Zbornik DVT2010_čb

�

�

�

�

�

Naslov: Dan varilne tehnike 2010 – zbornik predavanj Organizatorja: Celjski sejem d.d. in Zveza društev za varilno tehniko Slovenije Uredniški odbor: Ivan Polajnar, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani

Marjan Suban, IMK Sergeja Marjanovi� in Breda Obrez Preskar, obe Celjski sejem d.d. Programski odbor: izr. prof. dr. Ivan Polajnar – predsednik prof. dr. Mirko �udina prof. dr. Janez Grum prof. dr. Slobodan Kralj prof. dr. Viljem Kralj prof. dr. Zoran Kožuh prof. dr. Džafer Kudumovi� prof. dr. Nedjeljko Mišina prof. dr. Inoslav Rak prof. dr. Ivan Samardži� izr. prof. dr. Janez Diaci izr. prof. dr. Vladimir Gliha izr. prof. dr. Janez Kramar doc. dr. Primož Podržaj dr. Venceslav Grabulov dr. Arpad Köveš mag. Mojca Šolar, univ. dipl. inž. Marjan Brajdih, univ.dipl. inž. Hubert Kosler, univ. dipl. inž Franci Krošelj, univ. dipl. inž. Breda Obrez Preskar, univ. dipl. ekon. Janez Orban, univ. dipl. inž.

Organizacijski odbor: dr. Marjan Suban – predsednik doc. dr. Jurij Prezelj doc. dr. Gabriel Rihar doc. dr. Tomaž Vuherer dr. Ladislav Grad dr. Bogdan Pu�ko dr. Miro Uran mag. Roman Krepek Anton Gros, univ. dipl.inž. Jože Ko�evar, dipl. inž. Peter Opaka, univ. dipl. inž. Sergeja Marjanovi�, dipl. ekon. Matej Pe�nik, dipl. inž Dragi Stojadinovi�, univ. dipl. inž. Peter Šprajc, dipl. inž. Štefan Vu�ak, dipl. inž . Breda Žge�, univ. dipl. inž Miha Pesek. Viljem Šetar Klemen Zorc

Oblikovanje: Celjski sejem d. d., Celje Založnik: Celjski sejem d. d., Celje Tisk: Kotis d.n.o. Naklada: 300 izvodov

CIP - Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 621.791(082) DAN varilne tehnike (2010 ; Celje) Zbornik predavanj / Dan varilne tehnike 2010 [v okviru prireditve] 4. [mednarodni] sejem Varjenje in rezanje, [Celje, 15.-18. maj 2010] ; [uredniški odbor Ivan Polajnar ... et al.]. - Celje : Celjski sejem, 2010 ISBN 978-961-91552-7-1 1. Polajnar, Ivan 2. Sejem Varjenje in rezanje (4 ; 2010 ; Celje) 251029504

�

VSEBINA

Ivan Polajnar UVODNE BESEDE

1

Roman Krepek, Arpad Köveš, Peter Šprajc PROGRAMI IZOBRAŽEVANJA, USPOSABLJANJA IN KVALIFIKACIJE NA PODRO�JU VARILSTVA

3

Miloš Jovanovi�, Peter Šprajc LASTNOSTI SISTEMOV ZA VARJENJE V VIRTUALNEM OKOLJU

7

ZAŠ�ITA IN VARNOST PRI VARJENJU

Tomaž �uk U�INKOVITA ZAŠ�ITA PRED VARILNIMI PLINI

17

Aleš Tomši�, Maja Podgoršek ZAŠ�ITA DIHAL VARILCA Z UPORABO VARILNEGA Š�ITA Z VKLJU�ENIM RESPIRATORNIM SISTEMOM

19

Razija Begi�, Azra Imamovi� GENERISANJE ZAVARIVA�KOG DIMA IZ ELEKTRODE KOD REL ZAVARIVANJA

23

Rok Lužar KAKOVOSTNA ZAŠ�ITNA OPREMA – INVESTICIJA V ZDRAVJE VARILCEV IN VIŠJO STORILNOST

27

János Orbán CELOVITI PRISTOP K ZAŠ�ITI OKOLJA PRI TERMI�NEM REZANJU IN VARJENJU KOVIN – PRIMERI IZ PRAKSE

33

David Žvab, Jurij Prezelj, Ivan Polajnar, Mirko �udina HRUPNA OBREMENITEV PRI POSTOPKIH TOPLOTNEGA REZANJA

43

Dragi Stojadinovi� �, Siniša Stojadinovi� PROSOJNE ZAŠ�ITNE ZAVESE

53

Jožef Horvat, Tatjana M. Gazvoda ERGONOMSKA OBREMENITEV VARILCEV

59

Nedjeljko Mišina, Ivan Polajnar POGLED NA ZAŠ�ITO IN VARNOST PRI VARJENJU

65

Jadranka Eržišnik, Zoran Kožuh, Slobodan Kralj SAFETY RISKS AND NECESSARY PROTECTIVE MEASURES IN UNDERWATER WELDING

75

TRDNO STNI IZRA�UNI

Janez Kramar, Metod �uk, Boris Jerman SEKUNDARNA NOSILNA STRUKTURA V VARJENIH NOSILCIH

83

Igor Križman, Martin Strašek ZVARNI SPOJI V JEKLENIH GRADBENIH KONSTRUKCIJAH

93

Slavko Boži� ANALIZA MEHANSKIH LASTNOSTI AL - KOMPONENTE MOTORNEGA DVOKOLESA S STATI�NIM PREIZKUSOM

97

Zijah Burzi�, Vencislav Grabulov, Dženana Ga�o, Meri Burzi� PONAŠANJE ZAVARENOG SPOJA VISOKOLEGIRANOG �ELIKA X20 U USLOVIMA DELOVANJA PROMENLJIVOG OPTERE�ENJA

107

VARIVOST

Bogdan Pu�ko ALI VIBRIRANJE VPLIVA NA UDARNO ŽILAVOST ZVARA?

117

Andrej Weiss, Marjan Suban, Robert Cvelbar OCENA LASTNOSTI SO�ELNEGA ZVARNEGA SPOJA PLINOVODNIH CEVI PRI RAZLI�NIH TEMPERATURAH OKOLICE

125

�

Žarko Ble�i�, Dragoljub Ble�i�, Irena Nikoli� INFLUENCE OF BASICITY OF PIVA 150 ELECTRODE COVERING ON THE CONTENT AND DISTRIBUTION OF ALLOYING ELEMENTS AND STRUCTURE COMPONENTS OF METAL WELD OF LOW ALLOYED STEEL

133

Džafer Kudumovi� IZBOR DODATNOG MATERIJALA POMO�U SCHAEFFLER-OVOG DIJAGRAMA KOD ZAVARIVANJA RAZLI�ITIH �ELIKA

141

Petro Yasniy, Pavlo Maruschak, Volodymyr Hlado, Tomaž Vuherer, Vladimir Gliha KAKOVOST SPOJA TRDEGA NAVARA NA VALJIH STROJA ZA KONTINUIRNO LITJE

149

S. Cvetkovski, L.P. Karjalainen, V. Kujanpää, A. Ahmad DETERMINATION OF WELDING HEAT INPUT IN TIG AND LASER WELDING OF DUPLEX LDX 2101 STEEL

155

TEHNI�NO TEHNO LOŠKE REŠITVE

Bojan Ternar AC-MIG PUL ZNO VARJENJE Z VPS 3000 AC-MIG PLUS

165

Arpad Köveš VISOKO PRODUKTIVNO A-TIG VARJENJE

171

Danijel Langus, Viljem Kralj, Janez Grum VARJENJE MIG/MAG Z GLADKIM IN IMPUL ZNIM ENOSMERNIM VARILNIM TOKOM IN VIROM MO�I S PRETVORNIKOM V TIRISTORSKI TEHNOLOGIJI

177

Simon Boži�, Andrej Zajec, Marjan Suban TERMITNO VARJENJE KATODNE ZAŠ�ITE

183

Marija Kisin VARJENJE S KERAMI�NO PODLOŽKO

191

Milan D. Milovanovi� NAVARIVANJE METALNIM PRAHOM U ZAŠTITI GASA

193

Ernst Pichler, Brigita Kirar Meža, Mitja Škali� ADHE ZIJSKO SPAJANJE

197

SPREMLJANJE IN ZAGO TAVLJANJE KAKO VOSTI

Vasja Ravbar �, Željko Pelengi�, Drago Bra�un, Ivan Polajnar, Janez Diaci METODA SPREMLJANJA OBRABE NALEŽNIH POVRŠIN ELEKTRODNIH KONIC

203

Ivan Polajnar, Tomaž Kek, Janez Grum DETEKCIJA AKUSTI�NE EMISIJE PRI UPOROVNEM TO�KOVNEM VARJENJU

209

Marjan Suban, Robert Cvelbar, Borut Bundara MIKROBIOLOŠKO VPLIVANA KOROZIJA ZVARNIH SPOJEV

217

Ado Barbiš URE V VARILNI TEHNIKI

225

Rika Legat, Andrej Zajec ANALIZA NAPAK V ZVARNIH SPOJIH

231

AVTO MATIZACIJA IN ROBO TIZACIJA

Drago Bra�un, Jože Mikolav�i�, Jernej Volkar, Matjaž Humar, Ivan Polajnar, Alojz Sluga SPREMLJANJE ZAPOLNJEVANJA ZVARNIH ŽLEBOV PRI AVTOMATIZIRANIH POSTOPKIH OBLO�NEGA VARJENJA

237

Robert Halas, Rade Gligorin, Robert Laslo PRAKTI�NI PRIMER MEHANIZACIJE VARJENJA VELIKIH NERJAVE�IH RE ZERVOARJEV

243

Drago Bra�un, David Kozinc, Peter Butala MEHATRONSKA PLATFORMA ZA AVTOMATIZIRANO OBLO�NO VARJENJE

249

Isak Karabegovi�, Sead Paši� ZASTUPLJENOST INDUSTRIJSKIH ROBOTA U PROCESU ZAVARIVANJA U ZEMLJAMA EVROPE

255

OGLASNI PROSTOR

��

��

UVODNE BESEDE Sre�anja predstavnikov varilske stroke, ki potekajo na pobudo enega od Slovenskih društev za varilno tehniko, je letos jubilejno, že deseto po vrsti. Za jubilejne dogodke se spodobi, da se ozre na prehojeno pot in osvetli bližnje pa tudi bolj oddaljene cilje. Saj, �e želi se videti naprej, smiselno je ozreti se nazaj. Ideja o vseslovenskem sre�anju kolegov, ki delamo v varilski stroki, se je porodila leta 1999, v DVT Maribor. Takratni predsednik Vili Šetar, njegova desna roka Peter Opaka in kolegi, so se povezali s prof. dr. Inoslavom Rakom in na Fakulteto za strojništvo v Mariboru povabili predstavnike razli�nih segmentov varilske stroke, da na kratko predstavijo rezultate svojega dela. Ob koncu predstavitve smo v sproš�eni diskusiji prišli do enotne ugotovitve, da je bilo sre�anje v vseh pogledih koristno. Piko na i je postavil prof. Rak, ko je neposredno izzval tam prisotna predstavnika DVT Ljubljana, z idejo, da bi bilo naslednje leto smiselno pripraviti nekaj podobnega v Ljubljani. S kolegom Marjanom Subanom sva pobudo z veseljem ponesla v Ljubljano. Aprila naslednjega leta je DVT Ljubljana na Fakulteti za strojništvo organiziralo podobno sre�anje, na katerem je bilo predstavljenih 31 strokovnih prispevkov, ki so bili natisnjeni tudi v Zborniku. Skratka, ideja o Dnevu varilne tehnika se je prijela in ostala društva so poskrbela za prenos štafetne palice: DVT Krško – 2001 v Krškem; DVT Obala – 2002, v Kopru; DVT Maribor – 2003, v Mariboru; Slovensko društvo za varilno tehniko (SDVT) – 2004, v Celju; DVT Dolenjske – 2005, v Novem mestu; DVT Ljubljana, Sekcija Plamen – 2006 Dan umetnostnega varjenja v Celju; SDVT – 2008 Dnevi varilne tehnike v Celju. Z umestitvijo Dneva varilne tehnike v okvir sejma Varjenje in rezanje v Celju, s pritegnitvijo umetnostnih varilcev in postavitvami njihovih likovnih del na sejemsko razstaviš�e, obuditvijo tekmovanja varilcev ter ob logisti�ni in finan�ni pomo�i Celjskega sejma d.o.o., se je doseglo izjemne sinergijske u�inke, ki predstavljajo najve�je priznanje in spodbudo vsem volonterskim predstavnikom navedenih društev. Ob izjemni zagnanosti predstavnic Celjskega sejma, doseženih rezultatih predhodnega sodelovanja ter obogatitvami z videnji in primerjavami na znatno ve�jem sejmu Schweissen & Schneiden v Essnu smo prišli do spoznanja, da je zastavljene dejavnosti smiselno še poglobiti in razširiti. �lani programskega odbora, ki bdimo nad strokovnimi prispevki za objavo v Zborniku, smo svoj del nadgradnje opravili s tem, da smo pritegnili kolege iz prostora bivše Jugoslavije, da predstavijo svoje strokovne prispevke prav na Dnevih varilne tehnike v Celju. Tako je pred vami Zbornik z avtorji, ki prihajajo iz vseh republik nekdanje skupne države. Nedvomno je to vreden dosežek, že sam po sebi. Še zlasti zato, ker je nastal povsem spontano, brez vsake demagogije dobro pla�anih »kulturträgerjev«. Obenem pa je to tudi zaveza in izziv, da na 5. mednarodnem sejmu varjenje in rezanje poskusimo narediti še korak dalje, v smislu konkretnih strokovnih, gospodarskih in �loveških povezavah prostora, ki ga že jutri ne bodo ve� lo�evale meje malih duš. Izr. prof. dr. Ivan Polajnar, predsednik ZVDT Slovenije

��

��

��

��

Programi izobraževanja, usposabljanja in kvalifikacije na podro�ju varilstva

Roman Krepek*, Arpad Köveš*, Peter Šprajc

Institut za varilstvo, Ptujska ulica 19, 1000 Ljubljana

*Enota: Laboratorij Maribor, Zagrebška ulica 20, 2000 Maribor Povzetek

V prvem delu prispevka so na kratko predstavljeni mednarodni programi izobraževanja in usposabljanja varilskih koordinatorjev, ki jih v Sloveniji izvaja Institut za varilstvo. Udeleženci imajo v odvisnosti od zahtevanih vstopnih pogojev možnost pridobiti naziv mednarodni varilski inženir, tehnolog, specialist in mojster. Ti programi obsegajo pregledna strokovna znanja s celotnega podro�ja varilstva (postopki, materiali, konstruiranje, proizvodnja). Izobraževalni center Instituta za varilstvo udeležencem med drugim omogo�a možnost, da pridobijo certifikate na specialnih podro�jih varilstva, kot so na primer neporušitvene preiskave. V drugem delu prispevka je prikazan pomen teh programov skozi zahteve zagotavljanja kakovosti, vodenja kakovosti in produktnih standardov.

1. UVOD Negativni vplivi gospodarske krize so in še bodo vplivali na doma�e gospodarstvo. Spremembe v poslovanju in družbi se dogajajo tako hitro in intenzivno, da se marsikatero podjetje ne bo moglo na hitro prilagoditi nastalim razmeram. Kaj storiti, enostavnega recepta ni. Je pa pomembno, da nadaljnja poslovna strategija mora temeljiti na pove�ani konkuren�nosti podjetij, pri �emer so za dosego omenjenih ciljev med drugim zelo pomembni znanje, razvoj in nadaljnje usposabljanje zaposlenih. Za zagotavljanje ustrezne perspektive podjetij bo klju�nega pomena zagotavljanje potreb po permanentnem inoviranju, u�enju in prilagajanju nenehnim spremembam okolja. Tudi naša varilska panoga tukaj ni izjema. Podjetja se bodo morala, �e se že niso, spoprijeti z zahtevnejšimi programi, ki bodo zagotavljali višjo dodano vrednost in perspektivo. V tem oziru je nepogrešljiv nadaljnji tehnološki razvoj, ki pa brez poglobljenega znanja ljudi ne bo izvedljiv. Na našem varilskem podro�ju se ponujajo možnosti dodatnega izpopolnjevanja in izobraževanja v kontekstu raznih mednarodnih varilskih specializacij in raznih drugih oblik izobraževanja, ki jih nudi tudi Institut za varilstvo. 2. PREGLED NEKATERIH POMEMBNEJŠIH PROGRAMO V

IZOBRAŽEVANJA IN USPOSABLJANJA Nekaj pomembnejših programov izobraževanja in usposabljanja, ki jih nudi Institut za varilstvo, so naslednji: a) Mednarodni varilski inženir (IWE) Varilski inženir je najvišja stopnja kvalifikacije, ki jo dolo�ata Evropska varilska federacija (European Welding Federation) in Mednarodni inštitut za varilstvo (Intarnational institute of

��

��

Welding). Ta stopnja ustreza zahtevam tehni�nega znanja za opravljanje na najvišji ravni delovanja varilnega koordinatorja, kot to zahteva standard ISO 14731:2006. b) Mednarodni varilski tehnolog (IWT) Varilski tehnolog je drugi vmesni �len po smernicah Evropske varilske federacije in Mednarodnega inštituta za varilstvo. Le-ta omogo�a pridobitev poglobljenih strokovnih znanj in kompetenc za opravljanje dejavnosti, kot je koordinacija varjenja na vmesni stopnji dolo�ena z ISO 14731:2006. c) Mednarodni varilski specialist (IWS) Varilski specialist je tretji vmesni �len po smernicah Evropske varilske federacije in Mednarodnega inštituta za varilstvo. Ta nivo ustreza zahtevam tehni�nega znanja za opravljanje dejavnosti, kot je koordinacija varjenja dolo�ena z ISO 14731:2006 na nižji stopnji. Podjetja ponavadi pošiljajo na tovrstno specializacijo tudi dobre varilce, ki pozneje s strokovno usposobljenostjo poleg varjenja, izvajajo dela nadzora, kontrole zvarov in strokovnega svetovanja varilcem. d) Mednarodni varilski mojster (IWP) Mednarodni varilski mojster je �etrti vmesni �len po smernicah Evropske varilske federacije in Mednarodnega inštituta za varilstvo. Za ta naziv se ne pri�akuje, da ima kandidat funkcijo vodenja pri varilskih delih, kot to zahteva ISO 14731:2006. Te�aj varilnega mojstra je odli�na možnost za poklicni razvoj varilcev, ki imajo veliko izkušenj ter želijo nadgraditi svoje teoreti�no znanje in s tem dose�i vlogo vodje ekipe ali enakovrednih položajev v proizvodnji. e) Mednarodni varilski inšpektor (IWIP) Obseg delovanja varilskega inšpektorja je najširši, saj poleg vloge varilnega koordinatorja opravlja tudi vlogo nadzora pri aktivnostih pred varjenjem, med in po zaklju�ku izvajanja varilskih ter z njim povezanih del. Njegova najpomembnejša dolžnost je torej zagotavljanje, da so upoštevani vsi predpisani postopki. Odgovoren je za preverjanje kvalifikacij varilnih postopkov in varilcev, materialov in drugega. Odgovoren je tudi za izdelavo dokumentacije, ki zagotavlja sledljivost posameznih komponent in pripadajo�ih aktivnosti pri izdelavi. Še posebej je njegova vloga pomembna pri koordinaciji in nadzoru izvajanja neporušitvenih preiskav ter mehanskih preskusov. Program varilskega inšpektorja predvideva tri nivoje kvalifikacije:

� Mednarodni varilski inšpektor obširnejše stopnje (Comprehensive level) (IWI-C) � Mednarodni varilski inšpektor standardne stopnje (Standard level) (IWI-S) � Mednarodni varilski inšpektor osnovne stopnje (Basic level) (IWI-B)

f) Mednarodni varilski konstrukter (IWSD) Mednarodni inštitut za varilstvo je pripravil program izobraževanja za projektiranje varjenih konstrukcij. Pravila izvajanja in u�ni program je dolo�en v smernici IAB-201-06. Namenjen je podiplomski specializaciji za gradbene in strojne inženirje, ki se ukvarjajo s projektiranjem kovinskih konstrukcij in konstruiranjem strojev, vozil in tla�ne opreme. g) Usposabljanje osebja za izvajanje NDT preiskav na nivojih 1, 2 in 3 Te�aji usposabljanja osebja za izvajanje neporušitvenih preiskav za vse tri nivoje se izvajajo skladno z veljavnimi mednarodnimi standardi, in sicer:

� EN 473: Neporušitvene preiskave - Kvalificiranje in certificiranje osebja, ki sodeluje pri neporušitvenih preskusih - Splošna na�ela.

��

��

� ISO-9712: Neporušitveno preskušanje - Kvalificiranje in certificiranje osebja. Slika 1: Usposabljanje osebja za izvajanje NDT preiskav 3. POMEN STROKOVNO USPOSOBLJENEGA OSEBJA V VARILSKI

PROIZVODNJI

a.) Zagotavljanja kakovosti po SIST EN ISO 3834 Varilska podjetja imajo možnost v okviru zagotavljanja kakovosti pridobiti certifikat, ki potrjuje, da je podjetje usposobljeno za nadzor nad varilskimi deli od podpisa pogodbe do predaje izdelka. Ena od klju�nih zahtev pri pridobitvi certifikata kakovosti je ustrezna usposobljenost zaposlenih; predvsem je tukaj klju�na osebnost varilski koordinator, katerega naloge in odgovornosti so dolo�ene v standardu EN ISO 14731. Varilski koordinator potrebuje pri svojem delu najbolj obsežno in poglobljeno strokovno znanje, ima najširša pooblastila, naloge in odgovornosti pri nadzoru varilskih del. Zelo pomembna je tudi njegova neodvisna vloga v podjetju, zato mora biti imenovan direktorja in je direktno odgovoren le njemu. b.) Vodenje kakovosti po SIST EN ISO 9001 Osnova vodenja kakovosti predstavlja procesni pristop, kajti vse storitve nastajajo v procesih, njihovo izboljšanje se dosega z izboljševanjem procesov, izboljševanje procesov pa s kakovostjo organizacije. �e si zamislimo procese v varilski proizvodnji in jih razdelimo na glavne procese (npr. skladiš�enje, razrez, sestava, varjenje,...) in spremljevalne (podporne) procese (npr. kontrola, nadzor, vodenje proizvodnje,...), je ena od glavnih nalog varilnega koordinatorja, tehni�nega osebja in vodstvenega osebja:

• identificirati procese • dolo�iti zaporedje procesov • zagotoviti pogoje za u�inkovito izvajanje in nadzorovanje procesov – razumevanje

povezav med procesi • zagotoviti potrebne vire in informacije za izvajanje procesov • nadzorovati, meriti in analizirati procese • izvajati izboljšave procesov • dokumentiranje procesov (slike, povezave, diagrami,…).

Za uspešno implementacijo procesnega pristopa v sistemu vodenja kakovosti potrebuje tehni�no in vodstveno osebje v podjetju poglobljeno strokovno znanje varilske stroke. Posebej je tukaj pomembno strokovno znanje nosilcev glavnih in spremljevalnih procesov.

Neporušitvene preiskave, level 1,2 in 3 EN 473 / ISO 9712

Vizuelna preiskava

VT

Radiografska preiskava

RT

Ultrazvo�na preiskava

UT

Preiskava z magnetnimi

delci MT

Penetrantska preiskava

PT

Preiskava tesnosti

LT

��

��

c.) Zahteve produktnih standardov Podjetja, ki izdelujejo izdelke, katerih podro�je izdelave pokrivajo evropske direktive (npr. tla�na oprema, jeklene konstrukcije, tirna vozila,...), imajo to�no dolo�ene zahteve glede nadzora, kontrole in osebja, ki so zapisane v produktnih standardih. V okviru izpolnjevanja zahtev teh standardov, morajo imeti podjetja na voljo ustrezno kvalificirano osebje s poglobljenim strokovnim znanjem iz varilske stroke. 4. SKLEP Ustrezno strokovno usposobljeno in kvalificirano osebje v varilskih podjetjih je eden klju�nih dejavnikov za zagotavljanje kvalitete izdelkov, gospodarnosti poslovanja in ustvarjanja inovacij. Pri vseh teh programih igra klju�no vlogo varilni koordinator z obsežnim in strokovno poglobljenim znanjem. Da je lahko varilni koordinator uspešen v podjetju, nujno potrebuje sodelavce s strokovnim znanjem, tako v vodstvu podjetja, kot v tehnologiji, kontroli in proizvodnji. LITERATURA 1. SIST EN ISO 9001: 2008; Sistemi vodenja kakovosti 2. SIST EN ISO 3834: 2006; Zahteve za kakovost pri talilnem varjenju 3. IAB-338-08: 2008; Dodatek za implementacijo ISO 3834 4. SIST EN ISO 14731: 2007; Koordinacija varjenja - Naloge in odgovornosti 5. IAB 252-07: 2007; Osebje za varilno koordinacijo 6. SIST EN 473:2008; Neporušitvene preiskave: Kvalificiranje in certificiranje osebja 7. ISO 9712, Neporušitvene preiskave: Kvalificiranje in certificiranje osebja 8. ASNT-TC-1A, Priporo�ila za izvajanje NDT preiskav 9. SIST EN 1090-2: 2008; Izvedba jeklenih in aluminijastih konstrukcij 10. SIST EN 13345: 2009; Neogrevane tla�ne posode 11. SIST EN 15085: 2008; Železniške naprave

��

��

Lastnosti sistemov za varjenje v virtualnem okolju

Miloš Jovanovi�, Peter Šprajc

Institut za varilstvo d.o.o., Ptujska 19, 1000 Ljubljana Povzetek

Kadar govorimo o varjenju, se nam najprej porodi ideja, da gre za nevaren, težak in za zdravje škodljiv poklic. Isto�asno so postopki usposabljanja varilcev videti dolgotrajni, naporni in monotoni. Zato je vse težje mlajše generacije prepri�ati, da si za svoj poklic izberejo varjenje. Pojav virtualnega varjenja oziroma simulatorjev varjenja, pri�enja te stereotipe o varilstvu spreminjati. Zmanjšuje se �as potreben za usposabljanje varilcev, znižujejo se s troški uporabe osnovnega in dodajnega materiala, zmanjšujejo pa se tudi škodljivi vplivi na okolico. Najbolj pomembno pa je mogo�e dejstvo, da vstopa varjenje med mlade generacije, in sicer na bolj dostopen in zabaven na�in. V �lanku so najprej navedene osnovne prednosti usposabljanja varilcev z uporabo virtualnega varjenja, v nadaljevanju pa so predstavljeni nekateri najbolj znani simulacijski sistemi z opisi njihovih prednosti in možnimi pomanjkljivostmi.

1. UVOD Raziskave na "Banner Health Center" v Feniksu (ZDA) so pokazale, da igranje video iger lahko dvigne nivo usposobljenosti kirurgov. Preden so za�eli uporabljati simulator za u�enje kompliciranih posegov, je bilo kirurgom ponujeno, da pred tem igrajo video igre. Pokazalo se je, da so zdravniki, ki so igrali igre, imeli veliko ve� uspeha na simulatorjih od svojih kolegov, ki tovrstnega igranja niso izvajali. Na podoben na�in lahko smatramo varilce kot neke vrste strojniških kirurgov, ki z natan�nimi gibi ''šivajo'' kovine in druge varljive materiale [1]. V ve�ini primerov se tehni�ne novosti najprej razvijajo za medicinske potrebe, in se šele potom prenašajo na podro�je strojne industrije. Z pospešenim razvojem znanosti v uporabo prihaja vse ve� novih tehnologij. Tako so na splošno znani simulatorji za usposabljanje pilotov, za pripravo vojaške strategije ali za že omenjeno usposabljanje kirurgov. Tukaj gre za zelo drage in sofisticirane sisteme, ki so namenjeni ožjem krogu uporabnikov. Z hitrim razvojem IT tehnologij in ob�utnim zniževanjem cen strojnih komponent, so se možnosti uporabe simulatorjev razširile tudi na ostala podro�ja usposabljanja. Eno izmed takšnih podro�ij je tudi usposabljanje varilcev. Razlogov za razvoj sistemov za u�enje varilcev je ve�. Varilstvo je podro�je, ki se nenehno razvija, še posebej zaradi pojavljanja novih vrst materialov in potreb po novih tehnologijah za njihovo spajanje. Poleg tega so dolo�eni na�ini varjenja zelo zahtevi, težki in za zdravje nevarni. Zato se danes mlajše generacije nerade odlo�ajo za ta poklic. Kot odgovor na omenjene težave se v izobraževanje varilcev uvajajo simulatorji varjenja. Takšni visoko tehnološki sistemi imajo za cilj po eni strani poenostaviti usposabljanje varilcev ter ga po drugi strani približati mlajšim generacijam, ki odraš�ajo s sodobnimi tehni�nimi napravami.

��

�

2. PROBLEMI PRI KLASI�NEM USPOSABLJANJU VARILCEV Varilstvo se danes sre�uje z razli�nimi problemi, kot na primer:

• pomanjkanje izkušenih varilcev, • klasi�en na�in usposabljanja je predolg, • nadzor nad kandidati med vadbo je otežen in odvisen od �loveškega faktorja, • stroški osnovnega, dodajnega in pomožnega materiala so visoki, • neprijetnosti, ki spremljajo varilni proces.

Dejstvo je, da je izkušen varilec tudi pri slabi vidljivosti sposoben izkoristiti informacije iz taline vara za izvedbo kvalitetnega zvara, za razliko od varilca za�etnika, ki težko razume, kaj se od njega pravzaprav pri�akuje, in kako naj na podlagi vizualnega opazovanja taline izvede potrebne korekcije. Takšen varilec potrebuje veliko število ur vaje, da pridobi ob�utek, potreben za rutinirano izvajanje natan�nih gibov med varjenjem. Med potekom varjenja mora varilec imeti nadzor nad smerjo elektrode, nad razdaljo konica elektrode–talina, ter nad kotoma naklona gorilnika. Isto�asno mora imeti nadzor nad koli�ino taline zvara in njenim gibanjem. Kakovost njegovega dela je vidna šele po �iš�enju zvara ter izvedbi preiskav (npr. vizualni, radiografski,…). V primeru slabega zvara je potrebno izvesti njegovo popravilo. V primeru, da le-ta ni možen, je izdelek potrebno zavre�i. Iz tega razloga so izkušeni varilci zelo iskan kader v industriji [2]. Proces usposabljanja je kompleksen za kandidata, kot tudi za inštruktorja. Na za�etku usposabljanja se v realnem okolju kandidat prvi� sre�uje z zaš�itnimi rokavicami in zaš�itno obleko, ki omejujejo njegovo mobilnost. Zaš�itna maska mu zožuje vidno polje, zato varilec s pomo�jo varilnega obloka vidi samo majhno obmo�je na mestu taljenja materiala. Varilec v takšnih pogojih težko opazi spremembe in analizira vzroke sprememb v talini. Obenem je potrebno ohranjati konstantno hitrost varjenja, pravilen naklon gorilnika in potrebno razdaljo med konico elektrode in talino. Vsi ti parametri varilnega procesa so za varilca za�etnika nevidni in nerazumljivi. Stvari so še težje, �e gibanje gorilnika ni linearno. Seveda so ves �as varjenja prisotni še mote�i faktorji, kot so visoka temperatura, hrup, dim in obrizgi. Zato se varilec, ki je šele na za�etku usposabljanja, za razliko od izkušenega varilca, ne more zanesti na svoje ob�utke. Ti se pridobivajo z vztrajnim ponavljanjem vaj, opazovanjem gibanja in z nasveti inštruktorja. Varilec jih mora pridobivati postopoma enega za drugim, in sicer za razli�ne lege in na�ine varjenja. Kandidat mora med usposabljanjem primerjati tisto kar vidi sam, s tistim kar mu inštruktor svetuje. Vse to pomeni, da mora varilec iti skozi dolgotrajen in zahteven postopek usposabljanja, preden postane njegov izdelek sprejemljiv. Dolgotrajno usposabljanje spremlja tudi velika poraba osnovnih, dodajnih in pomožnih materialov, kar posledi�no zvišuje stroške njegovega usposabljanja. Usposabljanje varilca je zahtevno tudi s stališ�a inštruktorja, saj je od njegovega znanja in izkušenj odvisna kon�na usposobljenost varilca. Inštruktor ima nalogo, da usposobi kandidate za uspešno delo in jim omogo�i pridobivanje novih znanj in veš�in v najve�ji možni meri. Do sedaj je bila na voljo prakti�na demonstracija kot edini na�in uspešnega usposabljanja. Zaradi vseh navedenih razlogov se je pojavila potreba po uvajanju novih tehnologij, ki bi izboljšale in pospešile proces usposabljanja, znižale stroške ter inštruktorjem omogo�ile ve�jo fleksibilnost in boljši nadzor poteka usposabljanja novih varilcev. 3. SIMULATORJI VARJENJA 3.1 Opis Virtualna realnost (VR) ali navidezna resni�nost je izraz, ki se nanaša na ra�unalniško simulirano okolje, s katerim se poskuša uprizoriti dolo�ena situacija iz resni�nega življenja.

��

�

To okolje zaznavamo na ra�unalniškem monitorju ali s pomo�jo specialnih pripomo�kov, kot so posebna o�ala ali maske. Danes simulacija poleg vizualizacije vklju�uje tudi informacije, ki jih dobivamo s �utili sluha (zvok) ali dotika (vibracije) - t.i. ''haptic system''. Simulatorji so torej visoko tehnološki sistemi, s pomo�jo katerih umetno ustvarjamo želeno situacijo iz resni�nega življenja z namenom, da po dolo�enem številu ponovitev iste situacije lažje rešujemo težave, ki se lahko pojavijo v realnem okolju. Prvi simulator varjenja je bil kanadski sistem LENCO, narejen leta 1990. Sistem je omogo�al omejeno vizualizacijo na manjši napravi, z uporabo realnih gorilnikov za razli�ne na�ine varjenja (MAG, TIG, REO). Tudi analiza pomika pri simulaciji varjenja je bila zelo omejena. Zasluga tega simulatorja je predvsem v dvigu ozaveš�enosti strokovnjakov s tega podro�ja in utiranju poti za nadaljnji razvoj. V preteklem desetletju je bilo razvitih ve� razli�nih simulatorjev varjenja. Razvoj teh sistemov je povezan s šolskimi centri za usposabljanje varilcev in proizvajalci varilske opreme na eni strani ter s proizvajalci VR tehnologij na drugi strani. Na trgu je ta trenutek prisotnih pet razli�nih neodvisnih sistemov:

• CS WAVE (Francija) • RW SOLD (Španija) • ARC+ (Kanada) • Sim WELDER (ZDA) • VW Fronius (Avstrija)

Simulatorji so sestavljeni iz ra�unalnika z monitorjem, oddajnika ultrazvo�nih ali magnetih valov (gorilnik), sprejemnika (postavljen razli�no za razli�ne sisteme) in naprave za ustvarjanje virtualnega okolja (obi�ajno je to zaš�itna maska s 3D o�ali). Z oddajanjem dolo�enega tipa valov se dolo�a položaj gorilnika, oziroma varilnega obloka. Na podlagi teh informacij se s programsko obdelavo podatkov dobivajo posamezni parametri varilnega procesa. Usposabljanje na virtualnih sistemih je zasnovano na vadbi pravilnih gibov oziroma izpopolnjevanju ob�utka za pravilno izvajanje varilnega procesa. Glavni parametri procesa, ki jih je možno vaditi na obstoje�ih simulatorjih so: varilna hitrost, razmak konica elektrode-talina, kota naklona gorilnika (v smeri varjenja in pre�no na zvar) ter pravilna smer varjenja. Ti parametri se najprej vadijo posami�no. Z napredovanjem kandidata, se ve� parametrov povezuje v eno vajo. Simulatorji omogo�ajo tudi snemanje poteka vaje z grafi�nim prikazom posameznih parametrov in vizualizacijo procesa. Dolo�eni sistemi imajo možnost simulacije varilnih napak (pore, vklju�ki, neprevarjenost, itd.), ki se pojavljajo zaradi nepravilnega vodenja gorilnika. Kontrolni center je glavno orodje, s pomo�jo katerega inštruktor spremlja in analizira napredovanje kandidata. Kontrolni center je integrirani del celotnega sistema simulatorja, ki z uporabo ra�unalniške mreže in strežnika omogo�a prenos podatkov na daljavo. Tako ima inštruktor možnost z oddaljenega mesta spremljati katerokoli vajo, ki jo kandidat izvaja v nekem trenutku ter s tem ocenjuje njegovo uspešnost. Rezultate vaj si lahko ogleda tudi z zakasnitvijo. Podrobna analiza posnetka vaje inštruktorju omogo�a natan�no odkrivanje vzrokov napak na podlagi katerih bo kandidatu posredoval potrebne ukrepe za izboljšanje kakovosti vaje pri naslednjih poskusih. Za vsak poskus se beležijo dolo�eni podatki (datum, �as,…), tako da so za vsakega kandidata na voljo grafi�ni prikazi posameznih parametrov tekom celotnega poteka usposabljanja. Na podlagi teh podatkov ima inštruktor možnost, da za vsakega kandidata poiš�e najboljšo pot za dosego zadanega cilja. Kontrolni center je ve�namensko orodje namenjeno ve�jem številu uporabnikov. Na za�etku usposabljanja se definirajo uporabniki, vsakemu posamezniku pa se omogo�i dostop do dolo�enih vsebin v odvisnosti od njegove vloge v procesu usposabljanja. Na ta na�in imajo kandidat, inštruktor, varilni inženir ali sistemski administrator, možnost uporabe kontrolnega centra na vsakem

��

��

ra�unalniku, ki je povezan s simulatorjem in ima nameš�eno aplikacijo, potrebno za delovanje sistema. Razli�ni tipi simulatorjev dajejo razli�ne možnosti usposabljanja za posamezen na�in varjenja. Ve�inoma so to MIG/MAG, REO in TIG. Možna je simulacija varjenja za razli�ne lege varjenja: PA, PB, PC, PF, itd. Nekateri simulatorji imajo tudi možnost vadbe na razli�nih vrstah materialov. Poleg nizkooglji�nega jekla so možne vaje na nerjavnih jeklih, aluminiju ali drugih materialih. Potrebno je dodati še to, da so se simulatorji varjenja pokazali kot zelo u�inkovito sredstvo pri selekcioniranju varilcev. Ko pa gre za nove aplikacije simulacijskih sistemov bo njihova vloga predvsem usposabljanje za varjenje dražjih materialov, kot sta titan in inkonel (zlitina niklja in kroma), kar bo omogo�ilo velike prihranke. V nadaljevanju bo predstavljenih pet že omenjenih sistemov za simulacijo varjenja, ki so našli svoje mesto v usposabljanju varilskega osebja. Navedene bodo njihove glavne lastnosti, kot tudi podobnosti oziroma razlike v primerjavi z drugimi simulatorji. 3.2 Simulator ARC+ To je najnaprednejši simulacijski sistem na podro�ju varilstva [3]. Proizvajalec je kanadsko podjetje 123Certification Inc. iz Montreala, ki se ukvarja z usposabljanjem in certifikacijo varilcev. Sistem je mobilen in omogo�a zelo realisti�no simulacijo varjenja ro�nih in polavtomatskih procesov. Vanj je vgrajenih je ve� kot 100 varilskih postopkov za 25 razli�nih vaj zasnovanih na vadbi 5-ih razli�nih parametrov varilnega procesa. Vizualizacija se ustvarja s pomo�jo 3D o�al, ki se nahajajo v notranjosti zaš�itne maske. S pomo�jo posebnih

senzorjev in oddajnikov, podobnih tistim, ki se uporabljajo pri kirurških simulatorjih, sistem zaznava premik gorilnika (slika 1). Simulator je v uporabi od leta 2006. Sestavljen je iz premi�ne platforme, zaslona na dotik (touch screen), sistema za spremljanje premika, zaš�itne maske z VR komponentami, industrijskih gorilnikov in virtualne imerzijske postaje (sistem za popolno poglobitev v VR). Dimenzije simulatorja so 62,2 × 59,7 × 36,8 cm, njegova teža pa znaša 38,5 kg. Vaje so razdeljene v tri komparativna nivoje: za�etni, srednji in napredni. Tekom enostavnejših vaj simulator s pomo�jo usmernikov nakazuje

pravilne parametre in geometrijo varjenja ter na ta na�in vodi varilca do pravilnih gibov (slika 2).

Slika 1: Prikaz simulatorja ARC+

��

��

Sistem omogo�a vadbo MAG, TIG in REO na�inov varjenja v vseh legah, z izdelavo enega ali ve� varkov. Pri materialu je možno izbrati jeklo, aluminij, nerjavno jeklo in druge materiale. Sistem simulira varilni oblok, nastanek in strjevanje taline, obrizge, zvok, zatemnitev v okolici obloka in dim. Vsi ti elementi pripomorejo k zelo realisti�nemu prikazu varilnega procesa. Na koncu vaje sistem analizira rezultate za posamezne parametre s pomo�jo katerih se ocenjujejo ro�ne spretnosti varilca. Kakovost zvara se ocenjuje na podlagi geometrije zvarnega spoja, vnosa toplote, prevaritve v korenu, kot tudi na podlagi notranjih in zunanjih napak. Sistem ima sposobnost simulacije por, neprevarjenosti, zlepov, zajed, razpok, prevelikih nadvišenj, posedenosti in vklju�kov. 3.3 Simulator Sim WELDER (VRTEX 360)

Ameriški simulator Sim Welder [4] je razvilo podjetje VR Sim v sodelovanju z mornarico ZDA. Modificirano verzijo sistema distribuira proizvajalec varilske opreme Lincoln Electric pod komercialnim nazivom VRTEX 360 (slika 3). Sistem danes uporabljajo v centrih za usposabljanje varilcev v ZDA in Avstraliji. Za simulacijo se uporabljajo industrijski gorilniki, pri �imer se virtualna slika ustvarja v zaš�itni maski s pomo�jo 3D o�al [5]. Za razliko od prejšnjega sistema, ta simulator uporablja za lažje lociranje gorilnika plasti�no maketo s kotnim ali so�elnim spojem (plo�evina in cev). Zaradi tega ima sistem konzolo s premi�no delovno mizo in pritrjevalno napravo za fiksiranje razli�nih oblik spoja. Prvotna oblika simulatorja je imela na gorilniku plasti�ne fiksne podaljške, tako da pri REO na�inu ni bilo možno simulirati porabo elektrode. V podjetju Lincoln so to

pomanjkljivost odpravili tako, da se sedaj elektroda postopoma premika oziroma krajša. Sistem omogo�a tudi vadbo virtualnega varjenja z MAG na�inom varjenja. Oba na�ina se

Slika 3: Prikaz simulatorja VRTEX 360

Slika 2: Prikaz sistema pravilnega vodenja procesa za pet varilnih parametrov

��

��

lahko izvajata v vseh legah varjenja. REO varjenje je možno simulirati za nizkooglji�na jekla, MAG pa za nizkooglji�na jekla in aluminij. Podobno kot pri ARC+ sistemu, je tudi tukaj možno izvajati vaje za pet razli�nih varilnih parametrov. Rezultati vadbe so izrisani na monitorju v obliki grafa. Sistem vsebuje tudi programsko opremo za dolo�anje položaja in vrsto varilske napake z izpisom naziva. Pomembna razlika tega sistema v primerjavi z ARC+ je možnost izbire dodatnih varilnih parametrov (premer žice, vrsta in pretok zaš�itnega plina in pol elektrode). Simulator nima ekrana na dotik, ampak se za nastavitve uporablja meni, in sicer s pomo�jo komandne ro�ice (joystick) na stroju. Med izvajanjem vadbe ima inštruktor možnost grafi�nega spremljanja varilnih parametrov (slika 4). Druga možnost je spremljanje premika varilnega obloka, oziroma slike, ki jo sicer varilec opazuje skozi 3D o�ala.

3.4 Simulator CS WAVE Francoski institut za poklicne kvalifikacije je leta 2001 pri�el sodelovati s podjetjem Comunication Systems, ki izdeluje simulatorje za razli�ne namene. Cilj sodelovanja je bil, da se ustvari sistem za izpopolnjevanje tehnike varilcev [6]. Osnovna ideja je bila, da se izklju�ijo strokovna znanja (ustrezna izbira parametrov na stroju, fizika varjenja, metalurgija itd.) ter da simulator postane pedagoško orodje, ki bo v pomo� inštruktorju in pospešilo spoznanje kandidata, kaj se od njega pri�akuje. Sistem je v komercialni uporabi od leta 2003. Uporablja se v približno 80 državah, v ve� kot 300 varilskih šolah. Po nekaterih ocenah so se stroški usposabljanja s pomo�jo CS VAWE sistema zmanjšali za 30 %, prav tako pa skrajšalo

Slika 4: Grafi�ni prikaz za parametre procesa na monitorju simulatorja VRTEX 360

��

��

trajanje izobraževanja do 50%. Glavni vzrok za takšen uspeh je dejstvo, da so v razvoju simulatorja skupaj sodelovali psihologi, inštruktorji in IT strokovnjaki. Glavne razlike v primerjavi z drugimi simulatorji so, da kandidat ne uporablja maske, niti 3D o�al, in da se spremljanje premika gorilnika izvaja na podlagi ultrazvo�nih valov, in ne na elektromagnetnih

valovih, kot pri ostalih simulatorjih. Zaradi tega se simulacija varjenja izvaja direktno na TFT ekranu. Monitor ima možnost rotiranja in nastavitve po višini, tako da dobimo razli�ne lege varjenja (slika 5). Prehod skozi menije sistema za nastavitev se izvaja z usmerjanjem gorilnika na ekran. Sistem simulira tri na�ine varjenja: REO, MAG in TIG. Varilec izbira želeno vajo in vadi nadzor nad enim ali ve� parametrov varjenja. S pomo�jo mreže in strežnika je možno trening spremljati tudi v oddaljenem kontrolnem centru. Podatki o izvajanju vaj se shranjujejo in potem skupno analizirajo med inštruktorjem in kandidatom. Usposabljanje se kronološko zapisuje v mapo kandidata. Sistem ima možnost vadbe na že omenjenih petih parametrih varilnega procesa. Tudi tukaj obstaja integriran sistem za pravilno vodenje varilskega orodja. Proces

spremljajo vizualni in zvo�ni efekti. Za razliko od prejšnjih dveh simulatorjev, CS WAVE nima možnosti animacijskega prikaza napak, kot so pore, zajede, neprevarjenost itd. Simulator je možno dobiti v treh izvedbah: lahka, srednja in fiksna. 3.5 Simulator RV-SOLD Med sodelovanjem Španskega društva za varjenje (CESOL) in podjetjem SIMFOR, ki izdeluje razli�ne tipe simulatorjev, je nastal simulator za usposabljanje varilcev RV-SOLD [7]. Simulator je izdelan v skladu z IIW navodili za usposabljanje varilcev. Sistem realisti�no simulira proces varjenja in sicer, tako vizualno, kot na podro�ju u�inkovitosti opreme, zvoka, porabe osnovnega ter dodajnega materiala itd. Simulator je sestavljen iz centralne enote (zamenjuje opremo za varjenje vklju�no z komponentami za izbiro jakosti elektri�nega toka in napetosti), 3D o�al in stojala za njih, monitorja, ki kaže sliko, ki jo vidi varilec skozi o�ala, gorilnika (prilagodljiv za vsak posamezen proces varjenja), senzorja premika (obstajata dva senzorja, ki delujeta usklajeno - prvi se nahaja v gorilniku, drugi pa v o�alih) ter tipkovnice z

Slika 5: Prikaz CS WAVE simulatorja

��

��

miško (slika 6). Sistem nima zaslona na dotik, tako da se povezava z vsebino simulatorja in izbira parametrov izvajata preko tipkovnice z miško. Opazno je, da sistem tudi ne vsebuje zaš�itne maske. Pomožni programi se uporabljajo za dolo�anje prakti�nih vaj, kontrolo napak, snemanje in ponavljanje vaj ter ustvarjanje mape kandidata. Med izvajanjem vaj sistem pošilja tekstovna ali zvo�na sporo�ila, s katerimi kandidata opozarja na nastale napake, o zaklju�ku vaje itd. Tudi ta simulator obvladuje 5 osnovnih parametrov varilnega procesa in podaja rezultate vaj v grafi�ni obliki. Podobno predhodnim sistemom ima RV-SOLD vgrajene komponente za pravilno vodenje gorilnika tekom vadbe varjenja. Med pregledovanjem posnetkov vaje je možno spreminjati pozicijo o�al. Na ta na�in je možno poiskati najboljšo pozicijo za analizo vaje. Simulator ima možnost vadbe za MAG in REO na�ina varjenja, in sicer v vseh legah. Vaje so sestavljene iz štirih modulov: prvi je uvod v varjenje, drugi varjenje kotnega spoja, tretji varjenje so�elnega spoja,

�etrti del pa varjenje cevi. Simulator v kombinaciji s teoreti�nim izobraževanjem in vadbo v realnem okolju predstavlja tridelni sistem za usposabljanje varilcev. Dodati je še potrebno, da ima tudi ta simulator vgrajene zvo�ne in vizualne efekte, kot so iskrenje, dim, obrizgi, nastanek in strjevanje taline, varilni oblok s temno okolico itd. Pri�akuje se nadaljnja nadgradnja tega sistema, ki pri dolo�enih detajlih zaostaja za drugimi simulatorji. 3.6 Simualator Fronius Gre za še en simulator, ki je nastal v industriji proizvajalca varilske opreme, in sicer gre za avstrijski Fronius. Med vsemi simulatorji je ta najmlajši, kar pomeni, da ima tudi njegov razvoj kratko zgodovino [8]. Prva verzija oziroma prototip simulatorja zaenkrat še nima uradnega naziva. Na podlagi videnega je možno zaklju�iti, da je v osnovi podoben drugim simulatorjem, ki delujejo s pomo�jo elektromagnetnih valov. Sistem vsebuje ra�unalnik z ekranom na dotik, maketo spoja, gorilnik in zaš�itno masko (slika 7). Edina pomembna razlika je v tem, da maska nima 3D o�al ampak je steklo prozorno. Na ta na�in ima varilec možnost isto�asnega opazovanja virtualne slike na monitorju in gorilnika, ki se premika na maketi spoja (kotni ali so�elni). V maski se nahaja oddajnik za lociranje, ki skupaj z oddajnikom v gorilniku in sprejemnikom v maketi spoja predstavljajo sistem za lociranje in ustvarjenje slike. Ploš�e spoja so podobne tistim, ki jih uporablja Lincolnov sistem, s to razliko, da je pri Froniusu osnovni material les. Usposabljanje je možno za MAG na�in varjenja, za so�elne in kotne spoje, v legah PA, PB in PF, in z maksimalno tremi varki. Po

Slika 6: Prikaz RV-SOLD simulatorja

��

��

stopnji zahtevnosti obstajajo trije razli�ni nivoji. V prvi fazi simulator omogo�a vodenje varilca s pomo�jo t.i. ''ghost – duh'' sistema. V tej fazi se vadijo posamezni varilni parametri. V drugi fazi te pomo�i ni, ampak se kandidata ocenjuje na podlagi samostojnega dela. V tretji fazi je na razpolago možnost izbire parametrov (napetost in jakost elektri�nega toka). Predvidene so tudi opcije za izbiro vrste materiala, na�ina prehoda materiala, vrste zaš�itnega plina in dodajnega materiala. Te možnosti bodo po vsej verjetnosti na voljo pri naslednji generaciji simulatorja. Sistem ima možnost organizacije mape za vsakega kandidata, možnost ponavljanja in analize posnetkov vaj, uporabo vseh vizualnih in zvo�nih efektov,

podobno kot pri ostalih simulatorjih. Izdelujejo se v fiksni in prenosni verziji. Po dostopnih informacijah bo imela naslednja generacija simulatorja tudi v masko vgrajena 3D o�ala. 4. ZAKLJU�EK Varilska industrija se danes sre�uje z resnim pomanjkanjem izkušenih varilcev. Vzroki za to so predvsem v zelo zahtevnih pogojih za delo, kot tudi v predsodkih, ki jih imajo o varjenju mlajše generacije. Klasi�en na�in usposabljanja je dolgotrajen in naporen, tako za varilca, kot za inštruktorja. Z uvajanjem simulatorja varjenja v programe usposabljanja varilcev ter kombiniranjem s teoreti�nim izobraževanjem in klasi�nim prakti�nim treningom, je možno precej skrajšati �as, in tudi znižati stroške usposabljanja. Isto�asno je kandidatom olajšano razumevanje nalog, ki se postavljajo pred njih, inštruktorjem pa je omogo�eno, da s pomo�jo natan�ne analize izvedenih vaj, pravilno usmerjajo kandidata ter izvajajo potrebne korekcije v u�nem programu. Vsi prikazani sistemi za simulacijo varjenja so zasnovani na ideji poenostavitve kompleksnega procesa usposabljanja varilcev. Njihov namen je, da kandidat pridobi potrebne ro�ne spretnosti in ob�utek za varilni proces, še preden pride v stik z realnimi pogoji varjenja. Simulatorji so zasnovani na vadbi nadzora nad petimi osnovnimi parametri varjenja, ki so odvisni od �loveškega faktorja. Prednost simulatorja je tudi v možnosti kronološkega spremljanja napredka kandidata, kot tudi v analiti�nem pristopu procesu usposabljanja varilcev. Isto�asno predstavlja uvajanje virtualnega varjenja v vadbeni proces zelo pomemben korak v približevanju varjenja mladim generacijam.

Slika 7: Prikaz simulatorja Fronius

��

��

ZAHVALA Ta �lanek je napisan v okvirju evropskega projekta ''Implementation of virtual technology in education of Welders and Welding Specialists – WIRTWELD'', s sredstvi iz programa vseživljenjskega u�enja Leonardo da Vinci. Udeleženci v projektu so VUZ (Slovaška), CWS (�eška), EWF (Portugalska) in IZV (Slovenija). LITERATURA 1. Heston, T. , Virtually welding, The FABRICATOR, An FMA Publication,

www.thefabricator.com, March 2008 2. Da Dalto, L., Benus Jr. , F. , Balet, O., Improving the welding training by a wise

integration of new technologies, 11th Slovak National NDT Conference and Exhibition DEFEKTOSKOPIA 2010 and QUALITY AT WELDING 2010

3. “ARC+ Welding Simulator” by 123Certification - http://www.123arc.com/en/ARCPlus.htm

4. “SimWelder” by VRSIM - http://www.simwelder.com/index.html 5. What is ''VRTEX 360''?- http://www.lincolnelectric.com/vrtex360/default.asp 6. ''CS WAVE’’, The Virtual Welding Trainer - http://wave.c-s.fr/ 7. RV Sold by SIMFOR and CESOL - http://www.simfor.es/en/products/product.php?p=8 8. Product description ‘’Fronius Virtual Welding’’ -

http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID- BFA25696-036863A3/fronius_international/hs.xsl/79_15490_ENG_HTML.htm

��

��

U�inkovita zaš�ita pred varilnimi plini

Tomaž �uk

IPRO d.o.o., Brn�i�eva 9, 1231 Ljubljana-�rnu�e

Povzetek

Dim, ki nastaja pri razli�nih postopkih varjenja, je zelo škodljiv za raspiratorne organe, zato mu je potrebno prepre�iti dostop do varil�evih dihalnih odprtin.

1. UVOD Škodljivi plini nastali pri varjenju oz. mehanski obdelavi kovin so zelo škodljivi uporabniku. Da bi omejili dim in prah po prostoru ga moramo zajeti že na samem izvoru. To storimo z lokalnim odsesavanjem dima in prahu z razli�nimi sesalnimi nastavki, gibljivimi rokami, napami… 2. ODSESOVALNI SISTEMI Odpraševalni oziroma odsesovalni sistemi naj delujejo samo takrat in samo toliko, kot je res potrebno, saj so taki sistemi ob neustreznem projektiranju in ob nepravilni uporabi, lahko energijsko precej potrošni. Splošna ventilacija v industrijskih objektih je vsekakor potrebna, ne opravlja pa iste funkcije kot lokalna ventilacija. Samo z lokalnim odsesavanjem lahko na marsikaterem delovnem mestu delavcu izboljšamo pogoje dela in zaš�itimo njegovo zdravje. Razli�ni proizvodni procesi proizvajajo ne�isto�e, ki so : Prah, Dim, Izparine, Pare in plini Telo je izpostavljeno razli�nim škodljivim ne�isto�am, kot so: razred�ila, dim od varjenja, prah od brušenja, kemikalije, teko�ine, dim od spajkanja itd. To so ne�isto�e, ki se ne odstranijo s splošno ventilacijo.

Slika 1: Vpliv finih delcev na �loveško telo

��

��

Lokalno odsesavanje delimo na dve skupini: • nizko (srednje) vakuumsko odsesavanje; • visoko vakuumsko odsesavanje.

Nizko vakuumsko lokalno odsesavanje uporabljamo predvsem pri proizvodnih procesih kjer se pojavljajo dim, zelo fin suh prah, oljna meglica in izpušni plini od bencinskih in dizel motorjev. Te ne�isto�e se praviloma dvigujejo nad delovni proces in jih moramo uloviti �im bližje mestu nastanka, še preden dosežejo respiratorne organe delavca. Pri nizko vakuumskem lokalnem odsesavanju se pretoki zraka na delovno mesto gibljejo med 600 – 1500 m3/h in podtlaku med 1000 – 3500 Pa. Najve�krat se lokalno odsesavanje na ve� delovnih mestih združi v centralni ventilacijski vod, ki je na koncu spojen s filtrom in ventilatorjem. Odcepi na delovna mesta se opremijo z avtomatskimi loputami, ki omogo�ajo prost pretok zraka v centralni vod samo takrat, ko se izvaja delovna operacija. Signale z avtomatskih motornih loput se spelje, do ventilatorja, ki je opremljen s frekven�nikom. S tako avtomatizirano konfiguracijo dosežemo manjšo porabo elektri�ne energije tako pri porabi elektri�ne energije kot pri zamenjavi zraka preko splošne ventilacije. Visoko vakuumsko lokalno odsesavanje najve�krat uporabljamo pri brušenju, poliranju in rezanju z ro�nimi elektri�nimi ali pnevmatskimi orodji, saj je pri teh procesih razpršenost prahu, v kolikor ga ne odstranimo takoj na izvoru, zelo velika. Prah odsesamo direktno z orodja. Za tako odsesavanje potrebujemo majhne pretoke zraka, 80 – 250 m3/h, pri podtlaku min. 20 kPa. Glede na to, da so danes moderna ro�na orodja izdelana tako, da je na njih že montiran primeren sesalni nastavek, je potrebno izdelati primeren odsesovalni sistem, ki se sestoji iz centralnega sesalnega voda, premera max. 150 mm, centralne visoko vakuumske enote s filtrom in fleksibilnih cevi, ki se na eni strani priklju�ijo na ro�no orodje, na drugi strani pa preko avtomatskih ventilov, na centralni sesalni vod. Seveda ta sistem pride v poštev pri proizvodnji, kjer je vklju�enih ve� delovnih mest. Za individualna delovna mesta, pa se priporo�ajo prevozni visoko vakuumski industrijski sesalci, ki so ravno tako opremljeni z visoko u�inkovitimi filtri. Zrak se preko filtrov o�isti in se v ve�ini primerov lahko vra�a v proizvodni prostor. Prednost visoko vakuumskega sistema je v tem, da ga lahko uporabljamo za odsesavanje dima in prahu, kakor tudi za �iš�enje proizvodnje, kar pomeni, da en sistem zadovoljuje tri razli�ne operacije dela v proizvodnji.

Slika 2: Izvedba odsesovanja prahu

��

��

Zaš�ita dihal varilca z uporabo varilnega š�ita z vklju�enim respiratornim sistemom

Aleš Tomši�, Maja Podgoršek

3M (East) AG, Podružnica v Ljubljani, Cesta v Gorice 8, 1000 Ljubljana

Povzetek

Varilec se pri svojem delu sre�uje z mnogimi tveganji, ki lahko vplivajo na njegovo zdravje. Primerna zaš�ita je zato nujna. Varilni š�it Speedglas z respiratornim sistemom Adflo predstavlja optimalno delovno orodje za varilca z vklju�eno zaš�ito dihal.

1. PRIHODNOST VARJENJA Varjenje vedno znova premaguje izzive, ki jih postavljajo sodobne zahteve: visokotla�ni cevovodi in rezervoarji, super tankerji, podmornice za ekstremne globine, dirkalna vozila, neboti�niki in vesoljska plovila, �e naštejemo le nekaj primerov. Vendar obstaja stalna težava, to je pomanjkanje usposobljenih varilcev v industriji. Mnogi gledajo na varjenje kot vro�, umazan in potencialno nevaren posel. Nadzorniki varjenja morajo resno pregledati delovno okolje in se vprašati: »Ali bo moja delavnica pritegnila in obdržala najboljše varilce?« In varilec naj se vpraša: »Kako si lahko obvarujem zdravje?« Naša družba postaja bolj ozaveš�ena glede zdravja, saj zna znanost bolje razložiti vzroke in posledice bolezni in težav. Mnogi varilci se sprašujejo, ali so pogoji, ki se jemljejo za dopustne, kot so vro�ica zaradi varilskega kovinskega dima ali poškodbe o�i zaradi obloka, v resnici sprejemljivi. Nove generacije varilcev cenijo celostno zaš�ito o�i in obraza s pomo�jo š�itov s samozatemnitvenimi varilnimi filtri (ang.: ADF - auto-darkening filter). Vedo tudi, da osebna zaš�ita dihal zagotavlja primeren zrak za dihanje. Manj energije porabijo za enostavno dihanje in ve� energije lahko usmerijo v varjenje. Tudi po delu se po�utijo bolj sveže.

��

��

Slika 1: Varilec pri delu 2. NEVARNOSTI PRI VARJENJU Odgovornost delodajalca je, da prepozna nevarnosti, ki so prisotne v delovnem okolju in priskrbi delavcem ustrezno zaš�ito. �loveške o�i, obraz in dihala so že po naravi mehki in ranljivi organi, še posebej v ostrem, težkem svetu elektri�nega oblo�nega varjenja. Mnogi procesi varjenja in rezanja oddajajo nevarno svetlobno sevanje. Najpogostejše poškodbe o�i zaradi UV/IR sevanja so vnetje mrežnice in opekline roženice. Te poškodbe zaradi intenzivne svetlobe je možno prepre�iti z nošenjem ustrezne zaš�ite in njeno primerno uporabo. Ko ste našli vašo idealno zaš�ito za o�i in obraz, ste lahko še vedno podvrženi glavobolom, vnetjem grla in splošni utrujenosti, ki se bistveno zmanjša, ko ste na po�itnicah. Vsak varilni dim vsebuje onesnaževalce. Poškodbe, ki jih ti onesnaževalci lahko povzro�ijo, so zahrbtne. Bolezni, ki jih povzro�i varilni dim, lahko trajajo ve� tednov, mesecev in v�asih let, preden postanejo vidne. Nivo onesnaženja je dolo�en z varilno metodo, amperažo in prezra�evanjem na delovnem mestu. Iz�rpne informacije o odredbah, zakonodaji in mejnih vrednostih so obi�ajno specifi�ne za vsako državo. Samo v ZDA porabijo letno povpre�no 300 milijonov $ za stroške povezane s poškodbami o�i, vklju�no s stroški zdravljenja, nadomestila delav�evega dohodka in izgubljenega proizvodnega �asa. V treh od petih primerov delavec ni nosil nobene zaš�ite o�i [1]. Akutni simptomi zaradi izpostavitve varilskemu dimu so draženje o�i in kože, slabost, glavobol, omotica in varilska vro�ica. Kroni�ne, notranje poškodbe se pojavljajo na respiratornem traktu in plju�ih (vklju�no s plju�nim rakom) ter centralnem živ�nem sistemu (Parkinsonova bolezen itd.). 100 let po iznajdbi š�ita pred oblokom, so poškodbe o�i še vedno med najbolj akutnimi poškodbami, zaradi katerih trpijo varilci. Tveganje obolenja za plju�nim rakom zaradi delovnega okolja, je pri varilcih za 40% ve�je, kot pri ostalih profesionalcih [2]. Varilci, ki kadijo, bolj potrebujejo respiratorno zaš�ito kot nekadilci [3]. V nekaterih mestih so oblasti dolo�ile lastne standarde za kakovost zraka v mestu. Za primerjavo s temi standardi so dopustni standardi za varilce lahko do 100 krat slabši, kot mestni zrak. Kaj to pomeni za varilce? Poglejmo si primer: mejna vednost za cinkov oksid je 5 mg/m3. Tudi �e ste pod to mejo, letno vdihate do 11 gramov cinkovega oksida.

��

��

EN standardi navajajo najmanjše zahteve po u�inkovitosti, ki jih mora zadovoljiti izdelek. Respiratorji so razvrš�eni tudi po zaš�itnih faktorjih, ki jih zagotavljajo. Zaš�itni faktor respiratorja kaže, koliko so onesnaževalci zmanjšani (ali pre�iš�eni iz zraka), preden dosežejo uporabnika. Primer: Proizvajalec galvaniziranih ograj je izmeril 30 mg/m3 cinkovega oksida v zraku na delovnem mestu. Zakonska mejna vrednost je samo 5 mg/m3. Izpostavitev delavca cinkovemu oksidu je potrebno znižati vsaj za faktor 6 (30 mg/m3 deljeno s 6 = 5 mg/m3). Potreben je respirator z najmanjšim zaš�itnim faktorjem 10.

Slika 2: Varilni š�it Speedglas z respiratornim sistemom Adflo 3. SPEEDGLAS Z ADFLO TLA�NO FILTRACIJO ZRAKA Speedglas varilni š�it z respiratorjem Adflo je lahek, kompakten sistem, ki deluje kot vse v enem. Sestavljiva konfiguracija Adflo turbinske enote pomeni, da se lahko plinski filter doda na filter za delce, in na ta na�in poskrbi za dodatno zaš�ito pred specifi�nimi organskimi, anorganskimi in kislimi hlapi. Dva sistema v enem dopuš�ata pove�ano prilagodljivost uporabniku in spremenljivim varilskim aplikacijam. Po potrebi se lahko lo�eno zamenja filter za delce ali filter za plin, obeh filtrov hkrati ni treba menjati. Respiratorni sistem Adflo nima zunanjih akumulatorjev, napajalnih kablov in nima ostrih robov. Je vitkega profila in na�rtovan za vstopanje v ozke predele. Uporaba varilnega š�ita Speedglas z respiratornim sistemom Adflo je preprosta. Ko vklju�ite vaš respirator s tla�no filtracijo zraka, prikazovalnik pokaže stanje filtra. Zelena lu�ka pomeni, da enota deluje normalno. Rde�a lu�ka pomeni, da je filter zamašen. Za dodatno varnost se odlikuje še z zvo�nim alarmom, ko je filter tako zamašen, da ni ve� možno vzdrževati nivoja zra�nega pretoka. V primeru, da uporabnik ta alarm presliši, se enota izklju�i sama [4].

��

��

Slika 3: Prikaz sestave varilnega š�ita Speedglas z respiratornim sistemom Adflo LITERATURA 1. Summit Training Source, Inc. v �lanku objavljenem v “Health & Safety International”,

July 2003. 2. US Department of Health & Human Services (NIOSH) Pub. No. 88-110p iii. 3. Spring 1997 (Vol.12#1) issue of Liaison, The Newsletter of the Occupational and

Environmental Medical Association of Canada. 4. Interno gradivo 3M.

��

��

Generisanje zavariva�kog dima iz elektrode kod REL zavarivanja

Razija Begi�, Azra Imamovi�

Tehni�ki fakultet Univerzitet a u Biha�u, Irfana Ljubijanki�a bb., 77 000 Biha�, B&H Farmaceutski fakultet Univerziteta u Sarajevu, �ekaluša 90, 71 000 Sarajevo, B&H

Sažetak U toku elektrolu�nih postupaka zavarivanja dolazi do generisanja zavariva�kog dima (ZD), koji je mješavina plinova, para i krutih �estica. Kako je osnovni materijal konstanta koja u�estvuje u okviru datog zadatka, dodatni materijal predstavlja podru�je koje bi se djelimi�no moglo mijenjati i prilago�avati uslovima i zahtjevima postavljenim za datu konstrukciju. Najve�a koli�ina ZD se generiše iz dodatnog materijala, konkretno iz bloge elektrode. Naj�eš�e se postavljeni zahtjevi kod kompleksne tehnologije zavarivanja odnose na kvalitet zavarenih spojeva u funkciji zadane konstrukcije. Noviji pristup problematici se temelji na procjeni postojanja štetnih supstanci koje su sastavni dio zavariva�kih dimova i njihovih utjecaja na zdravlje ljudi. Procjena pokriva plinovite i �esti�ne tvari, koje su poznate u industrijskim medicinskim znanostima zbog iritativnog u�inka na kožu i membrane od sluzokože, njihove otrovne ili kancerogene efekte ili potencijal da uzrokuju alergijske reakcije, za koje je definirano ograni�enje praga vrijednosti[1]. To je temelj na kojem se u sljede�em koraku štetne tvari definiraju u industrijskoj medicini. Provedena istraživanja prezentirana u ovom radu se odnose na produkciju i hemijski sastav �estica ZD kod ru�nog elektrolu�nog postupka zavarivanja (REL) obloženom elektrodom. 1. UVOD Prilikom REL postupka zavarivanja dolazi do generisanja zna�ajne koli�ine ZD. Koli�ina i hemijski sastav ZD zavise od: parametara zavarivanja, osnovnog, dodatnog materijala itd. Svi parametri zavarivanja su optimirani tako da ostvare potrebni kvalitet zavarenog spoja. Mijenjanjem hemijskog sastava obloge i jezgra elektrode, može se utjecati na hemijski sastav ZD. Obloga elektrode, kod REL postupka zavarivanja, ima nekoliko važnih funkcija: elektri�nu, metaluršku i zaštitnu. Mnoge komponente ZD mogu da predstavljaju opasnost za zdravlje zavariva�a, a tako�er štetno utje�u i na okolinu. Kvalitativna i kvantitativna analiza ZD, koji se emituje pri svim postupcima elektrolu�nog zavarivanja, treba da zadovolji zahtjeve propisane evropskim normama. Maksimalna dozvoljena koli�ina �estica u ZD trenutno iznosi 5 (mg/m3)[2], a najnoviji prijedlozi evropske komisije idu u pravcu da se taj limit smanji na 3 (mg/m3)[2]. Postoje vremenska ograni�enja koja se odnose na izlaganja zavariva�a pojedinim štetnim utjecajima supstanci ili hemijskih elemenata, kao i ograni�enja koja se odnose na koli�ine štetnih supstanci u zavariva�kom dimu, koja se ne smiju pre�i. Kako bi se mogla utvrditi ukupna produkcija ZD i odrediti hemijski sastav �estica ZD, potrebno je izvršiti odre�ene pripreme te izvršiti odre�ena mjerenja i hemijske analize. U tu svrhu je prema EN ISO 15011[4] utvr�ena laboratorijska metoda za skupljanje uzoraka isparavanja nastalih prilikom elektrolu�nog postupka zavarivanja.

