POVIJEST ZAVARIVANJA

Većina postupaka zavarivanja otkriven je u ovom vijeku. Samo neki postupci kao što su zavarivanje (spajanje) kovanjem, zavarivanje lijevanjem i lemljenje bili su poznati već u starom vijeku. Zavarivanje metala je vezano za njegovo dobivanje.

Prvo korištenje samorodnog bakra započelo je prije 10000 godina, ali korištenje metala nije bilo šire moguće dok čovjek nije naučio izdvajati metale iz ruda taljenjem.

Prije 7000 godina, oko 5000 godina prije Krista (p.K.) u Perziji i Afganistanu je započelo izdvajanje metala bakra iz ruda - kamena, taljenjem u vatri.

Oko 3800 g. p. K. otkrivena je na srednjem istoku bronca, a kasnije je prenesena vještina njena dobivanja u Kinu, čime je potpomognut procvat kineske civilizacije, posebno za dinastije Čang oko 1500 g.p.K. Bronca je mnogo tvrđa od bakra, pa je bila i korisnija za upotrebu. Talište bakra i bronce je znatno niže od tališta željeza, što olakšava njihovo dobivanje.

Zavarivanje se razvijalo kao sastavni dio vještina kovača, zlatara i ljevača pri izradi oruđa za rad, oružja, posuda, nakita i građevina (ograde, vrata, mostovi, okovi, rešetke na prozorima,...).

Ljevačko zavarivanje se razvilo usporedo s vještinom lijevanja. Krasne tankostijene lijevane vaze iz bronce imaju na sebi i "zavarenih" dijelova. Kasnijim lijevanjem su se spajali razni držači, oslonci i figure na već ranije odliveno osnovno tijelo vaze ili nekog drugog predmeta 1 .

Lemljenje je spajanje taljenjem legure s nižim talištem od materijala predmeta koji se spajaju. Kroz povijest se lemljenje kao tehnika spajanja primjenjivalo na nakitima i figurama.

Željezo se također prvo počelo koristiti samorodno. Izprva se našlo na površini zemlje od meteorita (meteorit je meteor koji stigne do zemlje), pa su ga Sumerani zvali "nebeski metal". Prvi tragovi izdvajanja željeza iz ruda datiraju oko 2500 g. p.K., a do šire primjene dolazi kasnije. Željezno doba odnosno željezni predmeti se počinju nalaziti oko 1500 g.p.K., a prvi zapisi (Herodot) o kovačkom zavarivanju željeza u staroj Grčkoj govore da je zavarivanje korišteno u VI st. p.K., za izradu postolja posuda. Dobivanje čelika počinje oko 1000 g.p.K. u Indiji.

Kovačko zavarivanje. Najbolji mačevi iz čelika u srednjem vijeku bili su rađeni iz niskougljičnog čelika, a na njihove rubove su kovački zavarivane (udarcima čekića u toplom stanju) oštrice (trake) od visokougljičnog čelika (1.0-2.1%C), koje su uz određenu toplinsku obradu davale tvrde, čvrste i oštre bridove. Mačevi, vrhovi strijela i koplja, bodeži i drugo oružje kod kojih su primjenjivali kovačko zavarivanje bili su poznati u Grčkoj, Franačkoj državi, Kini, Japanu, Indoneziji, te u Siriji. Poznata je tehnika spajanja traka iz različitih vrsta željeznih materijala kovanjem kao "damasciranje" (od Damask-Sirija) 2 , a u cilju postizanja posebnih dobrih svojstava za mačeve i puške. I za današnji stadij razvoja tehnike ova tehnologija izrade dijelova iz kompozitnih materijala kovačkim zavarivanjem je interesantna.

Kod kovačkog zavarivanja se krajevi dva dijela koje želimo zavariti - spojiti zagriju u kovačkoj vatri do bijelog usijanja i ako je potrebno pospu određenim prahom (pijeskom) za “čišćenje". Čekićanjem spoja istiskuju se s dodirnih površina rastaljeni oksidi ili troska, te se sučeljavaju čiste metalne površine kada počinju djelovati međuatomske sile dvaju dijelova i dolazi do čvrstog zavarenog spoja.

Razvoj današnjih postupaka zavarivanja 3, 4, 5 i 6

*1802. Petrov istražuje elektrčni luk za opću namjenu; još ne za zavarivanje.

*1856. Joule prvi primjenjuje sučeono elektrootporno zavarivanje žica.

*1882. N.N. Bernardos (Rusija) prvi koristi električni luk između ugljene elektrode i metala kao izvor energije za zavarivanje uz dodavanje žice u metalnu kupku. Kao izvor istosmjerne struje koristio je bateriju galvanskih članaka (akumulatora). Do tada se električni luk izmđu dvije ugljene elektrode koristio za osvjetljenje.

*1888. N.S. Slavjanov (Rusija) je predložio postupak elektrolučnog zavarivanja metalnom elektrodom. Električni luk je uspostavio između metalne elektrode i metalnih predmeta, koji su spajani.

*1894. Sottrand zavaruje prvi puta plinskim plamenom O2+H2. Kasnije se razvija plinsko zavarivanje kisik-acetilenskim (O2+C2H2) plamenom, koje se od 1916. uspješno i široko primjenjuje u industriji.

*1895. Počinje se koristiti aluminotermijsko zavarivanje za zavarivanje tračnica i za popravak odljevaka.

*1907. Oscar Kjelberg (Švedska) prvi patentira i primjenjuje obloženu elektrodu. Obložena se elekroda proizvodila uranjanjem gole žice u otopinu minerala, a od 1936. g. obloga se nanosi ekstrudiranjem. Bazične elektrode su se počele proizvoditi 1940. g.

*1925. Otkriće postupka zavarivanja u zaštitnoj atmosferi vodika "arcatom".

*1930. Počela je primjena automatskog zavarivanja pod praškom - EP u brodogradnji SAD.

*1936. Počela je primjena zavarivanja u zaštitnoj atmosferi He -TIG postupak .

Pred, a posebno poslije drugog svjetskog rata, počinje razvoj i primjena zavarivanja u zaštitnim plinovima TIG (arc-atom s vodikom, te argonarc s argonom ili helijem kao zaštitnim plinom). MIG zavarivanje se počinje primjenjivati 1948. kao Sigma postupak (Shielded Intert Gas Metal Arc), a 1953. u bivšem SSSR se prvi puta primjenjuje MAG postupak s CO2 zaštitnim aktivnim plinom. Hladno zavarivanje pod pritiskom se primjenjuje od 1948.g.

Iza 1950. godine se razvijaju mnogi novi postupci kao što su: zavarivanje pod troskom (1951.), trenjem (1956.), snopom elektrona (1957.), ultrazvukom (1960), laserom (1960.), plazmom u SAD (1961.) i drugi.

Prvo zavarivanje i toplinsko rezanje u svemiru izveli su 16. 10. 1969. u sovjetskom svemirskom brodu "Sojuz 6". Zavarivanje se izvodi i pod vodom (primjenjuju se različite tehnike).

Razvoj zavarivanja u Hrvatskoj

U Hrvatskoj se prije II. svjetskog rata primjenjivalo plinsko zavarivanje, ručno elektrolučno zavarivanje s golim, s jezgrom i dijelom obloženim elektrodama. U to vrijeme su se

odgovorne konstrukcije izvodile uglavnom u zakovanoj izvedbi. To su bile posude pod tlakom, kotlovski bubnjevi, veliki cilindrični rezervoari, nosive čelične konstrukcije, mostovi, vagoni i drugi proizvodi. Bušači rupa za zakovice, zakivači i podbijači, koji su radili u velikoj buci od zakivanja i podbijanja bila su tada važna zanimanja, koja su danas isčezla zajedno sa zakovanim konstrukcijama.

Značajniji razvoj zavarivanja u Hrvatskoj postignut je uoči II. svjetskog rata kada je realizirano nekoliko većih objekata u zavarenoj izvedbi. Među njima je i veliki zavareni cestovni most preko rijeke Save, u produžetku Savske ceste u Zagrebu. To je jedan od prvih većih uspješno zavarenih mostova u svijetu. Izradilo ga je i montiralo poduzeće "?uro Đaković", Slavonski Brod. (tada "Prva jugoslavenska tvornica strojeva mostova i vagona"). Na tom mostu su se zavarivali limovi debljine do 95 mm, čvrstoće 440 MPa, uz predgrijavanje i kontrolu industrijskom radiografijom (Röntgen).

U periodu 1950 - 1960. brzo se napuštaju zakovane konstrukcije, a pored REL postupka postupno se uvode ostali postupci zavarivanja koji se i danas koriste (poluautomatski i automatski postupci).

Složenost rada u području zavarivanja i dalji razvoj. Zavarivanje je interdisciplinarna tehnologija. Za razumjevanje i korištenje ove tehnologije nužna su znanja sa područja:

Znanosti o materijalima i metalurgije (metalurgija zavarivanja), termodinamike (temperaturna polja pri zavarivanju), elektrotehnike (izvori struje, električni luk, spajanje različitih senzori – U, I, zvuk,

svjetlost,…), kemije (metalurški i drugi procesi koji se odvijaju pri zavarivanju), informatike (ekspertni sustavi, različiti proračuni, baze podataka, …) i dr.

Opseg zavarivanja samo na jednom objektu može biti velik. Na primjeru jednog broda tankera nosivosti 82 000 t izgrađenog u našem brodogradilištu zavaruje se 261.6 km kutnih spojeva i 11.6 km sučeonih spojeva. Na postrojenjima velikih termoelektrana ili na nuklearnim elektranama, rafinerijama nafte ima po 10000 do 100000 zavarenih spojeva cijevi pod tlakom. Dovoljno je da samo jedan zavar otkaže (lom, pukotina, poroznost, propuštanje...), pa da dođe do skupog zastoja ili u nepovoljnijem slučaju do katastrofalnog oštećenja s teškim posljedicama za ljude, imovinu i biološku okolinu. Primjer je lom primarnog cjevovoda nuklearne elektrane na mjestu zavarenog spoja. Budući da zavareni spoj može biti najslabije mjesto u konstrukciji, on je najvažniji za istraživanje. "Lanac je toliko jak koliko je jaka najslabija karika lanca".

Termini i definicije

ZAVARIVANJE JE SPAJANJE DVAJU ILI VIŠE, ISTORODNIH ILI RAZNORODNIH MATERIJALA, TALJENJEM ILI PRITISKOM, SA ILI BEZ DODAVANJA DODATNOG MATERIJALA, NA NAČIN DA SE DOBIJE HOMOGEN ZAVARENI SPOJ.

Zavarivač je osposobljen i provjeren radnik za određeni opseg zavarivačkih radova: postupak, materijali (OM,DM), položaj zavarivanja, geometrijske oblike radnog predmeta, (uvjete zavarivanja, npr. arktik, svemir, ...).

Zavareni spoj je cjelina ostvarena zavarivanjem, koja obuhvaća dodirne dijelove zavarenih komada, a karakterizirana je međusobnim položajem zavarenih dijelova i oblikom njihovih zavarenih krajeva.

Zavarljivost je sposobnost materijala, da se pri određenim povoljnim uvjetima zavarivanja ostvari kontinuirani zavareni spoj, koji će svojstvima udovoljiti predviđenim uvjetima i vijeku eksploatacije.

Navarivanje je nanošenje dodatnog materijala na određenu površinu u cilju dobivanja sloja željenih dimenzija i svojstava.

Zona taljenja - ZT (zavar, navar, šav) je dio površine poprečnog presjeka zavarenog spoja koji je bio rastaljen. Sastoji se najčešće od mješavine OM i DM, ali ponekad samo od DM (lemljenje) ili samo od OM (zavarivanje bez DM).

Zona utjecaja topline - ZUT (prelazna zona) je onaj dio OM (uz ZT) koji se nije rastalio, ali čija su se mikrostruktura i svojstva izmjenili pod utjecajem topline zavarivanja (lemljenja ili toplinskog rezanja).

Predgrijavanje. Zagrijavanje neposredno prije zavarivanja u zoni OM gdje će se zavarivati, lemiti ili toplinski rezati. Potrebno je propisati minimalno potrebnu temperaturu predgrijavanja To s tolerancijama (To min, To max). Temperatura predgrijavanja se najčešće mora održavati sve do završetka zavarivanja.

Metalna kupka (kupka) je volumen rastaljenog metala u trenutku zavarivanja.

Prolaz je depozit (rastaljeni metal) ostvaren u jednom prolazu elektrodom kod ručnog zavarivanja ili automatom kod automatskog zavarivanja.

Sloj se sastoji od više paralelnih prolaza.

Osnovni materijal - OM je materijal koji se zavaruje, lemi ili reže.

Dodatni materijal - DM je materijal koji se dodaje u zoni taljenja pri zavarivanju, lemljenju ili nabrizgavanju.

Automatsko zavarivanje se ostvaruje opremom kod koje se operacija zavarivanja provodi bez ručnog podešavanja komandama operatora (zavarivača).

Poluautomatsko zavarivanje se ostvaruje opremom kod koje se automatski upravlja dodavanjem DM, a brzinom zavarivanja se upravlja ručno.

Kratice

DM - dodatni materijalEP - elektrolučno zavarivanje pod praškomEPT - elektrozavarivanje pod troskomIIW - International Institute of WeldingKBR - Kontrola bez razaranja MIG/MAG - elektrolučno zavarivanje u zaštiti inertnog/aktivnog plina (Metal Inert  Gas/Metal Active Gas) taljivom metalnom ektrodom MIZ - Međunarodni institut za zavarivanje = IWWOM - osnovni materijalREL - ručno elektrolučno zavarivanjeTIG - elektrolučno zavarivanje netaljivom (volfram) elektrodom u zaštiti inertnog plina (Tungsten Inert Gas) ZT - zona taljenjaZUT - zona utjecaja topline

HRVATSKI ENGLESKI NJEMAČKI

Zavarivanje Welding

Schweissen, das

Schweissung, die

Zavarivač Welder Schweisser, der

Zavarljivost Weldability Schweissbarkeit, die

Zavareni spoj Welded joint Weld

Schweissverbindung, die

Schweissnaht, der

Zona utjecaja topline ZUT Heat Affected Zone-HAZ Wärmebeinflusste Zone- WEZ, die

Zona taljenja Fusion Zone, Weld Metal-WM Schweissgut, der

Osnovni materijal OM Base metal BM Grundwerkstoff, der

Dodatni materijal - DM Filler Metal-FM Zusatzwerkstoff, der

Navarivanje Cladding, Build -up Auftragschweissen, das

Predgrijavanje Preheating Vorwärmen, das

Metalurgija zavarivanja: pojam, opseg, specifičnosti.

Širi pojam metalurgije obuhvaća znanost i vještinu izdvajanja metala iz njihovih ruda, te pripremu metala za korištenje.

Procesna metalurgija obuhvaća izdvajanje metala, pročišćavanje, legiranje, lijevanje, oblikovanje, toplinsku obradu i spajenje metala, da bi se dobio poluproizvod ili gotov proizvod, dok fizikalna metalurgija obuhvaća kristalografiju, mehanička ispitivanja, određivanje fizikalnih karakteristika, metalografiju i mnoge druge znanstvene oblasti, koje primjenjujemo pri ispitivanju metala odnosno proizvoda iz metala.

Metalurgija zavarivanja obuhvaća i procesnu i fizikalnu metalurgiju.

Napredak zavarivanja u svijetu ili, ako se uže gleda, u nekom poduzeću, mnogo zavisi o praktičnoj primjeni metalurgije zavarivanja. Zašto brzo hlađenje štetno djeluje na niskolegirane ćelike, a povoljno na austenitne CrNi nerđajuće čelike, kako nastaju i kako se spriječaju razne greške zavarenih spojeva, napr. pukotine, te druge pojave objašnjavaju se znanjima metalurgije zavarivanja. Ova znanja osim zavarivanja pomažu i drugim srodnim (toplinsko rezanje i žljebljenje, lemljenje, nabrizgavanja) i vezanim tehnologijama (oblikovanje, deformiranje, toplinska obrada, obrada odvajanjem čestica, zaštita od korozije, kontrolne operacije).

Specifičnosti kod zavarivanja taljenjem, lemljenja, nabrizgavanja i toplinskih rezanja.

Posebnost kod većine postupaka zavarivanja u odnosu na ostale proizvodne postupke predstavljaju vremenski brze promjene temperature (i preko 1000 oC/s), te lokalno unošenje topline nekim izvorom topline. Lokalne temperature se kreću od temperature iznad tališta i vrelišta metala, pa sve do temperature okoline, a ponekad i ispod 0 oC, za slučajeve posebnih obrada kaljenjem. Navedeni uvjeti uzrokuju lokalna istezanja i stezanja (deformacije, napetosti), kemijske reakcije između rastaljenog metala i okoline (troske, atmosfere), različitu rastvorljivost među elementima i među fazama, te difuzijske procese. Posljedica temperaturnih promjena kod zavarivanja je neujednačena mikrostruktura presjeka zavarenog spoja uz prisustvo trajnih deformacija i zaostalih napetosti.

Iz navedenog proizilazi, da zavarivanje znatno utječe na promjene kemijskog sastava (ZT) i strukture (ZT i ZUT), a time obično dolazi do pogoršavanja mehaničkih, antikorozijskih i ostalih svojstava zavarenog spoja.

Kod lemljenja i nabrizgavanja ne dolazi do taljenja osnovnog materijala, veća samo lema kod lemljenja i dodatnog materijala za nabrizgavanje. Ukoliko se raspolaže odgovarajućim

dodatnim materijalaom, te uz odgovarajuću tehnologiju lemljenja i nabacivanja, može se dobiti kvalitetan spoj lemljenjem, odnosno nabacivanjem. Pored pripreme površine (odmašćivanje) koja je značajna sa stajališta efekta “adhezijskih sila” kod lemljenja je značajno i konstrukcijsko oblikovanje detalja spoja (poželjna veća površina spoja, omogućiti efekt “kapilarnosti”). Sam lem mora dobro kvasiti površinu, što je uz prethodno navedeno preduvjet za dobivanje kvalitetnog spoja lemljenjem. Temperature su kod lemljenja reda veličine do 450 oC (tzv. meko lemljenje), odnosno do 650 oC (tzv. tvrdo lemljenje).

