno, da je vrednost srednje jakosti varilnega toka in srednje varilne napetosti malenkostno nižja (približno 5%) za stranski žici od vrednosti za sredinsko žico. Najverjetneje je to posledica tega, da je vir energije v primeru istočasnega pulziranja dveh žic nekoliko »počepnil«. Glede na opise iz literature o medsebojnih toplotnih vplivih med obloki bi bilo prej pričakovati ravno obratno situacijo, kjer bi bile vrednosti za sredinsko žico nižje (vpliv sosednih toplotnih virov) od stranskih.


-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.23: Dinamične karakteristike procesa varjenja s tremi žicami in istočasnim pulzom na stranskih žicah: - prva žica: Im = 265 A; U = 32,4 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 252 A; U = 30,9 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 250 A; U = 31,4 V; vž = 8,5 m/min

0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

U [V]

p [

%]

p(U1) [%] p(U2) [%] p(U3) [%]

0

5

10

15

20

25

0 100 200 300 400 500 600

I [A]

p [

%]

p(I1) [%] p(I2) [%] p(I3) [%]

Slika 4.24: Porazdelitev verjetnosti p(U) ter p(I) pri varjenju s tremi žicami in istočasnim pulzom na stranskih žicah: - prva žica: Im = 265 A; U = 32,4 V; vž = 8,5 m/min - druga žica: Im = 252 A; U = 30,9 V; vž = 8,5 m/min - tretja žica: Im = 250 A; U = 31,4 V; vž = 8,5 m/min


4.3 RAZISKAVA PULZNEGA PREHAJANJA MATERIALA Glede na navedbe v literaturi se pri pulznem načinu varjenja izvede prehod kapljice v drugi tretjini pulza. Prehod kapljice je v signalu U(t) dobro viden zaradi hitre trenutne spremembe (porasta) varilne napetosti. Če pa si podrobneje ogledamo naše posnete signale (glej sliko 4.25), opisanega pojava ne zaznamo. Vprašanje je, ali se je sploh pojavil prehod kapljice ali pa je merilna veriga in obdelava podatkov zakrila ta pojav?

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

t [ms]

I [A

]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

U [

V]

I1 [A] I2 [A] I3 [A] U1 [V] U2 [V] U3 [V]

Slika 4.25: Dinamične karakteristike procesa varjenja s tremi žicami (detalj) - prva žica: Im = 261 A; U = 33,3 V; vž = 8,6 m/min - druga žica: Im = 256 A; U = 33,6 V; vž = 8,6 m/min - tretja žica: Im = 263 A; U = 33,7 V; vž = 8,6 m/min

Kljub temu pa lahko izvedemo analizo prehajanja materiala, ki temelji na izračunu povprečnega premera kapljice, ki je prešla iz varilne žice v talino vara. V dosedanjem delu smo prikazali prehajanje materiala pri različnih parametrih s pomočjo statističnih metod za posamezne načine varjenja z eno, dvema in s tremi žicami v različnih režimih obratovanja. V nadaljevanju pa smo dosedanje rezultate in ugotovitve združili v naslednje diagrame. Prvi diagram prikazuje uporabljene pulzne varilne parametre (od najmanjše - min. do najvišje - max. nastavitve pulznih varilnih parametrov na viru energije) za eno, dve in tri žice, s posebnim poudarkom na posameznih časih trajanja osnovnega in pulznega toka (glej sliko 4.26). Hiter preračun podatkov podanih v diagramu 4.26 nas privede do diagrama na sliki 4.27, ki podaja odvisnost frekvence pulziranja od srednje jakosti varilnega toka za varjenje z eno, dvema in s tremi varilnimi žicami. Iz diagrama je razvidno, da z naraščanjem srednje jakosti varilnega toka narašča tudi frekvenca pulziranja od 50 Hz pri nizkih pulznih varilnih parametrih do okoli 220 Hz pri visokih. Ne glede na to, ali varimo z eno, dvema ali tremi varilnimi žicami, se frekvenca pulziranja med njimi bistveno ne razlikuje.


0

5

10

15

20

25

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

Ena žica Dve žici Tri žice

t [m

s]

Skupni čas Čas pulznega toka Čas osnovnega toka

min. max. min. max. min. max.

Im = 58 A

Im =60 A Im = 75 A

Im = 370 A Im = 364 A Im = 357 A

Slika 4.26: Pulzni varilni parametri varilnega procesa za eno, dve in tri žice

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

f [H

z]

ENA ŽICA DVE ŽICI TRI ŽICE

Slika 4.27: Frekvenca pulziranja za varilni procesa z eno, dvema in tremi žicami premera φ1,2 mm

Če za pulzno varjenje predpostavimo, da so parametri pravilno nastavljeni in preleti na en pulz le ena kapljica, potem na tej predpostavki lahko izračunamo premer kapljice. Če predpostavimo, da se pri pulznem prehodu pojavljajo le kapljice v obliki krogle, lahko izračunamo povprečni premer kapljic dk. Če je prostornina kapljice v obliki krogle enaka

3

6 kkdV ⋅=

π (4.4)

ter je število kapljic na sekundo enako frekvenci pulziranja f, potem je produkt teh dveh enak količini pretaljenega materiala, ki jo izračunamo na osnovi produkta hitrosti podajanja varilne žice in preseka žice,

4

2d

vfV zk

⋅⋅=⋅π

(4.5).


Iz tega sledi, da je premer kapljice v obliki krogle enak:

3

2

2

3

f

dvd z

k⋅

⋅⋅= (4.6).

Na osnovi enačbe (4.6) lahko izdelamo diagram na sliki 4.28. Diagram podaja premer kapljice v obliki krogle v odvisnosti od srednje jakosti varilnega toka za primer varjenja z eno, dvema in s tremi žicami.

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

dk

[mm

]


Slika 4.28: Premer kapljice v obliki krogle v odvisnosti od srednje jakosti varilnega toka in števila žic premera φ1,2 mm

Premer kapljic se je sorazmerno linearno povečeval od najnižjih do najvišjih nastavitev pulznih parametrov. Vrednosti premera kapljice so v območju od 1,02 do 1,36 mm, kar znaša glede na premer varilne žice od 85% do 113% premera varilne žice. Premeri kapljic pri varjenju z eno, dvema in s tremi žicami so si enotni, kar je tudi zaželjeno v primeru pulznega načina varjenja. Kljub temu, da so vrednosti premera kapljic izredno enotne, pa je iz diagrama opazna prelomna točka pri vrednosti srednje jakosti varilnega toka okoli 205 A. Ta vrednost je v območju vrednosti kritične jakosti varilnega toka. Odgovor, zakaj je prišlo do preloma v tej točki, nam ni točno znan. Seveda bi bilo idealno, da se premer kapljic ne bi spreminjal čez celotno območje srednje jakosti varilnega toka. Povečevanje premera kapljice je predvsem posledica povečevanja časa trajanja osnovnega varilnega toka. Čas trajanja osnovnega varilnega toka smo morali povečevati pri varjenju z več žicami zaradi tega, da smo lahko v tem času izvedli pulziranje na sosednjih varilnih žicah. Nadaljnja optimizacija varilnega procesa bi prav gotovo privedla do bolj enakomernega premera kapljic.

4.4 VNOS TOPLOTE V PROSTI KONEC ŽICE Varilna žica, priključena na plus pol, se segreva in tali zaradi dveh ločenih učinkov: 1. Konstantni anodni padec napetosti UA ustvarja moč enako UA⋅I. Zaradi tega je vnesena toplota

na enoto prostornine enaka:

z

A

Av

jUH

⋅= (4.7).


Prevajanje te toplote nazaj po premikajočem prostem koncu žice ne dosega bistvene globine, zato jo lahko za naš primer segrevanja prostega konca žice zanemarimo.

2. Prosti konec žice dolžine L pa se zaradi prevajanja toka segreva zaradi ohmske upornosti. Moč, ki se razvije na enoto prostornine, je na celotni dolžini prostega konca žice enaka α⋅j2, kjer je α temperaturno odvisna ohmska upornost. Vneseno toploto na enoto prostornine označimo z H(x) in dosega največjo vrednost HL v bližini obloka. Ta del vnesene toplote bistveno vpliva na segrevanje prostega konca žice.

Vnesena toplota H(x) je funkcija temperature na mestu x. Zato je tudi ohmska upornost α funkcija vnesene toplote; α = α(H). Če predpostavimo konstantno gostoto toka j in hitrost podajanja žice vž, potem je časovna sprememba vnesene toplote enaka:

2jdx

dHv

dt

dHz

⋅=⋅= α (4.8).

Integracija nas privede do:

∫∫ ⋅=LH

z

L

H

dH

j

vdx

02

0 )(α (4.9).

∫=⋅ LH

zH

dH

v

jL

0

2

)(α (4.10).

Da bi razrešili integral (4.10), je potrebno poznati odvisnost α(H) za uporabljeno žico. Odvisnost lahko dobimo s pomočjo eksperimenta. Skozi kratek del žice prevajamo tok, ki segreva žico. Istočasno merimo padec napetosti v delčku žice. Upornost je proporcionalna razmerju padca napetosti in jakosti toka, vnesena toplota pa je sorazmerna časovnemu integralu produkta padca napetosti ter jakosti toka. Podobne meritve je na naši uporabljeni žici že izvedel Tušek in jih navedel v svoji doktorski disertaciji [29], kjer je navedena tudi vnesena toplota v žico pri sobni temperaturi β. Vrednosti za varilno žico VAC 60 premera φ1,2 mm so sledeče: • α = 1,22⋅10

-3 Ωmm;

• β = 625 J/g = 4,91 J/mm3.

Le malenkostno drugačne vrednosti konstant navaja Halmφy za žico premer φ1,2 mm, vendar drugačne kemične sestave [93]: • α = 1,28⋅10

-3 Ωmm;

• β = 586 J/g = 4,6 J/mm3.

V nadaljevanju naloge smo uporabili konstante za žico VAC 60. Glede na omenjeno, lahko sedaj napišemo enačbo, ki podaja odvisnost vnesene toplote v prosti konec žice od jakosti varilnega toka, dolžine prostega konca žice, premera žice ter hitrosti podajanja varilne žice:

βα −⋅

⋅=z

Lv

jLH

2

(4.11).

91,400122,02

−⋅

⋅=z

Lv

jLH (4.12).

Na osnovi enačbe (4.12) lahko preračunamo vneseno toplote v prosti konec žice za varjenje z eno, dvema in s tremi žicami pri različnih dolžinah prostega konca žice. Na osnovi izvedenih meritve smo podatke vnesli v enačbo (4.12), izračunali vneseno toploto v prosti konec žice ter rezultate izračuna podali grafično na sliki 4.29 za varjenje z eno žico, 4.30 za varjenje z dvema žicama in na sliki 4.31 za varjenje s tremi žicami.