��

��

2. PODRU�JE RADA STANDARDA EN 15011 Ovaj evropski standard u prvom dijelu opisuje laboratorijsku proceduru za odre�ivanje nivoa emisije ispravanja koje nastaje tokom elektro lu�nog zavarivanja i daje metodu za uzimanje uzoraka isparavanja, koji se analiziraju hemijskim metodama. Metoda uzimanja uzoraka isparavanja za hemijske analize koristi komoru za isparavanja i predlaže mogu�e analiti�ke tehnike za odre�ivanje isparavanja emitiranog iz konzumenata. Nivo emisije i sastav isparavanja ovise o procesu zavarivanja, parametrima zavarivanja, veli�ini radne površine, obloge itd. 2.1 Model zavariva�ke komore Standard EN 15011 daje preporuku za dva modela zavariva�ke komore, karakteristike jednog od modela su pokazane na sl. 1. Komora se sastoji od piramidalne testne komore s dnom ruba. Dimenzije baze komore su 500×500 (mm), a ukupna visina komore je 700 (mm). Visina piramidalnog dijela komore je 300 (mm). Visina dijela u kom se izvodi zavarivanje je 400 (mm). Pre�nik filtera (2) je 200 (mm). Filter povezan s pumpom je postavljen na vrhu komore (1) kako bi mogao sakupiti cjelokupna isparavanja. Slika 1: Zavariva�ka komora[4] 3. EKSPERIMENTALNI RAD U okviru istraživanja ZD provedeno je niz eksperimenata od kojih su najvažniji:

• eksperiment za odre�ivanje produkcije (ZD) i • hemijska analiza �estica ZD.

U ovom radu su prikazani rezultati dobiveni za navedene eksperimente kod kojih su korištene dvije razli�ite elektrode iste klase, elektroda A i elektroda B. Za OM izabran je niskougljeni�ni opšti konstrukcioni �elik �. 0361.

2

1

50

300

300

100

��

��

3.1 Produkcija ZD Zavarivanje je ra�eno u zavariva�koj komori. Za svaku probu je utrošena jedna elektroda i jedan filter. Struja zavarivanja je bila: 80 (A), 95 (A) i 110 (A). Prije svakog pokusa mjerena je težina praznog filtera (M1), a nakon svakog pokusa mjerena je težina punog filtera (M2). Razlika težina punog i praznog filtera predstavlja težinu �estica ZD emitovanu u toj probi. Pri svakoj probi snimano je aktivno vrijeme gorenja elektri�nog luka ili vrijeme trajanja zavarivanja (t). Ukupna emisija (E) �estica ZD, je data izrazom:

��

��

�−=

smg

12

tMM

E (1)

gdje je: E - ukupna emisija �estica ZD (mg/s),

M1 - masa filtera prije zavarivanja (mg), M2 - masa filtera nakon zavarivanja (mg), t - vrijeme trajanja luka (s).

U eksperimentu za odre�ivanje produkcije ZD je izvedeno šest proba. Vrijednosti produkcija ZD za navedene uslove rada su prikazane dijagramom (slika 2). Slika 2: Produkcija �estica zavariva�kog dima 3.2 Hemijska analiza �estica ZD Zavarivanje je ra�eno u zavariva�koj komori. Za svaku probu su utrošene po tri elektrode i jedan filter. Struja zavarivanja je iznosila 95 (A). Poznavaju�i hemijski sastav obloge i jezgra elektrode, funkciju elektrode i funkciju svih sastojaka obloge elektrode, mogu�e je utjecati na hemijski sastav �estica ZD, vode�i ra�una da se ne naruši integritet potrebnih osobina koje zavareni spoj dobiva zavarivanjem odre�enom elektrodom. Za elektrode A i B ra�ena su po �etiri pokusa u kojim je skupljena koli�ina �estica ZD dovoljna za hemijsku analizu procentualnih težinskih udjela pojedinih hemijskih elemenata. Hemijska analiza je ra�ena u laboratoriji za hemijske analize metodom atomske apsorpcione spektrometrije (AAS), koju preporu�uje standard EN ISO 15011. Rezultati hemijske analize za elektrodu A i elektrodu B su prikazani na slici 3, za hemijske elemente: Ni, Pb i Zn. Lista sigurnih osobina materijala

��

��

Material Safety Data Sheet (MSDS) sadrži i analizirane hemijske elemente Ni, Pb i Zn. Poznati su njhovi štetni u�inci na zdravlje zavariva�a. Slika 3: Rezultati hemijske analize �estica ZD 4. ZAKLJU�AK Eksperiment za odre�ivanje produkcije ZD pokazuje da se produkcija ZD pove�eve sa pove�anjem ja�ine struje zavarivanja, te treba težiti ukoliko je mogu�e da se radi sa manjim ja�inama struje zavarivanja. Hemijska analiza �estica ZD pokazuje da se mjenjanjem hemijskog sastava obloge i jez gra elektrode mijenja i hemijski sastav �estica ZD. Zahtjevi savremenog ekološkog pristupa �ovjeku i njegovoj okolini nalažu da se gdje je to mogu�e smanje štetne emisije. Provedene istraživanja u podru�ju zavariva�kih dimova generisanih kod REL postupka zavarivanja obloženom elektrodom, tako�er imaju mogu�nost doprinosa ovom opštem nastojanju. Istraživanja prezentovana u ovom radu mogu poslužiti u svrhu odre�ivanja nivoa emisije kod nekih postupaka zavarivanja, kao i kod odre�ivanja hemijskog sastava �estica ZD, kako bi se dobivene vrijednosti mogle svesti na propisane nivoe. Što je najvažnije mogu�e je utjecati na koli�inu i sastav �estica ZD mjenjaju�i koli�ine i hemijske sastav obloge i jez gra elektrode te na taj na�in smanjiti štetne utjecaje na zdravlje zavariva�a. LITERATURA 1. J. M. Antonini, G. G. Krishna Murthy, R. A. Rogers, R. Albert, T. W. Eagar, G. D. Ulrich,

J. D. Brian.: How Welding Fumes Affects the Welder, Welding Yournal, str. 55-59-98. 2. N. T. Jenkins, T. W. Eagar.: Chemical Analysis of Welding Fume Particles, str. 87-91-05. 3. Welding Fumes and Gases, CPWR , NIOSH, 2003 4. EN ISO 15011, april 2002. 5. Rihar G., Suban M.: Izlu�ivanje dimova pri elektrolu�nom zavarivanju, Zavarivanje,

1996.

��

��

Kakovostna zaš�itna oprema – investicija v zdravje varilcev in višjo storilnost

Rok Lužar

Weld d.o.o., Veselovo nabrežje 2a, 1234 Mengeš

Povzetek

Varilci so pri svojem delu izpostavljeni številnim zdravju resno nevarnim vplivom varjenja. V veliki ve�ini z njimi niso seznanjeni, a tudi v nasprotnem primeru zaradi premajhne ozaveš�enosti svojih delodajalcev prepogosto niso deležni nujno potrebne ustrezne zaš�itne opreme.

1. UVOD Uporaba neustrezne osebne zaš�itne opreme pri varjenju prinaša številne negativne posledice tako za uporabnika kot tudi za njegovega delodajalca. S stališ�a uporabnika (varilca) gre za negativne zdravstvene posledice, ki jih povzro�ajo predvsem izpostavljenost ultravijoli�nemu (UV) in infrarde�emu (IR) sevanju ter izpostavljenost izredno škodljivim plinom, ki se sproš�ajo med varjenjem. Posledi�no neustrezna zaš�ita varilca delodajalcu povzro�a nepotrebne stroške iz naslova bolniških odsotnosti, kadrovanja (bolezni, fluktuacija, posledi�no uvajanje novih kadrov,…) in morebitnih vloženih zahtevkov po odškodninah zaradi nastalih poklicnih bolezni in poškodb pri delu. Ustrezna, torej dovolj kakovostna osebna zaš�itna oprema, v veliki meri prepre�uje z goraj našteto. So�asno zagotavlja višjo storilnost varilcev, ki prav tako vpliva na boljše poslovne rezultate podjetja. Škodljivim vplivom varjenja so izpostavljeni predvsem koža, o�i in dihala varilca. Zato je nujno, da je varilec opremljen z osebnimi zaš�itnimi sredstvi, ki mu te dele telesa zavarujejo. 2. IZPOSTAVLJENOST KOŽE VARILCA ŠKODLJIVIM VPLIVOM

VARJENJA Koža varilca je pri varjenju potencialno izpostavljena teko�emu zvaru in iskram, predvsem pa zelo mo�nemu UV sevanju, ki dokazano zvišuje tveganje za nastanek kožnega raka. Nujno je torej potrebno zagotoviti, da so prav vsi deli telesa 100% zaš�iteni pred UV žarki, kar dosežemo z ustrezno usnjeno obleko (hla�e, jakne, predpasniki), usnjenimi rokavicami in varilsko masko. 2.1 Ustrezna varilska maska Maska, ki ustrezno š�iti obraz pred nastankom kožnega raka, mora biti:

• Naglavna. Ro�na varilska maska zelo slabo š�iti obraz pred UV sevanjem. • Opremljena z ustreznim avtomatskim varilskim filtrom.

��

��

• Ustrezno dizajnirana. Izdelana je tako, da š�iti varil�ev celotni obraz, vklju�no z ušesi in vratom. Priporo�ljiva je tudi uporaba usnjene zaš�ite za vrat, s katero po potrebi nadgradimo naglavno varilsko masko.

Le taka maska v vsakem trenutku š�iti obraz varilca pred nevarnim UV sevanjem in posledi�no pred kožnim rakom. Seveda poleg zaš�ite ne smemo zanemarjati udobja varilca, kar pomeni, da mora biti maska predvsem �im lažja in pravilno uravnotežena. 3. IZPOSTAVLJENOST O�I VARILCA ŠKODLJIVIM VPLIVOM VARJENJA Pri varjenju nastaja o�em nevarna UV in IR svetloba, ki ob neustrezni zaš�iti povzro�a trajne poškodbe o�i. IR svetloba povzro�a poškodbe o�esne le�e in vodi do nastanka o�esne mrene. UV svetloba pa povzro�a vnetje roženice (keratitis) ter poškodbe o�esne mrežnice. Kratkoro�ni simptomi, to je ob�utek varilca, da ima v o�esu ve�je koli�ine peska, sicer izginejo najkasneje v 36 urah, ostanejo pa brazgotine, ki na dolgi rok vodijo v trajno okvaro vida in celo slepoto. Zato je pri varjenju nujna uporaba naglavne varilske maske, ki ima vgrajen ustrezen, dovolj kakovosten avtomatski varilski filter, saj le ta zagotavlja 100% zaš�ito o�i pred nevarnim UV in IR sevanjem. 3.1 Ustrezen avtomatski varilski filter Ustrezen, torej dovolj kakovosten avtomatski varilski filter:

• Zagotavlja 100% UV in IR zaš�ito o�i. • Omogo�a nemoteno delo. Filter zagotavlja ustrezno hitrost reagiranja in zaznavo, ter

ima dovolj veliko vidno polje. • Zagotavlja dobro vidljivost pred, med in po varjenju. S tem ne povzro�a drugih okvar

vida, nervoze, glavobolov ipd… Ocene osnovnih opti�nih lastnosti filtra, ki jih predpisuje standard EN 379 in variirajo od 1 do 3, morajo biti po zakonu navedene na vsakem avtomatskem varilskem filtru. Številka 1 pomeni najboljšo možno oceno posamezne lastnosti filtra, številka 3 pa je najnižja možna še sprejemljiva ocena. Gre za ocene popa�enja slike, sipanja svetlobe, homogenosti filtra in kompenzacije kotne odvisnosti, v navedenem vrstnem redu (npr. 1/1/1/1).

• Uradno zagotavlja uporabniku visoko stopnjo kakovosti in varnosti. Kakovosten filter ima s strani pristojnega certifikacijskega urada (DIN Certco) pridobljenih �im ve� in �im strožje certifikate. Obvezen je certifikat CE, zahtevnejši certifikat DIN, najzahtevnejši pa prestižni in nadstandardni certifikat DINplus, ki uporabniku uradno zagotavlja najvišjo stopnjo kakovosti in varnosti.

Kakovosten avtomatski varilski filter o�i torej popolnoma zaš�iti pred posledicami škodljivega UV in IR sevanja. Zaradi dobrih opti�nih lastnosti prav tako ne povzro�a drugih okvar vida in hkrati zagotavlja ve�jo storilnost varilca in višjo kakovost varjenja. Med varjenjem pa se sproš�ajo tudi številni škodljivi plini, ki lahko povzro�ajo o�esna vnetja. Pred njimi se je mo� zaš�ititi z ustreznimi odsesovalnimi sistemi ali sistemi za dihanje (ve� o tem v poglavju 4.3.).

��

��

Slika 1: Visoko-kakovostna avtomatska varilska maska BH3 / GRAND GDS ADCplus

slovenskega proizvajalca Balder 4. IZPOSTAVLJENOST DIHAL VARILCA ŠKODLJIVIM VPLIVOM

VARJENJA Med varjenjem se sproš�ajo izredno škodljive snovi, kot so krom, nikelj, arzen, azbest, mangan, silicij, berilij, kadmij, dušikovih oksidov, fosgen, akrolein, spojine fluora, ogljikov monoksid, kobalt, baker, svinec, ozon, selen, cink… Vdihavanje dima, ki vsebuje te snovi, resno ogroža zdravje varilca. 4.1 Kratkoro�ne posledice izpostavljenosti dihal škodljivim vplivom varjenja Najpogostejše kratkoro�ne posledice vdihavanja drobnih kovinskih delcev in plinov, ki se sproš�ajo pri varjenju, so vnetje nosne sluznice, suho grlo, kašljanje, težko dihanje, slabost, plju�nica in kovinska mrzlica (»metal fume fever«), ki je gripi podobna bolezen, ki traja 1-2 dni. Poleg bolezni dihal pa snovi, ki se sproš�ajo med varjenjem, povzro�ajo tudi vnetje o�i in vnetje kože. 4.2 Dolgoro�ne posledice izpostavljenosti dihal škodljivim vplivom varjenja Pogoste dolgoro�ne posledice vdihavanja kovinskih delcev in plinov, ki se sproš�ajo pri varjenju, so sideroza plju�, plju�ni rak, Parkinsonova bolezen, manganizem, bolezni kosti in sklepov, kroni�na obolenja živ�nega sistema, ledvic in prebavil, astma, plju�ni edem, neplodnost, rak na grlu in rak na se�ilih.

��

��

Sideroza plju�, poznana tudi pod angleškima izrazoma »welders siderosis« oz. »welders lungs«, je posledica dolgotrajnega vdihavanja majhnih delcev železa. Ti povzro�ajo kroni�ni bronhitis, nalaganje železa v plju�ih ter razraš�anje in brazgotinjenje plju�nega veznega tkiva, kar dolgoro�no vodi do zmanjšanja kapacitete plju�. Dejstvo je, da varilci prevzemajo 40% ve�je relativno tveganje obolelosti za plju�nim rakom. V Sloveniji sicer med celotno populacijo odkrijejo ve� kot 1000 primerov plju�nega raka letno, kar 90% obolelih pa umre prej kot v 5 letih. Posebej nevarna pa je tudi dolgotrajna izpostavljenost vdihavanju mangana, ki se sproš�a pri ve�ini varilnih procesov, saj pove�uje tveganje obolelosti za Parkinsonovo boleznijo in njej podobno boleznijo, imenovano manganizem. Parkinsonova bolezen je med varilci desetkrat pogostejša kot med nevarilci, v povpre�ju pa se pojavi dvajset let prej. Posledice previsoke ravni mangana v telesu, med drugim poškodbe plju�, jeter, ledvic in centralnega živ�nega sistema ter težave s plodnostjo pri moških, se po raziskavah navadno pokažejo šele v obdobju od desetih do dvajsetih let. 4.3 Zaš�ita varilca pred škodljivimi vplivi snovi, ki se sproš�ajo med varjenjem Škodljivim vplivom kovinskih delcev in plinov, ki se sproš�ajo med varjenjem, se je mo� izogniti tako z uporabo stacionarnega odsesovalnega sistema nad varilnim mestom kot tudi z uporabo dihalnega sistema za �iš�enje zraka, ki je nadgradnja naglavne avtomatske varilske maske. Stacionarni odsesovalni sistem nudi ustrezno zaš�ito na dolo�enem varilnem mestu, medtem ko uporaba sistema za dihanje varilcu poleg ustrezne zaš�ite omogo�a tudi mobilnost na delovnem mestu.

Slika 2: Sistem za dihanje Balder Clean - air Basic Na sliki 2. je prikazan model dihalnega sistema, ki preko filtra, nameš�enega na hrbtu varilca, v masko dovaja pre�iš�en zrak. Ta osnovni model prepre�uje vdihavanje majhnih trdnih

��

��

delcev in aerosolov, obenem pa zmanjšuje tudi vdihavanje strupenih plinov, saj varilcu dovaja zrak z njegove hrbtne strani, kjer je koncentracija plinov nižja. Seveda so na voljo tudi sistemi za dihanje, ki s pomo�jo kemi�nih filtrov odstranijo tudi pline, ter sistemi, ki varilcu v naglavno masko dovajajo zrak iz drugega prostora, v katerem je zrak �ist. 5. ZAKLJU�EK Varilci so pri svojem delu izpostavljeni številnim zdravju resno nevarnim vplivom varjenja. V veliki ve�ini z njimi niso seznanjeni, a tudi v nasprotnem primeru zaradi premajhne ozaveš�enosti svojih delodajalcev prepogosto niso deležni nujno potrebne ustrezne zaš�itne opreme. Skrb za zdravje zaposlenih pomeni v prvi vrsti spoštovanje pravil eti�nega odnosa do so�loveka in širšega družbenega okolja. Poleg tega pa se odgovorni v podjetjih premalo zavedajo, da ima skrb za zdravje zaposlenih tudi povsem ekonomske razsežnosti. Poslovni uspeh podjetja je namre� v najve�ji meri odvisen od njegovih konkuren�nih prednosti v primerjavi z ostalimi podjetji. Viri konkuren�nih prednosti pa so lahko razli�ni in se tekom let spreminjajo. �e sta bila v preteklosti najsodobnejša tehnologija in finan�ni kapital glavna na�ina za doseganje konkuren�nosti, pa temu danes zaradi razmeroma enostavnega dostopa do njih ni ve� tako. Klju�ni dejavnik konkurence je postal na�in, kako sta razpoložljiva tehnologija in kapital uporabljena. Zato �loveški viri oz. zaposleni in njihove zmožnosti predstavljajo najpomembnejši vir podjetja. Pri svojem delu pa so lahko uspešni le, �e so ustrezno motivirani in zdravi.

��

��

�

��

��

�� !��"��

# ��

�

$�%� ��&� ��' ��

��

��

��

Celoviti pristop k zaš�iti okolja pri termi�nem rezanju in varjenju kovin – primeri iz prakse

János Orbán

VARSTROJ d.d., Industrijska ulica 4, 9220 Lendava

Povzetek

Opisan je primer iz prakse kako pristopiti k celoviti rešitvi k zaš�iti okolja pri termi�nem rezanju in varjenju kovin.

1. UVOD Postopki varjenja in termi�nega rezanja kovin spadajo med „umazane“ delovne procese, ki brez uporabe posebnih zaš�itnih mer mo�no obremenjujejo ožje in širše okolje. Pri teh postopkih namre� nastane velika koli�ina škodljivih plinov in prahu, ki direktno ogroža zdravje delavcev in onesnažuje okolico. Zdravje delavcev najbolj ogrožata dim in fini prah, ker z vdihavanjem lahko prideta direktno v plju�a. Na nastajanje teh škodljivih plinov in prahu vpliva ve� faktorjev (npr. pri termi�nem rezanju kovin nastane velika koli�ina prahu in še posebej pri rezanju s plazmo je to ve�inoma fini prah).

Celotni prah, ki jo je možno vdihati

Fini prah = pride v plju�a Dim pri varjenju Dim pri lotanju 0,01 µm 0,1 µm 1 µm 10 µm 100 µm

Pride v plju�a (v alveole)

Ne pride v plju�a

Slika 1: Razdelitev škodljivih delcev pri varjenju in sorodnih postopkih glede na velikost delcev

Slika 2: Faktorji, ki vplivajo na nastanek škodljivih dimov in prahu pri varjenju in rezanju kovin

��

��

2. PREDPISI Uvedba obveznega ozna�evanja proizvodov v Evropski uniji z znakom CE (od leta 1995) pomeni tudi obveznost uporabe ve� direktiv za varnost opreme, kot tudi za zaš�ito zdravja in okolice. To velja tudi za podro�je varjenja in termi�nega rezanja kovin, npr.:

• za proizvajalce opreme: direktiva za varnost strojev (89/392/EEC še iz leta 1989, vendar jo od 29.decembra 2009 zamenjuje nova direktiva 2006/42/ES), ki zajema tudi podro�je varnosti strojev za varjenje in termi�no rezanje kovin,

• za uporabnike opreme (za delodajalce obvezno od leta 1997): varnostna direktiva (89/655/EEC še iz leta 1989 dopolnjena leta 2001 z direktivo 2001/45/ES), ki obravnava minimalne zahteve za varnost in zdravje pri uporabi delovne opreme

Predpisi EU, ki obravnavajo zaš�ito okolja in koncentracije škodljivih plinov ter prahu na delovnem mestu so vedno strožji. Najve�je dovoljene koncentracije škodljivi plinov in prahu na delovnem mestu so podane s posebnimi predpisi, ki so v državah Evropske unije že ve�inoma poenoteni. Za podro�je varnosti in zdravja pri varjenju in rezanju kovin so najbolj znani predpisi iz Nem�ije (npr. BGR 220) in posebne panožne informacije (npr. BGI 593) ter po teh se tudi ve�krat orientiramo pri nas. Po teh predpisih je splošna omejitev za koncentracijo prahu na delovnem mesta slede�a:

• max. 3 mg/m3 za fine frakcije oz. delce prahu, ki lahko pridejo v plju�a (v kolikor zaradi posebnosti delovnega mesta to navzlic uporabi zaš�ite na sedanji tehni�ni stopnji ni možno zagotoviti, se ta meja premakne na 6 mg/m3),

• max. 10 mg/m3 za ve�je frakcije oz. delce prahu, ki jih je možno še vdihavati V kolikor prah vsebuje karcogene (rakotvorne) substance, so te dovoljene mejne vrednosti drasti�no nižji. Pri postopkih varjenja in termi�nega rezanja kovin tem predpisom ni možno zadostiti brez posebnih ukrepov za zaš�ito okolja (npr. odsesovanje na delovnem mestu) ali pa izbrati takšen postopek, ki ima manjši vpliv na delovno okolje (npr. pri rezanju s plazmo izbrati postopek rezanja s plazmo pod vodo). Po veljavnih predpisih se za doseganje �istega zraka na delovnem mestu najve�krat zahtevana prisilna ventilacija ali odsesovanje. Predpisi omejujejo tudi izpust teh škodljivih snovi v atmosfero, zato pri varjenju in rezanju se najve�krat morajo koristiti razne odesesovalno-filterske naprave. Zagotavljanje teh vrednostih je sorazmerno zahtevno in drago, vendar se na ta na�in omogo�i bolj zdravo delovno okolje in bolj humana delovno mesta. V Sloveniji je za to podro�je osnova »Zakon o varnosti in zdravju pri delu (Uradni list RS, št.56/99 in 64/01)«, vendar za celovito reševanje te problematike moramo tudi pri nas upoštevati še celo vrsto drugih predpisov in priporo�il. Pregled najve�je dovoljene koncentracije na delovnem mestu za tipi�ne škodljive oz. nevarne snovi v obliki dima ali prahu, ki nastanejo pri varjenju in termi�nem rezanju kovin: 1. Plinasta oblika:

Nevarna snov: Mejna vrednost Nastane pri 1.1. Strupena:

Ogljikov monoksid (CO) 33 mg/m3 varjenje, avtogeno rezanje

Ogljikov dioksid (CO2) 9000 mg/m3 varjenje, avtogeno rezanje

Dušikov monoksid (NO) 30 mg/m3 plazemsko, lasersko in avtogeno rezanje

Dušikov dioksid (NO2) 9 mg/m3 plazemsko, lasersko in avtogeno rezanje

Fosgen (COCl2) 0,4 mg/m3 rezanje plo�evin s PVC folijo oz. zaš�ito

��

��

1.2. Rakotvorna (karcogena): Ozon (O3) 0,2 mg/m3 varjenje, plazemsko rezanje

2. Praškasta oblika:

Nevarna snov: Mejna vrednost Nastane pri 2.1. Obremenjuje plju�a:

Aluminijev oksid 3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje Al materialov

Železov oksid 3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje Fe materialov

Magnezijev oksid 3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje materialov z Mg

Titanov oksid 3 / 6 mg/m3 varjenje in rezanje materialov s T i

Cinkov oksid 5 mg/m3 varjenje in rezanje pocinkanih materialov

2.2. Strupena:

Kalcijev oksid 5 mg/m3 varjenje

Manganov oksid 0,5 mg/m3 varjenje in rezanje materialov z Mn

Cinkov oksid 5 mg/m3 varjenje in rezanje pocinkanih materialov

Svin�ev oksid 0,1 mg/m3 varjenje, lotanje

Fluoridi 2,5 mg/m3 varjenje, lotanje

Srebrove spojine 0,01 mg/m3 varjenje, lotanje

Bakrov oksid 0,1 mg/m3 varjenje, lotanje

2.2. Rakotvorna (karcogena): Cadmijev oksid 0,015 mg/m3 materiali s premazom

Krom(IV)-spojine 0,05 mg/m3 visokolegirani materiali

Nikljev oksid 0,5 mg/m3 visokolegirani materiali

Mejne vrednosti emisije za prah, ki se lahko puš�ajo v ozra�je iz odsesovalno-filterskih naprav: Maksimalna dovoljena vsebnost prahu v izpuš�enem zraku: Masna koncentracija pri masnem pretoku do 500 g/h 0,05 g/m3 Masna koncentracija pri masnem pretoku nad 500 g/h 0,15 g/m3 Maksimalna dovoljena vsebnost praškastih anorganskih materialov v izpuš�enem zraku: Klasa 2 (kobalt/nikel in spojine) masnem pretoku ≥≥≥≥ 5 g/h 0,001 g/m3 Klasa 3 (krom in spojine) masnem pretoku ≥≥≥≥ 25 g/h 0,005 g/m3 2.1 Priporo�ene rešitve za zadovoljitev predpisov za zaš�ito okolja in delovnega

mesta pri varjenju: Delovna mesta za varjenje je potrebno opremiti s primernim sistemom za odsesovanje plinov in prahu ter uporabiti odsesovalno-filterske naprave, ki ustrezajo slede�im zahtevam:

• filterski vložki morajo imeti dober u�inek filtriranja (kvaliteta mora biti potrjena s certifikatom po BIA ali po EN 1822) in za vra�anje zraka v proizvodno halo morajo imeti: - klaso W1 po EN ISO 15012-1 (u�inek nad 95%) pri varjenju jekel s Cr+Ni pod 5%,

��

��

- klaso W2 po EN ISO 15012-1 (u�inek nad 98%) pri varjenju jekel s Cr+Ni do 30%, - klaso W3 po EN ISO 15012-1 (u�inek nad 99%) pri varjenju jekel s Cr+Ni nad 30%,

• uporaba tipskih suhih filterskih vložkov cilindri�ne oblike, • filterski vložki morajo biti tako nameš�eni, da omogo�ajo enostavno kontrolo in

zamenjavo, • filterski vložki morajo imeti dolgo življensko dobo tudi pri �iš�enju s stisnjenim

zrakom, • odsesovalno-filterska naprava mora omogo�ati enostavni nadzor delovanja in imet i

vgrajen sistem za avtomatsko �iš�enje filterskih vložkov (patron) s stisnjenim zrakom • pod filtrom se nahaja posoda za zbiranje prahu,

Varstroj priporo�a uporabo družine odsesovalno-filterskih naprav ECO-AIR. 2.2 Priporo�ene rešitve za zadovoljitev predpisov za zaš�ito okolja in delovnega

mesta pri termi�nem rezanju kovin: Tudi pri termi�nem rezanju kovin je potrebno upoštevati celo vrsto predpisov in priporo�il. Zakonski predpisi iz tega podro�ja zahtevajo relativno nizke vrednosti za dovoljeno koncentracijo škodljivih plinov in delcev (prahu), ki nastanejo pri termi�nem rezanju kovin (avtogeno ali plazemsko rezanje). Pri plazemskem rezanju se v primerjavi z avtogenim rezanjem sproš�a ve�ja koli�ina nevarnih plinov in finega prahu, zato se mora posebno velika skrb posvetiti zaš�iti delovnega okolja (koncentracija škodljivih plinov, dima in prahu ne sme presegati predpisane vrednosti). To je še posebej pomembno pri plazemskem rezanju s kisikom in drugimi plinskimi mešanicami, kjer nastane veliko škodljivih plinov in ti so v nekaterih primerih (npr. pri rezanju visokolegiranih materialov, ki vsebujejo Cr, Ni, V, Co, itd.) lahko tudi zelo strupeni. Za doseganje predpisanih pogojev v nobenem primeru ne zadoš�a naravna ventilacija ali prezra�evanje. Predpisane vrednosti je možno optimalno dose�i le ob uporabi sodobne podložne mize za plo�evino s spodnjim odsesovanjem, ki je vezano na ustrezno dimenzionirano in kvalitetno odsesovalno-filtersko napravo. Z odsesovanjem se omogo�i bolj zdravo delovno okolje in dobimo bolj humana delovno mesta, vendar te škodljive pline in prahu ni dovoljeno brez ustreznega �iš�enja oz. filtriranja spuš�ati niti v ozra�je. Predpisani na�ini zagotavljanja �istega zraka na delovnem mestu pri termi�nem rezanju (prezra�evanje ali odsesovanje), ko je to vezano na stabilni prostor in traja dalj �asa:

Postopek Osnovni material

Prezra�evanje = tehni�no (prisilno) prezra�evanje

Nelegirana in nizkole-girana jekla, aluminij

Visokolegirana jekla, neželezne kovine

Površinsko zaš�itena jekla

Avtogeno rezanje Prezra�evanje ---- Prezra�evanje Rezanje s plazmo O dsesovanje O dsesovanje O dsesovanje

��

��

3. PRIMERI IZ PRAKSE - ZAŠ�ITA OKOLJA IN DELOVNEGA MESTA PRI VARJENJU

V praksi se najve�krat uporabljajo slede�i na�ini odsesovanja:

Slika 3: Za nestalna delovna mesta v bližini sten (do 2 delovna mesta) so optimalne odsesovalno-filterske naprave na steni z eno ali dvema gibljivima rokama

Slika 4: Varilna miza s kombiniranim na�inom (stransko + zgoraj) odsesovanja

Slika 5: Centralno odsesovanje s filtrom za fiksna delovna mesta

��

��

Optimalne rezultate dobimo z ureditvijo odsesovanja plinov in prahu na varilskih delovnih mestih ter filtriranjem odsesanega zraka (po delovnem mestu se mora ra�unati s potrebno kapaciteto odsesovanja od 800 do 1.200 m3/h). Odvisno od namena uporabe so filterske naprave stabilne ali mobilne (prirejene za eno, dva ili ve� delovnih mest). Optimalna rešitev so stalna delovna mesta z uporabo delovnih miz za varjenje s kombiniranim na�inom odsesovanja (spodnje in stransko odsesovanje ali stransko in zgornje odsesovanje) in centralnega sistema za odsesovanje ter filtriranje.

Slika 6: Primeri izvedb centralnega odsesovanja pri varjenju 4. PRIMER IZ PRAKSE - ZAŠ�ITA OKOLJA IN DELOVNEGA MESTA PRI

TERMI�NEM REZANJU KOVIN 4.1. Priporo�ena rešitev odsesovanja pri uporabi portalnih cnc rezalnikov (postopek

rezanja je avtogeno ali plazma) Optimalne rezultate dobimo z ureditvijo odsesovanja plinov in prahu na delovnem mestu za termi�ni razrez materiala (plazma/avtogeno) s filtriranjem odsesanega zraka na slede�i na�in:

• za portalni CNC rezalnik, ki je lahko opremljen z gorilniki za plamensko in/ali plazemsko rezanje, uporabiti sodobno podložno mizo za plo�evino s spodnjim odsesovanjem in pri tem upoštevati velikost plo�evine ter število rezalnih glav,

• podložno miza za plo�evino s spodnjim odsesovanjem povezati na odsesovalni kanal, • odsesovalni kanal speljati do odsesovalno-filtrirne naprave, ki mora omogo�it i

odsesovanje in �iš�enje zraka po veljavnih okoljevarstvenih predpisih (za odsesovanje na delovnih mestih, kot tudi za izpust filtriranega/o�iš�enega zraka v atmosfero)

4.2. Opis sodobne podložne mize za plo�evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem Ve�ina prahu in plinov, ki nastane pri termi�nem rezanju, se usmeri navzdol pod plo�evino, ki se reže. Pre�ni odsesovalni kanali morajo biti tako oblikovani in nameš�eni, da v sebe ne potegnejo ve�je delce, morajo pa poleg navzdol usmerjenih delov (prah, plin) u�inkovito posrkati tudi ves prah in pline, ki se odbijejo nazaj (navzgor) od stranic in dna podložne mize za plo�evino. Prostor med pre�nimi odsesovalnimi kanali mora biti tudi fizi�no lo�en s pregrado, sicer pride do velikih izgub pri odsesovanju (ventilator vle�e zrak tudi iz sosednjega prostora!) in prah leti tudi izven podro�ja odsesovanja.

��

��

Slika 7: Primeri spodnjega segmentnega odsesovanja Pri rezanju s plazmo sta isto�asno lahko odrta tudi dva pre�na kanala (pogoj za izpolnitev veljavnih EU predpisov pri vzdolžnem rezanju). Priporo�amo uporabo takšnih podložnih miz za plo�evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem (standardna izvedba kanalov za segmentno odsesovanje z rasterjem 500 mm, pnevmatsko odpiranje odsesovalnih loput, aktiviranje pnevmatskih ventilov opravlja sam CNC rezalnik, okvir za nalaganje plo�evine in posoda za odpadni material z možnostjo dviganja pri �iš�enju), ki jih Varstroj proizvaja pod imeni VAR-ECO. 4.3. Opis sodobnega sistema za odsesovanje in filtriranje zraka, ki se priporo�a za

uporabo pri termi�nem rezanju kovin Sodobni odsesovalno-filterski sistemi, ki jih priporo�amo za uporabo pri termi�nem rezanju kovin morajo imeti slede�e karakteristike:

• sestavljeno iz lo�ene pred�istilne enote (npr. ciklon za mehansko lo�itev ve�jih delcev) in osrednje filterske enote (za filtriranje finih delcev), kjer so tako nameš�eni tipski suhi filterski vložki cilindri�ne oblike,

• filterski vložki morajo biti tako nameš�eni, da omogo�ajo enostavno kontrolo in zamenjavo,

• filterski vložki morajo imeti dober u�inek filtriranja (kvaliteta mora biti potrjena s certifikatom po BIA ali po EN 1822) in imeti dolgo življensko dobo tudi pri �iš�enju s suhim stisnjenim zrakom,

• odsesovalno-filterska naprava mora omogo�ati enostavni nadzor delovanja in imet i vgrajen sistem za avtomatsko �iš�enje filterskih vložkov (patron) s stisnjenim zrakom

• pod filtrom se nahaja posoda za zbiranje prahu, Varstroj priporo�a uporabo odsesovalno-filterskih naprav serije AIR-ECO tipa MDB proizvajalca Varstroj-PlymoVent, ki so modulno grajeni sistemi z veliko kapaciteto odsesovanja (od 3.000 m3 /h do 12.000 m3 /h - odvisno od velikosti naprave in vgrajenega ventilatorja). Te naprave imaju vgrajene tipske filterske vložke-patrone visoke kvalitete (klasa »C« po BIA oz. klasa »M« po DIN EN 60335-2-69) iz poliestra, vsaka ima po 15m2 aktivne filtrirne površine. Oblika je cilindri�na (patronski filterski vložek), �iš�enje je izvedeno avtomatsko s suhim stisnjenim zrakom, ki jo upravlja mikroprocesor.

��

��

Slika 8: Odsesovalna-filterska naprava serije AIR-ECO tipa MDB

Slika 9: Modulno grajeni sistemi AIR-ECO tipa MDB 4.4. Napotki za izbiro velikosti odsesovalno-filterske naprave pri termi�nem rezanju

kovin Za izbiro oz. dolo�itev velikosti odsesovalno-filterske naprave oz. kapacitete odsesovalnega ventilatorja je potrebno poznati: a) Izvedbo podložne mize za plo�evino s spodnjim odsesovanjem (npr. razdalja med pre�nimi odsesovalni kanali je izveden z rasterjem 500 mm), b) Velikost podložne mize za plo�evino oz. dimenzije plo�evine (npr. za plo�evine 1,5m x 3m, 2m x 4m, 2m x 6m, 2,5m x 6m, 3m x 6m, itd.), c) Konfiguracijo CNC rezalnika: postopke termi�nega rezanja, število gorilnikov in vrste ter debelino materialov, ki se reže, kot tudi jakost naprave za rezanje s plazmo, npr.:

• avtogeno z 4 gorilniki (navadno jeklo debeline do 150mm) • avtogeno z 2 gorilniki (navadno jeklo do 300 mm),

��

��

• plazma z 1 gorilnikom (navadna jekla do 20 mm), • plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 20 mm), • plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 50 mm), • kombinirano: plazma z 1 gorilnikom (navadna in Cr-Ni jekla do 50 mm) in avtogeno z

2 gorilniki (navadno jeklo debeline do 150 mm), itd. Na osnovi teh podatkov je potem potrebno izbrati primerno veliko in preverjeno odsesovalno-filtersko napravo, ki je ustrezna pri termi�nem rezanju kovin. Pri uporabi podložnih miz za plo�evino s spodnjim segmentnim odsesovanjem tipa VAR-ECO se velikost odsesovalno-filterske naprave lahko dolo�i na osnovi slede�e tabele:

Plo�evina Potrebno odsesovanje (m3/h) Tip

podložnog stola Širina (mm)

Dolžina (mm) Avtogeno (max.2

gorilnika) HD-plazma (max.100A)

Avtogeno (2 gorilnika)

Plazma (max.200A)

Avtogeno (>>>>2 gorilnika)

Plazma (>>>>250A)

VAR-ECO 1,6 1.500 2.000 do 12.000 2.400 3.500 5.000 VAR-ECO 2,1 2.000 2.000 do 12.000 3.500 5.000 6.200 VAR-ECO 2,6 2.500 2.000 do 12.000 4.100 5.800 7.400 VAR-ECO 3,1 3.000 2.000 do 12.000 5.400 6.800 8.600

4.5. Primer iz prakse: izvedba odsesovanja na srednje velikem portalnem cnc

rezalniku (avtogeno in plazemsko rezanje) Portalni CNC rezalnik tipa VARCUT 3,2 L2/Ph-2,5x12/1(G+PL) je namenjen za avtogeno in plazemsko rezanje plo�evin širine do 2.500 mm in dolžine do 12.000 mm s slede�imi podatki: Število gorilnikov za rezanje: 1 kom plazma do 300 A 1 kom avtogeno Vrsta materiala: nelegirana jekla, visokolegirana jekla (tudi Cr-Ni), ne reže se Al Stanje površine, ki se reže: table plo�evin so nepobarvane in brez olja Debelina materiala: plazma: max. 60 mm, avtogeno: max. 150 mm Odsesovanje obratuje: neprekinjeno pri rezanju Mesto postavitve odsesovalno-filterske enote je v neposredni bližini rezalnika Pri rezanju s plazmo je neobhodno odsesovanje, zato se je pri tem projektu odlo�ilo za uporabo podložne mize za plo�evino s segmentnim odsesovanjem tipa VAR-ECO 2,6 x 12. Po izkustvenih podatkih je potrebno z optimalno izvedbo odsesovanja za ta primer (en gorilnik za avtogeno rezanje, en gorilnik za rezanje s plazmo jakosti nad 250 A) uporabiti odsesovalno-filtersko napravo s kapaciteto min. 7.400 m3/h. Na osnovi teh podatkov je bila izbrana stabilna odsesovalno-filterska naprava z možnostjo avtomatskega �iš�enja filterskih vložkov tipa ECO-AIR 180/11 MDB-12. Naprava omogo�a kapaciteto odsesovanja do 9.000 m3/h in je opremljena s 11 kW ventilatorjem, ki se namesti ob odsesovalno-filtrirni napravi. Modulno zgrajeni osrednji filterski del vsebuje 12 kom filterskih vložkov visoke kvalitete iz polyestra od katerih vsaka ima po 15 m2 aktivne filtrirne površine (skupaj 180 m2 aktivne filtrirne površine).

��

��

Izgled izvedene kompletne linije za rezanje (CNC rezalnik + podložna miza za plo�evino + odsesovalno-filterska naprava) je razvidno iz priložene slike.

Slika 10: Izgled izvedene kompletne linije za rezanje LITERATURA 1. BGI 593 … Schadstoffe beim Schweißen und bei verwandten Verfahren, BG-Information,

Berufgenossenschaftliche Informationen für Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit (2003),

2. Prospekti firm: PlymoVent Švedska in Varstroj Lendava

��

��

Hrupna obremenitev pri postopkih toplotnega rezanja

David Žvab, Jurij Prezelj, Ivan Polajnar, Mirko �udina

Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ašker�eva 6, 1000 Ljubljana Povzetek

Meritve hrupa so bile opravljene v industrijskem okolju, pri postopku plamenskega in plazemskega rezanja pri razli�nih rezalnih pogojih. Z meritvami se je ugotavljalo ravni hrupa, na mestu operaterja rezalnega stroja, kot tudi na lokaciji najbližjega sosednjega delavca. Zaradi ve�je verodostojnosti, so bile meritve opravljene med rednim obratovalnim �asom tako, da merilni rezultati vklju�ujejo tudi prisoten hrup okolice.

1. UVOD Hrup je v kovinsko predelovalni industriji je eden najpogostejših dejavnikov tveganja pri delu. Ogrožen je lahko vsak delavec, ki je izpostavljen pove�anemu hrupu. Okvare sluha zaradi hrupa veljajo za enega od bolj pogostih zdravstvenih problemov na delovnih mestih. Višja je raven hrupa in daljša je izpostavljenost hrupu, ve�je je tveganje za poškodbe in s tem vezane zdravstvene težave. Vedeti je potrebno, da lahko že nizka raven hrupa povzro�i številne težave. Na delavcu se te težave izražajo preko stresa, slabe zbranosti in nelagodja. Pri slabi slišnosti ukazov ali govora je lahko nevarnost za operaterja in za delavce v njegovi bližini še toliko ve�ja. Vse meritve hrupa so bile opravljene v industrijskem okolju in sicer v podjetju Litostroj E.I., ki je proizvajalec posami�nih ter maloserijskih izdelkov hidromehanske opreme. Razrez debelejših plo�evin opravljajo z dvema toplotnima postopkoma, to sta plamensko in plazemsko rezanje. Ker smo obravnavali dva fizikalno razli�na postopka rezanja, je med njima bilo potrebno zagotoviti ustrezno primerljivost. Na podlagi tega, smo meritve hrupa plamenskega rezanja opravljali pri razli�nih debelinah obdelovanca. Med obratovanjem plazemskega rezalnika pa smo merili hrup pri razli�nih jakostih elektri�nega toka. Pri obeh postopkih smo raven hrupa merili na mestu operaterja in na najbližjem sosednjem delovnem mestu. Za vidnejšo razliko hrupa pri postopkih rezanja, smo izmerili tudi raven hrupa okolice, ki nam prikazuje dejansko zvo�no sliko prostora, kjer se nahajajo rezalni stroji. Potek meritev in lokacije merilnega mesta sta pokazali, kolikšna je velikost hrupne obremenitve pri postopkih toplotnega rezanja in v kakšnih zvo�nih razmerah delajo neposredni operaterji in delavci na najbližjih sosednjih delavnih mestih. 2. VRSTE HRUPA IN NA�INI MERJENJA Hrup je predvsem subjektivna kategorija, ki negativno vpliva na zdravje in po�utje ljudi. Prekomerni hrup povzro�a poškodbo sluha, utrujenost, vpliva na koncentracijo pri delu, študiju, po�itku, povzro�a psihofizi�ne motnje, travmo, motnje v krvnem obtoku,…

��

��

U�inek hrupa je odvisen tudi od njegove ravni, slika 3. Daljša izpostavljenost hrupu nad 80 do 90 dB(A) navadno povzro�a izgubo sluha.

Slika 1: Decibelna skala ravni hrupa dB (A) Meritve jakosti hrupa na delovnem mestu se izvajajo v skladu s standardom SIST ISO 9612. S tem se meri vse zahtevane karakteristike, to je ekvivalenta raven LAeq, merjeno z dinamiko »fast«, impulzno raven LAimp, ter koni�no raven LCpeak, ki jo merimo z dinamiko peak.

Hrup na delovnem mestu merimo v normalnih delovnih pogojih, z delujo�imi stroji pri zaprtih oknih in vratih, z vklju�eno klimatizacijo in prezra�evanjem. �e imamo v prostoru ve� istovrstnih strojev, se meritev opravi na delovnem mestu, ki je na sredini vsake take skupine, ter posebej pri vsakem stroju, katerega raven hrupa je vsaj za 3 dB(A) višja od ravni hrupa, ki jo povzro�ajo sosednji stroji. V primeru, da se hrup na delovnem mestu spreminja med delovnim �asom za 3 dB(A), je potrebno meriti ekvivalentno raven hrupa LAeq skozi celoten delovni �as, po ena�bi:

��

�

� ⋅⋅= =

m

i

Leqeq

ieqTT

L1

10/,101

log10 [dB(A)] (1)

Leq,i – ekvivalentna raven hrupa izmerjena v posameznem �asovnem intervalu Teq

T – vsota vseh �asovnih intervalov =

=m

ieqTT

1

m – celotno število parcialnih �asovnih intervalov

��

��

V kolikor imamo opraviti z impulznim hrupom, moramo poleg ekvivalentne ravni, ki je merjena z dinamiko »fast«, isto�asno meriti tudi impulzno raven LAimp, ki je merjena z dinamiko » impulse«. To pomeni, da se ekvivalentni ravni prišteje razliko med ravnjo impulznega in ekvivalentnega hrupa. V primeru, da je razlika med impulzno in ekvivalentno ravnjo hrupa od 2 do 6 dB(A), se ekvivalentni ravni prišteje dejansko razliko, �e pa se razlika pove�a od 6 dB(A) navzgor, se pa prišteje 6 dB(A). Ob prištevanju impulznega vpliva k ekvivalentni ravni se ena�ba za izra�un ekvivalentne A- vrednotene ravni glasi takole:

��

�

�⋅⋅=

=

+n

i

KiLi

eTeeq

TieqTT

L1

)(1,0,

,101

log10 [dB(A)] (2)

Te – �as izpostavljenosti delavca hrupu Leq,Ti – ekvivalentna kontinuirana A- vrednotena raven hrupa Ki – impulzna korekcija hrupa v �asovnem intervalu T i Oceno o obremenjenosti delavca s hrupom ali ekspozicijska raven LEX,8h, dobimo na podlagi izmerjenih ali izra�unanih ekvivalentnih ravni (Leq,Te, Leq) v �asu izpostavljenosti Te po naslednji ena�bi:

��

�

�⋅+=

010,8, log10

TT

LL eTeeqhEX [dB(A)] (3)

T0 – �as delavnika (8h) Tedenska ali 5-dnevna izpostavljenost delavca hrupu dobimo z ena�bo:

��

�

�⋅= =

m

i

iLwEX

hEXL1

)(1,0,

8,1051

log10 [dB(A)] (4)

m – število merilnih intervalov 3. EKSPERIMENTI 3.1 Namen Z eksperimenti se je želelo ugotoviti velikost hrupa v neposredni bližini rezalnega stroja(na delovnem mestu operaterja, kot tudi v bližnji okolici, kjer se praviloma nahaja že drugo delovno mesto). Hrup, kateremu je izpostavljen operater na rezalnem stroju ima lahko ve� izvorov. Ti so lahko:

a) v samem tehnološkem procesu plazemskega ali plamenskega rezanja; b) v raznih pokih, pri ugasnitvah plamena (pri plamenskem rezanju); c) v izvoru elektri�ne napetosti (transformatorju in usmerniku) za plazemsko

rezanje; d) v vodilih šob koordinatnega premikanja gorilnika; e) v transportu plo�evine na ali iz rezalne mize; f) v drugih izvorih na sosednjih delavnih mestih, kjer brusijo, varijo, peskajo,

to�kajo, transportirajo,…

��

��

Iz analize vseh izvorov hrupa je razvidno, da je na delavnem mestu operaterja rezanja prisoten hrup, ki ga ustvarja delavec sam, z rezanjem in okoliški hrup, na katerega delavec nima nobenega vpliva. 3.2 Prostor in �as Z meritvami se je želelo pokazati na velikost in razlike v hrupni obremenitvi pri toplotnih postopkih rezanja razmeroma debelih plo�evin. Meritve sem izvedel za dva postopka toplotnega rezanja, ki jih tudi sicer v podjetju Litostroj uporabljajo, to sta bila plamensko in plazemsko rezanje. Hrupne obremenitve so bile merjene v realnih pogojih, med delavnim �asom v plo�evinarni podjetja Litostroj E.I. v Ljubljani. 3.3 Rezalni stroji Meritve so potekale na dveh lo�enih strojih, z zna�ilnostmi kot so navedene v tabeli 1 in 2. Tabela 1: Tehni�ni podatki rezalnega stroja DS-1

Oznaka DS-1

Delovna operacija Plazemsko in plamensko rezanje (kombinirano) Proizvajalec stroja MESSER GRIESHEIM Tip stroja Statosec KST 5600 Številka 1604511

Tabela 2: Tehni�ni podatki rezalnega stroja DS-2

Oznaka DS-2

Delovna operacija Plamensko rezanje Proizvajalec stroja MESSER GRIESHEIM Tip stroja Statosec KSJ 2000/2000 Številka 1903007 kom. nr. 122146 3.4 Merilna oprema Merjenje hrupne obremenitve smo merili z integracijskim ro�nim merilnikom Bruel&Kjaer 2260 »Investigator «, ki nam omogo�a merjenje vseh parametrov hkrati:

• LAeq ekvivalentna kontinuirana A - vrednotena raven zvo�nega tlaka (dB(A)), • LAim p impulzna raven zvo�nega tlaka (dB(A)), • LAim p – LAeq razlika med impulzno in ekvivalentno ravnjo zvo�nega tlaka (dB(A)),

• prikaz frekven�ne analize (tercna ali oktavna),

��

��

3.5 Merilna shema Hrupne obremenitve na delavca pri toplotnem rezanju smo merili po napotkih pravilnika SIST ISO 9612: 1998. Za zagotovitev kvalitete rezultatov je bil merilnik pred za�etkom merjenja kalibriran z ustreznim kalibratorjem. Slika 18 prikazuje shemo postopka merjenja na rezalnem stroju. Mikrofon je bil od mesta rezanja oddaljen na približno enaki razdalji kot je delavec – operater in nameš�en v višini delav�evih ušes. Mikrofon je bil pritrjen na prenosno stojalo tako, da je do njega prihajal zvok prakti�no enakih frekvenc in amplitud, kot do delav�evih ušes. Desni del sheme prikazuje, da je mikrofon povezan z merilnikom zvo�nih ravni. Merilnik si v �asu med meritvami zabeleži vse podatke merjenja. Te podatke smo nato prenesli iz merilnika na osebni ra�unalnik, kjer se jih je po posebnem programu analiziralo.

Slika 2: Shema merilnega sistema za merjenje ravni hrupa pri toplotnem rezanju 3.6 Potek meritev 3.6.1 Plamensko rezanje Prvi del meritev je potekal v istem prostoru, na stroju za plamensko rezanje. Najprej smo mikrofon postavili pri stroju DS-2 na mesto operaterja in obrnjenega proti viru zvo�ne energije. Tu so bile opravljene štiri meritve. Osnovni material, ki smo ga rezali je bil jeklo za poboljšanje S355J2G3 dveh debelin, 35 in 90 mm. Pri debelini 35 mm so bile hitrosti rezanja od 400 do 450 mm/min, za debelino 90 mm pa so bile rezalne hitrosti od 150 do 200 mm/min, slika 3. Ker so bile pri plamenskem rezanju ravni hrupa nižje od dopustnih vrednosti za povpre�no osemurno obremenitev (85 dB(A)) in znatno nižje od izmerjenih vrednosti pri plazemskem rezanju, nismo izvedli dodatnih meritev na sosednjem delovnem mestu.

a) Meritve ob delavcu: • 1× meritev hrupa ozadja (brez obratovanja rezalnega stroja), • 1× meritev hrupa ozadja med obratovanjem to�kalnega ozna�evanja na

sosednjem delovnem stroju, oddaljenem približno 30 m (brez obratovanja rezalnega stroja),

• 2× meritve med rezanjem, pri spremenljivih pogojih.

��

��

Slika 3: Plamensko rezanje konstrukcijskega jekla debeline 90 mm 3.6.2 Plazemsko rezanje Drugi del meritev je potekal pri plazemskem rezanju stroja DS-1, osnovnega materiala iz nerjavnega jekla Cr-Ni 13-4, debeline 12 in 35 mm. Hitrosti rezanja za debelino 12 mm so bile od 740 do 760 mm/min, pri debelini 35 mm pa so bile hitrosti rezanja od 330 do 350 mm/min, slika 4. Za�eli smo s postavitvijo mikrofona v neposredni bližini operaterjevih ušes. Ta je bil od operaterjevih ušes oddaljen 20 cm, obrnjen proti viru hrupa in nastavljen na višini 1,5 m. Na tej višini je bil nastavljen pri vseh meritvah, ki so bile izvedene. Meritve so se izvajale po naslednjem vrstnem redu:

a) Meritve ob delavcu: • 1× meritev hrupa ozadja (brez obratovanja rezalnega stroja), • 7× meritve med rezanjem, pri spremenljivih pogojih.

Po kon�ani osmi meritvi smo se z mikrofonom premaknili na mesto, kjer je obi�ajno en delavec, ki se ukvarja z naknadnimi ro�nimi postopki obdelave plo�evine. Mesto mikrofona je bilo na sosednjem delovnem mestu oddaljeno približno 10 m od rezalne šobe delovnega stroja. Na tem mestu je bila opravljena ena meritev šumov okolice in ve� meritev med postopkom rezanja.

b) Meritve na sosednjem delovnem mestu: • 1× meritev hrupa ozadja, • 4× meritev med rezanjem, pri spremenljivih pogojih.

Slika 4: Plazemsko rezanje nerjavnega jekla 35 mm

��

��

4. REZULTATI IZVEDENIH MERITEV 4.1. Hrup pri plamenskem rezanju 4.1.1. Na delovnem mestu operaterja Na sliki 5 je prikazana frekven�na porazdelitev hrupa za okolico in pri rezanju z optimalnimi pogoji, dve razli�ni debelini. Iz slike je lahko videti kakšne velikosti so ravni hrupa pri dolo�eni frekvenci. V frekven�nem obmo�ju, do frekvence 800 Hz, je opaziti, da so ravni hrupa rezanja obeh debelin približno enake velikosti, kot so ravni hrupa okolice. Na podlagi tega je možno sklepati, da so v tem obmo�ju ravni hrupa rezanja nižje ali enake od ravni hrupa okolice. Hrupnost rezanja plo�evine debeline 90 mm se za razliko od rezanja 35 mm debelega obdelovanca, lo�i od ravni okolice že pri frekvenci 800 Hz, kjer se za�ne mo�no vzpenjati do jakosti 76,6 dB(A) pri frekvenci 3,15 kHz. V najbolj slišnem obmo�ju �loveka, ki je od frekvence 1 kHz do 4 kHz, je tako edina raven hrupa, ki se dvigne nad 70 dB(A), raven rezanja plo�evine 90 mm.

Slika 5: Frekven�na analiza ravni hrupa na mestu operaterja 4.1.2 Na najbližjem sosednjem delavnem mestu Kot je razvidno iz rezultatov meritev v predhodnem poglavju, na mestu operaterja, se ravni hrupa med rezanjem le malo razlikujejo od ravni okolice. Zaradi tega meritev na sosednjem delovnem mestu, oddaljenem 10 m od mesta rezanje nismo izvajali.

��

��

4.2 Hrup pri plazemskem rezanju 4.2.1 Na delovnem mestu operaterja Na sliki 6 so prikazane ravni hrupa okolice in ravni hrupa rezanja s plazmo pri delu z razli�ni jakostmi toka. Hrupnost okolice v tem primeru ni velika, saj je najvišja raven hrupa 63,6 dB(A) pri frekvenci 1,6 kHz. Med postopkom rezanja se je raven hrupa bistveno pove�ala. Ravni hrupa rezanja pri vseh parametrih so pri frekvenci 315 in 630 Hz visoko sko�ile, kar pomeni, da ima plazma tudi med nizkimi frekvencami visoke ravni hrupa. Rezanje pri toku 200, 300 in 400 A za�ne oddajati zvok šele pri frekvenci 80 Hz, tok 500 A pa pri 63 Hz. Hrupne ravni pri rezanju z jakostjo toka 300 in 400 A so pri vseh frekvencah skoraj enake. Rezanje z jakostjo toka 200 A je vseboval malo nižje ravni hrupa, pri rezanju z jakostjo 500 A pa so bile te višje od ravni hrupa pri jakosti toka 300 ali 400 A.

Slika 6: Frekven�na analiza ravni hrupa na mestu operaterja 4.2.2 Na najbližjem sosednjem delavnem mestu Vzrok za meritve hrupa na sosednjem delovnem mestu so bili visoki rezultati hrupnosti na operaterjevem mestu. Iz slike 7 je razvidno, da je velikost ravni hrupa padla. Kljub temu, da je razlika med izvorom hrupa in lokaciji merjenja 10 m, pa je le ta še vedno velika. K temu vpliva odbojnost prostorov in ostalih površin (plo�evine, ostali stroji), ki se v tej dvorani nahajajo.

��

��

Na sliki 7 je opazno tudi, da v obmo�ju do frekvence 80 Hz ni nobenih hrupnih obremenitev, nato pa se raven hrupa za�ne visoko dvigati do frekvence 100 Hz. V istem zaporedju se dviguje raven hrupa okolice, ki se nato stabilizira v obmo�ju od 50 do 60 dB(A) in doseže najve�jo hrupnost, 56,8 dB(A), pri frekvenci 2 kHz. Med procesom rezanja se hrupne obremenitve mo�no pove�ajo in, tako kot na mestu operaterja, posko�ijo pri frekvenci 315 Hz. Nato se ravni hrupa skupaj dvigajo nad mejo 80 dB(A), razen hrup pri jakosti toka plazme 200 A, ki doseže 77,2 dB(A) pri frekvenci 6,3 kHz. V najbolj slišnem obmo�ju �loveka, med frekvencami 1 in 4 kHz, se na tej lokaciji hrup najbolj dvigne in je dejansko za ljudi na tem mestu lahko zelo škodljiv.

Slika 7: Frekven�na analiza ravni hrupa na sosednjem delovnem mestu 5. ZAKLJU�EK Dobljeni in prikazani rezultati kažejo, da so ravni hrupa med obratovanjem na razli�nih rezalnih strojih velike. Najpomembnejše ugotovitve rezultatov analize so:

• Rezanje približno enakih debelin s plazmo daje znatno ve�je hrupne obremenitve, kot rezanje s plamenom (pri debelini 35 mm, je ekvivalentna raven hrupa plazme vrednosti 100,2 dB(A), pri plamenskem rezanju pa 78,5 dB(A)).

• Pri plamenskem rezanju do debeline obdelovancev 90 mm, ravni hrupa niso presegle zgornje dopustne meje tveganja 85 dB(A). Ker se na mestu operaterja ravni hrupa le malo razlikujejo od ravni okolice, ki znaša 75,4 dB(A) ugotavljamo, da sosednji delavec ni dodatno obremenjen s hrupom plamenskega rezanja.

��

��

• Pri plazemskem rezanju se ravni hrupa dvigujejo skupaj z jakostmi toka in presegle vrednost zgornje dopustne meje za celih 15 dB(A) in ve�. Zato je potrebno pri rezanju z ve�jimi jakostmi toka nujno zagotoviti dodatne varnostne ukrepe.

• Med postopkom plazemskega rezanja so ravni hrupa na prvem sosednjem delovnem mestu, ki je bilo oddaljeno 10 m v povpre�ju sicer nižje, za 10 do 15 dB(A), kar je pa še vedno ve� od dopustne ravni hrupa. To pomeni, da je potrebno tudi na sosednjem delovnem mestu zagotoviti dodatne varnostne ukrepe za zmanjšanje hrupa, obliki pregrad ali osebne varovalne opreme.

Vrednosti ravni hrupa pri plazemskem rezanju so precej višja, kot pa ravni hrupa pri plamenskem rezanju. To pomeni, da je rezanje s plamenom proti plazemskem rezanju, z vidika hrupnih obremenitev, dosti manj škodljivo in ni potrebno zagotavljati dodatnih varnostnih ukrepov. To seveda velja za debeline obdelovancev do 90 mm in temu ustrezne pogoje. LITERATURA 1. Bilban, M.: Hrup kot spremljevalec sodobnega življenja. Varstvo pri delu, 50, št. 5, str.8-

12, (2005). 2. �udina, M.: Tehni�na akustika – merjenje, vrednotenje in zmanjševanje hrupa in vibracij.

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, (2001). 3. Direktiva 2003/10ES, Evropski parlament in Svet o minimalnih zahtevah za varnost in

zdravje v zvezi z izpostavljenostjo delavcev fizikalnim dejavnikom (hrup), Uradni list EU, 05/Zv.4.

4. Fefer, J. in Jegli�, A.: Osnove akustike. Akademska založba Ljubljana, (1992). 5. Flander, A.: Zmanjšajmo hrup na delovnih mestih. Varstvo pri delu, 50, št. 5, str. 38-42,

(2005). 6. Gspan, P.: Hrup in okolje. Univerza v Ljubljani,Višja tehniška varnostna šola, (1995). 7. Leroy in drugi.: Priro�nik za plamensko varjenje in sorodne postopke. Ljubljana: Društvo

za varilno tehniko, (1962). 8. Odredba o osebni varovalni opremi, Uradni list RS, št. 97/2000. 9. Podatki za opis povezave med varnostjo in zdravjem pri delu in zaposlitvijo, Evropska

agencija za varnost in zdravje pri delu, 2002, ISBN 92-95007-66-2. 10. Žvab, D.: Hrupna obremenitev varilca pri postopkih toplotnega rezanja, Diplomske naloge

visokošolskega strokovnega študija, št. 1558, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2008 11. Polajnar, I., Prezelj, J., Mišina, N., �udina, M.: Buka na radnom mjestu zavariva�a.

Sigurnost, 2007, letn. 49, št. 2, str. 113-124. 12. Prezelj, J., Polajnar, I.: Slišni zvok kratkosti�nega MAG varjenja. Varilna teh., 2002, letn.

51, št. 3, str. 80-85.

��

��

Prosojne zaš�itne zavese

Dragi Stojadinovi�� , Siniša Stojadinovi�

Tehning d.o.o., Zgornja Hajdina 189, 2288 Hajdina Povzetek

V prispevku je nakazana možnost dodatne zaš�ite na delovnem mestu varilca, ki se pogosto zanemarja. Ob konvencionalni izolaciji in umestitve varilca v delovne kabine ter ograditvah z neprosojnimi kovinskimi ali tekstilnimi panoji, se enake ali boljše u�inke lahko doseže s prosojnimi zavesami. Ob znatno kvalitetnejši izolaciji in cenovni sprejemljivosti se s takšnimi zavesami namre� doseže ve� dodatnih u�inkov in okolju prijaznejše delovne razmere.

1. UVOD Pri varjenju je težiš�e zaš�ite in varstva pri delu orientirano na tiste škodljive efekte, ki so najbolj o�itni, kot so strupeni in škodljivi plini, obrizgi in dim. Bistveno manj pozornosti pa je namenjeno drugim škodljivim u�inkom varjenja, kot so razli�ne vrste sevanja. Tudi samo sevanje je sestavljeno iz celega spektra škodljivih vplivov, kot so: toplotno sevanje, svetlobno sevanje, ultra violi�no sevanje in infra rde�e sevanje. Na tem mestu se bom omejil na del vplivov, ki se najbolj o�itno širijo v okolico, to je svetlobno sevanje. V odvisnosti od intenzivnosti, svetlobno sevanje ne ogroža le neposrednega izvajalca, torej varilca, ampak tudi sosednje delavce. Sosednji delavci,ki niso neposredni udeleženci varjenja, so namre� pogosto nepripravljeni in ne zaš�iteni proti svetlobnemu sevanju, ki prihaja iz sosednjega delovnega mesta varilca. Škodljive vplive, ki se na ta na�in širijo v okolje lahko omejimo in jih pripeljemo na še sprejemljivo mejo, z zelo poceni in u�inkovitim ukrepom - postavitvijo varilnih in zaš�itnih zaves. Vsak izvor svetlobe, kot so elektri�ni oblok in/ali plamen pri varjenju in rezanju seva v okolico razli�ne vrste svetlobe in to v širokem spektru,glej tabelo 1. Tabela 1: Valovne dolžine zna�ilnih vrst svetlobe

Vrsta svetlobe Valovna dolžina � v angstremih [10-10 m] Skrajno ultravijoli�na 40 - 2000

Ultra Violi�na 2000 - 4000

Vidna svetloba 4000 - 7500

Infra Rde�a 7500 - 13000

Dolgo IR ve� kot 13000 Po posameznih podro�jih meje niso tako strogo definirane. Intenzivnost sevanja elektri�nega obloka je dale� najve�ja v obmo�ju med 2000-13000 a. Spekter sevanja pa je približno enak spektru sevanja sonca s tem, da je pri varjenju potrebno upoštevati še sevanje taline - glej tabelo 2.

��

��

Tabela 2: Valovne dolžine in n jihovi deleži za razli�ne vrste svetlobnega sevanja Valovne dolžine � [10-10 m]

Deleži svet. sevanja obloka [%]

Deleži svet. sevanja v talini [%]

2000 – 4000 UV 1-5 0,1-0,3

4000 – 7500 Vidna 20-30 8-16

7500 – 13000 IR 15-25 6-12

ve� kot 13000 Dolga IR 20-40 1-5 V primerjavi z zaš�itnimi kabinami, ki niso vselej najbolj primerna rešitev, so zaš�itne zavese praviloma cenejše. V primerjavi z neprosojnimi zavesami pa se prosojne zavese odlikujejo še z dodatnimi prednostmi, to je v prosojnosti, ki je zlasti pomembna pri robotiziranih postopkih varjenja. Zaradi široke palete razli�nih barv, se doseže poudarjene u�inke pri filtriranju karakteristi�nih svetlobnih sevanj, so izjemno dobri zvo�ni izolator obenem pa s poživitvijo barvnih utenkov delujejo prijazno na okolje. Zavese so lahko, glede na naravo proizvodnega procesa, fiksne prosto vise�e ali togo vpete ali premi�ne, sestavljene iz trakov primerne dolžine, ki se v odvisnosti od potreb proizvodnje premikajo in tvorijo zaklju�ene prostorske celote namenjene varilnemu procesu, slika 1. V odvisnosti od varilnega postopka in intenzitete varjenja so zavese lahko razli�ne barve z razli�nimi stopnjami prepustnosti. Na ta na�in je možno, s primerno kombinacijo barv oziroma prepustnosti, organizirati zaklju�ena delovna okolja, ki so na eno stran skoro popolnoma lo�ena na drugo pa samo toliko koliko je to potrebno, da je nadzor delovnega procesa še mogo�. Prednost lamelne izvedbe je tudi ta, da se lahko izvaja po delih in se dokupi po potrebi. V naslednjih vrsticah je podan pregled varilnih in zaš�itnih zaves glede na svojo obliko in stopnjo zaš�ite enega od proizvajalcev tovrstne zaš�ite, ki je verjetno najbolj prisoten na slovenskem trgu. Cene so informativne, tako da si lahko vsk sam okvirno izra�una koliko bi ga stala ustrezna zaš�ita. 2. KARAKTERISTIKE ZAŠ�ITNIH ZAVES 2.1 Klasi�na oblika

Slika 1: Klasi�ne vrste prosojnih zaš�itnih zaves

��

��

Standardne zavese imajo zavihane robove na vseh straneh, tabela 3a Nestandardne zavese imajo zavihane samo z gornje robovem, tabela 3b Zavese so debeline 0,4mm. Koda Faktor rizika Barva T75matt- ca. 0,05 TemnoZelena T55- ca. 0,40 EuroZelena T50- ca. 0,70 Rde�eRjava T40- ca. 0,80 Rde�eOranžna T0- Stekleno-prozorna (transparentna) Tabela 3a: Zavese z zavihanimi robovi Tabela 3b: Zavese z zavihanim 1 robom

Zavese so narejene za standard DIN EN 1598. T75M ustreza tudi standardu DIN 32504,prvi del. Transparentne zavese proti prahu, varilnih in brusilnih iskrah, vodi, vetru, hrupu in mrazu. 2.2 Zavese v trakovih

Slika 2: Zaš�ita s prosojnimi zavesnimi trakovi

Zavese so narejene po standardu DIN EN 1598 kar ustreza tudi standardu DIN 32504, dimenzije trakov in njihova prekritja so: Širina: 570 mm 465 mm Prekrivanje: 70 mm 65 mm

Širina 1300mm Model 1600mm 1,30kg/kos TTV-koda-130x160 1800mm 1,45kg/kos TTV-koda-130x180 2000mm 1,60kg/kos TTV-koda-130x200 2200mm 1,75kg/kos TTV-koda-130x220 2400mm 1,90kg/kos TTV-koda-130x240 3000mm 2,30kg/kos TTV-koda-130x300 Pos. dolžine 0,6kg/m2 TTV-koda-SL

Širina 2 000mm Model 1600mm 2,00kg/kos TTM-koda-200x160 1800mm 2,20kg/kos TTM-koda-200x180 2000mm 2,50kg/kos TTM-koda-200x200 2200mm 2,70kg/kos TTM-koda-200x220 2400mm 2,90kg/kos TTM-koda-200x240 3000mm 3,20kg/kos TTM-koda-200x300 Pos. dolžine 0,60kg/m2 TTM-koda-SL

��

��

Pokrivalna površina: 500 mm 400 mm Zavese v trakovih so v debelinah 1,0 mm, tabela 4a ali 0,4 mm, tabela 4b. Koda Faktor rizika Barva T75matt- ca. 0,05 TemnoZelena T55- ca. 0,40 EuroZelena T50- ca. 0,70 Rde�eRjava T40- ca. 0,80 Rde�eOranžna T0- Stekleno-prozorna (transparentna) Tabela 4a: Zavesni trakovi 1,0 mm Tabela 4b: Zavesni trakovi 0,4 mm

Širina 570mm Model 1600mm 1,12kg/kos TTL-koda-1x1600 1800mm 1,25kg/kos TTL-koda-1x1800 2000mm 1,40kg/kos TTL-koda-1x2000 2200mm 1,55kg/kos TTL-koda-1x2200 Pos. dolžine 0,7kg/m TTL-koda-1-SG

3. NAMESTO ZAKLJU�KA Z omejitvijo delovnega mesta varilca, rezalca ali brusilca se lahko na razmeroma preprost in cenen na�in bistveno dvigne splošni nivo zaš�ite in varnosti pri delu. Zavese namre� š�itijo pred sevanjem obenem pa v veliki meri š�itijo pred prahom, varilnimi in brusnimi iskrami, vetru, hrupu in deloma tudi proti mrazu. LITERATURA 1. Podatki za opis povezave med varnostjo in zdravjem pri delu in zaposlitvijo, Evropska

agencija za varnost in zdravje pri delu, 2002, ISBN 92-95007-66-2. 2. Direktiva 2003/10ES, Evropski parlament in Svet o minimalnih zahtevah za varnost in

zdravje v zvezi z izpostavljenostjo delavcev fizikalnim dejavnikom (hrup), Uradni list EU, 05/Zv.4.

