Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
IVAN MENĐUŠIĆ
ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE
DIPLOMSKI RAD
Osijek, 2011
SVEUČILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
ODJEL ZA FIZIKU
IVAN MENĐUŠIĆ
ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE
DIPLOMSKI RAD
predložen Odjelu za fiziku Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku radi stjecanja
zvanja profesora fizike i tehničke kulture s informatikom
Osijek, 2011
Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku Diplomski rad
Odjel za fiziku
ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE
IVAN MENĐUŠIĆ
Sažetak
Cilj ovog diplomskog rad je pobliže opisati vrste elektrolučnog zavarivanja. Objasniti pojave u
električnom luku i njegove karakteristike. Prikazane su teorijske osnove električnog luka i izbor
izvora za napajanje električnog luka.
(38 stranice, 28 slika, 1 tablica, 13 literaturnih navoda)
Rad je pohranjen u knjižnici Odjela za fiziku
Ključne riječi: zavarivanje,zavarivač,elektrolučno zavarivanje,električni luk,izvori
električne struje za zavarivanje
Mentor: Antun Pintarić,prof.dr.sc.
Ocjenjivači:
Rad prihvaćen: 05.10.2011.
J. J. Strossmayer University in Osijek Bachelor of Science Thesis
Department of Physics
Arc Welding
Ivan Menđušić
Abstract
The aim of this diploma work is described in detail types of arc welding. Explain phenomena
in electric arc and its characteristics. Displayed are the theoretical basis of the arc and the
selection of sources for power arc.
( 38 pages, figures 28, 1 tables, 13 references)
Thesis deposited in Department of Physics library Keywords: welding, welder, arc welding, electric arc, electrical power for welding
Supervisor: Antun Pintarić,prof.dr.sc.
Reviewers:
Thesis accepted: 05.10.2011.
SADRŽAJ
1. UVOD…………………………………………………………………………………..1
2. POJMOVI KOD ZAVARIVANJA…………………………………………………..2
3. OPĆENITO O ZAVARIVANJU……………………………………………………..4
4. ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE……………………………………………….5
4.1. Električni luk………………………………………………………………………….6
4.2. Električna karakteristika luka…………………………………………………………7
4.3. Statička karakteristika električnog luka……………………………………………….8
4.4. Dinamička karakteristika električnog luka…………………………………………....9
4.5. Regulacija visine električnog luka…………………………………………………...10
4.5.1. Unutrašnja regulacija visine električnog luka……………………………………...10
4.5.2. Vanjska karakteristika visine električnog luka ……………………………………11
4.6. Snaga izvora energije (toplinska moć)……………………………………………… 11
4.6.1 Iskorištenje energije za taljenje……………………………………………………. 12
4.6.2. Bilanca snage-energije kog elektrolučnog zavarivanja………………………….... 13
4.7. Prijenos metala pri elektrolučnom zavarivanju……………………………………... 14
4.8. Tehnološke značajke elektrolučnog zavarivanja……………………………………. 15
4.9. Uloga zaštite električnog luka i rastaljenog materijala pri zavarivanju……...……... 16
5. POSTUPCI ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA……………………………....17
5.1. Ručno elektrolučno zavarivanje (REL)………………………………………………17
5.2. Mehanizirani postupci zavarivanja…………………………………………………..19
5.3. Elektrolučno zavarivanje pod praškom (EPP)……………………………………….20
5.4. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti aktivnog plina (MAG)…………..21
5.5. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti inertnog plina (MIG)……………23
5.6. Elektrolučno zavarivanje netaljivom elektrodom u zaštiti inertnog plina (TIG)…….25
6. VRSTE I IZVORI ELEKTRIČNE STRUJE ZA ZAVARIVANJE………………27
6.1. Rotacijski pretvarači…………………………………………………………………27
6.2. Transformatori……………………………………………………………………….28
6.3. Ispravljači…………………………………………………………………………....29
6.4. Inverteri za zavarivanje………………………………………………………………31
6.5. Agregati za zavarivanje………………………………………………………………32
6.6. Izbor struje…………………………………………………………………………...32
6.7. Zahtjevi za izvore energije za zavarivanje taljenjem………………………………..33
6.8. Vrste koncentriranih izvora energije…………………………………………………33
6.9. Statička karakteristika izvora struje zavarivanja……………………………………..34
7. ZAKLJUČAK…………………………………………………………………………35
8. LITERATURA………………………………………………………………………..36
9. ŽIVOTOPIS…………………………………………………………………………...37
Ovaj diplomski rad je izrađen u Osijeku pod vodstvom prof. Dr. Sc. Antuna Pintarića u
sklopu Sveučilišnog diplomskog studija fizike i tehničke kulture s informatikom na Odjelu za
fiziku Sveučilišta Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku.
