20
Toplotni osnovi zavarivanja Opšte Toplota igra bitnu ulogu pri zavarivanju, kako u pogledu omogućivanja spajanja tako i u pogledu proizvodnosti procesa i kvaliteta spoja. Procesi se odigravaju veoma brzo, u velikom temperaturnom intervalu (od oko 20°C pri mrazu, do oko 3000°C temperaturi isparavanja metala). U tom kratkom razmaku vremena nastupa: topljenje osnovnog i dodatnog materijala, metalurške reakcije u rastopu, kristalizacija rastopljenog metala, strukturne i zapreminske promene u dodatnom i osnovnom metalu. Da bi mogli da upravljamo metalurškim procesima koji se pod uslovima zavarivanja odigravaju s jedne

Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

  • Upload
    dapig

  • View
    193

  • Download
    19

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Toplotni osnovi zavarivanjaOpšte

Toplota igra bitnu ulogu pri zavarivanju, kako u pogledu omogućivanja spajanja tako i u pogledu proizvodnosti procesa i kvaliteta spoja. Procesi se odigravaju veoma brzo, u velikom temperaturnom intervalu (od oko – 20°C pri mrazu, do oko 3000°C – temperaturi isparavanja metala). U tom kratkom razmaku vremena nastupa: topljenje osnovnog i dodatnog materijala, metalurške reakcije u rastopu, kristalizacija rastopljenog metala, strukturne i zapreminske promene u dodatnom i osnovnom metalu. Da bi mogli da upravljamo metalurškim procesima koji se pod uslovima zavarivanja odigravaju s jedne strane i procesima deformacija i napona usled zavarivanja s druge strane, treba znati kako na njih deluju parametri zavarivanja, u prvom redu dejstvo izvora toplote, u našem slučaju električnog luka.

Page 2: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Najznačajni elektrolučni postupci zavarivanja

Naziv postupkazavarivanja

Skraćeno OznakaPolje primene

t [mm] Materijali

Elektrolučno zavarivanjesa obloženomelektrodom

E 111 3-50nelegirani,

niskolegirani i finozrni visokovredni čelici

Elektrolučno zavarivanjepod zaštitnim prahom

EPP 12 4-80nelegirani i

niskolegirani čelici

Elektrolučno zavarivanjeelektrodnom žicom podzaštitom inertnog gasa

MIG 131 4-24

nelegirani <0,22%C)i niskolegirani

(0,35%C) čelici i Al-legure

Elektrolučno zavarivanjeelektrodnom žicom podzaštitom aktivnog gasa

MAG 135 <30 nelegirani iniskolegirani čelici

Elektrolučno zavarivanjenetopljivom elektrodompod zaštitom inertnog

gasa

TIG 141 <12visokolegirani čelici

i Al-legure

Page 3: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Pod pojmom elektrolučnog zavarivanja podrazumevaju se postupci zavarivanja koji kao izvor toplote koriste električni luk uspostavljen između elektrode i osnovnog materijala, a dodatni materijal je sama elektroda (postupci sa topljivom elektrodom) ili žica za zavarivanje (postupci sa netopljivom elektrodom). Konvencionalni postupci elektrolučnog zavarivanja su E (obložena elektroda), MAG/MIG (topljiva elektrodna žica u zaštiti inertnog ili aktivnog gasa), TIG (netopljiva elektroda i dodatni materijal oblika žice, u zaštiti inertnog gasa), EPP (topljiva elektrodna žica pod praškom) i zavarivanje punjenom elektrodnom žicom u zaštiti gasa ili bez nje (samozaštitna žica). Svaki od ovih postupaka koristi toplotu električnog luka za topljenje dodatnog i osnovnog materijala i odgovarajuće izvore električne struje (uređaje za zavarivanje). Topljenje dodatnog materijala i njegov prenos u metalnu kupku je praćen pojavom sila, kao što su elektromagnetna i gravitaciona, sile od strujanja i eksplozije gasova, sila od pritiska plazme i sila od površinskog napona, koje bitno utiču na proces zavarivanja.

Page 4: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Električna moć luka Električni luk je stabilno električno pražnjenje

(usmereno kretanje elektrona) kroz jonizovani vazduh ili gas. Da bi vazduh bio jonizovan u njemu moraju da postoje elektroni i joni, koji svojim usmerenim kretanjem obezbeđuju protok električne struje. Elektroni i joni u vazduhu nastaju kao posledica procesa koji se odvija pri uspostavljanju električnog luka.

