UVOD

Ovo seminarskom radu se opisuje proces zavarivanja pod troskom, uključujući osnove o materijalu, oprema, sigurnost, potrošni materijal, aplikacije, kontrole kvalitete, kvalifikacija, obuke u rješavanju problema i definicije povezane s procesom.

Proces je patentiran od strane Robert K Hopkins u USA u veljači 1940. U ranim 1950. godinama ruski naučnici sa Instituta za električno zavarivanje „Paton“ su najavili razvoj strojeva koji su koristili princip elekro provodljivih šljaka kako bi dobili vertikalan zavar u jednom prolazu. Nakon dodatnog rada u Čehoslovačkoj na Institutu za zavarivanje strojevi za zavarivanje pod troskom su 1958. godine prošireni na zapadnu Europu a godinu kasnije i na USA tržište gdje je i našlo veliku primjenu od strane GMC (General Motors Corporation). Godine 1968. Hobart Brothers, Ohio, objavio je niz strojeva za uporabu u brodogradnji, mostogradnji i velikih konstrukcija za industriju fabrika. Dvije od najviših zgrada u Kaliforniji su zavarene, koristeći zavarivanjem pod troskom- Bank of America zgrada u San Franciscu, i dva tornja Security Pacific u Los Angelesu. Northridge potres i Loma Prieta potres su bili test u "stvarnom svijetu" radi usporedbe svih postupaka zavarivanja. Dobro je poznato da više od jedne milijarde dolara potrošeno u popravak pukotina, nakon potresa Northridge. Popravak se odnosio na konstrukcije zavarene gasnim zavarivanjem. Niti jedan loš zavar ili jedna pukotina je pokrenuta u bilo kojoj od stotine tisuća zavarenih ploča postupkom zavarivanja pod troskom. Od tada, mnoge izmjene su napravljene, što je rezultiralo u proizvodnji strojeva sposobnih ispuniti standarde naše industrije.

Sam proces zavarivanja pod troskom mozemo podijeliti na dva slična procesa zavarivanja:

Elektro-zavarivanje pod troskom (ESW-Electroslag welding) Elektro-lučno zavrivanje pod troskom (EGW-Electrogas welding)

Glavna razlika između ova dva procesa je da se luk u elektro-lučnom zavarivanju ne gasi i da se stvara na drugom mjestu od elektro-zavarivanja.

1

1. Elektro zavarivanje pod troskom

Elektro-zavarivanje pod troskom je vrlo produktivan u jednom prolazu postupak zavarivanja za debele limove (veće od 25 mm do oko 300 mm), materijal je u vertikalnom ili blizu okomitom položaju. Pri zavarivanju pod troskom, toplina se izdvaja pri prolasku električne struje kroz rastaljenu trosku (slika 1).

Slika 1. Shematski prikaz zavarivanja pod troskom

Zavarivani elementi su postavljeni vertikalno, međusobno razmaknuti za 20 - 40 mm i to bez zakošenja njihovih ivica. Radi oblikovanja šava, sprečavanja isticanja taline i rastaljene troske, služe bakarni ograničavači taline koji se hlade vodom. Proces zavarivanja se izvodi u vertikalnom položaju odozdo prema gore, uz upotrebu ulazne i izlaznih pločica.

Slika 2. Zavarivanje pod troskom sa jednom elektrodom

2

Prvo se prašak za zavarivanje pod troskom naspe u najniži dio ulazne pločice (slika 3.). Zatim se uspostavlja električni luk između elektrodne žice i dna ulazne pločice. Kada se prašak rastali, obrazovana rastaljena troska plavi i gasi luk pa proces prelazi u zavarivanje pod troskom (električnog luka više nema). U toku daljeg procesa zavarivanja, struja prolazi kroz rastaljenu trosku (između elektrodne žice i taline), pri čemu se izdvaja toplina koja održava njenu visoku temperaturu. Dubina rastaljene troske iznosi od 25 - 70 mm. Temperatura rastaljene troske je viša od temperature topljenja metala. Zbog toga se topi elektrodna žica i osnovni materijal obrazujući talinu ispod rastaljene troske.