Ivan Menđušić
1. UVOD
Materijale možemo spojiti sa različitim tehnikama. Postoje brojne podjele tehnika
spajanja materijala što ovisi o postupku razmatranja. Cilj tehnika spajanja je osiguranje
kompaktnosti spojenih komada i mogućnost pouzdanog podnošenja naprezanja koja
nastaju između njih. U praksi postoje rastavljivi i nerastavljivi spojevi. U rastavljive
spojeve spadaju stezno spajanje, spajanje vijcima, zaticima, svornjacima i klinovima.
Među nerastavljive spojeve možemo nabrojati: zakivanje, zavarivanje, lijepljene i
lemljenje. Cilj tehnika spajanja je osiguranje kompatibilnosti spojenih komada i
mogućnost pouzdanog podnošenja naprezanja koja nastaju između njih.
Već 1782. godine fizičar Lichtenberg primjetio je kako se dva metalna dijela mogu spojiti
pomoću električne struje. Godine 1804. otkrio je Humphrey Davy ugljeni električni luk
kao izvor svjetlosti i topline. U 1849. godini W.E.Staite i W. Petrie upotrijebili su metalni
električni luk za topljenje irdija. Međutim prve uspješne radove u zavarivanju sa ugljenim
električnim lukom izveo je Bernados 1880. godine, a s metalnim električnim lukom
Slavjanov 1888. godine. ISO 4063 je norma za sve zavarivačke i njima srodne postupke
Električni luk je ista pojava kao i iskra, munja ili slaba svijetlost procesima plinskog
pražnjenja. Metalne šipke koje provode struju a na čijim krajevima gori električni luk,
nazivamo elektrodama. Razlikujemo dvije vrste elektroda topljive i netopljive. Električni
rad koji je u električnom luku pretvoren u toplinu proizvodi visoke temperature. Pri
zavarivanju sa otvorenim električnim lukom, temperatura je proračunata na oko 6 000oC -
8 000oC. Električni luk emitira intenzivno zračenje od nevidljivih kratkovalnih
ultravioletnih zraka, pa preko vidljivog dijela spektra do nevidljivih, dugovalnih
infracrvenih zraka. Električni luk ne emitira rendgenske ili gama zrake štetne po zdravlje.
Obojenost električnog luka je posljedica materijala koje isparava.
2. TERMINI KOD ZAVARIVANJA
Zavarivač - osposobljeni i provjeren radnik za određeni opseg zavarivačkih radova:
postupa, materijali (OD, DM), položaj zavarivanja, geometrijske oblike radnog predmeta,
uvjete zavarivanja (npr. podvodno, svemir, artik, itd.)
Zavarivanje - spajanje ili prevlačenje osnovnog materijala primjenom topline ili pritiska,
ili uz oboje, uz ili bez dodatnog materijala. Zona spoja za vrijeme zavarivanja dovedena je
u tekuće ili plastično stanje. Svojstvo spoja zavise o postupku zavarivanja. Spoj je
nerastavljiv.
Zavareni spoj - cjelina ostvarena zavarivanjem, koja obuhvaća dodirne dijelove
zavarenih komada,a karakterizirana je međusobnim položajem zavarenih dijelova i
oblikom njihovih zavarenih krajeva.
Zavarljivost - sposobnost materijala, da se pri određenim povoljnim uvjetima zavarivanja
ostvari kontinuirani zavareni spoj, koji će svojstvima udovoljiti predviđenim uvjetima i
vijeku eksploatacije.
Navarivanje - nanošenje dodatnog materijala na određenu površinu u cilju dobivanja sloja
željenih dimenzija
Zona taljenja - ZT (zavar, navar, šav) je dio površine poprečnog presjeka zavarenog
spoja koji je bio rastaljen. Sastoji se najčešće od mješavine osnovnog materijala (OM) i
dodatnog materijala (DM), ali ponekad samo od DM (lemljenje) ili samo od OM
(zavarivanje bez DM)
Zona utjecaja topline – ZUT (prijelazna zona) je onaj dio OM (uz ZT) koji se nije
rastalio, ali čija su se mikro struktura i svojstva izmijenili pod utjecajem topline
zavarivanja (lemljenja ili toplinskog rezanja).
Predgrijavanje – Zagrijavanje neposredno prije zavarivanja u zoni OM gdje će se
zavarivati, lemiti ili toplinski rezati. Potrebno je propisati minimalno potrebnu
temperaturu predgrijavanja T0 s tolerancijama (T0 min, T0 max). Temperatura podgrijavanja
se najčešće mora održavati sve do završetka zagrijavanja.
Metalna kupka – je volumen rastaljenog metala u trenutku zavarivanja.