3. Stojadinovi�, D. : Prosojne zaš�itne zavese – najnovejši dosežki, 3. Mednarodni sejem varjenje in rezanje, Dnevi varilne tehnike – zornik predavanj, str. 18-21, Celje 2008

4. http://www.weld-safe.com/welding-curtains-and-screens.html 5. http://www.bondorseals.com/more_info/welding_strip_protection/welding_strip_protecti

on.htm 6. http://www.jmtplasp.com 7. Polajnar, I.: Zaš�ita in varnost pri varjenju. U�no gradivo specializacije IWE/IWT,

Institut za varilstvo, Ljubljana 2010

Širina 465mm Model 1600mm 0,40kg/kos TTL-koda-04x1600 1800mm 0,45kg/kos TTL-koda-04x1800 2000mm 0,50kg/kos TTL-koda-04x2000 2200mm 0,55kg/kos TTL-koda-04x2200 Posebne dolžine 0,25kg/m TTL-koda-04-SG

��

��

IN MEMORIAM

DRAGI STOJADINOVI�

1952 – 2010

Kolegom in znancem sporo�am, da med nami ni ve� �lana organizacijskega odbora

Dnevov varilne tehnike, Dragija Stojadinovi�a, univ. dipl. inž. strojništva. Zapustil nas je v nedeljo 31. januarja 2010, potem ko sva še kak dan pred tem, po telefonu usklajevala urnik za na�rtovani sestanek programskega in organizacijskega odbora za letošnje Dneve varilne tehnike. In prav takrat sva, na njegovo pobudo razmišljala o zaš�iti in varnosti pri varjenju, kot o osrednji temi letošnjih predavanj, ki bodo potekala v okviru 4. mednarodnega sejma Varjenje in rezanje v Celju.

Dragi se je rodil 26. 2. 1952 materi Vidi Carl iz Spodnje Idrije in o�etu Miodragu, v Požarevcu. Osnovno in srednjo šolo je kon�al v Smederevu, s študijem pa je nadaljeval na Fakulteti za strojništvo v Ljubljani. Tu se je pridružil starejšemu bratu Vladimirju, ki je v tistem �asu na tej fakulteti zaklju�eval podiplomski študij pri prof. dr. Ervinu Prelogu, Dragi pa je na isti fakulteti diplomiral leta 1977 pri prof. dr. Francu Schweigerju, z zagovorom diplomskega dela: Zaš�itne rešetke na hidroelektrarnah. Tako ni �udno, da se je po diplomi zaposlil na Savskih elektrarn in kasneje v IMP. Ker si je med tem ustvaril družino in ker ni bilo realnih obetov skorajšnje rešitve iz podnajemništva, je bila skoraj samoumevno, da ga je soproga Milena umestila na doma�e dvoriš�e, v Zgornjo Hajdino. Tako se je zaposlil v podjetju Talum, kjer se je kod vodja vzdrževanja pogosto sre�al z varilskimi problemi. Prav reševanje varilskih problemov mu je zrasli pod kožo do te mere, da je po razpadu Jugoslavije, v �asu najve�je gospodarske krize, šel na svoje in ustanovil podjetje Tehning d.o.o.

Naklju�no sre�anje na Institutu za varilstvo v Ljubljani, znanstvo iz študijskih �asov in varilska stroka, so ustvarili osnovo najinega ve�letnega sodelovanja in to na razli�nih podro�jih. Ali je to bila njegova finan�na pomo� pri postavitvah razstav naših umetnostnih varilce, organizacijski prispevki pri ogledu mednarodnega sejma Schweissen & Schneiden v Essnu ali pa njegovi strokovni in organizacijski prispevki, v okviru že tradicionalnih Dnevov varilne tehnike; vselej je bil stvari predan z dušo in telesom.

Vse navedeno, predstavlja ve� kot tehtne razloge, da se ob Dnevih varilne tehnike, ki bo letos od 17. do 21. maja v Celju, poslovim od izjemno dobronamernega in nadpovpre�no aktivnega �lana našega Organizacijskega odbore, še na simbolni ravni.

��

Ivan Polajnar

��

��

��

��

Ergonomska obremenitev varilcev

Jožef Horvat, Tatjana M. Gazvoda

Univerza v Ljubljani, Zdravstvena fakulteta, Zdravstvena pot 5, Ljubljana Povzetek

Študija obravnava ergonomske obremenitve, ki se pojavljajo na delovnem mestu varilca. Meritve so bile izvedene pri oblo�nem varjenju v zaš�iti plinske atmosfere z odtaljivo elektrodo – po postopku MIG/MAG, ki se pri nas veliko uporablja pri ro�nem postopku varjenja. Varilec je varil izdelke s težo 50 kg. Merske analize delovnega mesta so bile izvedene po metodah OWAS in CORLETT in so zajemale celotn i delovni �as delavca, to je 8 ur. Rezultati, pridobljeni z omen jenimi merskimi metodami, izkazujejo, da je delo izredno intenzivno, drža delavca nefiziološka ter da v nekaterih delih telesa nastopa neudobje ali celo bole�ina. Na podlagi pridobljenih rezultatov so podani tehnološki, organizacijski in personalni ukrepi, s katerimi bi lahko olajšali delo varilcev tako v obravnavani kot tudi v drugi podobni delovni organizaciji.

1. UVOD V študiji smo preu�evali ergonomske obremenitve in škodljivosti, ki se pojavljajo na delovnem mestu varilca. V ta namen smo izvedli ergonomske meritve po metodi OWAS in CORLETT ter meritve �asa za izvedbo posameznih delovnih operacij varilca v podjetju. Cilj ergonomskih meritev je iskanje možnosti za razbremenitev delavca in posledi�no pove�anje produktivnosti. Delovne obremenitve naj ne bi prekora�evale meje, ki povzro�ajo zdravstvene okvare [1]. Delo varilca smo opazovali celostno kot interakcijo med delavcem in njegovim delom, stroji in napravami, sodelavci, njegovim okoljem ter organizacijo dela. Švedski nacionalni inštitut za poklicno zdravje je izvedel raziskavo [2] s podro�ja varjenja. Namen raziskave je bil ugotoviti vzroke za zdravstvene težave, povezane z miši�no–skeletnim sistemom. Skoncentrirana je bila na manj naporna ro�na dela in upravljavska dela, pri katerih delavec upravlja varilni stroj. Del raziskav je bil opravljen v laboratoriju, del na terenu, t.j. v podjetjih s sodelovanjem službe za varnost in zdravje pri delu. Z epidemiološkimi raziskavami so poskušali povezati posamezne zdravstvene težave s težavnostjo dela in z karakteristikami posameznikov, kot so miši�na mo�, tehnika dela in osebna predispozicija. Ker Švedski nacionalni inštitut spremlja dogajanja na tem podro�ju v vseh industrijskih panogah, so njegovi raziskovalci izvedli primerjavo med razli�nimi relevantnimi poklici in izdelali lestvico poklicev, kjer so tveganja za razne poškodbe zelo velika [3], [4]. Skupaj z delovno skupino pri švedskem ministrstvu za delo so ugotovili, da so varilci v povpre�ju 90-odstotno preobremenjeni in da je varilec na 7. mestu lestvice najbolj nevarnih poklicev. Kot glavne nevarnosti za pred�asno poslabšanje zdravja so navedli poškodbe miši�no-skeletnega sistema in krvnega obtoka. Ugotovili so tudi, da so pri varilcih mišice obremenjene po celem telesu. Najbolj ogroženi so varilci, ki morajo med drugim variti v neergonomskih držah.

��

��

Kadefors [3] je v svojem poro�ilu predstavil miši�no–skeletne bolezni pri varilcih. Ugotavlja, da obstajajo znanstveni dokazi za trditev, da so varilci zaradi dvigovanja težkih bremen izpostavljeni prekomernemu tveganju za vnetje rotacijske ovojnice ramena. Prav tako obstajajo študije o drugih zdravstvenih težavah varilcev, predvsem o težavah s križnim delom hrbtenice. 2. POSTOPEK VARJENJA 2.1 Priprava obdelovancev na varjenje Pred za�etkom varjenja je potrebno predmete pripraviti. Mesto varjenja je potrebno o�istiti maš�ob, rje in drugih ne�isto�. Predmet za izdelavo je visok 600 mm, širok 455 mm in globok 110 mm. Kon�na teža izdelka je približno 126 kg. Izdelava poteka v šestih fazah, skupaj z dvema fazama za pripravo materiala za vgradnjo, je faz osem. 2.2 Talilno oblo�no varjenje MIG/MAG MIG/MAG je kratica za postopek varjenja, pri katerem se oblok varjenja vzpostavlja med odtaljivo elektrodo in varilno kopeljo. Za zaš�ito zvara talilnega oblo�nega varjenja MIG/MAG, se ve�inoma uporablja zaš�itna atmosfera (ogljikov dioksid, argon, razli�ne mešanice). Najve�krat je uporabljen argon. Inertni plin izpodriva atmosfero neposredne okolice zvara in s tem omogo�a, da se varjenje izvaja v inertni atmosferi. Inertni plin prepre�uje nezaželene reakcije, nekatere zaželene reakcije pa lahko inhibiramo. V podjetju, kjer smo opravljali meritve, se kot zaš�itni plin uporablja ogljikov dioksid. 3. UVELJAVITEV ERGONOMIJE NA DELOVNEM MESTU �e je delavec ali varilec s svojim delom in z razmerami, ki vladajo na delovnem mestu, zadovoljen, dela bolj u�inkovito in aktivno poskuša pomagati pri vseh aspektih proizvodnje. Zato lahko pri�akujemo, da se v tem primeru pove�ata produktivnost in kvaliteta izdelkov. Prilagojenost strojev in druge opreme delavcu je ena izmed najpomembnejših zahtev, ki jih mora podjetje zagotoviti za pove�anje delovne storilnosti in izboljšanje kvalitete izdelkov oziroma storitev. 3.1 Prilagoditev delovnega mesta varilcu Delovna mesta varilcev se med seboj razlikujejo. Lahko so stoje�a, sede�a ali kle�e�a, lahko pa gre za robotsko varilno celico. V opazovanem podjetju ni robotskih varilnih celic. Udobje varilca je odvisno od izbrane varilne opreme in orodij. Ro�no varjenje predstavlja veliko tveganje za zdravstvene težave, predvsem na podro�ju izpostavljenosti varilnim plinom in napora zaradi težkega fizi�nega dela. Pri oblikovanju delovnega mesta se morajo ta tveganja upoštevati. Še vedno pa si je zelo težko zamisliti proizvodnjo, pri kateri ne bi bilo nikakršnega ro�nega varjenja. Obstaja tudi tendenca, da se ro�no varjenje nadomeš�a z razli�nimi izvedbami avtomatiziranega in robotiziranega varjenja, kar zmanjšuje fizi�ni napor in izpostavljenost razli�nim tveganjem. Interes za zmanjšanje zdravstvenih težav delavcev mora postati eden bistvenih izzivov industrije v 21. stoletju.

��

��

4. VPLIV VARILNIH SISTEMOV, ORODIJ IN DRUGE OPREME NA RAZMERE NA DELOVNEM MESTU

Optimalno urejeno delovno mesto š�iti delavca pred vplivi polutantov, sevanja in fizi�nega napora ter omogo�a primeren dostop do energije, razsvetljave, ro�nih orodij in druge opreme za izvedbo dela. Nekateri pomembnejši dejavniki, ki prispevajo k zdravstvenim težavam delavcev, so:

• rokovanje s težkimi obdelovanci, • rokovanje s težko varilno opremo, • naporne delovne drže, • stati�ne miši�ne obremenitve, • visoke zahteve glede natan�nosti, • visoka intenzivnost dela, • vkalupljeni delovni postopki.

5. ANALIZA DELOVNIH OPERACIJ NA DELOVNEM MESTU VARILCA V �asu opazovanja je varilec povpre�no 83,9 % delovnega �asa opravljal svoje delovne naloge. Za malico in organizirane odmore porabi 10,8 % delovnega �asa, nena�rtovane izgube (spontani odmori) pa trajajo 5,3 %. Glavne delovne naloge opazovanih varilcev so: dovoz obdelovanca, dvig obdelovanca na mizo, uporaba razpirala za pravilno dimenzijo, varjenje, obra�anje in stabilizacija, obra�anje, odstranjevanje ne�isto� z drgnjenjem, nastavitev notranjega dna in regulatorja vstopa zraka, oblikovanje obdelovanca s kladivom, prinašanje zadnje stranice, nameš�anje zadnje stranice, nameš�anje primeža, obra�anje in premeš�anje pokrova, odstranitev razpirala, oblikovanje obdelovanca s kladivom po šabloni, spust na tla, transport na dolo�eno mesto. Dodatne delovne naloge pa so: brušenje delov za privaritev, menjava jeklenke, nastavitev in �iš�enje varilne pištole, transport delov za privaritev in �iš�enje mize. Med delom je prevladovala delovna naloga varjenje, približno 40 % vsega delovnega �asa. 6. ANALIZA MIŠI�NEGA NEUDOBJA Spremljali smo delavca varilca preko celega delovnika po metodi Corlett za ocenjevanje nelagodja oziroma neudobnega po�utja v gibalih. Delovni �as varilca je od 6. do 14. ure, ve�krat traja do 18. ure zve�er, ob�asno tudi v soboto. Delo poteka ve�inoma stoje, delno na starih, dotrajanih stolih. Na opazovanem delovnem mestu je delavec sam ro�no dvigoval obdelovanec, ki je tehtal okoli 65 kg. �eprav kon�ni izdelek dvigujejo z dvigalom, pa obdelovance dvigujejo ro�no. Kon�ni izdelek tehta približno 126 kg. Ugotovljeno je bilo [5], da pri delu izstopa zlasti neudobje v:

• me�ih (L=104 in D=95), • spodnjem delu hrbta (80), • podlakteh (76), • nadlakteh (64), • stegnih (41), • vratu (38), • ramenih (25) in • srednjem delu hrbta (18).

��

��

Neudobje v mišicah se med tednom zaradi podaljšanega delovnega �asa pojavlja že ob prihodu na delo (33), po prvi uri dela naraste (50) in naraš�a do malice (68) ter do konca osemurnega dela ostaja nespremenjeno. 7. ANALIZA DELOVNIH POLO ŽAJEV PRI DELU Z modificirano metodo Owas [5] smo ugotovili, da pri varilcu prevladujejo nefiziološke in prisilne drže.

• Sklonjena drža hrbta traja 34,2 % delovnega �asa. Omenjeni telesni položaj prekora�uje fiziološka priporo�ila in narekuje ukrepe v doglednem �asu.

• Sklonjena drža hrbta z zasukom ali lateralno fleksijo traja 7,7 % delovnega �asa, zaradi �esar so prav tako potrebni ukrepi v doglednem �asu.

• Drža ene ali obeh nadlakti aktivno abduciranih in pod nivojem ramen traja kar 84,9 % delovnega �asa, zato so potrebne takojšnje prilagoditve dimenzij delovnih naprav in pripomo�kov antropometri�nim zna�ilnostim delavcev.

• Prsti rok so v funkciji finega oziroma grobega prijema ene ali obeh rok varilca 99,7 % delovnega �asa. Omenjeni položaji rok narekujejo podrobnejše raziskave.

• Glavo ima delavec ventralno sklonjeno 33,8 % delovnega �asa, za kar so prav tako potrebni ukrepi v doglednem �asu.

• Delavec 89,5 % delovnega �asa premaguje 10 do 99 N sile, zaradi �esar bo potrebno ukrepati v doglednem �asu.

Zaradi narave dela je nemogo�e, da bi lahko delavec opravil svoje delo brez naprezanja, ki je posledica nefizioloških položajev. 8. ZAKLJU�EK V kolikor fizi�ne ali psihi�ne zahteve delovnega mesta dlje �asa presegajo zmožnosti delavca, se lahko pri�akuje ve� poškodb ali zdravstvenih okvar. Delovna mesta bi bilo potrebno urediti v skladu z zahtevami zakonodaje. Za izboljšanje delovnih razmer varilcev in prepre�evanje zdravstvenih okvar predlagamo slede�e ukrepe: • izdelava analiz za vsa delovna mesta, ki so potrebne za ugotavljanje primernih

ukrepov (analize se lahko izvedejo v okviru ocene tveganja, vsaj za nekatera delovna mesta bi bile potrebne tudi ergonomske meritve);

• dolo�ena delovna mesta je potrebno nadgraditi z enostavno mehanizacijo, ki je u�inkovita in že preizkušena v drugem podjetju (Na ta na�in bi zmanjšali število prisilnih položajev delavcev. Pomembno je dose�i dva cilja: ve�jo produktivnost in manjšo obremenjenost delavcev.);

• urediti je potrebno dvigovanje izdelkov na delovno mizo (To je možno z napravami za dvigovanje ali z mizami s prilagodljivo višino. Lahko se uredi teko�i trak, ki dviguje in spuš�a polizdelke na posamezne varilne delovne postaje.);

• predlagamo ustanovitev nacionalnega registra dobrih ergonomskih rešitev na delovnih mestih varilcev v podjetjih, ki so najbolj na udaru globalizacije (Dobra ergonomska rešitev

• naj bi poleg ureditve delovnih mest zajemala tudi pove�anje produktivnosti podjetja.).

��

��

LITERATURA 1. Sušnik, J., Ergonomska fiziologija, Didakta, Radovljica, 1992 2. Beokholt, R., The welding workplace, Abington Publishing, Woodhead Publishing in

association with TWI Ltd., Cambridge, England, 2000 3. Kadefors, R., The welder as a Strategic Resource: Perservation of health and Productivity.

Proceding of the International Conference : The Human factor and its environment, Lisbona, Portugal 19/20 – VII 1999

4. A Survey of Jobs Posing Special Risks to Health, Report of the Health Risks Study Group to the Swedish Commission of Working Conditions, Ministry of Labour, Stockholm, Sweden, 1990

5. Sušnik, J., Položaji in gibanje telesa pri delu, Analiza efektornega sistema, Univerzitetni zavod za zdravstveno in socialno varstvo, Ljubljana, 1987

��

��

��

��

Pogled na zaš�ito in varnost pri varjenju

Nedjeljko Mišina, Ivan Polajnar

Sveu�ilište u Splitu, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Ru�era Boškovi�a b.b., 21000 Split Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker�eva 6, 1000 Ljubljana

Povzetek

V prispevku je na zgoš�en in rela tivno poljuden na�in podan prikaz najpogostejših nevarnosti, ki se pojavljajo pri varjenju in varjenju sorodnih postopkih. Te nevarnosti v najve�ji meri ogrožajo varilce oziroma neposredne izvajalce, v veliki meri pa tudi delavce v bližnji okolici in delovna sredstva v tem okolju. Ni naklju�je, da sodi varjenje med najbolj rizi�na delovna mesta, kjer so se pogosto krojili prvi predpisi o zaš�iti in varnosti pri delu in so bili kasneje tudi prilago jeni za druga delovna podro�ja.

1. UVOD Pri vsakem delu, pa tudi pri varjenju, sodijo v okvir zaš�ite in varnosti številne aktivnosti, ki so usmerjene na zmanjševanje možnosti pojava poškodb na delovni opremi in napravah, predvsem pa na zmanjšanju možnosti poškodb in zdravstvenih posledic neposrednih udeležencev pri opravljanju teh del. Pri številnih delih pa niso ogroženi le neposredni izvajalci. Pogosto so v še ve�ji nevarnosti oprema in ljudje, ki niso neposredno vklju�eni v izvedbo konkretnega delovnega postopka. In prav varjenje sodi med tiste dejavnosti, kjer so domala v enaki meri ogroženi neposredni kot tudi posredni udeleženci varjenja. Postopki varjenja sodijo v proizvodne tehnologije, ki se jih po vseh merilih razvrš�a v zelo nevarne; tako za izvajalca kot tudi za bližnje udeležence, med katerimi so v veliki meri ponovno prav varilci. Varilci so namre� pogosto prisotni tudi na sosednjih delovnih mestih, kjer se izvajajo pripravljalna dela (rezanje, spenjanje, predgrevanje in transport), varjenje ali zaklju�na dela (zlasti brušenje). Med kovinskimi izdelki je težko najti takšnega, ki ne bi imel vsaj kakšnega zvarnega spoja. To še posebej velja, za izdelke v množi�ni proizvodnji. Da je temu tako, je ve� razlogov: z varjenjem je praviloma doseže višje trdnostne lastnosti spojev, ve�jo stopnjo ponovljivosti na�rtovane kakovosti in nižje izdelovalne stroške. Obstajajo pa tudi druga dejstva, zaradi katerih se uvrš�a varjenje med umazane, nevarne in zdravju škodljive proizvodne tehnologije. Ravno v tem je tudi razlog, da sta zaš�ita in varnost pri varjenju izredno pomembni, tako za neposredne, kot tudi posredne udeležence, ki so vklju�eni v izvedbo varilskih del.

��

��

2. GLAVNI IZVORI NEVARNOSTI Pri varilskih delih izvira glavnina nevarnosti iz kemi�nih in fizikalnih pojavov, ki so vezani na potek konkretnega varilnega postopka. Ti pojavi se kažejo kot:

• mehanske poškodbe • elektromagnetna polja • radiacija in sevanje • dimni plini • zadušitve oz. zastrupitve • eksplozije • hrup • poklicna obolenja

Veliko nevarnosti pa izhaja tudi iz na�ina izvedbe in delovnih mest opazovanega varilca, ki niso v neposredni povezavi s samo tehnologijo varjenja:

• drugi tehnološki postopki (varjenje, spajkanje, rezanje) • spremljajo�e dejavnosti (pogonski sistemi, transport) • narava dela (na višini, v utesnjenem okolju) • prisilne lege • zmanjšana sposobnost zaznavanja nevarnosti • sosednja delovna mesta (varjenje, brušenje) • ogrožanje okolice (sevanje, obrizgi, plini)

2.1 Elektri�ni tok Znano je, da obstaja za �loveka, ki se dotika predmetov pod elektri�no napetostjo, nevarnost elektri�nega udara. Te vrste nevarnosti se lahko pojavljajo že pri nizkih vrednostih, zlasti pa v primerih visoke napetosti. Za razliko od splošnega prepri�anja, da je delo na napravah, ki so pod visoko napetostjo, bistveno bolj nevarno, pa kažejo statisti�ni podatki, da so poškodbe ljudi celo pogostejše pri delu z nižjimi napetostmi. Ta navidezna nelogi�nost, je preprosto razložljiva z dejstvom, da z napravami, ki so pod visoko napetostjo upravljajo ljudje, ki so visoko strokovno usposobljeni. Za razliko naprav pod nizko napetostjo, ki jih ponavadi upravljajo ljudje, ki zelo malo vedo o nevarnem vplivu elektri�ne energije. Varilci, ki delajo na napravah za oblo�no varjenje, so izpostavljeni nevarnosti visoke napetosti (na primarni strani virov elektri�ne energije - vklju�itev in izklju�itev naprav), in nevarnosti nizke napetosti na sekundarni-delovni strani, v celotnem �asu njihovega dela. Pri vzpostavljenem tokokrogu skozi �loveško telo z izmeni�nem tokom (frekvenca 50 Hz), se pojavijo naslednji fiziološki u�inki, slika 1.

��

��

Slika 1: Vpliv jakosti toka in �asa prevajanja ter možne posledice pri �loveku

1. Pri jakosti toka 0,5 mA se tudi daljši �asovni obremenitvi ne pojavijo trajne posledice stika.

2. Pri jakosti toka pod 12 mA z daljšo �asovno obremenitvijo, ali pri toku pod 500 mA, s krajšo �asovno obrmenitvijo, pride do manjših živ�nih pretresov. V principu pa ne pride do trajnih posledic.

3. V podro�ju 20-200mA lahko pride do motenj sr�nega ritma, ki so lahko nevarni za ljudi s slabšiim srcem.

4. V podro�ju nad 200mA pride do odpovedi sr�nega utripa in dihanja v tem primeru ostanejo trajne posledice prevajanja elektri�nega toka skozi �loveka.

2.2 Svetlobna sevanja Pri elektrooblo�nih postopkih varjenja prihaja do intenzivnega svetlobnega in toplotnega sevanja, ki se ga lahko razmeji v zna�ilne skupine in sicer:

• Infrarde�e sevanje, z valovno dolžino nad 1µ m vsebuje najve�ji delež sproš�ene energije in deluje kot vro�ina. Na nezaš�iteni koži se to odraža kot opeklina, ki lahko pusti tudi trajne poškodbe.

• Sevanje vidne svetlobe ima valovno dolžino 0,4-0,8µm, vsebuje približno 25 - 30% toplotne energije elektri�nega obloka. Pri daljši izpostavljenosti o�esa tej svetlobi, lahko pride do poslabšanja vida. Negativne u�inke je možno zmanjšati z dobro osvetlitvijo okolice, kar zmanjšuje velike razlike v svetlobnih kontrastih.

• Sevanje ultravijoli�ne svetlobe ima valovno dolžino pod 0,4 µm in je za oko nevidna. �eprav vsebuje le približno 5 - 10% toplotne energije elektri�nega obloka, predstavlja najvišjo stopnjo tveganja za o�i varilca, kot tudi za druge udeležence v neposredni bližini. Zaradi navedenih nevarnosti je pri elektrooblo�nih postopkih varjenja obvezna uporaba zaš�itnih mask, ki morajo varovati celoten varil�ev obraz, tako pred svetlobnim sevanjem kot tudi pred obrizgi. Zaš�itna stekla, morajo imeti predpisano stopnjo svetlobne zaš�ite, tabela 1.

��

��

Tabela 1: Vpliv varilnega postopka in parametrov varjenja na zahtevano zatemnitve zaš�itnega stekla

2.3 Plini, dim in prah Domala pri vseh postopkih varjenja in toplotnega rezanja (zlasti pa pri plazemskem varjenju in rezanju), se sproš�ajo razli�ni plini, dimi in prašni delci, slika 2. Prašni delci pri varjenju sodijo med najnevarnejše in povzro�ajo trajne posledice na varilca, zlasti v grlu, bronhijih in plju�ih.

Slika 2: Zna�ilne škodljive snovi, ki se pojavljajo pri postopkih varjenja in toplotnega

rezanja Zaradi visokih temperatur prihaja pri oblo�nih postopkih varjenja do razgradnje zaš�itnih plinov, njihove rekombinacije ter uparjanja mineralnih in kovinskih elementov v razli�nih dimenzijah. Ti trdi mikro delci se obravnavajo kot prah, ki tudi v primeru dobro izvedenega odsesavanja, v znatni meri kon�ajo v plju�ih neposrednega izvajalca varjenja in/ali sosednjega delavca. Koli�ine sproš�enih prašnih delcev so v veliki meri odvisne od vrste varilnega postopka in varilnih parametrov, slika 3.

��

��

Slika 3: Vpliv varilnega postopka in varilnih parametrov na koli�ino sproš�enih dimnih

plinov. 2.4 Hrup Hrup je na splošno definiran kot neželen zvok in je lahko �asovno kontinuiran ali impulzen. Po definiciji Pravilnika o varovanju delavcev pred tveganji zaradi izpostavljenosti hrupu pri delu, je hrup vsak zvok, ki vzbuja nemir, moti �loveka pri delu in škoduje njegovemu zdravju ali po�utju. Hrup lahko škodljivo deluje na organizem na ve� na�inov:okvari organ sluha in škodljivo deluje preko nevrovegetativnega sistema na organizem kot stresor. Impulzni hrup predstavlja kratek nenadni impulz zvo�nega tlaka, za katerega je zna�ilen nagel porast zvo�nega tlaka do njegove konice, �emur sledi hiter padec tlaka. Prav tak hrup se pojavlja pri mnogih varilskih postopkih impulznega varjenja, zlasti prav pri plazemskem rezanju, slika 4.

Slika 4: Vrednosti zvo�nih obremenitev pri razli�nih varilskih postopkih in

spremljajo�ih delih

��

��

2.5 Požari in eksplozije Splošno je znano, da je ve� kot 60% vseh požarov v industriji in drugih segmentih gospodarstva neposredno ali posredno povezano z varjenjem. Pri varjenju z varilnim oblokom nastopajo zelo visoke temperature, do 5000 °C, pri �emer se praviloma pojavijo tudi vro�i kovinski vbrizgi, ki pogosto letijo od mesta varjenja dale� stran in lahko povzro�ijo požar, tudi po daljšem �asovnem zamiku. Varilna delovna mesta je ravno zato potrebno dobro zaš�ititi. Pred pri�etkom del je v prostorih, kjer se nahajajo lahko vnetljive in eksplozivne nevarne snovi, potrebno le te odstraniti in mesto, kjer se bo vršilo varjenje zavarovati. Te snovi so predvsem vnetljive teko�ine (organska topila, barve, lake itd.) in vsi ostali vnetljivi materiali (les, papir, vnetljivi prahovi itd.). Poleg nevarnosti požara obstaja tudi nevarnost eksplozije, �e se dela v zartih prostorih in z gorljivimi plini. Pri uporabi gorljivih plinov obstaja nevarnost nenadnega nepredvidenega vžiga plinov v delovnem prostoru, �e pride do napak zaradi netesnih mest na plinski opremi. Posebno previdnost je potrebno nameniti jeklenkam, kjer lahko že njihov padec povzro�i vžig ali celo eksplozijo. Zato morajo biti jeklenke na delovnem mestu pritrjene, stati v vertikalnem položaju in biti oddaljene najmanj 3 m od odprtega plamena, slika 5.

Slika5: Primer nepravilnega ravnanja z jeklenkami 3. ZAŠ�ITNA SREDSTVA Šteje se, da so varno delovno okolje in varne delovne razmere zagotovljene, �e delavec ob normalnih pazljivosti ter strokovni in delovni usposobljenosti lahko opravlja svoje delo, ne da bi pri tem prišlo do telesnih poškodb ali zdravstvenih okvar. To pa bo v najve�ji meri zagotovljeno z uporabo ustreznih zaš�itnih sredstev, in to na osebnem in splošnem nivoju.

��

��

3.1 Osebna zaš�itna sredstva �e kje, je prav pri varilskih delih uporaba osebnih zaš�itnih sredstvih posebno pomembna in je tudi predpisana. Vrsta teh sredstev in na�in njihove uporabe pa ni pri vseh varilnih postopkih enaka. Glavna in najpomembnejša osebna zaš�itna sredstva varilcev so prikazana na sliki 6:

• Za o�i (o�ala ali zaš�itna maska z navadnim in/ali zatemnjenim steklom) • Za obraz in glavo (naglavna maska in zaš�itna �elada) • Za dihala (posebni raspiratorji, ki se vse pogosteje uporabljajo) • Za ušesa (ušesni �epki, glušniki) • Za roke (razli�ne rokavice: usnjene, bombažne, kevlar) • Za telo (razli�ne vrste oblek, halj in predpasnikov) • Za noge in stopala (gamaše, �evlji z oja�itvami) • Posebna varovala (pasovi in pritrditvene )

Slika 6: Najpomembnejši elementi osebne zaš�itne opreme varilca V primerih, ko dela varilec v posebnih okoliš�inah mora biti dodatno zaš�iten. Tak primer je na primer delo na višinah oz. v razli�nih prisiljenih legah, slika7.

Slika 7: Osebna oprema varilca za delo na višini

��

��

3.2 Splošna zaš�itna sredstva Po vseh kriterijih se lahko med splošna zaš�itna sredstva štejejo že varilne naprave. Te namre� morajo ustrezati strogim zahtevam, ki zagotavljajo delovno varnost, zlasti v smislu minimalnih možnosti udara el. toka. Pri tem je bistvenega pomena da se pri delu na istem varjencu z ve�jim št. virov energije z istosmernim tokom, ki so priklju�eni na razli�no polariteto zavedamo možnosti seštevanja delovnih napetosti (ko imata priklju�ena vira razli�no polariteto), slika 8.

Slika 8: Pri delu z istosmernim tokom Slika 9: Centralno odsesavanje z se ob razli�nih polaritetah napetosti seštevajo razli�nih delovnih mest Najpomembnejši elementi splošne zaš�itne opreme so odsesovalne naprave dimnih plinov, ki so lahko namenjene individualnemu odsesavanju, ali pa se uporabljajo sistemi s centralnim odvodom dimnih plinov, sl. 9. V industrijskem okolju, kjer se prepletajo razli�ne dejavnosti vklju�no z varjenjem, je delovno mesto varilca praviloma lo�eno od ostalih del. Takšne lo�itve se lahko doseže z zaš�itnimi zavesami, ki se jih oblikuje v poljubne delovne pregrade, slika 10 ali s posebnimi varilnimi kabinami, slika 11.

Slika 10: Pregrade z zaš�itnimi zavesami Slika 11: Delovna kabina varilca

��

��

3.3 Ergonomija Varilec pri delu drži varilna kleš�e oziroma gorilnik in stalno ponavlja dolo�ene gibe, tudi v prisilnih držah in to ves �as dela, poleg tega pa še premeš�a, dviga in spuš�a varjence, kar delavca obremenjuje in zmanjšuje njegovo u�inkovitost. Ergonomija mora v takih primerih dolo�iti dopustno višino obremenitve glede na pogostost in �as trajanja, ter ugotoviti katerim obremenitvam je varilec pri svojem delu izpostavljen. Zato je potrebno varilcem omogo�iti optimalne razmere za varjenje, jih pou�iti o najprimernejši drži in položaju pri varjenju ter jim po potrebi dodatno pomožno opremo, slika 12.

Slika 12: Delo varilca v neustrezni in ustrezni legi telesa

Strokovnjaki ugotavljajo, da obstajajo znanstveni dokazi za trditev, da so varilci izpostavljeni prekomernemu tveganju za vnetje rotacijske ovojnice ramena, zaradi dvigovanja težkih bremen. Prav tako obstajajo študije tudi o drugih zdravstvenih težavah varilcev, predvsem z križnim delom hrbtenice, zato je zelo pomembno tudi ustrezni nameš�anje varjencev oziroma drža varilca med varjenjem, slika 12. 4. NORMATIVI V okvir zaš�ite in varnosti pri varjenju sodi tudi ve�je število predpisov, ki so vezani na organiziranost in ureditev delovnih mest nasploh in tudi delovnih mest varilca med drugim:

• Usposabljanje za varno delo Delodajalec mora delavce usposobiti za varno opravljanje dela v prvi vrsti z ustreznim strokovnim izpopolnjevanjem. Ga seznaniti z možnimi nevarnostmi in usposobiti za ustrezna ukrepanja.

• Pregledi delovne opreme in preiskave delovnega okolja Delodajalec mora zagotoviti periodi�ne preiskave delovnega okolja (delovni prostori) in periodi�ne preglede in preizkuse delovne opreme (strojev). Opravljanje teh nalog sme zaupati le osebam oziroma zato pooblaš�enim organizacijam s pridobljenim dovoljenjem za delo.

• Navodila za varno delo Delodajalec mora delavce obveš�ati o varnem delu tako, da izdaja pisna obvestila in navodila, zlasti v primerih, ko delavcu grozi neposredna nevarnost za življenje in zdravje. Obvezno je potrebno zagotoviti zlasti obveš�enost nose�nic, mladih delavcev, starejših delavcev in delavcev z manjšo delovno zmožnostjo.

��

��

Le delavci, ki so prejeli potrebna navodila, smejo imeti dostop na mesta, kjer preti neposredna neizogibna nevarnost oziroma smejo uporabljati delovno opremo. Delodajalec mora delovna mesta in sredstva za delo (stroji) opremiti z znaki za obvestila in nevarnosti ter navodili za varno delo.

• Zdravstveni pregledi delavcev Delodajalec mora zagotoviti zdravstvene preglede delavcev. Vrste, na�in, obseg in roke opravljanja zdravstvenih pregledov se opredeli na osnovi ocene tveganja in v skladu z veljavnimi predpisi o zdravstvenih pregledih ob strokovni pomo�i pooblaš�enega zdravnika.

• Nadzorstvo Zagotoviti je potrebno stalen nadzor dejanska stanja opreme in uporabe zaš�itnih sredstev, ki jih predpisuje zakon o varnosti pri delu. Poskrbeti je potrebno za udejanjanje predpisov, ki so izdani v okviru novih zakonov o varstvu pri delu.

LITERATURA 1. R. Boekholt: The Welding Workplace, Woodhead Publishing Limiited, Abington,

Cambridge 2000 2. I. Polajnar, N. Mišina: Opasnost i zaštita na radnom mjestu zavariva�a , 2. me�unarodni

stru�no-znanstveni skup Zaštita na radu i zaštita rada, Zbornik radova, str 33-41, Bjelolasica 2008

3. J.Prezelj, I.Polajnar: Slišni zvok kratkosti�nega MAG varjenja. Varilna tehnika, Let. 51, Št. 3, str. 80-85, 2002

4. M.�udina: Priro�nik za varno in zdravo delo Tehniška založba Slovenije , Hrup in vibracije, str, 189-216, Ljubljana, 2002

5. Grothe & Kraume: Instruction of Welders in Health and Safety, Deutscher Verlag f�r Schweisstechnik, DVS-Verlag GmbH, D�sseldorf, 1996.

6. M.Garibaldi: Odsesavanje dimnih plinov pri varjenju -zakaj in kako.Dnevi varilne tehnike 2008, zbornik predavanj str, 10-17, Celje, 2008.

7. I.Polajner, D.Stojadinovi�: Osebna zaš�itna sredstva za varilice, Dnevi varilne tehnike 2008, zbornik predavanj str, 21-24, Celje, 2008.

8. T.Gazvoda, J.Horvat, Ergonomska obremenitev varilca, Dan varilne tehnike 2005, zbornik referatov, str, 186-189, Novo mesto, 2005.

9. G.Mc Millan: Mednarodne aktivnosti na podro�ju zdravja in varnosti pri varjenju, Varilna tehnika, Let. 55, Št. 2, str. 58-61, 2006.

10. J. Valenti�: Priru�nik zaštite na radu, za obrazvanje i praksu. Školska knjiga, Zagreb, 1990.

11. N. L. Nikoli�: Opasnosti i zaštita pri zavarivanju. Nau�na knjiga, Beograd, 1987. 12. B. Pu�ko: Zaš�ita in varnost, poglavje iz gradiva s specializacije IWE/IWT. Institut za

varilstvo, Ljubljana, 2007. 13. I. Polajnar: Zaš�ita in varnost, poglavje iz gradiva s specializacije IWE/IWT Institut za

varilstvo, Ljubljana, 2010.

��

��

Safety risks and necessary protective measures in underwater welding

Jadranka Eržišnik1, Zoran Kožuh2, Slobodan Kralj2

1Croatian Welding Society, Ivana Lucica 1, HR-10000 Zagreb, Croatia

2Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, Ivana Lucica 5 Abstract

Underwater welding that are today carried ou t at bo th small and great depths for the purpose of maintain ing ships, p latforms, submarines, gas pipes and so on are extremely complex activities. The main sources of danger in carrying out underwater w elding are electrica l current, explosive gases, pieces that migh t fall off the construction and problems caused by the stay of divers/welders at depth. Breath ing gases at increased pressure leads to a number of changes in the organism, and hence to possible complications and even death. In order to provide conditions for safe stays and effective work under water for the d ivers/welders it is necessary constantly to carry out the established preventa tive measures, before, during and after diving.

1. INTRODUCTION The importance of technologies of underwater welding comes out with its use in numerous installations, primarily on repairs to and maintenance of shipping. In the past such underwater works were carried out only when necessary and for the sake of welding patches on tankers and other ships for the sake of avoiding shipwrecks. With time, and with the improvement in the techniques of welding, with ever better and more perfect diving equipment, such works became ever more demanding, and complete reconstructions are now carried out underwater. Although automation is indispensable, in some cases conventional diving methods are also inevitable, and it is of great importance to train and exercise the human resources. Divers/welders must have excellent welding skills in real conditions and on different practical tasks so as to avoid the occurrence of errors. Great importance, along with welding skills, is attached to diving skills, and the two are as a rule difficult to achieve together. Welding operations require divers to spend a long time at the work site, which is often also located at quite great depths, and they demand from the divers the maintenance of concentration and composure, as well as considerable physical activity. The human organism is not fitted for stays at high pressures, and so it is hard to fulfil the tasks mentioned. Breathing gases at high pressure leads to a number of changes in the organism, and hence possibly to complications and even death. In order to ensure conditions for a safe stay and effective work underwater for divers/welders, it is necessary incessantly to carry out the settled preventive measures before, during and after diving, and it is of particular importance to have good coordination among divers/welders and the team on the surface.

��

��

2. HAZARDS DURING UNDERWATER WELDING Hazards during underwater welding can be divided into hazards that are a consequence of welding and hazards that are a consequence of diving. The welding hazards are dangers from electrical current, explosions and electric arc flashes. Diving dangers are the dangers that are possible in any dive, such as the sudden emergence of the diver onto the surface, toxic effects of pressurised oxygen, the toxic effects of carbon dioxide, the narcotic effects of nitrogen, hypoxia, decompression sickness, baro-traumatic gas embolisms, drowning, contamination of the diver’s air, injuries during the dive, risk of infection, hypo- and hyperthermia. 2.1 Hazards arising from welding operations During underwater welding there are many potential difficulties that if ignored can bring about major injuries or even death. The greatest hazard in underwater wet welding is electricity. Alternate current is not used during underwater welding. An electric shock arising from alternating current results in spasms of the muscles, and the diver who has electrodes in his hand cannot in such a situation drop them since he is inside an electric circuit. During underwater welding, only direct current is used. Appropriate welding power sources have to ensure good welding parameters. Welding power sources are constructed in such a way that they have reduced voltage, for the safety of the welder, and yet also appropriate characteristics for welding. Transistor welding power sources are also used, and further research suggests that the current stage of welding power source technology will enable a better establishment of the electric arc and its stability. As a result of welding and the creation of drops of molten metal it is possible to damage the dry diver suit. Even the smallest of holes in a dry diver suit will lead to the leakage of water into the suit, increasing the danger from electric shocks. The second direct hazard consists of explosions that can happen during underwater welding and cutting. During welding, when the electrode combusts and water evaporates, explosive gases are created that contain great quantities of water and oxygen. These gases that remain in the pipes in the form of bubbles represent potential dangers of explosion. Other dangers that occur during welding are eyes damage as a result of the flash of the electric arc, and parts prepared for welding coming apart and falling on the welder. Also in the supply of electrodes from the surface to the welder, most often done with a basket, it is possible that the cable and the air tube become entangled. In the event of piped supply of electrodes, it is possible for the diving suit to be damaged if the electrodes come down too fast. In the use of the habitat, fires and sudden uncontrolled drops of pressure are the most frequent potential dangers in the performance of operations at depths. Because of the possibility of the rapid spread of fires in a hyperbaric atmosphere, fires are hazards of the first order: most fires in such conditions also finish with an explosion, and even the most harmless fires in the habitat are considered hazards of the first order. Every delay in putting out a fire at the very beginning will lead to its sudden flare-up and a tragic outcome for the crew of the habitat and for the personnel in the surroundings. A fire in a high pressure atmosphere can smoulder or spread very rapidly. The first most often occur in electrical conduits, and the flare up and spread of fires is mostly contributed to by a high percentage of oxygen, the presence of objects that are flammable, and secondarily the kind of inert gas of which there is the highest proportion in the high pressure atmosphere. A fire has to be put out with all available resources. The best results are achieved with a special system with a water jet under pressure executed centrally or autonomously. As soon as the danger of the spread of a fire has been obviated, the diver has to be switched over to the emergency breathing mixture. This prevents

��

��

carbon monoxide poisoning and removes the danger of hypoxia. Often a diver has to be removed from the habitat into a rescue bell or container. 2.2 Hazard arising from diving Diving is an activity that requires an understanding of the physiology of the human body, of medicine, physics and engineering, and the exercise of special skills, procedures and rules. The concept of safety is primary in diving, and the dangers that derive from diving are crushing, sudden emergence of the diver onto the surface, high pressure oxygen toxicity, carbon dioxide toxicity, the narcotic effect of nitrogen, hypoxia, decompression sickness, barotraumatic gas embolisms, drowning, contamination of the diver’s air, wounds in the dive, risk of infection and hypo- and hyperthermia. Crushing: Crushing or compression is the name use for a serious underwater incident specific for diving in a dry diving suit that comes as a result of too rapid descent to the depths, and it is caused by sudden depression. Sudden emergence of the diver onto the surface: Sudden emergence of the diver onto the surface occurs when the diving dry suit is given too much air or when it is exhausted insufficiently into the environment. The sudden emergence of a diver onto the surface, except from small depths, is a serious incident. There is a great chance that a suddenly emerging diver will collide with various items that are in the water, or vessels that are located above the underwater working site. There is also a real danger that the diver can be exposed to decompression sickness. High pressure oxygen toxicity: Although the gas oxygen is essential for the support of life on earth, on conditions in which it is inhaled in conditions of high pressure, it may work as a strong toxin. Oxygen toxicity can be divided into two groups: - the pulmonary form, also called the Lorain Smith effect, comes after several hours of breathing oxygen at a pressure of more than 0.6 bar; this form is characterised by serious inflammation of the respiratory tract and lungs that on the whole will respond to no kind of treatment. This event is not significant for everyday diving practice, but can be a big problem with long decompression procedures, when the oxygen is inhaled, - the neuro-toxic effect is much more important for everyday practice for it drastically limits the application of oxygen only to diving at small depths and for a short time. It appears if pure oxygen is breathed too long at high pressure. This form of oxygen toxicity is manifested with contortions similar to epilepsy, and is actually also called oxygenous epilepsy. Carbon dioxide toxicity: Accumulation of carbon dioxide occurs in the observation chambers and in submarines or in devices in which air is not led up to the surface. The accumulation of carbon dioxide is a major hazard in autonomous diving decides of a close or semi-closed circle as well. Nitrogen narcosis: Also known as rapture of the deep, this is a specific state similar to being drunk with alcohol, and arises in conditions of increased atmospheric pressure (i.e. increased partial nitrogen pressure) whether in diving conditions or while staying in a hyperbaric chamber. Nitrogen works on the cerebral synapses. For an explanation of why nitrogen has a narcotic effect, the Mayer-Overton formula is used, according to which gases that show a pronounced narcotic potential with respect to the central nervous system have a high coefficient of solubility in fats and lipids as compared with their solubility in water. Hypoxia (hypoxia): Hypoxia is the name for shortage of oxygen in the blood and tissues because of the reduction of the partial pressure of oxygen in inhaled air or the impossibility of oxygen being used in the organism. In diving with an air or mixture of gases supplied from the surface hypoxia most often occurs when there is a break in the supply, because of some

��

��

fault in the compressor or because of a break in the supply pipes. Hypoxia also often occurs in the case of autonomous closed circuit diving devices that are supplied with pure oxygen. Decompression sickness: Decompression sickness is a health problem that appears with persons who breathe air under pressure or an artificial mixture of gases in sporting or professional diving. The sickness is caused by bubbles of inert gas (nitrogen or helium) that arise in the organism because of an over rapid return from elevated to normal pressure. In high pressure conditions more gas is dissolved in the fluid with which this gas is in contact, depending on the coefficient of solubility of this gas in a certain fluid. Nitrogen dissolved in the body under pressure will, on surfacing, leave the tissue and go into the blood. If the surfacing is gradual, the nitrogen will have time to abandon the tissues dissolved in venous blood and will be exhaled in the lungs. In contrast, if the surfacing regime is not adequate, the body is not able to eject the nitrogen from the body in the normal way and the gas will stay in the body in the form of the bubbles that can form in the venous blood, in muscles and bones as well as in other tissues. Decompression sickness is manifested by a great many symptoms, ranging from itching to convulsions and death. Barotraumatic gas embolism: this is among the gravest and most dramatic states that can appear during diving. It is caused by gas bubbles that come into the circulation from previously damaged lungs that have been excessively dilated. Over-dilation and breaking of the tissue of the lungs comes when in the lungs of a healthy person the pressure sudden passes the critical border of 8 -11 Kpa (corresponding to a pressure of about 0.1 bar). Barotraumatic gas embolisms most commonly appear during emergence. Drowning: This is the name for acute suffocation caused by the presence of a fluid, most often water, in the respiratory tract, as a result of which there is an acute shortage of oxygen because it is impossible for air to reach the lungs. Rare cases of drowning during diving occur after the breakage of the glass on the mask or because of incorrect sealing and a poor join with helmet and mask. If the diving is poorly secured, all conditions accompanied by loss of consciousness (oxygen and carbon dioxide toxicity, rapture of the deep) can result in drowning if the regulator is dropped out of the diver’s mouth. Contamination o f the breath ing medium: A great deal of attention has to be devoted to the quality of breathing medium. Danger of harmful mixtures in diving air increases progressively with depth of the dive, because of the fact that with the rise in the ambient pressure the partial of the gaseous components in the breathing medium rises, and hence the toxic effect of the toxic admixtures. The concentrations of toxic gases that in normal conditions do not endanger the life of the person who inhales them at normal pressure can be very dangerous during diving. Breathing medium contamination can occur for example with the suction of the exhaust gases of an internal combustion engine while tanks are being filled with a compressor, the most dangerous being carbon monoxide, nitrous gases and saturated and non-saturated hydrocarbons. Physical in juries during diving: Injuries during diving can be of various origins and extents, and are most often inflicted by underwater fishing gear, various objects in the water and on the surface that might be in the way during a sudden diver emergence. They might be ship’s screws, explosions of fuels and lubricants during underwater cutting or welding. To such wounds we should add grazes and various wounds from rocks, corals, shells, sharp edges of the metal of wrecks and divers’ knives. Risk of infection: Infections are directly transmitted during diving – by contact of the diver with contaminated water or indirectly by interpersonal contact or the use of common parts of diving equipment. Infections can be general or localised on the mucous membranes. The waters of harbours, canals and rivers are particularly liable to contamination when untreated or partially treated effluent enters them. General infectious diseases of diverse are enteric typhoid, paratyphoid, dysentery , amoebic meningitis, schistosomiasis, cholera, viral hepatitis

��

��

and other sicknesses caused by enteroviruses. As for local and mainly purulent infections there are athletes foot, purulent infection of the ear canal and swimmers itch, and in exotic areas schistosomal dermatitis. Diver hypothermia: The temperature of the surface layers of marine and lacustrine waters oscillates markedly according to season, and the speed and intensity of cooling depends on the temperature of the water, the kind of insulation in the suit, the thickness of subcutaneous fat, the breathing medium, ambient pressure and individual sensitivity to cooling. Shivering and other defensive reactions of the organism to cold reduce the ability to work, as well as bottom time, and increase the hazard of decompression sickness. Diver hyperthermia: Hyperthermia is the consequence of one or more factors like physical activity, diving suits that are too thick, exposure to warmth and insufficient intake of fluids. In normal circumstances the body will cool by sweating, and since the diving suit makes this impossible, the overheated diver can become disturbed and even collapse. 3. DEFINING THE SAFETY INSTRUCTIONS NECESSARY FO R

UNDERWATER WELDING General recommendations for protection before and during diving: 1. Check that power sources for welding and all ancillary equipment are earthed. 2. Check that the power source for welding is not short-circuiting, or that there can be no short circuit. 3. Check that all electrical joins are made correctly. 4. Whenever possible stand on a dry wooden surface or some similar insulator. 5. Wear dry rubber gloves whenever handling “live” lines. 6. Keep all switches at the electricity source dry in order to prevent sparking. Recommendations for handling electrode ho lders: 1. Only electrode holders specially constructed for underwater welding can be used. They have to be able to be loaded with the highest currents necessary for underwater wet welding. Use only attested holders. 2. Check that all parts of the holders are covered with insulation. 3. Use non spring-loaded electrode holders whenever possible. 4. Change electrodes only when there is no live circuit 5. Never turn the holder in such a way that the electrode is turned towards the diver. 6. Take especial care that the electrode does not come into contact with metal parts. 7. Be careful that not a single metallic part of the diving equipment comes into contact with the basic material. Recommendations for handling live cab les: 1. All parts of submerged cables must be properly insulated. 2. Check if there is any place on the cables with damaged insulation. If there is, repair at once. 3. Use only attested cables. They have to be able to conduct the maximum current necessary for underwater welding. 4. During the joining of two cables, make use of devices for joining that have at least the capacity of the cables. 5. All joining devices must be well insulated. 6. Check the cables are not tangled. 7. Join and place the cables in such a way that the diver/welder’s body is never between the electrode and the earth in the circuit.

��

��

8. Cables that are used under water are not to be used for surface work. 9. Long cables should be placed in the air, above head height, on board ship, whenever possible. If it is not, place them along the deck, protect them suitably and ensure normal passage. Recommendations for handling the safety switch: 1. Have the electricity off except when underwater operations are being carried out. 2. Keep switches off except when underwater operations are being performed. 3. Place the safety switch on the welding cable as part of the electric circuit. 4. Don’t use the switch in flammable atmospheres and use only attested switches. Recommendations for cho ice o f diving suits and other gear: 1. Take care that the body does not come into contact with live additional material unless the safety switch is on. 2. It should be completely isolated from all live circuits. 3. Take care that the diving suit is in good condition and undamaged. There must be no holes or faults in the diving suit that might affect the insulating characteristics. 4. Mandatory wearing of undamaged rubber gloves. 5. Obligatory use of welding helmets. They must have appropriate protective welding glass. With all these recommendations it is very important that during the whole of his time underwater the diver/welder can be in two-way contact with the support team on the surface. The support team has to be informed of all events under the water and give the diver practical advice. Every diver/welder must be very well familiarised with the safety recommendations, and at each place where works are being carried out there has to be a safety at work manual. If after performing his work a diver/welder has to be subjected to decompression, the decompression chamber must be under surveillance the whole of the time. One of the reasons is the possible presence of harmful explosive gases such as argon, carbon dioxide (used during welding), helium (from the breathing mixture), nitrogen (used for equalising pressure in the chamber), oxygen and hydrogen. Recommendations when d iving with gas mixtures: 1. While planning a dive it is necessary to now the depth of the dive, the composition of the mixture of the breathing gas, the necessary total quantity of diving gas, to define and calculate the decompression profile. Fig. 1. shows an example of a calculated decompression profile and Fig. 2. a depiction of the saturation of individual parts of the body with breathing gas before the start of the ascent. 2. Using an authorised supplier for filling the appropriate mixes of gases, analysis of mixture before the dive, and proper labelling of tanks according to kind of gas mix 4. All divers have to know procedure for changing mixes during the dive 5. All divers have to be trained how to behave if during a dive there is a toxic gas effect, decompression sickness and so on, as well as stress.

��

��

Figure 1: 50 m, 60 minutes bottom time, mixture on the bottom and during the dive: Tx

23/34 (23% O2, 34% He, 43% N2), decompression mix: EAN50, O2

Figure 2: Depiction of saturation of ind ividual parts of the organism with breathing gas

before the start of ascen t: 70 m, 60 minutes bottom time; mixture on the bo ttom and during the dive: optimal Tx 17 /50 (17% O2, 50% He, 33% N2)

��

��

4. CONCLUSION The paper treats of safety problems that occur in underwater welding. The hazards that arise from the very technology of underwater welding itself and the dangers that occur during diving are presented. Also, recommendations are made that should be respected before and during the time that underwater operations (welding) are being carried out. During the planning of underwater works, first of all attention must be paid to the health of the diver, that is, his physical and mental state. If the diver is totally ready to carry out the job, before the dive all the equipment that is used for diving has to be checking, the length of the stay underwater planned, and according to the depth, the gas mixture for breathing carefully chosen. Check of the good working order of the equipment used for welding is also obligatory. Attention should be paid to the possibility of explosion, the good condition of the electric cables, and the use of only direct current. As well as to these hazards, especial attention has to be paid to the dangers that are possible during diving. Underwater welding is a particularly complex and dangerous job. Because of this complexity and the hazard involved, special measures and procedures for achieving safety and protection of the diver/welder have to be respected. For as safe as possible a performance of underwater works, a well trained team has to be chosen for safe diving, in which every member will be assigned a role, and the execution of the tasks has to be planned very carefully. Apart from the dive coordinator, there also has to be a protection at work expert present, who according to the complexity of the execution of the underwater operations will draw up safety instructions, will supervise their implementation and check out the use of personal protective equipment. LITERATURE 1. Gošovi�, S.: Ronjenje u sigurnosti. –Zagreb:JUMENA,1990. 2. Govor�inovi�, G.: Osposobljavanje zavariva�a za podvodno mokro zavarivanje.

Diplomski rad. – Zagreb: FSB, 2000. 3. Haux, G.: Ronjenje i ronila�ka tehnika. – Zagreb: SPEKTAR, 1982 4. Jackson, J.: Autonomno ronjenje.- Zagreb:ZNANJE, 2002 5. Kralj, S., Kožuh,Z., Garaši�, I.: Stanje i trendovi razvoja podvodnog zavarivanja i

nerazornih ispitivanja. – Zavarivanje, 48,2005, 5/6, 153-165 6. Kralj, S., Kožuh, Z., Garaši�, I.: Podvodno mokro zavarivanje i podvodno ispitivanje u

održavanju pomorskih objekata, SORTA, 2004 7. Kralj, S., Marku�i�, D., Kožuh, Z.: Modern technologies for maintenance of underwater

structures. –Gliwice: BIULETYN ISG, 49, 2005, 5, 45-49 8. Krni�, N.: Istraživanje toplinskih u�inaka pri mokrom podvodnom zavarivanju. Doktorska

disertacija. - Zagreb:FSB,1999 9. Križani�, M.: Podvodno mokro zavarivanje aluminijskih legura. – Zagreb:FSB, 2002 10. Ostoi�,I., Kožuh, Z.:Primjena plinskih mješavina u ronila�kim radovima, Zavarivanje u

pomorstvu, Hvar, 2004, str. 533-540 11. Palmer, W.: Effects of Welding on Health/VII – Miami, Florida: American Welding

Society, 1989

��

��

Sekundarna nosilna struktura v varjenih nosilcih

Janez Kramar, Metod �uk, Boris Jerman

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ašker�eva 6, 1000 Ljubljana Povzetek

V prispevku je prikazan pomen sekundarne nosilne strukture pri nosilcih s tankostenimi varjenimi prerezi ve�jih izmer. Sekundarna struktura je sestavljena iz vzdolžnih in pre�nih okrepitev, privarjenih na osnovno strukturo. Te okrepitve zagotavljajo, da prerez ohranja svojo prvotno obliko in da ne pride do lokalne izbo�itve sten nosilca. Prikazana je deformirana oblika prereza za primer, ko nosilec nima sekundarne strukture in za primer, ko ima samo vzdolžne okrepitve. Iz rezultatov je razvidno, da vzdolžne okrepitve ne pripomorejo k ohranjanju oblike temve� so za to potrebne pre�ne okrepitve. Vzdolžne okrepitve so, z druge strani, zelo pomembne za prepre�evanje lokalnega izbo�enja tankostenih stranic. Dovolj mo�ne vzdolžne okrepitve namre� zožijo opazovano plo�evinsko polje, s �imer se pove�a njegova odpornost proti lokalnemu izbo�enju. Prikazani so primeri po vseh štirih robovih �lenkasto podprtih pravokotnih plo�evinskih polj ter primeri, kjer so �lenkasto podprti trije robovi, �etrti pa je prost. Izpeljano je dopustno razmerje širine p lo�evinskega polja proti debelin i plo�evine v polju. Iz tega razmerja se da dolo�iti najve�jo dopustno širino plo�evinskega polja, kar predstavlja hkrati tudi optimalno razdaljo med vzdolžnimi okrepitvami.

1. UVOD Za ravninske in prostorske varjene nosilne konstrukcije se najve� uporabljajo nosilci prizmati�ne oblike kot so: odprti varjeni nosilci I in U pre�nega prereza ter zaprti varjeni nosilci pravokotnega ali trapeznega pre�nega prereza. Omenjeni prizmati�ni nosilci so pri ve�jih pre�nih merah zvarjeni iz plo�evin, ki predstavljajo primarno nosilno strukturo. S tanjšanjem teh plo�evin in pove�evanjem pre�nih mer prereza dobimo bolj toge in lažje strukture pod pogojem, da pri tem ne ogrozimo stabilnosti oblike pre�nega prereza in lokalne izbo�itvene stabilnosti posameznih sestavin. 2. SEKUNDARNA NOSILNA STRUKTURA Za stabilizacijo oblike pre�nega prereza se pri dovolj velikih pre�nih merah uporabijo pre�ne stene in druge pre�ne okrepitve. Žal za ta, sicer odli�en na�in krepitve stabilnosti oblike, še ni dobrih teoretskih osnov. Te okrepitve se nameš�ajo predvsem izkustveno in na mestih, kjer je še kakšna druga potreba po takih okrepitvah. Za lokalno stabilizacijo posameznih osnovnih sestavin prizmati�nih nosilcev se uporabljajo predvsem vzdolžne okrepitve, ki se privarijo na omenjene osnovne plo�evine. Za tovrstno krepitev lokalne stabilnosti plo�evin so na voljo že zelo dodelani napotki. Osnovno nosilno strukturo konkretnega nosilca s slike 1 sestavljata dve stojini (debeline 20 mm) in dve pasnici (debeline 25 mm). Sekundarno nosilno strukturo sestavljajo vzdolžni plo�evinski trakovi (presek je po�rnjen) in obrobljeni pre�no nameš�eni okvirji. Vsaka od

��

��

stojin ima po štiri vzdolžne plo�evinske okrepitve višine 220 mm in debeline 20 mm. Tla�na pasnica (gornja) ima znotraj škatle dve vzdolžni plo�evinski okrepitvi višine 300 mm in debeline 25 mm. Tretja poševna vzdolžna okrepitev podpira rob prevesnega dela pasnice, da jo stabilizira v primeru vodoravnih obremenitev glave tirnice. Natezna pasnica (spodnja) nima vzdolžnih okrepitev. Pre�ni okvir je s svojo stojino uvarjen med vzdolžnimi notranjimi okrepitvami in privarjen na osnovno nosilno strukturo in na vzdolžne okrepitve z obojestranskim kotnim varom debeline 8 mm. Višina te stojine se povsod ujema z višino vzdolžnih okrepitev. Stojina pre�nega okvirja je nato znotraj obrobljena s pasni�no plo�evino debeline 15 mm in širine 200 mm. Pre�ni okvirji so pri tej višini nosilca (3200 mm) nameš�eni na vsake 2 do 2,5 m vzdolž osi nosilca. Tako oblikovani okvirji so dovolj togi in nudijo prost prehod širine 890 mm in višine 2520 mm.

Slika 1: Primer varjenega škatlastega nosilca pri mostnem žerjavu velike razpetine in

nosilnosti �e bi projektant ne predvidel pre�nih okrepitev v tako visokem in za to višino zelo tenkostenem nosilcu, bi vertikalne obremenitve povzro�ile nestabilnost oblike, ki je za podoben primer prikazana na sliki 2. Pri tej vrsti nestabilnosti ne koristijo niti vzdolžne okrepitve (slika 3). �e ima pre�ni prerez nestabilnost oblike, tudi niso uporabni obrazci za izra�un vztrajnostnih in odpornostnih momentov.

��

��

Slika 2: Primer oblikovne nestabilnosti pre�nega prereza neokrepljenega nosilca

Slika 3: Oblikovna nestabilnost vzdolžno okrepljenega pre�nega prereza nosilca

Sistem pre�nih in vzdolžnih okrepitev v škatlastih nosilcih razdeli osnovno nosilno strukturo na vrsto pravokotnih plo�evinskih polj, ki so s sosednjimi sestavinami (osnovnimi ali okrepitvenimi) na štirih robovih pre�no podprta. Mnoga od teh polj so obremenjena s tla�no in (ali) strižno napetostjo. Tla�na in strižna napetost pa sta lahko povzro�itelja lokalne izbo�ivene nestabilnosti (glej sliki 4 in 5).

Slika 4: Izbo�itev plo�evinskega polja pri konstantnem vzdolžnem tlaku (a = 3 b)

a

b

��

��

Slika 5: Izbo�itev plo�evinskega polja pri konstantni strižni obremenitvi (a = b) V primeru, da je potrebno pre�no in (ali) vzdolžno okrepiti nosilec z odprtim pre�nim prerezom, dobimo tudi plo�evinska polja, kjer so pre�no podprti le trije robovi in je en vzdolžni rob prost. Na sliki 6 je prikazan primer izbo�itvene oblike le vzdolž treh robov pre�no podprte pravokotne ploš�e.

Slika 6: Izbo�itev pravokotne ploš�e z enim prostim vzdolžnim robom

Slika 7: Splošna linearizirana normalna obremenitev ter strižna obremenitev pravokotnega polja

w x

y

a

b x

y

x2σ

x1σ

x2σ

xyτ

xyτ

xyτxyτ

x1σ

w x

y

��

��

Na sliki 7 sta prikazani splošna linearizirana normalna vzdolžna napetost ( )xσ ter konstantna strižna napetost ( )xyτ . Vzdolžna obremenitev se spreminja linearno od ve�je tla�ne ( )x1σ do

manjše tla�ne ali celo natezne obremenitve ( )x2σ . Vrisani sta vzdolžna (x) in pre�na (y) os. Ozna�eni sta še dolžini obeh stranic a in b, ki sta vedno orientirani vzporedno z x oziroma y osjo, Debelina plo�evine je enaka t . V nadaljevanju bo prikazan izsek teoreti�nih osnov za izbor primerne normalizirane širine plo�evinskega polja, ki jo izrazimo z razmerjem širine in debeline tega polja (b/t). 3. KRITI�NA IZBO�ITVENA NAPETOST Velikost najve�je tla�ne (strižne) napetosti, pri kateri se nenadoma pojavi izbo�itvena slika v pravokotnih plo�evinskih poljih (glej slike 4, 5 in 6), je možno izra�unati z rešitvijo ustrezne diferencialne ena�be po Eulerjevih predpostavkah: material plo�evine je idealno elasti�en z neskon�no mejo plasti�nosti, plo�evina je idealno ravna. Dobljen rezultat imenujemo kriti�na izbo�itvena napetost. V literaturi so take napetosti dobljive v eksaktni in v asimptotski vrednosti, lo�eno za tla�no in za strižno obremenitev. Odnos med eksaktno in asimptotsko kriti�no napetostjo je vedno:

asimptkrekskr ,, σσ ≥ in asimptkrekskr ,, ττ ≥ V tem prispevku so prikazane asimptotske vrednosti, za katere so obrazci enostavnejši in so za uporabo na varni strani. Omejili se bomo na podolgovata plo�evinska polja (a>b) in na linearno porazdeljene normalne napetosti po sliki 7:

0,10,11 ≤≤−≥ xin ψα

x

xxin

b

a

1

2

σσψα ==

3.1 Kriti�na asimptotska izbo�itvena napetost za idealno elasti�no in ravno plo�evino

v tlaku (Vsi štirje robovi so pre�no �lenkasto podprti)

( )2

2

2

, 112��

�

�⋅−⋅⋅

⋅=b

tEkasimptkr µ

πσ σ pri �emer so:

0,10,005,1

2,8≤≤

+= x

x

zak ψψσ

0,00,178,929,681,7 2 ≤≤−⋅+⋅−= xxx zak ψψψσ

E ………….. elasti�ni modul µ …………. Poissonovo število

��

�

3.2 Kriti�na asimptotska izbo�itvena napetost za idealno elasti�no in ravno plo�evino v tlaku (En vzdolžni rob prost, ostali trije robovi pre�no �lenkasto podprti)

Za primer treh �lenkasto podprtih in enega prostega robu je postopek enak, le da je koeficient

σk bistveno manjši in s tem kriti�na izbo�itvena napetost pri isti širini plo�evine mnogo manjša.

0,10,107,021,057,0 2 ≤≤−⋅+⋅−= xxx zak ψψψσ Zadnji obrazec velja za obi�ajni (neugodnejši) primer, ko nastopa ve�ja tla�na napetost vzdolž prostega roba plo�evine. 3.3 Kriti�na asimptotska izbo�itvena napetost za idealno elasti�no in ravno plo�evino

v strigu (Vsi štirje robovi so pre�no �lenkasto podprti)

( )2

2

2

, 112��

�

�⋅−⋅⋅

⋅=b

tEkasimptkr µ

πτ τ

2,

434,5

ατ +=xyk ........ velja za 1≥=b

aα

4. MEJNA IZBO�ITVENA NAPETOST ZA REALNO ELASTO-PLASTI�NO

PLO�EVINO Dandanes kriti�na izbo�itvena napetost ni neposredno uporabna za dokazovanje varnosti proti izbo�itvi. Upoštevati je potrebno še mejo plasti�nosti materiala plo�evinskega polja in neko dogovorjeno za�etno neravnost plo�evine f .

��

��≤

250;

250min

baf

Da bi dognali realen zmanjševalni faktor nosilnosti pΚ za tlak in strig, je bilo potrebno opraviti ve� tiso� preskusov razli�nih debelin plo�evine, razli�nih oblik in razli�nih vrst konstrukcijskih jekel. Vodilna nit teh preskusov je bila normalizirana vitkost pravokotne ploš�e pλ za tlak in τλ ,p za strig:

kr

plp

R

σλ = oziroma

3,

⋅=

kr

plp

R

τλ τ

��

�

4.1 Mejna izbo�itvena nosilnost (odpornost) v tlaku je sedaj

( ) plppu R⋅Κ= λσ Mejno izbo�itveno nosilnost (odpornost) plo�evinskega polja potrebujemo pri dimenzioniranju tla�no obremenjenih tenkostenih elementov na isti na�in kot potrebujemo mejo plasti�nosti pri dimenzioniranju nateznih elementov. V zadnjem obrazcu je ( )pp λΚ brezdimenzijski zmanjševalni faktor tla�ne nosilnosti, ki izraža stopnjo zmanjšanja nosilnosti tla�no obremenjene plo�evine zaradi nevarnosti izbo�itvene nestabilnosti. Odvisnost zmanjševalnega faktorja tla�ne nosilnosti pΚ od normalizirane vitkosti:

673,00,00,1 ≤≤=Κ pp pri λ (0,673 je mejna normalizirana vitkost)

673,022,0

2≥

−=Κ p

p

pp pri λ

λλ

Potek je pokazan tudi z grafom na Sliki 8. Tu se lepo vidi to�ka, kjer pri�ne vrednost zmanjševalnega faktorja padati (ozna�uje jo �rtkana pokon�na �rta skozi mejno normalizirano vitkost).