-5

0

5

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

I [A]

Hl [

J/m

m3]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 4.29: Vnesena toplota v prosti konec žice v odvisnosti od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za pulzno varjenje z eno žico premera φ1,2 mm

-5

0

5

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

Hl [

J/m

m3]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 4.30: Vnesena toplota v prosti konec žice v odvisnosti od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za pulzno varjenje z dvema žicama premera φ1,2 mm


-5

0

5

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

Hl [

J/m

m3]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 4.31: Vnesena toplota v prosti konec žice v odvisnosti od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za pulzno varjenje s tremi žicami premera φ1,2 mm

Pri izračunu in tudi predstavitvi izračunanih podatkov so opazne vrednosti vnesene energije v prosti konec žice. Te so pri nižjih vrednostih pulznih parametrov negativne, kar energetsko ni možno. Napaka pri izračunu izhaja iz konstant α in β, ki sta prevzeti iz lit. [29]. Avtor navaja, da sta konstanti v največji meri odvisne od vrste materiala, v drugi vrsti pa tudi od premera elektrode in polaritete. Predpostavljamo, da sta najverjetneje konstanti odvisni tudi od oblike varilnega toka (enosmerni ali pulzni). Halmφy navaja, da je pri določenju konstant uporabil enosmerni tok. Kljub temu, da so izračunani podatki nerealni, nas pri kvalitativni oceni diagramov ne motijo. Ne glede na opaženo, so si poteki krivulj v vseh treh diagramih zelo podobni. Pričakovano je, da se z večanjem srednje jakosti varilnega toka povečuje tudi vnesena toplota v prosti konec žice. Najvišje vrednosti vnesene toplote v prosti konec žice razumljivo dosežemo pri večji dolžini prostega konca žice. Razlike pri vnosu toplote v prosti konec žice med varjenjem z eno, dvema in s tremi žicami niso opazne, kar potrjuje trditev v poglavju 1.3.1 o medsebojnem vplivu oblokov (glej tudi sliko 1.13).


5. RAZISKAVA PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA

5.1 TALILNI UČINEK Talilni učinek je definiran s količino pretaljenega dodajnega materiala na časovno enoto in eden od glavnih pokazateljev gospodarnosti načina varjenja. Talilni učinek je v največji meri odvisen od jakosti varilnega toka, dolžine prostega konca žice, premera varilne žice in polaritete. Že v magistrski nalogi [41] je bilo ugotovljeno, da ima zaščitni medij izredno majhen, tako rekoč zanemarljiv vpliv na talilni učinek (glej sl. 5.1), zato je raziskava pretaljevanja materiala omejena le na eno vrsto zaščitnega medija, in sicer mešanico zaščitnega plina Ar/CO2/O2. Pri varjenju z več žicami na talilni učinek vpliva tudi število varilnih žic in razdalja med njimi.

Slika 5.1: Odvisnost talilnega učinka od jakosti varilnega toka in zaščitnega medija za žico premera φ1,6 mm; L = 25 mm

V tej doktorski nalogi smo se omejili le na raziskavo dveh bistvenih vplivov na talilni učinek, in sicer jakosti varilnega toka in dolžine prostega konca žice. Kar se tiče jakosti varilnega toka in dejstva, da so raziskave potekale za pulzni način varjenja, so vsa nadaljnja izvajanja in diagrami podani za srednjo jakost varilnega toka Im. Odvisnost talilnega učinka smo raziskovali za eno, dve in tri varilne žice. V primeru varjenja s tremi žicami smo v raziskovanje pretaljavanja materiala vključili le način pulziranje, kjer si pulzi zaporedno sledijo na tri varilne žice s faznim zamikom med pulzi enakim nič. Kljub temu, da smo dosegali boljše rezulatate glede kakovosti navara pri načinu pulziranje, kjer je pulzu na sredinsko žico sledil istočasni pulz na stranski žice, le-tega nismo raziskovali v tem poglavju. Potek izvedenih meritev je bil sledeč: • tehtanje varjenca pred varjenjem, • navarjanje na varjenec (ravna plošča), • spremljanje vseh značilnih parametrov (hitrost podajanja žice, jakost varilnega toka, čas

varjenje itd.), • tehtanje varjenca po varjenju.


Iz izmerjenih veličin smo lahko izračunali talilni učinek na dva načina: 1. iz mase varjenca pred varjenjem in po njem

v

pv

t

mmM

−= (5.1),

2. iz hitrosti podajanja žice

zvd

M ⋅⋅⋅

= ρπ

4

2

(5.2).

Med talilnima učinkoma, izračunanima po obeh enačbah, se pojavi določena razlika. Vzrok za to so obrizgi. Talilni učinek, izračunan iz hitrosti podajanja žice, namreč upošteva tudi dodajni material, ki se je pretalil, vendar ni končal v talini vara (pojavljajo se obrizgi). Zaradi večje natančnosti smo zato poleg tehtanja varjenca uporabili tudi metodo izračuna talilnega učinka iz izmerjene hitrosti podajanja žice.

5.1.1 VPLIV JAKOSTI VARILNEGA TOKA Prav tako, kot pri raziskavah prehajanja materiala, smo tudi pri raziskavah talilnega učinka podrobno obdelali pulzno varjenje z eno, dvema in s tremi varilnimi žicami. Na osnovi tega smo izdelali diagram na sliki 5.2, ki podaja odvisnost talilnega učinka od srednje jakosti varilnega toka na posamezno žico ter diagram na sliki 5.3, ki podaja odvisnost talinega učinka od skupne srednje jakosti varilnega toka. V diagramih so podani talilni učinke za pulzno varjenje z eno, dvema in s tremi žicami. Potek krivulj odvisnosti talilnega učinka od srednje jakosti varilnega toka je pričakovan. Z večanjem srednje jakosti varilnega toka se namreč povečuje tudi talilni učinek. Talilni učinek se z jakostjo varilnega toka na posamezno žico povečuje rahlo eksponentno.

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

M [

kg/h

]


Slika 5.2: Odvisnost talilnega učinka od srednje jakosti varilnega toka na posamezno žico in št. varilnih žic premera φ1,2 mm; L = 20 mm

Glede povečanja talinega učinka na račun povečanja št. varilnih žic je opazno linearno povečevanje. Pri srednji jakosti varilnega toka na posamezno žico okoli 100 A znaša talilni učinek za varjenje z eno žico 1,44 kg/h. Uporaba dveh žic pri istih nastavitvah da talilni učinek z


vrednostjo 2,87 kg/h, kar je 1,43 kg/h ali dvakrat več kot za eno žico. Podobna situacija se pojavi pri treh žicah, kjer znaša skupni talilni učinek 4,31 kg/h, kar pomeni 1,44 kg/h večji talilni učinek (povečanje je enako talilnemu učinku za eno žico). Podobna ugotovitev sledi tudi iz primerjave talilnih učinkov pri višji srednji jakosti varilnega toka, npr. pri 360 A. Talilni učinek za eno žico znaša 8,0 kg/h, za dve žici je za 8,08 kg/h večji in za tri žice za 6,62 kg/h večji od primera varjenja z dvema žicama. Trditev, ki je navedena v lit. [29], da se talilni učinek povečuje eksponentno s povečanjem št. varilnih žic, v našem primeru ne moremo potrditi, ker je posledica pulznega načina varjenja. Diagram na sliki 5.3 je tu podan zgolj z namenom, da nazorneje prikaže, kakšna jakost varilnega toka (skupna) je potrebna za doseganje omenjenih talilnih učinkov.

0

5

10

15

20

25

0 200 400 600 800 1000 1200

I [A]

M [

kg/h

]


Slika 5.3: Odvisnost talilnega učinka od skupne jakosti varilnega toka in št. varilnih žic premera φ1,2 mm; L = 20 mm

5.1.2 VPLIV DOLŽINE PROSTEGA KONCA ŽICE Če želimo v okviru raziskave talilnega učinka izpeljati tudi enostaven matematičen model talilnega učinka, moramo raziskati tudi meritve z različnimi nastavitvami razdalje med kontaktno šobo in varjencem LK. S tem smo dosegli spreminjanje dolžine prostega konca žice L. Rezultati meritev za tri različne dolžine prostega konca žice, in sicer 15, 20 in 25 mm, so prikazani na sliki 5.4 za varjenje z eno žico, na sliki 5.5 za varjenje z dvema žicama in na sliki 5.6 za varjenje s tremi žicami. Treba je opozoriti, da se zaradi medsebojnega naklona žic s spremembo dolžine prostega konca žice spremeni tudi razdalja med žicami (glej tudi poglavje 2.3.5). Pri naklonskem kotu 8o se je razdalja med žicami spremenil, kot je to prikazano v tabeli 5.1.

Tabela 5.1: Sprememba razdalje med žicami zaradi spremembe dolžine prostega konca žice

Dolžina prostega konca žice

L [mm] Razdalja med žicami

b [mm] 15 7,8 20 8,5 25 9,2


Sprememba razdalje med žicami zaradi spremembe dolžine prostega konca žice znaša pod 9%. Glede na že opisano raziskavo vpliva razdalje med žicami na talilni učinek v lit. [29] in diagram na sliki 1.13, lahko to spremembo zanemarimo. Čeprav bi s stališča statistične analize podatkov bilo ugodneje imeti veliko večje območje spreminjanja dolžine prostega konca žice, pa to ni bilo izvedljivo, ker se pri obstoječi konstrukciji gorilnika pojavi problem nezadostne plinske zaščite obloka in taline navara (pojavlja se poroznost navarov). Poleg tega smo bili s pretokom zaščitnega plina omejeni z max. 30 l/min, kar pri velikih dolžinah prostega konca ne zadostuje za ustrezno plinsko zaščito varilnega procesa.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

M [

kg/h

]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 5.4: Odvisnost talilnega učinka od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za varjenje z eno žico premera φ1,2 mm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

M [

kg/h

]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 5.5: Odvisnost talilnega učinka od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za varjenje z dvema žicama premera φ1,2 mm


0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

M [

kg/h

]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 5.6: Odvisnost talilnega učinka od jakosti varilnega toka na posamezno žico in dolžine prostega konca žice za varjenje s tremi žicami premera φ1,2 mm

Kot je bilo pričakovano, se talilni učinek povečuje s povečanjem dolžine prostega konca žice na račun povečanja ogrevanja prostega konca žice zaradi ohmske upornosti. Ista ugotovitev velja tako za eno, dve in tri žice. Za bolj nazorno predstavo naj navedemo primer pri maksimalni srednji jakosti varilnega toka (približno 370 A). Povečanje talilnega učinka med varjenjem z L = 15 mm in L = 20 mm znaša pri varjenju z eno žico 2,5 kg/h, pri dveh žicah 4,8 kg/h in pri varjenju s tremi žicami 5,2 kg/h. Podobne ugotovitve lahko razberemo tudi iz diagrama na sliki 5.6, ki prikazuje odvisnost talilnega učinka od dolžine prostega konca žice pri določeni jakosti varilnega toka za varjenje z eno, dvema in s tremi žicami.

0

5

10

15

20

25

30

12 14 16 18 20 22 24 26 28

L [mm]

M [

kg/h

]


Slika 5.7: Vpliv dolžine prostega konca žice na talilni učinek pri srednji jakosti varilnega toka na posamezno žico 370 A za varjenje s žicami premera φ1,2 mm


Iz diagrama lahko opazimo, da se s povečevanjem št. žic hitrost naraščanja talilnega učinka zaradi povečevanja dolžine prostega konca žice povečuje. Pri tem je treba opomniti, da se podatki za talilni učinek nanašajo na skupno št. žic. Če talilni učinek preračunamo na posamezno žico, pa lahko zatrdimo, da medsebojni vpliv oblokov na povečevanje talilnega učinka nima bistvenega vpliva. S to ugotovitvijo lahko potrdimo dejstvo, da je medsebojni vpliv oblokov pri tem premeru žice zanemarljiv. Ta trditev je v nasprotju z rezultati številnih raziskav varjenja z več žicami v zaščiti praška. Razlog je v tem, da smo v našem primeru uporabili pulzen način varjenja, medtem ko omenjene raziskave temeljijo na enosmeri obliki varilnega toka. Kot smo že omenili, je pulzen način varjenja krmiljen varilni proces in se krmili predvsem prehajanje materiala (ena kapljica na pulz), kar posledično privede tudi do kontrole nad talilnim učinkom. Podobno lahko ugotovimo, če potek vpliva dolžine prostega konca žice na talilni učinek ekstrapoliramo (črtkana črta na sliki 5.6) do vrednosti L = 0 mm. V tem primeru znaša talilni učinek za eno žico 6,05 kg/h, za dve žici 16,2 kg/h in za tri žice 18,25 kg/h. Medsebojni vpliv oblokov je v tem primeru ničen in na prirastek talilnega učinka vpliva samo povečanje št. žic, udeleženih v procesu varjenja.