Prolaz je depozit (rastaljeni metal) ostvaren u jednom prolazu elektrodom kod ručnog
zavarivanja ili automatom kod automatskog zavarivanja.
Osnovni materijal – OM je materijal koji se zavaruj, lemi ili reže.
Dodatni materijal – DM je materijal koji se dodaje u zoni taljenja pri zavarivanju,
lemljenu ili nabrizgavanju.
Automatsko zavarivanje – se ostvaruje opremom kod koje se operacija zavarivanja
proizvodi bez ručnog podešavanja komandama operatora (zavarivača).
Poluautomatsko zavarivanje – se ostvaruje opremom kod koje se automatski upravlja
dodavanjem DM, a brzinom zavarivanja se upravlja ručno.
Kratice:
DM – dodatni materijal
EPP – elektrolučno zavarivanje pod praškom
EPT – elektro zavarivanje pod troskom
MIG/MAG – elektrolučno zavarivanje u zaštiti inertnog/aktivnog plina (Metal Inert
Gas/Metal Active Gas) taljivom metalnom elektrodom
OM – osnovni materijal
REL – ručno elektrolučno zavarivanje
TIG – elektrolučno zavarivanje netaljivom (volfram) elektrodom u zaštiti inertnog plina
(Tungsten Inert Gas)
ZT – zona taljenja
ZUT – zona utjecaja topline
DC – (Direct Current) Istosmjerna struja
AC – (Alternating Current) Izmjenična struja
RT – radna točka
Slika 1. Opis dijelova zavarenog spoja
3. OPĆENITO O ZAVARIVANJU
Zavarivanje obuhvaća različita područja znanosti i tehnologije. Najveći broj danas
korištenih postupaka otkriven je u ovom vijeku. Samo neki postupci kao što su zavarivanje
(spajanje) kovanjem, lijevanjem i lemljenjem bili su poznati u starom vijeku. Najbolji
tehnološki i ekonomski rezultati pri zavarivanju metalnih materijala, mogu se postići samo
kad su svi čimbenici koji utječu na proces zavarivanja ispravno podešeni, s obzirom na
zadatak zavarivanja. Zavarivanje je spajanje dvaju ili više dijelova sa ili bez dodavanja
dodatnog materijala. Na taj način dobiva se kontinuirani nerastavljivi spoj jednoličnih
svojstava (mehaničkih, žilavost, otpornost na trošenje). Pored uređaja za zavarivanje i
dodatnog materijala, to se odnosi i na izbor zaštitnog plina. Podjela postupaka može se
načiniti prema vrsti energije potrebne za ostvarivanje spoja ili prema vrsti izvora energije.
Razlikujemo dvije vrste zavarivanja:
1. Zavarivanje taljenjem je spajanje metalnih dijelova u rastaljenom stanju na mjestu
spajanja, s korištenjem ili bez dodatnog materijala, bez djelovanja pritiska ili udarca.
2. Zavarivanje pritiskom je spajanje metalnih dijelova pritiskom, bez ili uz lokalno
ograničeno zagrijavanje, bez korištenja dodatnog materijala
Slika 2. Podjele postupaka zavarivanja metala
4. ELEKTROLUČNO ZAVARIVANJE
Pod pojmom elektrolučnog zavarivanja podrazumijevaju se postupci zavarivanja koji
kao izvor topline 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).
Slika 3. Podjele postupaka elektrolučnog zavarivanja
Konvencionalni postupci elektrolučnog zavarivanja su ručno elektrolučno REL (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 plina ili
bez nje (samozaštitna žica). Svaki od ovih postupaka koristi toplinu električnog luka za
topljenje dodatnog i osnovnog materijala i odgovarajuće izvore električne struje (uređaje za
zavarivanje). Topljenje dodatnog materijala i njegov prijenos u metalnu kupku je praćen
pojavom sila, kao što su elektromagnetska i gravitacijska, sile od strujanja i eksplozije
plinova, sila od površinskog napona, koje bitno utječu na proces zavarivanja.
4.1. Električni luk
Električni luk je stabilno električno pražnjenje (usmjereno kretanje elektrona) kroz ionizirani
zrak ili plin. Da bi zrak bio ioniziran u njemu moraju da postoje elektroni i ioni, koji svojim
usmjerenim kretanjem omogućuju protok električne struje. Elektroni i ioni u zraku nastaju kao
posljedica procesa koji se odvija pri uspostavljanju električnog luka. Ovaj proces može da se
objasni u osnovnim crtama na primjeru uspostavljanja luka kratkim spojem, što se koristi kod
REL postupka dodir elektrode i osnovnog metala (slika 4.). Zbog mikroskopskih neravnina na
dodirnim površinama (slika 4.) kontakt i protok struje se uspostavlja na veoma maloj površini,
gustoća struje je vrlo velika, pa se dodatni i osnovni materijal tope gotovo trenutno, a
djelomično i isparavaju. Usred djelovanja jakog električnog polja, stvorenog naponom
praznog hoda (uključen izvor struje, ali strujni krug još nije uspostavljen), atomi metalnih
para gube elektrone koje privlači pozitivna elektroda (anoda), dok preostali dio atoma
(pozitivni ion) privlači katoda, (slika 5.). Istovremeno mehanizmom termičke ionizacije
katoda počinje da emitira elektrone, koji se kreću velikom brzinom (104
cm/s) prema anodi.