Slika 8: Diagram zmanjševalnega faktorja tla�ne nosilnosti ( )pp λΚ

Mejne vitkosti pravokotnih plo�evinskih polj: Tla�no obremenjeno plo�evinsko polje je polno izkoristljivo (ima polno nosilnost), �e je njegova normalizirana vitkost pλ enaka ali manjša od mejne normalizirane vitkosti (0,673).

mejnipkr

plp

R,λ

σλ ≤=

�e v zadnjo neena�bo vstavimo izraz za kriti�no izbo�itveno napetost in jo razrešimo po razmerju b/t, dobimo normalizirano širino:

( ) pl

mejnipR

Ek

t

b

⋅−⋅⋅⋅

⋅≤2

2

, 112 µπλ σ

Normalizirana širina (razmerje širine proti debelini) plo�evinskega polja je klju�ni parameter pri zasnovi tla�no obremenjenih tenkostenih varjenih nosilnih elementov.

pλ

Kp

0 1 0

1,0

��

��

Posebni primeri pri pravokotnih plo�evinskih poljih iz jekla: a) Z vzdolžnim tlakom obremenjena in na vseh štirih robovih pre�no na srednjo ravnino �lenkasto podprta pravokotna ploš�a ( 1≥α ): Konstantna tla�na napetost ( )xx 12 σσ = : ε⋅≤ 88,37tb Trikotno porazdeljena tla�na napetost ( ).02 =xσ : ε⋅≤ 94,52tb �ista upogibna (tla�no-natezna) napetost ( )xx 12 σσ −= : ε⋅≤ 60,92tb

b) Z vzdolžnim tlakom obremenjena ploš�a. En vzdolžni rob prost, ostali trije robovi pravokotne ploš�e pre�no na srednjo ravnino �lenkasto podprti Konstantna tla�na napetost: ε⋅≤ 42,12tb

Faktor � v gornjih obrazcih predstavlja vpliv meje plasti�nosti gradiva. Pri jeklu z mejo plasti�nosti 235 MPa ima ta faktor vrednost 1,0. Pri uporabi jekel z višjo mejo plasti�nosti je vrednost tega faktorja manjša kot 1,0:

plR

235=ε

Mejna izbo�itvena nosilnost v strigu:

( )3

,,pl

ppu

R⋅Κ= ττ λτ

Pri tem je ( )ττ λ ,, ppΚ brezdimenzijski zmanjševalni faktor strižne nosilnosti, ki izraža stopnjo zmanjšanja nosilnosti strižno obremenjene plo�evine zaradi nevarnosti izbo�itvene nestabilnosti. Brezdimenzijski zmanjševalni faktor strižne nosilnosti:

673,00,00,1 ,, ≤≤=Κ ττ λ pp pri (0,673 je vrednost mejne normalizirane vitkosti)

673,022,0

,2,

,, ≥

−=Κ τ

τ

ττ λ

λλ

p

p

pp pri

4.2 Mejna strižna vitkost pravokotnih plo�evinskih polj Strižno obremenjeno plo�evinsko polje je polno izkoristljivo (ima polno nosilnost), �e je njegova normalizirana vitkost τλ ,p enaka ali manjša od mejne normalizirane vitkosti (0,673).

mejnip

kr

plp

R,,,

3ττ λ

τλ ≤

⋅=

�e v zadnjo neena�bo vstavimo izraz za kriti�no strižno izbo�itveno napetost in jo razrešimo po razmerju b/t, dobimo:

��

��

( ) pl

mejnipR

Ek

t

b

⋅−⋅⋅⋅⋅

⋅≤2

2

,, 1123

µπλ τ

τ

Razmerje širine proti debelini plo�evinskega polja je klju�ni parameter pri zasnovi tenkostenih varjenih nosilnih elementov. Posebna primera pri pravokotnih plo�evinskih poljih iz jekla S strigom obremenjena in na vseh štirih robovih pre�no na srednjo ravnino �lenkasto podprta zelo dolga pravokotna ploš�a (a >> b): ε⋅≤ 61,57tb S strigom obremenjena in na vseh štirih robovih pre�no na srednjo ravnino �lenkasto podprta kvadratna ploš�a (a = b): ε⋅≤ 19,76tb 5. ZAKLJU�EK Da v varjenih tenkostenih nosilcih ne more priti do nestabilnosti, ki so prikazane na Slikah 2 do 6, potrebujemo sekundarno nosilno strukturo v obliki vzdolžnih in pre�nih okrepitev. Te okrepitve je potrebno na osnovno nosilno strukturo korektno privariti. Zaradi dinami�nih obremenitev in, kadar obratuje konstrukcija v agresivnem okolju, je prav uporabiti neprekinjene kotne zvare manjše debeline z obeh strani okrepitvenega elementa. Le pri priklju�evanju okrepitev, ki po priklju�itvi tvorijo z osnovno plo�evino zaprto obliko, za vsak priklju�en rob okrepitve zadostuje po en zvar. �e pa uporabimo prekinjene kotne zvare, pa nezvarjenost ne sme biti predolga, da ne bi prišlo do izbo�itve osnovne plo�evine na mestih nespojenosti. Dovoljena dolžina nespojenosti je samo 12 debelin osnovne plo�evine. Ker so vzdolžne okrepitve bistveno bolj obremenjene kot pre�ne, imajo vzdolžne okrepitve prednost pred pre�nimi, zaradi �esar pre�ne okrepitve primerno izrežemo, da te�ejo vzdolžne okrepitve skozi pre�ne brez prekinitve. �e je potrebno vzdolžno okrepitev podaljšati, se obvezno uporabi so�elni zvar s polno prevaritvijo. Vzdolžne okrepitve Sodobni predpisi po vsem svetu, ki urejajo dimenzioniranje nosilnih elementov, so vsebolj naravnani na predpisovanje najve�jih dopustnih razmerij b/t. Pri tem je širina b razdalja med dvema sosednjima vzdolžnima okrepitvenima elementoma oziroma razdalja vzdolžnega okrepitvenega elementa od robne osnovne plo�evine, ki podpira opazovano plo�evinsko polje. Z nadaljno zaostritvijo in gradacijo podanih mejnih razmerij b/t so pre�ni preseki nosilnih elementov kategorizirani v štiri razrede kompaktnosti. Nosilne elemente, ki imajo pre�ne preseke v prvih dveh razredih kompaktnosti, je možno obravnavati tudi v elastoplasti�nem podro�ju. V primerih, ko trdnostno ni mogo�e izkoristiti nosilnih elementov (odlo�ilen je naprimer deformacijski kriterij dimenzioniranja), pa je umestno razmerje b/t tudi pove�ati na mejo, ki jo dolo�a znižana tla�na ali strižna napetost v elementu. Povzetek razlogov za vzdolžne okrepitve:

• pove�anje izbo�itvene stabilnosti sestavin osnovne nosilne strukture; • pove�anje lokalne upogibne nosilnosti sestavin osnovne strukture za prevzem pre�nih

ploskovnih, linijskih in to�kovnih obremenitev; • ravnanje neravnih plo�evin osnovne nosilne strukture; • dvig lastnih frekvenc plo�evin osnovne nosilne strukture;

��

��

Pre�ne okrepitve Ve�ji tankosteni (tankostenost je relativen pojem) profilirani ali votli varjeni prerezi potrebujejo tudi pre�ne okrepitve. Pre�ne okrepitve najprej stabilizirajo obliko prereza. Zagotavljajo naprimer pravokotnost škatle,. ki bi se brez vsaj nekaj pre�nih okrepitev pod vplivom pre�nih motenj spreminjala v romboidu podoben lik. Druga funkcija pre�nih okrepitev je opora vzdolžnim okrepitvam. Oblikovno lahko pre�na okrepitev popolnoma zapre notranjost votlega nosilnega elementa (diafragma), lahko ima v osrednjem podro�ju izrez za prehod varilca, lahko je oblikovana kot okvirna konstrukcija, ki je praviloma nekaj višja kot so vzdolžne okrepitve. Povzetek razlogov za pre�ne okrepitve:

• dvig stabilnosti oblike pre�nega preseka osnovne nosilne strukture; • opiranje vzdolžnih okrepitev; • pove�anje lokalne upogibne nosilnosti plo�evin osnovne strukture za prevzem pre�nih

ploskovnih, linijskih in to�kovnih obremenitev; • dvig lastnih frekvenc plo�evin osnovne nosilne strukture;

LITERATURA 1. SIST EN 1993-1-1:2005 - Evrokod 3: Projektiranje jeklenih konstrukcij – 1-1. del:

Splošna pravila in pravila za stavbe - Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings;

2. SIST EN 1993-1-5:2007 - Evrokod 3: Projektiranje jeklenih konstrukcij - 1-5. del: Elementi plo�evinaste konstrukcije - Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-5: Plated structural elements;

3. Robert Englekirk. Steel Structures, Controlling Behavior Trough Design. John Willey & Sons, INC. New York 1994.

��

��

Zvarni spoji v jeklenih gradbenih konstrukcijah

Igor Križman, Martin Strašek

ARMAT Šentjanž d.o.o., Ko�evarjeva 2, 8000 Novo mesto Povzetek

Zaradi vse težjih razmer na trgu smo primorani iskati pocenitve jeklenih konstrukcij. Ena od možnosti je tudi uporaba standardnih do lžin europrofilov za izdelavo elementov nosilnih jeklenih konstrukcij. V prispevku prikazujemo ekonomsko upravi�enost posameznih variant spajanja le teh. Ugotavljamo, da bi lahko s primerno geometrijo zvarnega spoja zadostili zahtevam nosilnosti, dosegli najve�je prihranke ter s tem pove�ali konkuren�nost.

1. UVOD V svetu, predvsem v Severni Ameriki in Aziji, najve� jeklenih konstrukcij uporabijo pri gradnji mostov in visokih gradnjah. V Evropi nimamo takšne tradicije. Najve� jeklenih konstrukcij za visoke zgradbe uporabljajo v Avstriji, Slovenija pa je povsem na repu, saj je delež uporabe jeklenih konstrukcij zanemarljiv. Prav tako je zanemarljiv delež jeklenih konstrukcij v mostogradnji. najve�ji obseg gradenj v jeklu v Sloveniji dosegamo pri enoetažnih proizvodnih in poslovnih objektih (proizvodne hale, skladiš�a, trgovske centre ali parkirne hiše). Razlogov, zakaj obseg jeklenih konstrukcij pri nas ni ve�ji, je ve�. Deloma je to posledica tradicije gradnje v Evropi, deloma so odgovorni vplivni gradbeni lobiji, cene jekla na svetovnem trgu, pa tudi želje investitorjev in nezainteresiranost projektantov zgradb. Gradnja z jeklenimi konstrukcijami se od svojih za�etkov ni bistveno spreminjala. Še najve� sprememb so pri nas v zadnjem �asu prinesli novi standardi (Eurocode) ter spremenjeni na�ini protikorozijske zaš�ite. Barvanje se namre� vse ve�krat nadomeš�a z vro�im cinkanjem, ki zagotavlja daljšo in boljšo zaš�ito. Za montažne spajanje pri jeklenih konstrukcijah s v ve�ini primerov uporablja vija�ne spoje, varjenje na gradbiš�ih se uporablja v manjši meri, predvsem za pritrjevanje sekundarne konstrukcije. Obi�ajno je, da se vsi postopki varjenja posameznih nosilcev izvedejo v kontroliranih pogojih proizvodnje, kjer je mogo�e procese varjenja voditi in kontrolirati v vseh fazah. Prednosti jeklenih konstrukcij so predvsem: estetika konstrukcij, možnost spreminjanja že zgrajenih konstrukcij, dobro razmerje med težo in nosilnostjo, dobra potresna varnost ter v možnosti reciklaže. Odpadno jeklo se namre� lahko v celoti vnovi� uporabi in je tako pomembna surovina, ki bistveno znižuje porabo energije in s tem stroškov pri proizvodnji novega jekla. Kriza v gradbeništvu ima na uporabo jeklenih konstrukcij negativni vpliv, kar se odraža v zmanjšanju povpraševanja, ter posledi�no v pove�anju konkurence. Zato smo primorani iskati konstrukcijske rešitve, ki vodijo k nenehnim pocenitvam pri proizvodnji jeklenih konstrukcij.

��

��

2. OPIS PROBLEMA Možnosti pocenitve jeklenih konstrukcij izhajajo tako iz zasnove, optimizacij pri stati�nem izra�unu, kakor tudi iz tehnoloških rešitev. Eno od težav s katero se že nekaj �asa ukvarjamo je optimalna poraba standardnih dolžin jeklenih europrofilov, ki so na trgu najcenejši. Namre� naši objekti se ne ponavljajo, vsak je razli�nih dimenzij in oblik. Tako ne moremo govoriti o serijski proizvodnji standardnih elementov. Kot primer bi navedli izdelavo stebrov nosilne jeklene konstrukcije proizvodne hale nestandardne višine 7m. Za izdelavo stebrov kupujemo europrofile, ki so že pri dobavitelju razrezani na želeno dolžino, kar nam predstavlja dodatni strošek, ki ga dobavitelj zara�una zaradi odpada in dodatnega razreza standardnih profilov dolžine 12 m. V želji po zmanjšanju teh stroškov razmišljamo o možnosti uporabe europrofilov standardnih dolžin, katere bi sami razrezali in s pomo�jo varjenih in vija�nih spojev uporabili z najmanjšim možnih odpadom. Možnosti spojev pri podaljševanju europrofilov:

a) Spajanje profilov z vija�nimi spoji (Slika 1), b) Spajanje profilov s kotnim varom in dodatno vmesno ploš�o (Slika 2), c) Spajanje profilov s so�elnim varom in kontrolo zvarov (Slika 3), d) Spajanje profilov s so�elnim varom in zamaknjenim spojem pasnic (Slika 4).

Slika 1 Slika 2

Slika 3 Slika 4

��

��

3. EKONOMSKA OCENA IZDELAVE JEKLENEGA ELEMENTA NESTADARDNE DOLŽINE

Kot primer smo vzeli nabavno ceno jeklenega europrofila HEA 400 dolžine 7 m. 3.1 Podatki o nabavnih cenah materialov (cene so informativne)

• Nabavna cena jek. profila odrezanega na dolžino z upoštevanjem odpada: 0,78 �/kg • Nabavna cena standardnega profila standardne dolžine 12 m: 0,68 �/kg • Nabavna cena plo�evine: 0,54 �/kg • Nabavna cena vijakov M24x100, kv. 10.9, z matico in podložko: 5,4 �/kos

3.2 Izra�un cene posameznega jeklenega elementa

a. Element izdelan iz standardnega profila z vija�nim spojem: Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 � /kg = 595 � Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 �/h = 15,0 � Priklju�ne ploš�e dimenzije 430 x 300 x 30 mm, kos: 2; Teža skupaj: 60.8 kg x 0,54 �/kg = 32,83 � Odrez priklju�nih ploš�, vrtanje: 0,15 �/kg x 60,8 kg= 9,12 � Varjenje: 4,0 m x 10 �/m= 40,0 � Vijaki: 8 kos x 5,4 �/kos = 43,2 � Vrednost elementa skupaj: 735,15 �

b. Element izdelan s spajanjem profilov s kotnim varom in dodatno vmesno ploš�o: Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 � /kg = 595,0 Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 �/h = 15,0 � Priklj. ploš�a dimenzije 430 x 300 x 30 mm, kos: 1; Teža: 30.4 kg x 0,54 �/kg = 16,4 � Odrez priklju�ne ploš�e: 0,15 �/kg x 30,4kg= 4,56 � Varjenje: 4,0 m x 10 �/m= 40,0 � Vrednost elementa skupaj: 670,96 �

c. Element izdelan s spajanje profilov z kontroliranimi zvari S kvalitete Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 � /kg = 595 � Strošek razreza profila: 0,5 h x 30 �/h = 15,0 � Priprava zvarnih robov in varjenje: 2 m x 15 � /m= 30 � Kontrola zvara: 40 � Vrednost elementa skupaj: 680,0 �

d. Spajanje profilov z varjenje z izrezanim preklopom Strošek profila: 7m x 125 kg/m x 0,68 � /kg = 595 � Strošek razreza profila: 0,8 h x 30 �/h = 24,0 � Priprava zvarnih robov in varjenje: 2,2 m x 15 � /m= 33,0 � Vrednost elementa skupaj: 652,0 �

e. Element odrezan na dolžino: 7m x 125 kg/m x 0,78 � /kg = 682,5 �

��

��

4. ZAKLJU�EK Že enostavna kalkulacija na z goraj navedenem primeru nam pokaže najoptimalnejšo izvedbo spoja. Zagotoviti bi morali le geometrijsko obliko spoja, ki zagotavlja zadostno stati�no nosilnost z varjenjem pri katerem dodatna kontrola zvarov ni potrebna. Zagotavljanje nosilnosti bomo poskušali v prihodnje dokazati tudi z ra�unsko analizo nosilnosti spoja, ter najprimernejšimi postopki varjenja konstrukcijskih jekel.

��

��

Analiza mehanskih lastnosti Al - komponente motornega dvokolesa s stati�nim preizkusom

Slavko Boži�

Višja strokovna šola Postojna

Fakulteta za pomorstvo in promet Portorož Povzetek

Razvoj in konstrukcija komponent za sestavo motornih dvokoles je ena glavnih proizvajalnih funkcij, s katero si obravnavano namerava podjetje zagotoviti stabilen tržni delež in nadaljn jo rast podjetja. Trendi na svetovnem trgu in v industriji se vse bolj gibljejo v smer uporabe lahkih kovin. V globalnem tržnem okolju prodira na to podro�je predvsem uvedba materialov iz aluminija in a luminijevih zlitin predvsem zaradi zmanjšanja teže kon�nega izdelka. V prispevku je prikazan postopek 3D razvoja zadnje nihajke motornega dvokolesa in simulacija trdnostnih napetosti ter pomikov po metodi kon�nih elementov - FEM. S pravilno izbiro osnovnega materiala in procesom varjenja smo dosegli takšne parametre, ki zagotavljajo ustrezno kvaliteto varjenih mest in mehanske lastnosti celotne konstrukcije.

1. UVOD Tehnološka zahtevnost izdelkov pomeni danes za podjetja ve�jo konkuren�no sposobnost še posebej v industriji motornih dvokoles in avtomobilski industriji. Z novo tehnologijo lahko pove�amo konkuren�nost podjetja na trgu, kar neposredno pomeni pove�anje proizvodnje in porast števila zaposlenih. Glavni cilj prispevka je prikazati postopek preusmeritve že poznane tehnologije varjenja jeklene konstrukcije iz jekla in jeklene plo�evine na novo tehnologijo varjenja aluminija in aluminijevih zlitin z vsemi procesnimi koraki, od idejne zasnove do prvega funkcionalnega prototipa. Al in Al-zlitine zahtevajo strogo dolo�en in kontroliran postopek dela in vnos energije, saj v druga�nem primeru zvari ne dosegajo zahtevanih mehanskih lastnosti. Hitre predhodne preiskave so pokazale, da je z natan�no dolo�enim izhodnim stanjem materiala, strogo nadzorovanim varjenjem in z natan�no dolo�enimi postopki po varjenju možno dose�i takšno mikrostrukturo zvara, ki daje možnost popolne avtomatizacije varjenja teh jekel in zvare najvišje kakovosti. Izdelava funkcionalnega prototipa omogo�a integracijo z vsemi ostalimi sestavnimi deli motornega dvokolesa. V nadaljevanju raziskav je bilo potrebno funkcionalni prototip pripeljati v fazo tehni�nega prototipa, ki bo lahko preko eksperimentalnih preizkusov stati�nega in dinami�nega trajnostnega preizkusa, primeren za serijsko izdelavo v proizvodnih pogojih. Trendi na svetovnem trgu in v industriji se vse bolj gibljejo v smer uporabe lahkih kovin, še posebej aluminijastih zlitin, ki bodo po�asi zamenjale sedaj uporabljane jeklene varjene izdelke. V podjetju, ki je velik uporabnik in izdelovalec tovrstnih izdelkov smo se odlo�ili, da pospešeno in še pravo�asno vlagamo v tehnološki razvoj in s tem krepitev razvojne sposobnosti podjetja. Namen projekta je bilo pove�anje tehnološke zahtevnosti izdelkov in s tem konkuren�na sposobnost v industriji motornih dvokoles.� Izdelek, ki smo ga razvili, je nosilni del – nihajne vilice (nihajke) motornega dvokolesa MC 50 Senior PRO, ki je bil trenutno izdelan iz posameznih elementov iz jekla. V globalnem tržnem okolju prodira na to

��

�

podro�je uvedba materialov iz aluminija in aluminijevih zlitin predvsem zaradi zmanjšanja teže kon�nega izdelka. Prilagajanje konstrukcije nihajke tehnologiji varjenja enake komponente iz aluminija je bila poleg izbire materiala in obdelave vse prej kot lahka naloga projekta. 1.1 Varjenje aluminija in aluminijevih zlitin Varivost Al in Al zlitin je predvsem odvisna od stopnje ne�isto�, vsebnosti legirnih elementov in od stanja hladne utrditve do stanja po izlo�evalnem strjevanju. Težave pri varjenju Al in Al zlitin je treba iskati v kemi�nih in fizikalnih lastnosti Al in njegovih zlitin [1]. Pri taljenju robov se Al oksid ne tali in se useda v korenski del zvara, ter prepre�uje spajanje staljenega aluminija. Zato je potrebno površino robov pred varjenjem o�istiti. Zaradi dobre toplotne prevodnosti Al, toplota hitro beži od mesta varjenja, zato je ve�krat potrebno aluminij pregreti. Dodatne napetosti in deformacije pri varjenju aluminija nastanejo zaradi visokega toplotnega raztezanja v primerjavi z varjenjem jekla. Pravilna priprava robov varjenca je zelo pomembna operacija, od katere v veliki meri zavisi kvaliteta spoja. Za vse na�ine varjenja je �iš�enje nesnage in oksidnega filma izrednega pomena, na kar pri varjenju aluminija in zlitin ne smemo pozabiti, sicer bo zvar zelo porozen. Ne�isto�e o�istimo z organskimi topili (trikloretilen) 100 mm na obe strani. Oksidni film odstranimo mehani�no z ostro in gosto ži�no š�etko ali z namakanjem robov 5 do 10 minut v 15 % raztopini lužnega kamna (NaOH). Po luženju moramo varjence dobro oprati ter posušiti. MIG varjenje je v proizvodnji varjenih aluminijastih konstrukcij najpomembnejši postopek. Ta postopek je primeren za varilska dela ve�jega obsega. Za postopek je zna�ilen globok uvar [2]. Varimo s pozitivnim polom na elektrodi ali pulzno, �e imamo na razpolago ustrezen vir toka. Pulzno varjenje ima prednosti v stabilnosti pri manjših tokovih, zaradi �esar varimo uspešneje tanjše materiale. V zvaru se pojavlja pri MIG varjenju nekoliko ve� napak, predvsem por, kot pri TIG varjenju. Poleg tega zvarno mesto dosega za približno 15 % manjšo trdnost, kot v primerjavi varjenja s TIG postopkom. 2. KONSTRUKCIJA IN MEHANSKE LASTNOSTI NIHAJKE Nihajna zadnja vilica – nihajka skupaj z glavnim okvirjem motornega dvokolesa predstavlja pomembno nalogo v sestavi, saj mora omogo�iti najboljšo stabilnost motornega dvokolesa ter hkrati vzpostaviti dolgotrajen vezni �len med osjo krmila in med osjo vpetja nihajne vilice. S svojo konstrukcijo in geometrijo enakomerno razporeja ter prenaša ve�je in manjše obremenitve. Poleg tega morajo biti klju�ne konstrukcije v ravnovesju z njegovo maso in velikostjo, ki mora biti sorazmerna glede na motocikel in nenazadnje da s svojim dizajnom zadovoljuje potrebe po ustreznem zunanjem videzu motocikla. Poleg teh nalog, tako okvir kot nihajko obremenjujejo še sila upogiba in torzije, vibracije motorja, korozija in še posebno dobro mora prenašati obremenitve zaradi zavitosti cest. Mehanske obremenitve v nihajki so rezultat kolesnega upora, inercije oziroma masno vztrajnostne sile in rezultante vseh delujo�ih momentov na motociklu [3]. Pri mo�nem zaviranju nastane velika sila trenja v sti�ni površini sprednjega kolesa s podlogo. Sile se na zadnji del okvirja prenašajo preko zadnje nihajke, ležaja v vpetju nihajne vilice in preko vzmetenja. Hkrati se pojavi tudi upogibno torzijski moment, vendar vrednosti v primerjavi z momentom v glavi krmila niso zaskrbljujo�e. To obremenitev lahko kontroliramo s širino, kjer je vpeta zadnja vilica, in s tem se doseže dobro stabilnost motocikla. Upoštevati je potrebno silo, ki jo povzro�a pogonski element – pogonska veriga, pogonski jermen, kardan

��

�

ter po potrebi zadnje nihajne vilice okrepiti. Slika 1 prikazuje koncept osnovne sestave motornega dvokolesa.

Slika 1: Konstrukcija motornega dvokolesa �e se v zadnjih nihajnih vilicah doseže frekvenca resonance, lahko prehod sil povzro�i dodatno obremenitev okvirja. Poleg tega je okvir obremenjen še zaradi vibracij pogonskega agregata, zaradi udarcev pogonske verige, ki so lahko posledica nestrokovne montaže. Okvirji in nihajke iz aluminija so po svojih lastnosti zelo krhki, ter zahtevajo dodatne oja�itve. V primeru, da obstaja sum okvare je priporo�ljiv rent genski pregled komponente, kajti le tako se lahko odkrijejo poškodbe, sicer nevidne za prosto oko. 2.1 Izbira materiala komponent motornega dvokolesa Izbira materiala nihajke je odvisna od tipa in namena motocikla, od dizajna in marketinških ciljev proizvajalcev. Dolgo �asa je prevladovalo železo in njegove zlitine, vendar se v zadnjih letih s tehnološkim razvojem, za�eli veliko uporabljati zlitine lahkih kovin. Zelo primerna lahka kovina za izdelavo posebnih profilov in za manj zahtevne odlitke je aluminij – ta ima svoje prednosti in slabosti. Prednosti so majhna teža, primernost za izdelavo delov s tankimi stenami, ki so lahko za oporo ali za estetski videz. Slabosti pa dražja izdelava, sestava, varjenje in popravilo, pa tudi njegova togost in neelasti�nost (E = 70000 N/mm2). Zaradi ozkih toleran�nih polj je potrebno predhodno testno varjenje, da se ugotovijo zamiki zaradi gretja materiala med varjenjem. Zadnja faza, pred sestavo je površinska zaš�ita. V ta namen uporabljajo razli�ne metode, kot so eloksidacija površin, nanos lakov in drugih zaš�itnih premazov. Za jeklene nihajke je zna�ilno, da so cenejše za izdelavo in popravilo, poleg tega je vrednost koeficienta elasti�nosti trikrat ve�ja, kar jim zagotavlja daljšo življenjsko dobo. Slabosti takšne nihajke pa so sorazmerno visoka teža in neodpornost na rjavenje. Razvoj izdelave takšnih nihajk je naredil v zadnjem obdobju korak naprej, tako da sta oblika in zgradba zelo podobna nihajkam iz lahkih kovin. Pri izdelavi nihajk se pogosto uporabljajo tudi železove zlitine, saj zlitina kroma-molibdena-železa dosega ve�jo trdnost in vzdržljivost kot samo železo. Zadnje nihajne vilice skupaj z glavnim okvirjem predstavljajo pomembno nalogo v sestavu, ki mora omogo�iti najboljšo stabilnost vozila ter hkrati vzpostaviti dolgotrajen vezni �len med osjo krmila in med osjo vpetja nihajne vilice, ki s svojo konstrukcijo in geometrijo enakomerno razporeja ter prenaša ve�je in manjše obremenitve. Poleg tega morajo biti klju�ne konstrukcije v ravnovesju z njegovo maso in velikostjo, ki mora biti sorazmerna glede na motocikel in nenazadnje da s svojim dizajnom zadovoljuje potrebe po ustreznem zunanjem

��

��

izgledu vozila. Poleg teh nalog, tako okvir kot nihajno vilico obremenjujejo še sila upogiba in torzije, vibracije motorja in korozija. Prilagajanje konstrukcije jeklene nihajne vilice, tehnologiji varjenja enake komponente iz aluminija je bila vse prej kot lahka naloga. Na sliki 2 je predstavljena konstrukcija obravnavane nihajne vilice, ki je izdelana iz aluminijevih zlitin. Poleg ekstrudiranih – standardnih profilov, konstrukcija nihajne vilice zajema tudi elemente, izdelane s tehnologijo litja.

Slika 2: Nihajne vilice – zgornji in stranski pogled varjene konstrukcije [4] 3. EKSPERIMENTALNI DEL Obravnavana nihajka je izdelana na osnovi nihajke, ki je izdelana iz jekla za tip motorja TOMOS MC50. Na zadnjo nihajko delujejo razli�ne obremenitve katere ne smejo povzro�iti plasti�ne deformacije komponente. Te sile se morajo iz nihajke prenesti na okvir preko vpenjalne osi in amortizerja. Najve�ja sila na zadnjem kolesu nastopi, pri skoku in sicer ob pristanku na zadnje kolo v klanec. Nihajka mora prenesti to obremenitev, pri tem pa ne sme utrpeti plasti�nih deformacij. Na sliki 3 so prikazane sile, ki delujejo na zadnjo nihajno vilico. Model zadnje nihajke je podprt v vpenjalni puši torej tam tam, kjer je nihajka vpeta v okvir motorja. Amortizer je simuliran s togim vpetjem v X-Y osi in drsnikom okoli Z osi.

Slika 3: Prikaz delujo�ih sil na n ihajko [5] 3.1 Napetostno deformacijska analiza aluminijaste zadnje nihajke motocikla Z definiranjem lastnosti materiala in dolo�itvijo robnih pogojev komponente smo s pomo�jo ra�unalniškega programa CATIA V5 R14 izdelali teoreti�no simulacijo in analizo

Sila, ki deluje v podpori – amortizerju FP

Delovanje sile, ki obremenjuje nihajko; F1 in F2

To�ka vpetja nihajke v okvir

��

��

obremenitvenih stanj izdelka ter analizo trdnostnih napetosti ter deformacij, ki so posledica obremenitev. Za obravnavano komponento motocikla so podatki zbrani v Tabeli 1. Tabela 1: Podatki za obravnavani element.

Material Aluminij AlMgSi1 Modul elasti�nosti E 70000 Mpa Poissonov koeficient (n) 0,346 Temperaturna razteznost (T ) 2.38 10-5 K-1 Gostota () 2710 kg/m3 Natezna trdnost Rm 245 N/mm2 Meja plasti�nosti Rp0,2 195 N/mm2 Trdota HB 75

Robni pogoji so postavljeni po naslednjih smernicah:

• zadnja nihajka je podprta v osi preko drsnega elementa, ki omogo�a vrtenja; • os je togo vpeta; • v horizontalni smeri je nihajka omejena tako, da pomik v osni smeri ni mogo�.

Pri analizi po metodi kon�nih elementov smo upoštevali naslednje predpostavke: • linearno obnašanje materiala; • homogene materialne lastnosti; • izotropnost materiala.

V sklopu analize sta bili analizirani napetostno deformacijski stanji konstrukcije za dva obremenitvena primera in sicer:

• prvo obremenitveno stanje: Vertikalna sila F1 = 500 N (Normalna obremenitev na vpetju zadnjega kolesa). Predpostavka: celotna masa vozila je na zadnji osi v skrajni legi, kjer je ro�ica najve�ja.

• drugo obremenitveno stanje: Vertikalna sila F2 = 1600 N (Zahtevana obremenitev, pri kateri se ne smejo pojaviti trajne deformacije). 3.2 Rezultati napetostno deformacijske analize Pri predpisani sili 500 N, ko je motor brez obremenitve dobimo pri�akovane rezultate simulacije. Pomiki in napetosti v sami nihajke so majhne. To je tudi razvidno iz rezultatov FEM analize za prvo obremenitveno stanje po sliki 4.

Slika 4: a) Primerjava deformirane in nedeformirane niha jke

b) Deformirana oblika nihajke z vrednostjo pomikov

a b

��

��

Iz FEM analize za drugo obremenitveno stanje je na sliki 5 razvidno, da se pojavijo nekoliko ve�je napetosti v dveh to�kah. Ta napetost pa je še vedno manjša od dopustne napetosti tega materiala. Za zmanjšanje teh napetosti bi bilo potrebno na teh mestih pove�ati debelino stene profila oziroma dodati oja�itev.

Slika 5: a) Primerjava deformirane in nedeformirane niha jke

b) Deformirana oblika nihajke z vrednostjo pomikov 3.3 Stati�ni preizkus aluminijaste nihajke motocikla Namen stati�nega preizkusa na nihajki motocikla je ugotavljanje funkcionalnih lastnosti in deformacij, ki nastanejo pri obremenjevanju izdelka. Z izvajanjem preizkusov na prototipnih izdelkih smo ugotavljali primerljivost teoreti�no dobljenih rezultatov z dejanskimi vrednostmi rezultatov. Stati�ni preizkus nihajke motocikla je namenjen tudi ugotavljanju pomikov, trdnosti in obnašanju materiala izdelka. Pri mehanskih preizkusih obremenjujemo material s silami na razli�ne na�ine in se jih pri tem deformira ali celo poruši. Iz obnašanja materiala med preizkušanjem in iz izmerjenih podatkov smo ugotavljali in vrednotili posamezne lastnosti. Na rezultate preizkusov vplivajo razmere pri preizkušanju, zato so preizkusi poenoteni. Zagotoviti je bilo potrebno vedno enake preizkuševalne razmere, tako da je mogo�e dobljene rezultate med seboj ponovno primerjati in jih logi�no povezati medsebojno. Iz vzorca materiala, ki se ga preizkuša se ponavadi izdela posebno obdelane preizkušance, katerih oblika je prirejena posameznim vrstam preizkušanja. Vpetje nihajke motornega dvokolesa shemati�no prikazuje slika 6 in sicer:

• drsno vpetje nihajke na vpenjalni puši (tako de je možno obra�anje) • fiksno vpetje nihajke na mestu vpetja amortizerja • minimalna obremenitev F1 = 500 N • maksimalna obremenitev F2 = 1600 N.

a b

��

��

Slika 6: Vpetje nihajke in delovanja sile na n ihajko Preizkuševališ�e stati�nega preizkusa prikazuje slika 7. Merilna veriga preizkuševališ�a je sestavljena iz:

• Pnevmatski valj Festo 60 -10 • Doza z merilnimi listi�i HBM U1VZ 10kN • Ra�unalniški sistem DAQ in programsko okolje LabVIEW 7.1 - National Instruments • Senzor pomika – ekstenziometer SCHENCK 70/20N • Induktivna merilna zaznavala – Marh • Mosti�ni oja�evalnik – Marh Tip 1802

Slika 7: a) Preizkuševališ�e stati�nega preizkusa b) Induktivni senzorji pomika uporabljeni pri preizkusu c) Merilna urica za kontrolo pomikov

Vrtljivo vpetje nihajke motocikla je na vpenjalni puši φ 23 mm. Obremenitev je delovala 453 mm stran od osi vrtljivega vpetja, togo vpetje pa je bilo izvedeno na mestu za vpetje amortizerja in je 141 mm od osi vrtljivega vpetja nihajke. Obremenjevanje smo pri�eli pri sili 400 N in ga pove�evali vse do maksimalne sile, ki je znašala 1600 N na mestu vpetja kolesa. Miza za izvajanje stati�nih preizkusov se nahaja na togem betonskem temelju, ki je lo�en od

Pnevmatska valja Festo 60 -

Ekstenziometer SCHENCK 70/20N

Doza z merilnimi listi�i HBM U1VZ 10kN

Mosti�ni oja�evalec

a

b

c

��

��

temeljev stavbe, tako da se vibracije ne prenašajo na stavbo in da je vpliv okolice �im manjši. Pri vpetju preizkušanca se poskušamo �im bolj približati dejanskemu stanju vpetja pri njegovem delovanju. Podatke zajemamo preko digitalne kartice USB 9016 proizvajalca National Instruments. Zajete podatke prikazujemo v diagramu sila/pomik, ki se nam sprotno izrisuje med izvajanjem preizkusa. Stati�ni preizkus je bil izveden s pomo�jo senzorja sile na prijemališ�u amortizerja na nihajno vilico in ekstenziometra, ki meri pomike nihajne vilice na koncu desne nihajne vilice - pri vpetju zadnjega kolesa, kjer so predvidene najve�je deformacije. Na sliki 8 ter v tabeli 2 so predstavljeni rezultati meritev stati�nega preizkusa nihajke. Sila se pove�uje približno po 400 N s pove�evanjem tlaka na oba cilindra hkrati z namenom ugotavljanja plasti�ne deformacije. Slika 8: Deformacija nihajne vilice ob pove�evanju obremenitve na vpetju kolesa Tabela 2: Rezultati stati�nega preizkusa

Sila F (N)

Sila v podpori F (N)

Elasti�na deformacija ∆l (mm)

Plasti�na deformacija

∆l (mm) 400 1280 0,75 0 500 1600 0,95 0 700 2250 1,4 0 1000 2250 2,1 0 1500 4815 3,2 0 1600 5130 3,35 0 2000 6420 4,2 0 2500 8025 5 0 2770 8900 6 0,3

Nihajna vilica vozila se ob stati�ni obrementevi 1600 N na vpetju kolesa, v predvideni to�ki najve�je deformacije povesi za 3,35 mm. Ob tem se ne pojavi plasti�na deformacija. Pri stati�nem preizkusu nihajke motocikla ugotovimo, da je nihajka pri obremenitvi 1600 N na mestu vpetja kolesa še vedno v podro�ju plasti�ne deformacije in je še vedno uporabna. 4. ZAKLJU�EK Pri analiziranju rezultatov metode kon�nih elementov in stati�nega preizkusa smo ugotovili, da so za primer aluminijaste nihajke motocikla rezultati medsebojno primerljivi. S prvim obremenitvenim poskusom pri katerem je razvidno s primerjavo prvega obremenitvenega

Deformacija osi vpetja Deformacija v podpori - amortizerju Deformacija na prijemališ�u sile Deformacija na koncu nihajke

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

8500

9000

9500

10000

-1 -0, 5 0 0, 5 1 1, 5 2 2 ,5 3 3, 5 4 4,5 5 5, 5 6 6, 5 7 7 ,5 8

Ded orm.uše sa ni ha jk e De fo rm.osi vpe tj a Deform. Na kon cu ni h. De fo rm. Ni ha jke

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 mm Deformacija l

10000

9000

8000

7000

6000

5000

4000

3000

2000

1000

Rea

kcijs

ka s

ila F

1; F

2

��

��

primera pri sili 500 N je pomik dobljen z FEM analizo 0,94 mm, pri stati�nem preizkusu za primer 500 N se v podpori pojavi sila 1605 N in povzro�i pomiki med ( 0,9 mm – 1 mm). Za drugi obremenitveni primer 1600 N pa je dobljeni pomik z analizo FEM 3,1 mm, pri stati�nem preizkusu pa je izmerjeni pomik (3,25 mm - 3,35 mm) sila v podpori za drugi obremenitveni primer pa je znašala 5136 N. Razlika pri rezultatih pomika je predvsem zaradi ne dovolj togega preizkuševališ�a. Doza za merjenje sile je vpeta na mestu vpetja amortizerja z vijakom, prav tako nihajka ni vpeta povsem togo na preizkuševališ�e med vpenjalno pušo in vijakom za vpenjanje. Iz FEM analize ugotovimo, da je izdelek trdnostno dovolj mo�en, ker so notranje napetosti majhne in znotraj dopustnih meja. To tezo potrdi še stati�ni preizkus pri katerem ne pride do plasti�ne deformacije preizkušanca znotraj predpisanih obremenitev. LITERATURA 1. Mathers G., The Aluminium and its alloys, Woodhead Publishing Limited, Cambridge

England, 2002, pp.69-115L. 2. Bergman H.W.: Current Status of Laser Surface Melting of Cast Iron, Surface

Engineering, 1,2 (1985) 137-155. 3. Leijun L., Failure Analysis of Aluminium Alloy Swing Arm Welded Joints, Journal of

Failure Analysis and Prevention, Volume 4(3), June 2004, pp.52-57 4. Slavko B., Dispozicija projekta: Tehnologija varjenja komponent iz aluminija in

aluminijevih zlitin na programu motornih dvokoles, Tomos, 2003. 5. Miha S., Konstrukcija zadnje nihajke motocikla, diplomska naloga, FS, Ljubljana.

��

��

��

��

Ponašanje zavarenog spoja visokolegiranog �elika X20 u uslovima delovanja promenljivog optere�enja

Zijah Burzi�1, Vencislav Grabulov2, Dženana Ga�o3, Meri Burzi�4

1Vojnotehni�ki institut, Ratka Resanovi�a 1, 11000 Beograd, Srbija

2Institut za ispitivanje materijala - Institut IMS, Bulevar vojvode Miši�a 43, 11000 Beograd, Srbija 3Tehni�ki fakultet, Univerzitet u Biha�u, Dr Irfana Ljubijanki�a b.b., Biha�, Bosna i Hercegovina 4Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu, Kraljice Marije , 11000 Beograd, Srbija

Rezime:

Eksperimentalna istraživanja u ovome radu su obuhvatila uticaj eksploatacionih uslova (vremena eksploatacije i temperature) na karakteristike visokocikli�nog zamora osnovnog materijala i zavarenog spoja �elika X20 CrMoV 12 1 (u daljem tekstu X20). Uticaj eksploatacionih uslova je analiziran ispitivanjem novog materijala i materijala koji je bio u eksploataciji 116000 sati. Dobijeni rezultati ispitivanja i njihova analiza predstavljaju prakti�an doprinos oceni kvaliteta osnovnog materijala i zavarenog spoja �elika X20, a sve u cilju revitalizacije i produženja radnog veka vitalnih termoenergetskih postrojenja izra�enih od visokolegiranih �elika za rad na povišenim temperaturama. 1. UVOD Pojedine komponente procesne opreme u termoenergetskim postrojenjima koje rade u uslovima povišenih temperatura predstavljaju kriti�na mesta zbog eksploatacionih uslova, budu�i da se koriste ve� toliko dugo da su pojedine komponente u upotrebi duže od projektovanog radnog veka. Eventualni otkaz na ovim komponentama predstavljao bi opasnost ne samo po ljude i rad postrojenja ve� i po sredinu koja ih okružuje [1]. Uobi�ajeni eksploatacioni vek procesne opreme u termoenergetskim postrojenjima koje rade u uslovima povišenih temperatura iznosi do 30 godina, odnosno 150000 radnih �asova. Ekonomski interesi su uticali na produženje projektovanog perioda, jer je eksploatacioni vek velikog broja komponenti elektrana naj�eš�e duži od projektovanog što ukazuje na konzervativizam u projektovanju. Zbog toga je porastao zna�aj produženja radnog veka i revitalizacije komponenti termoenergetskih postrojenja, kao na�ina da se starije elektrane zadrže u pogonu 40-50 godina, pa i duže. Preliminarne studije [2-4] pokazuju da cena revitalizacije tipi�nih termoenergetskih postrojenja može biti 20 do 30% cene izgradnje nove termoelektrane. Pra�enje i kontrola osobina konstrukcionih materijala visokotemperaturski optere�enih delova, izloženih i visokom pritisku u koroziono aktivnim sredinama, predstavlja osnovni pokazatelj pouzdanosti njihovog rada. Najzna�ajnija i najobimnija kontrola �ija je svrha utvr�ivanje stanja metala u drugoj polovini preostalog radnog veka izvodi se po isteku 60% radnog veka komponenti, jer se verovatno�a pojave prslina koje mogu da rastu do loma brzo pove�ava posle te granice. Stoga je od zna�aja procena preostalog veka komponente i preostalog radnog veka postrojenja [1]. Jedan od naj�eš�e koriš�enih �elika za rad na povišenim temperaturama i visokim pritiscima, a ujedno i otporan na koroziju je �elik oznake X20 CrMoV 12-1 (u daljem tekstu: X20),

��

��

prevashodno namenjen za parovode i cevovode u termoelektranama zbog dobre �vrsto�e i žilavosti, na povišenim temperaturama. Uticaj eksploatacionih uslova (vremena eksploatacije i temperature) na zatezne osobine, kao i na karakteristike visokocikli�nog zamora osnovnog materijala (OM) i zavarenog spoja visokolegiranog �elika X20 je analiziran ispitivanjem nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Ispitivanja nove i eksploatisane cevi od �elika X20 obuhvatilo je odre�ivanje zateznih osobina, kao i trajne zamorne �vrsto�e i konstruisanje Velerove krive na sobnoj (20°C), radnoj (545°C) i maksimalnoj (570°C) radnoj temperaturi. Dobijeni rezultati ispitivanja i njihova analiza treba da daju prakti�an doprinos oceni kvaliteta OM i zavarenog spoja �elika X20, a sve u cilju revitalizacije i produženja radnog veka vitalnih termoenergetskih postrojenja izra�enih od visokolegiranih �elika za radna povišenim temperaturama [5]. 2. EKSPERIMENT 2.1 Materijal Za analizu uticaja temperature i vremena eksploatacije na zatezne osobine i karakteristike visokocikli�nog zamora OM i zavarenog spoja visokolegiranog �elika X20 na raspolaganju smo imali uzorak nove zavarene cevi koja nije bila u eksploataciji (Uzorak-N) dimenzija ∅ 450x50mm i dužine caa. 400mm, i uzorak zavarene cevi (Uzorak-S) dimenzija ∅ 450x50mm i dužine oko 500mm, uzorkovane sa parovoda sveže pare termoelektrane, i koji je bio u eksploataciji oko 116000 sati. Hemijski sastav uzoraka nove i eksploatisane cevi ra�en je na kvantometru JOEL na posebno pripremljenim plo�icama dimenzija 40x40x10 mm. Rezultati odre�ivanja hemijskog sastava dostavljenih uzoraka dati su tab. 1. Tabela 1: Hemijski sastav ispitanih uzoraka cijevi [5]

Šarža % mas. C Si Mn P S Cr Mo Ni V

Uzorak - N 0,21 0,27 0,563 0,017 0,006 11,70 1,019 0,601 0,310 Uzorak - S 0,22 0,31 0,539 0.019 0,005 11,36 1,033 0,551 0,314

2.2 Dodatni materijal Ru�no elektrolu�no zavarivanje (E postupak) obloženim elektrodama je osnovni postupak zavarivanja pri montaži �elika X20, s tim što se u ve�ini slu�ajeva zahteva da se koreni prolaz i dva do tri naredna prolaza izvedu zavarivanjem netopivom elektrodom u zaštiti argona (TIG). Prema DIN 8575 za �elik X20 je preporu�ena žica CM2-1G (stara oznaka SG CrMoWV 1-2) pre�nika ∅ 3,2 mm i elektroda FOX20MVW (stara oznaka EKb CrMoWV 12-26) pre�nika ∅ 4 mm. Hemijski sastav koriš�ene žice i elektrode je dat u tab. 2, a osnovne mehani�ke osobine u tab. 3. Protok zaštitnog gasa argona za TIG zavarivanje treba da bude 8 do 12 l/min (u konkretnom slu�aju 10 l/min.), a njegova �isto�a 99,99% za zavarivanje �elika X20. Tabela 2: Hemijski sastav dodatnog materijala za zavarivanje [5]

Dodatni % mas. materijal C Si Mn P S Cr Mo Ni V

��

��

CM2-1G 0,19 0,35 0,69 0,011 0,005 10,43 0,94 0,60 0,27 FOX20MVW 0,20 0,39 0,77 0.014 0,005 10,75 0,88 0,55 0,29

Tabela 3: Mehani�ka svojstva dodatnog materijala [5]

Dodatni materijal

Napon te�enja, MPa

Zatezna �vrsto�a, MPa

Izduženje A, %

Energija udara, J 20°C 545°C 570°C

CM2-1G > 510 580 – 710 >14 > 47 > 47 FOX20MVW > 510 560 –630 22 - 30 > 47

2.3 Tehnologija zavarivanja �elika X20 Oblik žljeba za pripremu zavarivanja je izabran u odnosu na pre�nik i debljinu zida cevi u skladu sa odgovaraju�im standardima. Na sl. 1. data je shema pripreme žljeba, kao i sam redosled izvo�enja zavarivanja prema proceduri MANNESMANN [6].

Slika 1: Priprema žljeba i redoslijed izvo�enja zavarivanja [6] Prije privarivanja (pripajanja) cevi su dovedene u saosan položaj, pri �emu je vo�eno ra�una o zazoru u korijenu, koji treba da iznosi 1 do 2,5 mm, u zavisnosti od dimenzija dodatnog materijala, i koji je u konkretnom slu�aju iznosio 2 mm. Broj pripoja mora biti takav da obezbe�uje ispravan položaj cevi. Kako je u pitanju cev vanjskog pre�nika iznad 150 mm i debljine zida iznad 10 mm, pripajanje se vrši pomo�u 3 do 4 mosti�a, koji se izbruse posle izvo�enja korenog prolaza. Izuzetno je važno da se prilikom izvo�enja pripoja ne unesu dodatni naponi u zavareni spoj, zbog �ega se predvi�a oslanjanje krajeva cevi. Temperatura predgrevanja �elika X 20 za zavarivanje TIG postupkom (koreni prolaz i nekoliko prvih prolaza, naj�eš�e do �etiri) je 225 do 250°C. Širina zone koja se predgreva treba da bude jednaka trostrukoj debljini zida cevi, ali ne sme da bude manja od 100 mm. Temperatura predgrevanja se mora održavati tokom �itavog procesa zavarivanja. Brzina zagrevanja do dostizanja temperature predgrevanja treba da bude umerena, i u konkretnom

��

��

slu�aju iznosi do 10°C/min. Za cevi vanjskog pre�nika iznad 108 mm i debljine zida ve�e od 16 mm zahteva se elektrootporno ili elektroindukcijsko zagrevanje, dok se manje cevi mogu zagrevati i plamenom gasa. Kojeni prolaz se po pravilu izvodi TIG postupkom. Da bi se izbeglo stvaranje karbida volframa u zavaru preporu�uje se upotreba TIG aparata sa visokofrekventnim ure�ajem, što obezbe�uje uspostavljanje elektri�nog luka izme�u volframove elektrode i osnovnog materijala bez dodira. Strujanje zaštitnog gasa mora da bude mirno da ne bi došlo do duvanja luka, a treba da traje nekoliko sekundi posle završenog zavarivanja da bi se istopljeni metal šava ohladio u zaštitnoj atmosferi. Za �elike sa sadržajem Cr iznad 1,25% (u koju spada i �elik X20) obavezna je zaštita korenog prolaza sa unutrašnje strane (sl. 2).

Slika 2: Zaštita pri TIG zavarivanju korenog prolaza cevi od �elika X20 [5] Odmah posle završenog nanošenja korenog prolaza i �etiri naredna prolaza, pristupilo se popuni žleba E postupkom, sa preporu�enom bazi�nom obloženom elektrodom, koja se vezuje na "+" pol izvora struje. Ja�ina struje se bira iz kataloga proizvo�a�a elektrode prema tipu i pre�niku elektrode. Posebnu pažnju treba posvetiti uspostavljanju i prekidanju luka. Luk treba uspostaviti dodirom elektrode i osnovnog materijala u žlebu. Po�etak narednog sloja treba da bude bar za 20 do 30 mm preklopljen na završenom prethodnom sloju. Za zavarivanje cevi pre�nika iznad 219 mm preporu�uje se rad dva zavariva�a (sl. 1.). Svaki zavar mora biti ozna�en žigom zavariva�a. Termi�ka obrada radi otklanjanja zaostalih napona je ura�ena pod stru�nim nadzorom tehnologa za zavarivanje, neposredno nakon završenog zavarivanja. Na�elno, termi�ka obrada za �elik X20 se obavlja na 720 - 780°C, sa brzinom zagrevanja do 220°C/h i brzinom hla�enja do 150°C/h. Vreme zadržavanja na temperaturi termi�ke obrade je 5 min/1 mm debljine zida, a najmanje 2 �asa. Širina zone termi�ke obrade je najmanje jednaka trostrukoj debljini zida cevi, ali nikako ispod 100 mm. Hla�enje se izvodi propisanom brzinom do temperature 300°C, a zatim se zavareni spoj hladi na mirnom vazduhu. Zavareni spoj �elika X20 se posle zavarivanja mora držati jedan �as na temperaturi 120 - 150°C 2.3 Ispitivanja Uticaj temperature i vremena eksploatacije na ponašanje OM i zavarenog spoja �elika X20 u uslovima delovanja stati�kog i promenljivog optere�enja je ra�eno na epruvetama izva�enim iz uzorka nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Ova ispitivanja su ra�ena sa ciljem da se odrede zatezne osobine, kao i ta�ke u S-N dijagramu (konstruisanja Velerove krive) i da se odredi trajna dinami�ka �vrsto�a Sf. Postupak ispitivanja, kao i epruvete za ispitivanje definisane su prema standardu ASTM E8 [7] za zatezna ispitivanja, i ASTM E466 [8] za dinami�ka ispitivanja. Za razliku od ispitivanja na sobnoj temperaturi, postupak ispitivanja

��

��

na povišenim temperaturama od 545°C i 570°C kao i geometrija epruveta su definisani standardom ASTM E1475-00 [9]. Ispitivanja epruveta za zatezanje izva�enih iz uzorka nove cevi i cevi iz eksploatacije su ra�ena na elektromehani�koj kidalici u kontroli deformacije. Brzina uvo�enja optere�enja je bila 5 mm/min. Izduženje je registrovano pomo�u dvostrukog ekstenzometra, i induktivnog dava�a. Dinami�ka ispitivanja su ra�ena na visokofrekventnom pulzatoru. Visokofrekventni pulzator može da ostvari s inusoidalno naizmeni�no promenljivo optere�enje u opsegu od -100 kN do +100 kN. Srednje optere�enje i amplituda optere�enja je registrovana sa ta�noš�u ±50N. Ostvarena u�estanost se kretala od 110-170 Hz, u zavisnosti od veli�ine optere�enja i ispitivane temperature. Imaju�i u vidu eksploatacione uslove rada kriti�nih komponenti termoenergetskuh postrojenja ura�enih od visokolegiranog �elika X20, ra�en je najkriti�niji slu�aj delovanja promenljivog optere�enja, i to naizmjeni�no promenjivo optere�enje zatezanje - pritisak (R = -1). Pri ovom ispitivanju se po pravilu samo utvr�uje broj promena optere�enja do loma pri dejstvu optere�enja konstantnog raspona, i standardom se zahteva samo podatak o veli�ini napona pri kojoj ne dolazi do loma posle odre�enog broja ciklusa (obi�no izme�u 106 i 108 ciklusa). Za �eli�ne materijale standard ASTM E466 definiše trajnu dinami�ku �vrsto�u, Sf, posle 107 ciklusa. Zbog toga je ovo ispitivanje izuzetno skupo i opravdano kada su potrebni podaci za projektovanje, prvenstveno sa aspekta zamora i mehanike loma; zna�i kada se projektuju delovi izloženi dugotrajnom promenljivom optere�enju u ukupnom projektnom veku konstrukcije. 3. REZULTATI I DISKUSIJA 3.1 Zatezna ispitivanja Ispitivanjem epruveta zavarenog spoja, smo dobili neophodne podatke kako izabrana tehnologija zavarivanja uti�e na �vrsto�u zavarenog spoja, kao i komponente zavarenog spoja. Dobijeni rezultati ispitivanja, tab. 4, ukazuju da i kod uzoraka zavarenog spoja nove cevi i eksploatisane cevi, izabrana tehnologija zavarivanja nema zna�ajnijeg uticaja na �vrsto�u zavarenog spoja. Sve ispitivane epruvete, su polomljene u OM, što jasno ukazuje na karakter zavarenog spoja. U pitanju je "over-matching" što zna�i da je �vrsto�a MŠ viša od �vrsto�e OM. Rezultati popre�nog zatezanja epruveta zavarenog spoja izva�enih iz nove i eksploatisane cevi ukazuju da sa pove�anjem temperature ispitivanja dolazi do smanjenja vrednosti napona te�enja i zatezne �vrsto�e, a pove�anja izduženja, što se vidi iz tab. 4. Tabela 4: Rezultati zateznih ispitivanja epruveta zavarenog spoja [5]

Oznaka uzorka

Temperatura ispitivanja, °°°°C

Napon te�enja Rp0,2, MPa

Zatezna �vrsto�a Rm, MPa

Izduženje* A, %

Mjesto loma

Nova cev ZS - 1N 20 518 725 11.6 OM ZS - 2N 545 217 294 14.6 OM ZS - 3N 570 185 241 15.5 OM

Cev iz eksploatacije ZS - 1S 20 472 691 12.4 OM ZS - 2S 545 210 268 14.2 OM ZS - 3S 570 163 201 15.3 OM

��

��

* izmereno na L0 = 80 mm, kao uporedna veli�ina (ne kao svojstvo materijala). Ono što je interesantno, a što je karakteristi�no za ova ispitivanja je relativno nisko izduženje, odnosno mala plasti�nost OM u zoni oko zavarenog spoja. Pad izduženja je najverovatnije posledica deformisanja tri razli�ita materijala. Naime, osnovni princip pri projektovanju zavarenih konstrukcija je da �vrsto�a MŠ bude ve�a od �vrsto�e OM. Kako svaka konstitutivna faza predstavlja razli�iti materijal do te�enja MŠ dolazi tek kada OM oja�a do nivoa napona te�enja MŠ. Kada optere�enje dostigne nivo da treba da do�e do plasti�ne deformisanosti najslabije konstitutivne faze, a to je u ovom slu�aju OM, dolazi do pojave nelinearnosti, koja je izražena u dosta blažoj formi nego kod epruveta OM, zbog toga što nastavak elasti�ne deformisanosti MŠ i ZUT, spre�ava nagli rast plasti�ne deformisanosti OM [9]. Plasti�na deformisanost OM se odvija postepeno, ve�i je nagib krive u zoni po�etka plasti�ne deformisanosti, brže se dostiže maksimalna sila, odnosno udio homogene deformisanosti je dosta manji nego kod epruveta OM. Analiziraju�i dobijene rezultate ispitivanja zatezanjem na sobnoj temperaturi epruveta izva�enih iz uzorka nove i eksploatisane cevi od �elika X20 datih u tab. 5, može se konstatovati da su rezultati ispitivanja novog materijala u granicama standardom propisanih vrednosti za taj materijal, odnosno vrednosti koje je dao proizvo�a� u atestnoj dokumentaciji. Ova konstatacija ne važi za epruvete izva�ene iz eksploatisanog materijala. Naime, dobijene vrednosti napona te�enja ne zadovoljavaju standardom propisane vrednosti, dok su vrednosti zatezne �vrsto�e na samoj granici zadovoljavaju�ih. Tabela 5: Rezultati zateznih ispitivanja epruveta osnovnog metala [5]

Oznaka uzorka

Temperatura ispitivanja, °°°°C

Napon te�enja Rp0,2, MPa

Zatezna �vrsto�a Rm, MPa

Izduženje A, %

Nova cev OM - 1 - 1N 20 516 738 17.9 OM - 2 - 1N 545 234 305 19.2 OM - 3 - 1N 570 198 254 22.2

Cev iz eksploatacije OM - 1 - 1S 20 471 709 16.4 OM - 2 - 1S 545 217 269 18.9 OM - 3 - 1S 570 182 227 20,7

Dobijeni rezultati zatezanja novog i eksploatisanog OM tako�e ukazuju da sa pove�anjem temperature ispitivanja dolazi do smanjenja vrednosti napona te�enja i zatezne �vrsto�e, a pove�anja izduženja, što se vidi iz tab. 5. Odnos zatezne �vrsto�e Rm i napona te�enja Rp0,2 kod novog osnovnog materijala �elika X20 se kretao od 1,40 za ispitivanja na sobnoj temperaturi do 1,28 za ispitivanja na temperaturi od 570°C. Kod koriš�enog osnovnog materijala �elika X20 taj odnos je na sobnoj temperaturi još ve�i i iznosi oko 1,50 dok se na temperaturi ispitivanja od 570°C smanjuje i iznosi oko 1,20. Evidentno je da eksploatacioni period od približno 116000 sati više uti�e na vrednosti zatezne �vrsto�e nego na vrednosti napona te�enja što su potvrdili i drugi autori [10]. 3.2 Dinami�ka ispitivanja Zamor metala je definisan kao proces zbirnog ošte�enja pod dejstvom promenljivog optere�enja, a koji se iskazuje pojavom zamorne prsline i loma. Zamorna �vrsto�a zavarenih

��

��

spojeva odre�uje se ispitivanjem epruveta ili modela pri promenljivom optere�enju do pojave prsline ili loma. U slu�aju parovoda od posebnog su zna�aja ispitivanja visokocikli�nog, malocikli�nog (niskocikli�nog) zamora i termi�kog zamora. �vrsto�a zavarenog spoja pri promenljivim optere�enjima, kakva se javljaju u nestacioniranim režimima rada parovoda u periodu startovanja i zaustavljanja (sl. 3) je važna karakteristika veka. Pri tom treba imati u vidu da do ošte�enja u vidu prslina dolazi posle velikog broja promena optere�enja pri naponima nižim od napona te�enja (visokocikli�ni zamor), ili posle relativno malog broja promena optere�enja (do 50000), pri naponima koji su bliski naponu te�enja (niskocikli�ni zamor). Zbog obimnosti eksperimenta, posebno je interesantan visokocikli�ni zamor, koji je i bio predmet eksperimentalnih istraživanja.

Slika 3: Tipske šeme naprezanja glavnih parovoda termoelektrane:

I-start; II-stacionarni režim; III-zaustavljanje; IV- mirovanje. Pri nivou optere�enja nižim od napona te�enja, karakteristi�nom za visokocikli�ni zamor, naj�eš�e se ispitivanje izvodi u krutom režimu, odnosno pri zadatoj amplitudi napona Sa, MPa. Najbolje je da ciklus optere�enja simulira uslove rada konstrukcije, ali se prakti�no koriste uproš�eni oblici ciklusa optere�enja (naj�eš�e naizmeni�no promenljivi). Jasno je da �vrsto�a pri visokocikli�nom zamoru zavisi od osobina konstituenata zavarenog spoja. Zbog toga su potrebni podaci za OM i MŠ, ali i za ZUT, što ispitivanje zavarenih spojeva u visokocikli�nom zamoru �ini složenim i skupim. S obzirom na to, opravdano je i laboratorijsko ispitivanje realnih konstrukcijskih oblika ili modela, ali jedan od zna�ajnih faktora je radna temperatura. Pri tom treba imati u vidu da se karakteristike visokocikli�nog zamora znatno menjaju tek na temperaturama preko 450°C za �elik za parovode X20 i za njihove zavarene spojeve, te ova ispitivanja �ini opravdanim tek za radne temperature, koje za �elik X20 iznose od 545°C do blizo 600°C [10, 11]. Uticaj vremena eksploatacije i temperature na ponašanje osnovnog materijala i zavarenog spoja �elika X20 u uslovima delovanja promjenljivog optere�enja je ra�eno na epruvetama izva�enim iz uzorka nove cevi i cevi koja je bila u eksploataciji 116000 sati. Uticaj ovih parametara na vrednosti trajne dinami�ke �vrsto�e Sf, odnosno maksimalnog dinami�kog napona pri kojem ne dolazi do inicijacije prsline kod glatkih konstrukcijskih oblika, je prikazana grafi�ki u obliku Velerovih krivih (S-N dijagrami) na sl. 4 za OM nove cevi i sl. 5 za OM cevi iz eksploatacije. Ponašanje zavarenog spoja u zavisnosti od vremena eksploatacije i temperature je prikazano tako�e grafi�ki u obliku Velerovih krivih za zavareni spoj nove cevi na sl. 6, i za zavareni spoj cevi iz eksploatacije na sl. 7.

��

��

104 105 106 107 108

0

100

200

300

400

500

600OM - Nova cev 20oC

545oC

570oC

N a

p o

n,

S max

., M

Pa

Broj ciklusa, N 104 105 106 107 108

0

100

200

300

400

500

600OM - Cev iz eksploatacije 20oC

545oC

570oC

N a

p o

n, S

max

., M

Pa

Broj ciklusa, N Slika 4: S-N dijagram epruveta OM nove

cevi od �elika X20 [5] Slika 5: S-N dijagram epruveta OM cevi iz

eksploatacije od �elika X20 [5]

104 105 106 107 108

0

100

200

300

400

500

600ZS - Nova cev 20 oC

545 oC

570 oC

N a

p o

n, S

max

., M

Pa

Broj ciklusa, N 104 105 106 107 108

0

100

200

300

400

500

600

ZS - Cev iz eksploatacije 20oC

545oC

570oC

N a

p o n

, S m

ax.,

MPa

Broj ciklusa, N Slika 6: S-N dijagram epruveta zavarenog spoja uzorka nove cevi od �elika X20 [5]

Slika 7: S-N dijagram epruveta zavarenog spoja cevi iz eksploatacije od �elika X20 [5]

Analiziraju�i Velerove krive, dobijene ispitivanjem OM i zavarenog spoja epruveta nove cevi i cevi iz eksploatacije, sl. 4 do 7, vidimo da vreme eksploatacije i temperatura ispitivanja zna�ajno uti�u na dobijene vrednosti trajne dinami�ke �vrsto�e. Sa pove�anjem temperature ispitvanja dolazi do pada vrednosti trajne dinami�ke �vrsto�e, Sf . Eksploatacioni period od 116000 sati doveo je do smanjenja vrednosti trajne dinami�ke �vrsto�e kod epruveta OM za oko 25%, što može da bude veoma zna�ajan podatak ako se znaju uslovi rada parovoda. U zavisnosti od temperature ispitivanja kod novog materijala imamo da nam je na sobnoj temperaturi dobijena vrednost trajne dinami�ke �vrsto�e 79% vrednosti napona te�enja, a kod eksploatisanog 71%. Kod ispitivanja na radnoj temperaturi od 545°C dobijena je vrednost za novi materijal od 65%, a za eksploatisani 55% napona te�enja, dok je kod maksimalne radne temperature vrednost trajne dinami�ke �vrsto�e 64%, a za eksploatisani materijal 53% od vrednosti napona te�enja na toj temperaturi. 4. ZAKLJU�AK Na osnovu napred izloženog može se zaklju�iti da:

• Na osnovu dobijenih rezultata zateznih osobina epruveta izva�enih iz zavarenog spoja i OM �elika X20 na izabranim temperaturama, može se zaklju�iti da je kod oba materijala dobijeno smanjenje osobina �vrsto�e, napona te�enja i zatezne �vrsto�e sa porastom temeperature i vremena eksploatacije.

��

��

• Period eksploatacije (novi i eksploataisani materijal) uti�e na vrednosti trajne dinami�ke �vrsto�e, tako što nov materijal ima ve�u otpornost na inicijaciju prsline kod glatkih konstrukcijskih oblika. Vrednost trajne dinami�ke �vrsto�e opada sa rastom temperature ispitivanja.

LITERATURA 1. Sedmak, S., Pretrovski, B., Obezbe�enje kvalitetnih zavarenih spojeva i njihovog

pouzdanog rada na parovodima termoelektrana ZEP-a, Studija za potrebe Združene elektrorivrede Beograd, Ugovor br. 1093, TMF, 1988.

2. Project EPRI, The Grade 22 Low Alloy Steel Handbook, Electric Pover Research Institute (EPRI), EPRI Project Manager D. Gandy, Palo Alto, California, USA, 2005.

3. EC Project CRETE, Development and Harmonisation of Creep Crack Growth Testing for Industrial Specimens-A Root to a European Code of Practice, EC Project No. GRD2-2000-30021, 2001-2005.

4. EC Project Advanced Creep, WG1 on Guidelines and Procedures, European Creep Collaborative Committee (ECCC), European Technology Development (ETD) Ltd., EC Project No. G1RT-CT-2001-05042, 2001-2005.

5. Ga�o, Dž., PhD Thesis, University of Belgrade, Department of Mechanical Engineering, Serbia, 2007.

6. Brohl, F., Mesch, H., Welding of Alloyed Ferritic and Martensitic Steels in Piping Systems for High-temperature Service, Mannesmann, Düsseldorf, 1986.

7. ASTM E8-02, Standard Methods of Tension Testing of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 2002.

8. ASTM E466-95, Standard Practice for Conducting Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials, Annual Book of ASTM Standards, Vol. 03.01, 1995.

9. ASTM E 1475-00, "Standard Test Method for Measurement of Creep Crack Growth Rates in Metal", Annual Book of ASTM Standards Vol. 03.01, pp. 936-950, 2000.

10. Dogan, B., "High temperature defect assessment procedures", International Journal of Pressure Vessels and Piping, No. 80, 2003, p. 149.

11. Burzi�, M., PhD Thesis, University of Novi Sad, Department of Technical Faculty, Serbia, 2008.

��

��

��

��

Ali vibriranje vpliva na udarno žilavost zvara?

Bogdan Pu�ko

TÜV SÜD SAVA d.o.o., Cesta XIV. divizije 36, 2000 Maribor

Povzetek

Z vibriranjem po varjenju lahko dosežemo izboljšanje mikrostrukture zvara. Vplivamo lahko tudi na mehanske lastnosti, nivo zaostalih napetosti in deformacij. V �lanku so podani rezultati raziskav vpliva na udarno žilavost. V ta namen smo zavarili štiri enovarkovne vare. Vibrirano, žarjeno in kombinirano žarjeno-vibrirano stanje smo primerjali z osnovnim zavarjenim stanjem. Rezultate smo primerjali z izsledki raziskav ve�varkovnega vara. Vibriranje med varjenjem pove�a absorpcijsko energijo pri preskusu udarne žilavosti vara in izboljša tip preloma. 1. UVOD Vibriranje varjencev se uporablja za zmanjševanje zaostalih napetosti in vpliva na njihovo prerazporeditev. Na ta na�in zmanjšamo izkrivljanje konstrukcij, ki so posledica teh napetosti. Vibriramo lahko po varjenju (ang. VSR - vibratory stress reliving) [1, 2], ali pa med varjenjem (ang. VWC – vibratory weld conditioning) [3-6]. Redko se v literaturi poleg meritve zaostalih napetosti spremljajo tudi spremembe mehanskih lastnosti. V �lanku Prohazske idr. [7] je bila poleg zmanjšanja zaostalih napetosti z vibriranjem merjena tudi sprememba trdote, udarne žilavosti in natezne trdnosti. Vzorci so bili segreti na razli�ne temperature razli�no dolgo. Kot posledica vibriranja se je žilavost pove�ala. Podobne rezultate je dobil Kalna [8]. Prehodna temperatura žilavosti se je kot posledica vibriranja znižala za 20 °C. Zaradi manjše mobilnosti atomov pri sobni temperaturi vibriranje po varjenju povzro�a manj sprememb v mikrostrukturi kot vibriranje med varjenjem. Vpliv vibriranja med litjem [9, 10] je tem ve�ji, ve�ja je razlika v spremembi volumna staljenega in strjenega materiala. Pri litju aluminija se je z vibriranjem zmanjšala poroznost in pove�ala hitrost solidifikacije, s tem pa se je zmanjšalo zrno [11]. Razlago, da se pozitivni efekti vibriranja med varjenjem ne pokažejo vedno, raziskovalci najdejo v krajšem �asu ohlajanja v primerjavi z litjem [12, 13]. Obi�ajno ne opazijo sprememb v mikrostrukturi. Raziskovalci, ki razlike v velikosti zrn zvara opazijo [14-16], razlagajo, da so te spremembe posledica lomljenja dendritov pri solidifikaciji, kar se odraža poleg velikosti tudi na razli�ni usmerjenosti zrn. Vibriranje lahko vpliva tudi na oblikovanje tipa ferita v zvarih [17, 18]. Spremembe velikosti zrna so ve�je pri subresonan�nem vibriranju [14, 19]. Pri vibriranju pri povišani temperaturi imajo feritni kristali tendenco orientirati se v smeri napetosti [20]. Hebel [14] dokazuje, da se s subresonan�nim vibriranjem med varjenjem zaradi spremembe velikosti zrna spremenijo mehanske lastnosti. Vpliv vibriranja na žilavost je obravnavana v predhodnih �lankih [16, 21, 22].