Slika 3. Odvijanje procesa zavarivanja pod troskom

Na slici 4. prikazani su primjeri pripreme ivica limova, postavljanja ulazne i izlaznih pločica. Kod ovog postupka zavarivanja utrošak praška je 15 - 30 puta manji nego pri zavarivanju pod praškom. Šav se obrazuje uglavnom od rastaljenog metala elektrodne žice. Pri zavarivanju sa jednom elektrodnom žicom mogu se zavariti elementi do 60 mm debljine, a ako se vrh elektrodne žice poprečno kreće i do 150 - 200 mm.

Slika 4. Primjeri pripreme ivica limova pri zavarivanju pod troskom

3

Ukoliko se istovremeno zavaruje sa više elektrodnih žica, mogu se zavariti elementi i do 2000 mm debljine (slika 5). Obično se koristi elektrodna žica prečnika 2,5 ili 3 mm, naizmjenična struja 600 - 900 A (za jednu elektrodnu žicu) i radni napon 30 - 50 V, dok koeficijent topljenja iznosi 25 - 35 g/Ah. Radi povećanja produktivnosti rada, koriste se elektrodne žice prečnika 5 - 6 mm. Ukoliko se koriste elektrodne žice u obliku trake debljine 10 - 12 mm i širine do 120 mm, tada nije potrebno poprečno kretanje vrha elektrodne žice. Međutim, u ovom slučaju su potrebni vrlo snažni izvori struje. Zavarivanje pod troskom je ekonomično pri spajanju limova debljine iznad 30 mm. Koristi se za zavarivanje čelika i livenog gvožđa, zatim aluminijuma, bakra, titana i njihovih legura. Zavarivanje se izvodi u jednom prolazu zavarivanja..

Slika 5. Zavarivanje pod troskom istovremeno sa više elektrodnih žica

4

Usporeno zagrijavanje i hlađenje zone utjecaja topline onemogućava pojavu kaljenja. Međutim, dugi boravak metala na temperaturama iznad 1000 ˚C dovodi do rasta zrna, postoje međutim, mogućnosti poboljšanja svojstava zavara dok je širina zone uticaja toplote nekoliko puta veća nego kod elektrolučnog zavarivanja. Zbog toga se poslije zavarivanja vrši normalizacija zavarenog spoja.

1. Žica2. Bakarni podmetači3. Taljena troska4. Taljeni metal5. Voda za hlađenje6. Površinski sloj troske7. Zavar8. Razmakna ploča9. Brener ili baklja10. Toplinski obrađena zona

Slika 6. Normalizacija procesa zavarivanja pod troskom

Isto kao kod elektrolučnog zavarivanja, postupak elektro-zavarivanja također karakteriziravelika količina rastaljenog metala - istovremeno sa– niskom stopom grijanja i hlađenje. Zbog brzog hlađenja pojave pukotine su moguće, da bi se izbjegle te pojave moguće je i zagrijavanje zavarene troske. Da bi izbjegli pukotine i ostale greške razvijeno je elektro-zavarivanje sa kontinuiranom normalizacijom za ploče debljine do cca. 60 mm, slika 6.

5

2. Oprema za zavarivanje pod troskom

Glavne komponente za elektro-zavarivanje su: Dovod električne energije(transformator) Dovod žice Cijevni vodič elektrode Kontrolna ploča Zavarivačka glava Oscilator Bakarane papuče

Slika 7. Komponente zavarivanja pod troskom

6

2.1. Napajanje

Izvori napajanja obično su stalni naponski transformatori-ispravljači tipa 750 do 1000 A (slika7.). Izvori napajanja slične onima koje se koriste za potopljeno (vodeno) elektrolučno zavarivanje. Naponi općenito rasponu 30 - 55 V, dakle, najmanji otvoreni strujni krug napona izvora napajanja treba biti 60 V konstantnog napona.Odvojeni izvori napajanja su potrebni za svaku elektrodu. Izvor napajanja obično je opremljen sa sklopkama, sredstvima za daljinsko upravljanje izlaznog napona, sredstvima za balansiranje instalacija za više elektroda, glavni prekidač, ampermetar, voltmetar.