5.1.3 MATEMATIČNI MODEL TALILNEGA UČINKA Matematični model je enačba, ki povezuje ene sprejemljivke z drugimi, vendar je včasih za prakso izredno sprejemljiv zaradi hitrega preračuna osnovnih parametrov varilnega postopka. Matematični model se pogosto uporablja, da lahko kvalitativno opišemo nek proces. Bolj kompleksni modeli uporabljajo več spremenljivk in bolj zahtevne matematiče povezave, vendar lahko vsak model razstavimo v štiri osnovne elemente: • vhodne spremenljivke; • izhodne spremenljivke; • konstante; • operatorje. Izhodne spremenljivke so neznanke, ki jih je možno pridobiti (izračunati) iz vrednosti znanih vhodnih spremenljivk. Operatorji v modelu definirajo matematične operacije, ki so potrebne, da izračunamo izhodne vrednosti iz vhodnih vrednosti in konstant. Na osnovi izvedenih eksperimentov lahko izdelamo tudi matematični model talilnega učinka za primer pulznega varjenja v plinski mešanici z žico premera φ1,2 mm ter pri plus polu na elektrodi. Fizikalno ozadje vplivnih faktorjev na talilni učinek lahko pojasnimo na osnovi matematičnega modela talilnega učinka, prevzetega iz lit. [29]:

( )β

α

+

⋅⋅⋅+⋅⋅=

−

k

E

Q

njLUnIM

2,0

(5.3).

Enačba je podana za primer varjenja z n – št. žic, kjer UE predstavlja prielektrodni padec. Iz enačbe je razvidno, da na talilni učinek, poleg varilnih parametrov, vplivajo tudi fizikalne lastnosti uporabljenega dodajnega materiala. Za izračun talilnega učinka na osnovi te enačbe je treba poznati funkcijske odvisnosti od temperature za uporabljeni dodajni material: • specifične upornosti žice ρ(T); • specifične toplote žice cp(T); • vsebnost toplote v žici H(T). Varilni tok teče med varjenjem od kontaktne šobe skozi prosti konec žice in jo po splošno znanih fizikalnih zakonitostih ogreva. Segrevanje je odvisno od vrste dodajnega materiala, premera žice, dolžine prostega konca žice, polaritete in seveda od jakosti varilnega toka. V primeru varjenja z več žicami sta tu še dva parametra, in sicer število žic in razdalja med njimi. Vsi ti vplivni parametri so vidni tudi iz enačbe 5.3.


Na osnovi fizikalnih zakonov pretaljevanja dodajnega materiala z oblokom in s segrevanjem prostega konca žice zaradi uporovnega ogrevanja so splošni matematični model, ki ga popisuje enačba (5.4), izdelali ter uporabili že mnogi avtorji (glej poglavje 1.3.1).

2

2

d

ILbIaM

⋅⋅+⋅= (5.4).

Model se sestoji iz dveh delov. Prvi del popisuje prispevek obločne energije zaradi prielektrodnega padca napetosti. Drugi del popisuje prispevek k talilnemu učinku zaradi segrevanja v prostem koncu žice (ohmska upornost). Parametri v enačbi (5.3) in v naslednjih modelih bodo imeli naslednje enote: M [kg/h], I [A], L

[mm] in d [mm]. Še enkrat poudarimo, da se za jakost varilnega toka I uporablja izračunana srednja jakost varilnega toka Im. Pri varjenju z več žicami sta bila izdelana dva modela, in sicer se v enem uporablja srednja jakost varilnega toka na posamično žico, v drugem pa skupna srednja jakost varilnega toka (seštevek dveh oz. treh vrednosti). Razlog te delitve tiči v tem, ker se lahko jakosti varilnih tokov na posamezni žici različni. Najverjetneje bi v tem primeru matematični model, ki upošteva v izračunu skupno srednjo jakost varilnega toka, odpovedal. Ker se v našem primeru premer žice ni spreminjal (uporabljena je bila le žica φ1,2 mm), lahko premer žice d vključimo v konstanto b in jo na novo poimenujemo z b1. Sedaj se matematični model talilnega učinka glasi:

21 ILbIaM ⋅⋅+⋅= (5.5).

Za preračun je bila uporabljena večdimezionalna nelinearna regresija. Konstanti a in b1 smo izračunali s pomočjo metode najmanjših kvadratov. Za izračun modelov je bil uporabljen računalniški program za statistično obdelavo podatkov SPSS for Windows 11.0. Poleg izračuna koeficientov a in b1 smo s pomočjo Studentove t - porazdelitve določili tudi meje zaupanja s 95% verjetnostjo za regresijska koeficienta a in b1. Rezulati so za primer žice premera φ1,2 mm uporabljene plinske mešanice in plus pola na elektrodi, podani v tabeli 5.2.

Tabela 5.2: Vrednosti za konstanti a in b1, zgornja in spodnja meja zaupanja ter koeficient večdimenzionalne nelinearne regresije

Regresijski Meje zaupanja s 95% verjetnostjo koeficient Spodnja Zgornja

ENA ŽICA a 0,009204 0,007413 0,010996 b1 1,665⋅10-6 1,391⋅10-6 1,940⋅10-6 DVE ŽICI a 0,010267 0,009648 0,010886 skupen I b1 8,102⋅10-7 7,620⋅10-7 8,584⋅10-7 DVE ŽICI a 0,020864 0,019607 0,022121 posamičen I b1 3,193⋅10-6 2,999⋅10-6 3,388⋅10-6 TRI ŽICE a 0,009552 0,008776 0,010329 skupen I b1 5,427⋅10-7 5,015⋅10-7 5,838⋅10-7 TRI ŽICE a 0,028657 0,026327 0,030986 posamičen I b1 4,884⋅10-6 4,513⋅10-6 5,254⋅10-6

Matematični model za napoved talilnega učinka za MIG/MAG način varjenja z eno žico premera φ1,2 mm ter s plus polom na elektrodi se glasi:

263 10665,110204,9 ILIM ⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (5.6).


Drugi matematični model za napoved talilnega učinka velja za MIG/MAG način varjenja z dvema žicama premera φ1,2 mm v plinski zaščitni mešanici, s plus polom na elektrodi ter s skupno srednjo jakostjo varilnega toka in se glasi:

273 10102,810267,10 ILIM ⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (5.7). V enačbi (5.8) je prikazan matematični model za napoved talilnega učinka pri varjenju z dvema žicama, podobno kot v enačbi (5.7), le da je tu za izračun uporabljena srednja jakost varilnega toka na posamično žico.

263 10193,310864,20 ILIM ⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (5.8). S statističnimi metodami je bil ugotovljen tudi matematični model za varjenje s tremi žicami premera φ1,2 mm. Enačba (5.9) velja za varjenje s tremi žicami, skupno srednjo jakostjo varilnega toka ter s plus polom na elektrodi.

273 10427,510552,9 ILIM ⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (5.9). Zadnji matematični model v tem sklopu velja za iste pogoje kot v enačbi (5.9), le da je podan za srednjo jakost varilnega toka na posamezno žico.

263 10884,410657,28 ILIM ⋅⋅⋅+⋅⋅= −− (5.10). Zaradi primerjave matematičnih modelov smo izračunali tudi vrednosti konstant v matematičnim modelu za n-kratno žico, ki ga je podal Tušek [29] za primer varjenja v zaščiti praška. Tudi v tem primeru je potrebna modifikacija originalnega matematičnega modela, kjer predstavlja n število udeleženih varilnih žic v varilnem procesu ter se glasi:

( ) yxn

d

ILcbnIaM ⋅

⋅⋅+++⋅⋅=

2

2

1 (5.11).

Omejitev raziskav le na en premer varilne žice privede do preureditve enačbe (5.11) v naslednjo enačbo:

( ) yxnILcbnIaM ⋅⋅⋅+++⋅⋅= 2

11 (5.12). S statistično obdelavo eksperimentalno dobljenih rezultatov smo izdelali matematični model za napoved talilnega učinka za pulzno varjenje s plus polom na elektrodi z n številom varilnih žic premera φ1,2 mm v zaščiti plinske mešanice. Jakost varilnega toka I v enačbi (5.13) predstavlja srednjo jakost varilnega toka na posamezno varilno žico.

( ) 03,12641,1 10568,112314,01004219,0 nILnIM ⋅⋅⋅⋅+−+⋅⋅= − (5.13). Teoretično (matematični modeli za skupno srednjo jakost varilnega toka) in eksperimentalno (ponovitev meritev s podobnimi varilnimi parametri) dobljeni rezultati pri varjenju z eno, dvema in tremi žicami v zaščiti plinske mešanice so prikazani na sliki 5.8. Iz diagrama vidimo, da je podobnost zelo dobra. Največja odstopanja se pojavijo za matematični model za dve žici, kjer se pojavita največji odstopanji: • največje odstopanje v vrednosti talilnega učinka 1,05 kg/h oz. 6,5% pri skupnem I = 728 A, • največje odstopanje talinega učinka v odstotkih 21,3% oz. 0,31 kg/h pri skupnem I = 120 A.


0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Izmerjeni M [kg/h]

Izračun

ani M

- e

načbe

(5.

6), (

5.7)

, 5.8

) [k

g/h]


Slika 5.8: Primerjava med izmerjenimi in izračunanimi vrednostmi talilnega učinka pri varjenju z več žicami premera φ1,2 mm v zaščiti plinske mešanice

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Izračunani M - enačbe (5.6), (5.7), (5.9) [kg/h]

Izračun

ani M

- e

načba

(5.

13)

[kg/

h]


Slika 5.9: Primerjava med matematičnim modelom za eno, dve in tri žice ter modelom za n-žic

Izvedena primerjava na sliki 5.9 predstavlja primerjavo med posameznimi modeli za eno, dve in tri žice ter izpeljanim matematičnim modelom za n-žic. Že hiter pogled na diagram odkrije, da se


vrednosti matematičnega modela za tri žice ujema z modelom za n-žic, medtem ko ima model za dve žici previsoke vrednosti, model za eno žico pa prenizke. Odstopanje vrednosti je znotraj 12%, ki nastopi pri vrednosti talilnega učinka približno 2,5 kg/h tako za eno žico, kot tudi za dve žici. Dodatno smo še primerjali naš matematični model za napoved talilnega učinka z matematičnim modelom, ki ga je izračunal Halmφy [58] in je podan z enačbo (1.23) (glej sliko 5.10). Enačba (1.23) ima prav tako fizikalno ozadje, koeficienti pa so izračunani s pomočjo eksperimentov. Omenjena enačba (1.23) velja za pršeč prehod malo legiranega jekla v zaščiti mešanic argon/ogljikov dioksid. V enačbo smo za primer varjenja z dvema in tremi varilnimi žicami vstavili dvakratno oziroma trikratno vrednost jakosti varilnega toka. Priznati je treba, da obstaja dobra povezava med izračunanimi vrednostimi po enačbah (5.6), (5.7), (5.9) ter enačbi (1.23), kar je razvidno tudi iz slike 5.10. Pri vrednostih talilnega učinka za eno žico je ujemanje izredno dobro. Razlike za varjenje z dvema oziroma s tremi varilnimi žicami so opazne predvsem v vrednostih talilnega učinka od 5 do 20 kg/h. Odstopanje v tem področju znaša med 20% pri nižjih vrednosti in 5% pri višjih. Glede na navedeno lahko ugotovimo, da s stališča matematičnega modela za napoved talilnega učineka ni opazna bistvena razlika med napovedjo talilnega učinka z modelom, ki izključno temelji na klasičnem varjenju z eno žico (Halmφy), in našimi izračunanimi modeli za napoved talilnega učinka za pulzno varjenje z eno, dvema oziroma tremi žicami.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Izračunani M - enačba (5.6), (5.7), (5.9) [kg/h]

Izračun

ani M

- e

načba

(1.