��

��

2. PRESKUSI Izdelali smo štiri varilne ploš�e iz osnovnega materiala Niomol 490 K (P500Q; DIN EN 10028-6). Zvarni žleb je bil izrezkan v osnovno ploš�o dimenzij 25 x 200 x 1000 mm, 8 mm v globino s kotom odprtja 45°. Varili smo po EPP postopku z dodajnim materialom Filtub 128 (F 9 A 8-EC-G; AWS-SF A-5.23) in varilnim praškom FB TT (SA FB 1 55AC H5; EN 760). V tabeli 1 so podane oznake talonov. Preskušali smo udarno žilavost v sredini zvara. Po varjenju smo izdelali žilavostne epruvete nestandardnih velikosti 7 x 8 x 50 mm z ISO-V zarezo globine 2 mm. Prelomna površina je bila po sredini zvara, s smerjo širjenja v smeri dolžine zvara. Temperatura preskušanja je bila v intervalu od -60 °C do 20 °C. Dodatno so bili preskusi izvedeni na dveh ploš�ah enakih debelin s K zvarom in z ve�varkovnim varjenjem. Ena ploš�a je bila zavarjena s T.I.M.E. postopkom, druga po EPP postopku. V tem primeru je bilo možno izdelati žilavostne epruvete standardnih velikosti. Vari so bili metalografsko in fraktografsko pregledani. Tabela 1: Oznake zvarov in pogoji preskušanja

oznaka pogoji preskušanja 1 AW varjeno stanje 2 HT po varjenju segrevano na 500 °C 20 min 3 VWC vibrirano med varjenjem

4 VWC+HT vibrirano med varjenjem in po varjenju segrevano na 500 °C 20 min, vibrirano med žarjenjem

3. REZULTATI PRESKUSOV Izmerili smo udarno žilavost Charpy preskušancev v temperaturnem podro�ju od -60 do 20°C v koraku po 20°C. Tako smo dobili diagram spremembe udarne žilavosti v odvisnosti od temperature - žilavostno krivuljo. �eprav imajo praviloma žilavostne krivulje obliko funkcije arcus tangens, je v našem primeru regresijska polinomska krivulja drugega reda dovolj dobro opisala trend spremembe žilavosti za dano temperaturno podro�je. Na sliki 1 so prikazani rezultati udarne žilavosti v odvisnosti od temperature in pogojev preskušanja. Vsaka to�ka predstavlja posamezen preskus. Za vsako temperaturo so bili izvedeni trije preskusi. Za posamezen pogoj preskušanja je bila izra�unana regresijska krivulja. Preskuse udarne žilavosti smo izvedli po metodi t.i. instrumentiranega Charpy preskusa, kjer merimo silo v odvisnosti od �asa. Karakteristi�ne to�ke krivulje so Fm – maksimalna sila, Fu – sila iniciacije razpoke in Fa – sila ustavitve razpoke (sliki 2 in 3). Površina pod krivuljo predstavlja energijo. Površina do to�ke Fm predstavlja energijo za iniciranje razpoke, preostali del pa energijo za širitev (propagacijo) razpoke.

��

��

Slika 1: Udarna energija enovarkovnih varov

Slika 2: Udarni preskus, AW, 0°C Delež žilavega loma se lahko iz diagrama izra�una po ena�bi 1 [23]. Rezultati izra�una po ena�bi se zelo dobro ujemajo z vrednostmi dobljenimi s statisti�nimi metodami fraktografske analize. Iz ena�be 1 in diagramov na slikah 2 in 3 je razvidno, da ve�ja maksimalna sila Fm in manjša razlika med Fu in Fa pove�ujejo udarno energijo. Tako lahko na podlagi diagramov ocenimo udarno žilavost.

%1001 ⋅��

�

� −−=

m

au

F

FFA

(1)

��

��

Slika 3: Udarni preskus, VWC, 0°C V tabeli 2 je podana primerjava izbranih pogojev pri dveh razli�nih temperaturah preskušanja. Delež žilavega loma je podan v diagramu na sliki 4. Tabela 2: Karakteristi�ne to�ke udarnih preskusov

pogoj AW HT VWC VWC+HT temperatura -60 °C 0 °C -60 °C 0 °C -60 °C 0 °C -60 °C 0 °C

Fm [N] 8378 7643 8179 7739 8824 7760 6231 7497 Fu [N] 8378 7159 8179 7242 8824 5166 6231 6850 Fa [N] 2535 4068 551 3416 2640 3702 1069 3085

% žilavega loma 30 60 7 51 39 81 29 50

Prelomne površine so bile pregledane in ocenjene v sredini preskušanca, 2 mm pod mehansko zarezo. Razlike v tipu preloma so vidne na sliki 5, kjer sta primerjana vzorca osnovnega stanja in vzorca vibriranega med varjenjem. Da bi poskušali najti korelacijo med udarno žilavostjo enovarkovnih in ve�varkovnih zvarnih spojev, smo enako serijo preskusov udarne žilavosti izvedli na ve�varkovnih spojih. V ta namen smo preskuse vršili na enakem materialu enake debeline. Rezultati so prikazani na sliki 6.

��

��

Slika 4: Delež žilavega loma glede na pogo je varjenja in temperaturo preskušanja

Slika 5: Prelomna površina nevibriranega (AW) in vibriranega (VWC) vzorca pri

temperaturi preskušanja 0 °C

Slika 6: Udarna energija ve�varkovnega zvara

��

��

4. KOMENTAR V �lanku je podana ocena vpliva pogojev varjenja in vibriranja na udarno energijo (Charpy žilavost) zvara. Žilavost je odvisna od vrste materiala, mikrostrukture vzorca in temperature preskušanja. Rezultati preskusov so obi�ajno prikazani v obliki krivulje udarne žilavosti, ki podaja odvisnost udarne žilavosti od temperature preskušanja. V splošnem so razlike med posameznimi stanji o�itnejše pri nižjih temperaturah preskušanja. Glede na dobljene vrednosti in obliko krivulje sklepamo, da nismo dosegli NDT (Nill Ductility Transition) temperature (temperatura prehoda v krhki lom). Za izbrano temperaturno podro�je preskušanja smo rezultate dovolj dobro (faktor R2 > 0,9) opisali z regresijsko krivuljo polinoma drugega reda. Pri širšem temperaturnem obmo�ju bi bilo potrebno izbrati drugo regresijsko krivuljo, obi�ajno arctg. Iz primerjave osnovnega in vibriranega stanja brez žarjenja se opazi pozitiven u�inek vibriranja (AW - VWC slika 1). Pri enovarkovnih zvarih, kjer ni dodatnega segrevanja, tako lahko pri uporabi vibriranja med varjenjem pri�akujemo boljše vrednosti udarne žilavosti. Proti pri�akovanju enakega efekta ne zasledimo pri žarjenih vzorcih. V praksi se takšni pogoji pojavijo pri ve�varkovnem varjenju, ko temperatura naslednjega varka termi�no vpliva na predhodni varek. Ob u�inku toplote se dodatno pojavlja še vibriranje. Vendar, ko primerjamo delež žilavega loma, vidimo, da se z vibriranjem le-ta ne zmanjša ali celo pove�a (slika 4). Pri nižjih temperaturah so razlike v prirastu deleža žilavega preloma ve�je kot pri višjih temperaturah. To je ugodno, saj je pri nižjih temperaturah nevarnost krhkega loma ve�ja. Generalno iz slike 4 izhaja, da vibriranje pove�uje delež žilavega loma. Razlike v tipu preloma dokazujejo raziskave prelomne površine z vrsti�nim (SEM) elektronskim mikroskopom (slika 5). Prelomne površine vibriranih vzorcev imajo ve�ji delež žilavega preloma, kar se odraža v stanju prelomne površine, ki je jami�asta (žilava). Nasprotno se na krhkem prelomu opazijo ploš�ice in usmerjene strukture preloma (ang. facets and rivers). Razliko med stanji se da razbrati tudi iz diagramov na slikah 2 in 3. Potek krivulje pri vibriranih (bolj žilavih) vzorcih je gladkejši, z manjšimi razlikami med Fu in Fa. Da bi potrdili rezultate žilavosti na dejanskih ve�varkovnih zvarih, so bile epruvete odvzete iz ve�varkovnih zvarov na enakem osnovnem materialu varjenem z enakim dodajnim materialom. Varili smo z dvema razli�nima postopkoma (slika 6). Rezultati udarne žilavosti za postopek T.I.M.E. potrjujejo ugotovitve na enovarkovnih varih in pri simulaciji ve�varkovnega varjenja. Pri postopku EPP pozitiven u�inek ni tako enozna�en. �eprav imajo žarjeni enovarkovni zvari manjšo udarno žilavost, je ob uporabi vibriranja pri ve�varkovnem varjenju žilavost ve�ja, razlika pa je odvisna tudi od izbranega varilnega procesa. Kot se kaže, je udarna žilavost ve�varkovnih zvarnih spojev precej kompleksna tema. Na mikrostrukturo odlo�ujo�e vplivata dva parametra, vibracije in toplota, ki vplivata na izoblikovanje mikrostrukture med strjevanjem. Nekatere spremembe se lahko odvijajo tudi po strjevanju. Vibracije in toplota imata primerljiv vpliv na mobilnost atomov in taline, mobilnost dislokacij in difuzijo. Po drugi strani so u�inki na velikost zrna, velikost dendritov in njihovo usmerjenost nasprotujo�i. Te kategorije vplivajo na izoblikovanje strukture in posledi�no na mehanske lastnosti zvara. Težko je napovedati, kdaj se bo u�inek vibriranja in toplote dopolnjeval oziroma kdaj se bo izni�eval ali oviral, posebej kar se ti�e velikosti zrna in vrsto mikrostrukture. Vpliv vibriranja na izoblikovanje feritne mikrostrukture je obravnavan v zgodnejših �lankih [17, 18].

��

��

5. ZAKLJU�KI

• Upoštevajo� rezultate udarne žilavosti, metalografske in fraktografske raziskave, vibriranje ugodno vpliva na lastnosti zvara.

• Vibriranje med varjenjem pove�uje udarno žilavost enovarkovnih zvarov. • Vibrirani vzorci Charpy preskusa izkazujejo pove�an delež žilavega loma na

prelomnih površinah. • Žarjenim enovarkovnim zvarom se žilavost v primerjavi z izhodnim stanjem zmanjša,

vendar veliko manj, �e med varjenjem vibriramo. • Ve�varkovni zvari imajo ve�jo žilavost v vibriranem stanju.

6. ZAHVALA Preiskave in preskusi so bili izvedeni na Fakulteti za strojništvo, Maribor. LITERATURA 1. RAO D.L., ZHU Z.Q., CHEN L.G., NI C.Z.: Reduce the residual stresses of welded

structures by post-weld vibration, Material Science Forum, Vol. 490-491, 2005, p. 102-106

2. RAO D.L., CHEN L.G., NI C.Z.: Vibratory stress relief of welded structure in China, Materials at High Temperatures, Vol. 23, No. 3-4, 2006 , p. 245-250

3. KUO C.W., YANG S.M., CHEN J.H.; LAI G.H.; WU W.: Study of vibration welding mechanism, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 13, No. 4, 2008, p. 357-362

4. LU Q., CHEN L.G., NI C.Z.: Effect of vibratory weld conditioning on welded valve properties, Mechanics of Materials, Vol. 40, No. 7, 2008, p. 565-574

5. XU J.J., CHEN L.G., NI C.Z.: Effect of vibratory weld conditioning on the residual stresses and distortion in multipass girth-butt welded pipes, International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 84, No. 5, 2007, p. 298-303

6. AOKI S., NISHIMURA T., HIROI T., HIRAI S.: Reduction method for residual stress of welded joint using harmonic vibrational load, Nuclear engineering and design, Vol. 237, No. 2, 2007, p. 206-212

7. PROHASZKA, J., HIDASI, B., VARGA, L.: Vibration – Induced Internal Stress Relief, Periodica Polytechnica, Vol. 19, 1975, p. 69-78

8. KALNA, K.: Influence of Mechanical Treatment on Properties of Welded Joints, IIW Doc. X-1270-93, 1993

9. FREEDMAN, A.H., WALLACE, J.F.: The Influence of Vibration on Solidifying Metals, American Foundryman's Society Transactions, Vol. 65, 1957,

10. GARLICK, R.G., WALLACE, J.F.: Grain Refinement of Solidifying Metals by Vibration, American Foundryman's Society Transactions, Vol. 67, 1959

11. FISHER, T.P.: Effects of vibrational energy on the solidification of aluminum alloys, British Foundryman 66(3), 1973

12. STARKEY, J.P.: The Effect of Vibratory Stress Relief on Metal Fatigue in Steel Weldments, master degree thesis, Faculty of the College of Applied Science and Technology Central Missouri State University, 1987 p. 39-43

��

��

13. KLAUBA, B.B., ADAMS, C.M.: Progress Report on the Use and Understanding of Vibratory Stress Relief, Proc. ASME Conf. on Productive Applications of Mechanical Vibrations, Phoenix, Arizona, 1982, p. 47-58

14. HEBEL, T., KREIS, R.: Der bessere Weg zum Spannungsabbau, Metall, 1983, p. 259-261 15. WEITE WU: Influence of vibration frequency on solidification of weldments, Scripta

Materialia, Vol. 42 (2000), No. 7, p. 661-665 16. LU Q.H., CHEN L.G., NI C.Z.: Improving welded valve quality by vibratory weld

conditioning, Materials Science and Engineering: A, Vol. 457, No. 1-2, 2007, p. 246-253 17. PU�KO, B.: The Influence of Vibration during Welding on Weld toughness, Faculty of

Mechanical Engineering, University of Maribor, Ph.D. thesis, 2003 18. PU�KO, B., GLIHA; V.: Charpy toughness and microstructure of vibrated weld metal,

Science and Technology of welding and Joining, Vol. 11, No. 3, 2006, p. 289-294 19. HEBEL, A.G.: Subresonant Vibrations Relieve Residual Stress, Metal Progress, 1985, p.

51-55 20. MUNSI, A.S.M.Y., WADDELL, A.J., WALKER, C.A.: The effect of vibratory stress on

the welding microstructure and residual stress distribution, Proceedings of the I MECH E Part L Journal of Materials: Design and Applications, 2001, Vol. 215, No. 2, p. 99-111

21. PU�KO, B., GLIHA, V.: Effect of Vibration on Weld Metal Hardness and Toughness, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 10, No. 3, 2005, p. 335-338

22. PU�KO, B., GLIHA, V.: Charpy Toughness of Vibrated Microstructures, Metalurgija, 2005, Vol. 44, No. 2, p. 103-106

23. SEP 1315, Kerbschlag-Biegeversuch mit Ermittlung von Kraft und Weg, Stahl- Eisen-Prüfblatt, Mai 1987

��

��

Ocena lastnosti so�elnega zvarnega spoja plinovodnih cevi pri razli�nih temperaturah okolice

Andrej Weiss, Marjan Suban, Robert Cvelbar

Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana

Povzetek

V prispevku je prikazan na�in ocenjevanja lastnosti zvarnega spoja pri so�elnem varjenju plinovodnih cevi na osnovi numeri�ne simulacije z metodo kon�nih elementov. Simulacija je izvedena pri dveh razli�nih temperaturah okolice in sicer 20oC in -5oC. V varilnem postopku so obi�ajno do lo�ene vrednosti temperature predgrevanje ter medvarkovne temperature, obstaja pa tudi dolo�ilo glede najnižje temperature okolice, pri kateri je še dovoljeno varjenje. Iz rezultatov numeri�ne simulacije je razviden vpliv temperature okolice na mikrostrukture ter napetostno-deformacijsko stanje v zvaru in toplotno vplivanem podro�ju. 1. UVOD Inženir je vse bolj izpostavljen trgu in s tem tudi racionalizaciji proizvodnje. Tako je potrebno optimizirati obstoje�e tehnologije kot tudi razvoj novih izdelkov. Zaradi hude konkurence, se spodbuja razvoj in rabo matemati�nih modelov v tehniki. Delo inženirja mora biti vse bolj usmerjeno v optimizacijo procesov v industriji. Z razvojem ra�unalniške industrije je prišlo do razvoja orodij, ki omogo�ajo simulacijo postopkov. S tem je inženirju dano orodje s katerim lahko z manjšimi stroški preizkusi ve�je število varilnih postopkov še predno se odlo�i to izvesti tudi v realnosti. Seveda pa je za izvajanje simulacij potrebno obsežno in multidisciplinarno poznavanje matemati�nih modelov, varilnih postopkov, materialov itd. Dolo�evanje najnižje temperature okolice pri kateri je varjenje še dopustno je prav tako pomembno kot dolo�evanje temperature predgrevanja ter medvarkovne temperature. Temperatura okolice vpliva na proces varjenja v smislu hitrejšega odvoda toplote z mesta varjenja. Posledica tega je pove�anje hitrosti ohlajanja, kar pa pomeni višje zaostale napetosti ter mehansko neugodne mikrostrukture, kot sta bainit (pogojno sprejemljiv) ter martenzit. V tej fazi pa nam simulacija omogo�a na bolj enostaven in cenejši na�in preveriti vse parametre, ki vplivajo na varjenje ter še pred izvedbo samega varilnega postopka identificirati kriti�ne vrednosti le-teh. 2. IZVEDBA SIMULACIJE 2.1 Popis varilnega postopka (WPS) Kratica WPS izhaja iz standarda EN ISO 15609 (Welding Procedure Specification) in pomeni navodilo, ki predstavlja preverjeni tehnološki postopek za varjenje v proizvodnji. Priporo�ljiv je za vse varilne postopke. Vsebovati mora dovolj podrobnosti, da varilec izdela zvare sprejemljive kakovosti. Tako vsebuje na�in priprave robov, gradnja varkov, parametri varjenja, osnovni in dodajni materiali, na�in varjenja, obdelave zvara, temperaturo

��

��

predgrevanja. Varilni tehnolog mora za vsak tip zvara pripraviti popis varilnega postopka. Primer WPS za varjenja plinovoda je prikazan na sliki 1. Med številnimi parametri varjenja, ki so navedeni na WPS smo se v okviru tega prispevka osredoto�ili na vpliv minimalne zunanje temperature na lastnosti zvarnega spoja. Pri temperaturah nižje od te nadaljnje izvajanja varjenja ni ve� v skladu z WPS.

Slika 1: WPS za varjenje plinovoda 2.2 Programsko orodje Sysweld Sysweld je program, ki omogo�a ra�unalniško simulacijo toplotne obdelave in varjenja. Pri raziskavi smo se opredelili na simulacijo varjenja, ki zahteva dve analizi, termo metalurško analizo in mehansko analizo. Simulacija poteka tako, da se najprej v modulu »Visual mash« izriše 3D model ter dolo�ijo trajektorije varov (slika 2). Ta model se nato uvozi v Sysweld v katerem se s pomo�jo »Welding Advisor« vnese vhodne podatke potrebne za izvedbo simulacije. Možnosti, ki jih nam ponuja »Welding Advisor« so prikazane na sliki 3. Med mnogimi na�ini varjenja, ki obstajajo, je aplikacija Sysweld primerna za na�ine:

• ro�no oblo�no varjenje;

��

��

• TIG varjenje; • MIG/MAG varjenje; • lasersko varjenje ter varjenje z elektronskim žarkom; • uporovno to�kovno varjenje; • varjenje s trenjem.

Slika 2: Mreža kon�nih elementov ter trajektorije varjenja izdelane v »Visual mash«

Slika 3: Sestavni moduli »Welding Advisor« Priprava simulacije in vnos podatkov poteka v modulu »Welding Wizard«, kjer:

• dodelimo materialne lastnosti posameznim elementom; • dolo�imo varilni proces (vnos toplote in trajektorij varjenja); • definiramo robne pogoje; • pripravimo datoteke za izra�un.

V naslednjem modulu »Solve« nastavimo geometrijo in parametre numeri�ne simulacije kot so dodajanje geometrije varov, na�in izra�unavanja ter prikaza podatkov in rezultatov. Sysweld izvaja nelinearne izra�une z vsemi lastnostmi materialov, ki so odvisni tako od temperature kot tudi od faznih (materialnih) transformacij, deležev kemi�nih elementov ter tudi drugih pomožnih spremenljivk. Osnove izra�una v sklopu simulacijskega programskega orodja Sysweld temeljijo na nelinearnem prenosu toplote, nelinearni geometriji, vklju�no z velikimi napetostmi, izotropno in kinemati�no napetostno utrjevanje, vklju�no s fazo transformacije, plasti�nost deformacijo in nelinearne mešanica pravil za napetosti te�enja pri posamezni fazi. Kot rezultat programskega orodja Sysweld ponuja prikaze za:

• temperaturna podro�ja; • deformacije (tudi plasti�ne deformacije) ter zaostale napetosti; • deleže posameznih faz (mikrostruktur) v zvaru, TVP in osnovnem materialu; • trdote; • napetost te�enja.

��

��

2.3 Zaostale napetosti in mikrostrukture Zaostale napetosti so napetosti, ki ostanejo v elementu tudi, ko je zunanji vzrok za nastanek le-teh odstranjen (zunanje sile, vir toplote). Pojavijo se lahko zaradi preoblikovanja, toplotne obdelave, varjenja itd. Za varjenje potrebna toplota povzro�a lokalno širjenje materiala. Pri ohlajanju se prav zaradi neenakomerne porazdelitve temperature ter vpetosti varjenca pojavijo napetosti in deformacije. V grobem jih lahko lo�imo na napetosti in deformacije, ki so posledica vpliva toplote oz. temperaturnega polja ter na tiste, ki so posledica faznih transformacij. Slika 4 prikazuje odvisnost napetosti in deformacij od temperaturnega polja ter nastalih mikrostruktur v zvaru in TVP.

Slika 4: Medsebojna odvisnost temperature-mikrostrukture-napetosti Med mikrostrukturami, ki se pojavljajo v zvaru in toplotno vplivanem podro�ju (TVP) jekel in so bile vklju�ene v izra�unu simulacije tudi naslednje:

• Perlit je dvofazna mikrostruktura sestavljena iz ferita (88%) in cementita (12%), ki se nahaja v obi�ajnih jeklih in litinah. Njegov nastanek je pogojen s po�asnim ohlajanjem pri evtektoidni reakciji iz razpada austenita pri temperaturi 723oC. Pri varjenju je zaželeno po�asno ohlajanje saj se s tem v zvaru in TVP doseže ugodna perlitna mikrostruktura.

• Bainit je mikrostruktura, ki se pojavi v jeklih pri dolo�enih toplotnih obdelavah, predvsem kot posledica hitrejšega ohlajanja preko evtektoidne temperature 723oC. Obmo�je hitrosti ohlajanja je približno 50oC/s. Bainitna mikrostruktura je podobna martenzitne, ampak so njene mehanske lastnosti v zvaru ugodnejše kot slednje.

• Martenzit Visoke hitrosti ohlajanja v zvaru in v TVP privedejo do tvorjenja trde mikrostrukture imenovane martenzit. Pod mikroskopom je struktura vidna, kot igli�asta. Mikrostruktura je zaradi svojih mehanskih lastnosti zlasti neugodna v natezno obremenjenih zvarih, ker je ob�utljiva na nastanek in rast razpok.

��

��

3. REZULTATI SIMULACIJE Kot osnova za izvedbo simulacije je bil vnesen varilni postopek WPS prikazan na sliki 1. Parameter, ki smo ga spreminjali v dveh razli�nih simulacijah je bila temperatura okolice. V prvem primeru je ta znašala 20oC, v drugem pa -5oC. Vpliv temperature okolice smo nato preu�evali v rezultatih programa Sysweld in sicer v simulaciji temperaturnega polja, deformacij, napetosti in mikrostruktur. V izra�unu in prikazu rezultatov je uporabljen le �etrtinski izsek cevi. 3.1 Temperaturno polje Temperaturna razlika med okoliško temperaturo 20oC in -5oC nima opaznega vpliva na temperaturno polje, ki se pojavi po varjenju zadnjega osmega varka. To je nekako razumljivo saj razlika 25oC predstavlja le cca. 1% temperature, ki je dosežena v talini zvara. Sama primerjava obeh posnetkov na sliki 5 nam torej na sporo�a nobenih bistvenih informacij, na osnovi katerih bi se lahko odlo�ali o ustreznosti varilnega postopka.

Slika 5: Temperaturno polje po zadnjem varku in pri 20oC (levo) oz. -5oC (desno) 3.2 Deformacije Drugi sklop posnetkov na sliki 6 prikazuje deformacije, ki se pojavijo v zvarnem spoju pri varjenju korenskega varka. Pri nižji temperaturi okolice so deformacije manjše (za približno 15%). Rezultat je vsaj v neki meri pri�akovan, saj je jeklo pri nižjih temperaturah manj elasti�no.

��

��

Slika 6: Deformacijsko polje po korenskem varku in pri 20oC (levo) oz. -5oC (desno) 3.3 Zaostale napetosti Napetostno stanje v varjencu po zaklju�ku varjenja (po osmem varku) nam odraža obratno situacijo kot je to v primeru deformacijskega stanja. Natezne napetosti (na posnetkih svetlejši odtenki) so v primeru varjenja pri 20oC nižje kot pri temperaturi -5oC (glej sliko 7). Glede na razporeditev napetosti znotraj zvara in TVP lahko identificiramo dve obmo�ji višjih vrednosti nateznih napetosti. Prvo je v sredini zvarnega spoja (približno na mestu varjenja petega in šestega varka), drugo pa v samem korenu zvara. Slednje je tudi bolj kriti�no, saj natezne napetosti na površini varjenca pospešujejo nastanek in rast razpok.

Slika 7: Napetosti v pre�nem prerezu varjenca po zavarjenem zadnjem varku in pri

20oC (levo) oz. -5oC (desno) 3.4 Mikrostrukture V zvarnem spoju in TVP nastanejo zaradi lokalnega segrevanja ter faznih transformacij razli�ne bolj ali manj ugodne mikrostrukture. Izvedena simulacija nam podaja rezultate v obliki treh posnetkov in sicer prvi za vsebnost perlita, drugi za bainit, zadnji pa podaja delež martenzita v celotni sestavi. Primerjava je bila seveda narejena tako za varjenje pri 20oC in pri -5oC. Iz prikazov na sliki 8 lahko opazimo predvsem razliko pri najbolj kriti�ni mikrostrukturi, t.j. martenzit. Le-ta se pojavi v TVP na korenski strani zvara. Vsebnost martenzita pri -5oC je približno 10% ve�ja kot pri zvaru varjenem pri temperaturi 20oC. �e k tej ugotovitvi dodamo še ugotovitev iz prejšnjega poglavja, kjer ugotavljamo, da so prav v

��

��

tem obmo�ju prisotne višje natezne zaostale napetosti, lahko ozna�imo korenski del zvara za izredno ob�utljivo obmo�je, vsaj kar se ti�e nastanka in rasti razpok. Sprememba temperature okolice ima torej majhen vpliv na ve� razli�nih parametrov (deformacije, napetosti, mikrostrukture), ki pa kot seštevek lahko rezultirajo kot velik vpliv na samo kakovost zvarnega spoja.

PER

LIT

Temperatura okolice 20oC

Temperatura okolice -5oC

BA

INIT

MA

RT

EN

ZIT

Slika 8: Mikrostrukture v pre�nem prerezu varjenca po zavarjenem zadnjem varku 4. ZAKLJU�KI Simulacija je narejena na cevi Ø800 z debelino stene 16 mm. Za so�elno varjenje plinovodnih cevi se uporablja ro�no oblo�nem varjenje. Temperatura predgrevanja znaša 110 do 130 °C. Pri simulaciji smo upoštevali, da plinovodno cev zavarimo v osmih varkih. Namen simulacije je bil narediti primerjavo kako okoliška temperatura vpliva na temperaturno polje, deformacije, napetosti in mikrostrukture. Predvsem so nas zanimale

��

��

spremembe, ki nastopajo zaradi temperaturne razlike okolice in ali je kot tak varilni postopek primeren za varjenje na prostem brez posebnih ukrepov. Iz simulacije, ki smo je naredili lahko zaklju�imo, da pride do razlike v mikrostrukturi le v toplotno vplivanem podro�ju, kjer je odvod toplote najve�ji. Zaradi tega dejstva je delež bainita in martenzita ve�ji. Najbolj nevarne mikrostrukture martenzita je tako v toplotno vplivanem podro�ju na korenski strani zvara za 10% ve� pri zunanji temperaturi -5 °C kot pri okoliški temperaturi 20oC. Sprememba temperature okolice ima torej manjši vpliv na sam nastanek mikrostruktur, �e pa k temu dodamo še vpliv na pove�anje zaostalih nateznih napetosti pa je nevarnost nastanka in rasti razpok višja. Prav zaradi navedenega lahko zaklju�imo, da je upoštevanje varilnega postopka še posebej temperature predgrevanje in omejitve glede temperature okolice potrebno upoštevati, saj je vpliv le-teh bistven za kakovostno izvedbo korenskega varka, kot najbolj kriti�nega v dani situaciji.

��

��

Influence of basicity of PIVA 150 electrode covering on the content and distribution of alloying elements and structure components of metal weld of

low alloyed steel

Žarko Ble�i�, Dragoljub Ble�i�, Irena Nikoli�

Faculty of Metallurgy and Technology, University of Montenegro, Cetinjski put bb, 81000 Podgorica, Montenegro

Abstract

Content o f mineral and o ther componen ts in electrode covering greatly determinate structure composition of metal weld. In fluence o f covering is complex and it is used to stab ilize electric arc, for degazation, dezoxidation and additional alloying. All mentioned above influence on the con tent o f structure component in the meta l weld (content o f accurate and p late ferrite, martensite - austenite –carbide phase, and content of non-metallic inclusion etc.). Properties of welded joint depend on the type and content of men tioned structure component. In this paper, conten t of Piva 150 electrode covering is presented ( using its basicisty) and its influence on the distribu tion o f alloying elements in feathered ferrite (FF), in accurate ferrite (AF), in martensite - austenite –carbide phase (MAC), and conten t of nonmetallic inclusion in structure of weld metal, as well. Mechan ical properties of welded joint indica te on the conclusion of ba lanced covering composition.

1. INTRODUCTION Production of coated arc welding electrode represents very complex research work and technological process what means processing of receipt (composition of electrode coating) for metal arc hand welding. Role of electrode coating is complex because it is used stabilization of electric arc, degassing, deoxydation and for additional alloying as well. An electrode coating has refinement effect on weld and micro alloying effect, as well. Primary alloying is realized trough electrode wire. System electrode coating - wire request exact calculation of oxygen potential of electrode coating, because small range oxygen content is existing in weld of low alloy steels providing a creating more than 80% of acicular ferrite in the structure. [1] Electrodes belong to program range of Electrodes Plant ’’Piva-Plužine’’. Changing of composition of electrode covering (basicity) and electrode core intended for welding of low alloy steels. Results of investigation are related to qualitative analysis of type and content of nonmetallic and content of nonmetallic inclusions and structural components and their influence on the properties, as well. Increase of content of acicular ferrite in the structure of weld and decreasing of content of nonmetallic inclusions are realized upon increase of basicity of electrodes coating. Oxygen content higher than 0,04% or less than 0,02% causes a sudden drop of acicular ferrite for the sake of feathered ferrite. Electrode coatings represent a multicomponent system which in terms of welding is far from balance. For this reason, it is quite difficult to explain their effects on composition of weld metal. Regardless of the above matter, it is possible to evaluate coating oxidation abillity, that is chemical composition of the weld metal which is

��

��

being created owing to influence of oxidation – reduction reaction where a main oxygen source becomes electrode coating. 2. EXPERIMENT This work deals with testing the structure of weld deposit mechanical properties and the effects of alloying elements (Al, Mn, Si, i Ti), on the structure, nonmetallic inclusions and mechanical properties of weld metal. Alloying elements were applied through electrode coatings. Approximate chemical composition of electrode coating is shown in Table 1. Table 1: Some of components in an electrode covering with basicity factor

Electrode m

ark

Basicity of

covering

Na

2 O

CaO

MgO

CaF

2

MnO

Al2 O

3

Fe2 O

3

SiO2

ZrO2

The rest

1 B=0.60 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 2 B=0.70 X11 X12 X13 X14 X15 X16 X17 X18 X19 X20 3 B=1.20 X21 X22 X23 X24 X25 X26 X27 X28 X29 X30

4 B=2.00 X31 X32 X33 X34 X35 X36 X37 X38 X39 X40

5 B=2.20 X41 X42 X43 X44 X45 X46 X47 X48 X49 X50

6 B=2.60 X51 X52 X53 X54 X55 X56 X57 X58 X59 X60

*) X1 – Xn component content in a electrode covering – formula protected Change of covering basicity and its alloying capability may influence on the content of some structural component in a weld metal, obtained by welding [2]. Factor of electrode basicity is determined using the formula:

)%(5.0%)%(5.0%%%%%%

3223222

222

OFeZrOOAlTiOSiO

FeOMnOCaFOKONaBaOMgOCaOB

+++++++++++

= (1)

Welding were carried out following standard ISO 14174 in a three coats, with approximate current and voltage of I=500-620 A and U=27-33 V, and velocities of v=20-24 m/h. Low alloyed steel of perlite type is used for welding. Table 2: Chemical composition of welded steel

Chemical composition of welded steel C Mn Si Cr V Mo Ni S P Cu

0.11 0.55 0.2 1.00 0.20 0.35 0.20 0.045 0.045 0.15 The samples were taken out from weld metal to determine chemical composition of metal and perform metallographic testing. Chemical analysis was done by spectral method using BIARD factilities, metalographic analysis were done on the light microscope NEOFOT -21 and Electron Scaning Microscope JSM-840 manufactured by JOEL [3].

��

��

Content of structural component were determined using a quantitative methods [4]. Elements content in the structural components is determined applying microspectral and wave dispersion spectral analysis. 3. RESULTS AND DISCUSSION Chemical composition of tested samples of weld metal and electrode core wire are given in the Table 3. Table 3: Chemical composition of tested samples of weld metal and electrode core w ire

No Basicity Chemical composition, % Kernel: Sv - 08 A C M n Si C r C u S P

0.085 0.50 0.03 <0.02 0.05 0.021 0.010 1 B=0.60 0.08 0.050 0.26 <0.02 0.05 0.023 0.028 2 B=0.70 0.065 1.41 0.40 <0.02 0.05 0.032 0.037 3 B=1.20 0.06 0.35 0.032 <0.02 0.05 0.032 0.037 4 B=2.00 0.055 0.85 0.130 <0.02 0.05 0.032 0.037 5 B=2.20 0.04 0.30 0.15 <0.02 0.05 0.032 0.037 6 B=2.60 0.05 0.63 0.23 <0.02 0.05 0.032 0.037

Results of metallographic tests showed presence of the following main structural components in weld metal samples: acicular ferrite [AF], feathered (alotrimorphic) ferrite [FF], widmanshtetenic ferrite [WF],and martensite – austenite – carbide (MAC) – phase, upper bainite (UB) and lower bainite (LB). The most common weld metal structure appearance is shown in Figure 1.

��

��

�

�

� �

� � �

Figure 1: Structure of tested weld metal samples Change of content of structural components of weld metals in dependance of electrode basicity is shown in the Fig.2.

Figure 2: Change of structural cmponen ts in weld metal in dependanceof basicity o f

covering

a) PF x 1000 b) VF x 1000 c) AF x 1000

d) MAC x 1000

e) UB x 1000 f) LB x 1000

��

��

It is evident that increasing of basicity of covering influence on the increase of accurate ferite (AF) in the structure of weld metal and considerably decreasing of feathered ferrite (FF) and widmanshtetenic ferrite [WF], what is in accordinance with previous investigations [4,5]. Alloying elements in a weld metal are mainly distributed in non metal inclusion ( oxides and nitrides ) and in a solid solution ( Table 4.) Table 4: Content of a lloying elements in structural components of meta l weld

Alloying elements (%) In oxides In nitrides In a solid solution

Mn Si Ti Al Mn Si Ti Al Mn Si Ti Al 0.40 0.12 0.001 0.009 0 0.08 0.020 0.015 0.64 0.053 0.01 0.006 0.30 0.16 0.002 0.010 0 0.09 0.005 0.020 0.62 0.054 0.005 0.003 0.23 0.30 0.008 0.010 0 0.05 0.040 0.010 0.57 0.49 0.003 0.001 0.20 0.20 0.008 0.010 0 0 0 0 0.50 0.32 0.003 0.001 0.24 0.35 0.008 0.010 0 0 0.003 0.006 0.45 0.23 0.001 0.001 0.20 0.40 0.008 0.013 0 0 0.003 0.003 0.40 0.194 0.010 0.004 Content of Mn, Si, Ti and Al in a solid solution, and content of structural components in a meta weld as well, in the function of basicity of covering are given in the Fig.3-6, while the change of grain size and content of nonmetallic inclusions in the function of basicity of covering are given in the Fig. 7 and 8.

Content of AF is decreasing with increasing of basicity of covering. Content of alloying elements Mn, Si, Ti and Al in solid solutions of structural components follow increase or decrease of investigated structural components. So, Mn and Si are mainly dissolving in a feathered ferrite, while Al and Ti are dissolving in an accurate ferrite.

Figure 3: Conten t of Mn, FF and AF o f metal weld in a function basicity o f covering.

Figure 4: Conten t of Si, FF and AF in a metal weld in a function basicity o f covering.

��

��

Increase of accurate ferite up to 80 % in a structure of metal weld contribute to the best properties combination of strength and toughness, [1]. The increase of basicity of covering results in increase of primary austenite grain size in weld metal samples. This is influenced by different share of nonmetalic inclusions and their distribution along boundaries and inside primary austenite grain (Figs. 7 and 8).

75

83

88

65

70

75

80

85

90

0.6 1.2 2.6

D, MKM

�

Figure 7: Effects of basicity on primary grain size�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

Figure 8:�Effects of basicity on quantity of nonmetalic inclusion �

�

�

Nonmetallic inclusions share is higher at primary austenite grain boundary than inside the grain. As expected, inclusions share along the boundary and inside the austenite grain is higher when applying acid coating than neutral or basic ones. The conclusion is that increased content of inclusions at primary austenite boundaries compared to content of inclusions inside the grain results in decrease of austenite grain size.�Mechanical properties of weld metals are given in the Fig. 9 and 10

Figure 5: Conten t of Ti, FF and AF in a metal weld in a function of basicity of covering

Figure 6: Conten t of Al, FF and AF in a metal weld in a function of basicity of covering

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 1 2

TiN

TiS

SiC

��

��

Increase of basicity of electrode covering tensile strenght and yield strength are decreasing inconsiderably, but toughness is increasing. 4. CONCLUSIONS

• The test results obtained in this work show that basicity in electrode covering is in the range 0.60-2.60, what has significant influence on creating of nonmetallic inclusions, structure and weld properties of low alloyed steels.

• Quantitative tests of structure were performed in order to define effects of basicity of electrode covering and its alloying and oxidizing abilities on structural composition of certain morphological forms of ferrite as well as mechanical properties of low alloyed steel welds.

• The highest level of nonmetallic inclusions was reached when applied welding with electrodes whose covering has the lower basicity. Primary austenite grain size was increased with increasing of basicity of covering..

• Dominating structural components of low alloyed steels are feathered ferrite, acicular ferrite, vidmanshtetenic ferrite, MAC – phase, upper and lower bainite.

• Most desirable structural component in terms of strength and toughness are acicular ferrite and martensite-austenite – carbide (MAC) – phase.

• The higher share of basicity of covering the higher content of acicular ferrite in weld metal structure.

• The higher share of basicity of covering the higher toughness of welded joint, provided that Al + Ti deoxidizer took part.

• For all other combined Al + Ti deoxidizers, maximum toughness can be reached with electrodes having basicity of 1.2.

• The highest strength and ductility indicators were obtained when applied welding of low alloyed steels with highest basicity of covering of 2.60.

• Relation between alloying abilities of material to be welded and oxidation abilities of coating must be determined carefully, so that silicium content in ferrite matrix should not exceed 0,1%, and titanium and aluminium 0,15% and 0,003%. The higher content of these elements in solid solution, the higher share of feathered morphological forms of ferrite, the higher strength of weld metal, but the lower ductility and toughness.

Figure 9: Tensile strengh t and yield strength of weld meta l in a function o f basicity

Figure 10: Toughness of tested metal welds in a function of basicity

��

��

REFERENCES 1. Abson D. I., Dolby R.E., Hart P. M.: The role of nonmetallic inclusions in ferrite

nucleation in carbon steel weld metals/ Trends in steel and consumables for welding// Weld.Ins.Conf. London -88p.

2. Hrivnjak at al./ Metalofizi�eskie issledovanija martenzitno-austenitnoj coctavljajušej (MAS) matala ETV bisokopro�nih nizkolegirovanij stalej/ Avtomati�eskaja svarka . - 1999. �3 pp.22-30

3. Der Europaische Mark dur Metallshweissanlagen, Maschinenanbau �5, 1998, p. 50 4. Seferijan D.: Metallurgija svarki.-M: Mettallurgizdat.- 1963. - Moskva. - p. 338. 5. Yurioka N:, Science and Technology of welding and joining in 20 century and perspective

for 21. century, Nipon Steel Corporation, V. 46 � 3, 2001 pp. 123-128 6. Cullison A: A Plan for the future of welding is in the Making/ Welding Jurnal, 1998,

str. 43-45

��

��

Izbor dodatnog materijala pomo�u Schaeffler-ovog dijagrama kod zavarivanja razli�itih �elika

Džafer Kudumovi�

Mašinski fakultet u Tuzli, Univerziteta u Tuzli

Sažetak

Danas je skoro svaki metalni materijal zavarljiv, što veoma pospješuje mnoge grane industrije, a posebno pove�ava i primjenu pojed inih meta lnih konstrukcija. Dva raznorodna metala je mogu�e zavariti, ali isklju�ivo se mora paziti da je jedan materijal razli�it od drugog materijala i samim tim osobine su razli�ite, što predstavlja problem u izboru dodatnog materijala.

1. UVOD Razvojem metalne industrije tekao je i razvoj na�ina vezivanja materijala, posebno metalnih materijala. Tako da danas jedan od naj�eš�ih na�ina spajanja metalnih materijala je zavarivanje, koje je išlo u korak s razvojem tehnologije. Danas imamo spektar na�ina zavarivanja metalnih materijala, koji su uveliko efikasniji i primjenljivijih od prethodnih. Zavarivanje spada u moderniji na�in spajanja materijala koji omogu�ava nastajanje �vrste veze izme�u spojenih materijala. Prednosti ovog postupka, u odnosu na druge postupke spajanja, su izbjegnuto slabljenje materijala, nosivost se pove�ava do nosivosti osnovnih materijala, konstrukcija je lakša i ljepša, sam proces spajanja je jednostavniji itd.. Zavarljivost metala je jedan od osnovnih faktora koji su utjecali, ali i dalje utje�u na razvoj industrije. Od po�etaka primjena spajanja materijala u neku vezu do danas, došlo je do velikog napretka u na�inu vezivanja materijala u �vrstu vezu. Zavarivanje je danas gotovo nezamjenljiv postupak vezivanja metalnih materijala. 1.1 Zavarljivost metala Zavarljivost materijala u velikoj mjeri je odre�en, pored osobina materijala, i izborom pravilnog na�ina zavarivanja, koji doprinosi osobinama zavarenog spoja. “Metal smatramo onda zavarljivim kada, koriste�i odre�en postupak zavarivanja, za odre�enu namjenu, postižemo homogen zavaren spoj odgovaraju�om tehnikom zavarivanja, koji odgovara postavljenim zahtjevima o njegovim mehani�kim osobinama, a ujedno zadovoljava kao sastavni dio �itave konstrukcije”.�Veoma je važno naglasiti da na kvalitet zavarenog spoja utje�e i sam izvršilac procesa zavarivanja. �

�

1.2 Zavarljivost �elika Jedan od novijih na�in zavarivanja je pomo�u laserskog snopa, ali tako�e tu su i usavršavani na�ini zavarivanja �elika.

��

��

Na�ini zavarivanja �elika sve su više usavršavani tako da danas imamo više na�ina zavarivanja �elika. 1.2.1 Nelegirani �elici Najvažniji prate�i element kod nelegiranih konstrukcijskih �elika je ugljik. Njegov se sadržaj kre�e u granicama 0.1 - 0.6 %. Pored ugljika nelegirani �elici sadrže 0.5 % Si , 0.1 % Al, 0.8 % Mn, 0.1 Ti, 0.05 % S, 0.25 Cu (iz otpada pri dobivanju �elika) 0.05 % P. S obzirom na dodatke za dezoksidaciju: Si, Mn, Al mogu se proizvesti u �eli�ani:

2. Neumireni �elik, bez dezoksidacije, s nepoželjnim segregacijama, ali mehkanom površinom pogodnom za duboko vu�enje. Ova vrsta �elika je najjeftinija.

3. Poluumireni s djelomi�nom dezoksidacijom. Ima manje izražene segregacije. 4. Umireni �elici se umiruju s dezoksidantima u dovoljnim koli�inama. 5. Posebno umireni �elici osim Si sadrže Al kao dezoksidant. služi kao tvorac

klica kristalizacije i dobiva se sitnozrnati �elik s dobrom udarnom žilavosti, otpornosti starenju, jer se azot veže u aluminij nitrid. Sadržaj Al mora biti ve�i od 0.02%.

Dobro zavarljivim �elicima smatrajmo one koji sadrže C < 0.25%. Za �elike s C > 0.25% zavarljivost je uslovna, iz toga proizilazi da je potrebno provoditi odre�ene mjere kako bi se smanjila vjerojatnost pojave pukotina i da se postignu zadovoljavaju�a osobine zavara. Kako bi se što bolje izvršilo zavarivanje nelegiranih konstrukcijskih �elika potrebno je:

a) Predgrijavanje. Na temperaturu predgrijavanja utje�u osim %C i sadržaj ostalih elemenata, debljina stjenke, upetost i sadržaj difuzijskog vodika, tako da je potrebno dodatno korigirati temperaturu predegrijavanja.

Tabela 1: Temperatura predgrijavanja To pri zavarivanju nelegiranih �elika

C% To, oC 0.20 - 0.30 100 - 150 0.30 - 0.45 150 - 275 0.45 - 0.8 275 - 425

b) Zavarivati s ve�im unošenjem top line. . To se postiže ja�om strujom, manjom brzinom zavarivanja, ve�im promjerom elektrode. Kao rezultat dobivamo smanjenje zakaljivanja odnosno tvrdo�e ZUT i ZT (zona uticaja toplote i zona topljenja), manja vjerovatnost pojave hladnih pukotina.

c) Primjena bazi�n ih elektroda, �ime dobivamo ve�u udarnu žilavost i istezljivost, te manju mogu�nost pojave pukotina.

d) Oblikovanje konstrukcije treba smanjiti upetost, debljinu i diskontinuitete (koncentraciju naprezanja). Sadržaj S i P mora biti što manji (sadržaj se ograni�ava na 0.05%P i 0.05%S). Noviji �elici sadrže obi�no ispod 0.035% P i približno isto toliko S, pa se može postaviti ova vrijednost kao maksimalna dozvoljena za dobru zavarljivost. Ovakvi �isti �elici 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 napona toplinskom obradom se provodi obi�no na 550-650oC. Pored navedenog popuštanje zaostalih napona je mogu�e provoditi i mehani�kim obradama: vibracijama, prenaprezanjem i eksplozijom.

��

��

1.2.2 Legirani Mo, CrMo i CrMoV �elici Legirani �elici su �elici koji su uglavnom predvi�eni za rad na visokim temperaturama te drugim postrojenjima gdje se traži visoka �vrsto�a na puzanje i trenutna �vrsto�a pri visokim temperaturama. Ovi �elici naj�eš�e se koriste za izradu cijevi, komora i posuda pod pritiskom. Kod ovih �elika mogu�e je posti�i višu �vrsto�u na visokim temperaturama i to legiranjem s 0.5-1.0% Mo, 0,5-12.0% Cr i 0,3-0,7 V. Cr poboljšava otpor na oksidaciju pri visokim temperaturama jer stvara oksidni sloj na površini koji ima zaštitnu ulogu, a Cr i Mo pove�avaju prokaljivost. Zavarljivost i prokaljivost �elika s više legiranih dodataka se pove�ava, pa se tvrdo�a zone uticaja topline (ZUT) i zone topljenja (ZT) pove�ava. Sa pove�anjem sadržaja legiranih elemenata, tvrdo�e i �vrsto�e pove�ava se i sklonost ka hladnim pukotinama ovih �elika u ZUT i ZT zoni. Pri zavarivanju treba paziti na �isto�u rubova, izbor dodatnog materijala i rukovanje njime (mjesto i na�in skladištenja elektroda), temperatura izme�u prolaza Tm ne smije biti previsoka. Tehnika polaganja gusjenica "povla�enjem" je bolja od "njihanja", jer smanjuje deformacije i daje bolju udarnu žilavost. Naknadna toplinska obrada je na�elno potrebna za ovu grupu �elika za �elike 31 %Cr. Za proizvode iz �elika ove grupe nakon zavarivanja se preporu�uje ponovo provo�enje poboljšanja (kaljenje+popuštanje) da bi se postigla zahtijevana svojstva. Nakon zavarivanja uz predgrijavanje, ako je potrebna naknadna toplinska obrada, preporu�uje se odmah dizati temperaturu od temperature predgrijavanja na temperaturu odžarivanja. Nakon zavarivanja uz predgrijavanje preporu�uje se odmah podizanje temperature na temperaturu toplinske obrade. 2. ZAVARIVANJE RAZNORODNIH MATERIJALA I IZBOR DODATNOG

MATERIJALA Spajanje raznorodnih materijala je s metalurškog gledišta teže od spajanja istorodnih materijala. Naj�eš�i problem imamo pri zavarivanju raznorodnih �elika. Spojevi raznorodnih �elika se javljaju u tri slu�aja:

a) Zavarivanje razli�itih vrsta �elika, kada se ZT razlikuje od bar jednog materijala, ili kod oba �elika.

b) Navarivanje nelegiranog ili niskolegiranog �elika zaštitnim slojem nehr�aju�eg �elika ili navarivanje tvrdih slojeva specijalnim legurama se ne razmatra.

c) Zavarivanje istorodnih OM (osnovni materijal) uz primjenu DM drugog sastava. Zavarljivi su svi �elici otporni na koroziju i vatrootporni �elici, s tim što se koriste dodatne žice namijenjene za zavarivanje nehr�aju�ih i vatrootpornih �elika. Za zavarivanje legiranih i uglji�nih �elika primjenjuje se dodatna žica istog hemijskog sastava kao i osnovni materijal. Da se izbjegnu prsline, martenzitni Cr-�elici moraju biti predgrijani prije zavarivanja na temperaturi do 250oC-300oC i žareni poslije zavarivanja. U posebnim slu�ajevima, kada se zavaruju raznorodni materijali ograni�ene rastvorivosti komponenata u �vrstom stanju. Difuzija dovodi do pojave starenja uslijed obrazovanja tvrdih i krtih hemijskih jedinjenja, koje se izdvajaju u toku vremena i time progresivno pogoršavaju neke osobine zavarenog spoja. Kod zavarivanja nehr�aju�ih �elika treba posvetiti pažnju izboru dodatnog materijala. �esto se doga�a da se zbog nemogu�nosti nalaženja adekvatnog dodatnog materijala koriste trake isje�ene iz osnovnog materijala sli�nog hemijskog sastava kao dodatni materijal. Osnovni uslov zavarljivosti ovih �elika je da sadržaj -ferita u šavu ne pre�e granicu od 3-8 %. Izbor hemijskog sastava dodatnog materijala zahtjeva pridržavanje slijede�ih uslova:

��

��

1. Austenitni DM se u pravilu koristi za zavarivanje bilo kog Cr �elika s austenitnim �elikom.

2. Za zavarivanje jednog, na zraku zakaljivog Cr �elika s drugim, dodatni materijal sadrž i Cr u koli�ini koju sadrži bilo koji od zavarenih �elika, ili sadržaj hroma u iznosu srednje vrijednosti zavarenih metala.

3. Zavarivanje bilo kojeg Cr �elika s �elikom nižeg sadržaja legiranih elemenata ili uglji�nim �elikom, zahtijeva DM sastava manje legiranog �elika ili uglji�nog �elika. Preporu�ljivo je koristiti (ako je mogu�e) najmanje zakaljiv dodatni materijal.

U mnogo slu�ajeva primjenjiv je austenitni zavar. Kako bi izvršili zavarivanje �elika razli�itog hemijskog sastava potrebno je izabrati odgovaraju�i dodatni materijal (elektrodu) kojeg naj�eš�e biramo na osnovu Schaeffler-ovog dijagrama. Struktura šava zavisi od koli�ine „�-genih“ i „ -genih“ elemenata, koji ulaze u sastav dodatnog materijala. Uticaj „�-genih“ elemenata je izražen ekvivalentom hroma, Cr, tj., koli�inom hroma koja bi obrazovala istu koli�inu ferita kao i zbir svih „�-genih“ elemenata. 2.1 Schaeffler-ov dijagram Osnovna specifi�nost Schaeffler-ovog dijagrama su njegove ose slika1. Na ordinatu se nanose vrijednosti nikl ekvivalenta, dok se na apscisu nanose vrijednosti hrom ekvivalenta. Pošto se izra�unaju vrijednosti Crek i Niek za dodatni materijal, na osnovu Schaeffler-ovog dijagrama, se može odrediti mikro struktura šava. Pored postoje�ih formula za odre�ivanje Cre k i Niek postoje još mnoge formule za izra�unavanje, odnosno modificirane formule. One se razlikuju u ta�nosti koje se dobijaju tim izrazima. Posljednja modificirana formula za izra�unavanje Crek i Niek glasi [1]:

�

U Schaefflerov dijagram Bystram je ucrtao linije odnosno podru�ja mogu�ih opasnih pojava kao što su:

• izlu�ivanje sigma faze, odnosno pove�anje krhkosti (500-8000C) • pojava vru�ih pukotina (> 12500C) • pogubljenje zrna (> 11000C) • zakaljivanje i hladne pukotine (< 4000C).

Ove nepovoljne pojave zavise o koordinatama, odnosno o sastavu �elika, pa nam pored strukture daju podatke za izbor uslova zavarivanja: na�ina i postupka (režima) zavarivanja, oblika žlijeba, dodatnog materijala, stepen miješanja osnovnog i dodatnog materijala i slijeda zavarivanja. Delong je modificirao ekvivalent Ni unose�i uticaj azota (30 N) i mjere�i sadržaj delta ferita feritnim brojem FN (Ferrite Number). Za Schaeffler-ov dijagram možemo re�i da je podijeljen na pet podru�ja, koja se razlikuju po osobinama. Za izbor DM-a najpovoljnije je podru�je 5 (podru�ja su naglašena na slici 2.).

��

��

Slika 1: Schaeffler-ov dijagram za odre�ivanje strukture šava (www.brod.sfsb.hr)

Slika 2: Podru�ja pove�ane krhkosti poslije top linske obrade na 500-9000C; 2)

Podru�je pove�ane sklonosti toplim pukotinama; 3) Podru�je pove�ane sklonosti hladnim pukotinama u martenzitu. Neophodno predgrijavanje; 4) Ukrupnjavanje zrna iznad 11000C. Mala radnja loma na sobnoj temperaturi; 5) Podru�je dobre zavarljivosti (www.brod.sfsb.hr)

2.2 Primjena Schaeffler-ovog dijagrama Sljede�a slika (slika 3.) prikazuje korištenje Schaeffler-ovog dijagrama da bi se odredio kona�ni sastav ZT, poznavaju�i stepen miješanja, sastav metala koji se spajaju i sastav DM odnosno elektrode koja se koristi pri zavarivanju. Date je elektroda 24Cr 13Ni za zavarivanje 2.25Cr1Mo (M 1) s 12Cr1Mo03V (M 2). Sastav samog zavara treba biti u šrafiranom podru�ju, ako je mogu�e. Šrafirano podru�je u Schaeffler-ovom dijagramu predstavlja podru�je dobre zavarljivosti. Miješanje od 40% (za REL postupak) je izabrano u oba slu�aja. To pokazuje da tok i postupak koji se koristi za zavarivanje igraju bitnu ulogu u odre�ivanju postotka

��

��

miješanja i u izboru sastava zavarenog spoja. Za pojedine postupke zavarivanja imamo stepen miješanja koji ima približnu vrijednost. Tko da imamo:

• REL 20-25% miješanje; • MIG 20-40% miješanje; • EPP 20-50% miješanje; • TIG 20-50% miješanje; • EPP- navarivanje trakom 5-25% miješanje;

Sve ove vrijednosti zavise od niza faktora kao što su jakost struje, nagib elektrode, debljina materijala, vrsta dodatnog materijala, ali i osnovnog itd. Slijede�i primjer pokazuje primjenu Schaeffler-ovog dijagrama. Imamo metalni materijal 2.25Cr 1Mo (M 1) za koji izra�unavamo Cr i Ni ekvivalent na osnovu hemijskog sastava (tabela 2.). Tabela 2: Hemijski sastav 2.25Cr1Mo �

Iz hemijskog sastava slijedi prora�un Ni i Cr ekvivalenta:

�

Tako smo dobili ta�ku M 1 na Schaeffler-ovom dijagramu (unose�i vrijednost Cr i Ni ekvivalenta). Slijedi prora�un Cr i Ni ekvivalenta za drugi metalni materijal (12Cr1Mo0.3V). Tabela 3: Hemijski sastav 12Cr1Mo0.3V �

Slijedi prora�un:

�

Iz ovoga dobivamo ta�ku M 2. Ucrtane ta�ke M 1 i M 2 spajamo linijom, na �ijoj sredini se nalazi ta�ka A (dobiva se na osnovu miješanja 20%:20%). Poziciju dodatnog materijala na Schaeffler-ovom dijagramu

��

��

dobivamo kao i poziciju materijala M 1 i M 2 (na osnovu prora�una Cr i Ni ekvivalenta dodatnog materijala), te iz toga dobivamo ta�ku B. Spajamo ta�ku A sa ta�kom B, te na osnovu stepena miješanja postavljamo ta�ku C koja odgovara šavu, odnosno strukturi dobivenog šava. �itav postupak prikazan je na slijede�oj slici (slika 3.).

Slika 3: Dijagram Schaeffler za odre�ivanje sastava ZT spoja �elika (M1) i (M2) REL

zavarivanjem (40% miješanje OM). Najpovoljn iji je dodatn i materijal 24Cr 13 Ni-austenitne strukture s oko 7% ferita (može se koristiti i elektroda BÖHLER CM 2-IG) (www.brod.sfsb.hr)

Sam iz gled zavarenog spoja (osnovni materijal s dodatnim materijalom) (www.msitesting.com) dat je na slici 4. ovog rada.

Slika 4: Izgled zavarenog spoja (osnovni materijal s doda tnim materijalom)

(www.msitesting.com) 3. ZAKLJU�AK �esta je pojava da se dolazi u poziciju da se moraju zavariti �elici razli�itog hemijskog sastava odnosno osobina. Jedan od važnijih segmenate zavarivanja je zavarivanje raznorodnih materijala. Danas je skoro svaki metalni materijal zavarljiv, što veoma pospješuje mnoge grane industrije, a posebno pove�ava i primjenu pojedinih metalnih konstrukcija. Dva raznorodna metala je mogu�e zavariti, ali isklju�ivo se mora paziti da materijal M 1 je razli�it od M 2 i samim tim osobine su razli�ite, što predstavlja problem u izboru dodatnog materijala. Prvo se mora upoznati s njihovim osnovnim osobinama. Svakako, danas je mogu�e dva metalna materijala zavariti i nekim posebnim postupcima, ali se unosi velika koli�ina energije pri tom procesu, pa zavar nije toliko siguran zbog hemijskih karakteristika šava koje nastaju

��

��

upotrebom velike koli�ine energije. Pored ostalog potrebno je ista�i da se moraju pro�i sve pripreme prije zavarivanja ovakvih konstrukcija te izvršiti pravilan izbor dodatnog materijala , a i samog proizvo�a�a, što pokazuje i ovaj rad (elektroda BÖHLER). LITERATURA 1. 1.Schaeffler dijagram Ir G Henderieckx GietechDIAGRAM BV March, 2006;

SCHAEFFLER DIAGRAM; “CALCULATION OF STRUCTURE FOR STAINLESS STEELS”

2. 4. SEMINAR; „�elici otporni na koroziju“ (nehr�aju�i �elici) 24.05.2007., Pula „ZAVARIVANJE Cr-Ni CELIKA, KOROZIJSKA POSTOJANOST,RUKOVANJE“ Prof.dr.sc. Ivan Juraga, Vinko Šimunovi�, dipl. ing., Ivan Stojanovi�, dipl. ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje, 10 000 Zagreb, I. Lu�i�a 5

3. “ZAVARLJIVOST MIKROLEGIRANIH POBOLJŠANIH �ELIKA RABLJENIH U BRODOGRADNJI”; Dr. sc. Nedjeljko Mišina, Fakultet elektrotehnike, strojarstva I brodogradnje Sveu�ilišta u Splitu, R. Boškovi�a b.b., 21000 Split; Dr. sc. Marijo Oršuli�, Visoka pomorska škola Sveu�ilišta u Splitu, Zrinsko-frankopanska 38, 21000 Split; Dr. sc. Ivan Polajnar, Fakultet za strojništvo, Ašker�eva 6, 1000 Ljubljana, Slovenia

4. 4. Me�unarodno znanstveno-stru�no savjetovanje TEHNOLOGI�NA PRIMJENA POSTUPAKA ZAVARIVANJA I ZAVARIVANJU SRODNIH TEHNIKA U IZRADI ZAVARENIH KONSTRUKCIJA I PROIZVODA; Slavonski Brod, 14. – 16. studeni 2007.; “NEKA ISKUSTVA PRI ZAVARIVANJU MARTENZITNOG �ELIKA T/P 92”; B. DESPOTOVI�, T. MARSENI�, B. BRECHELMACHER, D. BIRA�

5. “OSVAJANJE TEHNOLOGIJE ZAVARIVANJA DVOSLOJNIH Cr-Mo-Ni �ELIKA VISOKE �VRSTO�E”; Z. Odanovi�, V. Grabulov, B. Katavi�; April 2008.

6. “PRIMENA SEFLEROVOG DIJAGRAMA ZA PROCENU ZAVARLJIVOSTI NEHR�AJUCIH �ELIKA”; Mr Julija FISL, dr Bela SABO, dr Ivan GLAVARDANOV, dr Leposava SIDANIN Fakultet tehni�kih nauka, Novi Sad

7. “Ferit u metalu zavara-Schaefflerov dijagram”; WRC 1992 Constitution dijagram; Lincoln electronic

8. “Postupci zavarivanja i njihov utjecaj na kvalitetu i troškove u proizvodnji“; jednodnevni seminar; voditelj seminara: dipl. ing. Nihad Crnali�, EWE; Pula 08.12.2005.

9. Dr. Džafer Kudumovi�; “Zavarivanje i termi�ka obrade”; Univerzitet u Tuzli; Fakultet elektrotehnike i mašinstva; Tuzla januar 1998. god.

10. Avram Majstorovi�, Milorad Jovanovi�; „Osnovi zavarivanja, lemljenja i lepljenja“; Nau�na knjiga; Beograd 1995. god.

11. Internet: http://www.thomas-sourmail.org/stainless/index.html http://www.migweld.de/english/service/welding-stainless-steels/schaeffler-diagram-with-different-base-materials.html http://www.migweld.de/english/products/packaging/nickel-alloys.html http://en.wikipedija.org http://www.elektroda-zagreb.hr/dodatni_materijali3.htm http://www.sfsb.hr/kth/zavar/tii/mikro.html http://www.treatrade.hr/Reparaturna_tehnika.html http://www.varstroj.si/index.php/naputci-za-izbor-postupka-zavarivanja.html http://www.brod.sfsb.hr http://www.msitesting.com

��

��

Kakovost spoja trdega navara na valjih stroja za kontinuirno litje

Petro Yasniy1, Pavlo Maruschak1, Volodymyr Hlado1, Tomaž Vuherer2, Vladimir Gliha2

1Ternopil Ivan Pul’uj State Technical University, Ukrajina 2Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Slovenija

Povzetek

Analizirali smo lastnosti materiala na spoju trdega navara na mehko osnovo valja za kontinuirno litje, ki je mo�no podvržen nastajanju razpok zaradi termi�nega utrujanja. Z merjenjem mikro trdote in meta lografsko analizo ter s fraktografsko analizo vzorcev, ki so bili zlomljeni pri dveh referen�nih temperaturah, smo zaklju�ili, da je kakovost tega zelo tankega sloja zadovoljiva. Nismo našli nikakršnih napak, a sama žilavost je glede na karakteristike prelomnih površin materiala na spoju dobra.

1. UVOD

Valji strojev za kontinuirno litje jekla so izredno mo�no obremenjeni strojni deli tako v mehanskem kot v toplotnem smislu. Po dolo�enem �asu uporabe se na njih pojavi mreža razpok, ki so znak izrabljenosti valjev in vplivajo na kvaliteto litega izdelka. Tak vzorec materiala površine valjev po dolo�eni dobi uporabe je prikazan na sliki 1.

Slika 1: Valj z mrežo razpok

Da bi pri omejeni ceni takšne opreme dosegli dobre operativne lastnosti valjev in �im daljšo uporabo, se navari na mehko osnovo trše jeklo in tako dobi primerno trdno delovno površino. Za osnovo valja uporabljajo materiale iz skupine navadnih feritno-perlitnih jekel, za navarjanje pa legirane elektrode, tako da dosežejo zaš�itni sloj s feritno-martenzitno mikrostrukturo. Ta sloj mora imeti visoko trdoto ter biti odporen proti obrabljanju in pregorevanju. Vse te lastnosti zaš�itnega sloja in njegovo odpornost na nastajanje razpok zaradi termi�nega utrujanja materiala se doseže z optimalno mikrostrukturo materiala navara v smislu njegove kemi�ne sestave in kombinacije mikrostrukturnih sestavin.

��

��

Jasno je, da se mikrostruktura materiala na spoju navara, to je na prehodu od osnovnega feritno-perlitnog jekla na sloj feritno-martenzitnega jekla, odraža na mehanskih lastnostih tega spoja in zaradi tega na funkcionalnost celotne strojne komponente [1]. Morfologija martenzita na �rti spajanja dveh razli�nih jekel vpliva na krhkost materiala, oziroma na raven njegove lomne žilavosti. Ta lastnost materiala je bistvena na mestu, kjer se napetosti, ki so posledica oviranega termi�nega širjenja i kr�enja materiala, v �asu cikli�nega prihajanja površine valja v stik z vro�im materialom, najbolj intenzivno spreminjajo. Zaradi zadovoljive lomne žilavosti je spoj med osnovo i navarom bolj odporen proti pojavu razpok zaradi termi�nega utrujanja. Razen tega pa možno izlo�evanje karbidnih delcev in visoka stopnja tetragonalnosti martenzitne kristalne rešetke povzro�i zmanjšanje plastifikacije dislokacijskih letev, kar ima za posledico velike mikrostrukturne napetosti. V �lanku so prikazani rezultati metalografskih in fraktografskih raziskav mikrostrukturnih parametrov materiala na spoju trdega navarjenega sloja na mehko osnovo valja, ki so dobljeni pri raziskavah z opti�nim mikroskopom in elektronskim vrsti�nim mikroskopom. 2. METODA RAZISKOVANJA Po navarjanju je bil premer valja 97 mm. Navarjanje bilo je izvedeno pod praškom z dvema slojema v skupni debelini 3.6 mm z 2.4-mm žico in z legirnimi elementi v prašku. Jakost elektri�nega toka je bila I = 240-260 A, napetost U = 28 V ter hitrost navarjanja v = 30-34 m/h [2]. Da bi se zmanjšal uvar in s tem stopnja namešanja, kar vpliva na delež osnovnega materiala v sestavi navara, je bil prvi sloj narejen z elektrodo na + polu, naslednji sloj pa z obratno polariteto. Dolo�ili smo kemi�no sestavo obeh materialov navarjenega valja. Osnovni material je jeklo 35G2, a navarjeni sloj odgovarja jeklu 18Kh11MNFB (tabela 1). Tabela 1: Kemi�na sestava materiala navarjenega valja

Jeklo C Si Ni Cu Cr Mn Mo V 35G2 0,35 0,25 0,3 0,3 0,3 1,4 - -

18Kh11MNFB 0,18 0,6 1,0 - 11 1,0 0,7 0,2 Mikrostrukturno analizo navarjenega podro�ja smo po jedkanju poliranih površin vzorcev s 5 g FeCl3 v 10 ml HCl in 100 ml C2H5OH izvedli z opti�nim mikroskopom Epiphot 300 in vrsti�nim elektronskim mikroskopom REM-106 tipa I. Trdota je na navarjenim vzorcih dolo�ena z merilcem Super Rockwell pri obremenitvi 150 N, a mikro trdota na podro�ju prehoda na trdi navarjeni sloj z merilcem PTM-3 i pri obremenitvi 1 N in držanjem obremenitve 15 s. Udarno žilavost bimetalnih vzorcev dimenzije 5×5×27.5 mm z V-zarezo globine 1 mm ter ostrino 0.125±0.0125 mm z uravnoteženim delom osnovnega materiala i materiala navara smo izmerili na Charpy kladivu VKM-5 pri temperaturah +20 in +250°�. Dolo�itev vpliva mikrostrukturnih parametrom na mikro mehanizme loma je bilo izvedeno na prelomih teh preizkušancev z uporabo vrsti�nega mikroskopa REM-106 tipa I. 3. REZULTATI IN DISKUSIJA Osnovni material valja, ki je nosilec trdega navara, je jeklo 35G2, ki se uvrš�a med srednje oglji�na feritna-perlitna jekla. Raziskave mikrostrukture so pokazale, da gre za strukturno

��

��

enostaven ferit, perlitne kolonije, ki so locirane na razli�nih delih feritnih zrn z podolgovatimi ali globularnimi karbidnimi podro�ji [4]. Glede na dispergiranost delcev cementita lahko zaklju�imo, da gre za sorbitno mikrostrukturi. Navar na valju iz jekla 18Kh11MNFB se uvrš�a med nizko oglji�na feritno-martenzitna jekla. Martenzitne cone mikrstrukture su iz letev dislokacijskega martenzita [4]. Metalografska analiza vzorcev je pokazala, da so na spoju obeh materialov pravzaprav tri razli�ne cone. Prva cona obsega osnovni material, ki je termi�no vplivan v �asu navarjanja prvega sloja navara, druga je v širšem smislu �rta spajanja, a tretja je prehodno podro�je na navaru. Celotna širina �rte spajanja se na razli�nih delih vzorcev ne spreminja veliko in znaša okoli 150 µm (slika 2). Ker se osnovni material bolj jedka od materiala spoja, je medsebojna penetracija enega materiala v drugega dobro vidna (slika 2d). Na spoju nismo našli nikakršnih sledov nizov ali posami�nih por ter nekovinskih dodatkov. Zaradi pojave enakomerno distribuiranih oksidov v zvarni kopeli nastanejo oksisulfidi MnS•FeS•CrS•FeO. Posledica je, da so med kristalizacijo kopeli in nastajanjem martenzitnih letev odsotni vklju�ki manganovega sulfida (MnS). Mikro trdota osnove se spreminja od 220 HV ob �rti spajanja do 180 HV na oddaljenosti 1.5 mm od �rte spajanja (slika 3b).

a

b

c

d

Slika 2: Spoj, ki deli osnovo valja, torej jeklo 35G2, od navara, ki ima kemi�no sestavo

jekla 18Kh11MNFB. Dve fo tografiji pri razli�n i pove�avi so narejene z opti�nim mikroskopom (a, b) in dve z vrsti�nim elektronskim mikroskopom (�, d).

��

��

V navarjenem jeklu je do 0.1 mm od �rte spajanja zabeleženo lokalno pove�anje mikro trdote do 543 HV, a malo dalje, na oddaljenosti 0.5 do 1.5 mm, je mikro trdota 480-488 HV. Verjetno pride do pove�anja mikro trdote �isto ob �rti spajanja zaradi formiranje depozita karbidov vzdolž mej zrn navarjenega jekla. Razen tega je lahko pove�anje mikro trdote povzro�eno s pove�anjem dela martenzita v feritno-martenzitni mikrostrukturi s fragmentacijo lamel v martenzitnih paketkih. Fotografije z odtisi od merjenja mikro trdote v bližini �rte spajanja so prikazane na sliki 3c in 3d.