Pri kretanju elektroni se sudaraju sa okolnim atomima i molekulama, stvarajući tako nove
elektrone i ione, čije usmjereno kretanje održava električni luk. U međuvremenu elektroda se
odmiče na pogodno rastojanje, proces uspostavljanja luka je završen i postignuto je stabilno
stanje u strujnom kolu koje čine izvor struje, elektroda, luk i osnovni metal. Pri tom
temperatura u električnom luku dostiže (kod REL postupka) 6000°C, odnosno oko 4200°C
(na anodi) i 3600°C (na katodi), što omogućuje efikasno topljenje osnovnog i dodatnog
metala.
Slika 4. Shema uspostavljanja električnog luka
Slika 5. Električni luk (shematski prikaz)
Da bi se ostvarila ionizacija zraka potrebno je utrošiti određenu energiju, koja je za različite
materijale određena tzv. potencijalom ionizacije (tablica 1.). Potencijal ionizacije je najniži za
zemno-alkalne metale, a najviši kod plinova kao što je dušik (tablica 1.). Zbog niskog
potencijala ionizacije zemno-alkalni metali se dodaju oblozi elektrode da bi stabilizirali
električni luk kod REL postupka.
Tablica 1. Potencijal ionizacije za pojedine materijale
4.2. Električna karakteristika luka
S obzirom na karakterističan pad napona u električnom luku mogu se uočiti tri različite
pojave: katodna (2), anodna (4) i stup luka (3), (slika 6). Stup luka nije u direktnom kontaktu
niti s anodom niti s katodom, već je od njih odvojen užarenim pojavama koje se zovu anodna
i katodna mrlja (slika 6.) pozicije (1) i (5). U prostoru električnog luka se nalaze elektroni, te
pozitivni i negativni ioni, koji su ukupno električno neutralni. U pojave katodne mrlje
oslobađaju se elektroni, potrebni za održavanje struje u stupca luka.
6. Shema zavarivačkog luka
Dužina katodne mrlje je približno 10-5
cm, anodne mrlje 10-3
cm, a vrijednosti katodnog (Uk) i
anodnog (Ua) pada napona. Na osnovu vrijednosti katodnog i anodnog pada napona za
različite metale, date za različite jačine struje i plinske sredine, može da se zaključi da plinska
sredina ima znatno veći utjecaj od jačine struje, tj. da zaštitni plinovi kao što su Ar i CO2
značajno smanjuju katodni i anodni pad napona.
4.3. Statička karakteristika električnog luka
Električni luk se, u smislu zavisnosti napona luka od jakosti struje, ne ponaša kao klasični
provodnici, što znači da za njega Ohmov zakon ne važi. Zbog toga je potrebno poznavati
statičku karakteristiku električnog luka, odnosno zavisnost napona od jačine struje, koja je na
(slika 7.) dana za dvije dužine luka, l1
i l2. Znajući da je toplinska moć luka proporcionalna
naponu i jakosti struje, može da se zaključi da luk veće dužine (l1) ima veću toplinsku moć.
Zavisnost napona od jačine struje pokazuje tri različite karakteristike u ponašanju luka:
1. karakteristika u kojoj napon opada sa porastom jačine struje
2. karakteristika u kojoj je napon približno konstantan
3. karakteristika gdje napon raste sa porastom jačine struje
Slika 7. Shema zavarivačkog luka
Nelinearna zavisnost napona luka od jačine struje je posljedica različitog ponašanja pojedinih
karakteristika luka pri porastu jakosti struje. Stabilnost električnog luka zavisi od vrste struje.
Kod istosmjerne struje luk je stabilniji nego kod izmjenične struje, jer nema ciklične promjene
napona i jakosti struje. Teorijski promatrano, promjena napona i jakosti izmjenične struje
uvjetuje gašenje luka pri svakom prolasku kroz nulu. Praktično se to ne događa zbog inercije
strujnog kruga, ali je zato luk nestabilan. Da bi se postigla dovoljna stabilnost luka izmjenične
struje koristi se veći napon praznog hoda, što je moguće samo do nivoa koji je siguran za
zavarivača (60-70V). Stoga se u oblogu elektroda ili prašak kod EPP postupka dodaju
kemijskog spajanja na bazi K, Na, Ca i oksida Fe, koja smanjuju potencijal ionizacije i time
povoljno utiču na stabilnost luka.