Kod nabrizgavanja su temperature na površini materijala koji se tretira ovom tehnologijom reda veličine 300 oC. Nabrizgani sloj najčešće ima zadatak da sam sebe nosi, no ponekad podnosi i određena naprezanja (napr. istrošene osovine na mjestu kliznog ležaja). Priprema površine (pjeskarenje, sačmarenje, tokarenje, ...) treba osigurati efekt “mehaničkog sidrenja” kod nabrizgavanja.

Toplinska rezanja (plinskim plamenom, elektrolučno arc-air postupkom, plazmom, laserom, elektronskim mlazom) daje vrlo usku zonu utjecaja topline. Različita istraživanja su pokazala da ona nema značajniji utjecaj kod zavarivanja (ta se zona ponovno pretaljuje pri zavarivanju i ulazi u zonu taljenja zavara). Obično se radi o zoni utjecaja toline širine oko 1 mm (kod plinskog rezanja), odnosno nekoliko desetinki milimetra (kod lasera i plazme).

Zone zavarenog spoja (Z): zona taljenja (ZT), zona utjecaja topline (ZUT).

Zavareni spoj (Z) se sastoji od zone taljenja ZT i zone utjecaja topline ZUT (ZUT se naziva i "prelazna zona").

Zona taljenja (ZT) je onaj dio zavarenog spoja koji je za vrijeme zavarivanja bio rastaljen i u kojem je došlo do pojave kristalizacije i do skrućavanja. Može se sastojati od samo osnovnog materijala ili mješavine osnovnog i dodatnog materijala.

Zona utjecaja topline (ZUT) je dio osnovnog materijala, koji se nalazi neposredno uz rastaljenu zonu, a gdje dolazi do promjene kristalne strukture i mehaničkih svojstava zbog topline unešene zavarivanjem.

Zona taljenja

U kapljicama rastaljenog metala i kupki zavara dolazi do sličnih pojava kao pri proizvodnji - taljenju metala u pećima. Javlja se međusobno djelovanje rastaljenog metala, troske i okolne atmosfere. Djelovanjem izvora topline dolazi do izgaranja pojedinih elemenata: C, Mn, Si, Cr, Ni, Ti i drugih ili je pak moguće iz troske (obloga elektrode, prah) dolegirati rastaljeni metal raznim elementima. Zbog utjecaja atmosfere oko rastaljenog metala i sastava rastaljenog metala dolazi u većoj ili manjoj mjeri do stavaranja oksida, nitrida, karbida, karbonitrida, sulfida, eutektika, intermetalnih spojeva i drugih faza. Metalna kupka se može sastojati samo od osnovnog materijala, ako ne koristimo dodatni materijal, ili najčešće, od mješavine dodatnog i osnovnog materijala, jer pri zavarivanju dolazi do taljenja rubova koje zavarujemo. Kod lemljenja ZT se sastoji samo od dodatnog materijala.

Kasnije dolazi do kristalizacije - skrućavanja kupke i taj dio spoja nazivamo zona taljenja. Daljim hlađenjem u ZT, ovisno o vrsti metala, može doći do strukturnih promjena, izlučivanja različitih faza i pojave grešaka (pore, pukotine).

Konačni kemijski sastav i kristalna struktura ZT moraju se naći u određenim granicama kao napr. kod lijevanog čelika, da bismo postigli određena mehanička, antikorozijska i eventualno neka druga svojstva.

Kod zavarivanja pod pritiskom do spajanja dolazi difuzijom pored koje se može javiti i kristalizacija, ali taljenje u principu nije potrebno.

U ZT kod zavarivanja u više prolaza pojavit će se pojedine zone utjecaja topline oko svakog prolaza.

Karakteristike zone taljenja u različitim zavarenim spojevima

Zavar u jednom prolazu

Rast stubastih kristala je okomit na rubove, koji se zavaruju. Sredina se zadnja skrućuje. Ako postoje nečistoće u čeliku, napr. sumpor, postoji sklonost vrućim pukotinama u sredini zavara.

Povoljniji smjer kristalizacije, jer se kristali ne sukobljavaju u sredini zavara, gdje se mogu javiti vruće pukotine.

Kutni zavar zavaren CO2 ili EPP.

Zbog duboke penetracije ZT sadrži veliki dio rastaljenog OM, koji ima više nečistoća, nego DM. Nepovoljan je smjer kristalizacije, pa je moguća pojava vrućih pukotina.

   

 

Kutni zavar zavaren REL obloženom elektrodom zbog manje penetracije u OM daje manje miješanje DM sa OM i povoljniji smjer kristala.

 

 

Zavar iz više prolaza. Svaki prolaz ima svoju ZT i ZUT.

Šrafirana je ZUT samo za prolaze br.5 i 6. Cjelokupna zona taljenja "X" zavara sastoji se od više ZT i ZUT. Svaki slijedeći prolaz odžaruje prolaz ispod. Zadnji prolazi 4 i 8 ostaju neodžareni.

Slijed polaganja prolaza. Ako se želi izbjeći da nakon zavarivanja u ZUT na osnovnom materijalu ostane tvrda zakaljena struktura, tada slijed polaganja zavara treba tako planirati da zakaljene ZUT na OM budu odžarene (popuštene), bliskim zavarima, a to postižemo preklopom 1-3 mm.

Šrafiranu zakaljenu zonu u OM visokočvrstog čelika treba popustiti-odžariti. Da bi se ostvarilo popuštanje potreban je preklop 1 - 3 mm.

 

Poseban prolaz za odžarivanje (engl. temper bead). Na slici "f" zadnji prolaz 6 ostaje neodžaren. Ako je u zadnjem prolazu i njegovoj ZUT došlo dovoljno brzim hlađenjem do stvaranja martenzitne strukture, tada se može dodati još jedan (ili više posebanih prolaza), napr br. 7 koji će odžariti-popustiti martenzit i dobit će se u zavarima ispod zavara 7 struktura popuštenog martenzita. Prolaz 7, koji je neodžaren, obično brušenjem kasnije odstranimo. Ovakovo "odžarivanje" zavara se ponekad primjenjuje za jače zakaljive čelike, kada je drugi način odžarivanja (popuštanja tvrdoće) teže provesti. Napr. na montažnim zavarima cjevovoda, ako nema mogućnosti odžarivanja nekom standardnom metodom lokalnog odžarivanja: indukcijski, elektrootporno ili plinskim plamenikom.

U ZT je samo OM ili samo DM

Zavarivanjem snopom elektrona i nekim drugim načinima (TIG, plazma) moguće je zavarivati bez DM. ZT se sastoji samo od DM.

Kod lemljenih spojeva ZT se sastoji samo od dodatnog materijala (DM).

 

 

Zavarivanje dva raznorodna materijala se ponekad izvodi trećom vrstom dodatnog materijala, pa je tada ZT mješavina tri vrste materijala, a sastav ZT je četvrtog sastava. U pojedinim prolazima se javljaju razni udjeli pri mješanju OM i DM, pa će kemijski sastav i strukture biti različite.

Utjecaj koeficijenta oblika b/h na svojstva ZT

Pri EPP zavarivanju karakter izvora topline omogućava postizanje dubokopenetrirajućeg oblika zavara s koeficijentom oblika b/h = 0,7. Ovakav oblik nije povoljan zbog smanjenja otpornosti metala kristalizacijskim pukotinama i smanjenja udarne žilavosti. Potrebno je tako odabrati parametre zavarivanja (U, I, v), da se dobije koeficjent oblika ZT b/h = 1,3 - 3,0, približno polukrug. Na slici uz ovaj tekst je prikazan dijagram utjecaja odnosa b/h na pojavu kristalizacijskih pukotina kod EP zavarivanja za nelegirani čelik. Pored sadržaja C na pojavu kristalizacijskih pukotina utječu i S i P, koji nisu obuhvaćeni dijagramom. Iako su podaci za sliku dobiveni na temelju ispitivanja kod EPP zavarivanja, slični rezultati će se dobiti i za ostale postupke zavarivanja.

Pogled odozgo na kupku pri zavarivanju prikazuje smjer rasta kristala. Kristali su u svakom trenutku okomiti na liniju izoterme. Oblik izoterme tališta je različit i ovisi o temperaturnom polju.

Iz izloženog se mogu uočiti sljedeće pojave u ZT:

izgaranje i dolegiranje elemenata,

pojava nepoželjnih spojeva,

rafiniranje i dezoksidacija kupke,

miješanje OM i DM,

smjer orijentiranosti kristala ovisno o smjeru odvođenja topline,

broj prolaza, koji utječe na miješanje OM i DM i "odžarivanje" (više ZUT u ZT),

zaostale napetosti i trajne deformacije,

moguće nehomogernosti - greške ZT (pukotine, poroznosti, troska ),

brzo ili sporo hlađenje koje može štetno utjecati zbog zakaljivanja pri brzom ili zbog porasta zrna i izlučivanja raznih nepoželjnih faza pri sporom hlađenju.

Zona utjecaja topline - ZUT

ZUT teorijski obuhvaća područje OM, u kojem se OM nije talio za zavarivanja, ali u kojem je došlo do promjene mikrostrukture, mehaničkih, korozijskih ili drugih svojstava zbog unošenja topline zavarivanjem, lemljenjem ili termičkim rezanjem.

Izrazite promjene strukture kod dovoljno sporog hlađenja za nelegirani čelik su iznad A1 (723 oC) pa se meme na makro izbrusku lako uočiti ZUT (temperature izme|u Ac1 i tališta). Ova zona će dati drugačiji refleks svjetlosti u odnosu na osnovni materijal, jer je u toj zoni došlo do promjene veličine zrna, usmjerenja zrna i strukture.

Za one poboljšane čelike, koji se kale i popuštaju pri relativno niskim temperaturama, napr. na 300 oC, bilo kakovo grijanje iznad 300 oC će uzrokovati bitne promjene svojstava OM (dobit će se niža čvrstoća), pa će ZUT obuhvatiti zonu zagrijavanu na temperature 300 do 1500 oC. Širina ZUT ovisi o toplinskom inputu i iznosi najčešće 2 - 8 mm.

Za Al - legure, koje se toplinski obrađuju na 120 oC, ZUT će obuhvatiti područje, koje je bilo zagrijavano na temperature 120 oC do tališta.

Zone zavara za čelik s 0,2 % C

Čelik s 0,2 % C zavaren taljenjem sastoji se os ZT i ZUT-a. ZUT teorijski obuhvaća područje OM, u kojem se OM nije talio za zavarivanja, ali u kojem je došlo do promjene mikrostrukture, mehaničkih, korozijskih ili drugih svojstava zbog unošenja topline zavarivanjem, lemljenjem ili termičkim rezanjem.

Izrazite promjene strukture kod dovoljno sporog hlađenja za nelegirani čelik su iznad A1 (723 oC) pa ćemo na makro izbrusku lako uočiti ZUT (temperature između Ac1 i tališta). Ova zona će dati drugačiji refleks svjetlosti u odnosu na osnovni materijal, jer je u toj zoni došlo do promjene veličine zrna, usmjerenja zrna i strukture.

Za one poboljšane čelike, koji se kale i popuštaju pri relativno niskim temperaturama, napr. na 300 oC, bilo kakovo grijanje iznad 300 oC će uzrokovati bitne promjene svojstava OM (dobit će se niža čvrstoću), pa će ZUT obuhvatiti zonu zagrijavanu na temperature 300 do 1500 oC. Širina ZUT ovisi o toplinskom inputu i iznosi najčešće 2 - 8 mm.

Za Al - legure, koje se toplinski obrađuju na 120 oC, ZUT će obuhvatiti područje, koje je bilo zagrijavano na temperature 120 oC do tališta.

                 

Utjecaj unosa topline na strukturu zavarenog spoja za ugljični čelik s 0.2 % C

Zone unutar ZUT zavarenog spoja nelegiranog niskougljičnog feritno-perlitnog čelika s 0.2 % C

Zona taljenja obuhvaća točke zavarenog spoja, koje su bile iznad likvidus linije, tj. koje su pri zavarivanju bile potpuno rastaljene. Za ohlađivanja dolazi do kristalizacije, koja će dati strukturu različitu od strukture osnovnog materijala. Pojava klica i rast kristala ovisit će o

pothlađivanju rastaljenog metala. Obično kristali rastu okomito na rubove spoja, a sukobljavaju se u sredini, stvarajući zonu segregacija nečistoća s nižim talištem, koja može uzrokovati vruće pukotine ili biti slabo mjesto pri opterećenju.

Djelomično rastaljena zona (između solidusa i likvidusa). Bogata je legirnim elementima i nečistoćama, jer imaju nižu točku taljenja, a sadrži i plinove. Lokalno povišen sadržaj nečistoća kod brzog hlađenja nakon zavarivanja ne može se difuzijom izjednačiti sa okolinom, pa ostaje mreža otvrdnutih segregiranih nečistoća (submikroskopskih dimenzija).

Pri ovako visokim temperaturama dolazi i do taljenja ostalih nemetalnih faza (sulfidi, fosfidi, oksidi), čime metalna veza slabi i omogućuje pojavu vrućih pukotina.

Zona pregrijanja se nalazi ispod solidus točke i dosta iznad Ac3 (1100-1150 oC). Dolazi do porasta - pogrubljenja zrna austenita, koja pri brzom hlađenju prelaze u Widmannstaettenovu strukturu, koja je nešto tvrđa i krhkija nego što je poželjno. U slučaju da se pojavi Widmannstaettenova struktura u čeliku, tada možemo ponovo postići fino zrno i žilavu feritno-perlitnu strukturu normalizacijom, tj. zagrijavanjem nešto iznad Ac3 i relativno sporim hlađenjem. Na taj način usitnjavamo zrna pri zagrijavanju, pri prelasku granica transformacija (Ac1 i Ac3) i ponovo pri hlađenju (Ar3 i Ar1).

Zona normalizacije se nalazi nešto iznad Ac3. Struktura je finozrnata, normalizirana i obično posjeduje bolja svojstva od osnovnog materijala. Ovdje je zagrijavanjem došlo do pune transformacije ferita i perlita u austenit, a za hlađenja dolazi ponovno do transformacije u perlit i ferit stvaranjem klica i njihovim rastom u vrlo finu feritno-perlitnu strukturu.

Ako je čelik zakaljiv, tada u ovoj zoni kao i u ostalim zonama zagrijanim iznad Ac3 može doći do zakaljivanja, a u krajnjem slučaju do 100% strukture martenzita, što ovisi o brzini hlađenja i sastavu čelika. Izbjegavanje zakaljivanja se može postići podgrijavanjem ili unošenjem veće količine topline zavarivanjem (većim inputom). Kod višeslojnog zavarivanja svaki naredni sloj odžari-normalizira, bar djelomično sloj ispod, što povoljno djeluje na nosivost spoja. Zavari u jednom prolazu imaju relativno grubu kristalnu strukturu.

Zona djelomične prekristalizacije

U područjima gdje je maksimalna temperatura bila između Ac1 i Ac3 (preko 723 oC i preko 875 oC za čelik s 0,2% C) dolazi do strukturnih promjena. Originalna strukturu osnovnog materijala je feritno-perlitna. Feritna zrna su označena s F, a perlitna s P.

Kada se metal zagrijava iznad Ac3, perlitna zrna se pretvaraju u austenitna, sa istim sadržajem ugljika, kako je to prikazano na doljnjoj slici b, gdje je austenit označen slovom A.

Daljnjim povišenjem temperature ometamo stanje ravnoteže između ferita i austenita. Austenitna zrna rastu na račun feritnih, a sadržaj ugljika u austenitu se smanjuje. Isprekidana linija na doljnjoj slici b prikazuje način na koji austenitna zrna rastu na račun feritnih. U ovoj zoni gdje maksimalna temperatura nije dosegla temperaturu A3, samo dio ferita se transformira. Nastala zrna austenita su veća nego početna perlitna zrna.

Za vrijeme ohlađivanja ponovo se ometa ravnoteža između ferita i austenita. Kao rezultat toga dolazi do stvaranja klica ferita unutar austenita, ponajviše na granicama zrna, ali također i unutar austenitnih zrna (slika c). Kako se nastavlja sa hlađenjem, ove klice nastavljaju rastom, pa ostali austenit postaje zbog toga obogaćen ugljikom. Kada temperatura padne na Ar1 temperaturu, preostali austenit se pretvara u perlit pojavom klica perlita i daljim porastom zrna perlita.

                   

Struktura zone djelomične prekristalizacije: a i b - pri zagrijavanju c i d - pri sporom hlađenju

Kao rezultat kompletnog temperaturnog ciklusa zagrijavanja i dovoljno sporog hlađenja originalna feritna zrna su se smanjila, a originalna perlitna zrna su zamijenjena novim

kolonijama, koje su veće, a sastoje se od malih feritnih i perlitnih zrna, (slika d). Ovakova heterogena struktura sastavljena od jako sitnih i relativno krupnih zrna nema dobra mehanička svojstva. Kod većih brzina hlađenja u ovoj zoni se mogu javiti vrlo tvrda mjesta vrlo visoke tvrdoće (napr. 847 HV), kako je objašnjeno na sljedećoj slici koja prikazuje strukturne promjene koje se događaju u ovom dijelu prelazne zone, ako se ona brzo hladi. Razmatran je obični ugljični čelik s niskim sadržajem ugljika, x% C.

Struktura zone djelomične prekristalizacije pri brzom hlađenju. Nastala austenitna zrna s koncentracijom “y” oko 0,7 %C, ako se brzo hlade, pretvorit će se u martenzit, iako je sadržaj C vrlo nizak, oko 0.15 %.

Pri sobnoj temperaturi, prije zavarivanja prisutna je uglavnom feritna struktura s malo perlita. Kada se zagrijava na Ac1 perlit se transformira u austenit istog sadržaja ugljika, kakav ima perlit (0,8%).

Tamo gdje je maksimalna temperatura nešto iznad Ac1 temperature, samo mali dio ferita se transformira i sadržaj ugljika u austenitu biva visok. Sadržaj ugljika (y) austenita može se očitavati direktno iz ravnotežnog dijagrama za različite maksimalne temperature.