23) H

alm

oy [k

g/h]


Slika 5.10: Primerjava izračunanih vrednosti talilnega učinka med enačbi (5.6), (5.7), (5.9) ter enačbo (1.23) (Halmφy) pri varjenju z eno, dvema in s tremi žicami premera φ1,2 mm

Če izhajamo iz ugotovitve magistrske naloge [41], da vrsta zaščitnega medija bistveno ne vpliva na talilni učinek, lahko primerjamo izračunane matematične modele tudi s Tuškovim matematičnimi modeli za varjenje z enojno, dvojni in trojno elektrodo (glej sliko 5.11) in za varjenje z n-žicami v zaščiti praška (glej sliko 5.12) [29]. Ugotovitve na osnovi prvega diagrama (glej sliko 5.11) so naslednje: • vrednosti, izračunane na osnovi našega matematičnega modela za eno žico, so večje od

vrednosti, izračunane iz podobnega modela za varjenje z enojno žico v zaščiti praška;


• vrednosti, izračunane na osnovi našega matematičnega modela za dve žici, so manjše od vrednosti, izračunane iz podobnega modela za varjenje z dvojno žico v zaščiti praška;

• pri primerjavi vrednosti za varjenje s tremi žicami je ugotovljeno dobro ujemanje, razen pri visokih vrednostih talilnega učinka, kjer naš model izkazuje večje izračunane vrednosti.

Primerjava napovedi talilnih učinkov za n-žic (glej sliko 5.12) da nekoliko drugačne rezultate. Napoved talilnega učinka z našim modelom za n-žic v primeru ene in dveh žic podaja višje vrednosti, za primer treh žic pa nižje vrednosti od primerljivega modela, izraženega z enačbo (1.28). Največje je odstopanje pri varjenju z eno žico in znaša v povprečju približno 25%. Na splošno lahko ugotovimo, da večjih razlik med izračunom talilnega učinka na osnovi matematičnih modelov, ki so pridobljeni iz različnih eksperimentalnih okolij, ni bistveni razlik. Še enkrat je potrjena trditev, ki smo jo navedli že v magistrski nalogi [41], da ima vrsta zaščitnega medija zanemarljivo majhen vpliv na talilni učinek oziroma samo produktivnost načina varjenja.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Izračunani M - enačba (5.6), (5.8), 5.10) [kg/h]

Izračun

ani M

- e

načba

(1.

26), (1.

27),

(1.

28) Tuš

ek [k

g/h]


Slika 5.11: Primerjava izračunanih vrednosti talilnega učinka med enačbami (5.6), (5.8), (5.10) ter enačbami (1.25), (1.26), (1.27) (Tušek) pri varjenju z eno, dvema in s tremi žicami premera φ1,2 mm


0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30

Izračunani M - enačba (5.13) [kg/h]

Izračun

ani M

- e

načba

(1.

28)

Tuš

ek [k

g/h]


Slika 5.12: Primerjava izračunanih vrednosti talilnega učinka med modelom za n-žic (5.13) ter enačbo (1.28) za n-žic (Tušek) pri varjenju z eno, dvema in s tremi žicami premera φ1,2 mm

5.2 RELATIVNI IZKORISTEK PRETALJEVANJA DODAJNEGA MATERIALA Relativni izkoristek pretaljevanja materiala je definiran na osnovi sledeče enačbe [29]:

100⋅⋅

⋅=

UI

MEpη (5.14).

Imenovalec enačbe (5.13) predstavlja 100% delež porabljene obločne energije. V enačbi predstavlja M [kg/h] celotno količino pretaljenega materiala, tako dodajnega kot tudi osnovnega materiala, na časovno enoto. Označba Ep [J/g] označuje energijo, potrebno za pretalitev 1 g jekla brez izgub. Vrednosti energije Ep, ki je podana v literaturi, so izredno različne. Paton [59] navaja 1340 J/g, Zijp [82] podaja 1464,9 J/g, avtorja Niles in Jackson [83] pa upoštevata vrednost 1495,3 J/g. V našem primeru bomo uporabili kar vrednost, ki jo je navedel Paton (1340 J/g), ker ne bomo dajali velikega poudarka absolutni vrednosti izkoristka, ampak zgolj primerjavi med izkoristki η za varjenje z različnim številom žic. Poleg tega bomo uporabili nekoliko modificiran izkoristek, izračunan na osnovi enačbe (5.13). Namesto celotne količine pretaljenega materiala M bomo upoštevali le količino pretaljenega dodajnega materiala. Zaradi tega bomo izkoristek η poimenovali relativni izkoristek pretaljevanja dodajnega materiala. Na osnovi enačbe (5.13) lahko izračunamo izkoristek η za različno število varilnih žic ter vrednosti podamo grafično v diagramih, ki so podani v odvisnosti od srednje jakosti varilnega toka na posamezno žico (slika 5.13) in od skupne moči oblokov (slika 5.14). Prvi diagram, na sliki 5.13, velja za pulzni MIG/MAG način varjenja z eno, dvema in s tremi žicami premera φ1,2 mm. Na splošno lahko ugotovimo, da se z naraščanjem srednje jakosti


varilnega toka na posamezni žici vrednost relativnega izkoristeka pretaljevanja dodajnega materiala bistveno ne spreminja. Vrednost relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala ostaja znotraj mej med 20,5% in 25%. Glede na to, da je dovod energije pri pulznem načinu varjenja, ne glede na to, ali varimo z eno, dvema ali s tremi žicami, krmiljen, je tak rezultat pričakovan. Opazna pa je naslednja posebnost. Pri nižjih jakostih varilnega toka ima najvišji relativni izkoristek varjenje z eno žico, pri višjih vrednosti pa varjenje s tremi žicami. Meja, kjer pride do opisane spremembe, je pri približno 190 A, kar je izredno blizu vrednosti kritične jakosti varilnega toka, ki po podatkih iz literature znaša za žico premera φ1,2 mm od 200 do 230 A. S podobno situacijo smo se že srečali v primeru izračuna premera kapljic, ki prehajajo pri varjenju v poglavju 4.3 (glej sliko 4.28 ter njen opis). Fizikalna razlaga tega pojava nam ni znana.

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I [A]

ηη ηη [

%]


Slika 5.13: Odvisnost relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala od srednje jakosti varilnega toka na posamezno žico in števila žic za žico premera φ1,2 mm

Drugi diagram na sliki 5.14 podaja iste vrednosti, le da tokrat v odvisnosti od skupne moči oblokov. Optimizacija pulznih varilnih parametrov bi prav gotovo rezultirala v konstantni vrednosti relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala čez celotno območje skupne moči oblokov za varjenje, tako z eno, kot tudi z več žicami. Zadnji diagram v sklopu tega poglavja prikazuje primerjavo med relativnimi izkoristki pretaljevanja dodajnega materiala pri varjenju s tremi žicami in različnimi dolžinami prostega konca žice v odvisnosti od skupne moči oblokov. Kot je že znano iz teorije varjenja z eno žico, se podobna situacija ponovi tudi pri varjenju s tremi žicami. Povečanje dolžine prostega konca žice poveča talilni učinek ob sorazmerno isti porabi energije. Razumljivo je potem pričakovati povečanje relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala. S povečanjem prostega konca žice za 10 mm se je relativni izkoristek pretaljevanja dodajnega materiala povečal za približno 5% (pri maksimalni srednji jakosti varilnega toka).


0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

P [kW]

ηη ηη [

%]


Slika 5.14: Odvisnost relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala od skupne moči oblokov in števila žic za žico premera φ1,2 mm

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40

P [kW]

ηη ηη [

%]

L = 15 mm L = 20 mm L = 25 mm

Slika 5.15: Odvisnosti relativnega izkoristka pretaljevanja dodajnega materiala od skupne moči oblokov in dolžine prostega konca žice za varjenje s tremi žicami premera φ1,2 mm


6. TEHNOLOŠKA RAZISKAVA NAVARA

6.1 ANALIZA OBLIKE NAVARA Oblika in lastnosti vara so izhodne veličine, ki nosijo v sebi informacije o poteku varilnega procesa. V našem primeru smo zasledovali spremembe dimenzij in oblike navara, ki jih povzroči sprememba varjenja z eno žico na dve oziroma tri žice. Opazovali smo prečne prereze navarov in merili veličine, kot so: • širina navara bn, • višina temena navara n, • globina uvara u, • kot tangente iz fazne meje na površino temena navara γ, • površina prereza temena navara pn, • površina prereza uvara pu. Geometrijski elementi prečnega prereza navara so prikazani na sliki 6.1. Na širino vara v prvi vrsti vplivata količina pretaljenega dodajnega materiala ter višina obločne napetosti. Višina temena navara je v medsebojni odvisnosti s širino navara. Če se npr. zmanjšuje širina navara, se višina temena povečuje. Zato je treba rezultate ocenjevati kot celoto. Globina uvara je pri obločnem varjenju funkcija varilnih parametrov (zlasti jakosti varilnega toka) in fizikalnih lastnosti osnovnega materiala. Kot tangente iz fazne meje na površino temena navara kaže na ravnotežje sil, ki so delovale na talino. Kot γ je odvisen od načina prehajanja materiala in vrste zaščitnega medija, kakor tudi od stanja površine osnovnega materiala.

Slika 6.1: Prikaz geometrijskih elementov navara

Eksperimente smo izvedli z navarjanjem na ravno ploščo s pulznimi varilnimi parametri, ki so bili pridobljeni v toku raziskave varilnega procesa (glej poglavje 2.5). Varjenje je bilo izveden z eno, dvema in s tremi žicami pri samo eni vrednosti dolžine prostega konca žic, in sicer je ta znašala 20 mm. Po varjenju smo izdelali makroobruse (klasična metalografija jekla z uporabo 10% HNO3 za jedkanje). Fotografije makroobrusov so slikane z digitalnim fotoaparatom z naključno razdaljo med predmetom in objektivom, zato je stopnjo povečave nemogoče definirati. Meritve geometrijskih veličin smo izvedli na povečanih makro prerezih navarov, kjer je bilo vodilo debelina materiala oziroma merilna skala na fotografiji. Podobno kot pri analizi signalov tudi tu najprej predstavljamo metalografske rezultate pulznega varjenja z eno žico pri različnih srednjih jakostih varilnega toka (glej sliko 6.2). Kar je najbolj očitno in tudi zaželeno pri navarjanju je dejstvo, da se je širina navara povečevala, istočasno pa se globina uvara ni povečevala. Glavni parameter v tem primeru je hitrost varjenja. Stopnja


razmešanje je bila pri višjih parametrih varjenja nižja, kar je za aplikacijo navarjanja vsekakor ugodno.