4.4. Dinamička karakteristika električnog luka
Na osnovi velikog broja mjerenja napona i jakosti struje tokom zavarivanja, dobije se
dinamička karakteristika u električnom luku. Izgled dinamičke karakteristike ovisi o brojnim
čimbenicima. Postoje dvije dinamičke karakteristike, istosmjerna karakteristika (Direct
Current) i izmjenična (Alternating Current). U svakoj grupi postoje različiti oblici prijenosa
materijala, različiti postupci zavarivanja, materijali, vrste izvora, itd..
8. Mjerenje napona i jakosti struje pri zavarivanju
4.5. Regulacija visine električnog luka
Da bi proces zavarivanja bio stabilan bitno je da visina električnog luka bude točno u
određenim granicama, jer bi zbog neženjenih promjena u visini električnog luka moglo doći
do grešaka u zavarenom spoju pa čak i do prekida električnog luka. Da bi to izbjegli postoji
nekoliko načina regulacije visine električnog luka. Kod automatskih i poluautomatskih
postupaka zavarivanja koristi se unutarnja ili strujna i vanjska ili naponska regulacija visine
električnog luka.
4.5.1. Unutrašnja regulacija visine električnog luka
Unutrašnja ili strujna regulacija koristi se kod MIG/MAG (Metal Inert Gas/Metal Active Gas)
uređaja za zavarivanje i kod EPP uređaja. Kod ove regulacije smatra se da je izvor struje za
zavarivanje napravljen tako da kod male promjene visine električnog luka dolazi do veće
promjene jakosti struje, što ovisno od predznaku promjene dovodi do bržeg ili sporijeg
taljenja žice za zavarivanje (te ponovnog uspostavljanja ravnotežnog stanja – željene visine
električnog luka). Unutarnja ili strujna regulacija odvija se kod izvora struje sa položenom
elektrodom ili ravnom statičkom karakteristikom.
4.5.2. Vanjska karakteristika visine električnog luka
Vanjska ili naponska regulacija koristi se kod EPP (elektrolučno zavarivanje pod praškom)
uređaja. Vanjska ili naponska regulacija provodi se kod izvora struje sa strmom statičkom
karakteristikom (slika 9.). Na osnovi registrirane promjene napona U , elektromotor za
pogon žice za zavarivanje pogoni istu brže ili sporije (ovisno o promjeni U ), pa se na taj
način dolazi do željene visine električnog luka.
9. Statička karakteristika električnog luka
4.6. Snaga izvora energije (toplinska moć)
Za slučaj električnog luka ukupno razvijena snaga električnog luka je:
P = U · I, W
Gdje su:
U - napon luka, V
I – jačina struje, A
Od ukupno proizvedene snage u električnom luku, na radni predmet se prenosi efektivna
snaga:
Pef = η · P, W
η – stupanj korisnog djelovanja izvora za istosmjernu struju
Za zavarivanje izmjeničnom strujom:
Pef = η · K · P, W
Gdje je: K koeficijent koji uzima u obzir ne sinusoidalnih oblika krivulje napona jačine struje
zavarivanja K= 0,7 – 0,97; za istosmjernu struju K=1.
4.6.1. Iskorištenje energije za taljenje
Glavni zadatak izvora energije je taljenje metala za zavarivanje. Količina metala, koja se tali
pri zavarivanju ovisi o obliku i dimenzijama spoja, vrsti metala, o broju prolaza (slojeva) i
postupku zavarivanja. Ponekad je poželjno da se zavaruje s manjim toplinskim inputom
(unosom topline), što je lakše ostvarivo ako su gustoće toplinskog luka veće.
Količina topline potrebna da se jedinica mase 1g zagrije od T0 do Tt,, rastali i da se talina
zagrije do neke temperature T1:
QG= c(Tt-T0)+qt+ct(T1-Tt), g
J,
Gdje su:
c- specifična toplina krutog metala za interval T0 do Tt, Cg
J0
,
c1- specifična toplina taline za interval T0 do T1, Cg
J0
,
qt – latentna toplina taljenja, g
J,
T0 – početna temperatura metala, 0C,
Tt – temperatura tališta, 0C; za čelik 1500 0C,
T1 – temperatura taline, T1>Tt, 0C; čelik 1800 0C,
Količina topline potrebne za zagrijavanje do tališta, taljenje i povišenje temperature taline T1
za masu metala poprečnog presjeka AZT = ADM+AOM koji se istali u 1 s ;
,,1s
JqvAQQ ZTG
Gdje su :
,,3mm
ggustoću
v- brzina zavarivanja, s
mm
Q1 = Ptaljenja,, W,
Ako se stavi Q1 u odnos prema efektivnoj snazi izvora:
IUE tef , s
J,
Dobit će supanj korisnog djelovanja energije za taljenje
efP
Q1 ,
Stupanj korisnog djelovanja energije za taljenje ovisit će o postupku zavarivanja, materijalu
kojeg zavarujemo, debljini materijala i obliku spoja. Što je veća toplinska vodljivost
materijala, to će biti niži ηt, jer će se brže dovoditi toplina od mjesta zavarivanja u okolini
hladniji materijal.