-2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0

200

250

300

350

400

450

500 HV150

L, mm

35G2 18Kh11MNFB

- 1,5 - 1,0 - 0,5 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

200

300

400

500

600 HV1

L, mm

35G2 18Kh11MNFB

a b

c

d

Slika 3: Trdota in mikro trdota preko spoja osnove ni navarjenega sloja (a,b) ter odtis i od merjenja mikro trdote na �rti spajanja (c,d)

Fraktografska analiza prelomne površine, izvedena po merjenju udarne žilavosti, dokazuje transkristalni karakter loma obeh jekel pri nižji in višji temperaturi testiranja, vendar pa se prelomne površine mo�no razlikujejo. V navaru (jeklo 18Kh11MNFB) se vidi pri temperaturi testa +20°C lom z kvazi cepljenjem v kombinaciji s površino, ki nastane z bolj žilavim transkristalnim lomom. Prisotnost sekundarnih mikro razpok dokazuje, da je bil del energije za prelom porabljen tudi za njihov nastanek. Strižno deformirana podro�ja so karakteristi�na po nekaj manjši plasti�ni deformaciji, pri �emer je na prelomni površini, ki nastane s takšnim lomom, opažena mreža grebenov, kar dokazuje prisotnost krhkega in nekaj bolj žilavega tipa loma.

��

��

Rezultati fraktografske analize dela preizkušanca iz jekla 35G2, ki je bil zlomljen pri temperaturi +20°C, izkazujejo jami�asto strukturo preloma (slika 4a). Pri žilavem prelomu tega dela Charpy preizkušancev se ustvarijo paraboli�ne jamice, ki nastanejo z izvle�enjem delov materiala v nasprotni smeri od mesta za�etka loma iz zareze. Neke ve�je jamice, ki presežejo velikost 5 µm, prestavljajo manj trdne dele mikrostrukture, vendar je raztegovanja in stiskanje materiala med njimi dokaz da je med lomom potrošeno veliko energije. Rezultati fraktografske analize preloma na temperaturi +250°C povedo, da gre tudi v tem primeru za manjše, mnogo bolj fine jamice (slika 4b). Razen tega so prisotna podro�ja z kvazi cepljenjem in interkristalnimi mikro razpokami. Odsotnost ve�jih jamic na delu prelomne površine na jeklu 18Kh11MNFB je dokaz manjše plasti�ne deformacije materiala. V mnogih vdolbinah so delci, ki so vzrok za za�etek nastajanja mikro por. Ko je bila temperatura testiranja žilavosti +250°C se v jeklu 35G2 oblikujejo podro�ja z izvle�enimi deli materiala, ki so prepleteni, kar dokazuje, da je plasti�nost in poraba energije za lom pove�ana (slika 4). Velikost in izvle�enje paraboli�nih jamic se pove�a, pove�a pa se tudi zbiranje materiala na stranskih površinah Charpy preizkušancev. Fraktografska analiza prelomnih površina dokazuje da imajo podro�ja na osnovnem, mehkejšem jeklu 35G2 in na trdem jeklu 18Kh11MNFB razli�en karakter loma. Ugotovili smo, da na prelomu na spoju ni mikro razpok. Zaklju�imo lahko, da zaradi navarjanja to podro�je ni postalo bolj krhko.

a

b

Slika. 4: Fraktografski posnetki �rte spajanja po testiranju udarne žilavosti na temperaturi +200

� (a) in +2500� (b)

LITERATURA 1. Dombrovsky F.S., Leshchinsky L.K.: Serviceability of hard-faced rolls of billet

continuous caster. Kyiv, E.O. Paton Institute of Welding, 1995. 198 p 2. Krasilnikov S.G., Okunev Y,V., Panteleymonov V.A.: Application of the power wire

OSC “T.M. WELTEK” in manufacturing metallic constructions JSC “NKMZ”. Svarshchik. 2007. No 1. p. 6-9

3. Orlov L.N., Golyakevych A.A., Novikova D. P.: Welding of the CCM supporting surfaces by the powder wire. Svarshchik. 2002. No 3. p 5-12

4. Yasniy P., Hlado V., Maruschak P.: Effect of structure on the fracture micromechanisms of the CCM roll welded layer under the impact toughness. Scientific Letters. Selected papers, Lutsk. 2007. Issue 20. p. 591-595

��

��

�

��

��

�� !��"��

# ��

�

$�%� ��&� ��' ��

��

��

��

Determination of Welding Heat Input in TIG and Laser welding of duplex LDX 2101 Steel

S. Cvetkovski1, L.P. Karjalainen1, V. Kujanpää2, A. Ahmad2

1University of Oulu, Department of Mechanical Engineering, Box 4200, 90014 Oulu, Finland

2Lappeenrant a University of Technology, 53851 Lappeenranta, Finland Abstract

The heat input applied in arc w elding can be estimated based on the pow er taken from the welding power source and the thermal efficiency of the welding method. In laser weld ing, however, the absorption of laser beam can vary very significan tly, so that the estimation o f laser heat input is difficult. In the presen t paper a method is described to estimate the rea l heat input applied in w elding based on determination of the temperature distribution in a welded jo int of dup lex steel sheet. The temperature distribution is determined based on observations of the positions o f certain metallurgical microstructures in the hea t-affected zone. The exact temperatures for the formation of these specific microstructures were obtained by thermal simulation using various peak temperatures and cooling rates. 1. INTRODUCTION In laser beam welding, the absorption of the beam in the metal is not known, so that the welding heat input cannot be calculated directly. The basic idea of this study is to develop a procedure for determination of heat input in the laser welding process by implementing the Adams equation for the two-dimensional heat distribution. To realize this idea, it is necessary to determine two characteristic microstructure locations corresponding to the known peak temperatures in the welded joints HAZ, and to measure the distance between them. Implementing the measured distance in the Adams equation, the absorbtion coefficient can be determined, and finally heat input can be calculated. 2. MATERIAL AND EXPERIMENATAL LDX 2101 (EN 1.4162; UNS S32101) is a quite new duplex steel grade. It is a low-alloyed, general-purpose duplex stainless steel. The main properties of LDX 2101 steel are: high strength, good fatigue resistance, very good weldability, good corrosion resistance, high resistance to stress corrosion cracking and high energy absorption [1-7]. The balanced chemical composition of LDX 2101, given in Table 1, results in a microstructure containing approximately equal amounts of ferrite and austenite. Table 1: Chemical composition of LDX2101 steel (wt% )

Element C N Cr Ni Mo Mn % 0.03 0.22 21.5 1.5 0.3 5.0

��

��

Sheets from LDX 2101 steel, with thickness of 3 mm, were investigated in this study. The tests material was provided by Outokumpu Stainless Oy. Two autogenous, automatic TIG, bead-on-plate welding experiments were carried out. The welding parameters employed are given in Table 2. An intention was to obtain two dimensional thermal conduction conditions, i.e. deep full penetration. In the present tests, typical cross-sections of the welds are shown in macro photos Figure 1 (a and b). Table 2: Welding parameters used in two au togenous TIG bead-on-p late weld ing

experiments

Parameters Weld a Weld b Current (I) 120 150

Voltage (V) 12 12 Welding speed (mm/min) 220 250

Heat input Q (J/mm) 236 260

Figure 1: Macro photos of cross-sections of TIG bead-on-plate w elded joints Laser weldments were carried out at Lappeenranta University of Technology employing CO2 laser (He shielding gas with the flow rate of 20 l/min) in the keyhole mode. Applied parameters for laser welding tests are given in Table 3. Typical cross-sections are shown in Figure 2. Table 3: Welding parameters for laser weld ing tests

a b c

Figure 2: Macro photos of cross-sections of laser weldmen ts a. No 13 b. No 33 c. No 36 Simulation of the influence of thermal heat input on microstructures of the HAZ was performed on a Gleeble 1500 simulator. The shape and dimensions of the specimens for simulation experiments are shown in Figure 3. The following parameters were used in the simulation experiments:

• Heating rate: 500 0C/s

Weld No.

Sheet thick. mm

Laser power, W

Welding speed, m/min

Focal length,

mm 13 3 5000 1 300 20 3 5000 4.5 300 33 3 5000 1.5 200 36 3 5000 6 200

��

��

• Peak temperatures: 900, 1000, 1100, 1200, 1250, 1300 and 1350 0C/s • Holding time: 1 s • Cooling time, ∆t8/5: 1.7 s (air cooling), 5 s and 10 s.

Thermal history curves in the simulation experiments with the peak temperatures in the range 900-1350°C and the cooling time of 1.71 s (air cooling) can be seen in Figure 4.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

time, s

Peak

tem

perat

ure,

oC

Peak temp. 900 0C

Peak temp. 1000 0C

Peak temp. 1100 0C

Peak temp. 1200 0C

Peak temp. 1250 0C

Peak temp. 1300 0C

Peak temp. 1350 0C

Figure 3: Shape and dimensions Figure 4: Thermal curves in simulation: hea ting

of the specimens rate for thermal simulation 500°C/s, hold ing time 1s, cooling time 1.7 s After the bead-on-plate TIG and laser welding experiments and the Gleeble simulation, hardness measurements and metallographic investigations were performed. Hardness (HV2) was measured along the line beneath the surface of the sheet with the interval of 0.5 mm between the measuring points. Nine measurements were made on every specimen and the mean values were used. 2.1 Preparation of metallographic of specimens From the simulated specimens and TIG and laser weldments, specimens for metallographic investigations were made. Standard metallographic preparation of specimens is performed. Many trials with different electrolytic and chemical etchants were performed for appropriate revealing of characteristic microstructure. Quantitative and qualitative metallographic analysis was made on NIKON optical microscope. 3. RESULTS The influence of the peak temperature and cooling rates on the hardness is shown in Figure 5.

225

230

235

240

245

250

255

260

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400

Peak temperature , 0C

Har

dnes

s val

ues H

V2

t8/ 5 = 1 .71 s

t8/ 5 = 5 s

t8/ 5 = 1 0s

Figure 5: Hardness values in dependant o f the simula tion peak temperature and cooling

rate

30 15

10

30

5

��

��

3.1 Welding simulation - characteristic microstructure changes Microstructures of specimens heated to the peak temperatures in the range from 900 to 1350 0C and the cooling time of ∆t8/5=5 s are shown in Figure 6. Generally it can be seen that banded ferritic-austenitic microstructure is dominant in the temperature range 900-1300 0C. With increasing peak temperature the width of the bands tend to increase. This is most obvious at the highest peak temperatures of 1250 and 1300 0C. At 1300°C, the banded structure is still present, but as seen in Figure 6d, destruction of the banded structure starts at some isolated locations. At the temperature of 1350°C completely retransformed microstructure can be observed. New polygonal ferritic grains are formed with austenite on grain boundaries and in some cases inside the grains (Figure 6e).

a b

c d

e

Figure 6: Microstructure of LDX 2101 steel in simula ted thermal cycles ∆t8/5 = 5 s (10% Oxalic acid) a) Tp = 900 °C b) Tp = 1000 °C c) Tp = 1250 °C d) Tp = 13000 °C e) Tp = 1350 °C

Another observation from metallographic investigations of simulated specimens is the precipitation of particles, probably CrN nitrides, inside the ferrite grains, appearing as dark or black spots. From analyze of Figures 6a and 6b, can be seen that the start temperature of the precipitation is 1000°C. This conclusion was confirmed performing etching with different

��

��

etchants: H2S04, HNO3 and Beraha etchant. The specimens shown in Figure 6 were etched with 10% oxalic acid (4V, 60s). At highest temperatures, precipitation is very pronounced so that grains are almost black. Hence, as result of metallographic investigation of the thermal-simulated specimens, two characteristic temperatures can be determined:

• 1350 0C - peak temperature at which retransformation of microstructure appears. • 1000 0C - peak temperature at which precipitation of particles with appearance of dark

spot clusters are discovered in the ferritic bands. Simulation using different cooling times, i.e. ∆t8/5 = 1.7, 5 and 10 s did not show any noticeable difference in the microstructure. However, as seen in diagram figure 5, there is a slight difference in hardness values depending of cooling times. It can be noticed that the shape of curves are quite similar, and slight differences in hardness values can be result of difference in cooling rates. It can be noticed that after peak temperatures of 1100 0C, there is lowering of hardness values probably because of grain size/bands growth at higher temperatures. 3.2 Microstructure of TIG welded joints Similar microstructures as in the simulated specimens are detected in the HAZ of TIG welded joints, Figure 7. In Figure 7a the start of precipitation can be noticed. In Figure 8b, the weld metal, fusion line and HAZ adjacent to the fusion line are shown. Retransformation of microstructure and formation of equiaxed ferritic grains with austenite on grain boundaries and inside the grains are distinct. Precipitated particles are numerous, too. Precipitates in coarse-grained HAZ and weld metal can be seen in Figure 8 at a higher magnification. Precipitation occurs both inside the grains and grain boundaries ferrite/austenite. However, it was realized that short-time etching, i.e. light one, of about is much better for precipitation analysis (Oxalic acid, 4V, 40 s etching time).

a b

Figure 7: Microstructure of autogenous TIG bead-on-plate welded jo int, Q = 236 J/mm

a) start of precipitation b) HAZ, fusion line and w eld meta l

��

��

a b

Figure 8: Precipitation in TIG bead-on-plate w eldments a) HAZ b) weld metal 3.3 Metallographic investigations of laser weldments From macro-photos in Figure 2 and low a difference in the width of the weld metal and HAZ can be ascertained as a result of different heat input. Besides, in specimen No 36 with the lowest power, there is much more intensive precipitation of particles in the weld metal compared with other weldments (9a). As a result of high cooling rates (i.e. low heat inputs) there is much more ferrite in weld metal microstructure and adjacent to the fusion line. From pre-saturated ferrite, precipitation of particles can occur.

a b

Figure 9: Microstructure of laser weldment specimen 36

a) Laser weldment- lower magnification b) HAZ, fusion line and w eld meta l Another observation is that there is not such characteristic microstructure of the high temperature HAZ in laser weldments as found in TIG weldments. This means that equiaxed grains cannot be found, only bands of ferrite and austenite even very close to the fusion line. But, there is sharp fusion line between the weld metal and HAZ. This can clearly be seen from Figure 9b which concerns the microsturucture of the weld No 36 too. 3.4 Determination of welding heat input using the Adams equation and comparing to

the heat input applied in TIG welding After metallographic analysis of simulated specimens and autogenous TIG bead-on-plate welded joints, the procedure for heat input determination using the Adams equation was performed. As previously was pointed out, two characteristic peak temperatures (Tp) were observed by welding simulation:

• 1350 0C - temperature of retransformation of microstructure, • 1000 0C – the start temperature of nitride particle precipitation.

��

��

The melting temperature of 1445 0C i.e. temperature at fusion boundary taken from literature (8) was used in calculation too (Tm). The heat input in TIG bead-on-plate welding was determined using well known equation for arc welding. The values obtained are given in Table 2.

100060

∗∗∗∗=

vIU

Q η kJ/mm (1)

where: U – Voltage (V), A – current (I); v – welding speed (mm/min), η - efficency of welding process. Calculated values for Q from the equation (1) was implemented in the Adams equation in order to determine distance between the fusion line and precipitation start location (1000°C). The Adams equation [2] is used for the 2D-temperature distribution is as follows:

00

113.41TTQ

YctTT mp −

+∗∗∗∗=−

ρ (2)

The parameters and their values used for LDX 2101 steel are the following: Density of material, ρ = 0.008 g/mm3 ; Thickness of sheet, t = 3 mm; Specific heat capacity, c = 0.5 J/g0C; Y = distance between to temperature points, mm; Melting temperature Tm = 1445 0C, Ambient temperature To = 20°C; Peak temperature, Tp = 1000 °C; Heat input Q J/mm.

In the calculation, temperature at the fusion line, i.e. melting temperature Tm is taken as 1445°C, the data according to Rolled Alloys RA, and as the temperature of precipitation start 1000 °C was used according to metallographic analyze (Tp). Using the NIKON optical microscope the same distance was determined by direct measurement. The values for distance from measurements and calculations are given in Table 4. In Figure 10, the measurement using optical microscopy has been demonstrated. Table 4: Measured and calcula ted values for the d istance between 1445 and 1000 0C

Figure 10: Determination of temperature d istance 1445/1000 0C for TIG weldments

Q=260 J/mm

Temperature, TIG Q1 = 236 J/mm TIG Q = 260 J/mm Distance, µm Measured Calculated Measured Calculated 1445/1000 0C 1472 1517 1629 1672

��

��

As seen, the procedure shows very good consistence between the measured and calculated values for TIG welding, so that it can be implemented for laser weldments, too. 3.5 Determination of welding heat input using the Adams equation in laser welding In laser welding direct determination of heat input is not possible because the absorption coefficient should be known. From metallographic photos, the distance between the fusion line and precipitation start location, i.e. 1445/10000C, could be obtained. These values are implemented in the Adams equation (3) for the absorption coefficient determination:

( )

��

��

�

−−

−

∗∗∗��

�

� ∗∗��

�

� ∗∗∆=

omp TTTT

ce

Pdv

rA

11

22

0

ρπ

(3)

where: Α - absorption coefficient, ∆r - distance between maximum and minimum temperature position (mm), v- welding speed (mm/s), d - penetration depth 3 (mm), P - laser power 5000 (W), e - base natural log, ρ - material density 0.008 (g/mm3), T0 – ambient temperature 20 0C, Tm – melting temperature 1425 0C , Tp – peak temperature 1000 0C. Determination for the distance 1445/1000 0C in the case of different laser weldments is shown on Figure 11 and 12(a and b), and the values obtained for the absorption are given Table 5. Table 5: Values for absorption for different laser weldments and used parameters in its

calcula tion

Figure 11: Determination of temperature distance 1445/1000 0C for laser weldments by optical microscope, specimen 13, absorption 32%

Laser test No

Laser power

(W)

Welding speed

(mm/min)

Distance (µm)

Absorption %

13 5000 1000 612 32 33 5000 1500 375 29 36 5000 6000 113 35 36 5000 6000 144 44

��

��

After determination of absorption coefficient heat input in laser welding can be determined using the equation (4):

vPA

Q∗= (4)

where: Α - absorption, P - laser power 5000 W, v- welding speed (mm/s)

Figure 12 (a and b): Determination of temperature distance 1445/1000 0C for laser

weldments by optical microscope, specimen 36 a) absorption 35% b) absorption 44%

4. SUMMARY In the duplex LDX 2101 stainless steel, two characteristic temperatures were determined:

• 1350 0C - the peak temperature at which retransformation of microstructure appears. New polygonal ferrite grains delineated with austenite and smaller amount of austenite inside the grains is formed.

• 1000 0C - the peak temperature at which precipitation of particles, presumably chromium nitrides, with appearance of dark spot clusters are discovered in the ferrite bands. This peak temperature was used in performed calculations.

Based on the above-mentioned temperatures and corresponding microstructures, it is shown that the Adams equation can be used to predict the 2-D temperature distribution in autogenous bead-on-plate TIG welds. In CO2 -laser welding in the keyhole mode the similar microstructural features can be identified in the HAZ. However, the location of 1350°C is quite difficult to find, so that the precipitation start temperature must be located. The absorption coefficients obtained for laser welds varies between 29 and 44%. It seems that in joints welded at higher welding speeds have somewhat higher absorption coefficient. LITERATURE 1. LDX 2101 Duplex Stainless, Outokumpu Stainless AB 2. DATA SHEET LDX 2101 UNS S32101, Outokumpu Stainless 3. Ralph Davison, LDX New, Cost Effective Stainless Steel, Outokumpu Stainless 4. James Chater, The best of most worlds: recent developments in duplex and super duplex

alloys, www.stainless-steel-world.net 5. Anders Olsson, Market and Trends -Stainless Steel, Outokumpu Stainless AB,

��

��

6. LDX 2101 Comparative to last, Outokumpu Stainless 7. LDX 2101 AC/DC Covered electrodes www.avestawelding.com 8. Corrosion resistant rolled alloys, www.RolledAlloys.com , rolledalloys.com® - W

��

��

AC-MIG pulzno varjenje z VPS 3000 AC-MIG PLUS

Bojan Ternar

Varstroj d.d. Industrijska ulica 4, 9220 Lendava - Lendva Povzetek

Opisana je nadgradnja varilnega izvora, poimenovana VPS 3000 AC-MIG PLUS. 1. UVOD Vse ve�je so zahteve po univerzalnosti varilnih izvorov, pri �emer se hkrati zahteva absolutna zanesljivost in ponovljivost postopka v osnovnih in pri posebnih pogojih varjenja. Taki »univerzalni« varilni izvori morajo seveda omogo�ati možnost nadgrajevanja programske opreme, saj je to predpogoj za univerzalnost v prihodnosti. Ob takih zahtevah je možnost samo ena: inverterski varilni izvori. Obenem pa zaradi potrebe po pove�evanju produktivnosti varjenja nastajajo zahteva, da se z produktivnejšimi varilnimi postopki poskuša zamenjati manj produktivne postopke npr. TIG varjenje. Glede na znano dejstvo, da ja med osnovnimi na�ini varjenja MIG/MAG najbolj produktiven na�in varjenja, ima prav MIG/MAG postopek varjenja najve�jo možnost za poseg v podro�ja ostalih na�inov varjenja; pri tem pa seveda ne sme priti do kakršnekoli nezanesljivosti in zmanjšanja kvalitete. 2. AC-MIG PULZNO VARJENJE Zadali smo si željo po stabilnem varjenju tankih plo�evin debeline med 0,6 in 1,5mm, kar je tipi�no podro�je varjenja po TIG postopku. Pri varjenju tankih plo�evin se pojavljajo mnogi (standardni) problemi. Naštejmo najpogostejše:

• problem prevelike zra�ne reže med varjencema, kar ve�krat onemogo�a zanesljivost varjenja in s tem stabilnost procesa (predvsem pri varjenju na avtomatu oz. z robotom).

• pojavljanje deformacij plo�evine, kar še dodatno pove�uje problematiko pove�ane zra�ne reže med varjencema

• želja po pove�anju produktivnosti, kar nas pelje v smer izvedbe varjenja po MIG/MAG postopku

• zmanjšanje stroškov varjenja. Med mnogimi idejami se je ponujala tudi ideja o uporabi negativne komponente pri MIG/MAG varjenju. Na ta na�in bi si v procesu varjenja zagotovili nekaj dodatnega dodajnega materiala, s katerim bi zapolnili pogosto preveliko režo med tankima varjencema. Želja po pove�evanju koli�ine dodajanja dodajnega materiala seveda ni nova, a se je ponavadi kon�ala z zlepi (premalo ogret dodatni material), ali pa s pregrevanjem osnovnega materiala (prevelik vnos energije v postopek varjenja).

��

��

Slika 1: AC-MIG - oblika signala pri AC pulznem varjenju Pri pove�anem dodajanju-taljenju dodajnega materiala je zelo pomembno, da ne zaidemo v katero od zgoraj opisanih skrajnosti, zato moramo imeti delež negativne komponente strogo pod nadzorom, obenem pa skrbno ohranjati na razmerje med vnešeno energijo in koli�ino vnesenega dodajnega materiala, za kar v praksi potrebujemo kvaliteten sinergijski varilni izvor, saj povsem ro�no nastavljanja parametrov v praksi ni izvedljivo.

Delež EN = Ien x 100% Ien + Iep Iz grafa napetosti na sliki 1 vidimo, da z vpeljavo negativne komponente pride do prehoda napetosti skozi vrednost U = 0, pri �emer nam varilni oblok praviloma ugasne. Problema ne moremo reševati na na�in, kot nam je znan iz TIG varilnih izvorov. Slika 2: Blok shema VPS 3000 AC-MIG

��

��

V blok shemi inverterskega varilnega izvora VPS 3000 AC-MIG lahko opazimo posebno vezje ki skrbi, da varilni oblok v trenutku prehoda napetosti skozi U=0 ne ugasne. Gre za posebej za ta primer razvito vezje (razvoj in patent - OTC Daihen Corp.). Kot je razvidno iz sheme, gre za inverterski Varilni izvor, primeren za ro�no in tudi za avtomatizirano varjenje (predvsem varjenje z varilnim robotom). Ko omenimo AC-pulzno varjenje najprej pomislimo na varjenje aluminija. Tudi AC-MIG postopek je bil prvotno razvit za potrebe varjenja aluminija (VPS 3000 AC-MIG). V nadaljevanju pa se je pojavila potreba tudi po AC-pulznem varjenju ostalih materialov. Tako je nastala nadgradnja varilnega izvora, poimenovana VPS 3000 AC-MIG PLUS.

Slika 3: Vpliv negativne komponente na koli�ino taljenja doda jnega materia la Na sliki 3 je prikazan primer pove�anja taljenja dodajnega materiala AlMg3 premera 1.2 mm v odvisnosti od pove�evanja negativne komponente. Pri tem je seveda pomembno, da z deležem negativne komponente ne pretiravamo in najdemo pravo razmerje med vnosom energije in koli�ino vnosa dodajnega materiala. Pri tem nam je v veliko korist sinergijski varilni izvor, ki skrbi za pravo razmerje. Na sliki 4 je prikazan primer, ko vnos energije v osnovni material pada s pove�evanjem deleža negativne amplitude EN. Pri tem postaja penetracija manj globoka pri isti koli�ini dodajne žice.

Slika 4: Vpliv EN na globino penetracije / AC-MIG pulzno varjenje (prikazan primer:

varilni tok 60 A; hitrost varjenja 90 cm/min; osnovni material AlMg; 1.5 mm + 1,0 mm; žica AlMg5 premera 1,2 mm)

��

��

Slika 4 nam jasno prikaže, da dobimo z ustrezno kontrolo penetracije dobre rezultate varjenja tankih plo�evin tudi v primerih ve�je zra�ne reže med varjenima plo�evinama. Glede na dejstvo, da imamo prav pri tankih plo�evinah najve� težav z zra�no režo med ploš�ama osnovnega materiala, se prav v tem primeru pokaže velika prednost, ki jo omogo�a dodajanje negativne komponente (dodatno taljenje dodajnega materiala). Slika 5: Spreminjanje hitrosti dodajan ja dodajnega materiala v odvisnosti od deleža

EN (prikazan primer: varilni tok 80 A; hitrost varjenja 80 cm/min; osnovni material AlMg3 debeline 1,5 mm, varilna žica AlMg4,5 premera 1,6 mm)

Predstavljena je še ena dodatna funkcija, ki je namenjena varjenju materialov razli�nih debelin. Pogosto nastaja potreba po varjenje materialov izrazito razli�nih debelin. V takem primeri se nam dogaja, da je za tanjši material vnos energije prevelik, za debelejšega pa premajhen. V tem primeru imamo možnost uporabiti funkcijo SYNCHRO MIG. Funkcija je namenjena za robotsko varjenje ob uporabi VPS 3000 AC-MIG in robota generacije AX ali novejše. Omogo�a sinhronizirano spreminjanje varilnega toka glede na položaj gorilnika. Ko je gorilnik nad debelejšim materialom tok naraste na višjo vrednost, ko pa je nad tanjšim materialom, pa se zniža na nižjo vrednost (»pendlanje« gorilnika) Slika 6: Funkcija SYNCHRO MIG-omogo�a prilagajanje varilnega toka dvema

debelinama

��

��

Slika 7: VPS 3000 AC-MIG PLUS Slika 8: Tehni�ni podatki VPS 3000 AC-MIG PLUS

Inverterski sinergijski

MIG/MAG varilni izvor

- AC pulzno varjenje

- DC pulzno varjenje

- AC WAVE pulzno varjenje

- DC WAVE pulzno varjenje

- MIG lotanje

��

��

LITERATURA 1. Varstroj d.d., Lendava, Slovenija 2. OTC Dihen Corporation, Kobe, Japonska

��

��

Visoko produktivno A-TIG varjenje

Arpad Köveš

Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana Povzetek

V �lanku je podana primerjava visoko produktivnega varjenja A-TIG s konvencionalnim postopkom TIG na osnovi analize rezultatov prakti�nega varjenja. Predstavljena sta primera navarjanja nerjavnega jekla in varjenja oglji�nega jekla cevi po obeh postopkih ter uporaba pulznega varjenja. Po leg prakti�nih primerov je predstavljeno tudi fizikalno ozadje procesa varjenja po na�inu A-TIG, kjer z rabo površinsko dodanih aktivnih praškov bistveno pove�amo penetracijo zvara med varjenjem oziroma hitrost varjenja.

1. UVOD Varjenje po na�inu TIG uporabljamo, kadar dominirajo zahteve po lepem videzu zvara in visoka kvaliteta zvara. Pri tem na�inu oblok gori med netaljivo volframovo elektrodo in osnovnim materialom. Kot zaš�itni plin se uporabljata najve�krat inertna plina argon ali helij oziroma njuni mešanici. Glavna pomanjkljivost omenjenega na�ina varjenja je nizka penetracija, precejšnja ob�utljivost varilne kopeli na stanje površine osnovnega materiala ter nizka produktivnost. Za pove�anje uspešnosti in produktivnosti varilnega procesa po na�inu TIG se v zadnjem �asu v praksi vedno bolj uveljavlja varjenje z uporabo aktivnih praškov. Postopek pogosto imenujemo kar A-TIG varilni proces in izhaja iz angleške besede Active Flux TIG. Poglabljanje uvara in pove�anje varilne hitrosti je pri elektrooblo�nem varjenju z volframovo elektrodo mo� dose�i z dodajanjem površinsko aktivnih elementov, z obliko varilnega toka ter uporabo nekaterih oksidativnih mešanic plinov Ar-O2 in Ar-CO2 /1/, /2/, /3/, /7/. Varjenje A-TIG je na�in varjenja, kjer zaradi stiskanja obloka in spremenjenega toka taline v varilni kopeli dobimo precej globlji uvar v osnovni material, kot pri obi�ajnem TIG varjenju. V kombinaciji z globino uvara moremo uporabiti tudi bistveno ve�je hitrosti varjenja, kar pove�a produktivnost varilnega procesa. Prvi preizkusi uporabe na�ina A-TIG segajo v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, ko so na Patonovem institutu prvi� uporabili nanašanje aktivnega praška na površino osnovnega materiala in sicer pri TIG varjenju titana. Na osnovni material so nanesli tanko plast aktivnega praška, katerega del se je med varjenjem uparil ter reagiral s talino zvara. Poleg doseženih lastnosti zvara so opazili doseganje bistveno ve�je globine uvara kot pri klasi�nem na�inu TIG. A-TIG na�in varjenja je za�el doživljati ponoven preporod v zadnjih desetih letih, tako na razvojnem, kakor tudi na aplikativnem podro�ju. V tem kontekstu predstavljamo nekatere prakti�ne ugotovitve in dognanja. 2. VARILNI PREIZKUSI

Prvi sklop varilnih preizkusov predstavlja varjenje (navarjanje) nerjavnega avstenitnega jekla debeline 5 mm po na�inu TIG v zaš�itnem plinu Ar (100%). Varjenje smo izvajali na varilni

��

��

progi tako, da sta bila zagotovljena konstantna hitrost ter položaj gorilnika med varjenjem. Uporabili smo digitalni inverterski varilnik tipa OTC DT 300P. Primer nanosa aktivnega praška na osnovni material prikazuje slika 1, varilni parametri štirih razli�nih primerov s slikami zvarov pa v tabeli I.

Slika 1: Primer nanosa aktivnega praška na osnovni material – na sredini je lepo viden

prehod iz podro�ja brez praška na podro�je s praškom

��

��

V prvem primeru smo varili (navarjali) brez praška. Vrednost varilnega toka je znašala 204 A, varilna napetost 12 V. Pri drugem primeru smo uporabili visokofrekven�no pulzno DC varjenje frekvence 300 Hz z

razmerjem vrednost ter razmerjem . Opazili smo, da se je v tem primeru rahlo zožila širina temena zvara ter nekoliko pove�ala globina uvara. Razlike so opazne vendar minimalne. Pri tretjem primeru smo pri varjenju uporabili aktivni prašek tipa EWI SS-7, ki vsebuje titan, silicij in kromov tri oksid. Varili (navarjali) smo z enakimi varilnimi parametri kot v prvem primeru. Teme zvara se je nekoliko zožilo, uvar se je pove�al skoraj za tri krat. V �etrtem primeru smo pri uporabi aktivnega praška varili s pulzno obliko toka frekvence 300 Hz, razmerje vrednosti je bilo isto kot v drugem primeru. Zaradi efekta stiskanja obloka se vidi v primerjavi z prejšnjim primerom še nadaljnja zožitev temena zvara ter pove�anje uvara. V drugem sklopu primerov smo izvajali orbitalno varjenje cevi premera 180 mm z debelino stene 6,2 mm (zaš�itni plin argon) – slika 2. Uporabili smo sodoben varilnik za orbitalno varjenje firme Polysoude, ki omogo�a sektorsko programiranje varilnih parametrov.

Slika 2: Naprava za orbitalno varjenje cevi po na�inu TIG V prvem primeru smo varili cev brez praška – varilni tok je znašal 181 A, varilna napetost 9,1 V. Globina uvara je znašala le dobro polovico stene osnovnega materiala – slika 3. V drugem primeru smo uporabili aktivni prašek tipa EWI SS 7 ter varili z enakimi varilnimi parametri, kot prej. V tem primeru smo z enim varkom prevarili celotno steno cevi – slika 3.

��

��

Slika 3: Slika zvara brez nanosa praška in po nanosu praška 3. ANALIZA VARJENJA PO NA�INU A - TIG Pove�anje uvara oziroma pove�anje varilne hitrosti pri elektrooblo�nem varjenju z volframovo elektrodo je mo� dose�i z dodajanjem površinsko aktivnih elementov. Analiza pregleda raziskav razli�nih avtorjev in tudi rezultati lastnih dognanj potrjujejo dejstvo, da vglavnem vplivata naslednja faktorja na rezultat varjenja:

• sprememba tako imenovanega Marangonijevega toka, ki je posledica spremembe

gradienta površinske napetost ter efekt • stiskanja obloka

Pri varjenju A-TIG se koncentrira oblok in spremeni tok taline, kar je odvisno od gradienta površinske napetosti. Zaradi velikega vpliva temperaturne odvisnosti površinske napetosti se smer toka taline v varilni kopeli obrne (od toka navzven v tok navznoter) in to pri enakih varilnih parametrih. Temperaturno odvisnost površinske napetosti spremenijo dolo�eni kemijski elementi, ki jih v obliki premaza dodamo na površino osnovnega materiala ali celo dodajamo v obliki zaš�itnega plina v oblok in na talino zvara. Premaz more vsebovati naslednje element: kisik (O), žveplo (S), titan (Ti), selen (Se), antimon (Sb) telur (Te) ipd. Imenujejo se površinsko aktivni elementi. Opravljene so bile številne raziskave glede efekta aktiviranih tokov na TIG oblok pri varjenju. Poleg boljše omo�ljivosti taline je pomembna sprememba smeri toka taline (Marangonijevega toka). Le-ta je posledica spremembe koeficienta temperaturnega gradienta površinske napetosti γ. Pri negativnih vrednostih γ imajo hladnejša obrobna obmo�ja taline zvara višjo površinsko napetost, kot v središ�u zvara, zato je tok od znotraj navzven, kar ustvari široko in plitvo varilno kopel. Pri materialih s pozitivnim γ pa je smer toka taline obrnjena od roba proti sredini, kar ustvarja ožjo in globljo talino zvara za povsem enake varilne parametre /4/. Na sliki 4 moremo videti Marangonijeve tokove v odvisnosti od gradienta površinske napetosti.

��

��

Slika 4: Marangonijev tok v zvarni kopeli za γ < 0 in γ > 0 Drug pomemben pojav je, kot smo že omenili, koncentriranje oziroma stiskanje obloka. Oblok postane ožji in prodornejši, kar prav tako vpliva na ve�jo penetracijo. Na sliki 5 moremo videti primer stiskanja obloka posnete s hitroslikovno kamero.

Slika 5: Efekt stiskanja obloka Pri varjenju po na�inu A-TIG moremo opaziti tudi rahlo pove�anje oblo�ne napetosti, kar ugotavljata tudi C. Dong in S. Katayama /5 /, slika 6. To pomeni, da so polja oblo�nih karakteristik pri varjenju A-TIG rahlo dvignjena v primerjavi s klasi�nim na�inom varjenja vendar ne toliko, da bi izraziteje vplivala na parametre varilnega procesa. To pomeni, da je za varjenj po na�inu A-TIG možno uporabiti enake varilnike kot za konvencionalno TIG varjenje. Za pulzno varjenje višjih frekvenc pa pridejo v poštev le moderni elektronski varilniki /6/. Pri prakti�nih preizkusih smo ugotovili, da se je pri enaki hitrosti varjenja uvar pove�al iz vrednosti 1,71 mm na 4,98 mm (prvi sklop primerov), kar je skoraj za tri krat. Podobno smo ugotovili pri varjenju cevi. Seveda je možno za doseganje enakih penetracij v primeru varjenja A-TIG uporabiti tudi do tri krat ve�je hitrosti varjenja. V vsakem primeru omenjeni postopek omogo�a najmanj tri krat ve�jo produktivnost v primerjavi s klasi�nim na�inom TIG. Pomembno je tudi dejstvo, da je mo� uporabiti prakti�no enake varilne izvore pri varjenju.

��

��

Slika 6: �asovni potek varilne napetosti: A brez nanosa aktivnega praška

B z nanosom aktivnega praška 4. ZAKLJU�EK Rezultati varjenja, predstavljeni v tem delu kažejo, da je z uporabo aktivnih praškov mo� bistveno pove�ati penetracijo pri varjenju na�ina TIG (približno za 300%). Z enim varkom smo dosegli polno prevaritev pri navarjanju avstenitnega jekla debeline 5 mm pri varjenju s tokom 204A oziroma polno prevaritev pri varjenju cevi debeline 6,2 mm pri toku 181 A. Še boljše rezultate glede penetracije moremo dobiti pri uporabi aktivnih praškov v kombinaciji z visokofrekven�nim pulznim na�inom varjenja (med 100 Hz in 300 Hz), saj se v tem primeru pove�a efekt stiskanja obloka. Varilna napetost se je pri uporabi praškov nekoliko pove�ala, vendar ne bistveno ve� kot za 1V. A-TIG varilni proces ne zahteva posebnih dinami�nihlastnosti varilnika, zato zadostujejo obstoje�i varilni izvori. Pove�anje produktivnosti A-TIG varjenja odpira nadaljnje možnosti uporabe na�ina TIG tudi na podro�ju avtomatizacije. Ker so praški danes komercialno že dostopni, njihova cena sprejemljiva, pri�akujemo, da se bo omenjeni na�in varjenja za�el uveljavljati v praksi tudi pri nas. Upamo, da bo k uveljavitvi predstavljenega na�ina varjenja pripomogel tudi pri�ujo�i �lanek. LITERATURA 1. Tomc, J.: Vloga površinske napetosti taline zvara pri varjenju A-TIG (1. del). Varilna

tehnika, 53(2004)1, str. 3-12. 2. Tomc, J.: Vloga površinske napetosti taline zvara pri varjenju A-TIG (2. del). Varilna

tehnika, 53(2004)2, str. 47-53. 3. Lu, S., Fujii, H., Tanaka, M., Nogi, K.: Effects of welding parameters on the weld Shape

in Ar-O2 and Ar-CO2 shielded GTA welding. IIW Doc. XII-1801-04. 4. Lowke, J. J., Tanaka, M., Ushio, M.: Insulation effects of flux layer in producing Greater

weld depth. IIW Doc. XII-1800-04. 5. Dong, C., Katayama, S.: Basic inderstanding of A-TIG welding process. IIW Doc.: XII-

1802-04. 6. Köveš, A.: Stanje in trendi nadaljnjega razvoja varilnikov za elektrooblo�no varjenje. Dan

varilne tehnike 2005, Zbornik referatov, Novo mesto 26. maj 2005, str. 106-113. 7. Köveš, A.: Visokou�inski A – TIG postupak za zavarivanje = High-productivity A – TIG

welding. V: SAMARDŽI�, Ivan (ur.). 4. Me�unarodno znanstveno-stru�no savjetovanje Tehnologi�na primjena postupka zavarivanja i zavarivanju srodnih tehnika u izradi zavarenih konstrukcija i proizvoda, Slavonski Brod, 14. – 16. studeni 2007. Zbornik radova. Slavonski Brod: Strojarski fakultet, 2007, str. 45-51.

��

��

Varjenje MIG/MAG z gladkim in impulznim enosmernim varilnim tokom in virom mo�i s pretvornikom v tiristorski tehnologiji

Danijel Langus, Viljem Kralj*, Janez Grum*

*Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ašker�eva 6, 1000 Ljubljana

Povzetek

V prispevki je opisana posodobitev vira mo�i s tiristorski tehnologijo z uporabo novega na�ina programiranega vžiga tiristorjev in vgradnjo dodatnih filtrov. 1. UVOD Konvencionalni viri mo�i za varjenje MIG/MAG z gladkim in impulznim enosmernim varilnim tokom, �e se ozremo na obdobje, ko se je že pri�ela uporabljati mo�nostna elektronika, so bili realizirani v tiristorski tehnologiji, ki je zaradi hitrega razvoja in prednosti, ki ga je ponudila tranzistorska tehnologija, ta prevladala nad tiristorsko. Tranzistorska tehnologija je v tem obdobju popolnoma nadomestila tiristorsko. Prevlada te tehnologije je trajala vse do nekaj let nazaj, ko so trendi v razvoju in eksploataciji opozorili na ponoven vzpon deleža virov mo�i enosmernega varilnega toka, realiziranih v tiristorski tehnologiji. Pospešen razvoj je namre� omogo�il rešitve s katerimi so vpeljali posodobitve, ki so omogo�ile, da so tiristorski viri mo�i postali cenejši, enostavnejši in zanesljivejši v delovanju in vzdrževanju. Slednje se je izkazalo predvsem v praksi pri izdelavi težkih konstrukcij, v ladjedelništvu, petrokemiji ipd. Kot je bilo omenjeno, imajo novejše tehnologije mo�nostne elektronike, krmiljenja in regulacije zelo mo�an vpliv na razvoj virov mo�i, še posebej na podro�ju varjenja MIG/MAG. Pojavili so se novi viri mo�i, ki so realizirani z IGBT tranzistorji, ki so manjši, lažji in u�inkovitejši kot konvencionalni, pri tem pa nudijo vrsto funkcij s katerimi lažje izbiramo nastavitve, kar zagotavlja boljše rezultate varjenja in ve�jo udobnost rokovanja z napravo, kar zmanjša odpor varilcev pri uporabi novih naprav. Pa vendar so viri mo�i s tiristorskimi pretvorniki, ki imajo v primerjavi s tranzistorskimi pretvorniki omejene možnosti, še vedno zelo priljubljeni v eksploataciji, ker so robustni, cenejši in enostavnejši za uporabo in vzdrževanje, zaradi napredka na podro�ju tiristorske tehnike in uvedbe GTO tiristorjev, kar je zagotovilo zanesljivejše delovanje. Za varjenje MIG/MAG s tiristorskim pretvornikom v primeru varjenja z gladkim enosmernim varilnim tokom obi�ajno uporabimo vir mo�i, ki vsebuje trifazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost in trifazno polnovalno mosti�no vezje, ki je polnokrmiljeno (slika 1). Na izhodu vezja je vgrajena dušilka, ki izhodni tok zgladi in zagotovi ustrezno dinamiko. Nivo enosmerne napetosti na izhodu pretvornika lahko spreminjamo s spremembo to�ke vžiga tiristorjev ali pa s primarnimi odcepi na transformatorju.

��

��

Slika 1: Vir mo�i za varjenje MIG/MAG z gladkim enosmernim varilnim tokom Za varjenje MIG/MAG s tiristorskim pretvornikom in uporabo varjenja z gladkim in impulznim enosmernim tokom , uporabimo vir mo�i, ki vsebuje dva pretvornika, ki sta vezana paralelno. Prvi tiristorski pretvornik napaja posebni dvofazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost, ki jo potrebujemo za impulze varilnega toka , tiristorski pretvornik pa je izveden v dvofaznem polnovalnem mosti�nem vezju, ki jo polnokrmiljen (slika 2). Drugi pretvornik napaja posebni trifazni transformator, ki prilagodi nivo omrežne napetosti na uporabno vrednost osnovnega varilnega toka, kar je pogoj za dosego stabilnosti varjenja, pretvornik sam pa je izveden v trifaznem polnovalnem mosti�nem vezju, ki je nekrmiljeno. Namesto tiristorjev uporabimo v tem primeru diode in ker je vrednost osnovnega toka majhna, je cena pretvornika in transformatorja nizka. To zelo poceni vir mo�i.

Slika 2: Vir mo�i za varjenje MIG/MAG z impulznim enosmernim varilnim tokom Izhoda iz obeh pretvornikov sta vezana paralelno. Na izhodu je vgrajena dušilka, s katero uravnavamo dinamiko procesa varjenja. Jakost osnovnega enosmernega varilnega toka nastavimo na primerno velikost s pomo�jo odcepov drugega pretvornika, medtem ko jakost in trajanje impulzov nastavimo s spremembo to�ke vžiga tiristorjev prvega pretvornika. Impulzno frekvenco izberemo s pomo�jo prvega pretvornika in je obi�ajno mnogokratnik osnovne mrežne frekvence. Viri mo�i s tiristorsko izvedbo pretvornika povzro�ijo nastanek višjih harmonskih komponent napajalnega toka, kar zelo obremenjuje napajalno mrežo. Prvi vzrok za nastanek višjih harmonskih komponent v dovodu je predvsem v obliki toka, ki ga dobimo iz pretvornikov in ni sinusne oblike. Pojav povzro�a širinsko krmiljenje tiristorjev ali pa popa�enje sinusne oblike zaradi vpliva nasi�enosti železnega jedra. Metoda, s katero analiziramo omenjene pojave, je Fourierjeva analiza periodi�nih funkcij. Drugi vzrok za nastanek višjih harmonskih komponent v napajalnem toku pa je nesimetri�na obremenitev. Metoda, s katero analiziramo omenjene pojave, je metoda simetri�nih komponent, ki jo nadgradimo s Fourierjevo analizo. Opisane višje harmonske komponente zelo obremenjujejo napajalno omrežje. Slednje je še posebej poudarjeno v primeru varjenja z impulznim enosmernim varilnim tokom zaradi nesimetri�ne obremenitve, ki jo povzro�a dvofazni tiristorski pretvornik, kar povzro�i reakcijo mreže tako, da se zelo poslabša faktor mo�i.

��

��

2. POSODOBLJEN VIR MO�I S TIRISTORSKIM PRETVORNIKOM Na osnovi predhodnih spoznanj je bil zasnovan vir mo�i v tiristorski tehnologiji, ki je prikazan na sliki 3. Sestavlja ga trifazni transformator v vezavi trikot-zvezda s primarnimi odcepi, trifazni mosti�ni tiristorski pretvornik, ki je polno krmiljen, z vgrajeno ni�no diodo, dva resonan�na filtra in gladilna dušilka z odcepi.

Slika 3: Trifazni polnokrmiljeni tiristorski pretvornik z vgrajenima filtroma Trifazni transformator, ki je vgrajen med omrežjem in varilnim tokokrogom, ima nalogo, da galvansko lo�i oba tokokroga in zaš�iti varilca pred previsoko napetostjo dotika, obenem pa zniža nivo vhodne napetosti na vrednost, ki je primerna za varjenje. Izbrana vezava transformatorja in tiristorskega pretvornika ugodno vpliva na zmanjšanje motenj, ki jih povzro�ajo višje harmonske komponente in na ta na�in zmanjša potrebo po jalovi mo�i, ker izni�i tretjo harmonsko komponento. Z odcepi na primarni strani transformatorja lahko izberemo primerno vrednost napetosti, ki jo zahteva varjenje. Z izbranim trifaznim most�nim tiristorskim pretvornikom, pri katerem uporabimo nov na�in vžiga tiristorjev, je mogo�e variti MIG/MAG tako z gladkim, kot impulznim varilnim tokom, impulzno frekvenco, ki je mnogokratnik osnovne frekvence mreže, lahko nastavimo s krmiljenjem pretvornika, kot tuda �as trajanja impulza toka. Vezje tiristorskega pretvornika je bilo izbrano v predstavljeni obliki zato, ker omogo�a znižanje jalove mo�i, �e uporabljamo to�ko vžiga tiristorjev v obmo�ju nad pi/3 celotne širine impulza izmeni�nega toka, s katerim generiramo impulz varilnega toka. Pri uporabi to�ke vžiga pri manjšem kotu, kot je navedeno, je enosmerna napetost, ki jo dobimo iz izbrane vezave tiristorkega pretvornika vedno pozitivna, zato ni�na dioda na izhodu vezja ne more delovati. Ko to�ka vžiga preseže navedeno vrednost kota, obremenilni tok pri�ne te�i preko ni�ne diode in na ta na�in kratkotrajno izklopi napajanje pretvornika iz mreže ter tako prepre�i enosmerni napetosti obrat v negativno smer. S tem prepre�imo pretok sorazmerno velike jalove mo�i iz mreže, kar ima za posledico tudi izboljšanje faktorja mo�i. Ni�na dioda odigra klju�no vlogo v omejitvi kratkosti�nega toka in na ta na�in pomaga vzbuditi in vzdrževati elektri�ni oblok ob za�etku varjenja in pri motnjah, ko pride do težav gorenja elektri�nega obloka. V obeh primerih se komutacija elektri�nega toka zgodi s pomo�jo ni�ne diode zelo mirno in v obliki e-funkcije. Na vhodu, kjer omrežni tok vstopa, je vgrajen termi�ni in magnetni sprožnik, ki š�iti napravo pred termi�nimi in kratkosti�nimi pojavi, ki se lahko zgodijo zaradi napak v napravi. Za nadaljno zmanjšanje jalove mo�i in s tem višjih harmonskih komponent toka, sta uporabljena dva razli�na harmonska linijska resonan�na filtra. Vrednost induktivnosti,

��

��

kapacitivnosti in upornosti je dolo�ena s pomo�jo simulacije in je odvisna od vrste varjenja. Širokopasovni efekt filtra je dolo�en z omsko upornostjo filtrov. 3. ZAKLJU�EK Iz �lanka in priložene simulacije je razvidno, da s programiranim na�inom vžiga tiristorjev in vgradnjo ustreznih filtrov zelo posodobimo tiristorski vir mo�i, razširimo podro�je njegove uporabe, kot tudi njegove energetske u�inkovitosti. LITERATURA 1. Killing, R.1991. Welding Handbook, part I, DVS, Duesseldorf 2. Heumann, K. 1991. Fundamentals of Power Electronics, Teubner Verlag, Stuttgart 3. Langus, D., Kralj, V., Grum, J, 2007. Optimisation of Welding Parameters in Pulsed

MIG/MAG Welding with Width-controlled Sine-wave Current Pulses ( part 1.,part.2) International Journal of Materials&Product Tehnology, Vol. 29 No.1/2/3/4, Interscience Enterprices Limited

OPOMBA Razmišljanja, ki so predstavljena v okviru tega �lanka, so nastala na osnovi pobud, ki izhajajo iz razvojnega projekta, ki ga sofinancira MVZT in podjetje Varstroj Lendava in ki ga vodi prof.dr. Janez Grum.

��

��

DODATEK

Slika 4

Oscilogram enosmerne napetosti in enosmernega toka pri prestavnem transformacijskem razmerju 0,07.

Slika 5

Fourierjev spektrum toka v izmeni�ni dovodni fazi – brez filtra F1.

Slika 6

Fourierjev spektrum toka v izmeni�ni dovodni fazi – z filtrom F1.

Slika 7

Oblika enosmerne napetosti in enosmernega toka pri spremembi to�ke vžiga tiristorjev (impulzna frekvenca je 100 Hz, širina impulza 3,3 ms)

��

��

Slika 8


Slika 9


Slika 10

Fourierjev spektrum toka v izmeni�ni dovodni fazi – brez filtra F2.

Slika 11

Fourierjev spektrum toka v izmeni�ni dovodni fazi – z filtrom F2.

��

��

Termitno varjenje katodne zaš�ite

Simon Boži�, Andrej Zajec, Marjan Suban

Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana Povzetek

Katodna zaš�ita izvedena s termitn im postopkom varjenja bakrenih vodnikov na jekleno cev se pogosto izvaja pri razli�nih cevovodih. Do sedaj nismo zasledili in formacij, kakšen vpliv ima ta na�in varjenja na osnovni material. Namen tega �lanke je, da se opozori na morebitne nepravilnosti (napake), ki se pri tovrstnem varjenju lahko pojavijo. 1. UVOD Korozija je razkroj snovi zaradi kemijskih in elektrokemijskih reakcij snovi z okoljem, da bi prepre�ili morebiten propad materiala se uporablja ve� metod s katerimi lahko material zaš�itimo. Ena izmed teh metod je tudi katodna zaš�ita, ki se predvsem uporablja pri zaš�iti cevovodov in sicer na tak na�in, da cevovod povežemo z aktivno anodo. Obstajata dve vrsti katodne zaš�ite: pasivna zaš�ita z aktivno (žrtveno) anodo in aktivna zaš�ita z zunanjim vir enosmernega elektri�nega toka. Katodna zaš�ita z aktivno (žrtveno) anodo je bolj preprosta in zahteva uporabo nekega anodnega materiala (Mg ali Zn anodo), ki š�iti jekleno katodo. Za pritrditev vodnikov na katodo in anodo se uporablja postopek aluminotermi�nega (termitnega) varjenja. Da bi lahko dolo�ili morebiten vpliv termitnega varjenja bakrenih vodnikov na jekleno podlago, smo izvedli serijo preskusov tovrstnega varjenja 2. TERMITNO VARJENJE Termitno varjenje je varjenje pri katerem se toplota, ki je potrebna za varjenje sproš�a ob gorenju reakcijske (termitne) zmesi. Te zmesi so zmesi aluminijevega prahu in kovinskih oksidov (Al + železov (III) oksid Fe2O3 v razmerju 3 : 1). Sam postopek termitnega varjenja je prikazan na slikah od 1 do 8 in obsega naslednje korake:

• Brušenje in sušenje površine osnovnega materiala • Namestitev Cu vodnika • Namestitev varilne komore, njena zatesnitev in nasutje termitne zmesi v komoro • Vžig in gorenje termitne zmesi (varjenje) • Odstranitev varilne komore in tesnilne mase • Test spoja Cu vodnika z osnovnim materialom (preskus s kladivom)

��

��

Slika 1: Priprava površine in namestitev Cu vodnika

Slika 2: Namestitev varilne komore in njena zatesnitev

Slika 3: Nasutje termitne zmesi

Slika 4: Vžig termitne zmesi

Slika 5: Gorenje termitne zmesi - varjenje

Slika 6: Odstranitev varilne komore

��

��

Slika 7: Preskus uspešnosti varjenja

Slika 8: Izgled zvarnih bradavic

Pri preskusnem termitnem varjenju smo varili bakrene vodnike NYY 1x16 mm na osnovni material ASTM A106 Gr. B (P255G1TH) po sistemu CADWELD. Pri preskusu smo uporabili že precej izrabljeno varilno komoro in pa novo varilno komoro. Termitno varjenje je bilo najprej izvedeno brez predgrevanja osnovnega materiala, v nadaljevanju pa smo opravili tudi varjenje pri katerem pa smo osnovni material predgrevali na temp. 35 oC, 50 oC, 60 oC in 80 oC. 3. OPRAVLJENE RAZISKAVE Na zavarjenih vzorcih termitnega varjenja bakrenih vodnikov na jeklo smo izvedli naslednje preiskave:

• Vizualna preiskava mesta spoja, • Makroskopska preiskava mesta spoja, • Mikroskopska preiskava spojnega mesta (pregled mikrostrukture materiala, globino

penetracije bakra v material cevi, pojav razpok), • Meritve mikrotrdot na posameznih mestih prereza.

4. REZULTATI RAZISKAV 4.1 Vizualne preiskave Pri vizualnem pregledu zvarnih bradavic smo odkrili, da varjenje z izrabljeno varilno komoro ne da dobrih rezultatov. Zvarne bradavice so neenakomerne in mo�no porozne (slika 9). Pri varjenju z novo varilno komoro pa je oblika bradavic ustrezna (slika 10).

��

��

Slika 9: Neenakomerni in porozni zvarni bradavici

Slika 10: Ustrezna zvarna bradavica

4.2 Makroskopske preiskave Pri makroskopskih preiskavah zavarjenih spojev smo opazovali naslednje:

• Obliko zvarnih bradavic, • Poroznost zvarnih bradavic, • Spojenost zvarnih bradavic z jekleno podlago, • Velikost TVP v osnovnem materialu.

Neenakomerna oblika zvarnih bradavic in poroznost sta lahko posledica izrabljene varilne komore (slika 11). Na sliki 12 pa je prikazan izgled zvarne bradavice, ki je bila izvedena z novo varilno komoro, kjer nismo zasledili poroznosti. Pri obeh slikah se vidi velikost toplotno vplivanega podro�ja (TVP) pod zvarno bradavico. Na slikah 11 in 12 sta zvarni bradavici ustrezno spojeni s podlago, na slikah 13 in 14 pa je prikazano, kako izgleda zvarna bradavica, ki je pomanjkljivo spojena z jekleno podlago in je pri obdelavi makroskopskega vzorca odpadla.

Slika 11: Neenakomerna zvarna bradavica. Viden je porozen del zvarne bradavice s toplotno vplivanim podro�jem

Slika 12: Enakomerna zvarna bradavica. Viden je neporozen del zvarne bradavice s toplotno vplivanim podro�jem

TVP

TVP

��

��

Slika 13: Slabo spojena zvarna bradavica

Slika 14: Slabo spojena zvarna bradavica, ki je pri pripravi vzorca odpadla

4.3 Mikroskopske preiskave Mikroskopske preiskave spojev so pokazale naslednje:

• Med bakrom in jekleno podlago se pojavi vmesna plast, kamor je prodrl baker. Ta plast je velika od 10 do 20 �m,

• Tik pod površino osnovnega materiala se pojavijo pove�ana kristalna zrna, • Na nekaterih mestih se tik pod površino pojavi martenzitna mikrostruktura zaradi

hitrega ohlajanja, • Iz martenzitne mikrostrukture izhajajo mikrorazpoke, ki so zapolnjene z bakrom.

Njihova dolžina je lahko 0,11 mm. Kjer martenzitne mikrostrukture ni, teh mikrorazpok nismo zasledili.

Pri pregledu mikrostrukture osnovnega materiala smo opazili, da tik pod zvarno bradavico prihaja do nastanka razpok v katere je penetriral teko�i baker [1]. Do tega pojava pride zaradi stika teko�e kovine (Cu) s trdno kovino (jeklo), saj imata baker in jeklo razli�ne temperature strjevanja (razlika cca. 450 oC). Prav tako na dolo�enih mestih prihaja do nastanka trde martenzitne mikrostrukture, katera predstavlja inicial za propagacijo teh razpok. Potrebno pa je tudi poudariti, da je martenzitna mikrostruktura, ki je prisotna pod zvarom zelo podvržena navzemanju vodika. Literatura navaja, da v primeru katodne zaš�ite hitreje prihaja do nastanka atomskega vodika, ki se bo absorbiral v martenzitno plast in povzro�il tako imenovano vodikovo krhkost [2]. Vodikova krhkost se pojavlja tako pri malooglji�nih jeklih, kot pri visokotrdnostnih jeklih, pri katerih pa ima še posebej razdiralen u�inek. Na slikah 15 in 16 je prikazan izgled penetracije bakra v osnovni material.

��

��

Slika 15: Penetracija bakra v osnovni material

Slika 16: Penetracija bakra v osnovni material. Vidna je vmesna plast med bakrom in jeklom ter pove�ana kristalna zrna.

4.4 Preskusi mikrotrdote Preskusi mikrotrdot tik pod zvarno bradavico so pokazali, da so vrednosti v martenzitnem podro�ju lahko tudi 367 HV. Tak rezultat smo dobili v primeru izrabljene varilne komore in varjenju pri temperaturi cca. 15 oC. Ko pa smo uporabili novo varilni komoro in osnovni material samo malo pogreli (osušili) na temperaturo cca. 35 oC, je vrednost mikrotrdot v martenzitnem podro�ju takoj padla na vrednost od 210 do 250 HV. �e smo temperaturo predgrevanje pove�ali na 60 oC se je vrednost mikrotrdot tik pod zvarno bradavico še znižala (pod 200 HV). Višja tempertatura predgrevanja na 80 oC ni prinesla boljših rezultatov mikrotrdot.

Slika 17: Izmerjena trdota v toplotno vplivanem podro�ju (mikrotrdota v tem podro�ju je 318 HV)

Slika 18: Izmerjena trdota v toplotno vplivanem podro�ju (mikrotrdota v tem podro�ju je 367 HV)

��

��

Slika 19: Izmerjena mikrotrdota v martenzitnem podro�ju (216HV)

Slika 20: Izmerjena mikrotrdota v toplotno vplivanem podro�ju, kjer ni prišlo do tvorbe martenzita (mikrotrdota v tem podro�ju je 186 HV)

Iz slike 21 je razvidno, da prihaja že pri minimalnem predgrevanju do bistvenega zmanjšanja trdot tik pod zvarno bradavico.

Izmerjene mikrotrdote po preseku

100

150

200

250

300

350

400

Rob zvara TVP Osnovni material

Me ritve od roba proti sredini

Mik

rotr

dote

(H

V)

Izrabljena komora

Nova komora predgrevanje 38 ºC

Slika 21: Prikaz meritev mikrotrdot po preseku

��

��

5. ZAKLJU�EK Zaradi toplotnega šoka pri varjenju na površini materiala nastane plast ve�jih kristalnih zrn, posledi�no se zaradi tega pojavijo tudi mikrorazpoke po mejah teh zrn. V te mikrorazpoke difundira teko�i baker in jih zapolni. Pri hitrem ohlajanju spoja prihaja tik pod površino do nastanka trde in krhke martenzitne mikrostrukture, ki je lahko inicial za propagacijo razpok. Da bi zmanjšali trdoto te neugodne mikrostrukture, je potrebno zmanjšati hitrost ohlajanja, kar pa lahko dosežemo s predgrevanjem jeklene podlage. S predgrevanjem vsaj na 50 oC, kar je posebej pomembno pri nizkih zunanjih temperaturah se zmanjša možnost nastanka te neugodne martenzitne mikrostrukture. S tem predgrevanjem prav tako odstranimo vlago, ki se lahko pojavlja na površini cevi in povzro�a, da se med varjenjem zvarna bradavica ne spoji z osnovnim materialom. Za konec pa naj dodamo, da nepravilna uporaba in nezadostno poznavanje materialov lahko pripelje do nenadnih zlomov, katerih inicial je trda in krhka mikrostruktura tik pod zvarno bradavico. Da se prepre�i nastanek vodikove krhkosti je po kon�anem varjenju potrebno zvarno bradavico vodotesno zapreti, s tem se prepre�i vdor vlage in posledi�no tudi difuzija vodika v kovino. LITERATURA 1. Magnabosco I., Ferro P., Bonollo F., Arnberg L.: An investigation of fusion zone

microstructures in electron beam welding of copper- stainless steel, Material science and Engineering A 424 (2006), str. 163-173.

2. Hörnlund E., Fossen J.K.T., Hauger S., Haugen C., Havn T. and Hemmingsen T.: Hydrogen Diffusivities and Concentrations in 520M Carbon Steel under Cathodic Protection in 0.5M NaCl and the Effect of Added Sulphite, Dithionite, Thiosulphate, and Sulphide, Int. J. Electrochem. Sci., 2 (2007), str. 82 – 92.

3. Godec B., Grdun V.: Krhkost nizkooglji�nega jekla zaradi stika s teko�o kovino, 8 konferenca materiali, Portorož 2000.

��

��

Varjenje s kerami�no podložko

Marija Kisin

Preloge 73, 1000 Ljubljana Povzetek

Zaostrene gospodarske razmere zahtevajo ob pove�ani produktivnosti racionalizacijo proizvodnje, vzdrževanje konkuren�ne sposobnosti in nenehno skrb za kakovost ter optimizacijo izdelovalnih postopkov. V prispevku so prikazani rezultati uvodnih preizkusov varjenja jeklenih ploš� s kerami�no podložko. Z uporabo kerami�nih podložk se kakovost korena zvara izboljša, zmanjša se poraba dodajnega materiala in pove�a produktivnost. 1. UVOD Postopek varjenja s kerami�no podložko je posebno primeren za enostransko varjenje ve�jih jeklenih ploš� v ladjedelništvu, pri gradnji mostov in v strojni ter kemi�ni industriji. Že mnogo let se uporablja povsod tam, kjer je varjenje in popravilo korena zvara iz nasprotne strani oteženo ali onemogo�eno. Na tržiš�u so kerami�ne podložke dobavljive zelo razli�nih vrst, oblik in standardnih ter nestandardnih dimenzij, primernih za vse materiale in oblike zvarov.

Slika 1: Kerami�na podložka in njena namestitev pred varjenjem [1] 2. PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV IN VARJENJE Za uvodne testne preizkuse varjenje s kerami�no podložko soležnih V zvarov, je bilo pripravljenih osem jeklenih ploš� dimenzije 300x200x70 mm. Uporabili smo enostransko tehniko ro�no oblo�nega varjenja (elektrode EVB 50) in postopek MIG varjenjea (varilna žica VAC 60-1.2) z in brez uporabe kerami�ne podložke. Vsi preizkušanci so bili predgreti na 100 0C. Zelo pomembna je izbira varilnih parametrov, predvsem jakost varilnega toka, dolžina obloka in hitrost varjenja. Koreni zvarov so po varjenju bili pregledali s penetranti. Na sliki 2 ( levo) je prikazan koren zvara po varjenju z uporabo kerami�ne podložke, na sliki 2 (desno) pa pretaljeni del kerami�ne podložke, zaradi neustrezno izbranih varilnih pogojev.

��

��

Slika 2: Koren zvara pri uporabi kerami�ne podložke (levo) in zaradi neustrezno

izbranih varilnih pogojev pretaljena kerami�na podložka (desno) [2]. 3. REZULTATI VARJENJA S KERAMI�NO PODLOŽKO Pri primerjavi varjenja z uporabo kerami�ne podložke in varjenja brez uporabe kerami�ne podložke se je izkazalo, da se pri uporabi kerami�ne podložke zmanjša poraba dodajnega materiala pri ro�nem oblo�nem varjenju za 27-31 %, pri MIG varjenju je razlika manjša in znaša 10 – 12 %. Ker ni potrebno žlebljenje in brušenje korena zvara se pri varjenju s kerami�no podložko za dokon�anje dela porabi tudi ob�utno krajše �ase. Ob upoštevanju stroškov nabave kerami�ne podloge je njena uporaba še vedno ekonomsko opravi�ena. Osnovne prednosti varjenja s kerami�no podložko so:

• kakovost korena zvara je manj odvisna od znanja in spretnosti varilca, • v korenu zvara je manj napak, posebno v težje dostopnih obmo�jih in • proces varjenja se skrajša, zato se lahko pove�a produktivnost.

4. ZAKLJU�EK Varjenje s kerami�no podložko zagotavlja kakovostni koren zvara brez dodatnega brušenja. Pri tem je zelo pomembna ustrezna izbira in nastavitev optimalnih pogojev varjenja. Kerami�na podložka se namesti enostavno, odporna je na pregretje, visoke temperature, je higroskopska in kemijsko ne reagira s talino zvara. Rezultati uvodnih preizkusov varjenja s kerami�no podložko V zvarnih spojev jeklenih ploš� in primerjava stroškov varjenja brez in z uporabo kerami�ne podložke so potrdili, da bi uvedba postopka v redni proizvodni proces lahko bila upravi�ena. Smiselno bi bilo s preizkusi nadaljevati in ustvariti ustrezno bazo uporabnih podatkov. LITERATURA 1. http://www.gullco.com/Ceramic-Weld-Backing.html 2. Tomazini I.: Varjenje s kerami�no podložko, Diplomska naloga (2007), VSŠ Škofja Loka 3. http://www.esabna.com/EUWeb/SA_handbook/585sa2_15.htm

��

��

Navarivanje metalnim prahom u zaštiti gasa

Milan D. Milovanovi�

Univerza v Kragujevcu, Fakulteta za strojništvo, Sestre Janji� br.6, 34000 Kragujevac, Srbija Sažetak

U radu su prikazane mogu�nosti gasnog i plazemskog zavarivanja sa dodajnim materialima u obliku praha. Iako je ova tehnmologija zavarivanja poznata ve� duže vremena, dolaze njene prednosti do punog izražaja tek onda kad se usaglasu svi parametri, to je od hemijskog sastava osnovnog i dodajnog materiala, granulacije doda jnog materia la i tehnološki parametri zavarivanja. Baš na tom polju usaglašavanja svih parametra pružaju se nove mogu�nosti uspešne upotrebe te tehno logije u savremenoj industrijskoj okolini. 1. UVOD Ve�ina praškastih materiala za briz ganje i zavarivanje proizvodi se mlažnjenjem (mlaznicom). U vakumskoj pe�i rastapa se pre legiranja i preko prstenaste dizne rasprše se pritiskom gasa ili vode. Veli�ina deli�a i oblik su zavisni od pšritiska mlažnjenja i sredstva za mlažnjenje. Ukoliko je ve�i pritisak utoliko su deli�i manji. Sa gasnim mlažnjenjem nastaju naj�eš�e rup�asti deli�i a od vodenog mlažnjenja prizmati�ni delovi. Zbog bolje raspršivosti daje se prioritet rupi�astom prahu. Dalji uticaj na oblik deli�a ima visina pada (rastojanje od zraka mlažnjenja do skupljanja vode). Kod odgovaraju�e ve�e visine pada zadržava se rupi�asti oblik. Mulj praha se kona�no suši i seje kroz sito i klasira prema veli�ini zrna. Razli�iti postupci brizganja i zavarivanja zahtevaju razli�ito raspadanje zrna. Kona�ni kvalitet praškastog dodatnog materiala zavisi pored hemijskog sastava u velikoj meri i od raspadanja zrna, oblika i površine deli�a kao i od dobre smeše. Da bi se postigao kvalitet moraju se primeniti metode ispitivanja koje se razlikuju od ispitivanja drugih dodatnih materiala za zavarivanje. Kod zavarivanja su uvedeni pored dodatnog materiala u obliku štapi�aste elektrode, štapova (traka) za zavarivanje, elektroda sa oblogom vrlo uspešno i praškasti materiali za gasno-, plazma-prah-navarivanje, kao i za prah-plameno i prah-plazma-brizganje. Pri nabrizgavanju mogu se pored razvoja dima posmatrati i odbojanja deli�a. Proces topljenja sa autogenim gorionikom daje dalje razjašnjenje za:

• te�ni sadržaj, • mogu�nost modeliranja, • metalni sjaj.

Ove ocene su ipak veom razli�ite i �esto protivure�ne. Jedan mehanizirani postupak eksperimentalnog nanošenja pri gas-prah-navarivanju omogu�ava jedan test sa konstantnim parametrima, pri �emu mora vremenski test.navarivanje i topljenje da bude podešen preko elektronskog priklju�ka za jedan odredjeni prah. Ispitivano telo kre�e se kontinualno u pravcu dužine objekta. Jedan test ispitivanja mikrotvrdo�e trebalo bi da zaklju�i ovo ispitivanje. Ova ispitivanja sigurnosti kvaliteta su skupa i morajo biti podešena prema vrsti praha i jako povezana sa iskustvom da bi ispitivani praškovi bili u razumnim granicama za proizvodnju.