Slika 6.2: Prerez navara pri pulznem varjenju z eno žico (debelina osnovnega

materiala 10 mm; L = 20 mm) - levo Im = 115 A; U = 20,8 V; vv = 0,16 m/min - v sredini Im = 311 A; U = 29,5 V; vv = 0,31 m/min - desno Im = 406 A; U = 38,0 V; vv = 0,5 m/min

Pri analizi varjenja z dvema žicama ni mogoče izpostaviti nobene posebnosti oziroma odstopanja. Slika 6.3 prikazuje pogled od zgoraj, slika 6.4 pa prerez navara pri varjenju z dvema žicama. Iz uvara je razvidno delovanje dveh oblokov, ki sta ustvarila vsak svoje področje prehoda kapljic. Zaradi tega sta razvidni sta dve poglobitvi uvara.

Slika 6.3: Pulzno varjenje z dvema žicama (pogled od zgoraj)

Slika 6.4: Prerez navara pri pulznem varjenju z dvema žicama (debelina osnovnega materiala 10 mm; L = 20 mm; vv = 0,42 m/min, ϕp = 0 ms) - prva žica: Im = 284 A; U = 34,1 V - druga žica: Im = 271 A; U = 33,9 V


Vpliv varjenja s tremi žicami na širino navara je možno opaziti že iz slike 6.5, kjer je prikazan pogled od zgoraj na zvar, ki smo ga začeli variti z eno žico, nadaljevali z dvema in končali s tremi žicami. Ustrezen prerez navara je prikazan na sliki 6.6. Na osnovi uvara je lepo razvidno delovanje treh žic oziroma tudi treh pulznih prehajanj kapljic. Na sliki 6.7 je prikazan prerez navara za varjenje v režimu obratovanja, kjer je bil istočasen pulz na stranski žici, ki mu je sledil pulz na sredinsko žico. Če primerjamo obliko uvara tega navara in navara z dvema žicama (slika 6.4), ni opaziti bistvenih razlik v obliki. Razlika pa je v širini navara, ki je v primeru varjenja s tremi žicami na sliki 6.7 bistveno večja.

Slika 6.5: Postopni prehod pulznega varjenje z eno žico do treh žic (pogled od zgoraj)

Slika 6.6: Prerez navara pri pulznem varjenju s tremi žicama (pulziranje je zaporedno na posamezno žico, debelina osnovnega materiala 16 mm; L = 20 mm; vv = 0,51 m/min, ϕp = 0 ms) - prva žica: Im = 243 A; U = 30,6 V - druga žica: Im = 251 A; U = 30,1 V - tretja žica: Im = 249 A; U = 30,4 V

3 žice 2 žici 1 žica


Slika 6.7: Prerez navara pri pulznem varjenju s tremi žicama (pulziranje na stranski dve žici je istočasno, debelina osnovnega materiala 16 mm; L = 20 mm; vv = 0,51 m/min, ϕp = 0 ms) - prva žica: Im = 265 A; U = 32,4 V - druga žica: Im = 252 A; U = 30,9 V - tretja žica: Im = 250 A; U = 31,4 V

Izmerjene vrednosti so služile tudi za izračun nekaterih že znanih veličin, ki nazornejše opišejo obliko prečnega prereza navara. Predvsem smo želeli ugotoviti stopnjo razmešanja, ki je ena izmed bistvenih opisnih značilnosti navarjanja. Stopnjo razmešanja lahko izračunamo s pomočjo naslednje enačbe:

100⋅+

=nu

u

Rpp

pS (6.1),

Izračunane vrednosti na osnovi eksperimentalnih rezultatov ter enačbe (6.1) so prikazane v diagramu na sliki 6.8.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

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

Ena žica Dve žici Tri žice

Sto

pn

ja r

azm

ešan

ja [

%]

min. max. min. max. min. max.

Im = 58 A

Im =60 A Im = 75 A

Im = 370 A

Im = 364 A

Im = 357 A

Slika 6.8: Stopnja razmešanja za pulzno navarjenje v zaščitnem plinu z eno, dvema in s tremi žicami premera 1,2 mm; L = 20 mm

Diagram na sliki 6.8 prikazuje, da se z večanjem srednje jakosti varilnega toka povečuje tudi stopnja razmešanja. Jakost varilnega toka ima namreč največji vpliv na globino uvara (večja je


globina uvara, večja je stopnja razmešanja). Uporaba večjega števila žic povzroči zmanjšanje globine uvara in s tem posledično tudi stopnje razmešanja. Na tem mestu je treba pripomniti, da so bili varilni parameri izbrani za potrebe navarjanja! Samo sprememba npr. hitrosti varjenja bi podatke, prikazane na sliki 6.8, izredno spremenila. Ne glede na to je iz diagrama očitno, da je možno s povečanjem števila žic bolje kontrolirati globino uvara in s tem tudi stopnjo razmešanja, predvsem jo lahko znižamo za potrebe navarjanja. Vse to govori v prid uporabe več žic za navarjanje.

6.2 PREDSTAVITEV POGOSTIH NAPAK Pri varjenju z več žicami v zaščiti plina so bile opažene številne napake kot posledica tehnologije varjenja. Med najbolj pogostimi navajamo naslednje: 1. Tvorjenje ločenih talin:

Prevelika razdalja med varilnimi žicami ali prenizki pulzni varilni parametri lahko rezultirajo v tvorjenju ločenih talin. Vsaka žica se odtaljuje in tvori svoji talilno kopel, kot je to prikazano na sliki 6.9. Iz zgornje pogleda je razvidno, da ima največji vpliv na ta pojav medsebojni učinek med obloki. Razvidno je, da se je včasih tvorila tudi skupna talina dveh žic. Rešitev problema v tej situaciji je povečanje pulznih varilnih parametrov v smislu povečanja srednje jakosti varilnega toka ali sorazmerno zmanjšanje razdalje med žicami. Na sliki 6.10 je prikazan metalografski posnetek navara, ki ni tvoril skupne taline. Navari so si med seboj primerljivi, njihove dimezije pa ustrezajo varilnim parametrom.

Slika 6.9: Tvorjenje posameznih talin - pogled od zgoraj

Slika 6.10: Tvorjenje posameznih talin - prerez navara (tri žice, pulziranje je zaporedno na posamezno žico, debelina osnovnega materiala 10 mm; L = 20 mm; vv = 0,16 m/min, ϕp = +1 ms) - prva žica: Im = 118 A; U = 20,9 V - druga žica: Im = 122 A; U = 20,9 V - tretja žica: Im = 122 A; U = 21,0 V

V drugem primeru je prikazana situacija, ki se je dokaj pogosto pojavljala (glej sliko 6.11). Vklop tretje stranske žice je povzročil problem (ugasnitev obloka) na drugi stranski žici. Nikoli


se ni pojavila situacija, da bi ugasnil oblok na prvi žici (sredinski). Rešitev tega problema sta naslednji: • začetek varjenje mora biti vedno s tremi žicami istočasno; • mehek vklop žic (postopno naraščanje srednje jakosti varilnega toka in hitrosti podajanja

varilne žice).

Slika 6.11: Problem vklopa stranske žice (pogled od zgoraj)

Izmed vseh možnih kombinacij napak se je redno pojavljala tudi napaka, prikazana na sliki 6.12, kjer sta dve žici tvorili skupno talino, ena žica (druga ali tretja - stranska žica) pa svojo talino.

Slika 6.12: Tvorjenje dveh posameznih talin - prerez navara (tri žice, pulziranje je zaporedno na posamezno žico, debelina osnovnega materiala 10 mm; L = 20 mm; vv = 0,16 m/min, ϕp = 0 ms) - prva žica: Im = 119 A; U = 20,9 V - druga žica: Im = 122 A; U = 21,0 V - tretja žica: Im = 124 A; U = 21,1 V

2. Poroznost:

Poroznost je v našem primeru posledica nepravilne konstrukcije gorilnika oziroma uporabljenih parametrov, ki vplivajo na ustrezno plinsko zaščito. Med temi sta najbolj pomembna pretok zaščitnega plina in razdalja med plinsko šobo ter varjencem. Analiza, ki jo je podal Tomc v člankih [86, 87], je samo potrditev dobljenih rezultatov. Pri konstrukciji gorilnika je treba biti pozoren tudi na ta segment, predvsem pa na izstopno površino plinske šobe ter kot konične izvedbe plinske šobe. Poroznost varov pri nepravilnih nastavitvah je očitna tako v pogledu od zgoraj (glej sliko 6.13) kot tudi v prerezu navara prikazanega na sliki 6.14. Pozorno oko lahko opazi pojav poroznosti tudi pri navaru na sliki 6.12.


Slika 6.13: Pojav poroznosti pri varjenju s tremi žicami (pogled od zgoraj)

Slika 6.14: Pojav poroznosti pri varjenju s tremi žicami - prerez navara (pulziranje je zaporedno na posamezno žico, debelina osnovnega materiala 16 mm; L = 25 mm; vv = 0,55 m/min, ϕp = 0 ms) - prva žica: Im = 240 A; U = 30,7 V - druga žica: Im = 251 A; U = 30,3 V - tretja žica: Im = 250 A; U = 30,4 V

3. Obrobne zajede:

Obrobne zajede, prikazane iz zgornjega pogleda na sliki 6.15 in v prerezu navara na sliki 6.16, so se pojavile pri varjenju s tremi žicami v režimu obratovanja, kjer je bil uporabljen negativni fazni zamik med posameznimi pulzi. Iz prikazanih rezultatov je več kot očitno, da negativni fazni zamik med posameznimi pulzi ne doprinaša k večji stabilnosti, niti k boljši kakovosti navara.

Slika 6.15: Pojav obrobnih zajed pri varjenju s tremi žicami (pogled od zgoraj)


Slika 6.16: Pojav obrobnih zajed pri varjenju s tremi žicami žicami - prerez navara (pulziranje je zaporedno na posamezno žico, debelina osnovnega materiala 10 mm; L = 20 mm; vv = 0,30 m/min, ϕp = -1 ms) - prva žica: Im = 181 A; U = 25,7 V - druga žica: Im = 182 A; U = 26,0 V - tretja žica: Im = 186 A; U = 25,9 V


7. ZAKLJUČKI IN SMERNICE ZA NADALJNJE DELO

7.1 ZAKLJUČKI V pričujoči doktorski nalogi so prikazane teoretične in praktične raziskave pulznega varjenja z eno, dvema in s tremi žicami v zaščiti plina. Razvita je bila nova varilna oprema, v nadaljevanju naloge pa je bila podrobneje raziskana tehnologija varjenja z več žicami. Za opisane raziskave pulznega varjenja z eno, dvema in s tremi žicami ter enim virom energije lahko navedemo ugotovitve in zaključke v naslednjih točkah: 1. Za potrebe izvedbe doktorske naloge je bila razvita nova varilna oprema, ki temelji na enem

močnostnem viru energije in ustreznem sekundarnem močnostnem delu. Razvito je bilo tudi ustrezno krmilje s programsko opremo.

2. Nova razvita tehnologija pulznega varjenja s tremi žicami. Osnovni tehnološki namen je bil navarjanje, zato je bila v tem smislu razvita tudi ustrezna varilna oprema.

3. Iz primerjave diagramov U(t) in I(t) za varjenje z eno, dvema in s tremi je razvidna večja stabilnost sredinske žice. Podobno je razvidno iz porazdelitve verjetnosti za jakost varilnega toka in varilno napetost.