Na prethodnoj slici prikazan je nastali austenit, koji ima tendenciju da se širi uzduž granica zrna ferita. Austenit s velikim sadržajem ugljika ima nižu kritičnu brzinu hlađenja od austenita s nižim sadržajem ugljika, koji se nalazi u zoni gdje je došlo do potpune transformacije austenita. Ako se brzo hladi, tada austenit između feritnih zrna može biti pretvoren u martenzit, a može se naći i rasprostranjen uzduž granica zrna kao mreža visokougljičnog martenzita između feritnih zrna.

Ovaj martenzit, zbog visokog sadržaja ugljika, bit će veoma tvrd i krhak, a stoga će i struktura u cijelosti biti krhka, čak i onda ako je ukupni sadržaj ugljika u čeliku veoma nizak.

Područja ispod A1- obuhvaćaju zonu rekristalizacije i zonu plavog loma. Osnovna feritno-perlitna struktura se ovdje ne mijenja, no dolazi do pojava izlučivanja nekih faza ili popuštanja kod poboljšanih ili zakaljenih čelika. Također je moguća koagulacija nekih faza uključujući i perlit.

Ako je područje zavarenog spoja bilo prethodno hladno deformirano, može doći u ovoj zoni do rekristalizacije s pojavom grubog zrna.

Ispod 400 oC može doći do starenja, ako je prethodno bilo hladnih deformacija, a i pri samom zavarivanju dolazi do plastičnih deformacija, pa starenje može uzrokovati krhkost. Kod čelika sklonih starenju, u zoni 200 - 400 oC doći će do znatnog pada udarne žilavosti.

Zone zavarenog spoja na metalima, koji ne mijenjaju kristalnu rešetku

Kod metala kod kojih postoji samo jedna stabilna faza u krutom stanju, doći će samo do povećanja zrna u ZUT, ukoliko materijal nije bio hladno deformiran prije zavarivanja. Ovo je

shematski prikazano na slici a. Ovakav slučaj javlja se u zavarima čistih metala, kao napr. kod aluminija i bakra, te kod feritnih čelika (16-30%Cr). Kod hladno deformiranih metala, napr.valjanih limova, do rekristalizacije dolazi tamo gdje je temperatura dosegla nešto iznad temperature rekristalizacije za određeni metal i stupanj deformacije.

Tamo gdje temeperatura upravo dosegne temperaturu rekristalizacije, stvaraju se mala zrna, ali se veličina zrna povećava na mjestima gdje su temperature više. Shematski je rekristalizacija prikazana na slici b za slučaj metala samo s jednom stabilnom fazom u krutom stanju.

Slika c prikazuje zavar čistog željeza koje je bilo hladno deformirano. Kako čisto željezo ima dvije stabilne faze u krutom stanju, željezo iznad 910 oC i željezo ispod ove temperature, to će zone transformacije biti bliže zavaru uz postojanje i zone rekristalizacije. U tom dijelu prelazne zone, gdje maksimalna temperatura prelazi 910 oC, rekristalizirana zrna pretvaraju se u željezo pri zagrijavanju, a pri hlađenju željezo se ponovo pretvara u željezo. Gdje maksimalna temperatura upravo prelazi 910 oC, stvorena zrna nakon dvostruke transformacije su vrlo fina, ali neposredno uz liniju taljenja dolazi do porasta zrna javljaju se povećana zrna, koja se transformiraju u relativno velika zrna pri hlađenju. U ZT se stvaraju za skrućivanja stubasta zrna, a ova se dalje pretvaraju u zrna pri hlađenju, što uzrokuje sitniju strukturu. Međutim, obično će zrna imati relativno veliku dimenziju i nešto izduženi oblik kao i originalna zrna.

Gdje god dolazi do zavarivanja na metalu koji je bio hladno deformiran, tvrdoća i zatezna čvrstoća rekristalizirane zone osnovnog materijala se smanjuju kao rezultat neutralizacije otvrdnjavanja koje je nastalo hladnom deformacijom.

 Treba napomenuti, da se povišena čvrstoća kod nekih legura, koja se postiže nekim postupkom izlučivanja faza, obično smanjuje u ZUT. Često se hladno valjani limovi, ili limovi koji su bili očvršćivani starenjem, izabiru zbog povećane čvrstoće, no moramo biti svjesni, da u ZUT čvrstoća obično neće biti bolja od čvrstoće metala u odžarenom stanju.

Zone zavarenog spoja iz poboljšanog čelika (slika d)

Sa slike d uočavaju se tri bitne zone:

1. zona grubog zrna,

2. zona sitnog (finog) zrna i

3. zona popuštanja.

Zona grubog zrna

Zbog visokih temperatura koje doseže materijal uz granicu taljenja dolazi do povećanja zrna austenita. Također, u ovoj zoni dolazi do rastvaranja - otapanja u krutom nekih elemenata ako su prisutni kao napr. Ti, V i Nb, da bi se ponovo izlučili pri hlađenju. Zbog ovih pojava u ovoj zoni može doći do nepovoljnog smanjenja udarne žilavosti. Ako je bio korišten nizak toplinski input, u ovoj zoni će se javiti nakon hlađenja zavara martenzit i donji bainit. Viši toplinski input će rezultirati u grubljoj strukturi bainita i ferita uz smanjenje udarne žilavosti.

Zona finog zrna

Osnovni materijal, koji je strukture popuštenog martenzita, u ovoj se zoni transformira u strukturu ferita i perlita koja je metalurški slična normaliziranoj strukturi, s dobrom udarnom žilavosti.

Zona između A1 i A3 se sastoji od sorbita i troostita (trostita).

Zona popuštanja

Ova zona može biti mekša - niže čvrstoće i granice razvlačenja od OM ako koristimo velike toplinske inpute. Ova zona ima dobru udarnu žilavost.

U kojem će iznosu doći do pada čvrstoće i granice razvlačenja u ZUT poboljšanog čelika ovisi o toplinskom inputu pri zavarivanju. Ako je toplinski input prenizak, tada će čvrstoća i granica razvlačenja biti viša, a žilavost u ZUT niža u odnosu na OM.

Zahtjevi koje mora zadovoljiti izvor energije za zavarivanje taljenjem. Izvor mora:

1. Djelovati lokalno na određenu površinu ili volumen radnog komada, koji se zavaruje.

2. Snaga izvora P W mora biti dovoljna da lokalno zagrije određenu zonu do zahtijevane temperature, te da kompenzira toplinske gubitke odvođenja topline u okolni hladni materijal i gubitke konvekcijom i radijacijom u okolinu.

3. Gustoća toka energije na površinu zavarivanog predmeta q2 mora prekoračiti određenu vrijednost ovisno o obliku, dimenzijama i fizikalnim svojstvima predmeta, koji se zavaruje, da bi došlo do taljenja odnosno zavarivanja.

Prema obliku energije koja se koristi za zavarivanje izvore energije može se podijeliti na:

1. električne,

2. kemijske,

3. mehaničke,

4. difuzijske i

5. optičke.

Sam oblik korištene energije nije bitan za dovođenje materijala u stanje za zavarivanje, već gustoća toka energije. Kod zavarivanja dolazi do pretvorbe energije iz jednog oblika u drugi.

Prema gustoći toka energije na mjestu zavarivanja, izvore može se podijeliti na izvore s:

1. Visokom gustoćom, koji tale i isparavaju materijal (više od 102 do 104 )

2. Normalnom gustoćom, koji tale materijal (10-1 do 102 ) odnosno ostvaruju zavareni spoj taljenjem.

3. Niskom gustoćom, koji dovode materijal u zagrijano stanje kada je difuzija olakšana, ali ne

tale materijal                              (ispod 10-1 ).

Vrste koncentriranih izvora energije - obzirom na fizikalni karakter izvora:

1. Mlaz vrućih plinova: plinski plamen i mlaz plazme. Izmjena energije s površinom zagrijavanog tijela vrši se uglavnom konvekcijom.

2. Električni luk između vanjske elektrode (taljive ili netaljive) i zagrijavanog područja (kruga grijanja) na površini zagrijavanog tijela. Energija se prenosi na predmet direktno udarom elektrona (pretvorbom kinetičke energije u toplinsku), konvekcijom i radijacijom topline iz električnog luka, te prijenosom topline kapljicama materijala.

3. Tok nabijenih čestica ubrzanih u električnom polju: mlaz elektrona ili iona u vakuumu. Energija se generira udarom čestica u tijelo.

4. Tokovi zračenja - optički izvori: sunčano zračenje, laser (snop zračenja optičkog kvantnog generatora), zračenje tijela visoke temperature i drugi.

5. Električna struja na kontaktnim površinama uzrokuje zagrijavanje tih površina kod elektrootpornog zagrijavanja, a ista pojava se javlja i pri prolazu inducirane struje visoke frekvencije kod VF zavarivanja, te prolaskom struje kroz rastaljenu trosku kod EPT zavarivanja. U svim ovim slučajevima stvara se Jouleova toplina ili na kontaktnim površinama zbog povećanog električnog otpora ili prolazom struje kroz određen volumen, koji ima električni otpor.

Q = J

R = , ; R ovisi o temperaturi pa se može pisati:

Rt = Ro (1+ T), ; otpor pri temperaturi T

… temperaturni koeficijent električnog otpora, oC-1

l … dužina vodiča, mm

                  A … presjek vodiča, mm2

Bilanca snage/energije kod elektrolučnog zavarivanja

 

 

 Efektivna energija za elektrolučno zavarivanje (Eef):

Krug grijanja i razdioba toka energije

Iskorištenje energije za taljenje. Dimenzije zone taljenja

Glavni zadatak izvora energije je taljenje metala za vrijeme zavarivanja. Količina metala, koja se tali pri zavarivanju ovisi o obliku i dimenzijama spoja, vrsti metala, o broju prolaza (slojeva) i o postupku zavarivanja. Poželjno je ponekad da se zavaruje s manjim toplinskim inputom, što je lakše ostvarivo ako su gustoće toplinskog toka veće.

Količina topline potrebna da se jedinica mase 1g zagrije od To do Tt, rastali i da se talina zagrije do neke temperature T1:

QG = c . (Tt - To) + qt + ct (T1 - Tt), J/g

gdje su:

c - specifična toplina krutog metala za interval To do Tt , J/g° C

ct - specifična toplina taline za interval Tt do T1, J/g° C

qt - latentna toplina taljenja, J/g

To - početna temperatura metala, oC

Tt - temperatura tališta, oC; Za čelik ~ 1500 oC

T1 - temperatura taline, T1 > Tt, oC; Za čelik ~ 1800 oC

Količina topline potrebna za zagrijavanje do tališta, taljenje i povišenje temperature taline na T1 za masu metala poprečnog presjeka AZT = ADM + AOM koji se istali u 1 s:

Q1= QG . AZT . v . ,

gdje su:

- gustoća,

v - brzina zavarivanja,

Q1 = Ptaljenja, W

Ako se stavi Q1 u odnos prema efektivnoj snazi izvora:

Eef = . U . I ,

dobit će se stupanj korisnog djelovanja energije za taljenje

Stupanj korisnog djelovanja energije za taljenje t ovisit će o postupku zavarivanja, materijalu kojeg zavarujemo, debljini materijala i obliku spoja. Što je veća toplinska vodljivost materijala, to će biti niži t, jer će se brže odvoditi toplina od mjesta zavarivanja u okolni hladniji materijal.

Utjecaj toplinske vodljivosti je izraženiji za izvor s malim gustoćama toplinskog toka. Kada se napr. zavaruje plinskim plamenom aluminij, t = 2 %, a 98 % su gubici topline.

Oblik i dimenzija ZT u jednom prolazu

Na oblik i dimenzije poprečnog prejesjeka rastaljene kupke odnosno gusjenice utječu:

1. Toplinski input:

Eef = . ,

2. Koncentriranost izvora energije izražena koeficjentom "k" mm-2 i gustoća toka q2 max W/mm2 , koje opisuje izraz normalne Gaussove razdiobe toka energije:

q2 = q2 max . exp (- k . r2); q2 max = .Pef , W/mm2

3. Temperatura predgrijavanja odnosno između prolaza To.

4. Fizikalno - toplinske karakteristike materijala , c,

 

5. Karakter postupka zavarivanja i položaj zavarivanja.

Smanjivanjem brzine zavarivanja obično raste penetracija "p".

Ako je brzina premala tada će velika metalna kupka ispod

izvora energije sprečavati dalju penetraciju električnog luka.

Položaj zavarivanja i smjer napr. odozgor-dole i nagnutost predmeta utječu na oblik i penetraciju zavara odnosno ZT.

 

Dimenzije zone taljenja - ZT.

Širina gusjenice (širina ZT) b

Iz izraza za širinu ZT mogu se uočiti utjecaji na dimenzije ZT za čelik:

za trodimenzionalno vođenje topline.

rZT = rZT (U, I, v, , c, , To); b = 2 . rZT3 dim.

yZT = , za dvodimenzionalno vođenje topline

yZT = yZT (U, I, v, , c, , , To); b = 2 . yZT2 dim

Dužina izvlačenja jedne elektrode li

= Eef = = ;

gdje su :

t - vrijeme taljenja jedne elektrode, s

li, - dužina izvlačenja jedne elektrode, mm pri čemu se unosi Eef=

li = . ;

li = .

li = li

Obično se za praktičnu primjenu treba primjenjivati korišteni toplinski input na temelju mjerenja nekih veličina, koje se mogu u praksi mjeriti, a to su:

AZT, mm2 - površina presjeka zone taljenja; AZT

b, mm - širina prolaza; b

li, mm - dužina izvlačenja jednog prolaza; li , jednom elektrodom kod ručnog REL zavarivanja.

Veličine b i li se mogu kontrolirati za svaki prolaz u proizvodnji, AZT pri analizi makro izbrusaka, napr. kod atesta postupka ili analiza otkaza.

Površina presjeka zone taljenja AZT

Iz izraza za t može se izračunati:

AZT = = ; QV = . QG,

AZT =

QV ..... Količina topline potrebna da se 1 mm3 metala zagrije od temperature okoline do tališta, da se rastali i da temperatura taline dosegne T1.

AZT = . Eef

AZT = const . Eef = Kt . Eef

Za neki postupak zavarivanja i t se ne mijenjaju bitno pri promjenama napona, struje i brzine zavarivanja, pa je približno poprečni presjek jednog prolaza proporcionalan toplinskom inputu.

Primjer. Elektrolučnim zavarivanjem polažemo gusjenicu /prolaz/ na čelik uz sljedeće uvjete:

U = 20 V = 0,9 = luka

I = 200 A t = 0,3

v = 5 QV = 10

AZT = = = 21.6 mm2 ili

AZT = . Eef = 0.03 . Eef= 0.03 . 720 = 21.6 mm2 ; Kt = 0.03 = const.

Veza AZT = f (q/v), bi = f (q/v), li = f (q/v)

Duljina izvlačenja prolaza (gusjenice) iz elektrode standardne duljine određuje se na sljedeći način:

Iz gornje jednadžbe jasno se sagledava obrnuto proporcionalna povezanost duljine izvlačenja i unešene energije.Povezanost površine zone taljenja i unešene energije može se pokazati

sljedećim pristupom: Količina topline potrebna da se 1 gram metala zagrije od početne temperature To do temperature taljenja Tt, da se rastali, te da temparatura rastaljenog materijala dosegne temperaturu T1:

Za cijelu masu materijala potrebna je količina topline Q1:

Poznata je relacija za izračunavanje stupnja iskorištenja energije za taljenje:

Odnosno, jednadžba koja pokazuje povezanost površine zone taljenja i unešene energije:

Povezanost širine zone taljenja (zavara) može se sagledati iz pojednostavljenih rješenja proizašlih iz Fourijer-ove diferencijalne jednadžbe vođenja topline. Za dvodimenzijski model vođenja topline vrijedi sljedeća formula:

dok za trodimenzijsko vođenje topline formula:

Iz navedenih formula može se sagledati proporcionalna veza širine zavara (zone taljenja) i unešene energije.

Kvalitativna ocjena povezanosti:

Veća unešene energija širi zavar, veća površina zone taljenja, manja duljina izvlačenja.

ili

Manja unešene energija uži zavar, manja površina zone taljenja, veća duljina izvlačenja.

Širina zone utjecaja topline za 2D model:

Širina zone utjecaja topline za 3D model:

Kontrola kvalitete nakon zavarivanja može se podjeliti na kontrolu metodama bez razaranja (KBR) i kontrolu metodama sa razaranjem (KSR).

Metode kontrole bez razaranja su:

- vizualna kontrola (VK),

- dimenzionalna kontrola (DK),

- penetrantska kontrola (PK),

- magnetska kontrola (MK),

- ultrazvučna kontrola (UK),

- radiografska kontrola (RK) i

- akustička emisija (AE),

- ostale metode.

- kontrola nepropusnosti

Prije bilo koje druge metode kontrole zavara (KBR ili KSR), primjenjuje se vizualna kontrola. Ta metoda kontrole relativno je jeftina, ne oduzima puno vremena, a može dati vrlo korisne informacije kako o kvaliteti zavarenih spojeva, tako i o potrebi kontrole nekom drugom

metodom. Za pomoć kod vizualne kontrole u skučenim i nepristupačnim dijelovima konstrukcije koriste se različita povećala - lupe uz osvjetljenje. Sljedeća po redu je dimenzionalna kontrola, kod koje se koriste različiti uređaji - naprave za mjerenje debljine zavara i slično.

Kontrola penetrantima često se koristi kod kontrole zavarenih spojeva na konstrukcijama. Na slici prikazan je shematski princip kontrole penetrantima.

Shematski prikaz procedure provođenja kontrole tekućim penetrantima

Na prethodno oćišćenu i odmašćenu površinu (slika 9a) naosi se penetrant (obično crvene boje). Nakon penetriranja u eventualnu pukotinu (vrijeme penetriranja, tj. prodiranja u pukotine ovisi o vrsti penetranta i o dimenzijama pukotine, ali se približno uzima 10 do 15 minuta), odstranjuje se penetrant na odgovarajući način (vodom, suhom krpom). Kod penetranata koji se odstranjuju vodom treba biti pažljiv i mlaz vode usmjeriti paralelno sa površinom lima, kako mlaz vode ne bi istisnuo penetrant iz pukotine. Nakon sušenja površine lima (suha krpa) nanosi se razvijač (obično je bijele boje), koji izvlači penetrant iz pukotine, pa je na bijeloj površini lima lako uočljiva crvena linija od penetranta iz pukotine (slika 9d). Kod tanjih limova na jednu se stranu nanosi penetrant, a na drugu razvijač. Ukoliko postoji pukotina kroz cijelu debljinu lima, tada će razvijač izvući penetrant na svoju stranu, što će se detektirati kao lako uočljiva crvena linija od penetranta iz pukotine na bijeloj (od razvijača) površini lima.