Slika 8. Izvor napajanja-transformator za zavarivanje pod troskom

2.2. Dovod žice

Funkcija uređaja za dodavanje žice je dostaviti žicu-elektrodu pri konstantnoj brzini od opskrbe-kotura kroz vodič-cijev do mjesta taljenja troske. .Dodavač žice obično je montiran na glavu za zavarivanje. Općenito, svaku žicu pokreće vlastiti motorni pogon i kotači. Dupli mjenjač za pogon dvije elektrode od jednog motora može se koristiti, ali to ne obezbjeđuje jednakost hranjenja žice u samom procesu. U slučaju više elektrode za zavarivanje, neuspjeh jedne jedinice za pogon žice pogon ne mora značiti kraj procesa zavarivanja ako se korektivna mjera doziranja može brzo ostvariti. Treba naglasiti, međutim, da za uspješno elektro-zavarivanje vrlo je bitno da se izbjegne proces gašenja samog procesa, jer popravci vara mogu biti veoma skupi. Motorni pogon hranjenja žice su slični u dizajnu i radu onima koji se koriste za druge procese sa kontinuiranim dovodom žice, kao što su gasno elektrolučno zavarivanje. Valjci se obično nalaze u paru i oba imaju svoj vlastiti motorni ponogn. Konfiguracija valjaka može se razlikovati, ovisno o toga da li se koriste čvrste ili punjene elektrode. Uz žicu, mora se voditi računa da je dovod bez klizanja, ali ne i toliko čvrsto da počne da se drobi u procesu.

7

2.3. Cijevni vodič elektrode

Kod konvencionalnih metoda zavarivanja pod troskom cijevni vodič vodi žicu od kotura do samog procesa taljena. Takođe služi kao električni kontakt elekrode. Cijevni vodiči su uglavnom izrađeni od legura bakra i berilijuma, zbog svojih dobrih osobina na povišenim temperaturama. Cijevi su izolirane trakama kako bi se spriječiilo kratko spajanje pri zavarivanju. Općenito cijevi su manje od ½ ili 13mm u prečniku.

2.4. Kontrolna ploča

Elektro zavarivanje pod troskpom se sastoji od konzole montirane u blizini zavarivanja koja sadrži sljedeće komponente:

Alarmni sustavi za opremu ili sustav kvarova Ommetar, voltmetar i daljinska skolpka koja osigurava kontrolu za svaki od izvora

napajanja Kontrola brzine za svaki pogonski motor dovoda žice Oscilator kontrole za primicanje vodiča cijevi, natrag i naprijed u toku zavarivanja Kontrola za vertikali uspon zavarivačke glave(konvencionalnom metodom jedino).

Vrsta kontrole ovisi o tome da li se aktivira ručno ili automatski. Senzori se mogu koristiti za automatsko upravljanje vertikalnog položaja zavarivanja, senzor je usmjeren na tačku ispod vrha bakarnih papuča i prilagođen da detektira vrh taljena troske. Kada se vrh podigne iznad ciljane tačke, pogon se aktivira i podiže zavarivačku glavu i bakrene papuče do vrha tačke taljenja koja se više ne detektuje. U zavisnosti od deljnine polča ova brzina se može regulisati tako da se mogu zavarivati deblji komadi.

Slika 9. Model kontrolne ploče

8

2.5. Zavarivačka glava

Zavarivačka glava uključuje dodavač žice, struja za elektrodu, cijevni vodič žice, električne veze vodiča cijevi, te sredstva za priključivanje na rad. Tu se također može sadržavati odredbe za više rad s više elektroda i pogon oscilacija elektrodnih jedinica. Gdje je mobilnost važna, dodavač žice i struja za elektrode mogu biti locirane na maloj udaljenosti od glave za zavarivanje, kao poluautomatski gasno zavarivanje metala.