4. Režim obratovanja, kjer je pulziranje na stranski žici istočasno, ki mu sledi pulz na sredinsko žico, se je izkazal za najbolj stabilnega, kar je tudi razvidno iz kakovosti navara.

5. Ob predpostavki, da se pulzni prehod materiala vrši v obliki kroglastih kapljic, ugotovimo, da se premer kapljic povečuje z naraščanjem srednje jakosti varilnega toka od 1,05 mm do 1,35 mm. Srednja vrednost premera kapljice znaša 1,2 mm, kar ustreza splošnim zahtevam pulznega varjenje, da je premer kapljice približno enak premeru varilne žice.

6. Razlike pri vnosu toplote v prosti konec žice za eno, dve in tri žice so zanemarljive, kar potrjuje trditev, da je medsebojno toplotno vplivanje oblokov minimalno.

7. Potrditev trditev, ki so bile objavljene že v magistrskem delu, da zaščitni medij bistveno ne vpliva na talilni učinek.

8. Za potrebe izdelelave matematičnega model je bila izvedena analiza vpliva dolžine prostega konca žice na talilni učinek. Vpliv na dve oziroma tri žice je kvalitativno primerljiv z vplivom dolžine prostega konca žice pri varjenju z eno žico na talilni učinek.

9. Izdelani so bili matematični modeli za pulzno varjenje z eno, dvema, tremi in z n-varilnimi žicami premera φ1,2 mm.

10. Ujemanje eksperimentalnih rezultatov s teoretično napovedanimi vrednostimi talilnega učinka je izredno dobro.

11. Izvedena je bila primerjava med našimi matematičnimi modeli za žico premera φ1,2 mm ter matematičnim modelom, katerega izračun je temeljil na mešanici argon/ogljikov dioksid (Halmφy [58]). Ujemanje med izračunanimi vrednostimi na osnovi obeh matematičnih modelov je odlično. Ta podatek potrjuje trditev, da povečanje števila varilnih žic in medsebojnih toplotnih vplivov oblokov ne prispeva k povečanju talilnega učineka.

12. Primerjava izdelanih matematičnih modelov z že objavljenimi matematičnimi modeli za varjenje v zaščiti praška je prav tako dobro.

13. Relativni izkoristek pretaljevanja dodajnega materiala je konstanten za varjenje z eno, dvema in s tremi žicami. To je posledica pulznih parametrov.

14. S povečanjem dolžine prostega konca žice pri varjenju s tremi žicami se povečuje relativni izkoristek pretaljevanja dodajnega materiala, kar je pričakovano.

15. Na stopnjo razmešanja, kot eno izmed glavnih parametrov navarjanja, je možno bistveno vplivati s številom žic. Povečanje srednje jakosti varilnega toka poveča stopnjo razmešanja. Povečanje števila varilnih žic rezultira v sorazmerni manjši stopnji razmešanja.


Na osnovi celotne raziskave in podanih rezulatov lahko v zaključku naloge podamo nekaj bistvenih sklepnih misli. • Razvita varilna oprema zadovoljuje vse potrebe pulznega varilnega procesa z več žicami,

vendar je za aplikacijo v praksi potrebna optimizacija opreme (konstrukcijsko in programsko). • Varjenje z več varilnimi žicami je stabilno (potrebno je pulziranje), produktivnost načina

varjenja pa je v bistvu enaka večkratniku produktivnosti varjenja z eno žico.

7.2 DOPRINOS K ZNANOSTI V nadaljevanju je navedenih nekaj sklepov oziroma ugotovitev, ki predstavljajo doprinos k znanosti: 1. Razvita, izdelana in uporabljena konceptualno nova varilna oprema za pulzno varjenje s tremi

žicami v zaščitnem plinu. 2. Prvič prikazana tehnologija pulznega varjenja s tremi žicami v zaščitnem plinu. 3. V nalogi so navedeni najstabilnejši oziroma najugodnejši parametri za pulzno varjenje s tremi

žicami. 4. Prvič ugotovljeno, da je vnos energije v prosti konec žice pri varjenju s tremi žicami isti kot pri

varjenju z eno žico, kar je sicer pomanjkljivost, vendar nujno potrebno za zagotovitev stabilnosti varilnega procesa.

5. Izdelani in objavljeni so novi matematični modeli za napoved in izračun talilnega učinka pri pulznem varjenju z eno, dvema, tremi in n-žicami.

6. Raziskava praktične uporabe načina varjenja je pokazala, da je postopek uporaben v praksi, saj daje zadovoljujoče rezultate (zmanjšanje pihalnega učinka, možnosti različnih razporeditev žic, …).

7.3 SMERNICE ZA NADALJNJE DELO Na osnovi dosedanjih raziskav pulznega varjenja s tremi žicami in enim virom energije bi lahko smernice za nadaljnje delo podali v naslednjih točkah: 7. Nova konstrukcija gorilnika, predvsem plinske šobe, ker ta ne zadovoljuje vseh zahtev. Za

praktično uporabo in trženje je potrebno gorilnik še dodatno optimirati (dimenzije in masa). 1. Pri raziskavi prehajanja materiala bi bilo treba uporabiti hitrotekočo kamero, na osnovi katere

bi lažje ocenili in popisali prehajanje materiala. 2. V raziskavo bi bilo treba vključiti tudi žice drugačne kemične sestave, kajti s tem bi še dodatno

poudarili primernost sistema za navarjanje. 3. Za popolnejši matematični model bi bilo potrebno v eksperimentih uporabiti tudi žice drugih

premerov (φ0,8 mm, φ1,0 mm, φ1,6 mm). 4. Vpliv prostega konca žice na talilni učinek bi bilo potrebno podrobneje raziskati. Istočasno bi

bilo potrebno v raziskavo vključiti tudi vpliv razdalje med žicami. 5. Uvedba baze podatkov (klasičnih in pulznih varilnih parametrov) v programsko podporo vira

energije oziroma sekundarnega močnostnega dela. 6. Izvedba programskih delov za odseke varjenje, kot je mehek vklop ali oster izklop varilne žice,

iz varilnega procesa (»soft start« in »sharp end«).


LITERATURA 1. Ditschun A., Eaton N.F., Lassaline E., Zajackowski: The development and application of a

synchronized twin arc frequency modulated pulsed GMAW/MIG welding system. IIW Doc. XII-1067-88.

2. Brown K.W.:Switched Arc MIG Welding. Zbornik posvetovanja Advances in Welding Processes, The Welding Institute UK, 1978.

3. Kralj V., Tušek J.: Some findings and characteristic about the material transfer in metal gas shielded arc welding wih parallel wires. IIW Doc. 212-771-90.

4. Bohme D., Nentwig A.W.E., Knoch R.: MAG Double-wire welding - a process to reach high welding speed. IIW Doc. XII-1379-94.

5. Probst R., et al: CO2-Schutzgas-Paralleldrahtschweiβen. Schweiβtechnik, Berlin, 19 (1969) 9, str. 385-388.

6. Däne K.: CO2 Zweidrahtschweiβen. ZIS Mitteilungen, 15 (1973) 5, str. 563-567. 7. Hackle H.: T.I.M.E.-Twin-a novel double wire process for joning aluminium. IIW Doc.

XII-1439-96. 8. Schneider B., Däne K.: Experience with two-wire CO2 welding wire ceramic weld backing.

ZIS Mitteilungen 16 (1974) 5, str. 611-618. 9. Ripple P.: Improved perormance in MIG/MAG welding due to the two-wire technique. IIW

Doc. XII-1528-98. 10. Forensi G., Pedrazzo G.: Tandem MIG: come ottenere un'alta produttivita con il

procedimento MIG. Revista Italiana della saldatura, 14 (1999) 6, str. 661-664. 11. McConnell A.: Lifting productivity using Tandem Wire Welding. Welding & Metal

Fabrication, 21 (2000) 2, str. 16-18. 12. Jöbstl H., Aichell G.: Höhere Wirtschaftlichkeit durc MAG-Tandemschweißen. Der

Praktiker, 52 (2000) 6, str. 216-221. 13. Cerwick H.: Tandem MAG welding with PZ 6105 R. Svetsaren, 54 (2000) 1, str. 37. 14. Lahsteiner R.: T.I.M.E. Verfahren - das Hochleistung MAG Schweißen mit zwei

Drahtelektroden. Welding Review International, 11 (1992) 2, str. 132-135. 15. Dilthey U., et al: Increased Productivity as a Result of Higher Deposition Rate abd Higher

Weldign Speed by using Two-Wire GMAW Processes. Welding Institute of Aachen University, 1998.

16. Goecke S.: Tandem MIG/MAG welding. Svetsaren 56(2001)2-3, str.24-28. 17. Street J.A.: Pulsed Arc Welding. Abington Publishing, Abington, Cambridge, 1990. 18. Needham J.C.: Characteristic of pulsed arc system. Zbornik posvetovanja Welding research

related to power plant, Southamptom, 1992, str. 449-455. 19. Tušek J., Suban M.: Physical phenomena for increase in deposition rate in arc welding with

a multiple-wire electrode. Zbornik posvetovanja 2nd International Conference on Welding Technology, Materials and Materials Testing, Fracture Mechanichs and Quality Management, Dunaj, 2000, str. 120-128.

20. N.N.: Cloos Schweisstechnik-Tandem Welding Process. Reklamni material. 21. N.N.: SKS Welding Systems-Double Wire. Reklamni material. 22. N.N.: Uljanik Welding Equipment-Multi Arc Welding System. Reklamni material. 23. Cornu J.: TIG and related processes. Springer-verlag, Berlin 1988. 24. Pomaska H.U.: Recommendations for research work on the project "Guideline for

MIG/MAG Application-Guide for User". IIW Doc. XII-B-272-79. 25. Hoffmann S.: Ermittlung von Schweißparametern beim Metall-Aktivgasschweißen.

Scweißen und Schneiden, 43 (1991)4, str. 206-209. 26. Bentsson P.H., Trautrims N.B.: Produktivität beim Metall-Aktivgasschweißen steigern-so

geht es. Der Praktiker, 45 (1993)8, str. 428-433.


27. Olsson R., Stemvers M., Stares I.: High-speed welding gives a compatitive edge. Welding Review International, 14(1995)8, str. 128-131.

28. Quintino L., Allum C.J.: Pulsed GMAW of Mild Steel: Interaction between Process Parameters. IIW Doc. 212-574-83.

29. Tušek J.:Raziskava procesov pri varjenju in navarjanju z dvojno in s trojno elektrodo pod praškom: doktorska disertacija. Ljubljana: Fakultetat za strojništvo, 1991.

30. N.N.: Mathematical models for process control. Controle Enginire Europe, 2(2001)5, str. 34-36.

31. N.N.: Untersuchung zum MAG-Mehrdrahtschweiβen. Forchungsbericht der SLV-München, 1994.

32. Rehfeldt D., Polte T.: Investigation on metal transfer in pulsed tandem MAG welding. IIW Doc. 212-967-00.

33. Tušek J.: Material transfer in arc welding with multiple-wire electrode. (članek v pripravi) 34. Slania J.: Use of Fourier transform in analysis of pulsed MAG welding. Welding

International, 11(1997)10, str. 761-764. 35. Subramaniam S, et al: Experimetal approach to selection of pulsing parameters in pulsed

GMAW. Welding Journal, 6(1999)78, str. 166s-172s. 36. Lesnewich A.: MIG welding with pulsed power. WRC Bulletin 170, 1972. 37. Gaddett E.H., Zircher W.E.: New developments in pulsed spray welding. Welding Journal,

49(1970)11, str. 780-787. 38. Agnew S.A., Gaddett E.H.: Introduction to pulsed-spray arc welding. Welding Journal,

45(1966)4, str. 284-289. 39. Lahnsteiner R.: T.I.M.E.-TWIN Verfahren-das Hohleistungs MAG-Schweissen mit zwei

Drahtelektroden. DVS-Berichte 162, 1994, str. 82-84. 40. Dzelnitzki D.: Increasing the deposition volume or the welding speed?-Advantages of

heavy-duty MAG welding. Welding&Cutting, 51(1999)9, str. 556-564. 41. Suban M.: Visokoproduktivno obločno talilno varjenje v različnih zaščitnih medijih.