��

��

2. LEGIRANJE PRAHOM Poznatim takozvanim »samote�ljivim legiranjem« na bazi nikla i nikl-hroma zapo�elo je nanošenje sloja sa materijalima u obliku praha. Dodatkom bora i silicija podignuta je radna temperatura za topljenje sloja na 1000 – 1100oC. Time se ostvaruje ta�ka topljenja ispod mnogobrojnih metalnih osnovnih materiala. Tvrdo�e ovih slojeva leže izmedju 180Hb i 65HRC. Kod plazma-prah-navarivanja nastaje izmedju osnovnog materiala i nanetog sloja rastopljeni spoj, dok kod gas-prah navarivanja, plamenog i plazma brizganja sa naknadnom termi�kom obradom nastaje uzana difuziona zona prijanjanja us osnovni material. Ova jednokomponenntna legiranja ozna�avaju se i kako matri�ni prah mogu biti pomešana sa trvdim materijalima (naj�eš�e volfram karbidima). Pored koli�inskih delova (do 80% težine WC/W2C) moraju biti podešene i veli�ine zrna metalnog praha i volfram ili sinter karbida. Slika 1 prikazuje volfram karbide sa nejasnom (nedovoljno oštrom konturom). Pomo�u grube matrice – zrna nije bilo mogu�e brzo postavljanje mreže. Otopljeni karbidi su termi�ki obuhva�eni. Ri velikim zrnima karbida nastaju izmedju pojedinih karbida velike matri�ne površine.

Slika 1: Karbidi volframa sa nedovoljno oštrom konturom (uve�anje 50x) Slika 2 pokazuje nasuprot tomedobru raspodelu karbida sa oštro izraženim granicama poligonalnih karbida (matri�ne i karbidne veli�ine zrnba su u pravom odnosu). Pored Ni-B-Si i Ni-Cr-B-Si legiranja i mešavina sa tvrdim materijalima realizovana su i druga legiranja na bazi gvoždja i kobalta. Sa prahom na bazi kobalta parcijalno su navarivane velike serije sa plazmom-prah postupkom navarivanja. Na okside metala u obliku praha i nitride metala kao i spaljenu toplotu reaguju�eg praha se ne može uticati.

��

��

Slika 2: Ravnomerna raspodela karbida volframa sa oštrim konturama (uve�anje 50x) 3. ZAVARIVANJE LIVENOG GVOŽDJA Razmatraju se neki novi aspekti zavarivanja nanošenjem praha kod livenog gvoždja. Posebna pažnja posve�ena je prakti�noj primeni istraživanja. Takodje je dat osvrt na zavarivanje sa plazmom i prahom i zavarivanje sa žicom za ispunu kod proizvodnje i reparature forme u obliku �aše. Zaštita od habanja i korozije igra zna�ajnu ulogu pri zavarivanju livenog gvoždja. Ranije su delovi od livenog gvoždja bili naj�eš�e oklopjavani po postupku ru�no elektrolu�no zavarivanje. 3.1 Zavari vanje plamenom Kod gas-prah zavarivanja radi se sa autogenim plamenom kao izvorom energije. Gorionik je prikazan na slici 3.

Slika 3: Gorionik za zavarivanje plamenom i prahom kao dodatnim materijalom

��

��

3.2 Zavari vanje plazmom Ovaj postupak zavarivanja može se izvoditi sa prenešenjem plazemskog luka preko gorionika ili direktnom uspostavom luka na osnovni materijal, slika 4.

Slika 4: Princip postupka PTA-zavarivanja 4. ZAKLJU�AK Prednosti zavarivanja sa materijalimi u obliku prah do�u do potpunog izražaja tek onda, kad se usaglasu svi tehnološki parametri. Pri razvoju i ispitivanju novog praha i mešavine prahova zavisi industrijska primena i uspeh od reproduktivnosti procesa nanošenja slojeva. Na prvom mestu se nalazi material u obliku praha. LITERATURA 1. Ernst Pfeiffer, Pulverformige Werkstoffe fur das Spritzen und Schweissen. Messer

Greisheim Gmbh, 001.1206/35 8081/1 C.A./2035 2. E.A. Berthold Gusseisen kaltgeschweisst-aber richtig! Schweisstechnik, 5/1990 3. Uwe Scieslo, Olaf pennig Kriftel, Auftragschweissen an Gusseisenwerkstoffen-Innovative

Schweisstechnologie, Schweiss & Pruftechnik 10/1999 4. Bohler Oberflachentechnik Flamm.Spritzen, BAG2/87 5000 1217 5. Messer Griesheim Gridur metal powders for wear and corrosion-resistent surfacing duties,

40.6011e 6. Yu.K. Rodin, I.I. Krikunova VNIIA AVTOGENMAŠ, Apparattura dlja gazopraškovoj

naplavki, Svaro�noe Proizvodstvo, No. 9, 1984 7. Walter Hansch, Gas-Pulver-Schweissen, Sonderdruck 2/71 aus »Maschinenmarkt«, Heft

107/108 (1970), Vogel Verlag, Wurzburg

��

��

Adhezijsko spajanje

Ernst Pichler1), Brigita Kirar Meža2), Mitja Škali�2)

1)Ögussa GmbH, Liesinger Flur-Gasse 4, A-1235 Dunaj, Avstrija 2)Zlatarna Celje d.d., Kersnikova 19, SI-3000 Celje, Slovenija

Povzetek

Spajanje (spajkanje, lotan je) je postopek za trdno spajan je materialov in nanos površinskih slojev. Spajanje poteka s taljen jem in uteko�injanjem spajke ter z difuzijskim spajanjem mejnih površin. Osnovni material se pri tem ne raztali, kar je tudi bistvena razlika v primerjavi z varjenjem, kjer se raztali tudi osnovni material.

1. TEORIJA SPAJANJA Spajanje (lotanje) je delovna tehnika, ki spominja na talilno varjenje v levo. Pri spajanju osnovni material na dolo�enih mestih segrejemo na delovno temperaturo, material za spajanje pa po kapljicah nanašamo na spoj. Temperatura je najvišja na �elni to�ki spoja, vro�a to�ka pa se hkrati s hitrostjo dela pomika po spoju. Ob robovih spoja temperatura hitro pade. Pri spajanju ozkih spojev je potrebna enakomerna razporeditev temperature v obdelovancu. Obdelovanec vzdolž stika po ve�ji površini enakomerno segrejemo na delovno temperaturo.

Varjenje Spajanje

Podobni materiali ter skoraj enaka delovna temperatura

varjenca in varilnega material a.

Skoraj vse kombinacije materialov. Spajka se topi pri nižjih temperaturah

kot obdelovanec. Slika 1: Primerjava med varjenjem in spajanjem Pri procesu spajanja je potrebno prepre�iti izrazite vro�e to�ke. To je možno dose�i z uporabo posebnega spajkalnega gorilnika, ki ga ustrezno pomikamo po spoju, kar je npr. potrebno pozorno upoštevati tudi med delom z varilnim gorilnikom. Delovna temperatura je najnižja površinska temperatura na mestu spajanja pri kateri se za�ne spajka taliti in za�ne potekati difuzija mejnih površin. Ob uporabi ustreznega talila je delovna temperatura konstanta, vendar vedno odvisna od spajke. Pri delovni temperaturi, nižji od 450 °C, govorimo o mehkem spajanju, pri delovni temperaturi nad 450 °C postopek imenujemo trdo spajanje, pri temperaturi nad 900 °C in ob delu v vakuumu ali z zaš�itnim

��

��

plinom pa govorimo o visokotemperaturnem spajanju. �e ima spoj obliko stika z vzporednimi robovi širine od 0,02 do 0,25 mm, govorimo o spajanju rež. V vakuumu kovinske površine tvorijo nenasi�ene vezi. �e pridejo te površine v stik z zrakom, se za�nejo nanje nalagati plinske molekule (npr. kisik). Plinske molekule reagirajo s površino in tvorijo oksidacijski sloj, ki prepre�uje razlitje teko�e spajke po površini. Oksidacijske sloje lahko odstranimo s posebnimi zaš�itnimi plini (vodikom), talili (kemi�no odstranjevanje) ali v vakuumski pe�i. �e torej kaplja teko�e spajke pride v stik s tako pripravljeno kovinsko površino, se lahko razlije po kovinski površini. Pri tem zaradi nasi�enja prostih vezi nastane adhezijska sila. Ko je dosežena potrebna delovna temperatura se za�nejo atomi osnovnega materiala in teko�e spajke zaradi toplotne gibljivosti atomov povezovati (difuzija). Nastane spoj sestavljen iz osnovnega materiala in spajke. Med strjevanjem spajke se pove�a tudi njena kohezijska sila. Mehanska kakovost spoja je v prvi vrsti odvisna od adhezije in kohezije. Pri izbiri površine za spajanje, je treba upoštevati obliko spoja ter primernost za nanos spajke in talila, možnosti dela s spajko in talilom ali spajko in zaš�itnim plinom. 2. OBLIKA REŽE Pri spajanju rež je potrebno dose�i, da so reže �im ožje. Najbolj optimalna širina spoja za spajanje s talilom znaša od 0,05 mm do 0,25 mm. Vendar pa reže zopet ne smejo biti preozke, saj vanje ne bo prodrlo dovolj talila. Talila imajo zgolj omejeno možnost topljenja kovinskih oksidov. Debelina sloja talila, potrebna za raztopitev oksidacijskega sloja na obeh stenah spoja znaša 0,05 mm, vendar pa je pri spajanju s talilom širina stika, ki ga želimo spojiti, omejena.

Slika 2: Potek spajanja Polnjenje špranje poteka na osnovi tlaka kapilarnega polnjenja. Na ta na�in teko�a spajka ste�e v režo. Tlak kapilarnega polnjenja reže je obratno sorazmeren s širino spajkalne reže. Pri preširoki reži je tlak kapilarnega polnjenja tako nizek, da spajka ne te�e ve� v režo in je torej ne more napolniti. Zato znaša zgornja meja širine reže 0,25 mm. Reže spojev morajo imeti vzporedne stene ali pa se morajo ožiti v smeri toka spajke. Lijakaste razširitve povzro�ajo nepotrebno pove�anje porabe spajke, zaradi nastanka votlih žepkov ter ujetega plina in talila pa nastanejo porozna in pogosto netesna mesta, ki niso dovolj trdna.

��

��

Ustrezno Neustrezno

Slika 3: Zasnova rež za spajanje 3. TALILA Pri trdem spajanju kovinskih osnovnih materialov imajo talila nalogo raztapljanja mote�ih oksidacijskih slojev in prepre�itve nastajanja novega oksidacijskega sloja med postopkom spajanja. Brez uporabe talila je spajanje mogo�e samo v vakuumu ali z uporabo zaš�itnega plina, ki zmanjša nastanek oksidacijskega sloja, ali �e spajka sama vsebuje sestavino, ki uni�uje mote�e okside. Takšen primer so trde spajke z vsebnostjo fosforja za spajanje bakra in bakrovih zlitin. V vseh drugih primerih je uporaba ustreznega talila eden od predpogojev za spajanje kovinskega elementa s staljeno spajko. Pri izbiri talila je potrebno upoštevati slede�e:

• kemijsko sestavo osnovnega materiala • delovno temperaturo spajke • temperaturno obmo�je delovanja talila • predvideni postopek spajanja • obliko obdelovanca • morebitne posebne naloge talila • ostanke talila in možnost njihovega odstranjevanja.

Ker talila praviloma ne morejo raztopiti oksidov težkih in lahkih kovin hkrati, so za dolo�ene skupine materialov na voljo posebna talila. Delovna temperatura spajke mora biti znotraj temperaturnega obmo�ja delovanja talila. Temperaturno obmo�je delovanja talila pomeni temperaturno obmo�je, v katerem lahko talilo raztaplja kovinske okside in prepre�uje njihov ponovni nastanek med spajanjem. Namen temperaturnega obmo�ja je, da dobimo ob doseženi dolo�eni temperaturi �isto površino materiala brez oksidov. Zgornja meja temperaturnega obmo�ja delovanja talila mora biti višja od zgornje meje temperaturnega obmo�ja delovne temperature spajke, saj mora talilo delovati, tudi �e spajko prekomerno segrejemo.

Slika 4: Mešanje talila in spajke

��

��

Ker lahko vsako talilo sprejme zgolj omejeno koli�ino kisika, je potrebna posebna pozornost, da je spajanje kon�ano v treh do štirih minutah, saj je po tem �asu talilo zasi�eno in ne more ve� sprejemati kisika. �e je pri obdelovancih z zelo veliko maso potreben daljši �as segrevanja, je nujna uporaba posebnega talila z ustrezno dolgim �asom u�inkovanja, pri ro�nem spajanju pa se priporo�a uporaba spajke, ki je oplaš�ena s talilom. Ostanki talila lahko vpijajo vodo iz zraka in ob nasi�enju z vodo povzro�ijo korozijo. Zato je ostanke talila priporo�ljivo odstraniti. �e to zaradi posebnih zna�ilnosti obdelovanca ni mogo�e, je potrebno preveriti, ali ostanki talila povzro�ajo korozijo. Odstranjevanje ostankov talila je na�eloma zelo preprosto s topili, ki jih ponuja proizvajalec talil. Praviloma tvorijo ostanki talila prosojni sloj. �e se ostanki obarvajo motno sivo ali celo �rno, to kaže na znatno vsrkanje kisika. Tako obarvane in s kisikom nasi�ene ostanke je precej težko odstraniti. Temu se lahko izognemo z ustreznim �iš�enjem obdelovanca, skrajšanjem �asa spajanja ali izbiro drugega talila.

Slika 5: Ostanki talila 4. TALILA V PLINASTEM STANJU �e je osnovni material železo ali �e je spajka bakrena ali iz bakrove zlitine, spoji ali reže pa niso pregloboki, lahko uporabimo tudi talilo v plinastem stanju, ki ga na mesto spajanja nanašamo s plamenom gorilnika. V posebnih napravah zmešamo gorilni plin in talilo ter mešanico po dodajanju talila dovedemo v gorilnik. Uporabo talil v plinastem stanju prepoznamo po izraziti zeleni barvi plamena. 5. SPAJKE BREZ VSEBNOSTI KADMIJA Zaradi truda za varovanje okolja, ki na tem podro�ju izhaja zlasti iz Skandinavije, je bilo treba za spajanje obdelovancev, ki prihajajo v stik z živili ali �loveškim telesom (medicinski pripomo�ki), razviti spajke, ki so z vidika delovne temperature �im bliže nizkotemperaturnemu trdemu spajkanju in se v teko�em stanju tudi podobno obnašajo. Dandanes je v tovrstne namene na voljo širok izbor spajk. Za nizko topne spajke, pri katerih znaša delovna temperatura približno 650 °C, se uporabljajo zlasti zlitine iz srebra, bakra in cinka z dodatkom kositra.

��

��

6. SPAJKE IZ SREBRA, BAKRA IN FOSFORJA Trde spajke z vsebnostjo bakra in fosforja lahko uporabljamo za spajanje dveh bakrenih elementov brez uporabe talila. Med spajanjem del fosforja zgori in se veže z bakrovim oksidom na površini bakra, pri �emer tvori bakrov metafosfat. Ta deluje podobno kot talilo ter prekrije staljeno spajko in okolico mesta spajanja z zaš�itnim slojem, ki se obarva modrosivo ko se ohladi, prav tako pa ga ni potrebno odstranjevati, saj ne povzro�a tveganja za nastanek korozije. Na voljo so trde spajke z vsebnostjo fosforja in 0-18 % srebra, pri �emer žilavost spajke naraš�a z vsebnostjo srebra. Delovna temperatura znaša od 680 do 720 °C in naraš�a premo sorazmerno z vsebnostjo srebra. Spajanje bakrenih zlitin, npr. medenine z bakrom, je mogo�e prav tako izvesti s spajko z vsebnostjo fosforja, vendar je potrebna uporaba talila. Železovih in nikljevih zlitin ne smemo spajati s trdimi fosfornimi spajkami, saj lahko nastanejo krhki vmesni sloji, ki lahko povzro�ijo lom spoja. Prav tako se ne uporabljajo spajke z vsebnostjo fosforja, �e bo mesto spajkanja prišlo v stik s snovmi, ki vsebujejo žveplo, saj lahko to povzro�i korozijo. V teh primerih se uporabljajo nizko topne trde spajke z vsebnostjo srebra.

Slika 6: Spoj bakrenih cevi s spajko, ki vsebuje baker, srebro in fosfor Trde spajke z vsebnostjo fosforja najve�krat uporabljamo v elektro industriji, kjer je zlasti zaželeno, da ni treba odstranjevati ostankov talila, pri polaganju vodovodov in toplovodnih napeljav, pri namestitvi sistemov za uteko�injene pline, stisnjeni zrak ali kisik ali pri izdelavi vodov hladilnih sistemov, pri katerih je treba cevovode za hladilna sredstva, kot so klorirani ali fluorirani ogljikovodiki, spajati brez uporabe talil. Pri tem ni nevarnosti, da bi ostanki talila ostali v notranjosti vodov. V izogib nastanka škaje v notranjosti cevi lahko slednjo med spajanjem spiramo z zaš�itnim plinom. 7. NASTAVITVE GORILNIKA Spajkalni gorilnik je treba vselej nastaviti tako, da dovaja ve�jo koli�ino plina od predpisane, zlasti pri spajkanju dveh bakrenih elementov s fosfornimi spajkami in pri trdem spajanju aluminija. Med spajanjem naj jedro plamena nikoli ne pride v stik z obdelovancem. Spajati je potrebno samo z zunanjim razpršenim plamenom. Med dodajanjem spajke je naj plamen nekoliko odmaknjen od obdelovanca.

��

��

8. IZBIRA USTREZNE SPAJKE Strokovno izdelane spajke izkoriš�ajo specifi�no trdnost spojenih elementov. Že desetletja se pri nameš�anju tehni�nih plinskih inštalacij uporabljajo trde spajke. Na podro�ju inštalacij iz bakrenih cevi in pri povezovanju mešanih cevi iz nerjavnih jekel ali bakrenih zlitin se uporabljajo nizko topne srebrne spajke brez vsebnosti kadmija. Za spajkanje cevovodov za medicinske pline po potrebi uporabljamo spajke z vsebnostjo fosforja, saj jih lahko pri spajanju bakrenih elementov uporabimo brez talila. Pri mešanih spojih (npr. spoji medenine in jekla) lahko delamo tudi s spajkami z vsebnostjo srebra in talilom. Ostanke talila je treba po spajkanju temeljito odstraniti. Med spajanjem cevovodov za tehni�ne in medicinske pline je nujna uporaba zaš�itnega plina, ki zmanjša nastanek oksidacijskega sloja (mešanica dušika in vodika, �isti dušik ali argonom). Praviloma uporabljamo dvakratno koli�ino plina, kot je predpisana za spajanje. V vodu vselej ohranjamo rahel nadtlak, pri �emer naj najve�ji pretok znaša 10 l/min. Cevovodi za kisik in didušikov oksid morajo biti povsem brez olja in masti. Dobavitelj mora pred dobavo bakrene cevi za medicinske in tehni�ne pline le-te zapreti s �epi. Trdo spajanje naj bo vselej skladno z državnimi in mednarodnimi predpisi zadevnega podro�ja. Spajalnega mesta med izdelavo ne segrevamo prekomerno, saj lahko to neugodno vpliva na strukturo materiala. Spajke z vsebnostjo fosforja ne uporabljamo za medije, ki vsebujejo žveplo, ampak uporabljamo spajke z vsebnostjo srebra. Raztezanje in kr�enje cevovodov zaradi temperaturnih nihanj izravnavamo z razteznimi elementi, saj lahko na spojih v nasprotnem primeru nastanejo razpoke.

��

��

Metoda spremljanja obrabe naležnih površin elektrodnih konic

Vasja Ravbar�� , Željko Pelengi�, Drago Bra�un, Ivan Polajnar, Janez Diaci


V prispevku je opisana metoda brezdoti�nega merjenja stanja naležnih površin elektrodnih konic. Bistvena zna�ilnost metode je, da se meritve izvede v realnih pogo jih dela med premorom dveh zaporednih zvaritev. Rezultati izvedenih eksperimentov kažejo, da je metoda primerna za uporabo v industrijskem okolju in da omogo�a zanesljivo vzdrževanje optimalnih varilnih parametrov.

1. UVOD

Ena od pomembnih zna�ilnosti postopkov uporovnega to�kovnega varjenja (UTV) je, da se med vsako zvaritvijo naležne površine elektrodnih konic deloma obrabijo. Ta pojav je še posebej opazen pri varjenju prevle�enih materialov, ki se jih vse pogosteje uporablja zlasti v avtomobilski industriji. Pove�ana in nepredvidljiva obraba je problem tudi pri varjenju z ve�jimi gostotami jakosti varilnega toka i [A/mm2] in/ali pri uporabi ve�jih specifi�nih tlakov p [N/mm2] na mestih varjenja. Pri varjenju razmeroma neproblemati�nih materialov in v okviru blažjih režimov dela je sicer možno z veliko stopnjo verjetnosti napovedati potek spreminjanja stanja elektrodnih konic v odvisnosti od števila izvedenih zvarov. Vendar se v realnih pogojih pogosto dogaja, da potek obrabe elektrodnih konic ne sledi statisti�nim napovedim. Zato je ocena obrabe elektrodnih konic zgolj na osnovi preštetih to�kovnih zvarov premalo zanesljiva. Na osnovi brezdoti�nega sprotnega merjenja stanja elektrodnih konic po vsaki zvaritvi smo razvili metodo, ki mogo�a zanesljivo ugotovitev stanja naležnih površin. Na ta na�in je mogo�e ustrezno prirejanje varilnih parametrov za vsak naslednji to�kovni zvar tako, da se te izvede v okviru optimalnih pogojev varjenja. S tem se znatno pove�a možnost doseganja stabilne kakovosti to�kovnih zvarov tudi v primerih, ko prihaja do nepredvidljivih poškodb elektrodnih konic. V prispevku so predstavljene meritve oblike naležnih površin elektrodnih konic med procesom UTV, izvedene s pomo�jo laserskega triangulacijskega sistema. Reliefne spremembe (stanje) na elektrodni konici, ki se zgodijo po dolo�enem številu zvaritev, smo opredelili z enoštevil�nim parametrom. Rezultati kažejo, da je potek tega parametra povezan z obrabo elektrodnih konic in je tudi uporaben kot zanesljiva osnova za sprotno prilagajanje varilnih parametrov. 2. EKSPERIMENT Pri eksperimentih smo uporabili varjence iz toplo pocinkane plo�evine (Z 140MB po EN 10142), ki se zaradi številnih dobrih mehanskih in kemi�nih lastnosti pogosto uporablja v industriji. V primerih UTV je slabost tega materiala v tem, da povzro�a hitro in

��

��

nepredvidljivo obrabo elektrod med procesom in posledi�no nepredvidljivo kakovost zvarov. Eksperimente smo izvedli na stroju Elektroda nazivne mo�i 60 kVA. Na stroj za uporovno to�kovno varjenje smo vgradili laserski triangulacijski sistem, ki ga sestavljata laserski projektor in CCD kamera, kot je prikazano na sliki 1. Projektor projicira na površino spodnje elektrode šop svetlobnih ravnin. Pri našem eksperimentu jih je na površino elektrodne konice s kontaktnim premerom 7 mm (izbrana po navodilih DIN 44759 standarda) vpadlo približno 18. Ko se ti žarki difuzno odbijejo na površini elektrodne konice, je z vseh strani na površini viden �rtast vzorec (slika 3). Sliko tega vzorca zajamemo s kamero, ki je nameš�ena pod dolo�enim triangulacijskim kotom glede na os projektorja. Velikost triangulacijskega kota je odvisna predvsem od tega, kakšne detajle na elektrodni konici želimo opazovati.

Slika 1: Shema merilnega sistema Digitalizirano sliko nato ra�unalniško obdelamo z algoritmom dolo�itve reliefa in tako dobimo kon�no meritev oblike elektrodne konice (slika 2). Slika 2: Elektrodna konica (fotografija na levi) in njene izmerjena površina

(ra�unalniška upodobitev na desni)

��

��

Opravili smo 300 zaporednih zvaritev pri naslednjih nastavitvenih parametrih: • pritisna sila: 6 kN • nominalna jakost varilnega toka: 10 kA • �as pritiska: dvajset period (tp = 0,4 s) • �as varjenja: deset period (tv = 0,2 s) • �as zadrževanja: dvajset period (td = 0,4 s) • na�in varjenja: kontinuiran

Naredili smo 1600 zaporednih zvaritev ter opravili meritve stanja elektrodne konice po 150., 350., 600., 950., 1300. in 1600. zvaru. Slika 3 prikazuje v enakem merilu odsev svetlobnih �rt z naležne površine spodnje elektrodne konice po 150. in 1600. zvaritivi. Na sliki so vidne svetle �rte, ki predstavljajo merilne laserske ravnine. Iz poteka teh �rt rekonstruiramo obliko površine konice. Že s prostim o�esom je razvidna razlika med levo in desno sliko, do katere pride zaradi obrabe konice. Z ra�unalniško obdelavo se te razlike izostrijo in jih je mogo�e natan�no ovrednotiti.

Slika 3: Fotografije spodnje elektrodne konice po 150. (levo) in 1600. (desno) zvaritvi 3. REZULTATI Na sliki 4 sta prikazani ra�unalniško generirani sliki 3D izmerkov spodnje elektrodne konice po 150. in 1600. izvedeni zvaritvi. Na slikah je ozna�en karakteristi�ni prerez A-A, ki ga uporabljamo pri opisu in ovrednotenju obrabe konic.

Slika 4: Izmerjeni površini spodnje elektrodne konice po 150. (levo) in 1600. (desno)

zvaritvi

��

��

Potek karakteristi�nega prereza A-A po razli�nem številu zvaritev je prikazan na sliki 5. Na prerezu T1(x) nove elektrodne konice vidimo, da je srednji premer konice približno 7 mm. Poleg tega je opazna rahla bombiranost elektrodne konice – približno 0,14 mm. Po opravljenih 150. zvaritvah (prerez T2(x)) se konica sploš�i, vendar pa se tako oblika kot srednji premer bistveno ne spremenita. Po 600 zvaritvah (prerez T3(x)) se oblika nove elektrodne konice že mo�no razlikuje od za�etne oblike. Vrh konice se na levi strani mo�no sploš�i – približno za 0,8 mm, medtem ko se njegov srednji premer pove�a na približno 8 mm. Podobno velja za elektrodno konico pri 1600. zvaru (prerez T4(x)), kjer imamo še izrazitejšo sploš�itev, srednji premer pa se pove�a na 9,5 mm. Elektroda po 1600. zvarih je bila že degradirana, presenetljivo pa je bilo to, da je bila njena površina precej ravna. Za takšne primere je zato pomembno, da opazujemo površino elektrodne konice v nekoliko širši okolici, torej ve�ji od okolice s srednjim premerom nove elektrodne konice. Oblika karakteristi�nih prerezov jasno pokaže trend obrabe elektrodne konice z ve�anjem števila zvaritev.

- T1(x) ... nova elektroda

- T2(x) ... elektroda po 150. zvaru



Slika 5: Prikaz karakteristi�nih profilov T(x) sp. konice po razli�nem številu zaporednih

zvaritev Metoda vrednotenja obrabe elektrodne konice Z dobljenimi meritvami smo dobili podatke o obliki naležne površine elektrodne konice, ki je v ra�unalniški obliki opisana z matriko, katere indeksi predstavljajo diskretne lokacije na referen�ni ravnini, vrednosti pa razdaljo nad oz. pod to ravnino. Ta na�in opisa imenujemo množica oz. 'oblak' to�k. Z naraš�anjem števila to�kovnih zvarov se površina elektrodne konice, zaradi obrabe, spreminja. Površinske spremembe med novo elektrodno konico in elektrodno konico po dolo�enem številu zvarov želimo opisati z enoštevil�nim parametrom, ki ga dolo�imo na podlagi osnovnega profila elektrodne konice T(x) , dobljenega iz 'oblaka' to�k z mediansko preslikavo. T(x) dolo�imo tako, da na interesnem obmo�ju L izra�unamo vrednost mediane vzdolž vsakega posameznega stolpca xj (v y smeri). Za vrednost mediane smo se odlo�ili zato, ker v primeru eventualnih manjših lokalnih napak, le-te nimajo ve�jega vpliva.

T(x)= �� y)(x,mediana �y

; x,y ∈L (1)

��

��

Parameter profilnih odstopkov Opr predstavlja vsoto vseh kvadrati�nih odstopkov med osnovnima vzdolžnima profiloma degradiranega predmeta TD(x) ter prvotnega predmeta TN(x). Na koncu vsoto odstopkov še normiramo. V ena�bi (2) je M število vseh stolpcev vzdolž interesnega obmo�ja L.

( ) −=x

ND xTxTM

Opr 2)()(1 ; x∈L (2)

Osnovni vzdolžni profil T(x) smo vpeljali zato, ker omogo�a bolj pregledno opazovanje sprememb pri obrabi konice kot 3D površina. Kot je razvidno iz slike 6, parameter Opr naraš�a z naraš�anjem števila zaporednih zvaritev v celotnem obmo�ju. Elektroda po 300. zvarih še ni bila degradirana do te stopnje, da bi jo bilo potrebno zamenjati. Degradiranost vrha elektrodne kape se kaže predvsem v spremembi srednjega premera elektrodne konice in lokalnih sprememb na njeni površini. Tudi te razmeroma majhne spremembe lahko zaznamo in sproti spremljamo preko parametra Opr, ki se kaže kot ob�utljiva in zanesljiva mera postopne degradacije konic. S sprotnim dolo�anjem parametra Opr torej lahko spremljamo obrabo elektrod in po potrebi spreminjamo varilne parametre tako, da izvajamo proces v optimalnem obmo�ju. Z eksperimenti bi bilo mogo�e dolo�iti mejno vrednost parametra Opr, ki bi opredeljevala teoreti�no mejo med sprejemljivo in nesprejemljivo degradacijo elektrode. Doseženo mejno vrednost parametra Opr lahko uporabimo kot signal operaterju, da samodejne korekcije parametrov niso ve� smiselne ter da je potrebno zamenjati konici.

Slika 6: Prikaz odvisnosti parametra obrabe Opr od števila n zaporednih zvaritev 4. ZAKLJU�KI Razvili smo sistem za sprotno spremljanje reliefnih sprememb na površini elektrodne konice in ga aplicirali na stacionarnem stroju za UTV (uporovno to�kovno varjenje) Velikostni merjene površine je bila 7x7mm, na njen smo merili reliefne spremembe pod 0,1 mm. Ta sistem nam odpira nove možnosti študije obrabe elektrodne konice in možnost uporabe teh informacija za krmiljenje UTV. Nadaljne raziskave bodo usmerjene predvsem v dolo�anje meje sprejemljive degradacije konic na osnovi razvitih oblikovnih parametrov obrabe. Na ta na�in bi bilo mogo�e izlo�iti subjektivni faktor presoje stopnje obrabe konic.

��

��

LITERATURA 1. Bra�un D., Diaci J., Polajnar I., Možina J., Using laser profilometry to monitor electrode

wear during resistance spot welding. Sci. technol. weld. join., 2002, letn. 7, št. 5, str. 294-298.

2. RAVBAR, Vasja, PELENGI�, Željko, DIACI, Janez. Merjenje profila elektrodnih konic pri uporovnem to�kovnem varjenju. V: POLAJNAR, Ivan (ur.), ŠTULAR, Pavel (ur.). Dan varilne tehnike, Celje, 20. maj 2004. Zbornik referatov. Ljubljana: Slovensko društvo za varilno tehniko, 2004.

3. Polajnar I., Bra�un D., Podržaj P., Diaci J., Electrode contact area monitoring during resistance spot welding of coated steel. IIS/IIW Doc.: III-1310-04. V: 57th Annual Assembly of IIW/IIS, Osaka, July 11.-16. 2004. [Osaka], 2004: International Institute of Welding, 9 str.

4. Bra�un D., Polajnar I., Diaci J., Indentation shape parameters as indicators of spot weld quality. V: GRUM, Janez (ur.). 8th International Conference of the Sovenian Society for Non-Destructive Testing, Portorož, Slovenia, 1-3 September 2005. Conference proceedings. Ljubljana: Slovenian Society for Non-Destructive Testing, 2005, str. 419-427.

IN MEMORIAM Ne, jaz no�em še umreti, saj še sije zlato sonce, saj mladost me drzna spremlja, saj so cilji še pred mano; ne jaz no�em še umreti. (Sre�ko Kosovel)

Soavtorji prispevka se ob tej priložnosti priklanjamo spominu Vasje Ravbarja univ. dipl. inž., ki je kot diplomant Fakultete za strojništvo sodeloval pri opisani raziskavi in za to delo prejel Prešernovo nagrado za študente UL-FS. Žal je njegov nadaljnji uspešen strokovni razvoj prekinila prezgodnja smrt.

��

��

Detekcija akusti�ne emisije pri uporovnem to�kovnem varjenju

Ivan Polajnar, Tomaž Kek, Janez Grum

Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškr�eva 6, 1000 Ljubljana Povzetek

Z detekcijo akusti�ne emisije med procesom uporovnem to�kovnem varjenju je možno zaslediti za�etek pojava nezaželenega brizganja. Iz posnetih in analiziranih signalov akusti�ne emisije lahko z veliko gotovostjo sklepamo, da je med varjenjem prišlo do pojava brizganja. Z razvojem matemati�nega a lgoritma pa bi bilo možno za�eti po jav tudi avtomati�no prekiniti.

1. UVOD Uporovno to�kovno varjenje (UTV) je v množi�ni proizvodnji, še posebej v avtomobilski industriji, med najbolj pogosto uporabljenimi varilnimi postopki. Kljub temu, da je postopek cenen, ne smemo zanemariti dejstva, da mora kvaliteta vsake zvarne to�ke ustrezati predpisanim tolerancam. Pri vzpostavljanju pogojev za kontrole kvalitete v industrijskih pogojih naletimo na naslednje težave: to�kovne zvare se zvari v zelo kratkem �asu in tudi varjenje naslednjega zvara sledi po razmeroma kratkem premoru, kar pomeni, da tudi v �asu premora ni na razpolago prav veliko �asa za celovito presojo kakovosti predhodno zvarjenega to�kovnega zvara. Poznamo sicer ve� off-line postopkov kontrole kvalitete zvarov, vendar ti ne omogo�ajo kontrole že med samim varjenjem. Zato želimo v našem razviti inteligenten nadzor nad varjenjem, ki bo ekonomsko upravi�en, zanesljiv in primeren za uporabo v industrijskem okolju. Izhodiš�e za raziskave na tem podro�ju je bilo dejstvo, da bi lahko brizganje prepre�ili še preden se sploh pojavi. Brizganju taline se namre� želimo izogniti iz ve� razlogov: zaragi energetskih prihrankov, kar pomeni, da je bila v podro�je zvara vnesena manjša koli�ina energije, da bi zmanjšali obrabo elektrodnih konic in zlasti zato da bi dvignili splošni nivo kakovosti to�kovnih zvarov in samega izdelka. Briz ganje namre� zmanjša trdnost in korozijsko odpornost to�kovnih zvarov in kvari zunanji videz zvara. Ob tem povzro�a brizganje še dodatne poškodbe površin varjencev, onesnažuje okolje in ogroža varnost okoliških delavcev. 2. TVORBA ZVARA IN POJAV BRIZGANJA UTV je postopek spajanja praviloma dveh enako debelih varjencev, ki sta vstavljena med dve osno-simetri�ni elektrodi [1]. Elektrodi sta priklju�eni v elektri�ni tokokrog pod napetostjo varjenja UW in stisnjeni s pritisno silo FW (Sl. 1). Kot posledica celotne upornosti tokokroga RT in napetosti varjenja UW, ste�e tok varjenja IW. Pri tem se v �asovnem intervalu dt sprosti dolo�ena koli�ina toplote dQ (En. 1). Zaradi velike kontaktne upornosti med varjencema RC [2, 3], se velik del te toplote sprosti prav na mestu varjenja.

dQ = P dt = UW (t) � IW (t) � dt = IW 2 (t) � RT (t) � dt (1)

��

��

Slika 1: Shema UTV Potek formiranja to�kovnega zvara je odvisen od ve�jega števila parametrov, med katerimi so najpomembnejši:

• vrsta, debelina in stanje površine varjencev, • oblika in premer elektrod, • velikost pritisne sile, • vrsta in velikost varilnega toka IW, • �as varjenja tW.

Za segrevanje dolo�enega volumna zvarne le�e V z gostoto ρ in specifi�no toploto cp, ki ga segrejemo od temperature okolice T0 do temperature tališ�a Tm (∆T = Tm – T0), bi teoreti�no potrebovali toploto QT (En. 2). Dejanska vnešena toplota QA je ve�ja od QT (En. 3) zaradi segrevanja okolice in zaradi toplotnih izgub - ηw [6].

QT = V � cp � ρ � ∆T (2)

QA = RC � IW2 � tW / ηw (3)

Slika 2: Vpliv jakosti varilnega toka in �asa na tvorbo to�kovnega zvara Sproš�ena toplota je torej neposredno odvisna od izbrane velikosti varilnega toka in �asa varjenja. V praksi težimo k temu, da izberemo varilne parametre tako, da omogo�ajo doseganje želene oblike in kvalitete zvara z minimalnimi toplotnimo izgubami. To pomeni, da po možnosti varimo s �im višjo vrednostjo jakosti varilnega toka, ki obenem naj ne bi

��

��

povzro�al brizganja taline (Sl. 2,3). Pojav brizganja taline pri UTV je sicer zelo pogost, vendar nezaželen. Povzro�ajo ga:

• prevelik vnos energije in s tem preseganje dolo�ene velikosti zvarne le�e (pri primerni velikosti varilnega toka, veliki pritisni sili in pove�anem �asu varjenja),

• prevelik za�etni varilni tok (pogosto pri premajhni velikosti zvarne le�e in premajhni pritisni sili),

• tog prenos pritisne sile (tudi pri optimalnih vrednostih drugih varilnih parametrov in pri�akovani velikosti zvarne le�e).

Slika 3: Primer varjenja z brizganjem taline 3. AKUSTI�NI POJAVI MED UTV Naše raziskave so bile usmerjene v možnost napovedovanja in prepre�evanja brizganja, z uporabo posnetega slišnega zvoka. Med varjenjem se generira slišni zvok na podoben na�in, kot nastaja akusti�na emisija visokih frekvenc, ki je posledica razli�nih efektov med procesom varjenja. Ti efekti povzro�ajo zvo�ne valove razli�nih frekvenc in amplitud, ki so združeni v zvok (ta vklju�uje tudi šume iz okolice) [3, 4]. Po izvoru lahko te signale razdelimo v dve glavni skupini (Sl. 4):

• izbruhi, kot posledica trenutnih dogodkov (kjer amplituda signala s �asom eksponentno pada)

• zvezni signali kot posledica ponavljajo�ih in prekrivajo�ih se dogodkov Posnete zvo�ne signale med UTV lahko v �asovnem diagramu razdelimo v pet zna�ilnih faz:

1. dotik elektrod z varjencema (izbruh zvoka visoke amplitude) 2. stiskanje elektrod pred varjenjem (iznihavanje - amplituda zvoka pada na nivo šuma

okolice) 3. varjenje – ko skozi tokokrog te�e tok (zvezni signal, ki nosi koristna sporo�ila o

poteku varjenja – iz tega signala poskušamo ugotoviti, ali je prišlo do pojava brizganja taline)

��

��

4. stiskanje elektrod po varjenju (iznihavanje zveznega signala - amplituda nihanja pada na nivo šuma okolice)

5. razklenitev elektrod (izbruh zvoka visoke amplitude)

Zvo�ni izbruh

-0 ,4

-0 ,2

0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1

0 1 0 20 30 4 0 5 0 60 70

�as

ampl

ituda

Zvezni signal

-1 ,5

-1

-0 ,5

0

0 ,5

1

1 ,5

0 1 0 20 30 40 50 60 70

�as

ampl

ituda

Slika 4: Primer zvo�nega izbruha in zveznega signala Za�etek in intenzivnost brizganja pri UTV lahko zasledujemo na razli�ne na�ine: iz poteka dinami�ne upornosti, pomika elektrod, iz detektirane akusti�ne emisije ali slišnega zvoka. Za razliko od navedenih metod, ki zahtevajo uporabo prilagojenih senzorje in obdelavo podatkov, obeta brezkontaktna senzorika pojava brizganja s slišnim zvokom enostavnost in cenenost [5, 6]. 4. EKSPERIMENTI Vsi preizkusi so bili izvedeni na stacionarnem stroju za UTV ELEKTRODA, tip TA 60-S (Sl. 5), z elektrodami iz materiala Varmat 3, standardne oblike po DIN 4458, s premerom elektrodne konice dC = 7,0 mm [7, 8].

Slika 5: Stroj za UTV: ELEKTRODA, tip TA 60-S

��

��

Varjenci so bili iz hladno valjanega konstrukcijskega jekla St.37, debeline δ = 2,0 mm in dimenzij 40 x 110 mm. Zvarili smo jih z enim to�kovnim zvarom, po priporo�ilih standarda DIN 5411 za natezno-strižni preizkus s prekritjem ep = 35 mm. Ob konstantni pritisni sili sta bila varilni tok in �as varjenja izbrana tako, da sta zagotavljala približno enak vnos energije, pri dveh razli�nih varilnih režimih:

• blag varilni režim - z manjšim varilnim tokom in daljšim �asom varjenja, ki ne povzro�i brizganja taline

• oster varilni režim - z ve�jim varilnim tokom in krajšim �asom varjenja, ki naj bi povzro�il brizganje taline

Tabela 1: Nastavitve in varilni parametri

Režim varjenja

Nastavitve stroja

Pritisna sila

FW [kN]

Tok varjenja IW [kA]

�as varjena tW [s]

blag III - 5 3,0 7,11 0,60 oster IV – 5 3,0 7,54 0,40

Varilni tok smo merili posredno s tuljavo Rogowsky (s karakteristiko 1 kA =^ 200 mV), ugrez elektrod s triangulacijskim laserskim senzorjem MEL D-85836 (s pripadajo�im oja�evalnikom) in slišni zvok s kapacitivnim mikrofonom B&K 4145 0,5" z mikrofonskim oja�evalnikom in napajalnikom tipa 2801. Signal iz mikrofona smo vodili skozi 800 Hz nizkopasovni filter, na ta na�in smo se znebili zvoka visokih frekvenc, ki je v primeru digitalizacije nezaželen. Signale smo posneli z dvema digitalnima osciloskopoma in prenesli na PC. 5. REZULTATI IN DISKUSIJA Varilni parametri pri obeh režimih varjenja so zagotavljali približno enak videz zvara, t. j. premer dI in globina vtiska x sta bila približno enaka. Po drugi strani pa sta razli�na režima varjenja povzro�ila razlike v obliki in premeru zvarnih le�, kar kaže tudi slika 7. Pri blagem režimu, t. j. brez brizganja, je zvarna le�a bolj sploš�ena (dN’ = 9,5 mm), v ostrem režimu pa je zvarna le�a bližje kroglasti obliki (dN’’ = 8,7 mm) [9].

d = 8,0 mmI

x = 0,2 mm

d ’’= 8,7mmN

d ’ = 9,5 mmN

Slika 7: Oblike in dimenzije zvarov v pre�nem prerezu

��

��

Rezultati eksperimentalnega dela so predstavljeni s �asovnimi diagrami varilnega toka IW(t), ugrezom elektrod x(t) in slišnim zvokom AS(t) za varjenje z brizganjem ali brez njega. V vseh prikazanih diagramih so ordinatne vrednosti v relativnih enotah. Merjeni signali varilnega toka, ugreza elektrod in slišnega zvoka za blagi režim so prikazani na sliki 8, za ostri režim pa na sliki 9 in 10. Na sliki 9 in 10 imamo dva razli�na diagrama za ugrez elektrod in slišnega zvoka (diagram toka je enak za oba). Na prvem paru (Sl. 9) lahko vidimo, da je prišlo do enega brizganja, v drugem primeru (Sl. 10) pa je prišlo celo do dvojnega briz ganja. Analiza �asovnih zapisov:

• Pojav brizganja je najlažje razbrati iz diagramov ugreza – nenaden dvig krivulje (med varjenjem).

• S spremljanjem procesa aktivnosti akusti�ne emisije, se briz ganje pokaže kot vidna sprememba v amplitudi zvoka.

0

1

2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

x

0

1

2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

IW

t W

0

1

2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

AS

Slika 8: Blagi režim varjenja

��

��

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

x

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

IW

t W

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

AS

Slika 9: Ostri režim varjenja

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

IW

t W

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

x

0

-1

-2

1

2

0 0,2 0,4 0,6 0,7 0,8 1,0 1,2 1,4 t [s]

AS

Slika 10: Ostri režim varjenja Z velikim številom eksperimentov, pri katerih spreminjamo velikost varilnega toka, lahko konstruiramo zgornjo linijo diagrama, prikazanega na sliki 2 (linija med pravilnim zvarom in brizganjem).

��

��

6. ZAKLJU�EK Dobljeni rezultati kažejo, da je v našem primeru najbolj primeren postopek za ugotavljanje brizganja med uporovnim to�kovnim varjenjem brezkontaktno merjenje ugreza z laserskim senzorjem. Vendar je potrebno poudariti, da je tak na�in spremljanja zaradi šumov iz okolja v industrijskih pogojih, t. j. v masovni proizvodnji, le delno uporaben. S snemanjem in analizo detektiranih signalov akusti�ne emisije je možno zaznati brizganje, vendar se zanesljivost zaznave zmanjša, �e so prisotni nekontrolirani šumi iz bližnje okolice. �e je zagotovljeno relativno dobro definirano delovno okolje, potem je metoda zaznavanja brizganaja s tem pristopom zelo prikladna zaradi dobre lo�ljivosti, zanesljivosti in cenenosti. Z nadaljevanjem dela na tem podro�ju bi bilo možno razviti enostaven matemati�en algoritem za avtomatsko zaznavo brizganja med procesom, še boljše pa bi bilo poskusiti napovedati brizganje iz poteka dinami�ne upornosti. LITERATURA 1. Ko�ergin K.A.: Kontaktna svarka. Mašinostroenie, Leningrad, 1987, pp.: 81 – 110. 2. Radaj D.: Schweißprozeßsimulation, Grundlagen und Anwendungen. Verlag für

Schweißen und Verfahren DVS-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1989, pp.: 121 – 140. 3. Aclini W.V.: Experimental Measurement of Liquid Nugget Heat Convection in Spot

Welding. Welding Journal, Vol. 69, April 1990, pp.: 177 - 180. 4. Grabec I., Govekar E. in Gradišek J.: Analysis of acoustic emission of manufacturing

processes. The first congress of Slovenian acoustic society. Portorož 1998, Proceedings, 1 - 18.

5. Diaci J. in Polajnar I.: Analysis of low frequency sound detected during resistance spot welding. The first congress of Slovenian acoustic society. Portorož 1998, Proceedings, 223 - 230.

6. Broomhead J.H. and Dony P.H.: Resistance spot welding quality assurance. Welding and Metal Fabrication, July 1990, pp.: 55 - 76.

7. Trošt A.: Fizikalne osnove uporovnega varjenja in kakovost uporovno to�kovnih zvarov. Seminarska naloga univerzitetnega študija, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998.

8. Trošt A.: Detekcija in analiza nizkofrekven�nega zvoka pri uporovnem to�kovnem varjenju. Diplomska naloga univerzitetnega študija št. 4883, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1998.

9. Šiško L.: Detekcija in analiza zvoka pri uporovnem to�kovnem varjenju. Diplomska naloga višješolskega študija št. 3929, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana 1999.

10. Diaci J., Polajnar I., Elsayed A.E., Šiško L., Acoustic detection of melt expulsion during resistance spot welding. The second congress of Slovenian acoustic society. Portorož 2000, Proceedings, 377 - 386.

��

��

Mikrobiološko vplivana korozija zvarnih spojev

Marjan Suban, Robert Cvelbar, Borut Bundara

Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1001 Ljubljana, Slovenija Povzetek

Prispevek obravnava manj znano obliko korozijo t.i. mikrobiološko vplivano korozijo. Ta dokaj neobi�ajna oblika korozije je rezultat interakcije med bakterijami in raznimi kovinami ter njihovimi zlitinami, zanjo pa je zna�ilna tudi do 100-krat ve�ja hitrost napredovanja kot pri obi�ajnih na�in ih korozije. Sistemi, ki so ranljivi s stališ�a mikrobiološko vplivane korozije so cevovodi, rezervoarji, tla�ne posode, protipožarni »sprinkler« sistemi, itd. V prispevku so podrobneje opisani vzroki za nastanek ter potek mikrobiološke vplivane korozije ter njene posledice predvsem na zvarne spoje. 1. UVOD V cevovodu, ki je v osnovi namenjen transportu teko�ih, plinastih ali razsutih novi, se lahko pogosto pojavijo zastajajo�e oz. mirujo�e vode. Mirujo�e vode ali vode, katere pretok je majhen predstavljajo potencialno gojiš�e za razvoj mikroorganizmov. Mikroorganizmi ne predstavljajo nevarnost samo živim organizmom ampak je njihovo delovanje škodljivo tudi neživi naravi oz. raznim kovinski ter ostalim materialom. Bakterije, glivice, alge so mikroorganizmi, ki med drugim povzro�ajo tudi korozijo kovin in njihovih zlitin. Za tak tip korozije se je uveljavilo ime mikrobiološko vplivana korozija. Podobno velja tudi za sisteme, ki so prikazana v tabeli 1 in so ranljivi s stališ�a mikrobiološko vplivane korozije. V tabeli so navedeni tudi mikroorganizmi, ki se najbolj pogosto pojavljajo kot vzrok za korozijo. Tabela 1: Sistemi, kjer se pojavlja mikrobiološka vplivana korozija [1]

Uporaba/sistem Problemati�ni element/podro�je Mikroorganizmi Cevovodi/rezervoarji (pitna ali odpadna voda, plin, nafta)

Obmo�ja zastajanj a (znotraj) Zunanjost zakopanih cevi in rezervoarjev v mokrem okolju Neustrezno sušenje po tla�nem preizkusu

Aerobni in anaerobni proizvaj alci kisline Bakterije, ki reducirajo sulfat Bakterije, ki oksidirajo Fe/Mn Bakterije, ki reducirajo sulfat

Hladilni sistemi Hladilni stolpi Izmenjevalci toplote

Aerobne in anaerobne bakterije Bakterije, ki oksidirajo kovine Bakterije, ki tvorijo mulj Alge Glive

Pomoli, privezi in druge obalne konstrukcije

Obmo�je valovanja Obmo�je plimovanja

Bakterije, ki reducirajo sulfat

Rezervoarji goriva pri vozilih Obmo�ja zastajanj a Glive Elektrarne in toplarne Izmenjevalci toplote

Kondenzatorji Aerobne in anaerobne bakterije Bakterije, ki reducirajo sulfat Bakterije, ki oksidirajo kovine

Protipožarni sistemi Obmo�ja zastajanj a Anaerobne bakterije Bakterije, ki reducirajo sulfat

��

��

S stališ�a korozije kovin so najbolj poznane bakterije, ki reducirajo sulfat (angl. sulphate reducing bacteria SRB). Razvoj bakterij se pojavi v okolju, ki je prikazan na sliki 1. Bakterije v mirujo�i ali po�asi teko�i vodi tvorijo na površini kovine biofilm, pod katerim te�ejo korozijski procesi kovine tudi do 1000 krat hitreje kot pri obi�ajni koroziji [2].

Slika 1: Sestavni deli okolja za razvoj mikrobiološke vplivana korozije in mikroskopski

posnetek biofilma v primeru korozije cinka (levo) [3] Za potek kemi�nih reakcij so pri mikrobiološko vplivani koroziji potrebne bakterije, ki reducirajo sulfat. Fluidi z mikroorganizmi predstavljajo nov izvir katodnih reaktantov. Korozijski �len tako izvira iz razgradnih produktov mikroorganizmov. Potek kemijskih reakcij je torej naslednji.

Anodna reakcija: 4Fe – 8e– � 4Fe2+ (1) Katodna reakcija: 8H2O + 8e– � 8H + 8OH– (2) 8H + SO4

2– � 4H2O + S2– (3) �len: 4Fe + 8H2O + SO4

2– � 4Fe2+ + S2– + 8OH– (4) �emur sledi S2– + Fe2+ � FeS (5) in 3Fe2+ + 6OH– � 3 Fe(OH)2 (6)

SRB bakterija torej v primeru železnih zlitin povzro�i tvorbo železovega sulfida FeS. V primeru reakcije s cinkom (Zn), ki predstavlja protikorozijsko zaš�ito jekla pa so korozijski produkti cinkov sulfid ZnS in njegovi agregati, ki se izlo�ajo v biofilmu, kot je to prikazano tudi na sliki 1. Poleg SRB bakterije so poznane tudi ostale bakterije, ki povzro�ajo mikrobiološko vplivano korozijo pri kovinah. V tabeli 2 so prikazane najbolj pogoste z opisom njihovega delovanja ter okoljem, v katerem so najbolj aktivne. Tabela 2: Bakterije za katere je znano, da povzro�ajo mikrobiološko vplivano korozijo

pri jeklih in drugih kovinah [4]

Vrsta pH Temperatura Potreba po kisiku Ogrožene kovine Desul fovibrio 4 - 8 10°C - 45°C Anaerobna Železo in jekla,

nerjave�e jeklo, Al, Zn, Cu in zlitine

Desul fotomaculum 6 - 8 10°C - 45°C (some at 45°C - 75°C)

Anaerobna Železo in jekla, nerjave�e jeklo

Desul fomonas - 10°C - 45°C Anaerobna Železo in jekla Acidthiobacillus thiooxidans

0,5 - 8 10°C - 45°C Aerobna Železo in jekla, Cu in zlitine

ZnS agregati

ZnS

Biofilm

��

��

Acidithiobacillus ferrooxidans

1 - 7 10°C - 45°C Aerobna Železo in jekla

Gallionella 7 - 10 10°C - 45°C Aerobna Železo in jekla, nerjave�e jeklo

Siderocapsa - 10°C - 45°C Mikroaerofilna Železo in oglji�na jekla

Leptothrix 6,5 - 9 10°C - 45°C Aerobna Železo in jekla Sphaerotilus 7 - 10 10°C - 45°C Aerobna Železo in jekla,

nerjave�e jeklo Pseudomonas 4 - 9 20°C - 45°C Aerobna Železo in jekla,

nerjave�e jeklo Cevovodi z nevtralnimi pH vode med 4 in 8 ter pri temperature od 20 do 45oC so torej v mikrobiološkem smislu idealni za razvoj mikroorganizmov [5]. Poleg temperature, kislosti (faktorja) pH ter vsebnosti kisika pa na razvoj bakterij vplivajo tudi drugi fizikalno mehanski faktorji kot so površinska energija, hrapavost površine kovine, in hitrost pretoka fluida. Uporaben diagram je bil podan s strani Krooneman et al. v lit. [6] za oceno tveganja pojava mikrobiološko vplivane korozije v cevovodih (glej sliko 2). Kar je pomembno na tej sliki je to, da so mikroorganizmi, tako kot ljudje, zmožni živeti le v dolo�enih pogojih, med katerimi pa je hitrost pretoka fluida izjemno pomembna. Kot mejna vrednost hitrosti pretoka na sliki 2 je podana 1,5 m/s. Pod to hitrostjo je razvoj bakterij in tvorjenje biofilma omogo�eno, nad to vrednostjo pa so možnosti manjše, ker je hitrost pretoka fluida prevelika. Johnsen in Bardal navajata, da lahko mikroorganizmi tvorijo biofilm tudi pri hitrosti pretoka fluida okoli 4,5 m/s [7]. Ne glede na to obstaja torej dejstvo, da se z zniževanjem hitrosti pretoka fluida zmanjšuje tudi mehanska sila, ki lahko prepre�i formiranje biofilma na steni cevovoda in s tem možnost pojava mikrobiološke vplivane korozije.

Slika 2: Shematski prikaz odvisnosti hitrosti korozije R od hitrosti pretoka fluida v,

temperature T in kislosti flu ida pH 2. EKSPERIMENTALNO DELO Pri raziskavi pojava mikrobiološke vplivane korozije, kot posledica mirujo�ih voda je bil uporabljen realni objekt. Analizirani objekt je vodovodni sistem v bolnišni�nem poslopju, ki je bil dokon�an leta 2002. V okviru prevzema je bil izveden tla�ni preizkus vodovodne inštalacije. Za izvedbo tla�nega preizkusa je bila uporabljena navadna pitna voda, ki ni bila dodatno kemi�no ali druga�e obdelana. Normalna uporaba vodovodnega sistema v objektu se je pri�ela leta 2006. V vmesnem �asu je bil vodovodni sistem delno ali v celoti izpraznjen. Od takrat pa do konca leta 2008 je bilo v vodovodnem omrežju opravljenih 8 toplotnih šokov s

��

��

temperaturo vode višjo od 70°C ter ve� klornih šokov. Vodovodno omrežje je od pri�etka uporabe neprekinjeno napolnjeno z navadno pitno vodo. Vodovodno omrežje v objektu je bilo grajeno iz pocinkanih rjavnih cevi premerov 1" in 11 /4". Izmerjena debelina zaš�itne plasti cinka (vro�e pocinkanje) je znašala od 35 pa do 90 �m. Pregled korozije v notranjosti vodovodnih cevi je bil izveden z uporabo videoskopa Everest PLS 500 DA. Izbrani deli cevi so bili odvzeti iz sistema in še nadaljnje analizirani z izdelavo makroobrusov. Korozijski produkti so bili tudi kemi�no analizirani z uporabo energijsko disperzivne rentgenske spektroskopije (EDX ali EDS). 3. REZULTATI IN DISKUSIJA 3.1 Izgled in barva korozijskih produktov Pri pregledu notranjosti cevi je bilo naprej ugotovljeno, da je le-ta prevle�ena s karbohidratnimi oblogami (biofilm). Korozija, ki je bistveno bolj intenzivna na spodnji strani cevi (glej sliko 3), kaže, da je korozijski proces in rezultat v glavnem posledica zastale (stagnantne) vode v ne popolnoma izpraznjenem vodovodnem omrežju. To kaže na izrazit vpliv zastale vode, verjetno po tla�nem preskusu oziroma v nekem drugem �asovnem obdobju, ko je bil sistem za daljše obdobje le delno izpraznjen, ali malo v uporabi. Manjša koli�ina mirujo�e vode je bila izredno primerno gojiš�e za razvoj mikroorganizmov in nadaljni razvoj mikrobiološko vplivane korozije. V njihovi prisotnosti se korozijsko raztapljata cink in železo, pa celo nerjavno jeklo slabše kvalitete (npr. avstenitno 18Cr-8Ni nerjavno jeklo AISI 304) se ne uspe primerno pasivirati v takem mediju.

Slika 3: Korozijski produkti na spodnje delu cevi v njeni no tranjosti levo ter vzdolžno

razrezana cev Pri preiskavi mikrobiološko vplivane korozije je lahko barva korozijskih produktov bistveni indikator. Rde�kasto rjava barva korzijskih produktov na sliki 4 so zna�ilne za delovanje SRB in železo-oksidirajo�ih bakterij. Po�rnitev površine korodiranega mesta pod karbohidratno oblogo je o�itna indikacija tvorjenja železovega sulfida. Ob odstranitvi biofilma se pojavi tudi zna�ilen vonj po gnilih jajcih, ki indicira vodikov sulfid, ki ga proizvajajo SRB bakterije.

Spodnji del cevi

Zgornji del cevi

��

��

Slika 4: Korozijski produkti na površini cevi Na osnovi klasificiranja morfoloških oblike površin korodiranih mest ni bilo možno podati enotne ugotovitve. Do podobnih rezultatov so prišli tudi drugi avtorji npr. v lit. [8], kjer ugotavljajo, da je morfologija korodirane površine povezana s kemi�no sestavo površine kovine in ne s prisotnostjo mikroorganizmov. V naslednji fazi je bil izveden metalografski pregled pre�nega preseka korodiranega mesta. Avtorji [9] navajajo, da ima pre�ni presek korodiranega mesta pri nerjave�ih jeklih zaradi prisotnosti mikroorganizmov tipi�no obliko (ink bottle-shaped pit) prikazano na sliki 5 levo. To v našem primeru (prikazan na sliki 5 desno) ne bi mogli potrditi, res pa je, da gre v našem primeru za pocinkano malooglji�no jeklo. Vse poškodbe vodovodnih cevi so posledica delovanja korozije v zaš�itni plasti vro�ega pocinkanja, po preboju te pa je na mestih korozijskih izjed, kjer cink ne š�iti spodaj leže�e jeklo, prisotno še intenzivno korozijsko raztapljanje železa. Možno je, da bi se pri rasti korozije v globino na jeklenem delu oblikovala podobna oblika kot na sliki 5 levo.

Slika 5: Pre�ni presek korozijske poškodbe levo tipi�na pri nerjavnih jeklih [9], desno v

obravnavanem primeru pri pocinkanju na notranji strani cevi Podobno kot pri cevovodih je nastanek in razvoj mikrobiološka korozija možen tudi v notranjosti rezervoarja hladne vode. Na sliki 6 so prikazane korozijsko napadene (rjavi odcedki korozijskih produktov z raztopljenim železom in legirnimi elementi) površine avstenitne nerjavne plo�evine, med temi pa zaradi korozije izstopajo zvari s toplotno vplivanim podro�jem TVP. To je posledica osiromašenja obmo�ja v neposredni bližini kristalnih mej, kjer se vsebnost kroma zmanjša pod tisto vrednostjo, ki še omogo�a pasivacijo jekla.

Rde�kasto rjavi korozijski produkti

�rna korodirana površina

��

��

Slika 6: Korozija v notranjosti rezervoarja pitne vode iz nerjave�ega jekla 3.3 EDX analiza Pri preiskavi korozije na vodovodnih ceveh smo z EDX metodo analizirali korozijske produkte v korozijskih izjedah. V grafu na sliki 7 se razvidni vrhovi za železo Fe, cink Zn, kisik O in žveplo S. Kot je to že pokazano z ena�bo (5) se pri mikrobiološko vplivani koroziji v korozijski izjedi tvori železov sulfid FeS. Prav zaradi tega EDX analiza korozijskih produktov odkrije ve�jo koli�ino žvepla (0,42 mas.%), kar je zna�ilnost tega tipa korozije. Prisotnost žvepla v povezavi s cinkom nakazuje tudi prisotnost cinkovega sulfida ZnS v korozijskih produktih. Poleg tega smo v korozijskih produktih odkrili tudi znatno koli�ino klora, verjetno v obliki Cl- ionov. Tako velika koli�ina kloridov je verjetno prisotna zaradi izvajanja klornih šokov. Vpliv agresivnega klora na nastajanje novih korozijskih izjed ter na poglabljanje že nastalih izjed zaradi že navedenega zastajanja vode v ceveh oz. mikrobiološko vplivane korozije ni bil predmet preiskave.

Slika 7: EDX analiza mikrobioloških korozijskih produktov na površini galvaniziranega

(pocinkanega) jekla Za primerjavo smo analizirali tudi vodovodno cev, na kateri so kot posledica delovanja korozije samo sledovi bele korozije (slika 8 z goraj). Z analizo korozijskih produktov v korozijski izjedi pocinkanja smo ugotovili, da so korozijski produkti sestavljeni le s produkti cinka, ki je s kisikom vezan kot cinkov hidroksid Zn(OH)2 (slika 7 spodaj). V korozijskih izjedah smo odkrili tudi železo. Ker je delež železa v teh produktih zelo majhen, lahko

Element App Intensity Weight% Weight% Atomic% Conc. Corrn. Sigma C K 44.47 0.4227 13.59 5.37 27.33 O K 242.97 0.9385 33.44 4.54 50.48 S K 2.70 0.8206 0.42 0.56 0.32 Cl K 6.24 0.7625 1.06 0.68 0.72 Fe K 239.02 0.9161 33.71 4.31 14.58 Zn K 113.90 0.8279 17.77 5.00 6.57 Totals 100.00

Zvar

��

��

sklepamo, da izvira iz spodnjih plasti cinkove prevleke, v kateri je lahko od 7 do okoli 20 mas. % Fe v obliki razli�nih intermetalnih faz.

Slika 8: Bela korozija galvaniziranega jekla (zgoraj) in EDX analiza korozijskih

produktov (spodaj) 4. ZAKLJU�EK Pri�ujo�i prispevek opisuje pojav mikrobiološko vplivane korozije pri pocinkanih jeklih na realnem objektu, kot posledica delovanja mikroorganizmov v mirujo�i vodi. Rezultati analize površine korozijske izjede, predvsem EDX analiza, dokazujejo, da so v korozijskih produktih prisotni elementi in spojine (npr. žveplo v obliki FeS in ZnS), ki so znak delovanja mikroorganizmov. Opisani korozijski produkti so posledica korozije zaradi SRB in železo oksidirajo�e bakterije, katerih prisotnost pa v prispevku nismo dokazovali z biološkimi analizami. Zvar s toplotno vplivanim podro�jem predstavlja v primerjavi z osnovnim materialom bolj ranljivi del sistema tudi kar se ti�e mikrobiološko vplivane korozije, kar je v prispevku prikazano s korozijo notranjosti rezervoarja iz nerjave�e plo�evine. Iz navedenega torej sledi, da se je potrebno izogibati pojavu mirujo�ih voda v vodovodnih sistemih, saj le-te predstavljajo potencialni vir mikroorganizmov, ki vodijo k razvoju mikrobiološko vplivane korozije. Pojav mirujo�ih voda je pogosto posledica nepravilnosti pri konstruiranju, nepravilni izvedbi tla�nega preizkusa ali pa so prisotne zaradi sistema samega (npr. sprinkler protipožarni sistemi). V izogib pojavu mikrobiološko vplivane korozije navajamo nekaj priporo�il, ki jih je potrebno upoštevati:

• Pri konstruiranju in izdelavi vodovodnega sistema se je potrebno izogibati slepim odcepom in nepravilnim naklonom. Horizontalni cevovodi naj bodo samo-odcejujo�i (self-draining).

• Konstruirati cevovod tako, da bo hitrost pretoka fluida v njem vsaj 1,5 m/s. • Za polnjenje protipožarnega sistema uporabljati dodatno kemi�no obdelano vodo. • Za izvedbo tla�nega preizkusa uporabljati vsaj pitno ali demineralizirano vodo. �imprej po izvedbi tla�nega preizkusa je potrebno cevovod osušiti.

Element App Intensity Weight % Weight% Atomic% Conc. Corrn. Sigma C K 8.34 0.3245 5.58 1.98 13.50 O K 139.59 0.9344 32.44 1.68 58.91 Fe K 2.92 1.0466 0.61 0.44 0.32 Zn K 252.49 0.8935 61.37 2.09 27.27 Tota ls 100.00

��

��

LITERATURA 1. P. J. Scott; S. Borenstein, F. Blackburn; B. Cookingham; D. Demarco, Expert Consensus

on MIC: Prevention and Monitoring, Part 1, Materials Performance, 43 (2004), 3, 50-54 2. G. J. Licina, G. Nekoksa, An Innovative Method for Rapid Detection of Microbiologically

Influenced Corrosion, Tri-Service Corrosion Conference, 1994, Orlando FL, 217-229 3. M. Labrenz, G. K. Druschel, T. Thomsen-Ebert, B. Gilbert, S. A. Welch, K. M. Kemner,

G. A. Logan, R. E. Summons, G. De Stasio, P. L. Bond,. B. Lai, S. D. Kelly, J. F. Banfield1, Formation of Sphalerite (ZnS) Deposits in Natural Biofilms of Sulfate-Reducing Bacteria, Science, 290 (2000), 5497, 1744-1747

4. S.C. Dexter, Microbiologically Influenced Corrosion, Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection, ASM Handbook, vol 13A, ASM International, 2003, 398-416.

5. R. Javaherdashti, Microbiologically Influenced Corrosion: An Engineering Insight, Springer London, 2008

6. J. Krooneman, P. Appeldoorn, R. Tropert, Detection prevention and control of microbial corrosion, Proceedings of Eurocorr Maastricht, 2006

7. R Johnsen, E. Bardal, Cathodic properties of different stainless steels in natural seawater, Corrosion, 41 (1985), 5, 296-302

8. R. E. Tatnall, D. H. Pope, Identification of MIC. Ch. 8, In: A practical manual on microbiologically influenced corrosion Kobrin G (ed), NACE, Houston, Texas USA, 1993

9. B. J. Little, J. S. Lee, R. I. Ray, Diagnosing microbiologically influenced corrosion: A state of the art review, Corrosion 62 (2006), 11, 1006-1017

10. G. A. Antaki, Piping and Pipeline Engineering: Design, Construction, Maintenance, Integrity and Repair, Marcel Dekker Inc., New York, 2003

11. R. Javaherdashti, Enhancing the Effects of Hydrotesting on Microbiologically Influenced Corrrosion, Materials Performance, 42 (2003), 5, 40-43

12. A.M. Olszewski, Avoidable MIC-Related Failures, Journal of Failure Analysis and Prevention, 7 (2007), 4, 239-246

��

��

URE v varilni tehniki

Ado Barbiš

Višja strokovna šola, Ljubljanska 2, 6230 Postojna Povzetek

Opisan je namen u�inkovite rabe energije (URE) v varilni tehn iki. 1. UVOD Razvoj �loveka poteka že tiso�letja. Za svoj razvoj in obstoj je uporabljal hrano, ki jo je v daljni preteklosti prideloval na enostaven in preprost na�in. Naravo in naravne vire je izkoriš�al v sožitju z naravo in ni� ve�, kot je potreboval za zadovoljitev svojih potreb. Sedanje nepremišljeno, prekomerno, nekontrolirano in ekološko sporno izkoriš�anje naravnih virov je že porušilo naravno ravnovesje. �lovek z svojimi dejanji posledi�no v tla, vodo, zrak spuš�a enormne koli�ine škodljivih snovi. Prišli smo do trenutka, ko se narava ni sposobna sama zdraviti. Že dolgo nas opozarja, vodilni pa mnogo premalo storijo in ukrepajo, da bi se zadeve za�ele izboljševati. �e ne bomo za�eli hitro in u�inkovito ukrepati na vseh podro�jih našega življenja je ogrožen obstoj živih bitij in tudi �loveške vrste. Vsak dan na primer na planetu zemlja za vedno izginejo dolo�ene rastlinske in živalske vrste. Skozi dolga tiso�letja je �lovek s pomo�jo energije izdeloval in preoblikoval kovino ter si izdelal pripomo�ke in pribor za vsakdanjo rabo. Pri pridobivanju energije mehanske, toplotne, elektri�ne v odvisnosti od vrste primarnih energentov iz fosilnih goriv kot iz obnovljivih virov energije nastaja ve�ja ali manjša koli�ina stranskih produktov med katerimi so nekateri tudi zelo škodljivi. Poleg tega, da ogrožajo zdravje in obstoj življenja na planetu, vsak dan ogrožajo celoten planet. Strojništvo in metalurgija obravnava številne mehanske in druge postopke, ki so nujno potrebni, da pridemo do surovin, kasneje do polizdelkov in izdelkov. Dolo�ene dele in sklope vgrajujemo v številne delovne priprave, ki v �asu življenjske dobe opravljajo svoje poslanstvo za kar so izdelani. �e se dotaknemo postopke pridobivanja kovin, njihovo predelavo im mehansko obdelavo, vidimo, da je spajanje oziroma varjenje le eden izmed številnih tehnoloških postopkov, ki ga uporabljamo nekje v zaklju�ni fazi rojevanja izdelka. Po varjenju sledi še kon�na obdelava, antikorozijska zaš�ita, preizkušanje. Skozi �as so se razvili razli�ni varilni postopki in na�ini spajanja razli�nih materialov. V preteklih letih so bile naprave robustne velike energetsko zelo potratne. Poleg velike koli�ine potrebnih surovin, transporta, izdelave polizdelkov, idejnih rešitev, postavitev proizvodnih enot- kapacitet, transporta do trgovin in naro�nika sledi normalna življenjska doba naprave ali nekako predvideno število ur obratovanja. Po odsluženi življenjski dobi sledi varna in ekološko sprejemljiva razgradnja. Razli�ni varilni postopki, priprava varjencev, spajancev s stališ�a priprave, stališ�a odpadkov je že pred postopkom varjenja povezana z porabo razli�nih vrst goriv in energije.