Električna moć luka srazmerna je proizvodu pada napona u luku (U) i jačine struje (J). Ova energija se pretvara u toplotnu. Toplotni ekvivalent električne moći jednak je Q=0,24 UJ kal/sec. Ako se toplotna moć luka meri u đžulima onda je cal=4,1855 Joul pa je Q=UJ džaul/sec.

Page 5: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Slika rasporeda napona električnog luka pri zavarivanju

Page 6: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

S obzirom na karakterističan pad napona u električnom luku mogu da se uoče tri različite oblasti: katodna (2), anodna (4) i stub luka (3). Stub luka nije u direktnom kontaktu ni sa anodom ni sa katodom, već je od njih odvojen užarenim oblastima koje se zovu anodna i katodna mrlja, pozicije (1) i (5). U atmosferi stuba luka se nalaze elektroni, kao i pozitivni i negativni joni, koji su ukupno električno neutralni. U oblasti katodne mrlje oslobađaju se elektroni, potrebni za održavanje struje u stubu luka. Na osnovu vrednosti katodnog (Uk) i anodnog (Ua) pada napona za različite metale, date za različite jačine struje i gasne sredine, može da se zaključi da gasna sredina ima znatno veći uticaj od jačine struje, tj. da zaštitni gasovi kao što su Ar i CO2 značajno smanjuju katodni i anodni pad napona.

Page 7: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja
Page 8: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Ukupni pad napona u luku, Ul, definisan je izrazom Ul= Uk+Usl+Ua

gde je Usl pad napona u stubu luka. Ukupni pad napona i dužina luka su povezani izrazom

Ul=a+b l⋅gde je a koeficijent anodnog i katodnog pada napona, koji ne zavisi od

dužine luka l, a b srednji pad napona po jedinici dužine luka. Pad napona luka (U) nije konstantan na dužini luka, već se sastoji od

pada napona u katodnoj i anodnoj mrlji i pada napona duž dužine luka. Kako razvijanje toplote srazmerna lokalnom padu napona, to proizilazi da je u katodnoj i anodnoj mrlji koncetrisana velika količina toplote.

Usled neizbežnih gubitaka koji se javljaju, uzima se u račun uvođenjem koeficijenta korisnog dejstva η. Koeficijent korisnog dejstva je dakle odnos toplote koja se preko luka uvodi u komad koji se zavaruje, prema toplotnom ekvivalentu snage električnog luka.Tako da je efektivna toplotna moć luka:

JUQ C

Page 9: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Pri zavarivanju električnim lukom obloženim elektrodama i pri zavarivanju u zaštitnim gasovima, moć luka iznosi 4 do 10 Kw, a pri zavarivanju EPP 10 do 50 Kw. Vrednost koeficijenta ηe za razne vrste zavarivanja data je u tabeli.

Vrste zavarivanja

Zavarivanje topljenom

elektrodom(obloženom) EPP TIG MIG (argon)

vrednost ηe 0.70 do 0.85srednje 0.75

0.80 do 0.95 – 0.99 0.22 – 0.48 0.66 do 0.69

vrsta struje naizmenična naizmenična naizmenična jednosmerna

Page 10: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Efektivna moć električnog luka troši se na grejanje i topljenje osnovnog i dodatnog materijala, topljenje obloge i praha, topljenje osnovnog metala i već deponovanog dodatnog metala. Grejanje i topljenje elektrode odnosno žice, ostvaruje se na račun energije koja se stvara

1) u katodnoj mrlji koja se nalazi na vrhu elektrodne šipke

(odnosno žice), kao i 2). Džaul – Lencovoj toploti koja se javlja pri prolazu struje

kroz žicu.

Page 11: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Toplotno-fizičke karakteristike metalaU toplotnim proračunima javljaju se još i sledeće fizičke veličine

koje ulaze u obrasce za toplotno ponašanje metala pri zavarivanju:

λ – koeficijent provođenja toplote; c – specifična toplota; cγ – zapreminska toplota; – koeficijent toplotne difuzije;A – koeficijent površinskog odavanja toplote (zračenjem i

konvekcijom) b – koeficijent odavanja toplote u okolnu sredinu.

c

a

Page 12: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Osnovna pretpostavka je, da su koeficijent provođenja toplote i specifična toplota, koeficijenti nezavisni od temperature što na slici pokazuje da to nije slučaj .