Magisterska naloga, Ljubljana, 1998. 42. Mita T.: Težave elektroobločne varilne tehnologije. Varilne tehnika 52(2003)1, str. 3-10. 43. Amin M.: Synergic pulse MIG welding. Metal Construction 21(1981)6, str. 349-353. 44. N.N.: Prigodom 40. obljetnice Hrvatskog društva za tehniku zavarivanja. Zavarivanje,

36(1993)3, str. 69-73. 45. Lafebre D.R.J.: Choix et influence, sur les frais de soudage, du gaz de protection dans la cas

du procede MIG/MAG. Lastijdschrift, 51(1995)1, str. 56-61. 46. Rihar G., Köveš A.: Fizika obloka. Ljubljana: Institut za varilstvo, 1986. 47. Lancaster J.F.: The physics of welding. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Paris,

Frankfurt: Pergamon Press, 1986. 48. Hoyaux M.F.: Arc Physics. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 1968. 49. Schellhase M.: Der Schweiβlichtbogen - ein technologisches Werkzeug. Düsseldorf: DVS,

1985. 50. Nestor O.E.: Heat intensity and current density distribution at the anode of high current,

Inert gas arcs. Journal of applied physics, 33(1962)5, str. 1638-1648. 51. Limpel I.: Varjenje v zaščiti CO2. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko SRS, Ljubljana,

1971. 52. Lancaster J.T.: Energy distribution in argon-shielded welding arcs. British welding journal,

9(1954)9, str. 412-418. 53. Lahnsteiner R., Kammerhuber C., Kralj S.: T.I.M.E. - a process whose time is to come.

Zavarivanje, 39(1996)1/2, str. 15-20. 54. Grubič K.: Fizikalna ovisnost stabilnosti procesa o zaštitnom plinu kod MAG zavarivanja.

Zbornik posvetovanja: Dodatni i pomočni materijali za zavarivačke i srodne postupke, Poreč, 1996, str. 117-127.

55. Pomaska H.U.: Guideline for MIG/MAG application. IIW/IIS Doc. XII-B-272-79.


56. N. N.: Classification of metal transfer on arc electric welding processes. Welding in the world, 15(1977)5/6, str. 113-117.

57. Norrish J., Richardson I.F.: Metal transfer mechanisms. Welding & Metal Fabrication, 56(1988)1, str. 17-22.

58. Halmφy E.: Wire melting rate, droplet temperature and effective anode potential. Proceedings of International conference on Arc Physics and Weld Pool Behaviour. London: TWI, 1979, str. 49-57.

59. Paton E.O.: Automatische lichtbogenschweiβung. Halle: VEB Carl Marhold Verlag, 1952. 60. Killing R.: Handbuch der Schweiβverfahren: Teil I: Lichtbogenschweiβverfahren.

Düsseldorf: DVS-Verlag, 1991. 61. Wilson J.L, Claussen G.E., Jackson C.E.: The effect of I2R heating on electrode melting

rate. Welding journal, 35(1956)1, str. 1S-8S. 62. Lesnewich A.: Control of melting rate and metal transfer in gas-shielded metal-arc welding:

Part I - Control of electrode melting rate. Welding Journal, 37(1958)8, str. 343S-353S. 63. Waszink J.H, Van Den Heuvel J.P.M.: Heat Generation and Heat flow in the Filler Metal in

GMA Welding. Welding Journal, 61(1982)8, str. 269S-282S. 64. Stenbacka N., Persson K.A.: Shielding gases for gas metal arc welding. Welding Journal,

68(1989)11, str. 41-47. 65. SIST EN 439: Dodajni materiali za varjenje - Zaščitni plini za obločno varjenje in rezanje

(prevzet standard EN 439:1994 z metodo platnice). 66. Shackleton D.N., Smith A.A.: Standardisation of shielding gas mixtures for MIG/MAG

welding. IIW/IIS Doc. XII-832-84. 67. Stenke V.: Schutzgasauswahl - vom CO2 zum T.I.M.E. Gas. Zbornik posvetovanja:

Dodatni i pomočni materijali za zavarivačke i srodne postupke, Poreč, 1996, str. 101-116. 68. Stenke V.: Besonderheiten und Eigenschaften von Mehrkomponentengase in der

Schweiβtechnik. DVS-Bericte 155, str. 49-54. 69. Wirtz H.: Das Verhalten der Stähle beim Schweiβen, Teil I: Grundalgen, DVS Band 44/I.,

Düsseldorf, 1966. 70. Defize L.F.: Metal transfer in gas-shielded welding arcs. Physics of the welding arc, A

symposium, London, 1962. 71. Yamauchi N., Jackson C.E.: Effects of shielding gases on the wire melting rate. IIW/IIS

Doc. 212-358-76. 72. Killing R. Schutzgase zum Lichtbogenschweiβen - schweiβtechnische eigenschaften. Der

Praktiker, 45(1993)8, str. 448-457. 73. Grubič K.: Pulsno MIG/MAG zavarivanje i njegova primjena. Zavarivanje, 33(1990)4/5, str.

225-238. 74. Becken O.: Handbuch des Schutzgasschweisβens: Teil I: Grundlagen und Anwendung.

Düsseldorf: DVS-Verlag, 1969. 75. Allum C.J.: Metal Transfer in Arc Welding as Varicose insatbility - Part II: Development of

Model for Arc Welding. IIW/IIS Doc. 212-589-84. 76. Smati Z.: Automatic pulsed MIG Welding. Metal Construction, 18(1986)1, str. 38-44. 77. Quintino L., Allum C.J.: Pulsed GMAW: interactions between process parameters - Part I.

Welding and Metal Fabrication, 51(1984)3, str. 85-89. 78. Bengtsson P., Olsson R., Woischitzschlager P.: Rapid processing. Schweisstechnik,

46(1992)1, str. 178. 79. Grollimund H.: Mehr produktivitat mit Rapid processing. Technika, 42(1993)15/16, str. 39-

42. 80. Church J.G., Imaizumi H.: T.I.M.E. process. IIW/IIS Doc. XII-1199-90. 81. Trube S.: MAG-Hochleistungsschweiβen mit dem LINFAST® - Konzept. Publikacija

tovarne LINDE AG 36/97. 82. Zijp J.P., Van Ingen P.A., Ouden G.: Influence of ambient pressure on heat transfer during

GTA welding. Welding and Metal Fabrication, 58(1989)6, str. 203-205.


83. Niles W., Jackson C.E.: Weld thermal efficiency of GTAW process. Welding Journal, 54(1975)1, str. 25s-32s.

84. Rehfeldt D.: Statistical investigation of filler metarials for arc welding. Zbornik posvetovanja: Dodatni i pomočni materijali za zavarivačke i srodne postupke, Poreč, 1996, str. 177-188.

85. Gyergyek L.: Signali in statistične metode. Ljubljana: Fakulteta za elektrotehniko, 1987 86. Tomc J.: Popis toka zaščitnih plinov v šobah pri varjenjih po postopkih MIG/MAG ter TIG.

Varilna tehnika, 51(2002)1, str. 3-10. 87. Tomc J. Hidrodinamična stabilnost taline zvara pri varjenju v zaščitnih plinih. Varilna

tehnika, 50(2001)2, str. 47-54. 88. Bajič B.: Elektrolučno zavarivanje u zaštiti inertnog i aktivnog gasa MIG - MAG. Lendava:

Gorenje-Varstroj, 1981 89. Conn W.M.: Die Technische Physik der Lichtbogenschweissung. Berlin, Göttingen,

Heidelberg: Springer-Verlag, 1959 90. Köveš A.: Varilni stroji. Ljubljana, Institut za varilstvo, 1986 91. N. N.: Classification of metal transfer. IIW/IIS Doc. XII-F-124-71 92. Phillips A.L.: Welding handbook: Vol. 2. New York: American Welding Society, 1969 93. Halmφy E.: Rotating welding arcs. IIW/IIS Doc. 212-558-83 94. Bengtsson P., Ballingall I., Olsson R.: High productivity MIG/MAG welding processes.

Welding & Metal Fabrication, 12(1992)6, str. 226 95. Bengtsson P., Trautrims N.: Produktivität beim Metall-Aktivgasschweiβen steigern - so

geht es. Der Praktiker, 45(1993)8, str. 428-433 96. Banerjee P.K., Verma D.D.N.: Heat Input and High Deposition Rate Welding. Proceedings

of The international welding conference: Vol.II, New Delhi, 1987, str. 875-892 97. N. N.: An update on high deposition rate processes for steel fabrication. Welding Review

8(1989)4, str. 237-238 98. Stekly J.J.K.: Deposition rates: principles and data.Welding Review 8(1989)4, str. 238-240 99. Rehfeldt D., Syfrth J., Uhlig p.W.: Statistical analysis of arc welding processes. IIW/IIS

Doc. 212-511-81 100. Rehfeldt D., Bollmann A., Körbe T., Kost N.: Copmuter-aided control by process

analyzing, monitoring and documentation. IIW/IIS Doc. 212-781-91 101. Schellhase M.: A study of statistical averages for CO2 welding process monitoring. IIW/IIS

Doc. 212-598-82 102. Rehfeldt D.: Meβmethoden zur Untersuchung des Werkstoffüberganges in

Schweiβlichtbogen. DVS-Berichte 42, str. 19-54 103. Ondrejček P.: On boundaries of different metal arc transfer in GMA welding. IIW/IIS Doc.

212-673-87 104. Haidar J., Lowke J.J.: Prediction of Globular and Spray transfer modes for Argon and

Carbon Dioxide. IIW/IIS Doc. 212-911-97 105. Trube S.: High Performance MAG Welding with LINFAST® - Concept. IIW/IIS Doc. XII-

1499-97 106. Grad L., Polajnar I., Kralj V.: Measurement of wire feed rate fluctuations in gas metal arc

welding. IIW/IIS Doc. XII-1495-97 107. Rehfeld D., Rehfeldt M.D.: Measured and Calculated Eletric Power in Arc Welding.

IIW/IIS Doc. 212-914-97 108. Bronštejn I.N., Semendjajev K.A.: Matematični priročnik. Ljubljana: Tehniška založba

Slovenije, 1997 109. Grabec I.: Verjetnost in statistika. Ljubljana: Fakulteta za strojništvo, 1988 110. Kraut B.: Strojarski priručnik. Zagreb: Tehnička knjiga, 1982 111. Koškin N.I., Širkevič M.G.: Priročnik elementarne fizik. Ljubljana: Tehniška založba

Slovenije, 1988 112. Stropnik J.: Priporočila avtorjem študijskih in strokovnih publikacij na Fakulteti za

strojništvo v Ljubljani. Ljubljana: Fakulteta za strojništvo, 1997


113. Tušek J.: Arc deflection caused by magnetic forces-arc blow effect. Rudarsko metalurški zbornik, 43(1996)1-2, str. 99-109.