Ovom je metodom moguća detekcija pukotine, ali ne i dimenzije i ostale karakteristike pukotine. Kontrola tekućim penetrantima ne primjenjuje se kod zavarenih spojeva zavarenih proizvoda za prehrambenu industriju, kao ni kod zavarenih spojeva gdje postoji sklonost prema koroziji (posebno koroziji uz naprezanje).

Na sljedećoj je slici prikazano nekoliko indikacija karakterističnih za kontrolu penetrantima.

 

a) Koncentracija crvenih točaka - poroznost i

piting

 

b) naglo crvenjenje, kontinuirano ravno - velike pukotine i otvaranja

 

c) slomljene linije od točaka koje se pojavljuju nakon nekoliko minuta - sitne pukotine

 

d) niz crvenih točaka formiran u nepravilnu liniju - pukotine od umaranja

       

          

 

      

       

 

             

             

Nekoliko shematskih primjera indikacija kod kontrole penetrantima

Magnetska metoda kontrole kvalitete koristi se za otkrivanje površinskih i podpovršinskih grešaka (približno do dubine 6 mm) kod feromagnetičnih materijala. Zasniva se na principu magnetske indukcije. Oko vodiča kroz koji prolazi električna struja (magnetski jaram, magnetske elektrode) formira se magnetsko polje (istosmjerne ili izmjenične struje), čije silnice, po pravilu desne ruke, prolaze između ostaloga i kroz feromagnetični materijal koji se ispituje, odnosno koji je u kontaktu sa magnetskim jarmom ili magnetskim elektrodama. Da bi se otkrila pukotina potrebno je da smjer silnica magnetskog polja bude što više okomito na pukotinu. Pospu li se magnetske čestice (suhe sitne čestice ili čestice pomješane sa vodom) po površini ispitivanog materijala, ako postoji pukotina okomito na smjer prolaska silnica magnetskog polja, sitne čestice će se okupiti oko pukotine. Ova je metoda kontrole kvalitete jeftina i brza, ali ima ograničenje s obzirom na ne feromagnetične materijale, greške duboko ispod površine, te nemogućnost određivanja dubine pukotine koja je otkrivena kod feromagnetičnih materijala. Na sljedećoj se slici prikazuje shematski princip magnetske metode i indikacija površinske pukotine.

 

 

Shematski prikaz kontrole magnetskim česticama i indikacija površinske pukotine.

U praksi se pored magnetskih jarmova često koriste i odvojene elektrode (slika 12).

 

Magnetske elektrode

Ultrazvučna metoda kontrole kvalitete zasniva se na svojstvu ultrazvika da se širi kroz homogene materijale i da se odbija na granici materijala različitih akustičkih osobina (otpornosti), odnosno od nehomogenosti (grešaka) u materijalu. Od izvora ultrazvuka šire se ultrazvučni valovi kroz materijal koji se kontrolira. Ako u materijalu postoji greška, iza nje će, ovisno o vrsti greške, ultrazvučni valovi oslabiti ili se neće pojaviti (odbiju se od greške).

Ultrazvuk je vrsta mehaničkih valova frekvencije 20 KHz do 10 GHz, a kod ispitivanja materijala najčešće se koriste frekvencije od 0,5 MHz do 10 MHz. Iako postoje različite tehnike ultrazvučnog ispitivanja, obično se u praksi koristi metoda impuls - odjek i metoda prozvučavanja, pri čemu se koriste ravne i/ili kutne ultrazvučne glave. Na slici 13 prikazan je shematski princip ultrazvučnog ispitivanja.

Shematski prikaz ultrazvučne metode kontrole kvalitete

Iako je ultrazvučna metoda posebno prikladna za otkrivanje grešaka tipa pukotina (ravninske ili planarne greške), ovom je metodom moguće detektirati i druge greške (uključke troske, plinske mjehuriće, mjehuriće u nizu).

Pri kontroli kvalitete metodama prozračavanja u praksi se koriste X - zrake (Rendgenske) i - zrake. Rendgenske ili X - zrake nastaju pri naglom kočenju ubrzanog snopa elektrona na metalnoj ploči (antikatodi u rendgenskoj cijevi), dok (gama) - zrake nastaju prilikom spontanog raspada nestabilnih atomskih jezgri (prirodnih radioaktivnih materijala i radioaktivnih izotopa). Oba su zračenja u biti elektromagnetska zračenja.

Atomi nekog elementa koji se razlikuju po broju neutrona u jezgri nazivaju se izotopi, razlikuju se po atomskoj težini ali su im kemijska svojstva jednaka. Danas se stvaraju na umjetni način "bombardiranjem" neutronima, protonima, X-zrakama ili nekim drugim subatomskim česticama. Neke jezgre od tako dobivenih izotopa nisu stabilne već se raspadaju, pri čemu takav izotop koji se još naziva i radioizitop zrači energiju (radioaktivan je). Jedan dio oslobođene energije zrači se u obliku gama zraka koje se koriste u defektoskopiji. Najčešći radioizotopi su Co-60 (vrijeme poluraspada 5,3 godine), Ir-192 (vrijeme poluraspada 74,4 dana) i Cs-137 (vrijeme poluraspada 30 3 godine).

Intenzitet zračenja opada po dubini prozračavanog materijala po sljedećoj formuli:

, gdje je:

Io ...ulazni intenzitet zračenja

I ... intenzitet zračenja na izlazu iz materijala

d ... debljina prozračavanog materijala

... linearni koeficijent apsorbcije zračenja (slabljenja zračenja)

Ovisno o načinu registracije promjene intenziteta zračenja govori se o jonizacijskoj (informacije o grešci u obliku elektroničkih signala), radioskopskoj (informacije o prisutnosti greške na monitorima zatvorenih televizijskih sistema) i o radiografskoj kontroli (informacije o kontroli bilježe se na redggenskom filmu).

Shematski prikaz kontrole radiografske metode kontrole prikazan je na sljedećoj slici.

Shematski prikaz radiografske kontrole kvalitete

Interpretacija rezultata kontrole prozračavanjem u prvom redu ovisi o kvaliteti snimke. Kod radiografske kontrole za ocjenu kvalitete radiograma koriste se različiti oblici indikatora kvalitete snimka (penetrametri). Postavljaju se ispod prozračavanog predmeta, sa gornje strane radiografskog filma. Najčešće su to žičice standardiziranih različitih promjera ili provrti standardiziranih različitih dimenzija, ovisno o propisima koji se primjenjuju kod kontrole.na primjer, penetrametar prema DIN 54109 napravljen je tako da se između folija od plastične mase nalaze pravilno rasporedenih sedam kalibriranih žica različitih dimenzija (ovi se indikatori izrađuju sa tri područja debljina) od materijala koji približno odgovara materijalu koji se prozračuje. Iznad i ispod žica nalaze se informacije o materijalu (Fe, Al, Cu) i o području debljina. Kvaliteta snimke iskazuje se preko promjera žice kojase vidi na radiogramu. Kvaliteta razaznavanja radiograma Z može se iskazati formulom:

, gdje je:

dmin ... debljina najtanje žice ili detalja penetrametra

d ... debljina prozračavanog predmeta

Što je veličina Z manja, to je razaznavanje radiograma bolje.

Shematski prikaz radiografske kontrole zavarenih spojeva na cilindričnim elementima

1. izvor zračenja, 2. zavareni element, 3. radiogram

Kontrola nepropusnosti uglavnom se provodi kod posuda pod tlakom, a ovisno o zahtijevanoj kvaliteti i primjenjenim propisima provodi se tlačenjem zraka ili vode na određenu vrijednost tlaka, ili pomoću vakuumske komore.

Na sljedećoj slici shematski je prikazana kontrolakvalitete tlačenjem fluida.

 

  Shematski prikaz kontrole nepropusnosti tlačenjem fluida u zavarenoj posudi

Shematski prikaz kontrole nepropusnosti vakuumskom komorom prikazan je na sljedećoj slici.

Kontrola nepropusnosti vakuumskom komorom

U donjoj tablici navedene su orjentacijske vrijednosti minimalnih dimenzija greške koju je moguće detektirati pojedinim metodama KBR.

Orjentacijska osjetljivost otkrivanja pukotina kod pojedinih metoda KBR.

Metoda KBR Širina Dužina pukotine, Dubina pukotine, Primjedba

pukotine, mm mm mm

Penetranti 0,1 2 - Ovisno o stanju površine i optičkim pomagalima

Magnetske čestice 0,01 1 0,2 Ovisno o stanju površine

Ultrazvuk 0,01 1 0,2 Samo za feromagnetske materijale

Radiografija 0,3 5 0,3 -

Akustička emisija 0,001 0,001 0,001 -

Metode kontrole sa razaranjem obično se provode na zavarima pri certifikaciji postupaka zavarivanja, ali se često provode i nakon izvođenja zavara na proizvodima i konstrukcijama iz pogona (npr. "nastavne pločice" kod kružnih zavara na plaštu vagonske cisterne, tlačna proba sa razaranjem u proizvodnji propan/butan boca za domaćinstva i dr.).

Metode kontrole sa razaranjem su:

- vlačno kidanje epruvete (najčešće se traže naprezanje tečenja, vlačna čvrstoća, prekidna čvrstoća, kontrakcija i izduženje, ali se mogu tražiti i neka druga svojstva),

- mjerenja tvrdoće (najčešće jedna od sljedećih metoda: HV30, HV10, HV5, HV1, rjeđe HB ili neka druga metoda),

- ispitivanje udarne žilavosti (Charpy - V),

- ispitivanja iz područja mehanike loma (COD, CTOD, JIC , KIC , ...),

- različita korozijska ispitivanja (opća korozija, korozija uz naprezanje pri djelovanju različitih agresivnih medija, piting, selektivna korozija, ...),

- različita dinamička ispitivanja,

- tlačne probe sa razaranjem,

- različite radioničke probe i probe zavarljivosti,

- ispitivanja sadržaja kemijskih elemenata (kemijska metoda na temelju strugotine metala),

- tlačna proba sa razaranjem

- ostale metode.

Shematski prikaz opreme za češće korištena ispitivanja zavarenih spojeva sa razaranjem

Reakcije plinova s rastaljenim metalima

Rastaljeni metal (kapi metala, kupka) otapa u sebi veće količine O, H, N, pa dolazi do međusobnih reakcija plin - metal, koje bitno utječu na svojstva i kvalitetu zavarenog spoja.

Metali već pri sobnim temperaturama sadrže male količine plinova (residualni O,H,N). Dodatno, kao izvori plinova pri zavarivanju mogu se navesti nečistoće osnovnog i dodatnog materijala kao što su: ugljikovodici, oksidi, hidroksidi i drugi organski i anorganski materijali, koji se pri visokim temperaturama raspadaju i oslobađaju plinove. Također, iz atmosfere, koja okružuje rastaljene kapi i kupku metala utječu prisutni plinovi (O, H, N, CO2, H2O).

Kod napr. MAG prijelaza materijala u finim kapima u električnom luku, reakcije mogu biti vrlo intenzivne unatoč vrlo kratkog vremena prijelaza kapi. Sitne kapi metala u luku zagrijanog visoko iznad tališta (1800-2400 oC) pružaju relativno veliku površinu za reakciju.

Zbog disocijacije i ionizacije molekula plinova, atmosfera u električnom luku je vrlo aktivna. Čak i dušik, koji se smatra neutralnim, pri visokim temperaturama u električnom luku postaje vrlo aktivan.

U električnom luku temperatura plinova doseže lokalno 5000-15000 oC, pa se molekularni plinovi disociraju u atome, a djelimično i u ione. Takovo stanje plinova zovemo plazmom. To je četvrto agregatno stanje materije. U svemiru se većina materije nalazi u stanju plazme: Sunce, zvijezde, a samo neznatan dio materije "u tragovima" se nalazi u krutom i tekućem

stanju (Zemlja, Mjesec i planete). Vodik se potpuno disocira na atome pri 5 000 oC, a dušik pri 10 000 oC.

Neki procesi, kao TIG i MIG/MAG s kratkim lukom daju manju mogućnost reakcije plin metal, jer metal prelazi u grubim kapima, koje imaju manju površinu izloženu okolnoj atmosferi i kapi ne "lete" slobodno kroz plazmu luka, gdje bi se zagrijale na visoke temperature. Temperatura ovih relativno velikih kapi je samo oko 100 oC iznad tališta.

Kod zavarivanja pod zaštitnim praškom dolazi do stvaranja zaštitnog sloja troske između rastaljenog metala i atmosfere, pa su moguće reakcije s plinovima minimalne.

Najčešće korišteni načini zavarivanja REL i MAG zahtjevaju posebno dobro poznavanje reakcija plin - metal.

U razvoju zavarivanja je uočeno da se bolja kvaliteta zavara postiže dodavanjem u oblogu materijala za stvaranje zaštitne atmosfere luka, kojom isključujemo utjecaj zraka: O2, N2, H2O, koji su jako aktivni u atmosferi - plazma luka, a time i štetni.

Dezoksidacija

Kisik je uvijek, u većoj ili manjoj količini, prisutan u rastaljenom metalu. Mora se spriječiti njegova reakcija sa ugljikom iz Fe3C, jer može uzrokovati poroznost i razugljičenje: C + O CO (plinski mjehuri}i, poroznost). Dodajući u oblogu elektrode ili u žicu za zavarivanje elemente, koji imaju veliki afinitet prema kisiku: Al, Si, Mn, Ti i Zr dolazi do reakcija:

Si + 20 SiO2

2Al + 30 AL2O3

Mn + O Mn O

Produkti dezoksidacije su troska ili nemetalni mikrouključci u strukturi ZT.

Ti, Al i Zr su jaki dezoksidanti, oko 5 puta jači od Mn ili Si.

Ako ovi produkti ostanu u metalu, a ne isplivaju u obliku troske, tada se oni u strukturi skrutnutog metala nalaze u obliku fino raspršenih nemetalnih mikro uključaka, koji bitno ne utječu na svojstvo zavara, pa su daleko manje štetni od poroznosti.

Treba napomenuti da previsok sadržaj dezoksidanata Al i Si u čeliku smanjuje njegovu žilavost i istezljivost, posebno pri niskim temperaturama. Dezoksidanata treba dodati obzirom na prisutan kisik tek nešto malo više, nego je teorijski potrebno. Smatra se da Si treba biti više od 0.35 % da se ne pojavi porozonst u čeliku zbog mjehurića plina pri skrućavanju napr. ingota.

Veći sadržaj dezoksidanata u dodatnom materijalu bit će potreban, ako:

osnovni materijal sadrži više kisika, napr. neumiren čelik ima više kisika od umirenog,

ako je jakost struje zavarivanja i/ili toplinski input veći,

ako je veličina zone taljenja veća,

ako je količina cundera i rđe veća npr. kod toplo valjanih limova ili toplo oblikovanih dijelova (napr. danca),

ako je zaštitni plin jače oksidirajući; 100% CO2 plin je jače oksidirajući od Ar + 2% O2 ili čisti Ar.

Izvori kisika su: atmosfera u luku (O2, CO2, H2O), okujina (FeO,Fe2O3,Fe3O4) na metalu, rđa (OH skupina) i residualni kisik iz OM i DM.

Poroznost

Kao što je već objašnjeno u prethodnom tekstu o dezoksidaciji poroznost nastaje zbog reakcija plin - metal i zbog otapanja velike količine raznih plinova u talini, koji pri skrućivanju moraju napustiti talinu zbog velikog pada rastvorljivosti - topivosti plinova u talini. Plinovi se izdvajaju iz taline u obliku mjehurića, koji mogu ostati zarobljeni u metalu čineći poroznost - plinske uključke, ako je došlo do brzog skrućivanja, pa mjehurić nije imao vremena isplivati na površinu.

Uočiti treba da je rastvorljivost vodika veoma različita pri raznim temperaturama:

10-3 cm3 H2/100 g Fe kod 20 oC

6 cm3 - " - kod 1536o C u krutom stanju

27,5 cm3 - " - kod 1536 oC u rastaljenom stanju

33.0 cm3 - " - 1800 oC (temperatura kupke)

42.5 cm3 - " - 2500 oC

Velike količine vodika, se mogu apsorbirati u talini, a kasnije izlaze u obliku mjehurića ili ostaju u krutnini kao difuzijski vodik i u rešeci tvori visoki tlak, koji uzrokuje hladne pukotine.

Da bi bilo što manje prisutnog vodika u zavarenom spoju potrebno je elektrode sušiti ili peći neposredno prije upotrebe. Tako odstranjujemo higroskopnu i vezanu vlagu. Temperatura pečenja se preporučuje oko 400-450 oC za bazične elektrode u trajanju od 1h. Za ostale vrste elektroda se preporučuje temperatura pečenja 250-350oC, a kasnije držanje na temperaturama 100-150oC u pećima - skladištima.

Kod zavarivanja u zaštitnim plinovima (TIG, MIG/MAG) poroznost može biti uzrokovana nedovoljnom zaštitom inertnog plina zbog:

premale količine,

propuha ili vjetra - predaleko se nalazi sapnica,

turbulencija,

injektorsko djelovanje struje zaštitnog plina, koji uvlači druge plinove,

nedovoljna sekundarna zaštita (korijena)

U zaključku se mogu navesti najčešći uzroci pojave poroznosti u obliku tablice:

U rastaljenom metalu prisutni

Najčešći plinski mjehurići

U z r o k

H + H H2 pad rastvornosti

N + N N2 pad rastvornosti

C + O CO reakcija plin - metal

Utjecaj Mn i Si na oblikovanje zone taljenja

Veći sadržaj Mn i Si povećava fluidnost kupke zavara te se postiže povoljniji oblik zavara za pozicionirano zavarivanje i manja osjetljivost rđavih i oksidiranih površina rubova, koje se zavaruje. Za zavarivanje u prisilnim položajima povoljnije je koristiti manje fluidnu (tekuću) kupku odnosno više viskoznu.