��

��

2. OSNOVE VARILNE TEHNIKE Med postopkom spajanja z varjenjem se zgodi, da npr. pri varjenju iz dveh ali ve� kosov dobimo novo obliko, oziroma nov izdelek. Varjenje je tehnološki proces, kjer dosežemo nelo�ljivo zvezo med dvema ali ve� varjenci. Na�ini spajanja so se v zadnjem �asu zelo razvili. Tako npr. vse bolj nadomeš�a kovi�enje postopek varjenja. Poznamo tudi druge na�ine spajanja, kot sta npr. lotanje in lepljenje. Postopki spajanja potekajo lahko s segrevanjem varjenje s taljenjem) in brez segrevanja materiala (s pritiskom pri povišani temperaturi ali v hladnem). Potrebna energija za varjenje Povsod, kjer je potrebno za spajanje dvigniti temperaturo varjenja moramo imeti izvor toplotne energije. Toploto za spajanje dovajamo s pomo�jo razli�nih vrst energije. Najpogosteje uporabljena energija za varjenje je lahko:

• mehanska, • elektri�na, • kemi�na, • svetlobna • in druge oblike energije.

Pri plamenskem varjenju in vseh tehnikah plamenskega varjenja in rezanja se razvije zaradi eksotermne kemi�ne reakcije toliko toplote, da zadostuje za taljenje kovin. Elektri�na energija se prek obloka, plazme, elektri�ne prevodnosti (Joulova Toplota), indukcije ali snopa elektronov spreminja v toplotno energijo, ki je potrebna za topljenje varjencev. Za izkoriš�anje svetlobne energije za varjenje nam rabi laser. Najbolj pomemben postopek spajanja je varjenje, kjer se vari z vsemi omenjenimi energijami. O varjenju, kjer nastopa mehanska energija, govorimo v primerih, ko pride do varjenja pod pritiskom. To je npr :

• varjenje s pritiskom (stiskanjem), • varjenje s trenjem (Izdelke segrevamo s toploto trenja, razvito med sti�no ploskvijo

mirujo�ega in vrte�ega se dela varjenca.), • varjenje z ultrazvokom, • varjenje z difuzijo.

Ko varjencu dovajamo energijo s pomo�jo elektri�nega toka, govorimo o postopkih varjenja kot so: uporovno, oblo�no varjenje s kovinsko elektrodo in z ogleno elektrodo. Oblo�no varjenje s kovinsko elektrodo se deli v:

• oblo�no varjenje v prosti atmosferi (To je ro�no varjenje: z elektrodo s plaš�em, z golo elektrodo, s stržensko elektrodo.),

• oblo�no varjenje v zaš�itnem okolju v inertnem plinu helija (He) in argona (Ar): z volframovo elektrodo – TIG postopek ali s kovinsko elektrodo – MIG postopek, v atmosferi CO2 s kovinsko elektrodo – MAG postopek, plazemsko varjenje, varjenje pod praškom (EPP).

O dovodu kemi�ne energije, ki je potrebna za varjenje, govorimo v primerih eksplozijskega, aluminotermi�nega ali plamenskega varjenja. K varjenju drugih vrst energije se prišteva varjenje z elektronskim snopom in z laserjem. Postopke varjenja se nadalje lahko deli glede na to ali je dobljeni zvar nastal s pritiskom ali na osnovi taljenja. Med varjenjem s taljenjem pride do raztalitve robov osnovnega materiala in dodanega materiala v homogeno talino, ki se po ohlajanju strdi v zvar. Nekoliko druga�e poteka varjenje s pritiskom na povišani temperaturi ali v hladnem, kjer se osnovni material

��

��

zmeh�a. Nato se dovede še sila, ki mora biti ve�ja od sile, ki je potrebna za plasti�no deformacijo materiala, da pride do spoja. Po varjenju nastane zvar, ki ne sme imeti trdih mest, razpok ali vklju�kov, hkrati mora biti homogen in žilav. Njegove mehanske lastnosti in mikrostruktura so iste, kot jih ima osnovna zlitina. Nastali zvar predstavlja nelo�ljivo zvezo med dvema varjencema in kot tak mora biti sposoben, da vzdrži velike pritiske, ki delujejo nanj, saj nastopa zvarjeni del kot sestavni del izdelka ali konstrukcije, kjer si ne moremo privoš�iti, da bi prišlo do porušitev ali zloma izdelka. Z varjenjem pride do spajanja materialov v novo obliko - izdelek, ki je razdružljiv le s porušitvijo. Izdelke varimo na razli�ne na�ine. Lo�imo ve� razli�nih vrst varjenja in glede na to tudi obstaja ve� delitev varilnih postopkov. Tako lahko delimo postopke :

• glede na na�in nastanka zvara, tj. varjenje s taljenjem ali s pritiskom, • glede na dovod toplote potrebne za varjenje, pa poznamo varjenje z mehansko,

elektri�no, kemi�no ali drugo obliko energije. Opisana razdelitev je podana na spodnji shemi.

Slika 1: Delitev vrste varjenja glede na energijo Varjenje je nerazstavljivo spajanje konstrukcijskih ali strojnih delov v eno celoto. To lahko dosežemo s segrevanjem materiala do taljenja, s �imer dosežemo zlitje materiala posameznih delov, ali s segrevanjem delov materiala, ko pri uporabi dolo�ene mehanske sile dosežemo zlitje materiala pri temperaturi, ki je nižja od temperature taljenja.

��

��

Navarjanje je trajno nanašanje materiala na dolo�eni del površine konstrukcijskega ali strojnega elementa zaradi pove�anja njegovega volumna, pri �emer nadomestimo obrabljeni ali odlomljeni del tega elementa, ali pa ustvarimo zaš�itno plast, ki je bolj odporna proti obrabi ali koroziji kot material osnove. Osnovni material je material, iz katerega so z varjenjem ali navarjanjem narejeni konstrukcijski in strojni deli. Dodajni material je material, ki ga pri varjenju/navarjanju stalimo skupaj z delom osnovnega materiala za zapolnitev prostora na mestu spoja ali navara. K dodajnemu materialu štejemo vse, kar se dodaja pri izvedbi varjenja/navarjanja kot elektrode, ki so lahko gole, oplaš�ene ali strženske palice, in polne ali strženske žice, navite na kolute ali v obliki tankih pali�ic. Elektrode in žice, ki se jih dobi na trgu, so standardnih dimenzij. Pomožna sredstva so zaš�itni plini in posebni praški kot tudi razli�na talila. Te snovi sicer niso neposredno vklju�ene v ustvarjanje varov in navarov, so pa potrebne za njihov nastanek in njihovo kakovost. 3. URE V VARILNI TEHNIKI Iz podanih osnov in vrst varjenja vidimo, da je potrebno pri varilnih postopkih zagotavljati precejšnje koli�ine toplotne energije, ki je potrebna da varjence segrejemo do taljenja. Potrebna energija - toplota zavisi od izbire postopka varjenja, od debeline varjencev, vrste materiala, saj je tališ�e posameznih materialov razli�no. Pot od ideje do izvedbe in uporabe delovne priprave je izredno dolga. �e želimo v celotnem ciklusu od nastanka, uporabe, rednega in preventivnega vzdrževanja naprave in ekološke razgradnje po odsluženi življenjski dobi naprave, U�inkovito rabiti energijo moramo:

• Imeti veliko potrebnega znanja o pridobivanju osnovnih materialov • Proizvodnji energije • Poznavanje ekonomskih zakonitosti na trgu • Poznavanja zakonitosti transporta in cestnega prometa • Poznavanje ljudi, navad, obi�ajev in njihovih potreb • Pravilna izbira materialov in ustrezna mehanska predpriprava ( obdelave s podro�ja

odvzemanja materialov) in �iš�enje • Poznavanje tehnologije in postopkov preoblikovanja • Poznavanje varilnih postopkov in izbira najprimernejših za varjenje posameznih

obdelovancev • Kon�na dela in antikorozijska zaš�ita • Poznavanje elementov varnega in u�inkovitega dela • Ustrezna osvetljenost, ogrevanje in prezra�evanje

Pot izdelka je odvisno od izdelka do njene uporabe izredno dolga. Prikaz od zasnove do uporabe

• Idejna zasnova, • Priprava orodij, delovnih sredstev za pripravo surovin • Priprava varjencev z uporabo razli�nih postopkov odrezavanja in preoblikovanja • Transport surovin do podjetja • Izdelava polizdelkov skladiš�enje • Transport polizdelkov do podjetij, ki izdelujejo eno ali ve� delov

��

��

• Na�rtovanje in izdelava kon�nih izdelkov • Skladiš�enje • Transport do veletrgovin • Transport do naro�nika uporabnika • Namestitev in uporaba v �asu življenjske dobe po navodilih proizvajalca • Redno in preventivno vzdrževanje • Ekološka razgradnja

Slika 1: Shematski prikaz faz od nastanka do razgradnje izdelka, naprave Iz navedenega in gornje sheme je razvidno, da na tej dogi poti porabljamo veliko energije: elektri�ne, mehanske, pogonskih goriv, delovnih plinov, energije za ogrevanje prostorov v posameznem podjetju, upravnih delih proizvodnih objektov, proizvodnji, vsakodnevni uporabi, skladiš�enju… Z URE na celotni verigi od ideje, zasnove, surovin, izdelka, uporabe in ekološke raz gradnje vidimo, da lahko privar�ujemo velikanske koli�ine raznovrstne energije in s tem neposredno prispevamo k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov in drugih nevarnih snovi. URE pa zmanjšuje tudi stroške, pove�uje ekonomi�nost in zmanjšuje obremenjevanje planeta- Zemlja, ki nam nudi naš dom in pogoje za preživetje.

��

��

��

��

Analiza napak v zvarnih spojih

Rika Legat, Andrej Zajec

Inštitut za metalne konstrukcije, Mencingerjeva 7, 1000 Ljubljana Povzetek

Varjenje je eden izmed najpogostejših na�inov spajanja jeklenih konstrukcijskih elementov v nerazstavljivo celoto. Zahteve po �im boljšem izkoristku materiala narekujejo visoko izkoriš�enost nosilnih konstrukcijskih elementov ter posledi�no s tem tud i varjenih spojev. Zaradi zahtev po zanesljivosti in visokem izkoristku je vse manj dopustne rezerve za napake v varjenih spojih. V prispevku so obravnavane najpogostejše napake v zvarnih spojih, s katerimi se sre�ujemo na IMK pri izvajanju aktivnosti certificiranja varilcev in varilnih postopkov. 1. UVOD Varjenje je postopek spajanja materialov, kjer na razli�ne na�ine (taljenje, trenje, ultrazvok, eksplozija,..) ustvarimo stalni, nerazstavljivi spoj. Za razliko od vija�nih ali kovi�enih spojev, kjer lahko s kontrolo veznih elementov v naprej to�no vemo za kvaliteto spoja, pa pri varjenju stvar ni tako enostavna. Najprej je za dolo�eno vrsto materiala potrebno izbrati varilni na�in, dolo�iti varilno tehnologijo in zaporedje varjenja. Šele nato nastopi varilec s svojim znanjem in spretnostjo, da izdela kvaliteten zvarni spoj. Tako pri fazi na�rtovanja, kot izdelave zvarnega spoja, pa se lahko pojavijo napake, ki slabijo kvalitete takega spoja. V prispevku bova predstavila najpogostejše napake, ki se pojavijo pri izdelavi zvarnih spojev s katerimi se sre�ujemo na IMK pri izvajanju aktivnosti certificiranja varilcev in varilnih postopkov. Pri tem se bova omejila na talilno varjenje kovinskih materialov, kjer je najbolj uporaben postopek. 2. VZROKI ZA NASTANEK IN KLASIFIKACIJE NAPAK 2.1 Vzroki za nastanek napak Vzroki za nastanek napak oz. nepravilnosti v zvarnih spojih so lahko zelo razli�ni. Napake zvarnih spojev se lahko pojavijo že zaradi nepravilnega na�rtovanja varjenja. Neustrezna tehnologija varjenja (neustrezna priprava zvarnega žleba, neustrezna gradnja varkov, premalo število varkov, nepravilna izbira dodajnega materiala, odsotnost predgrevanja, nezadostno sušenje elektrod) je lahko že vzrok, da varilec ne more dobro opraviti svojega dela. Tudi pogoji dela, v katerih varilec svoje delo opravlja (mraz, prepih, varjenje v prisilnih legah, neustrezni varilni aparati), so lahko eden od vzrokov ve�jega števila napak. Vendar še tako dobra varilna tehnologija ni zagotovilo, da bo varilec svoje delo dobro opravil. Zato je pomembno, kako je varilec za svoje delo usposobljen in da svojo usposobljenost

��

��

periodi�no dokazuje s preskusom svojega znanja (teoreti�no in prakti�no). Varilec mora poznati materiale, ki jih vari in varilni postopek, ki ga uporablja pri varjenju. Poznati mora tudi napake, ki se pri dolo�enem varilnem postopku najpogosteje pojavljajo. 2.2 Klasifikacija napak Klasifikacija geometrijskih nepravilnosti v kovinskih materialov je podrobneje opisana v standardu SIST EN ISO 6520-1:2008. Nepravilnost je vsako odstopanje od idealnega zvara. Napaka je nesprejemljiva nepravilnost. Klasifikacija nepravilnosti je razvrš�ena v šest skupin: 1 – Razpoke 2 – Votlinice 3 – Trdni vklju�ki 4 – Zlepi in pomanjkljiva prevaritev 5 – Napake v obliki in dimenzijah 6 – Razli�ne nepravilnosti Razpoke so mesta prekinitev v zvaru v toplotno vplivnem podro�ju ali v osnovnem materialu. So vzdolžne, pre�ne ali zvezdaste, makroskopske ali mikroskopske, interkristalne, nastale v toplem, v �asu ohlajanja ali v hladnem.

Slika 1: Mikroskopski prikaz razpoke Slika 2: Mikroskopski prikaz razpoke

Votlinice so mehur�ki ali pore, napolnjene z plinom, ki je po strjevanju ostal v zvaru ali izstopa na površino. Nastajajo zaradi ne�isto�e osnovnega materiala, dolgega obloka, velikega varilnega toka, velike hitrosti varjenja, pri varjenju z neustrezno polariteto, napa�no nastavitvijo zaš�ite obloka. Plinski vklju�ki so lahko tudi enakomerno porazdeljeni po varu, razlikujejo se od niza por do gnezda por. Lahko je tudi površinska pora, �rvasta pora, podolgovata votlinica, lunker, makro votlinica, votlinica v žrelcu, mikro votlinica, interdendritna mikro votlinica in transkristalna mikro votlinica.

��

��

Slika 3: Radiografski posnetek zvara na katerem so razvidne pore v nizu

Slika 4: Porozen zvar (Al)

Trdni vklju�ki so trdni nekovinski delci, ki se pri ohlajanju ujamejo v varu. Med trdne vklju�ke se prištevajo vklju�ek žlindre, vklju�ek talila, oksidni vklju�ek, oksidna kožica in razni kovinski vklju�ki npr. volfram pri TIG na�inu varjenja.

Slika 5: Nekovinski vklju�ki (žlindra) v zvaru Zlepi in pomanjkljiva prevaritev je varilska napaka oz. napaka v zvarnem spoju, ko ne dosežemo popolne spojitve med dodajnim in osnovnim materialom.

Slika 6: Mikroskopski prikaz zlepa

Slika 7: Razpoka pri upogibnem preskušancu zaradi zlepa

��

��

Slika 8: Zlep v kombinaciji s poroznostjo

Slika 9: Neprevarjeno mesto kotnega zvara razvidno iz prelomnega preskusa

Napake v obliki in dimenzijah so vse nepravilne oblike zunanjih površin zvara ali nepravilna geometrija zvara. Med te napake prištevamo zajede (neprekinjene, prekinjene, v korenu, med varki, lokalno prekinjene), �ezmerno vboklino zvara (temena, korena), preoster prehod temena, prelitje, zamaknitev robov, kotna zamaknitev, povešenje, pregor, nepolni zvar, neenakomerna širina zvara, pretirana asimetrija kotnega zvara, pomanjkljiv koren, napake pri za�enjanju, pretirano zveženje, nepravilne dimenzije zvara, pretirana višina kotnega zvara, nezadostna višina kotnega zvara.

Slika 10: Radiografski posnetek zajede v korenu zvara Ostale nepravilnosti so vse nepravilnosti, katerih ni mogo�e vklju�iti v prvih pet skupin. Sem spadajo obrobne zajede, obrizgi, brizganje volframa, pretrg na površini, zabrus, zasek, nepravilnost spenjalnega varka, pretiran obrus, zamaknitev nasprotnih varkov, škajasta površina, ostanek talila, barva popuš�anja, ostanek žlindre, nabrekanje, nepravilna reža v korenu. Napake v zvarnih spojih na grobo delimo na zunanje in notranje napake. Med površinske (zunanje) napake zvarov uvrš�amo naslednje napake: prekomerno posedeno teme zvara, krater, preoster prehod temena, preliti zvar brez kovinske spojitve, zamaknitev robov, zajede, asimetrija kotnih zvarih, razpoke, plinske mehur�ki, zlepi. Med najpogostejše notranje napake štejemo: napake v korenu, plinske votlinice, vklju�ke, zlepe in razpoke.

��

��

2.3 Najpogostejše nepravilnosti, ki nastanejo pri dolo�enih na�inih talilnega varjenja Pri varjenju z oplaš�eno elektrode so najpogostejše nepravilnosti: vklju�ki žlindre, pore, zajede in pri zahtevanih položajih napake korena. Za MIG/MAG na�in varjenja so zna�ilne nepravilnosti kot so zlep, vklju�ki žlindre, pore. Pri TIG varjenju med najpogostejše napake prištevamo neprevarjen koren in razne oblikovne napake. Najpogostejše nepravilnosti, ki nastanejo pri plamenskem varjenju so nepopoln koren, pri ve�varkovnih zvarih vklju�ki oksidov, neprevarjenost, prežgan zvar, kapniki. Najpogostejše nepravilnosti nastale pri varjenju pod praškom so vklju�ki žlindre, pore, pri dvostranskih zvarih napake v korenu, razpoke. 3. ZAKLJU�EK Varjenje je postopek spajanja materialov, kjer lahko razli�ni vplivi privedejo do nepravilnosti v zvarnih spojih. �e je celotno delo prepuš�eno le varilcu (kar se dogaja v velikih primerih), težko govorimo o kvaliteti takih zvarov. Nesprejemljive nepravilnosti (napake) sicer lahko ugotovimo z razli�nimi metodami kontrole brez porušitve, mehanskih lastnosti takega spoja pa ne. Poleg tega neporušne kontrole (razen VT – vizualna preiskava) niso vedno predvidene. �e ho�emo z veliko verjetnostjo govoriti o kvalitetnih spojih, moramo vzpostaviti tak sistem kakovosti dela, ki nam omogo�a odpravljanje vzrokov nastanka napak v vseh fazah izdelave spoja. Zato je potrebno izdelati ustrezne varilne tehnologije varjenja, te tehnologije preskusiti, napisati navodila za delo varilcev in nato kontrolirati, �e se varilci navodil držijo. S takim pristopom in seveda z varilci katerih znanje in usposobljenost se redno preverja (certificirani varilci), se da zvarne spoje kvalitetno izdelati (brez nepravilnosti in z ustreznimi mehanskimi lastnostmi). Na tak na�in izvedeni zvarni spoji kon�nemu izdelku zagotavljajo na�rtovane mehanske lastnosti in predvideno življenjsko dobo.

��

��

��

��

Spremljanje zapolnjevanja zvarnih žlebov pri avtomatiziranih postopkih oblo�nega varjenja

Drago Bra�un, Jože Mikolav�i�, Jernej Volkar, Matjaž Humar, Ivan Polajnar, Alojz Sluga


V prispevku je predstavljena uporaba laserskega profilomera za sproten nadzor pripravljenosti zvarnega stika pri avtomatiziranem MIG/MAG varjenju. Dobljene meritve se na osnovi predhodno postavljenega algoritma prevede v signale za krmiljenje hitrosti varjenja in pozicije vara. Na ta na�in je možno pri avtomatiziranih in robotiziranih postopkih varjenja uspešno zvarjati tudi takšne zvarne spoje, ki imajo ve�ja odstopanja v obliki in dimenzijah pripravljenega žleba.

1. UVOD Spremljanje klju�nih varilnih parametrov je pogoj, ki mora biti izpolnjen pri zagotavljanju kakovosti zvarov. Pri postopkih oblo�nega talilnega varjenja v zaš�itnih atmosferah praviloma zadoš�a že izbira optimalnih parametrov in vzdrževanje teh vrednosti v okviru predvidenih toleranc. Pri avtomatiziranih in robotiziranih postopkih varjenja posami�nih izdelkov, ali izdelkov v manjših serijah, samo vzdrževanje klju�nih parametrov v okvirih predvidenih toleranc ne zadoš�a [1]. Pri teh izdelkih se namre� pogosto pojavljajo velika odstopanja v oblikah in dimenzijah pripravljenih zvarnih robov. V takšnih primerih je potrebno ali zagotoviti ve�jo natan�nost v pripravi zvarnih robov ali zagotoviti možnost spreminjanja varilnih parametrov glede na spremenljivo geometrijo zvarnega žleba [2]. Sodobni varilni postopki omogo�ajo razmeroma preprosto spremljanje varilnih parametrov. V ta namen so v varilne naprave vgrajeni razli�ni sistemi in razli�ni senzorji za zbiranje informacij o varilnih parametrih, stanju zvara in geometriji zvarnega žleba [3]. V primeru relativno malih sprememb v geometriji zvarnega žleba zadoš�ajo že spremembe v hitrosti varjenja. Z merjenjem oblike zvarnega žleba v obloku ali pred varilno glavo lahko merilna naprava zbira podatke o njegovem stanju. Tako pridobljeni podatki so potrebni za kontrolo delovanja varilne naprave ter za vzdrževanje optimalne kombinacije varilnih parametrov. 2. VARILNI POSTOPEK V okviru reševanja zastavljene naloge smo se omejili na oblo�ni postopek varjenja v zaš�itnih plinskih atmosferah MIG/MAG, ki je med talilnimi postopki varjenja najprimernejši za medprocesno spremljanje varilnih parametrov (Slika 1). Pri tem na�inu varjenja se namre� uporablja vire toka z vodoravno stati�no karakteristiko in z veliko hitrostjo odziva na spremenljivost geometrije obloka, glej diagram na Sliki 2b. Pri dolžini obloka l01 [mm] (Slika 2a) in jakosti toka I1 [A], pretalimo q1 [g/s] dodajnega materiala. �e se oblok podaljša iz kakršnega koli vzroka, se mu pove�a upornost, posledi�no se zmanjša tok (I2), ter tudi hitrost

��

��

pretaljevanja dodajnega materiala (q2). To ima za posledico samodejno zmajševanje dolžine obloka (l03), ki je približno enaka za�etni nastavitvi dolžine obloka l01.

Slika 1: Principelna slika MIG/MAG varjenja

a) b) Slika 2: Odzivnost razmer odtaljevanja na spremembe geometrije obloka pri MIG/MAG

varjenju 3. MERILNI SISTEM Merilnik preseka zvarnega žleba se mora gibati pred oblokom (Slika 3). Spremembo geometrije zvarnega žleba izmerimo s �asovnim zamikom, ki je odvisen od hitrosti varjenja in oddaljenosti merilnega senzorja od varilne glave. �asovni zamik bi prišel do izraza v primeru velike spremembe geometrije zvarnega žleba in na kratki razdalji. Predpostavimo, da tovrstne spremembe v praksi ne nastopijo ter da se geometrija žleba spreminja v okviru možnih prilagoditev. Delovanje merilnika (Slika 3, poz. 3) temelji na principu laserske triangulacije [4]. Podro�je zvarnega žleba se osvetljuje pravokotno na površino s tanko svetlobno ploskvijo (4). Tako osvetljen zvarni žleb nato slikamo s kamero (5) nameš�eno pod kotom (6) glede na smer osvetljevanja (triangulacija). Takšna postavitev razkrije tridimenzionalni profil preseka zvarnega žleba. Zajeto sliko nato obdelamo na ra�unalniku (7), tako da iz nje najprej

��

��

izluš�imo opazovani profil laserske �rte, ter ga umerimo in vrednostimo. Velikost merilnega obmo�ja smo nastavili širino 35 mm ter globino 30 mm (pravokotno na zvarni žleb). Rezultat ene meritve je profil površine {x, y}i , i = 1 ... N, kjer je N = 494 število to�k ene meritve (Slika 4). Koordinate vsake to�ke so podane v kartezi�nem koordinatnem sistemu.

Slika 3: Sistem za avtomatsko spremljanje oblike geometrije zvarnega žleba Ekstremni bliski obloka lahko preosvetlijo s kamero zajeto sliko, s tem so rezultati meritev neuporabni. Težavi se izognemo z namestitvijo mehanske pregrade (8) med merilnik in varilno glavo. Ta zaustavi ekstremno svetlobno sevanje obloka ter mehanske delce. Kamero dodatno zaš�itimo z uporabo ozkopasovnega svetlobnega filtra, ki prepuš�a samo svetlobo laserske �rte (670 nm). Celotno opti�no konfiguracijo merilnega sistema nastavimo tako, da izvajamo meritve z ve�je oddaljenosti. Razdalja med merilnikom in sredino merilnega obmo�ja je v našem primeru 400 mm.

Slika 4: Primer meritve zvarnega žleba Vsako meritev obdelamo tako, da izra�unamo parametre: širino reže (b), vertikalni zamik plo�evin (�h), kot med plo�evinama (�), ter to�ki T1 in T3 (glej Sliko 7). Pri razvoju programske opreme za obdelavo meritev in izra�un geometrije žleba so bile uporabljene enostavne statisti�ne metode, npr. izra�un regresijskih premic s katerimi opišemo lego posamezne plo�evine. Posebna pozornost je bila posve�ena filtriranju za odstranjevanje razli�nih motenj, ki se pojavijo v meritvi in so posledica bliskov med varjenjem.

7

��

��

4. IZRA�UN HITROSTI VARJENJA V ODVISNOSTI OD PRESEKA ZVARNEGA ŽLEBA

Pri ro�nem, avtomatiziranem ali robotiziranem oblo�nem varjenju morajo biti varilni parametri takšni, da v elementarnem �asovnem intervalu tx in pri hitrosti dovajanja varilne žice v x, koli�ina raztaljenjega dodajnega materiala zapolni volumen, ki ga dolo�a presek zvarnega žleba Sx in ustrezna elementarna dolžina vara lx (Slika 6). �asovni interval tx je odvisen od zmogljivosti merilnega sistema, odstopanj v geometriji zvarnega žleba in odzivnosti varilnega sistema. Potrebna masa dodajnega materiala mD je tako odvisna od volumna zvarne reže in gostote ρ dodajnega materiala

ρ⋅⋅= xxD lSm [g]. (1) Maso dejansko pretaljenega materiala mp izra�unamo po ena�bi

xxžp tvmm ⋅⋅= [g], (2) kjer je mž [g/m] specifi�na masa varilne žice na dolžinski meter, v x [m/s] in tx [s]. Ta vrednost se mora �imbolj približati ra�unski vrednosti potrebne mase dodajnega materiala mD. Iz predpostavke mD � mp lahko izpeljemo ena�bo za hitrost premikanja varilne šobe

xxžxx tvmlS ⋅⋅=⋅⋅ ρ , (3) in trenutna hitrost gibanja varilne šobe v v(x) je tako

)()( xxx

xž

x

xxv Sf

SK

Svm

tl

v ==⋅⋅==σ

. (4)

Pri tem je SKUPNA konstanta K

ρxž vm

K⋅= [mm3/s]. (5)

Slika 6: Segment zvara dolžine lx in preseka Sx , zavarjen v �asovnem intervalu tx V praksi pri varjenju tankih plo�evin najve�krat nastopajo soležni I zvari, pri debelejših plo�evinah pa V zvari. Trenutni presek S, ki ga je potrebno zapolniti dolo�en s seštevkom presekov žleba SŽ, temena S T in korena SK : KTŽ

SSSS ++= . Osnovni presek je dolo�en s teoreti�nimi predpostavkami dane geometrije žleba, korenski in temenski del pa sta

Sx

t

��

��

spremenljiva in sta dolo�ljiva empiri�no. V splošnem velja, da je ST približno 0.6 ⋅bT⋅h T, presek korena SK pa 0.6 ⋅bK⋅hK . Parametri bK, hK, bT in hT so v najve�ji meri odvisni od debeline varjencev, v splošnem je b T=1-2⋅t, h T=0.1-0.3⋅t, bK=0.1-0.3⋅ t, ter hK=0.05-0.2⋅t. V tem prispevku se omejimo na avtomatizirano varjenje soležnega spoja. Obdelava meritev je namre� bistveno enostavnejša in hitrejša kot pri V zvarnem žlebu. Presek zvarnega žleba tako izra�unamo iz paralelograma, ki ga tvorijo vogalne to�ke varjencev T1, T2, T3 in T4, kot seštevek ploš�in dveh trikotnikov Sx = A1 + A2. Ploš�ino A1 zajema trikotnik T1T2T3, ploš�ino A2 pa trikotnik T2T4T3. Vogalne to�ke varjencev T1 in T3 izra�unamo iz meritve, T2 in T4 pa dodatno iz znane debeline plo�evine in kota posnetja robu.

Slika 5: Geometrija zvarnega žleba: širina reže (b), vertikalni zamik plo�evin (�h), kot

med plo�evinama (�) ter debelina p lo�evine ( t). Avtomatizirano varjenje s konstantnimi varilnimi parametri in s spremenljivo hitrostjo varjenja v v(x) izvajamo zgolj znotraj okvirnih vrednosti robnih pogojev:

1) razmerje višin plo�evine napram debelini plo�evine h/t sme znašati najve� 0.1, 2) kot med plo�evinama � sme variirati najve� ±10°, 3) velikost preseka Sx sme variirati v obmo�ju med 0,7 in 1,3 za�etnega preseka Sx

dolo�enega z nastavitvami varilnih parametrov. Te vrednosti se razlikujejo glede na debelino in vrsto plo�evine, presek varilne žice in ostale varilne pogoje (npr. podložna letev). �e adaptivno krmiljenje [5] zazna odstopanja od podanih robnih pogojev se varjenje samodejno ustavi, ali opozori na mesta kjer zapolnitev reže ni optimalna. 5. ZAKLJU�EK V prispevku je prikazan pristop k avtomatizaciji varilnega postopka, v pogojih ko sta oblika in dimenzija zvarnega žleba spremenljive veli�ine. Avtomatizacija temelji na merjenju geometrije zvarnega žleba z lasersko profilometrijo in ra�unanju klju�nih koordinat žleba v realnem �asu med varjenjem. Na osnovi teh se med samim varjenjem prireja hitrost varjenja glede na presek zvarnega žleba. Varjenje poteka v okviru dopustnih variacij preseka omejenih z robnimi pogoji. V predstavljenem sistemu je nakazan pristop k ceneni avtomatizaciji MIG/MAG varjenja, ki pride do polne veljave v pogojih posami�ne in maloserijske

��

��

proizvodnje. V tem delu se nismo poglobili v konkretne razmere med varjenjem, npr. v probleme brizganja in ustreznih materialnih in energetskih izgub. LITERATURA 1. Terry Merrifield. Guidelines for implementing robotic arc welding. Welding journal,

2005, vol. 84, no 4, pp. 34-37. 2. Dennis D. Harvig. A wise method for assessing arc welding performance and quality.

Welding journal, 2000, vol. 79, no 12, pp. 35-39. 3. Chu Y. X. ; Hu S. J. ; Hou W. K.. Signature analysis for quality monitoring in short-

circuit GMAW. Welding journal A. 2004, vol. 83, no 12, pp. 336S-343S. 4. Bra�un Drago, Jezeršek Matija, Diaci Janez. Triangulation model taking into account light

sheet curvature. Meas. sci. technol., 2006, letn. 17, št. 8, str. 2191-2196. 5. Drago Bra�un, David Kozinc in Peter Butala. Mehatronski sistem za avtomatizirano

varjenje. Dan varilne tehnike, Celje, 15. maj 2010. Zbornik referatov. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko, 2010.

��

��

Prakti�ni primer mehanizacije varjenja velikih nerjave�ih rezervoarjev

Robert Halas, Rade Gligorin, Robert Laslo

VARSTROJ Tovarna varilne in rezalne opreme d.d., Industrijska cesta 4, 9220 Lendava Povzetek

Za znanega kupca je Varstroj mehaniziral varjenje velikih nerjave�ih rezervoarjev. Kompletna rešitev varjenja je izvedena s klasi�nimi napravami za mehanizacijo varjenja s prosto programibilnimi in CNC krmiljenimi napravami. Varjenje po teka po TIG postopku na treh delovnih mestih - napravah: 1. prvo delovno mesto je izvedeno z napravo za vzdolžno TIG varjenje; 2. drugo delovno mesto je izvedeno s CNC napravo za vzdolžno in to�kovni TIG varjenje; 3. tretje delovno mesto je izvedeno z varilno varilno konzolo in obra�alno napravo s TIG

varjenjem z dodajanjem varilne žice. 1. UVOD Hitri odziv na trgu, pove�evanje produktivnosti, zniževanje stroškov in visok nivo kvalitete zahteva uvajanje mehanizacije in robotizacije varjenja na vseh podro�jih, kjer je to možno. 2. PREDSTAVITEV IN OPIS PRAKTI�NEGA PRIMERA MEHANIZACIJ E

VARJENJA VELIKIH NERJAVE�IH REZERVOARJEV Prakti�ni primer mehanizacije varjenja velikih nerjave�ih rezervoarjev izveden za znanega kupca. Kompletna varilska linija je sestavljena iz:

• naprave za mehanizirani na�in vzdolžnega varjenja (7.000mm) plo�evin po TIG postopku;

• CNC naprave za vzdolžno in to�kovno TIG varjenje plo�evin in hladilnih plo�evin na osnovno plo�evino do 3.000 x 7.000mm;

• varilne konzole z obra�alno napravo s TIG varjenjem z dodajanjem varilne žice za spajanje zvitih plaš�ev premera 950 do 2.600mm.

Slika 1: Nerjave�i rezervoar

��

��

Slika 2: Naprava za vzdolžno

varjenje

Slika 3: CNC naprava za

vzdolžno in to�kovno varjenje Slika 4: Varilna konzola z

obra�alno napravo za krožno varjenje in

brušenje 2.1 Naprava za vzdolžno varjenje Naprava je namenjen za:

• so�elno TIG varjenje nerjave�e plo�evine debeline 1,5÷2mm dolžine 7.000mm; • prekrovno TIG varjenje nerjave�e plo�evine 0,8÷1,0mm na nerjave�o plo�evino

debeline 1,5÷2mm dolžine 7.000mm; Sestava naprave:

• vodilna proga za vzdolžni elektromotorni pomik gorilnika max. dolžine 7000mm; • varilni vozi�ek s pnevmatskim suportom za dvig spust gorilnika, ro�nega križnega

suporta, sledilnega koleš�ka za mehansko višinsko sledenje; • nastavljivi pnevmatski centrirni elementi za centriranje plo�evine vzdolž smeri

varjenja (raster 1000mm, centriranje za so�elno varjenje plo�evin z režo ni predvideno);

• pnevmatski vpenjalni mehanizem za vzdolžno vpenjanje dolžine 7000mm (pnevmatsko vpenjanje je izvršeno s pomo�jo »gasilske cevi«);

• industrijska kamera z ustrezno zaslonko za spremljavo varilnega procesa in sprotne daljinske korekcije poti varilnega gorilnika v pre�ni smeri;

• krmilno/komandna omarica za vzdolžni varilni portal; • varilni izvor VARTIG 3500 W digit, daljinska komanda za regulacijo varilnih

parametrov, vmesni cevni paket in strojni vodno hlajenim gorilnik; Posebnost naprave: Spremljanje procesa varjenja preko industrijske kamere z ustrezno avtomatsko zaš�ito (možna spremljava poti gorilnika z varjenjem ali brez) ter program Wise TGI, ki omogo�ajo spremljavo varjenja na daljavo. S pomo�jo pre�nega elektromotornega suporta se izvede daljinska korekcija poti gorilnika.

��

��

Slika 5: Spremljava procesa varjenja preko monitorja

Slika 6: Varilni vozi�ek: gorilnik, suporit, kamera,…

Slika 7: Vpenjaln i in centrirni mehanizem

Slika 8: Krmilno komandna omara z monitorjem

2.2 CNC naprava za vzdolžno in to�kovno varjenje

Slika 9: CNC naprava za vzdolžno in to�kovno varjenje

Slika 10: Varilni portal

��

��

Naprava je namenjen za: • so�elno TIG varjenje nerjave�e plo�evin debeline 1,5 do 2,0mm v pre�ni smeri do

3.000 mm; • prekrovno TIG varjenje nerjave�e plo�evine 0,8÷1,0mm na nerjave�o plo�evino

debeline 1,5÷2mm v pre�ni smeri do 3.000 mm, premik 7.000mm v vzdolžni smeri; • to�kovno TIG varjenje nerjave�e plo�evine 0,8÷1,0mm na nerjave�o plo�evino

debeline 1,5÷2mm z vnaprej dolo�enim rasterjem v pre�ni smeri. Sestava CNC naprave:

• vodilna proga za pre�ni elektromotorni (servomotor z enkoderjem) pomik gorilnika max. dolžine 3.000mm pre�no in 7.000mm vzdolžno;

• varilni vozi�ek s pnevmatskim suportom za dvig spust gorilnika, ro�ni križni suporta za pre�no korekcijo gorilnika, sledilni koleš�ek za mehansko višinsko sledenje;

• pnevmatski vpenjalni mehanizem za pre�no vpenjanje dolžine 3.000mm (pnevmatsko vpenjanje je izvedeno s pomo�jo »gasilske cevi«);

• vozna proga za premik varilnega portala vzdolžno – pokriva obmo�je 7.000mm; • dvostransko gnana vozi�ka za elektromotorni premik pre�nega varilnega portala v

vzdolžni smeri s sistemom pnevmatskega fiksiranja; • vpenjalna miza dimenzije 3.000x7.000mm po celotni površini pokrita z bakreno

plo�evino debeline 5mm; • vakuumsko vpenjanje plo�evine na vpenjalno mizo; • CNC krmilnik Burny Phantom ST; • Varilni izvor VARTIG 3500 W digit, daljinska komanda za regulacijo varilnih

parametrov, vmesni cevni paket in strojni vodno hlajenim gorilnik. Posebnost naprave: Numeri�no krmiljena naprava s pomo�jo krmilnika Burny Phantom ST. Izdelava varilnega programa – pot gorilnika pri vzdolžnem in to�kovnem varjenju se izvede z dodelanim programom za grafi�no programiranje CNC strojev Zevs, ki omogo�a hitro in enostavno pretvorbo na�rtov z želenimi varilnimi mesti v izvajalno kodo stroja. Tako je omogo�ena enostavna izdelava programa za vzdolžno in to�kovno varjenje hladilnih ploš� poljubnih pravokotnih oblik in dimenzij do 3.000 x 7.000mm.

Slika 11: Grafi�no programiranje to�kovnega in linijskega varjenja

Slika 12: Varilni vozi�ek: gorilnik, suport, sledilna,…

Slika 13: To�kovni in vzdolžni zvar

��

��

2.3 Varilna konzola z obra�alno napravo za krožno varjenje in brušenje

Slika 14: Varilna konzola z obra�alno napravo

Slika 15: Varilna glava TIG z dodajanjem

Naprava je namenjen za:

• horizontalno so�elno krožno TIG varjenje nerjave�e plo�evine z dodajnim materialom debeline 0,8÷2,0mm, premerov 950 do 2.600mm;

• vertikalno so�elno vzdolžno TIG varjenje nerjave�e plo�evine z dodajnim materialom debeline 0,8÷2,0mm, višine 2.000mm;

• brušenje pasu ob krožnem zvaru s pomo�jo tra�nega brusilnika. Sestava naprave: Varilna konzola VK 2m/1m:

− steber; − konzola; − vozi�ek konzole; − podajalna naprava za dodajanje žice; − sledilna naprava; − ro�ni suport SK 30; − strojni gorilnik ABITIG MT 300W, − tra�ni brusilnik GX 75 2H; − komandna omarica; − varilni izvor (VARTIG 3500 DC W).

Obra�alna naprava 1,5t: − ogrodje; − platforma pozicionerja; − vpenjalna ploš�a s T-utori; − centrirni obro�; − dvižni steber obro�a.

Posebnost naprave: Naprava omogo�a podaljševanje že zvitih in zavarjenih valjev višine 500 do 1.500mm s sestavo le teh s pomo�jo centrirnega obro�a, ki vsebuje tudi sistem za zaš�ito korenskega zvara. Na tak na�in je možno izdelati rezervoarje višine 9.000mm. Naprava omogo�a tudi brušenje valja s pomo�jo tra�nega brusilnika, ki je nameš�en na nasprotni strani od varilnega dela.

��

��

Slika 16: Obra�alna naprava s centrirnim obro�em

Slika 17: Tra�ni brusilnik nameš�en na konzoli

3. ZAKLJU�EK Uvedba mehanizacije varjenja za vzdolžno in krožno varjenje velikih rezervoarjev pomeni poleg humanizacije delovnih mest tudi tehnološki dvig nivoja kvalitete zavarjenih delov. Z uporabo CNC krmiljenja naprave za vzdolžno in to�kovno varjenje hladilnih plo�evin je zagotovljena tudi visoka fleksibilnost, ponovljivost ter kvaliteta zavarjenih kosov. Zvarna mesta ustrezajo tla�nemu preizkusu 15bar, kjer se vrši plasti�na deformacija hladilnih plo�evin. LITERATURA Prospektni material VARSTROJ d.d. Lendava.

��

��

Mehatronska platforma za avtomatizirano oblo�no varjenje

Drago Bra�un, David Kozinc, Peter Butala


V delu je predstavljen razvoj mehatronskega sistema za avtomatizirano oblo�no varjenje. Sestoji se iz triosnega pozicionirnega sistema in laserskega linijskega triangulacijskega merilnika. Inteligen tni kora�ni motorji vgrajeni v pozicionirni sistem omogo�ajo enostavno programiranje poljubnega realno-�asovnega gibanja in pozicioniranja varjenca. Sinhronizacija po ljubnega gibanja in merjenja omogo�a razli�ne študije adap tivnega krmiljenja za potrebe avtomatiziranega varjenja, kot tud i meritev tridimenziona lne geometrije poljubnega objekta za potrebe reverzibilnega inžin iringa. 1. UVOD Raziskave na podro�ju merjenja tridimenzionalne (3D) geometrije teles za potrebe reverzibilnega inžineringa, kontrole kvalitete izdelkov [1, 2] in avtomatizacije dolo�enih tehnoloških postopkov, npr. varjenja [3, 4], graviranja, laserskih obdelav, itd., so v mnogih primerih vezane na pozicionirni sistem, ki mora hitro in natan�no premikati orodje ali obdelovanec. Pomike pogosto izvajamo v realnem �asu glede na predolo�en program gibanja ter glede na vrednosti dolo�enih parametrov, ki jih izra�unavamo iz izmerkov merilnika geometrije. Krmilni sistemi uporabljani v dosedanji praksi so kompleksni, sestavljeni iz ve� modulov, npr. mo�nostni krmilniki motorjev, mikrokontrolerji za so�asno upravljanje ve� mo�nostnih krmilnikov ter ra�unalnik za krmiljenje celotnega sistema. Z razvojem novih tehnologij, npr. inteligentnih kora�nih motorjev z vgrajenimi krmilniki, hitre programabilne logike (FPGA) in fleksibilne programske opreme (LabView) se odpirajo nove možnosti za hitro, enostavno in ceneno gradnjo novih mehatronskih sistemov.

Slika 1: Avtomatizirano MIG/MAG varjenje; (1) varjenec pritrjen na pozicion irni sistem; (2) laserski triangulacijski merilnik geometrije zvarne reže; (3) varilna šoba; (4) mehanska zaš�ita senzorja

V prispevku tako demonstriramo uporabo novih tehnologij na primeru razvoja avtomatiziranega MIG/MAG varjenja. Vodilo pri tem je funkcionalnost in enostavnost gradnje mehatronskega sistema, predvsem pa cenovna dostopnost. Osnovna ideja sistema za

��

��

avtomatizirano varjenje je v merilniku geometrije zvarne reže (slika 1, poz. 2), ki se giblje pred varilno šobo (3) in jo vodi med varjenjem. Služi za pozicioniranje varilne šobe na zvarno režo (1) ter za izra�unavanje in adaptiranje hitrosti varjenja [5]. Pri slednjem predpostavimo, da se varjenje izvaja s konstantnimi varilnimi parametri, ter da se med varjenjem spreminja zgolj geometrija zvarne reže. Kadar so njene spremembe majhne, zadoš�ajo zgolj majhni popravki hitrosti varjenja za zadostno prevaritev plo�evine. Pozicionirni sistem mora zagotoviti poljubno spreminjanje hitrosti varjenja med pomikanjem, kot tudi poljubno nastavljanje za�etne to�ke varjenja. Merilnik preseka zvarnega spoja se giblje pred varilno šobo. Oblok lahko povzro�i poškodbe ali celo uni�enje merilnika, zato ga zaš�itimo z mehansko pregrado (4) ter odmaknemo od obloka. Optimalen odmik bo eksperimentalno dolo�en. Spremembo geometrije zvarne reže tako izmerimo s �asovnim zamikom, ki je odvisen od hitrosti varjenja in oddaljenosti merilnika od varilne glave. �asovni zamik pride do izraza v primeru velike spremembe geometrije zvarnega spoja na kratki razdalji. Predpostavimo, da tovrstne spremembe v praksi ne nastopijo ter da se geometrija spoja spreminja zgolj v okvirih možnosti izdelave zvara. 2. POZICIONIRNI SISTEM Pozicionirni sistem omogo�a pomikanje varjenca (slika 2, poz. 7) v treh oseh {X,Y,Z}, medtem ko je sklop merilnika in varilne šobe fiksen. Tovrstna kinematika je posledica uporabe že obstoje�e mehanske konstrukcije (1), namenjene prvenstveno merjenju 3D oblike teles za potrebe reverzibilnega inžiniringa. Konstrukcija je izdelana iz lepljenih ' 'sendvi�' ' ploš�, ki so lahke in obenem dovolj toge. Pozicioniranje v posameznih smereh je realizirano s pomo�jo navojnih vreten gnanih z inteligentnimi kora�nimi motorji (2) CoolMuscle [6], ki imajo že vgrajen enkoder, gonilnik in krmilnik. Tako ne rabimo dodatnega krmilnika, kot pri standardnih kora�nih motorjih. Na konzoli nad pozicionirno mizo je na ustrezni razdalji nameš�en laserski triangulacijski merilnik (3, 4) za merjenje zvarne reže, za oblo�no varjenje je nameš�ena MIG/MAG varilna šoba (5), za zaš�ito pred oblokom pa skrbi zaš�itna ploš�a (6). Motorji Cool Muscle so zaprto-zan�ni vektorsko krmiljeni kora�ni motorji, ki imajo vgrajeno 32-bitno RISC CPE, kar omogo�a nov nivo krmiljenja, saj ni ve� potrebe po dodatnem krmilniku, ki na kora�ne motorje pošiljajo ustrezne pulze. Motorji imajo vgrajen magnetni enkoder z visoko lo�ljivostjo do 50000 pulzov/obrat, kar omogo�a zasuk lo�jivosti 0,0072 stopinje. Poleg tega imajo motorji vektorsko krmiljenje zasuka, zato ni težav z resonan�nimi obrati kot pri klasi�nih kora�nih motorjih. Tudi temperatura delovanja je nižja. Potrebno mo� motorjem zagotavljamo z 24 V DC napetostnim virom. Omenjeni kora�ni motorji omogo�ajo nov enostavnejši na�in krmiljenja, saj omogo�ajo ve� na�inov delovanja. Pri pred-programiranem na�inu se niz ukazov za gibanje shrani v posamezne baze v spominu EEPROM na samem motorju. Posamezne programe v bazah nato zaženemo s stkali, ra�unalnikom ali PLC-jem. Naslednji na�in je dinami�na kontrola, kjer se ukazi pošiljajo iz ra�unalnika in na motorju sproti izvajajo. Ta na�in nam omogo�a tudi vmesno spreminjanje parametrov, kar v našem primeru omogo�a spreminjanje hitrosti varjenja v odvisnosti od širine reže. Motorje pa lahko krmilimo tudi analogno, na primer s pomo�jo komandne palice (joy-stick-a).

��

��

Slika 2: Mehatronski sistem za avtomatizirano varjenje; (1) pozicion irna miza; (2)

kora�ni motorji CoolMuscle; (3) laserski projektor; (4) kamera; (5) MIG/MAG varilna šoba; (6) zaš�itna ploš�a; (7) varjenec

Motorji so povezani z ra�unalnikom s serijsko komunikacijo RS232, lahko pa jih vežemo v mrežo v na�in ''master – slave'', kamor lahko povežemo do 16 motorjev. Vsak od motorjev v tem primeru pridobi identifikacijsko številko, kar nam v programski kodi omogo�a krmiljenje v izbranih smereh le z njenim zapisom pred ali v samem ukazu za izvršitev gibanja. Krmiljenje motorjev poteka s pomo�jo CML (Cool Muscle language) jezika, ki zajema nabor standardnih ASCII znakovnih nizov za izvršitev gibanja in nastavitve parametrov motorjev. S parametri nastavimo izhode in vhode na motorju, privzete nastavitve hitrosti, omejitve navora in toka in podobno. Nizi za izvršitev gibanja zajemajo nastavitve delovne hitrosti in pospeškov ter pozicije, ki jo lahko podamo absolutno ali relativno. 3. MERILNI SISTEM Delovanje merilnika temelji na principu laserske triangulacije [7]. Pri tej zvarni spoj pravokotno osvetljujemo s tanko lasersko ravnino debeline ~50 �m (slika 3, poz.5), ki jo generiramo z laserskim projektorjem (4). Opazovanje tako osvetljenega zvarnega spoja pod kotom (3) glede na smer osvetljevanja (triangulacija) razkrije 3D profil zvarnega spoja. Ta profil nato slikamo s kamero (1). Velikost merilnega obmo�ja in merilno lo�ljivost dolo�amo s primerno izbiro objektiva (2) in matri�nega detektorja slike v kameri. V našem primeru smo merilni sistem nastavili tako, da ima merilno obmo�je širino 35 mm ter globino 30 mm (pravokotno na zvarni spoj). Sledi obdelava slike, kjer najprej izluš�imo opazovani profil laserske �rte ter ga nato umerimo in vrednostimo. Pri tem uporabljamo posebej razvito programsko opremo, ki deluje na osnovi filtriranja, iskanja robov in stati�nih metod. Hitrost merjenja je prvenstveno odvisna od hitrosti delovanja kamere (števila slik zajetih v sekundi). S trenutno uporabljeno kamero zajamemo in obdelamo 10 meritev v sekundi, kar zadostuje za potrebe varjenja. Po potrebi je možno hitrost merjenja pove�ati do 200 meritev v sekundi [8] samo z zamenjavo kamere, saj je �as obdelave slike, kalibracije in vrednotenje profila na sodobnih ra�unalnikih izredno kratek. Rezultat ene meritve je profil površine {x, y}i zapisan v vektorski obliki (Slika 4). Pri tem je vsaka to�ka podana s pripadajo�ima x in y koordinatama,

��

��

vseh to�k je N = 494 in i = 1 ... N. Natan�nost merjenja to�k je v povpre�ju 70 �m. Ekstremni bliski obloka lahko preosvetlijo s kamero zajeto sliko, s tem pa je meritev neuporabna. Težavi se izognemo z namestitvijo mehanske pregrade (slika 2, poz.6) med merilnik in varilno glavo. Ta zaustavi ekstremno svetlobno sevanje obloka ter mehanske delce. Kamero dodatno zaš�itimo z uporabo ozkopasovnega svetlobnega filtra, ki prepuš�a samo svetlobo laserske �rte (650 nm). Celotno opti�no konfiguracijo merilnega sistema nastavimo tako, da izvajamo meritve z velike oddaljenosti. Razdalja med merilnikom in sredino merilnega obmo�ja je 400 mm.

Slika 3: Princip merjenja zvarne reže; (1) kamera; (2) objektiv; (3) kot triangulacije;

(4) laserski projektor; (5) svetlobna ploskev; (6) varjenec; (7) smer pomikanja varjenca

Slika 4: Primer meritve zvarne reže 4. ADAPTIVNO KRMILJENJE Programsko opremo za krmiljenje celotnega mehatronskega sistema smo razvili v okolju LabView. Adaptivno krmiljenje je realizirano tako, da meritev profila zvarne reže obdelujemo v realnem �asu (10 meritev v sekundi). Pri tem izra�unavamo center zvarne reže (cx, cy ),

��

��

širino reže (b), vertikalni zamik plo�evin (h) ter kot (�) med plo�evinama (slika 5). Izra�unane vrednosti uporabimo za dolo�itev popravkov pozicije varilne šobe ter hitrosti varjenja [9]. Slednja je odvisna od preseka zvarne reže, ki jo mora dodajni material zapolniti (hitrost podajanja varilne žice in ostali varilni parametri so konstantni).

Slika 5: Adaptivno krmiljenje 5. ZAKLJU�KI V delu je predstavljen razvoj mehatronskega sistema, ki se sestoji se iz triosnega pozicionirnega sistema in laserskega linijskega triangulacijskega merilnika. Posebnost predstavljene konstrukcije je v inteligentnih kora�nih motorjih, ki omogo�ajo enostavno in hitro programiranje poljubnega realno-�asovnega gibanja in natan�nega pozicioniranja varjenca. Sinhronizacija pozicionirnega sistema z laserskim brezdoti�nim merilnikom geometrije površine nudi možnosti za razvoj razli�nih sistemov avtomatiziranega varjenja. Razvit sistem omogo�a tudi meritev tridimenzionalne geometrije poljubnih teles na principu skeniranja površine z natan�nostjo merjenja v velikostnem razredu nekaj stotink milimetra. S tem se uporabnost sistema razširi tudi na podro�je reverzibilnega inžiniringa in kontrole kvalitete geometrije izdelkov. LITERATURA 1. Bra�un Drago, Gruden Valter, Možina Janez. A method for surface quality assessment of

die-castings based on laser triangulation, Meas. sci. technol., 2008, letn. 19, št. 4. 2. Perdan Boštjan, Bra�un Drago, Diaci Janez, Možina Janez. Online assessment of power

transmission belt geometry by using laser triangulation and profile parameterisation. Int. j. adv. manuf. technol., 2009.

��

��

3. Gorki� Aleš, Bra�un Drago, Jezeršek Matija, Polajnar Ivan, Diaci Janez. Metoda za zajem in analizo topografije laserskih zvarov. Ventil (Ljubl.), 2005, letn. 11, št. 2, str. 76-83.

4. Bra�un Drago, Možina Janez. Lasersko podprto merjenje oblike zvarov. Mater. tehnol., 2001, letn. 35, št. 1/2, str. 69-71.

5. Menno de Graaf, Ronald Aartsa, Ben jonkera in Jahan Meijera. Real-time seam tracking for robotic laser welding using trajectory-based control, Control Engineering Practice (2010), doi:10.1016/j.conengprac.2010.04.001

6. http://www.rpmechatronics.co.uk/products/integrated-motor.html 7. Bra�un Drago, Jezeršek Matija, Diaci Janez. Triangulation model taking into account light

sheet curvature. Meas. sci. technol., 2006, letn. 17, št. 8, str. 2191-2196. 8. Gorki� Aleš, Bra�un Drago, Diaci Janez. Razvoj kamere z vgrajenim programirljivim

slikovnim procesorjem. Ventil (Ljubl.), jun. 2009, letn. 15, št. 3, str. 246-252. 9. Drago Bra�un, Jože Mikolav�i�, Jernej Volkar, Matjaž Humar, Ivan Polajnar in Alojz

Sluga. Spremljanje zapolnjevanja zvarnih žlebov pri avtomatiziranih postopkih oblo�nega varjenja. Dan varilne tehnike, Celje, 15. maj 2010. Zbornik referatov. Ljubljana: Društvo za varilno tehniko, 2010.

��

��

Zastupljenost industrijskih robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope

Isak Karabegovi�, Sead Paši�

Tehni�ki fakultet Biha�, Dr Irfana Ljubijanki�a bb, 77000 Biha�

Mašinski fakultet Mostar, Maršala Tita bb, 35000 Mostar Povzetek

U radu je dat presjek primjene industrijskih robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope. Analiza je data i pra�ena je godišnja i ukupna insta lacija industrijskih robota u zemljama: Njema�koj, Italiji, Francuskoj, Španiji, V.Britaniji, Švedskoj, Poljskoj, �eškoj, Slova�koj, Austriji, Belg iji, Holandiji, Danskoj, Norveškoj, Ma�arskoj i Sloveniji. Data je analiza po industrijskim granama. Izvršena je procjena primjene industrijskih robota u naredne dvije godine do 2012 godine. Upore�ivanje primjene industrijskih robota u procesu zavarivanja u navedenim zemljama. Pored tog da ta je uporedba sa primjenom robota u dvije zemlje i to Koreja i Japan. 1. UVOD Inteligentne mašine i sistemi razli�itog nivoa složenosti su danas sve prisutniji u proizvodnom procesu predstavlja temelj svake koncepcije fabrike budu�nosti. Automatizacija procesa i mašina nalazi primjenu prvenstveno kod izvo�enja proizvodnih procesa i upravljanjem mašinama a manje kod drugih tako�er važnih proizvodnih aktivnosti kao što su: posluživanje radnog mjesta, pozicioniranje radnog komada i sli�no. Primjena industrijskih robota je u slijede�im tehnološkim operacijama:

• posluživanje radnog mjesta, • držanje materijala u radnoj poziciji u raznim fazama izrade i operacioni transport, • tehnološke operacije (zavarivanje, bojenje, brušenje, lemljenje, lijepljenje, �iš�enje,

poliranje itd.), • automatsku montažu i • predprocesnu, procesnu i poslijeprocesnu kontrolu.

Roboti su idealni za poslove koji se smatraju teškim i nepogodnim za ljude i poslove koji su opasni za njihovo zdravlje. Koriste se za poslove koji se ponavljaju više puta i kao takvi se smatraju monotonim i u onim procesima gdje se traži visok kvalitet i velika produktivnost . Dizajnirani su raznovrsni industrijski roboti specijalno za odre�enu vrstu radnih zadataka. Primjena robotskih sistema u industriji jeste i humanizacija rada, pogotovo na poslovima štetnim po ljudsko zdravlje (rad u zaga�enoj sredini, prašini, visokoj temperaturi, rad na monotonim i zamaraju�im poslovima). Roboti nalaze primjenu ne samo u industriji, ve� i u drugim oblastima života.

��

��

2. RASPROSTRANJENOST ROBOTA U INDUSTRIJI Broj instaliranih višenamjenskih robota i broj ukupnih robota koji su instalirani u Japanu, USA, Europska Unija, Ostatak Evrope, Azija, Australija, dat je u tabeli 1. Statisti�ki podaci koji su navedeni u tabelama i dijagramima preuzeti su od International Federation of Robotics (IFR), podataka Ekonomske komisije pri UN za Evropu (UNECE) i Organizacije za ekonomsku kooperaciju i razvoj (OECD). Ova prezentacija treba da pokaže koje u�inke roboti imaju na troškove, proizvodnju i strukturu zapošljavanja odnosno da da indikaciju o sveukupnoj profitabilnosti. Korisnici robota i potencijalni korisnici su uglavnom zainteresirani da dobiju informacije kako robot može riješiti odre�ene proizvodne probleme, kako se ta rješenja postignu. Tabela 1: Instaliranje i ukupan broj robota u upotreb i za 2008, 2009, i predvi�anja za

2012 godinu

Iz tabele 1., vidi se da tržišta EU i USA stalno rastu i da hvataju priklju�ak sa Japanom. Svjetsko tržište robota u 2008 godini zadržalo se na istoj razini kao u 2007 godini to jest 113.345 jedinica. Japan - tokom 20038. godine zabilježen je pad na tržištu koje se smanjilo za 8 %, tj. 33. 138 jedinica. SAD - u toku 2008 godine bilježe snažni pad primjene robota. Tržište se smanjilo za 12 % odnosno za 17.192 jedinica. Evropska unija - tokom 2008. godine bilježi skoro identi�an broj instaliranja industrijskih robota kao u godini 2007, odnosno 35.006 jedinica.

��

��

Slika 1: Ukupni broj instalirani industrijski robota u Evropi, Americi i Aziji

Slika 2: Ukupan broj instalirani industrijski robota u raznim industrijama

Slika 3: Godišnji broj instaliranih robota u raznim industrijama Kao što se sa slike1. vidi ukupan broj instaliranih robota u industriji u Americi iz godine u godinu ostaje nepromjenjen, u Aziji može se re�i da je broj instaliranja industrijski robota iz godine u godinu zadržan na skoro istom nivou, a u Evropi taj trend primjene robota je u blagom porastu. Po veli�ini broja instaliranih industrijskih robota prednost ima Azija, Evropa a zatim Amerika. Na osnovu slike 2. i slike 3. možemo zaklju�iti da je godišnj instalacija i ukupna instalacija robota u procesu zavarivanja u trendu pove�anja zadnji godina.

��

��

3. PRIMJENA INDUSTRIJSKI ROBOTA U PROCESU ZAVARIVANJA U ZEMLJAMA EVROPE

U Evropi je u 2008 godini instalirano 35.066 jedinica novih industrijskih robota, gotovo isto kao u 2007 godini.Od tog broja ako vidimo u procentima na rukovanje operacije 55% je upotrebljeno, na zavarivanje 25 % , automobilskoj industriji 34%, metalnoj industriji 15% i hemijskoj industriji 15%. Kad gledamo ukupan broj instaliranih industrijskih robota on je 343.700 jedinica, što je više u odnosu na 2007 godinu 5% a od toga u procesu zavarivanja instalirano je 28% robota.

Slika 4: Godišnja instalacija industrijski robota u Evropi

Slika 5: Ukupan broj instalirani ind. robota u Evropi

Slika 6: Ukupna instalirani roboti u 2007 i 2008 godini u Evropi

��

��

Slika 7: Godišnja instalacija robota u 2007 i 2008 god. U Evropi Kad pogledamo sliku 4. i sliku 5. vidimo da se u zadnje dvije godine 2007 i 2008 broj primjenjeni industrijskih robota zadržao skoro na istom nivou ali ukupni broj instalirani robota u Evropi je u stalnom usponu. Na osnovu dijagrama slika 6. i slika 7. dolazimo do zaklju�ka da je trend pove�anja instaliranja industrijski robota 2008 godine u odnosu na 2007 godinu u procesu zavarivanja i kad je u pitanju godišnja i ukupna instalacija.

Njema�ka Francuska Slika 8: Ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u Njema�koj i

Francuskoj

Poljska Slovenija Slika 9: Ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u Poljskoj i Sloveniji

��

��

Kao što se sa zadnji dijagrama vidi u zemljama kao što je Njema�ka i Francuska došlo je do neznatnog pove�anja primjene industrijski robota u procesu zavarivanja dok je u zemljama koje su postale �lanice Evrope došlo do naglog pove�anja primjene robotau toj industriji. Jedan od razloga je što je dio automobilske industrije iz razvijeni zemalja Evrope dislociran u pridružene �lanice Evrope. Slika 10: Ukupan broj instalirani robota u zemljama Evrope u procesu zavarivanja

Slika 11 Broj instaliranih robota u zemljama Evrope u procesu zavarivanja

��

��

Na zadnja dva dijagrama dati su grafikoni primjene industrijski robota u procesu zavarivanja u zemljama Evrope u 2007 godini i 2008 godine.Ako se pogleda ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u zemljama Njema�ke, Francuske, Italije, Španije, V.Britanije, Švedske i Austrije znatno se nije zna�ajno mijenjao, me�utim ako se pogleda trend primjene industrijski robota u procesu zavarivanja godišnji u ove dvije navedene godine vidi se odstupanje i pove�anje u zemljama koje su postale �lanice Evrope.

Japan Koreja

Slika 12: Primjena robota u procesu zavarivanja u Japanu i Koreji Kao što vidimo sa zadnja dva dijagrama primjena industrijski robora u procesu zavarivanja u Japani i Koreji zauzima zna�ajno mjesto. Kada uporedimo sa primjenom u zemljama Evrope to je daleko zna�ajnije. Nagli skok primjene robota u procesu zavarivanja o�ito je zna�ajan u Koreji a to je posljedica razvoja automobilske industrije u toj zemlji. 4. ZAKLJU�AK Svjetsko tržište robota u 2008 godini zadržalo se na istoj razini kao u 2007 godini to jest 113.345 jedinica. Japan - tokom 20038. godine zabilježen je pad na tržištu koje se smanjilo za 8 %, tj. 33. 138 jedinica. SAD - u toku 2008 godine bilježe snažni pad primjene robota. Tržište se smanjilo za 12 % odnosno za 17.192 jedinica. Evropska unija - tokom 2008. godine bilježi skoro identi�an broj instaliranja industrijskih robota kao u godini 2007, odnosno 35.006 jedinica. Kao što se sa slike1. vidi ukupan broj instaliranih robota u industriji u Americi iz godine u godinu ostaje nepromjenjen, u Aziji može se re�i da je broj instaliranja industrijski robota iz godine u godinu zadržan na skoro istom nivou, a u Evropi taj trend primjene robota je u blagom porastu. Po veli�ini broja instaliranih industrijskih robota prednost ima Azija, Evropa a zatim Amerika. Na osnovu slike 2. i slike 3. možemo zaklju�iti da je godišnj instalacija i ukupna instalacija robota u procesu zavarivanja u trendu pove�anja zadnji godina. Na osnovu dijagrama slika 6. i slika 7. dolazimo do zaklju�ka da je trend pove�anja instaliranja industrijski robota 2008 godine u odnosu na 2007 godinu u procesu zavarivanja i kad je u pitanju godišnja i ukupna instalacija. .Ako se pogleda ukupan broj instalirani robota u procesu zavarivanja u zemljama Njema�ke, Francuske, Italije, Španije, V.Britanije, Švedske i Austrije znatno se nije zna�ajno mijenjao, me�utim ako se pogleda trend primjene industrijski robota u procesu zavarivanja godišnji u ove dvije navedene godine vidi se odstupanje i pove�anje u zemljama koje su postale �lanice Evrope. Nagli skok primjene robota u procesu zavarivanja o�ito je zna�ajan u Koreji a to je posljedica razvoja automobilske industrije u toj zemlji.

��

��

LITERATURA 1. World Robotics 2008, United Nations, New York and Geneva, 2008. 2. Wolka, D.W.: Roboter sisteme, Technishe Universität des Saarlandes im Stadtwald, 1992. 3. Wolka, D.W.: Roboter sisteme I, Technishe Grundlagen, Springer-Verlag Berlin

Heidelberg, 1992. 4. Craig, J.J.: Introduction to robotics, Addison-Wesley Publishing Company, 1989 5. Craig, J.J.: Introduction to robotics, mechanics and control, 2nd, USA, Addison-Wesley

Publishing company, 1997. 6. Coiffet, P., Chirouze M.: An introduction to robot technology, Kogan Page Ltd, 1983 7. Karabegovi� I, Dole�ek V.: Primjena industrijskih robota u 21. stolje�u, RIM 2003, Biha�,

Zbornik radova, str. 3.-22., septembar 2003. 8. Dole�ek, V., Voloder, A.: Matematski model prostornog robotskog manipulatora sa

fleksibilnim �lanovima, III Me�unarodni nau�no-stru�ni skup ''Tendencije u razvoju mašinskih konstrukcija i tehnologija' ', Zenica, 1996.

9. Freund, E., Stern, O.: Robotertechnologie I, Institut für Roboterforschung, Dortmund 1999

10. Dole�ek V, Karabegovi� I. Roboti u industriji, Tehni�ki fakultet Biha�, Biha�,2008. 11. Karabegovi� I , Jurkovi� M. Dole�ek V. Primjena industrijskih robota u Evropi i Svijetu,

Vrnja�ka Banja 2005.

Tehnološka podpora kupcem: Oblo�ni in laserski postopki varjenja in rezanja: Matej PE�NIK, IWT, IWI-S Gsm: 051 689 547 [email protected] Plamenski postopki varjenja in rezanja: Stanko JAMNIKAR, EWT Gsm: 041 339 842 [email protected]

Messer Slovenija d.o.o. Jugov a 20

2342 RUŠE

Tel: +386 2 669 03 00 Fax: +386 2 661 60 41

[email protected] www.messer.si

Ustrezna izbira vrste plina in na�ina oskrbe s tehni�nimi plini za optimalno

varjenje in rezanje V družbi Messer Slovenija vam nudimo vse vrste tehni�nih plinov, plinskih mešanic, aplikativnih rešitev, opreme in optimalnih rešitev za izvedbo oskrbe s plini za procese varjenja in rezanja. Ferromix, Inoxmix, Alumix in Formirni plini so naša mednarodna imena plinov za vse vrste materialov in postopkov varjenja v zaš�itni atmosferi. Imamo razvitih ve� kot 30 standardnih plinov in plinskih mešanic. Lasersko varjenje in rezanje, Pod imenom Megalas vam ponujamo resonatorske pline in mešanice za vse vrste CO2 laserjev. Avtogeno varjenje in rezanje Za optimalno izkoriš�enost postopka je izjemno pomembna pravilna izbira plina in opreme. Nudimo vam kakovostno avtogeno opremo in pline za varjenje, rezanje in gretje Messer Cutting & Welding. Oskrba s tehni�nimi plini je klju�nega pomena za nemoteno in kakovostno obratovanje proizvodnih procesov varjenja in rezanja. S pravilno oskrbo delavnic s plini lahko bistveno vplivamo na varnost, ekonomi�nost, produktivnost in življenjsko dobo strojev. Tehnološka podpora kupcem Ker nam zaupajo najzahtevnejši kupci v Sloveniji in svetu, imamo v oddelku razvoja zaposlena dva izkušena mednarodno priznana varilna strokovnjaka.

Naši strokovnjaki vam bodo z veseljem svetovali ter z vami poiskali optimalno rešitev za vaše proizvode in proizvodne procesa varjenja in rezanja!

Inštitut za metaln e kon strukcije, Mencingerjeva 7, 1001 Ljubljana, T 01/2802 100, F 01/2802 151, E [email protected]

�� !��

�� "��

�� #�� $��

��

�

%%% &&& ''' ((( ''' &&& ))) *** ''' �� *** +++�� ))) �� ((( ))) ,,, ��

Documents

Zbornik DVT2010_čb