0.036

0.048

0.06

0.012

TºC80040000

Ccm

Jsec

Slika pokazuje koeficijent provođenja toplote za različite vrste čelika u funkciji od temperature

Page 13: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

1 – elektrolitično železo2 – nisko-ugljenični čelik sa 0,1%C3 – ugljenični čelik: 0,45%C; 0,08%Si; 0,07%Mn4 - niskolegirani hrom čelik: 0,10%C; 0,02%Si;

0,4%Mn; 4,98%Cr5 - hromov čelik: 1,52%C; 0,38%Si; 0,38%Mn;

13,1%Cr6 – hrom-nikl nerđajući čelik: 0,15%C; 0,19%Si;

0,26%Mn; 8,04%Ni; 17,8%Cr.

Page 14: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Računske šeme zagrevanja tela električnim lukom

Diferencijalna jednačina provodljivosti toplote u jednoj tački tela, na osnovu Furijeovog zakona provođenja toplote, glasi:

 

Pod uslovom da možemo uzeti da su λ i cγ konstantni, izraz može da se napise:

Ako je Laplasov operator ( ) pozitivan, toplota se dovodi elementarnom paralopipedu, a ako je negativan, toplota se odvodi ka susednim tačkama. Iz poslednjeg obrasca vidi se da je brzina promene temperature u posmatranoj tački proporcionalna Laplasovom operatoru koji pokazuje promene temperature date tačke.

дt

дT

дz

д

дt

дT

дy

д

дt

дT

дx

д

дt

дTc

Taдz

дy

дx

cдt

дT 22

2

2

2

2

2

Page 15: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Analitički se metod može primeniti jedino u slučaju linearnih diferencijalnih jednačina, to jest u našem slučaju ako su kojeficijenti λ, cγ, a i a konstantni, što znači nezavisni od temperature.

Za niskougljenične čelike treba za λ, cγ i a uzimati vrednost za 500-600°C, a za kojeficijent površinskog odavanja toplote A, za temperaturu od 200 do 400 °C.

Page 16: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja
Page 17: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Plazma je električno provodljiv, disocirani i visokojonizovani gas, tj. intenziviran elek-trični luk. Plazma luk nastaje u specijalnom plazma gorioniku – plazmatronu, koji se u osnovi sastoji od elektrode, mlaznice i izolatora između njih.

Page 18: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Fronius PLAZMA proces karakteriše veoma velika gustina električnog luka koja rezultira malim zavarivačkim kupatilom i veoma uskom zonom uticaja toplote (ZUT) pa je moguće zavariti materijale do 10mm debljine u samo jednom prolazu bez prethodne pripreme spoja i obaranja ivica. Rezultat je impresivan. Postiže se izuzetno velika brzina zavarivanja čak i na debelim osnovnim materijalima uz istovremeno minimalno rasprskavanje. Zavareni spojevi su apsolutno BEZ POROZITETA!

Zbog ovakvih rezultata PLAZMA postupak nosi nadimak “Kraljevska disciplina zavarivanja”

Page 19: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Laplasov operator, u matematici, je eliptički diferencijalni operator drugog reda. Ima brojne primene širom matematike, te u fizici, elektrostatici, kvantnoj mehanici, obradi snimaka, itd. Nazvan je po francuskom matematičaru Pjeru Simonu Laplasu.

Page 20: Pred. 04.-05.Tehnologija Zavarivanja -Toplotni Osnovi Zavarivanja

Strukturne promene u zoni šavaKarakteristične zone:1 Rastopljen dodatni materijal;2 Rastopljen osnovni materijal;3 Dugo na visokim temperaturama(porast austenita);4 Dugo zagrejana – brzim hlađenjem –martenzitna struktura (trda i krta), a sorim hlađenjem feritno-perlitna struktura;5 Rekristalizacija – sitnozrna struktura;6 Kratkotrajno zagrevanje – početak rekristalizacije (razlaganje perlita);7 Bez strukturnih promena;