Sadržaj dezoksidanata utječe na oblik i svojstva zavara

a) Manji sadržaj Si i Mn b) Veći sadržaj Si i Mn

Veliko nadvišenje i konveksan oblik zavara Malo nadvišenje zavara

Slabo vlaženje rubova Dobro vlaženje rubova i glatka površina lica zavara

Oštar prijelaz ZT - ZUT Blagi prijelaz ZT - ZUT

Veća količina kapljica uz zavar zbog prskanja Malo prskanje kapljica u okolinu

 Dijagram rastvorljivosti H i N u čistom željezu pri normalnom atmosferskom tlaku.

Zavarljivost materijala je sposobnost zavarivanja materijala. Zavarljivost je komparativno svojstvo (uspoređuje se zavarljivost dva ili više materijala uz primjenu iste ili različitih tehnologija zavarivanja). Ocjena je najčešće kvalitativna (zadovoljavajuća / ne zadovoljavajuća), ali može biti i kvantitativna (kada postoji dovoljan broj eksperimentalno dobivenih podataka o svojstvima zavarenih spojeva i svojstvima osnovnog materijala obzirom na dominantni otkaz/otkaze zavarenih spojeva). Dominantnim se otkazom smatra onaj otkaz kojemu pripada najveća vjerojatnost pojavljivanja u eksplaoataciji.

Shematski prikaz utjecajnih čimbenika na zavarljivost daje se na sljedećoj slici.

Istraživanja zavarljivosti obuhvaćaju čitav niz aktivnosti nužnih za dobivanje kvalitetne tehnologije zavarivanja koja je osnova za dobivanje kvalitetnog zavarenog spoja u proizvodnju, koji će biti pouzdan u predviđenim uvjetima i vijeku eksploataciji. Osnovne aktivnosti ispitivanja zavarljivosti odnose se na ispitivanja sklonosti različitim vrstama pukotina (hladne, tople, lamelarno odvajanje/cijepanje, pukotine uslijed naknadnog/ponovnog zagrijavanja), transformacijskom otvrdnjavanju, smanjenju žilavosti (sniženje prijelazne temperature iz žilavog u krhko stanje) i dr.. Posebna ispitivanja zavarljivosti se provode s obzirom na mogućnosti oštećenja i/ili otkaza zavarenog spoja u eksplaoatciji. Ispitivanja se provode se s obzirom na dominantni otkaz zavarenog spoja, odnosno otkaz kojemu pripada najveća vjerojatnost pojavljivanja (napr. interkristalna korozija, korozija uz naprezanje, …).

Verifikacija postupka zavarivanja (atest postupka zavarivanja) je potvrda valjanosti određene tehnologije zavarivanja. Vrijedi uz određene uvijete i parametre zavarivanja

(osnovni i dodatni materijal, debljina materijala, postupak zavarivanja, položaj zavarivanja, glavni parametri zavarivanja, …). Nakon zavarivanja probne ploče, koju u prisutnosti inspektora za zavarene konstrukcije izvodi verificirani (atestirani) zavarivač uz korištenje verificirane (atestirane) uređaja i opreme za zavarivanje, probna ploča se označava žigom inspektora. Iz nje se na odgovarajući način izrađuju epruvete za različita ispitivanja koja se provode u jednom od ovlaštenih (akreditiranih) laboratorija. Rezultati tih ispitivanja potvrđuju ili ne potvrđuju određenu tehnologiju zavarivanja. U slučaju pozitivnih nalaza ispitivanja, ta verifikacija postupka vrijedi sve dok su uvjeti i parametri kod probnog zavarivanja nepromjenjeni. Bilo kakva odstupanja zahtjevaju novu verifikaciju postupka zavarivanja.

Verifikacija zavarivača (atest zavarivača) predstavlja potvrdu praktične i teorijske izobrazbe zavarivača za određene poslove iz domene zavarivanja (određeni materijal, postupak zavarivanja, položaj zavarivanja, debljina materijala, …). Verifikacija zavarivača se može produžiti određeno vrijeme (na osnovu praćenja kvalitete rada zavarivača od strane inženjera specijaliste zavarivanja i inspektora za zavarene konstrukcije). Nakon maksimalno 4 godine ponovo se provodi verifikacija zavarivača (a po potrebi može i ranije).

Tri su osnovana nivoa na kojima se razmatra zavarljivost. Tako postoje:

1. Operativna zavarljivost, 2. Metalurška ili lokalna zavarljivost i 3. Konstrukcijska ili opća zavarljivost

Cilj operativnih istraživanja zavarljivosti je istraživanje ponašanja materijala pri taljenju, te mogućnosti dobivanja kvalitetnog zavarenog spoaja sa ili bez primjene operativnih vještina (predgrijavanje, oblaganje ivica žlijeba za zavarivanje, dogrijavanje, …).

Cilj istraživanja metalurške ili lokalne zavarljivosti je istraživanje transformacija osnovnog materijala i materijala zavarenog spoja, koje su posljedica toplinskog ciklusa zavarivanja.

Cilj istraživanja konstrukcijske ili opće zavarljivosti je istraživanje ponašanja zavarenog spoja na zavarenoj konstrukciji (lokacija zavarenog spoja i utjecaj zareznog djelovanja, konstrukcijsko oblikovanje, mogućnost zavarivanja – pristupačnost, …).

Prvi je pristup kod istraživanja zavarljivosti nekog materijala pretraživanje dostupnih baza podataka (arhiva tehnologija zavarivanja tvornice, različiti znanstveno-stručni časopisi, zbornici znanstveno stručnih savjetovanja, knjige, internet, …). Poželjno je korištenje različitih eksperimentalno-iskustvenih formula (koje vrijede uz određena ograničenja: određeni materijali, određene vrijednosti sadržaja kemijskih elemenata, određene debljine i mehanička svojstva, stanje isporuke, Na ovaj se način može približno procjeniti koje se poteškoće mogu očekivati pri zavarivanju, imajući u vidu i poznate uvjete eksploatacije zavarenih spojeva, te zahtjeve za kvalitetu.

Drugi je korak provođenje različitih pogonskih ispitivanja koja prethode verifikaciji postupka zavarivanja. Budući da se zavarivanjem spajaja veliki broj istorodnih, ali i raznorodnih materijala, pristupi ispitivanju zavarljivosti imaju određenih sistematskih sličnosti, ali i praktičnih različiti. Tako se zavarljivost materijala (istorodnih i raznorodnih) detaljnije obrazlaže posebno za svaku grupu materijala.

Utjecaj pojedinih elemenata na zavarljivost čelika. Ekvivalent ugljika

Čelik je legura željeza (Fe) , ugljika (C do 2% masenog udjela) i ostalih legirajućih elemenata.

Uobičajene su kemijski elementi koji se dodaju čeliku dezoksidanti (Mn, Si, Al) i elementi koje nije mogće izdvojiti iz čelika u masovnoj proizvodnji.

Legirajući elementi su elementi koji se namjerno dodaju u čelik da bi se dobila odgovarajuća struktura i svojstva čelika. To su napr.: Cr, Ni, Mo, V, T, Nb, Cu i drugi.

Nepoželjni elementi koji se također nalaze u određenom postotku u čeliku O, H i N.

Zavarljivost osnovnog materijala često se procjenjuje na osnovu ekvivalenta ugljika.To je osobito važno kod čelika povišene čvrstoće, ali i kod ostalih čelika koji pokazuju sklonost prema zakaljivanju i hladnim pukotinama. Mikrostruktura zavarenog spoja dobije se djelovanjem ugljika i drugih kemijskih elemenata koji čine sastav čelika, uz određeni toplinski input, brzinu hlađenja i druge čimbenike. Ugljik ima značajan utjecaj na strukturu i mehanička svojstva čelika. Budući da u velikoj mjeri povećava tvrdoću i čvrstoću čelika, ugljik ima odlučujući utjecaj na njegovu zavarljivost. Sa stajališta zavarivanja poželjno je imati što niži sadržaj ugljika u čeliku. U ovisnosti o sadržaju ugljika u čeliku, koristi se odgovarajuća eksperimentalno dobivena formula navedena u sljedećoj tablici.

Formule za izračunavanje ekvivalenta ugljika za ocjenu sklonosti čelika prema hladnim pukotinama i korelacija pojedine metode s pojavljivanjem pukotina.

Metoda Eksperimentalna formula

Korelacija sa

pojavom pukotina

72,2 %

CE(IIW)78,1 %

Graville82,6 %

Tanaka82,8 %

Düren84,0 %

Ito-Bessyo 84,9 %

Stout86,6 %

CEN

91,1 %

Razvojem novih čelika drugačijeg kemijskog sastava od čelika za koje vrijede postojeće formule, potrebno je modificirati i postojeće formule za izračunavanje ekvivalenta ugljika.

Prema Suzukiju, postoje ograničenja za korištenje pojedinih formula:

Formula za ekvivalent ugljika po metodi Ceq (WES) i CE(IIW) vrijedi za čelike sa sadržajem ugljika C 0,18% ili C 0,20% i vlačnom čvrstoćom od 400 do 700 MPa.

Formula za ekvivalent ugljika po metodi Ito-Bessyo predlaže se za čelike sa sadržajem ugljika C 0,17 i vlačnom čvrstoćom od 400 do 900 MPa

Napomena: Kombinacijom formula po metodi Ito-Bessyo i metodi CE(IIW) proizašla je nova formula po metodi CEN.

U nastavku se daje prikaz utjecaja značajnijih kemijakih elemenata na svojstva čelika.

Element Utjecaj

Ugljik (C) Sa povećavanjem sadržaja C povećava se vlačna čvrstoća i granica razvlačenja, smanjuje se udarna žilavost i sposobnost deformiranja. Preko 0,25% C pogoršava se zavarljivost.

Mangan (Mn)

Povećavanjem sadržaja Mn povećava se vlačna čvrstoća i tvrdoća, a u manjoj mjeri i granica razvlačenja. Također se smanjuje udarna žilavost. Pri sadržaju Mn iznad 1% povećava se sklonost čelika prema zakaljivanju i zavarivanje je otežano. Smanjenjem

sadržaja Mn ispod 0,5% vlačna se čvrstoća znatno smanjuje, ali se udarna žilavost povećava.

Silicij (Si) Sa povećavanjem sadržaja Si povećava se granica razvlačenja i vlačna čvrstoća. Preko 2% Si smanjuje se izduženje. Preko 1,2% Si pogoršava se zavarljivost.

Krom (Cr)

Do sadržaja od 5% povećava granicu razvlačenja i vlačnu čvrstoću, a iznad 5% se smanjuju. Uz sadržaj Cr od 4 do 6 % povećava se izduženje, daljnjim povećavanjem do 12% Cr, izduženje se smanjuje. Daljnje povećanje Cr nema značajniji utjecaj na izduženje. Sadržaj Cr iznad 1% smanjuje udarnu žilavost. U granicama od 3 do 12% Cr povećava se otpornost prema oksidaciji na povišenim temperaturama. Preko 12% Cr povećava se otpornost prema koroziji u agresivnim medijima. Povećava sklonost prema zakaljivanju i pogoršava zavarljivost.

Nikl (Ni) Do 10% Ni povećava se granica razvlačenja i vlačna čvrstoća, a neznatno se smanjuje istezljivost. Preko 1,59 Ni smanjuje se krhkost pri niskim temperaturama. Udarna žilavost na niskim temperaturama naročito se poboljšava ako je sadržaj O, N, S, P, Mn i Si nizak.

Molidben (Mo)

Povećavanjem sadržaja Mo iznad 0,2% povećava se granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i izduženje. Do sadržaja 2,25% Mo povećava udarnu žilavost, a iznad 2,25% je smanjuje. Poboljšava mehanička svojstva na povišenim temperaturama. Sprečava krhkost i poboljšava korozijsku otpornost.

Aluminij (Al)

Male količine Al u čeliku (čak i 0,06%) povećavaju vlačnu čvrstoću, ali smanjuju plastičnost i udarnu žilavost. Povećava sklonost prema pukotinama. Zajedno sa Cr i Si povećava otpornost prema oksidaciji na povišenim temperaturama.

Vanadij (V)

Povećavanjem sadržaja V povećava se: vlačna čvrstoća. Udarna žilavost sa sadržajem V iznad 0,5% opada. Povećavanjem sadržaja iznad 0,05% povećava se otpornost prema starenju. Povećava otpornost prema oksidaciji na povišenim temperaturama.

Čelici legirani vanadijem su pri zavarivanju osjetljiviji na pukotine i zahtjevaju posebnu tehnologiju zavarivanja.

Volfram (W)

Povećava vlačnu čvrstoću, granicu razvlačenja i tvrdoću na sobnoj i povišenoj temperaturi. Iznad sadržaja 0,2% W smanjuje se udarna žilavost.

Bakar (Cu)

Povećavanjem sadržaja Cu iznad 0,5% povećava se vlačna čvrstoća i granica razvlačenja. Povećavanje sadržaja Cu iznad 3,9% neznatno povećava izduženje i ubrzano smanjuje udarnu žilavost. Sa sadržajem Cu iznad 0,2% povećava se otpornost

prema atmosferskoj koroziji i koroziji u morskoj vodi.

Titan (Ti) Sadržaj Ti do 0,63 efikasno djeluje na povećanje vlačne čvrstoće, ali i smanjenje udarne žilavosti. Poboljšava mehanička svojstva na povišenim temperaturama, ali pogoršava zavarljivost. Zbog afiniteta prema C, koristi se kao stabilizirajući element kod čelika kod kojih se zahtjeva otpornost prema interkristalnoj koroziji.

Niobij (Nb)

Povećava zateznu čvrstoću do sadržaja 1,2%, ali utječe na smanjenje udarne žilavosti. Kao i Ti veže uz sebe C i ne dopušta stvaranje CrC, te time poboljšava otpornost zavarenih spojeva prema koroziji u agresivnim medijima (interkristalnoj koroziji).

Fosfor (P) Povećavanjem sadržaja P smanjuje se udarna žilavost i izduženje, a povećava se krhkost. Ima sklonost prema segregacijama koje se nalaze u čeliku i pri zavarivanju mogu preći u ZT.

Sumpor (S)

Sadržaj S iznad 0,04% smanjuje granicu razvlačenja, vlačnu čvrstoću i žilavost. Pogoršava zavarljivost jer ima sklonost segregacijama koje povećavaju sklonost prema nastajanju toplih pukotina.

Kisik (O) Smanjuje vlačnu čvrstoću, granicu razvlačenja i žilavost. Sadržaj ispod 0,002% je potreban za dobru žilavost i nema utjecaj na vlačnu čvrstoću.

Dušik (N) N može uzrokovati starenje čelika, a sa time i smanjenje žilavosti, povećanje krhkosti i tvrdoće. Povećan sadržaj N povećava vlačnu čvrstoću i granicu razvlačenja, ali smanjuje istezanje i udarnu žilavost. Uz prisustvo Al, Nb, V i nekih drugih elemenata pozitivno djeluje na usitnjenje zrna čelika.

Vodik (H) Smanjuje plastičnost i povećava sklonost prema krhkom lomu. U ZT može izazvati poroznost i pukotine u ZUT-u i ZT.

Toplinske obrade zavarenih spojeva.

Nakon zavarivanja najčešće se provode sljedeće toplinske obrade:

- smanjenje (popuštanje) zaostalih napetosti (naprezanja),

- popuštanje tvrdoće,

- normalizacija,

- rekristalizacijsko žarenje,

- gašenje,

- poboljšavanje (kaljenje + popuštanje tvrdoće),

- dehidrogenizacija, smanjivanje sadržaja difuzijskog vodika dogrijavanjem,

- difuzijsko žarenje

- kombinirane toplinske obrade.

Glavni parametri toplinske obrade zavarenih spojeva su:

temperatura progrijavanja (Ts), ovisi o izabranoj toplinskoj obradi;

vrijeme progrijavanja (ts), preporučuje se na osnovu izabrane temperature (npr. za popuštanje zaostalih napetorti 2,5 min/mm debljine pri 600 oC);

brzina zagrijavanja posebno je važna u niskotemperaturnom području radi mogućih pukotina zbog prevelikog temperaturnog gradijenta (vh = 5000 / min. debljina u mm, ali mora zadovoljiti uvjet 50 < vh < 250 oC/h);

brzina hlađenja je bitna kako od temperature toplinske obrade (značajna za toplinsku obradu), tako i u niskotemperaturnom području zbog prevelikog gradijenta temperature jer može doći do pojave pukotina (u niskotemperaturnom području              vc = 6500 / min. debljina u m, ali mora zadovoljen uvjet 50 < vh < 250 oC/h)

Glavni parametri toplinske obrade

Pri stavljanju zavarenog proizvoda u peć, temperatura peći ne bi smjela biti iznad 400 oC.

U nastavku se daju shematski prikazi pojedinih toplinskih obrada.

Toplinska obrada - popuštanje zaostalih napetosti (naprezanja)

Popuštanje tvrdoće

Normalizacija

Poboljšavanje

Gašenje

Difuzijsko žarenje

Kombinirana (višekratna) toplinska obrada

Predgrijavanje, temperatura između prolaza, dogrijavanje. Svrha, potreba, izračunavanje To

Predgrijavanje podrazumijeva zagrijavanje područja zavarivanja iznad temperature okoline, na propisanu temperaturu To, prije početka zavarivanja, te održavanje te temperature za vrijeme zavarivanja. Predgrijavanje je primarno unošenje topline u zavar, a kasnije se izvorom energije zavarivanja (napr. el. lukom) sekundarno unosi toplina u zavar, pa su konačni efekti rezultat primarnog i sekundarnog unošenja topline.

Ciljevi predgrijavanja

Najčešće (za nelegirane, niskolegirane i visokočvrste čelike) se predgrijavanje vrši u cilju izbjegavanja hladnih pukotina, jer se predgrijavanjem postižu efekti suprotni onima, koji uzrokuju hladne pukotine. Hladne pukotine uzrokuje krhka zakaljena struktura, difuzijski vodik i reakcijska zaostala naprezanja. Predgrijavanjem se postižu ovi efekti:

a) Smanjenje brzine hlađenja ZUT i ZT u odnosu na veće brzine, ako se ne vrši predgrijavanje. Princip je prikazan na sl. 7.27. Smanjenjem brzine hlađenja se smanjuje količina tvrdih faza: (zakaljene martenzitne ili nekih manje tvrdih struktura).

b. Omogućavanje izlaska (efuzije) difuzijskog vodika. Atomarni difuzijski vodik lakše difundira kroz metalnu kristalnu rešetku pri višim temperaturama, jer je srednji razmak između atoma metala veći.