Utjecaj toplinske vodljivosti je izraženiji za izvor s malim gustoćama toplinskog toka. Kada
se npr. Zavaruje plinskim plamenom aluminij, ηt=2%, a 98% su gubitci topline.
4.6.2. Bilanca snage/energije kod elektrolučnog zavarivanja
U ovom dijelu obrađeni su stupnjevi iskorištenja energije i bilanca energije pri elektrolučnom
zavarivanju:
Efektivna energija za elektrlučno zavarivanje (Eef):
,v
IU
v
IUE lef
mm
J,
Gdje su:
U - srednja vrijednost napona, V
I - srednja vrijednost struje, A
ηl – stupanj korisnog djelovanja električnog luka,
η – stupanj korisnog djelovanja pri elektrolučnom zavarivanju,
Slika 10. Stupnjevi iskorištenja energije i bilanca energije kod elektrolučnog zavarivanja
4.7. Prijenos metala pri elektrolučom zavarivanju
Mehanizam prijenosa dodatnog metala kroz električni luk je vrlo kompliciran i još uvijek
nerazjašnjen u potpunosti, ali se zna da uključuje slijedeće bitne pojave: gravitaciju,
površinski napon, magnetno polje oko luka, pritisak od strujanja plinova, pritisak plazme i
eksploziju plinova.
Gravitacija uvijek ima smjer prema dolje, što znači da, osim u horizontalnom položaju, ometa
proces prijenosa dodatnog metala.
Površinski napon u početnoj fazi teži da stvori kapljicu sfernog oblika i sprečava njeno
odvajanje od elektrode, a kada se kapljica odvoji i dođe u metalnu kupku sprečava njeno
razlivanje, što pomaže zavarivanje u prinudnim položajima. Sila površinskog napona zavisi
od viskoziteta rastopljenog metala.
Magnetno polje oko električnog luka (provodnika), proizvodi elektrodinamičku silu. U
slučaju provodnika konstantnog presjeka ova sila djeluje samo u radijalnom pravcu, a u
slučaju provodnika promjenjivog presjeka, kakav je rastopljeni vrh elektrode, osim radijalne
postoji i aksijalna komponenta. Smjer djelovanja radijalne komponente elektrodinamičke sile
je prema osi provodnika, što izaziva suženje presjeka kapljice tzv. „pinč efekt“ (slika 11.),
dok aksijalna komponenta djeluje u smjeru prijenosa dodatnog metala. Stoga se povećanjem
jačine struje pojačava pinč efekt i olakšava prijenos dodatnog metala, ali se također povećava
i rasprskavanje dodatnog metala.
Slika 11. Pinč efekt
4.8. Tehnološke značajke elektrolučnog zavarivanja
Djelotvornost, ekonomičnost i ostale karakteristike elektrolučnog zavarivanja potrebne za
proračun vremena zavarivanja, cijene i količine utrošenog materijala mogu se prikazati
pomoću različitih koeficijenata.
Zavarivanje u zaštitnoj plinskoj atmosferi. Elektrolučno zavarivanje može provoditi i u
zaštitnoj plinskoj atmosferi, zaštitni plin može biti inertan ili aktivan. Glavni postupci
zavarivanja u zaštitnoj atmosferi zavarivanje taljivom elektrodom i zavarivanje netaljivom
volfram elektrodom.
Kao taljive elektrode najčešće se upotrebljavaju pune žice promjera 0,6-2,4 mm. Žice od
čelika pobakrene su ili poniklene radi boljeg električnog kontakta i zaštite od korozije. Osim
punih žica upotrebljavaju se žice punjene praškom za zavarivanje u zaštitnoj atmosferi i žice
koje same stvaraju zaštitnu atmosferu.
Koeficijent taljenja:
tI
GK t
t
tK - koeficijent taljenja,
Gt- masa istaljene elektrode, kg
It- jakost struje, A
t- vrijeme taljenja, s
Koeficijent gubitka elektrodnog materijala zbog rasprskavanja,isparavanja i oksidacije:
100
t
nt
gG
GGK %
Kg - koeficijent gubitka elektrodnog,
Gn- masa nataljenog elektrodnog materijala koji je prenesen na zavar
4.9. Uloga zaštite električnog luka i rastaljenog materijala pri zavarivanju
Pri zavarivanju elektrolučnim postupcima zavarivanja uloga zaštite je dvostruka, odnosno
trostruka (ovisno o tome radi li se o zaštiti od obložene elektrode, praškom punjenoj žici,
zaštitnom prašku kod EPP zavarivanja ili zaštitnom plinu / plinskoj mješavini).