PRILOGE

PRILOGA 1 IZPIS PROGRAMA V BASIC-U ZA ZAJEMANJE PODATKOV S POMOČJO A/D PRETVORNIKA '//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// '/// FastAVR Basic Compiler for AVR by MICRODESIGN /// '/// Name of Your project VDU_puls by Marjan Suban /// '//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 'SPREMENLJIVKE VDU_PULS: 'Start HARDWARE 'Stop HARDWARE '////////////////////////SISTEMSKI META STAVKI//////////////////////////// $Device= 8535 ' used device $Stack = 28 ' stack depth $Clock = 8 ' adjust for used crystal $Source = On ' basic source in Asm ' VRATA STATUS FUNKCIJA LETEV IZVOR $Def pa0=PINA.0 'PA0 IN Start 1 TIPKA $Def pa1=PINA.1 'PA1 IN IZKLOP 2 TIPKA $Def pa2=PINA.2 'PA2 IN 3 $Def pa3=PINA.3 'PA3 IN 4 $Def pa4=PINA.4 'PA4 IN 5 $Def pa5=PINA.5 'PA5 IN 6 $Def pa6=PINA.6 'PA6 IN 7 $Def pa7=PINA.7 'PA7 IN 8 '$Def Pwm0=PORTD.4 'PC1 OUT PWMHIGH 9 IGBT '$Def Pwm1=PORTD.5 'PC0 OUT PWMLOW 10 IGBT $Def pb0=PORTB.0 'PC0 OUT PWMLOW NA 1 17 MOSFET $Def pb1=PORTB.1 'PC1 OUT PWMHIGH NA 1 18 MOSFET $Def pb2=PORTB.2 'PC2 OUT PWMLOW NA 2 19 MOSFET $Def pb3=PORTB.3 'PC3 OUT PWMHIGH NA 2 20 MOSFET $Def pb4=PORTB.4 'PC4 OUT PWMLOW NA 3 21 MOSFET $Def pb5=PORTB.5 'PC5 OUT PWMHIGH NA 3 22 MOSFET $Def pb6=PORTB.6 'PC6 $Def pb7=PORTB.7 'PC7 $Def pc0=PORTC.0 'PC0 OUT ZICA 1 23 MOSFET $Def pc1=PORTC.1 'PC1 OUT ZICA 2 24 MOSFET $Def pc2=PORTC.2 'PC2 OUT ZICA 3 25 MOSFET $Def pc3=PORTC.3 'PC3 out probacasa 26 osciloskop $Def pc4=PORTC.4 'PC4


$Def pc5=PORTC.5 'PC5 $Def pc6=PORTC.6 'PC6 $Def pc7=PORTC.7 'PC7 '$Timer1=Pwm0, 1, A=Normal '$Timer2=Pwm1, 1, A=Normal '////////////////////////DEKLARACIJE vrat /////////////////////////////// DDRA.0 = 0 'a0 je vhod data direction register A = DDRA DDRA.1 = 0 'a1 je vhod DDRA.2 = 0 'a2 je vhod DDRA.3 = 0 'a3 je vhod DDRA.4 = 0 'a4 je vhod DDRA.5 = 0 'a5 je vhod DDRA.6 = 0 'a6 je vhod DDRA.7 = 0 'a7 je vhod DDRB.0 = 1 'b0 je izhod DDRB.1 = 1 'b1 je izhod DDRB.2 = 1 'b2 je izhod DDRB.3 = 1 'b3 je izhod DDRB.4 = 1 'b4 je izhod DDRB.5 = 1 'b5 je izhod DDRB.6 = 1 'b6 je izhod DDRB.7 = 1 'b7 je izhod DDRC.0 = 1 'c0 je izhod DDRC.1 = 1 'c1 je izhod DDRC.2 = 1 'c2 je izhod DDRC.3 = 1 'c3 je izhod DDRC.4 = 1 'c4 je izhod DDRC.5 = 1 'c5 je izhod DDRC.6 = 1 'c6 je izhod DDRC.7 = 1 'c7 je izhod 'DDRD.4 = 1 'c4 je izhod 'DDRD.5 = 1 'c5 je izhod '////////////////////////DEKLARACIJE spremenljivk/////////////////////// Dim CAS1 As Integer Dim CAS2 As Integer Dim CAS3 As Integer Dim CAS4 As Integer Dim CAS5 As Integer Dim CAS6 As Integer Dim PREDCAS As Integer Dim PREHITE As Integer Dim PROBA As Integer 'VPIS VREDNOSTI (KONSTANTE) : ////////////////////////////////////////// PREHITE = 40 'PREHITEVANJE PRVE ZICE PREDCAS = 100 'PREDCAS CAS1=20 'CAS1 CAS2=40 'CAS2 CAS3=20 'CAS3 CAS4=40 'CAS4 CAS5=20 'CAS5 CAS6=40 'CAS6 PROBA = 1000 'UMERJANJE CASA 'Pwm0=200 'PWMLOW 'Pwm1=400 'PWMHIGH


'POSTAVI zacetno stanje : ////////////////////////////////////////////// zacetek: PC0 = 0 'ZICA 1 STOJI PC1 = 0 'ZICA 2 STOJI PC2 = 0 'ZICA 3 STOJI PB0 = 1 'PWMLOW NA 1 ZAPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 1 'PWMLOW NA 2 ZAPRT PB3 = 1 'PWMLOW NA 2 ZAPRT PB4 = 1 'PWMLOW NA 3 ZAPRT PB5 = 1 'PWMLOW NA 3 ZAPRT BitWait pa0, 1 'CAKAJ START PC3 = 1 WaitMs PROBA PC3 = 0 PC0 = 1 'ZICA 1 TECE WaitMs PREHITE PC1 = 1 'ZICA 2 TECE PC2 = 1 'ZICA 3 TECE WaitMs PREDCAS avtostart: 'preveri zacetno stanje senzorjev: ///////////////////////////////////// If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi ' POSTAVI v prvi korak PRVI VARI DRUGA MIROVNI TOK ====================== PB0 = 1 'PWMLOW NA 1 ZAPRT PB1 = 0 'PWMHIGH NA 1 ODPRT PB2 = 0 'PWMLOW NA 2 ODPRT PB3 = 1 'PWMHIGH NA 2 ZAPRT PB4 = 0 'PWMLOW NA 3 ODPRT PB5 = 1 'PWMHIGH NA 3 ZAPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS1 ' POSTAVI v DRUGI korak VSI MIRUJEJO ====================== PB0 = 0 'PWMLOW NA 1 ODPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 0 'PWMLOW NA 2 ODPRT PB3 = 1 'PWMHIGH NA 2 ZAPRT PB4 = 0 'PWMLOW NA 3 ODPRT PB5 = 1 'PWMHIGH NA 3 ZAPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS2 ' POSTAVI v TRETJI korak DRUGI VARI DRUGA MIROVNI TOK ====================== PB0 = 0 'PWMLOW NA 1 ODPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 1 'PWMLOW NA 2 ZAPRT PB3 = 0 'PWMHIGH NA 2 ODPRT PB4 = 0 'PWMLOW NA 3 ODPRT PB5 = 1 'PWMHIGH NA 3 ZAPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS3 ' POSTAVI v CETRTI korak VSI MIRUJEJO ====================== PB0 = 0 'PWMLOW NA 1 ODPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 0 'PWMLOW NA 2 ODPRT PB3 = 1 'PWMHIGH NA 2 ZAPRT


PB4 = 0 'PWMLOW NA 3 ODPRT PB5 = 1 'PWMHIGH NA 3 ZAPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS4 ' POSTAVI v PETI korak TRETJI VARI DRUGA MIROVNI TOK =================== PB0 = 0 'PWMLOW NA 1 ODPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 0 'PWMLOW NA 2 ODPRT PB3 = 1 'PWMHIGH NA 2 ZAPRT PB4 = 1 'PWMLOW NA 3 ZAPRT PB5 = 0 'PWMHIGH NA 3 ODPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS5 ' POSTAVI v ŠESTI korak VSI MIRUJEJO ====================== PB0 = 0 'PWMLOW NA 1 ODPRT PB1 = 1 'PWMHIGH NA 1 ZAPRT PB2 = 0 'PWMLOW NA 2 ODPRT PB3 = 1 'PWMHIGH NA 2 ZAPRT PB4 = 0 'PWMLOW NA 3 ODPRT PB5 = 1 'PWMHIGH NA 3 ZAPRT If pa1 = 0 Then GoTo zacetek ' preveri tipko izklop in izklopi WaitMs CAS6 GoTo avtostart 'neskoncna zanka


PRILOGA 2

ATMEL

1 2 3 4 5 6 7

8

9

11

10 14 13 12

Vref

+ -22k

1k

760k

1µ

56k

0,1µ

56k1k

+10 µ

10 µ

+

Up3

Up3

Up3

C/10

B/10

A/10

+5 V

1. Napajanje +15 V2. Start/Stop3. Zaščitni plin (vklop/izklop)4. Posamična varjenja5. 6 B/P vhodi6. Pogon žic (3-krat)

3,3k

5,6k

3,3k

5,6k

3,3k

5,6k

10k

10k

10k

Uo3

Uo3

Uo3

C/10

B/10

A/103,3k

5,6k

3,3k

5,6k

3,3k

5,6k

10k

10k

10k

150k

1µ

_

+

_

+10k

10k

1k

OSNOVNAVAR. NAPETOST

PULZNAVAR. NAPETOST

+

KRMILNA KARTICA

PROCESOR

ŽIVLJENJEPIS Avtor se je rodil dne 26.10.1969 v Ljubljani. Osnovno šolo je obiskoval od leta 1976 do 1984 v Ljubljani. Leta 1984 se je vpisal na Srednjo šolo za strojništvo v Ljubljani in jo leta 1988 uspešno zaključil po programu Kovinarstvo in strojništvo, smer Strojni tehnik. Po končanem obveznem služenju vojaškega roka se je leta 1989 vpisal na visokošolski študij strojništva na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Leta 1993 se je prijavil tudi na podiplomsko varilnotehnično specializacijo na Institutu za varilstvo v Ljubljani in leta 1994 pridobil naziv evropski varilski inženir. Leta 1994 je s pridobitvijo strokovnega naslova diplomirani inženir strojništva, smer Proizvodno strojništvo, končal visokošolski študij na Fakulteti za strojnišvo. V tem letu se je tudi prijavil na razpis Ministrstva za znanost in tehnologijo in si s tem kot mladi raziskovalec zagotovil financiranje podiplomskega študija. Kot mladi raziskovalec je sklenil pogodbo o zaposlitvi decembra 1994 z Institutom za varilstvo v Ljubljani. Po končanem magistrskem študiju leta 1998 je delo nadaljeval na Institutu, kot vodja Izobraževalnega centra. Podiplomski študij je nadaljeval z vpisom na doktorski študij. Decembra 2002 ga je poklicna pot pripeljala v Goodyear EPE, kjer je zaposlen kot razvojni tehnolog. V njegovi bibliografiji je navedenih 49 objav, med katerimi je 7 člankov objavljenih v tujih revijah s faktorjem vpliva. Pri reviji s faktorjem vpliva Journal of Materials Processing Technology je tudi strokovni recenzent za področje varilstva.

IZJAVA AVTORJA Doktorska naloga predstavlja rezultate lastnega znanstveno raziskovalnega dela na osnovi sodelovanja z mentorjem izr.prof.dr. Janez Tuškom, univ.dipl.inž. Marjan Suban

Documents

Doktorat PhD Thesis Marjan Suban