Manja su zaostala naprezanja. Budući da je područje zavarivanja na višoj temperaturi, ono je produženo za l, pa će stezanje sredine zavara nakon hlađenja l biti manje, nego ako nije bilo predgrijavanja, pa će i rezultirajuća zaostala naprezanja biti manja, sl. 7.28.

Ako se pretpostavi da se može izdvojiti zavar od okolnih limova, tada bi on nakon hlađenja bio kraći od okoline (HLADNO). Budući da je vezan za okolinu, rezultat su zaostala naprezanja na vlak u sredini zavarenog spoja i naprezanja na tlak u susjednim zonama. Predgrijavanjem se hladna okolina također istegne, pa će se pri hlađenju skraćivati zajedno sa sredinom zavara, ali za manju veličinu, što ima za posljedicu manje zaostale napetosti uz predgrijavanje.

Tipični slučajevi predgrijavanja:

Pri zavarivanju martenzitnih čelika (npr. 12 % Cr) predgrijava se područje zavarivanja na temperaturu iznad Ms, da bi ZT i ZUT bili tijekom zavarivanja u području strukture austenita. Nakon zavarivanja se namjerno vrši hlađenje ispod Mf, da bi se struktura pretvorila u igličasti krhki martenzit (600 HV), koji se kasnije popuštanjem raspada, pa se postiže žilava struktura raspadnutog martenzita. Detaljnije vidjeti u poglavlju 12.0 - Zavarivanje martenzitnih čelika. U ovom slučaju nije cilj predgrijavanja izbjegavanje krhke martenzitne strukture nakon zavarivanja, nego tijekom zavarivanja. I kod ovih čelika predgrijavanje ima za cilj olakšanje izlaska difuzijskog vodika i smanjenje zaostalih naprezanja.

Pri zavarivanju niskolegiranih čelika, napr. Cr-Mo (do 2.5 % Cr i do 1% Mo) preporuča se da se predgrijavanje nakon zavarivanja ne prekida, nego se u nastavku temperatura podigne i vrši se toplinska obrada popuštanja tvrdoće. Na taj način se:

olakša izlazak difuzijskog vodika, manja su toplinska naprezanja zbog hlađenja i grijanja, štedi se energija i vrijeme.

Pri zavarivanju visokočvrstih mikrolegiranih i niskolegiranih čelika (HSLA) temperatura predgrijavanja To ne smije biti niti suviše visoka, niti niska, nego se se mora držati u strogim granicama To min i To max (To max = Tm ... temperatura između prolaza) napr. 150-220 oC. Preniska temperatura predgrijavanja može dati pretvrdu i krhku strukturu, a previsoka grubozrnatu i krhku strukturu uz omekšanje pojedinih zona.

Pri zavarivanju austenitnih čelika, napr. 18/8 tipa, zabranjuje se predgrijavanje, jer je štetno. Potrebno je što kraće vrijeme hlađenja zavara kroz područje 850-450 oC, u kojem se izlučuju krhki Cr karbidi na granicama zrna, a koji su uzrok kasnije interkristalne korozije u prisustvu agresivnih medija u eksploataciji. Čak se preporuča dodatno hlađenje zavara vodom da bi hlađenje bilo brže. Temperatura pri zavarivanju svakog prolaza se također ograničava na napr. najviše 100 oC. Time se osigurava brže hlađenje zavara i izbjegavanje stvaranja Cr karbida.

Određivanje temperature predgrijavanja

Na koju temperaturu je potrebno zonu zavarivanja predgrijati i da li je uopće potrebno vršiti predgrijavanje (ili dovoljna temperatura metala, koja je jednaka temperaturi okoline) određuje se na temelju:

Preporuka iz literature i/ili iskustva.

Probama sklonosti hladnim pukotinama: implant, CTS, Tekken i druge... Na probama se mjeri veličina i broj pukotina, ako se pojave.

Kvalifikacijom (atestom) postupka. Zavaruju se probni uzorci uz preporučene uvjete: temperatura predgrijavanja, temperatura između prolaza, toplinski input, količina difuzijskog vodika, debljina materijala, geometrijski oblik predmeta (lim, cijev, upetost). Iz zavarenih uzorka se izrezuju palice za utvrđivanje svojstava: Rm, Re, A5, Z, Kv, dinamička čvrstoća, čvstoća na puzanje, otpornost na razne vrste korozije, tvrdoća ... Koja svojstva će se mjeriti ovisi o otkazu, koji je moguć na proizvodu: krhki lom (Kv), žilavi lom (Rm), trajne deformacije (Re), lom zbog umora (dinamička čvrstoća) i drugi. Ako na uzorcima dobijemo zadovoljavajuće rezultate, tada se smatra da su uvjeti zavarivanja uključujući temperaturu predgrijavanja To i temperaturu između prolaza Tm dobro izabrani.

Proračunima temperature predgrijavanja prema Ito i Bessyo, Seferianu, ili drugim autorima. Formule i način određivanja temperature predgrijavanja su dane u poglavljima za mikrolegirane, niskolegirane i martenzitne čelike. Da li treba predgrijavati i na koju temperaturu ovisi o kemijskom sastavu materijala (OM i DM) koji se izražava ekvivalentom ugljika (Ce), debljini materijala, broju smjerova odvođenja topline, upetosti i sadržaju difuzijskog vodika.

Preporuke za predgrijavanje za slučajeve kada proračun ili probe ne traži predgrijavanje .

Ako je temperatura okoline ispod + 5 oC, tada se preporuča predgrijavanje na temperaturu 60-80 oC, da bi materijal bio žilaviji čime se smanjuje opasnost krhkog loma, inicijacije i propagacije pukotina zbog zaostalih naprezanja. Ako materijal ima dobru žilavost pri niskim temperaturama može se odustati od ovog predgrijavanja. Prije početka zavarivanja pri niskim temperaturama poželjno je predgrijavanje na 15-50 oC da bi se odstranila kondenzirana vlaga s površine metala. Ovakvo predgrijavanje može biti samo početno, jer će se kasnije materijal dovoljno zagrijati zavarivanjem.

Pri zavarivanju pripoja (heftova) i kratkih zavara

Preporuke i formule za predgrijavanje vrijede za stacionarne uvjete zavarivanja koji se ostvaruju na dovoljno dugim zavarenim spojevima. Drugačiji, nepovoljniji se uvjeti javljaju na pripojima, počecima prolaza, nastavcima prolaza, kao i na završecima. Zato se napr. za pripoje, koji su uvijek kratki, preporuča temperatura predgrijavanja 20-40 oC viša od temperature predgrijavanja propisane za zavarivanje. Viša temperatura predgrijavanja za pripoje i kratke zavare se može sažeto obrazložiti slijedećim činjenicama:

a. Na kratkim zavarima se ne uspostavlja stacionarno (kvazistacionarno) temperaturno polje. Napr.brzine hlađenja su veće. Za REL zavarivanje se može uzeti da se nakon oko 50 mm dužine prolaza uspostavlja stacionost uvjeta dovođenja i odvođenja topline. Kod automatskog EP zavarivanja ta dužina je veća, oko 200 mm.

b. Reakcijska zaostala naprezanja od stezanja su zbog malog nosivog presjeka pripoja velika, pa je vjerojatnost hladnih pukotina na pripojima i kratkim malim zavarima povećana.

c. Elektrode za REL zavarivanje su na početku hladnije, s više vlage, koja može na početku zavara uzrokovati pukotine i/ili poroznost.

Jedan praktičan način za izbjegavanje grešaka odnosno loše kvalitete zavara na počecima i završecima zavara je postavljanje “produžnih ploča”, koje se kasnije odrezuju i odstranjuju skupa s početnim i završnim (kraterske pukotine) dijelovima zavara.

Širina zone predgrijavanja

Potrebno je zagrijati šire područje zavarivanja na temperaturu predgrijavanja, a ne samo rubove spoja. Što je zona predgrijavanja šira, bit će temperaturni gradijent manji i manja će biti termička naprezanja pri predgrijavanju. Preporuča se širina zone predgrijavanja 3-4 debljine lima sa svake strane spoja kako je prikazano na slici dolje

 

Mjerenje temperature predgrijavanja se vrši u zoni širine 4s, a temperature između prolaza na mjestu A.

Temperatura između prolaza Tm se kontrolira neposredno prije zavarivanja slijedećeg prolaza, sl. 7.29 u točki A. Tm je ustvari maksimalno dopuštena temperatura predgrijavanja To

max. Tm i To su temperature metala i nije dobro ako se jače razlikuju. Tako se za visokočvrste čelike preporuča Tm = To max = 220 oC. Za niskolegirane čelike, koji su manje osjetljivi se preporuča Tm = 400 - 500 oC.

Dogrijavanje se provodi nakon završetka zavarivanja nastavljajući grijanje područja zavarivanja na temperaturi 200-300 oC u trajanju oko 2 h. Cilj ove naknadne toplinske obrade je omogućavanje izlaska difuzijskog vodika iz ZUT i ZT da se smanji vjerojatnost pojave hladnih pukotina u inkubacijskom periodu. Više temperature, do 500 oC i duže vrijeme daju bolji efekt izlaska vodika.

Dogrijavanje se provodi kao nastavak predgrijavanja uz obično nešto višu temperaturu. Dogrijavanje se često primjenjuje pri zavarivanju visokočvrstih čelika.

Određivanje temperature predgrijavanja. Ukoliko nema podataka iz proteklih procesa zavarivanja ili podataka iz literature, prvi je korak korištenje jedne od računskih metoda za određivanje minimalno potrebne temperature predgrijavanja. Tako je za čelike povišene čvrstoće pogodna metoda autorima Ito i Bessy-u. Po ovoj metodi potrebno je za proračun temperature predgrijavanja uzeti u obzir mikrostrukture, vodika i vlačnih reakcijskih naprezanja da bi se spriječila pojava hladnih pukotina.

Parametar sklonosti pukotinama:

Pw = PCM + , %

ili  Pw = PCM + , %

H ....sadržaj difuzijskog vodika u zoni taljenja prema japanskoj glicerinskoj probi.

Konverzija IIW probe u glicerinsku probu vrši se formulom:

Hjap= 0.64 HIIW - 0.39

d ......... debljina materijala, mm

K ......... reakcijska zaostala naprezanja ovisna o upetosti zavarenog spoja, N mm-2

K = Ko . d , (10 N mm-1)

d = debljina lima u mm (formula vrijedi za debljine do 150 mm).

Kasnije su istraživači Suzuki i Yurioka predložili točniji izraz za debljine do 38 mm:

K = 1352 d - 14.75 d2

PCM...... ekvivalent ugljika prema Ito i Bessyo

PCM = C +

Temperatura predgrijavanja za ZUT, ako se uvrsti sastav OM ili za ZT, ako se uvrsti sastav ZT.

To = 1440 .Pw - 392, oC

Područje važnosti izraza za To :

C = 0.07 - 0.22 %

Si = 0.60

Mn = 0.4 - 1.4

Cu < 0.5

Ni < 1.2

Cr < 1.2

Mo < 0,7

V < 0.15

B < 0.05

Sadržaj difuzijskog vodika: 1-5 cm3/100 gr Fe , debljina materijala: d < 50 mm.

Izračunavanje temperature predgrijavanja prema Ito i Bessyo se preporuča za visokočvrste čelike (HSLA)

Zaostala naprezanja i zaostale deformacije (ZN I ZD)

Za vrijeme i nakon zavarivanja, termičkog rezanja ili žlijebljenja javljaju se zaostala naprezanja i deformacije. Zbog pojmovnog razlikovanja zaostala naprezanja od zavarivanja nazivaju se i zaostale napetosti. U daljnjem tekstu se razmatraju ZN i ZD nakon zavarivanja.

Zaostale napetosti kod zavarivanja su posljedica lokalnog zagrijavanja.

Uzrok i mehanizam nastajanja Zn i ZD

Lokalno unošenje topline je uzrok ZN i ZD. Kada se pri zagrijavanju ili hlađenju javljaju naprezanja u bilo kojoj zoni preko Re (granice razvlačenja) dolazi do trajnih deformacija, tada će se nakon potpunog hlađenja u tom dijelu javiti ZN. ZN se javljaju i u hladno deformiranim predmetima, pri toplinskim obradama u odljevcima i otkovcima, pri svakom lokalnom grijanju na temperature kada materijal prelazi u plastično stanje. I brušenje sa jakim lokalnim zagrijavanjem rezultirat će vlačne ZN.

Zagrijavanje upetoe šipke u čeljustima škripca. Nakon hlađenja upeta šipka ispada iz čeljusti.

Ako se zagrijava šipka umetnuta u čeljust škripca trebalo bi doći do produženja šipke za l. Ako se spriječi istezanje ili stezanje l, javit će se naprezanja (pri čemu može doći do izvijanja šiple ili poprimanja bačvastog oblika) .

l1 = . l 0 . T ; = e ;

x = x . E

= . T . E

 Vrste zaostalih naprezanja

Podjela, prema dimenzijama u kojima ih promatramo:

I. vrste - makro dimenzija, područja preko 1 mm.

II. vrste - mikro dimenzija 1-0.01 mm. Napr. unutar kristalnih zrna, između lamela Fe3C i lamela ferita u strukturi perlita. Ove dvije faze imaju različit koeficijent linearnog toplinskog istezanja, pa će između njih postojati naprezanja.

III. vrste - submikroskopskih dimenzija, 10-2 do 10-6 mm zbog nepravilnosti kristalne rešetke.

Podjela prema smjeru:

x ..... u smjeru osi zavara

y ..... poprečno na smjer zavara

z ..... okomito na debljinu zavara (u smjeru debljine lima)

Vrste zaostalih deformacija

1. Podužne ........ stezanje u smjeru dužine zavara, x.

2. Poprečne ...... stezanja poprečna na zavar, y.

3. Po debljini ... stezanja po debljini (visini) zavara, z. Obično ih se zanemaruje.

4. Kutne deformacije.

5. Savijanja po dužini.

6. Torzijske deformacije, napr. kod I nosača.

 

Smjerovi i vrste stezanja odnosno deformacija nakon zavarivanja. Veća masa zavara na gornjoj strani V zavara uzrokuje kutne deformacije i savijanje po dužini zavara.

Nepovoljani utjecaji zaostalih naprezanja i zaostalih deformacija

     1. Zbrajanjem radnih i zaostalih naprezanja smanjuje se nosivost konstrukcije.

2. Kod debelostijenih konstrukcija ZN su troosne što povećava sklonost krhkom lomu i olakšava inicijaciju i propagaciju pukotina. Posebno nepovoljne su vlačne zaostale napetosti.

    3. Visoka razina vlačnih ZN i zbroj radnih i ZN povećava sklonost pojavi pukotina zbog korozije uz naprezanje kao i drugim vrstama korozije. Bitno se smanjuje i dinamička nosivost pri visokim vlačnim naprezanjima.

    4. Deformacije, koje predstavljaju odstupanja od teorijskog oblika (pravac, ravnina, kružnica, valjak, kugla) uzrokuju dodatna naprezanja na savijanje, smanjuju stabilnost konstrukcije, pa je pouzdanost deformiranih elemenata smanjena. Stezanja i deformacije se ne mogu izbjeći, ali se mogu spriječiti prevelika odstupanja od teorijskog oblika.

Mjere za smanjenje ZN i ZD

Nije moguće potpuno spriječiti odnosno otkloniti ZN i ZD, ali postoje razne mjere za smanjenje iznosa ZN i ZD. Mjere koje se koriste za smanjenje ZD, ali ujedno smanjuju i razinu ZN su:

1. Smanjenje količine depozita: presjeka i debljine zavara, dužine i broja zavara, broja prolaza i unosa topline. Ove mjere smanjuju količinu lokalno unešene topline.

2. Korištenje steznih naprava. Ako se učvrste limovi onda se onemogući slobodno stezanje, što će bitno smanjiti kutne deformacije.

3. Stavljanje izvan pravog položaja. Kada se zna kolika su stezanja ili kutne deformacije nakon zavarivanja, možeb se postaviti za tu vrijednost izvan pravog položaja, da bi deformacije dovele nakon zavarivanja predmete u željeni položaj.

          4. Predsavijanje. Moguće je u suprotnom smjeru od kutnih deformacija deformirati - predsaviti napr. lamele I nosača                prije zavarivanja.

5. Slijed zavarivanja. Zavarivanje od jednog kraja predmeta do drugog kraja je najjednostavnije, ali daje najvića naprezanja i deformacije na kraju zavara. Zato se primjenjuju različite tehnike pri polaganju pojedinih prolaza:

- u jednom smjeru (nepovoljno),

- povratni korak (rakov korak),

- na preskok,

- u blokovima,

          -kaskadno.

ZAVARLJIVOST ČELIKA

Nelegirani čelici. Najvažniji prateći element kod nelegiranih konstrukcijskih čelika je ugljik. Njegov se sadržaj kreće u granicama 0.1 - 0.6 %. Sadržaj ostalih pratećih elemenata se orjentacijski kreće do: 0.5 % Si 0.1 % Al 0.8 % Mn 0.1 Ti 0.05 % S 0.25 Cu (iz otpada pri dobivanju čelika) 0.05 % P

Za razliku od nelegiranih čelika niskolegirani čelici sadrže do 5% legiranih elemenata (Ni, Cr, Mo, V i drugi), a visokolegirani čelici preko 5%.

Postupci dobivanja čelika: Thomas, Siemens - Martin, elektropostupak, propuhavanje kisikom određuju sastav i svojstva čelika, te njegovu zavarljivost. Postupak Thomas je ekonomičan, ali daje čelik s povišenim sadržajem N i P.

S obzirom na dodatke za dezoksidaciju: Si, Mn, Al mogu se proizvesti u čeličani:

Neumireni čelik, bez dezoksidacije, s nepoželjnim segregacijama, ali mekanom površinom pogodnom za duboko vučenje. Ova vrsta čelika je najjeftinija.