Funkcije obložene elektrode su:
1. Fizikalna
2. Električna
3. Metalurgijska
Stvaranje zaštitne atmosfere, koja svojim djelovanjem onemogućuje nepovoljan utjecaj O,N i
H (kisik, dušik i vodik) na rastaljeni metal. Prisustvo sloja rastaljene viskozne troske oko
kapljice i na površini kupke zaštićuje rastaljeni metal. Svojim djelovanjem troska tlači i
skrutnuti metal dobiva glatku površinu ispod troske. Obloga elektrode daje električki stabilniji
luk te se električni luk lakše pali i lakše održava. Potrebno je u oblogu elektrode dodati
stabilizatore električnog luka Cs, K, Ca ( cezij, kalij i kalcij) ili druge elemente koji imaju
nisku energiju ionizacije.
5. POSTUPCI ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA
Zavarivanje je spajanje ili prevlačenje osnovnog materijala primjenom topline ili
pritiska, ili uz oboje, uz ili bez dodatnog materijala. Zona spoja za vrijeme zavarivanja
dovedena je u tekuće ili plastično stanje. Svojstvo spoja zavise o postupku zavarivanja. Spoj
je nerastavljiv. Prema načinu ostvarivanja zavarenog spoja , postoje postupci zavarivanja
taljenjem (koristi se toplinska energija) i postupci zavarivanja pritiskom (koristi se toplinsko-
mehanička energija ili mehanička energija).
Zavarivanje električnim lukom ili elektrolučno zavarivanje najčešće koristi se za spajanje
konstrukcija iz čelika, ne željeznih materijala i njihovih legura. Kod elektrolučnog zavarivanja
zavaren spoj nastaje taljenjem osnovnog materijala najčešće s dodatnim materijalom.
Elektrode mogu biti taljive (služe kao dodatni materijal) ili netaljive. Pri elektrolučnom
zavarivanju za taljenje metala koristi se toplina električnog luka koji se uspostavlja između
radnog komada i elektrode. Pri tome dolazi do ionizacije plinskog prostora (zrak, zaštitni
plinovi) između dvije elektrode.
5.1. Ručno elektrolučno zavarivanje
Električni luk se uspostavlja kratkim spojem – kresanjem između elektrode i radnog komada,
tj. priključaka na polove električne struje (istosmjerne – Direct Current ili izmjenične –
Alternating Current). Nakon toga slijedi ravnomjerno dodavanje elektrode u električni luk od
strane zavarivača, te taljenje elektrode i formiranje zavarenog spoja.
Slika 12. Ručno elektrolučno zavarivanje
REL (ručno elektrolučno zavarivanje) postupak ima široke mogućnosti primjene: kod
proizvodnih zavarivanja, navarivanja i reparaturnog zavarivanja većine metalnih materijala.
Ipak zbog ekonomičnosti (male brzine zavarivanja i orijentacijski 1,5 do 2 kg/depozita na sat)
se primjenjuje za izvođenje kraćih zavara, obično debljine ne iznad 15 mm (20 mm) kod
sučeonih zavarenih spojeva, te kraćih kutnih spojeva manje debljine zavara (gdje se obično ne
traži pojačana penetracija u korijenu zavara).
Parametri kod REL zavarivanja:
- napon zavarivanja (U), koji se tijekom zavarivanja orijentacijski kreće od 18 do 26 V;
- jakost struje zavarivanja (I), koja se pri zavarivanju kreće ovisno o promjeru elektrode
(orijentacijske vrijednosti 40·Φ elektrode, A)
- brzina zavarivanja (v), koja se kreće ovisno o primjenjenoj tehnici zavarivanja povlačenje ili
njihanje elektrode), promjeru elektrode i parametrima zavarivanja orijentacijski od 1,5 do 2,5
mm/s.
Napon praznog hoda je najčešće 60 V. Stupanj iskorištenja energije za taljenje 0,75 – 0,85.
Prednosti REL zavarivanja:
- razvijen širok spektar dodatnih materijala za zavarivanje,
- manja cijena opreme za zavarivanje (uređaja za zavarivanje) u odnosu na MAG i EP
postupak zavarivanja,
- pogodan za manja proizvodna i reparaturna zavarivanja,
- mogućnost zavarivanja u svim položajima zavarivanja,
- pogodan za rad na terenu, naročito tamo gdje nema električne energije ( moguća primjena
agregata),
- vrlo jednostavno rukovanje opremom,
- dobra mehanička svojstva zavara.