Slika 10. Model zavarivačke glave

3. Zavarivački uređaj za zavarivanje pod troskom

9

Tabela 1. Specifikacije zavarivačke glave

Karakteristike modela Elektro-zavarivanje po

troskomHS1-600

Primjenjivani promjeri žice

mm Ø1.6 solid wire

Struja zavarivanja A 60-630 Dijametar oscilovanja mm ±50 Brzina dodavanja žice m/h 140-1280

Vrijeme boravka na obe strane

s 0-7

Bakljanaprijed-nazad

Raspon mm 100 Ugao - ±5o

Bakljalijevo-desno

Raspon mm 100 Ugao - ±5o

Bakljaunutar-van

Raspon mm 150

Ovi uređaji su automati konstrusani za rad sa 1, 2, 3 ili više elektrodinih žica ili traka. Uređaj ima električni izvor sa konstantnom ili blago padajućom karakteristikom. Za obrazovanje šsava i intenzivnije hlađenje i sprečavanje isticanja tečnog metala i troske primjenjuje se bakarne ploče hlađene tekućom vodom. Niz mehanizama i električnih aparata ugrađeni su na uređaj za dovođenje i bočno pomjeranje i njihanje elektrodne žice, za regulaciju jačine struje i napona itd. Njihanjem elektrodne žice povećava se toplotni učinak i do 80% zbog ravnomjerne raspodjele toplote.

Slika 11. Uređaj za zavarivanje pod troskom

Postupak zavarivanja pod troskom i njemu sličnim EPP postupkom ima slijedeće prednost:

Manju potrošnju električne energije za oko 30% Produktivnost veću od 15 puta zbog veće brzine zavarivanja (2-8 puta) Za dijelove većeg presjeka (s > od 100 mm) koristi se veči broj elektrodnih žica Zavarivanje se izvodi jednoslojno i bez pripreme stranica žljeba neovisno od debljine Manji urtošak praška i elektrodne žice

Nedostatak je velika cijena urežaja i ograničena priprema sam na dijelove relatvino velike debljine.

4. Dodatni materijal za zavarivanje pod troskom

10

Prema osnovnom materijalu bira se prašak za zavarivanje i elektrodni materijal. Pomoću sastojaka praška može se uticati na njegovu temperaturu topljenja, viskoznost i električni otpor koji je od presudnog značaja za uspješan tok zavarivanja. Prašak za zavarivanje pod troskom ustvari je smjesa okisida Si, Al, Ca, Mn i Ti, i dodatka elektro provodljivih sastojaka do 3% (npr. FeO), kao i povećanog sadržaja CaF2 u odnosu na prašak za EPP postupak. Povećanjem sadržaja CaF2 smanjuje se viskoznost, temperatura topljenja i električni otpor. I tako udio sastojka ne mora biti uvijek isti, može se kao primjer navesti sastav praška za zavarivanje niskougljeničnih čelika: 35% SiO2 , 40% MnO, 5% Al2O3, 7% CaO, 5% CaF2, 3% FeO, 3% TiO i 1% Na2O. Količina praška potrebnog za zavrivanje pod troskom određuje se pod uslovom da dubina troske bude od 40-50 mm, što prosječno odgovara 1kg praškaza 20kg dodatnog materijala.U toku procesa zavarivanja prašak se troši veoma malo, uglavnom se lijepi za bočne ploče ili između njih propada i po potrebi se dodaje radi održavanja tražene dubine troske. Ako troska jako pjeni dubina je mala pa treba dosuti prašak, dok sasvim mirna troska ukazuje na preveliku dubinu. Elektrodne žice treba da sdrže čto manje nečistoća, sumpora i fosfora, jer ovi elemnti jako snižavaju udranu žilavost šava. Slično djeluje i azot, jer se preko tečne troske u metalu šava može rastvoriti prekomjerna količina azota. Osim toga, nečistoće sumpra i fosfora uvećavaju i skolonost ka prslinam. Pri zavarivanju u normalnim uslovima nije moguće spriječiti rastvaranje sumpora, fosfora i azota, ali se udarna žilavost može povećati normalizacionim žarenjem poslije zavarivanja. Za zavarivanje pod troskom najčešće se upotrebljavaju žice prečnika 3 mm, a rijeđe prečnika sa 2, 4, 5 mm. U zavisnosti od debljine dijelova koji se zavaruju može se koristit više elektroda, 2 ili 3, a za presjek debljine 1000 mm čak 16. Osim elektrodnih žica, mogu se pri zavarivanju, a naročito navarivanju pohabanih radnih površina, upotrijebiti čelične trake.Dodatne elektrode žice sadrže veću količinu dezoksidanasa, naročito mangana. Iako našim standardima dosad nisu obuhvaćeni dodatni materijali za zavrarivanje pod troskom uopšteno se može reći da za zavrivanje niskolegiranih čelika odgovaraju žice sličnog sastava kao i osnovni matrijal, ali sa snažnim sadržajem ugljenika.