Poluumireni s djelomičnom dezoksidacijom. Ima manje izražene segregacije.

Umireni čelici se umiruju s dezoksidantima u dovoljnim količinama.

Posebno umireni čelici osim Si sadrže Al kao dezoksidant. Al2O3 služi kao tvorac klica kristalizacije i dobiva se sitnozrnati čelik s dobrom udarnom žilavosti, otpornosti starenju, jer se dušik veže u aluminij nitrid. Sadržaj Al mora biti veći od 0.02%.

Pri dobivanju numirenih čelika talina je nemirna, jer se razvijaju plinovi, CO, a u manjoj mjeri i SO2 uzrokovani reakcijama:

FeO + C = Fe + CO

2FeO + FeS = 3Fe + SO2

Ingoti pri dobivanju neumirenih čelika sadrže poroznost, koji se toplim valjanjem zavare i ne uočavaju se kasnije. Također, neumireni čelici imaju izažene segregacije. Tablica 1.

Tablica 1: Primjer različitog kemijskog sastava površinskog sloja i unutrašnjosti neumirenog čelika.

 P % S %

Prosječni sadržaj0.07 0.05

Površinski sloj0.04 0.02

Unutrašnjost0.20 0.12

Pri zavarivanju srednjih slojeva (unutrašnjosti) materijala, zbog visokog sadržaja P i S javljaju se teškoće: pukotine, poroznost, starenje, krhkost materijala.

Umireni čelici su skuplji, jer je manje iskorištenje ingota (zbog izgubljene glave), ali je zavarljivost bolja i posebno je bolja udarna žiilavost, odnosno žilavost loma.

Da se izvrši smanjenje sadržaja nepoželjnih plinova: H, O i N može se rastaljeni čelik otplinjavati vakuumom. U svrhu prečišćavanja čelika od raznih nečistoća već odlivene gredice se pretaljuju postupcima: pod troskom, plazmom, snopom elektrona ili elektrolučno u vakuumu. Ovakovi čelici su čišći, otporni na trganje u slojevima i s boljim mehaničkim svojstvima.

Za dobro zavarljive čelike se smatraju oni koji sadrže C < 0.25%. Za čelike s C > 0.25% je zavarljivost uvjetna, pa je potrebno provoditi određene mjere da se smanji vjerojatnost pojave pukotina i da se postignu zadovoljavajuša svojstva.

Kao potrebne mjere za kvalitetno zavarivanje nelegiranih konstrukcijskih čelika se predviđa:

a) Predgrijavanje. Na temperaturu predgrijavanja utječu osim %C i sadržaj ostalih elemenata, debljina stijenke, upetost i sadržaj difuzijskog vodika, pa treba dodatno koregirati temperaturu predegrijavanja.

Tablica 2: Temperatura predgrijavanja To pri zavarivanju nelegiranih čelika

C% To, oC

0.20 - 0.30 100 - 150

0.30 - 0.45 150 - 275

0.45 - 0.8 275 - 425

b) Zavarivati s većim unošenjem topline. Eef = , J/mm To se postiže manjom brzinom zavarivanja, jačom strujom, većim promjerom elektrode ili poprečnim osciliranjem. Rezultat je smanjenje zakaljivanja odnosno tvrdoće ZUT i ZT, manja vjerojatnost pojave hladnih pukotina. Većim unošenjem topline se postiže isto djelovanje na brzinu hlađenja kao predgrijavanjem.

c) Primjena bazičnih elektroda, koje daju veću istezljivost i udarnu žilavost, pa time i manju mogućnost pojave pukotina.

        d)      Oblikovanje konstrukcije treba smanjiti upetost, debljinu i diskontinuitete (koncentraciju naprezanja). Sadržaj S i P mora biti što manji. Obično se ograničava sadržaj na 0.05%P i 0.05%S. Današnji čelici sadrže obično ispod 0.035% P i isto toliko S, pa se može postaviti ova vrijednost kao maksimalna dozvoljena za dobru zavarljivost. Posebnim rafiniranjem je moguće je smanjiti sadržaj S na najviše 0.001% S. Ovakovi čisti čelici su otporni na pojavu toplih pukotina, pukotina zbog korozije uz naprezanje i na trganje u slojevima.

        e)       Popuštanje zaostalih napetosti za deblje zavarene proizvode, kada se javljaju opasna zaostala troosna naprezanja i sklonost krhkom lomu. Popuštanje zaostalih naprezanja toplinskom obradom se provodi obično na 550 - 650 oC. Popuštanje zaostalih naprezanja je moguće provoditi i mehaničkim obradama: vibracijama, prenaprezanjem i eksplozijom.

Spriječavanje krhkog loma. Sklonost krhkom lomu je uvjetovana:

svojstvima materijala (prelazna temperatura, starenje),

stanje radnih naprezanja, (troosno stanje naprezanja, povećava sklonost krhkom lomu),

zaostala naprezanja; najopasnija su troosna, koja se javljaju, ako je debljina zavara (lima) veća od 25 mm (ili >38 mm ovisno o propisima), pa se preporučuje popuštanje zaostalih naprezanja, da se smanji sklonost krhkom lomu;

koncentracija naprezanja, greške zavarenih spojeva,

niske temperature.

Pogodnim izborom materijala, oblikovanjem konstrukcije ispravnom tehnologijom i propisanim uvjetima eksploatacije moguće je izbjeći krhki lom. Inicijacija krhog loma je najčešće uzrokovana greškama zavarenih spojeva. Poznati su krhki lomovi brodova, mostova i na drugim većim objektima.

Udarna žilavost po Charpy ili žilavost loma KIC, CTOD, JIC su najbolji pokazatelji otpornosti krhkom lomu, a treba ih odrediti za OM, ZT i ZUT. Najniže vrijednosti moraju biti iznad zahtjevanih vrijednosti za osiguranje od pojave krhkog loma (napr. 35 J/cm2 ili 0.25 mm CTOD pri najnižoj temperaturi eksploatacije).

MIKROLEGIRANI I NISKOLEGIRANI FINOZRNATI VISOKOČVRSTI ČELICI

Finozrnati mikrolegirani čelici

Kod nelegiranih čelika se veća čvrstoća Rm i granica razvlačenja Re postižu povećanjem sadržaja ugljika. Povećanje čvrstoće je moguće i legiranjem čelika malim količinama jednog elementa ili više njih: Al, Nb,V, Ti i Zr uz dovoljno niski sadržaj C (obično 0,2 %C), čime se zadržava dobra zavarljivost. Budući da se navedeni elementi dodaju u malim količinama, ovi se čelici zovu mikrolegirani. U načelu sadržaj mikrolegiranih dodataka se ograničava kako slijedi 1 : Al - min 0,015 %, Ti 0.15 %, V 0.10% Nb 0.04 %.

Mikrolegirani elementi sa C i N tvore i izlučuju karbide, nitride i karbonitride, pomažu stvaranju finozrnate strukture i svojim izlučivanjem povećavaju čvrstoću (AlN, TiC, Ti(CN), TiN, V4C3, VC, NbC, Nb(CN). Kontroliranim valjanjem i termomehaničkom obradom u valjaonici moguće je kod ovih čelika postići povećanje čvrstoće.

Mikrolegirani elementi tvore i sulfide, karbosulfide i oksisulfide, čije je talište niže od Mn sulfida, pa su ovi čelici skloniji likvacijskim toplim pukotinama. Da se smanji vjerojatnost pojave ovih toplih pukotina, potrebno je smanjiti sadržaj s dodavanjem silikokalcija ili kalcija u lonac s talinom. Tako je moguće postići S < 0.01 %. Za čelike izložene koroziji uz naprezanje se traži ponekad S < 0.001 %.

Mikrolegirani čelici imaju pored visoke granice razvlačenja i čvrstoće i dobru udarnu žilavost. Jači pad žilavosti se može očekivati u ZUT zbog pogrubljenja zrna i brzog hlađenja (Widmannstätenova mikrostruktura). Zato je potrebno smanjiti unos topline (To i Eef). Za ove čelike se zato propisuje temperatura predgrijavanja To (i između prolaza Tm) da se izbjegnu hladne pukotine, a unos topline mora biti optimalni. Ne smije biti prevelik niti premalen. Emin < E < Emax. Kod mikrolegiranih čelika je najčešće lokalna grubozrnata krhka zona u ZUT, uz liniju taljenja, a ponekad je u području A1 - A3, u ZUT.

Niskolegirani visokočvrsti finozrnati čelici (HSLA, Re = 550 - 1000 MPa)

Isporučuju se iz željezare u poboljšanom stanju (engl. QT-- Quenched and Tempered). Nakon zavarivanja se ne predviđa toplinska obrada. U nekim slučajevima se provodi nakon zavarivanja ili toplog oblikovanja poboljšavanja. Poboljšavanje se vrši prvo austenitiziranjem, pa kaljenjem u vodi. Rezultat je sitnozrnata struktura martenzita i/ili međustruktura. Poslije se vrši popuštanje na 600-720 oC.

Zavarljivost ovih poboljšanih čelika se ne razlikuje bitno od mikrolegiranih čelika. Jedina razlika je pojava troostita ZUT između A1 - A3 te pojava omekšanja i pad čvrstoće ZUT na mjestu zagrijavanja na temperaturu oko 600 oC.

Toplinski input pri zavarivanju se mora držati u strogim granicama. Legiranje čelika se vrši s Ni,Cr,Mo uz mikro legiranje s Zr ili Ti, B, V.

Primjer sastava čelika NAXTRA - 70: C 0,20; Si 0,6; Mn 0,9; P 0,035; S 0,035; Cr = 0.6 - 1.0; Mo 0,2 - 0,6; Zr 0.06 - 0.12.

LEGIRANI Mo, CrMo i CrMoV ČELICI

Ova grupa čelika je predvi|ena za rad na visokim temperaturama u parnim kotlovima, turbinama, rafinerijama nafte i drugim postrojenjima gdje se traži visoka čvrstoća na puzanje (Rm/200.000/T, R1%/200.000/T) i trenutna čvrsto}a (Rp0.2/T, Rm/T) pri visokim temperaturama. Najčešće se ovi čelici koriste za cijevi, komore i posude pod tlakom.

Ovi čelici postižu višu čvrstoću na visokim temperaturama legiranjem s 0.5-1.0% Mo, 0,5-12.0% Cr i 0,3-0,7 V.

Cr i Mo povećavaju prokaljivost, a Cr poboljšava otpor na oksidaciju pri visokim temperaturama, jer stvara zaštitni oksidni sloj na površini.

Tipični sastavi ove grupe čelika dani su u doljnjoj tablici. Detaljnije o zavarivanju i zavarljivosti jače legiranih čelika kao što su napr. 5Cr0,5Mo, 9Cr1Mo i 12Cr1Mo0.3V (X20CrMoV12.1-oznaka po DIN) vidjeti u poglavlju 12 “Visokolegirani Cr čelici martenzitnog i feritnog tipa”.

Kemijski sastav tipičnih vrsta legiranih Mo, CrMo i CrMoV čelika

( DIN oznaka)

Kem. sastav

C Mn Si Cr Mo

Maksimalna radna

temperatura oC

(15Mo3)

C - Mo0,1 - 0,2 0,3 - 0,8 0,1 - 0,5 - 0,44 - 0,65 525

0.5 Cr 05 Mo

0,1 - 0,2 0,3 - 0,61 0,1 - 0,3 0,5 - 0,81 0,44 - 0,65 550

(13CrMo44)

1 Cr 0,5 Mo0,17 max. 0,4 - 0,65 0,15 - 0.30 0,9 - 1.15 0.45 - 0,65 550

(10 CrMo 910)

2.25 Cr 1 Mo

0,15 max 0,3 - 0,6 0,5 max 2.0 - 2.50 0,90 - 1.10 575

3 Cr 1 Mo

0,15 max 0,3 - 0,6 0,5 max 2.75 - 3.75 0,90 - 1.10 590

5 Cr 0,5 Mo

0,12 max 0,3 - 0,6 1 - 2 4 - 6 0,45 - 0,65 650

9 Cr 1 Mo

0,15 max 0,3 - 0,6 0,25 - 1.00 8 - 10 0,9 - 1.1 675

Pomoću ekvivalenta ugljika se može procijeniti zavarljivost. Najčešće se koristi formula MIZ:

Zavarljivost i prokaljivost čelika s više legiranih dodataka se povećava, pa se tvrdoća ZUT i ZT povećava. Sklonost hladnim pukotinama ovih ovih čelika u ZUT i ZT se povećava povećavanjem sadržaja legiranih elemenata, povećanjem čvrstoće i tvrdoće.

Za spriječavanje hladnih pukotina potrebno je:

1. Korištenje elektroda s niskim sadržajem difuzijskog vodika ( podrazumijeva se pečenje, sušenje i pravilno rukovanje elektrodama). U nekim slučajevima se preporučuje primjena austenitnih elektroda, posebno ako nije moguća naknadna toplinska obrada.

2. Predgrijavanjem, izborom odgovarajućeg toplinskog inputa i naknadnom toplinskom obradom.

Predgrijavanje služi za spriječavanje pukotina pri zavarivanju i za postizanje optimalnih svojstava zavarenog spoja.

C - Mo čelike, u principu, do 10 mm debljine ne treba predgrijavati a preko 10 mm je potrebno na oko 200 oC. Jače legirane materijale (1 Cr 0,5 Mo i 2.25 Cr 1 Mo ) treba predgrijati na 200-300 oC. Temperaturu predgrijavanja se preporučuje računati prema formuli Sé fé riana.

Izračunavanje temperature predgrijavanja prema Séférianu:

To = 350 , oC

C % ukupni ekvivalent ugljika čelika, koji je zbroj kemijskog ekvivalenta ugljika C c i ekvivalenta ugljika vezanog za debljinu C h :

C = C c + C h

Kemijski ekvivalent ugljika C c se može izračunati iz formule:

360 C c = 360C + 40 (Mn+Cr) + 20 Ni + 28 Mo

Ekvivalent ugljika vezan za debljinu: C h= 0.005 . h C c; gdje je h debljina lima u mm.

C = C c (1 + 0.005 h).

Mjere osiguranja kvalitete pri zavarivanju. Pri zavarivanju treba paziti na čistoću rubova, izbor i rukovanje dodatnim materijalom (suhe bazične elektrode), temperatura između prolaza Tm ne smije biti previsoka. Tehnika polaganja gusjenica "povlačenjem" je bolja od "njihanja", jer smanjuje deformacije i daje bolju udarnu žilavost.

Naknadna toplinska obrada je načelno potrebna za ovu grupu čelika za čelike 1 % Cr. Za slučajeve kada će zavareni spoj u eksploataciji biti izložen dovoljno visokim temperaturama ( 490 oC), tada nije potrebna naknadna toplinska obrada za popuštanje tvrdoće, jer će visokom radnom temperaturom doći do popuštanja tvrdoće.

Za proizvode iz čelika ove grupe koje se isporučuju u poboljšanom stanju nakon zavarivanja se preporučuje ponovo provođenje poboljšanja (kaljenje+popuštanje) da bi se postigla zahtjevana svojstva.

Nakon zavarivanja uz predgrijavanje, ako je potrebna naknadna toplinska obrada, preporučuje se odmah dizati temperaturu od temperature predgrijavanja na temperaturu odžarivanja. Time smanjujemo troškove ponovnog zagrijavanja, ali i opasnost pukotina pri hlađenju nakon zavarivanja i ponovnom zagrijavanju.

Nakon zavarivanja uz predgrijavanje preporučuje se odmah podizanje temperature na temperaturu toplinske obrade. U praksi se to čini napr. na cijevnim zavarenim spojevima pojačavanjem snage električnih ili indukcijskih grijača.

SIVI LIJEV

Sivi lijev (SL) je Fe legura s >2 %C, koja kristalizira mješovito. Primarna kristalizacija i prvi dio sekundarne kristalizacije je stabilan, a drugi dio sekundarne kristalizacije je metastabilan.

Stabilna kristalizacija kod čistih Fe-C legura je moguća pri vrlo sporom hlađenju (vhl ). Ako se doda Si 1.5 % ili više kao grafitizator, pospješit će se stabilna kristalizacija.

Kemijski sastav SL orijentacijski se kreće u granicama:

2.5 - 4.5 C

1.0 - 4.0 Si

0,3 - 1.0 Mn

0,1 - 1.5 P

< 0.1 S

Mangan - je cementator i nije poželjan. Potreban je, jer ima afinitet prema S i tvori MnS, koji nije štetan za razliku od FeS koji je nepovoljan. MnS je lakši i ispliva u talinu. Sadržaj Mn se određuje odnosom: Mn = 1.7 S+0.3

Fosfor čini odjevak krhkijim, ali se dodaje SL, jer povećava livljivost budući da povećava žitkost taline, pa talina bolje ispunjava kalupe tankostijenih odljevaka. Zato radijatori za centralno grijanje sadrže 0.8 - 1.5 P.

Sumpor se nalazi u obliku MnS i ne treba ga biti više od 0.12 %, jer čini SL tvrdim, krhkim i slabije žitkim, pa smanjuje sposobnost lijevanja.

Mehanička svojstva ovise o kemijskom sastavu i kreću se u granicama:

Rm = 200 - 400 MPa

Re = (0.8 - 0.9)Rm

HB= 100 - 340

A5 < 0.5 %

U odnosu na čelik SL ima slabija mehanička svojstva, ali se koristi jer je jeftiniji. Od dobrih svojstava za SL se navode: antifrikcijska svojstva i prigušenje vibracija.

Zbog izlučenog grafita u SL u obliku listića koji su nemetalni uključci, diskontinuiteti i koncentratori naprezanja u temeljnoj čeličnoj perlitno-feritnoj ili perlitnoj strukturi (matrici) SL, istezljivost A5 je vrlo mala, što čini SL krhkim i teško zavarljivim uobičajenim postupcima zavarivanja "u hladnom stanju". Boja preloma SL je siva od grafita, koji se nalazi na prelomnoj površini. Bijeli lijev ima sav ugljik vezan u cementit i prelomna površina je bijele boje, a bijeli lijev je krhak i tvrd.

Prikaz strukture sivog lijeva sa izluženim grafitom u obliku listića - shematski prikaz feritno-perlitne strukture matrice

Modificirane vrste lijevova kod kojih se grafit izlučuje u obliku pločica, zvijezdica ili kuglica (cijepljeni, kovkasti ili žilavi - nodularni lijev) imaju bitno bolju istezljivost i do 15 %, što povoljnije utječe na zavarljivost.

Glavna tećkoća pri zavarivanju SL je nepovoljan kemijski sastav i izlučeni grafit, koji pri taljenju i brzom hlađenju pri zavarivanju daju tvrde i krhke strukture. Već iznad 0.25 % C se smatra čelik teže zavarljivim, a SL sadrži 3-4 % C.

Zavarivanje i zavarljivost SL

U daljnjem tekstu se razmatra zavarljivost i zavarivanje klasičnog SL sa izlučenim grafitom u obliku listića. Zavarivanje i navarivanje dijelova se primjenjuje za popravak oštećenih dijelova. U slične svrhe se koristi zavarivanje i navarivanje SL u ljevaonicama SL za popravak defektnih novih odljevaka. Zavarivanje SL se ne primjenjuje u prizvodnji novih dijelova.

Za zavareni spoj ili za navar se postavljaju najčešće slijedeći zahtjevi:

- samo mehanička nosivost,

- samo nepropusnost,

- dobra mogućnost strojne obrade,

- kombinacije gornjih zahtjeva.

Izbor postupka zavarivanja ovisi o postavljenim zahtjevima i mogućnostima realizacije.

Postupci (načini zavarivanja SL)

1. U toplom ili polutoplom stanju. Cijeli se predmet se zagrijava na 580 - 600 (ponekad i do 800) oC. Ako se zagrijava samo dio uz zavareni spoj, tada se predgrijavanje vrši na 300 - 400 oC i naziva se polutoplo zavarivanje. Polutoplo zavarivanje se dopušta za odljevke jednostavne konfiguracije.

2. U hladnom stanju, kada se ne predgrijava predmet.

Zavarivanje SL u toplom i polutoplom stanju.

Najbolji rezultati zavarivanja SL se postižu ako se predmet zagrije na 580 - 600 oC. Zagrijavanje se vrši u nekoj peći, obično provizornoj, koja održava temperaturu predgrijavanja tijekom zavarivanja. Zagrijavanje predmeta na temperaturu predgrijavanja mora biti dovoljno sporo, da se izbjegnu razlike u temperaturama pojedinih mjesta odljevka. Razlike u temperaturi uzrokuju temperaturna naprezanja, a posljedica mogu biti pukotine ili lom po čitavom presjeku komada. Dopuštena brzina zagrijavanja ovisi o složenosti odljevka. Za složene odljevke kakovi su napr. blokovi motora, s tankim i debelim stijenkama brzina zagrijavanja treba biti napr. 10 - 15 oC/h što će zahtijevati vrlo dugo vrijeme zagrijavanja na 600 oC (39 h). Svakako bi za komplicirane odljevke brzina zagrijavanja trebala biti najviše 40 oC/h.

Predmet predgrijan na 600 oC se pokrije izolacijom, a samo se mjesto zavarivanja ostavi pristupačno, jer predmet isijava toplinu i zavarivač bi teško mogao raditi. Izolacija i štedi energiju, te se postiže brže zagrijavanje na temperaturu predgrijavanja. Nakon završetka zavarivanja predmet se treba što sporije hladiti; istom brzinom kao i pri zagrijavanju. Ako tijekom zavarivanja predmet nije bio jednoliko zagrijan, tada ga treba jednoliko zagrijati na temperaturu za popuštanje zaostalih napetosti, 650 oC, pa sporo hladiti, napr. 15 oC/h. Sporo hlađenje se može postići hlađenjem u peći, ako je masa predmeta i peći dovoljno velika. Za predmete, koji nisu kompliciranog oblika (rebra za ukrućenja, tanke i debele stijenke na istom predmetu) i hlađenje kao i zagrijavanje mogu biti znatno brži.

Ako je odljevak jednostavnog oblika i kontinuiranog presjeka (napr. cijev), tada se može samo lokalno zagrijati mjesto zavarivanja ili navarivanja, jer će biti omogućeno istezanje i stezanje pri zagrijavanju, zavarivanju i hlađenju. U ovom slučaju je moguće odljevak predgrijati samo lokalno, po opsegu, pa se ovakav postupak zavarivanja naziva u "polu toplom stanju"

U toplom stanju se može zavarivati elektrolučnim ili plinskim postupkom zavarivanja.

Dodatni materijal za zavarivanje u toplom ili polutoplom stanju je također sivi lijev sastava (%): 3.0-3.6 C, preko 3.0 Si, 0.5 - 0.8 Mn, najviše 0.6 P, najviše 0.1 S.

Može se uočiti visok sadržaj Si u odnosu na osnovni materijal, koji treba osigurati potpuno izlučivanje grafita u zoni taljenja. Debljina šipki dodatnog materijala je 4-12mm, a za elektrolučno zavarivanje i do 20 mm. Presjek je okrugli, kvadratni, pravokutni ili trapezni. Šipke su pune ili imaju žlijebove s topiteljima, koji olakšavaju prečišćavanje kupke ili stabiliziraju električni luk kod elektrolučnog zavarivanja.

Iste šipke se u principu mogu koristiti i za plinsko i elektrolučno zavarivanje. Jakost struje kod elektrolučnog zavarivanja se kreće pd 180 A za šipku-elektrodu 4 mm promjera, pa do 1000 - 1500 A za promjer 20 mm. Veličine sapnica (dizni) za plinsko zavarivanje se kreće od

malih do najvećih za najdeblje šipke. REL zavarivanje se može provoditi i ugljenim elektrodama uz dodatni materijal-šipke.

Poznata je i primjena elektrodnih žica s jezgrom za automatsko i poluautomatsko zavarivanje i navarivanje SL u zaštiti CO2. Sastav depozita se može postići po želji.

Toplo zavarivanje uz visoko predgrijavanje, kada SL može izdržati deformacije omogućava postizanje kvalitetnog homogenog spoja, bez pukotina. Također, sporo hlađenje kupke, a kasnije zavara skupa s odljevkom rezultirat će u kvalitetnom zavarenom spoju bez pukotina.

Hladno zavarivanje

Vrlo često nije moguće iz raznih razloga zavarivati SL u toplom stanju: velik predmet, fino obrađene površine s tolerancijama, veliki troškovi..., pa se zavarivanje vrši u hladnom stanju i to samo REL postupkom zavarivanja.

Dodatni materijal - elektrode za hladno zavarivanje SL su bitno različite od sastava SL. Koriste se ove vrste:

1. Obična nelegirana elektroda bazična, kisela...

2. CrNi visolegirana

3. Monel (67 % Ni, 33 % Cu)

4. Ni

5. Fero-nikl (50 % Ni, 50 % Fe)

Za postizanje nepropusnih zavarenih spojeva preporučavaju se različite izvedbe prema slici 2. Monel, Ni i CrNi elektrode su skupe, pa se nastoje koristiti jeftine nelegirane elektrode gdje god je to moguće.

Sl. 2 Primjeri različitih izvedbi korišćenja dodatnog materijala pri hladnom zavarivanju SL.

Kod hladnog zavarivanja treba osigurati da predmet ostane što hladniji i da se ne nagomilavaju zaostale napetosti. Zato se preporučavaju napr. kratki zavari 15-20 mm za monel elektrode i 40-60 mm za obične nelegirane elektrode. Time se ujedno može udovoljiti zahtjevu da nakon ohlađivanja dijela zavara temperatura mjesta na kojem se nastavlja zavar ne treba biti viša od 70 oC. Jednostavna kontrola ove temperature je držanje ruke na mjestu kontrole. Ruka može izdržati još tu temperaturu. Da se izbjegnu visoka zaostala naprezanja i loklno zagrijavanje treba zavarivati kratke zavare, primjenjivati rakov korak, zavarivanje na preskok i mijenjati mjesto zavarivanja.

Za smanjenje sila stezanja preporučuje se primjena čekićanja zavara (sl. 3).

Sl. 3. Čekićanjem se smanjuju sile stezanja i smanjuje vjerojatnost pojave pukotina.

Za prijenos mehaničkih sila preporuča se na spojevima predvidjeti rupe s navojima u koje se uvrću vijci (sl. 4). Zavarivanjem preko vijaka se postiže međusobna mehanička veza. Ako su se pojavile pukotine u ZT ili u ZUT, tada će sile prenositi spoj vijaka sa zavarom. Pojačanje zavara SL se može izvesti i prema slici 5. slika 6 pokazuje slijed navarivanja šupljine na odljevku iz SL.

Slika 4. Priprema žlijeba za zavarivanje SL. Za veće debljine se mogu ugraditi zatični vijci. Rupe s navojima treba bušiti na različite debljine da se smanji opasnost od loma. Ako su rupe iste dubine postoji opasnost loma. 

Slika 5. Čelična mehanička pojačanja na SL

 Sl. 6. Slijed navarivanja šupljine na odljevku iz SL

IZVORI STRUJE ZA ZAVARIVANJE

Izvori struje za zavarivanje su takovi električni uređaji koji daju na mjestu zavarivanja električnu struju sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje.

Kada su priključeni na električnu mrežu (trofaznu ili monofaznu) kaže se da su u praznom hodu (uređaj je pod naponom, spreman za rad, ali se još nije uspostavio električni luk). Napon praznog hoda mora biti dovoljan da se uspostavi električni luk, ali ne smije biti previsok da bi

ugrozio čovjekov život (u nekim nepovoljnim slučajevima). Obično je napon praznog hoda kod ručnih uređaja oko 40 do 60 volti, a kod automatskih ne iznad 100 V (110 V).

Uređaji za zavarivanje:

1. Transformatori 2. Ispravljači 3. Rotacijski pretvarači 4. Agregati 5. Inverteri

Shema sistema za zavarivanje

 

1. Transformatori

Transformatori za zavarivanje su najprošireniji, najviše upotrebljavani izvori struje za zavarivanje koji izmjeničnu električnu struju transformiraju u također izmjeničnu struju sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje.

 

Rad transformatora se zasniva na principu elektromagnetske indukcije. Kada kroz primar transformatora prolazi električna struja, formira se magnetsko polje (smjer silnica magnetskog polja se određuje po pravilu “desne ruke”). Kada se vodič (u ovom slučaju sekundar transformatora) nađe u promjenljivom magnetskom polju, tada se na njegovima krajevima detektira razlika potencijala, tj. napon.

Ako se koriste kod REL zavarivanja, njihova je statička karakteristika strma. Koeficijent iskorištenja takvog transformatora je =0,95 0,99. Statička karakteristika transformatora se može mijenjati u određenom području.

 

Načini promjene statičke karakteristike transformatora: - pomična ili zakretna kotva,

- transformator sa prigušnicom

 

 

 

 

2. Ispravljači

Ispravljači su takovi izvori struje za zavarivanje koji daju istosmjernu struju za zavarivanje sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje. Uobičajeno se napajaju trofaznom izmjeničnom strujom. Nakon transformacije struje pomoću transformatora za zavarivanje, slijedi ispravljanje struje (poluvodičke diode, tiristori, tranzistori, …)

 

Princip ispravljanja izmjenične struje u istosmjernu pomoću poluvodičke diode.

 

 

 

 

Poluvodiči ( Silicij, Arsen, Selen, ... )

N - poluvodič

Z - zaporni spoj

P - poluvodič

Sve te diode idu iza transformatora koji je tipičan transformatoru za zavarivanje, ali ne i jednak. Danas se za ispravljanje izmjenične u istosmjernu struju koristi moderna tiristorska i tranzistorska tehnika, dok se ispravljanje struje pomoću poluvodičkih dioda rjeđe susreće na starijim izvorima struje u pogonima.

Ovisno o namjeni (koji postupak zavarivanja), statička karakteristika izvora struje može biti strma ili položena. Napr. Za poluautomatsko zavarivanje MAG – položena, za EP (do promjera žice za zavarivanje 3 mm) – položena, za EP (preko 3 mm promjer žice) – strma, …

Izvedba ispravljača za zavarivanje: Transformator + ispravljački dio

Prednost ispravljača nad transformatorima:

- daju stabilniji električni luk (nema promjena kretanja električnog luka 50 puta u sekundi)

Nedostaci u odnosu na transformatore:

- skuplji su od običnog transformatora,

osjetljivi su na pad napona, imaju manji stupanj iskorištenja,

Rotacijski pretvarači

Rotacioni pretvarači su takvi izvori struje za zavarivanje koji struju iz električne mreže posredstvom elektromotora i generatora pretvaraju u struju vrlo dobrih karakteristika pogodnih za zavarivanje. Namjenjeni su za rad u terenskim uvjetima i na mjestima sa nestabilnom električnom mrežom (velike i česte oscilacije napona). Iako je to vrlo rijetko u praksi, iza generatora može slijediti ispravljački dio, pa se na mjestu zavarivanja može imati pored izmjenične i istosmjerna struja.

Prednost pretvarača pred ispravljačima ja da lako transformiraju električnu struju napona 380 V na 50 V. Nedostatak je što su bučni u radu i imaju niži stupanj korisnog djelovanja. Cijena im je viša u odnosu na transformatore i ispravljače.

1. Agregati za zavarivanje

Agregati za zavarivanje neovisni su o električnoj mreži, tj. pogodni su za montažu. Pogone se od strane disel ili benzinskog motora, a on pokreće generator koji daje struju karakteristika pogodnih za zavarivanje. Cijena im je značajno viša u odnosu na transformatore i ispravljače.

2. Invertori za zavarivanje

Invertori daju istomjernu ili visokofrekventnu pulsirajuću struju. Pojavili su se na tržištu u relativno novije vrijeme i sve se više koriste u praksi zbog niza prednosti u odnosu na ostale izvore struje za zavarivanje. Pored toga što daju stabilnu karakteristiku električne struje za zavarivanje, prednosti im je izuzetno mala težina u odnosu na ostale izvore struje za zavarivanje. Ova ušteda u težini postignuta je smanjenjem dimenzija transformatora, koji je za frekvenciju mreže od 50 Hz masivan da se onemogući pretjerano zagrijavanje u radu. Inverter se sastoji od ispravljača koji daje istosmjernu struju napona gradske mreže, zatim tiristorskog dijela koji “sjecka” istosmjernu struju i daje impulse fekvencije čak do 50 kHz. Ovi visokofekventni impulsni napona gradske mreže se zatim transformiraju na napon potreban u

zavarivanju. Zbog visoke frekvencije ne dolazi do zagrijavanja transformatora (“skin - efekt”). U sljedećem je koraku moguće te impulse stopiti da daju istosmjernu struju.

 

Intermitencija stroja za zavarivanje:

Vrijeme ciklusa (tc) = vrijeme rada (tr) + vrijeme hlađenja (th) = 10 min

Napr. izvor struje ima intermitenciju = 30 % kod jakosti struje 200 A. To znači da je moguće normalno vrijeme rada kod te struje tr = 10 min. = 0,3 10 = 3 min., a potrebno vrijeme hlađenja th = 10 – 3 = 7 min.

Isti taj izvor struje može napr. imati intermitenciju = 100 % kod jakosti struje 120 A. To bi značilo da izvor struje može raditi neprestano kod te vrijednosti jakosti struje, a da se neće pregrijati u radu (neće se uključiti sigurnosna sklopka).

Podaci vezani uz intermitenciju stroja nalaze se na svakom izvoru struje za zavarivanje.

Kod zavarivanja se koristi i termin intermitencija pogona za zavarivanje. Ona se odnosi na udio stvarnog gorenja električnog luka tijekom radnog dana. Kod REL zavarivanja se smatra dobrom intermitencijom pogona vrijednost intermitencije od 30 %. Samo kod dobro organiziranih pogona može dostići vrijednost čak do 50 %. Jasno je da pri zavarivanju postoje različita pripremno završna i pomoćna vremena (izmjena elektrode, čišćenje šljake, okretanje komada i dr.). Ova se vrijednost koristi za proračun troškova zavarivanja i norme zavarivačkih radova.

Električni luk – pojave u električnom luku i primjena u zavarivanju

Električni luk je trajno i snažno pražnjenje u ionizirajućem plinu na prostoru između vrha elektrode i radnog komada u strujnom krugu tijekom elektrolučnog zavarivanja.

 

Magnetsko puhanje električnog luka izraženo je kod zavarivanja istosmjernom (DC) strujom, a uzrikuje skretanje električnog luka (može biti tako jako da izazove gašenje električnog luka nakon nekoliko skretanja – otklanjanja električnog luka). Ako i ne dođe do gašenja električnog luka, magnetsko puhanje električnog luka svakako smeta pri zavarivanju. Električni luk je nemiran (nestabilan), čas je duži čas je kraći, dovoljno ne tali osnovni materijal, uzrokuje nepravilna gibanja kapljice na vrhu elektrode, te neželjena rasprskavanja kapljice. Na sljedećim je slikama prikazano nekoliko karakterističnih slučajeva magnetskog puhanja električnog luka pri zavarivanju.

Veće “puhanje” luka na početku i na kraju ploče, a normalan luk u sredini ploče

Skretanje luka pri zavarivanju. Nedovoljno protaljivanje i jedne stranice žlijeba ili naljepljivanje.

Mjere za sprečavanje magnetskog puhanja električnog luka:

1. Naginjanje elektrode u smjeru magnetskog puhanja električnog luka pri REL zavarivanju (izvodi zavarivač). Na taj se način električni luk može dovesti u vertikalni položaj. Ovo i nije baš pouzdana metoda. Ukoliko ne postoji mogućnost korištenja

izmjenične struje, a “puhanje” je značajno, postoji mogućnost priključivanja druge “mase”.

 

Otklon elektrode u smjeru “puhanja” luka. Električni luk se dovodi u vertikalni položaj.

2. Pravilnim postavljanjem priključaka električne struje

Iskorištenje efekta “puhanja” električnog luka. Lakše izvođenje kutnog zavara.

3. Postavljanjem više “masa”

4. Upotrebom pomičnog kontakta (“mase”) na osnovnom materijalu

 

 5. Dodatno magnetsko polje za upravljanje električnim lukom

ZAVARIVANJE TALJENJEM

 

ZAVARIVANJE PRITISKOM