Slika 12. Vrste praška za zavrivanje po troskom

5. Tehnika izvođenja zavarivanja pod pritiskom

11

Ovim postupkom, uglavnom se izvodi sučeoni i T-spojevi, a samo izuzetno ugani i rubni šav. Prije spajanja dijelovi se postavljaju na određeno rastojanje (20-35 mm) zavisno od debljine lima, kao i broja žica, njihovog prečnika, načina kretanja i sl.

Osnovni parametri procesa su:

Prečnik elektrodne žice (de=2,5 do 3 mm) Broj elektrodnih žica Jačina struje zavarivanja (400-4000 A) Napon zavarivanja (35-50 V) Brzina dodavanja elektrodne žice (150-300 m/h) Brzina zavarivanja (0,5-1.5 m/h)

Brzina zavarivanja se može izračunati po izrazu:

Gdje je: n-broj elektrodnih žica; r-poluprečnik elektrodne žice; vž-brzina dodavanja žice; A-površina poprečnog presjeka žljeba.

Broj elektrodnih žica bira se orijentaciono prema debljini materijala i načinu njihovog kretanja, npr. Jedna žica se koristi za debljine 40-50 mm bez bočnog kretanja žice, a u slučaju njihanja mogu se zavariti dijelovi debljine 60-150 mm; sa dvije elektrode bez njihanja, zavaruju se dijelovi 60-100 mm, a sa njihanjem od 100-150 mm, itd. Na kraju se kao osobnost postupka zavarivanja može istaći njegova dvostruka pripadnost; s jedne strane grupi postupaka elektrolučnog zavarivanja a s druge elektrootporskoj grupi. U cilju započinjanja procesa zavarivanja pod troskom, potrebno je istopiti određenu količinu metala i praha. Praktično se to ostvaruje uspostavljanjem i kratkovremenim djelovanjem luka sa nešto većim naponom (35-50 V) nego pri EPP zavarivanju (25-32 V). Prelazak sa kratkovremenog zavarivanja električnim lukom na proces zavarivanja pod troskom praćen je padom napona i promjenom ostalih parametara zavarivanja. Ostali parametri zavarivanja kao što su jačina struje, brzina kretanja elektrodne žice, dubina metalnom kupatila i brzina zavarivanja daju se u zavisnosti od debljine zavarivanih dijelova.

SADRŽAJ

12

Uvod.........................................................................................................................................11. Elektro zavarivanje pod troskom..........................................................................................22. Oprema za zavarivanje pod troskom....................................................................................6 2.1. Napajanje......................................................................................................................7 2.2. Dovod žice.....................................................................................................................7 2.3. Cijevni vodić elektrode..................................................................................................8 2.4. Kontrolna ploča..............................................................................................................8 2.5. Zavarivačka glava..........................................................................................................93. Zavarivački uređaji za zavarivanje pod troskom.................................................................104. Dodatni materijal za zavarivanje pod trskom......................................................................115. Tehnika izvođenja zavarivanja.............................................................................................12

LITERATURA

13

Osnovi zavarivanja, lemljenja i lepljenja dr. Avram Majstorović; dr. Milorad Jovanović Beograd 1995.Zavarivanje i termička obrada dr.sc Džafer Kudumović red. prof. Tuzla 2009.http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=electroslag_welding_eswhttp://eagar.mit.edu/EagarPapers/Eagar028.pdfhttp://www.asminternational.org/portal/site/www/AsmStore/ProductDetails/?vgnextoid=7c474ef322e18110VgnVCM100000701e010aRCRD

14