Nedostaci REL zavarivanja:
-mala brzina zavarivanja i niska produktivnost u odnosu na MAG i EPP,
-kvaliteta zavara značajno ovisi o vještini zavarivača - čovjeka,
-vrijeme za izobrazbu dobrog zavarivača je dugo,
-neizbježan je otpad elektrode – »čik« (8-10%), te gubitak materijala zbog prskanja u okolinu,
-teže čišćenje troske nakon zavarivanja i gubitak vremena zbog čišćenja troske,
-dolazi do jakog bljeskanja pri zavarivanju, razvijaju se štetni plinovi (potrebna dobra
ventilacija prostora),
-dugotrajni rad može ostaviti štetne posljedice na zdravlju zavarivača.
5.2. Mehanizirani postupci zavarivanja
Razlikujemo dvije vrste gravitacijsko i kontaktno zavarivanje.
Gravitacijsko zavarivanje
Za gravitacijsko zavarivanje rabe se obložene elektrode promjera 5-8 mm i duljine 700-
900mm. Elektroda je jednim krajem preko obloge oslonjena na dio koji se zavaruje, dok je
drugi kraj stegnut držačem koji klizi i spušta se po okviru gravitatora (slika 13.). Kada se
elektroda potpuno rastali, električni luk se automatski prekida. Ovaj postupak se koristi za
kutne spojeve, pri čemu istodobno može raditi nekoliko uređaja.
Slika 13. Gravitacijsko zavarivanje
Kontaktno zavarivanje
Za kontaktno zavarivanje rabe se slične elektrode kao i za gravitacijsko, ali s oblogama
prilagođenim znatno manjem nagibu elektrode. Uređaj se sastoji od magnetnih držača i
polužnog opružnog mehanizma sa držačima koji održava potrebnu elektrodu (slika 14.). Kada
se elektroda rastali zavarivač postavlja novu elektrodu i ponovo uspostavlja električni luk.
Slika 14. Kontaktno zavarivanje
5.3. Elektrolučno zavarivanje pod praškom (EPP)
Električni se luk uspostavlja pomoću visokofrekventnog generatora (VF generator) koji se
uključuje samo u djeliću sekunde, neposredno pred zavarivanje. Nakon uspostavljanja
električnog luka, VG generator se isključuje, žica za zavarivanje kontinuirano dolazi u
električni luk, tali se i sudjeluje u formiranju zavarenog spoja. Proces se odvija pod zaštitnim
praškom. To je automatski postupak zavarivanja.
Slika 15. Elektrolučno zavarivanje pod praškom
EPP postupak se koristi za zavarivanje i navarivanje gdje se traži velika količina deponiranog
materijala (zavara) ili kod velikoserijske proizvodnje (npr. kružni zavareni spojevi na
propan/butan bocama za domaćinstvo). Zavarivanje se izvodi u horizontalnom položaju
(iznimka Circomatic postupak – zavarivanje kružnih zavarenih spojeva na cilindričnim
posudama pod tlakom u zidnom položaju). Značajna je primjena ovog postupka kod
zavarivanja debelostjenih posuda pod tlakom, te debelostjenih limova (npr. postolja
lokomotiva, sekcije mostova).
Parametri kod EPP zavarivanja:
- napon zavarivanja (U), koji se tijekom zavarivanja orijentacijski kreće od 26 do 40 V;
- jakost struje zavarivanja (I), koja se pri zavarivanju kreće ovisno o promjeru elektrode (od
100 A do 1000 A; prema nekim literaturnim podacima i do 5000 A). Zbog manje duljine
slobodnog kraja žice moguće je iste promjere žice za zavarivanja opteretiti puno većim
strujama nego kod REL postupka (gdje je duljina slobodnog kraja praktično duljina elektrode
koja se koristi za zavarivanje).
- brzina zavarivanja (v), je značajno veća u odnosu na REL i MAG postupak (orijentacijske
vrijednosti 200 do 600 mm/min).
Napon praznog hoda je 100 V (veći nego kod REL postupka iz razloga što se kod EPP
postupka teže uspostavlja električni luk).
Prednosti EPP zavarivanja:
- velike brzine zavarivanja i daleko veća produktivnost u odnosu na REL i MAG postupak
zavarivanja,
- budući da se radi o automatskom postupku zavarivanja, kvaliteta ne ovisi o čovjeku –
operateru (jednom uspostavljeni parametri zavarivanja daju konstantnu kvalitetu zavarenih
spojeva),
- visok stupanj iskorištenja energije za taljenje (0,9 - 0,95),
- kvalitetan estetski izgled zavara,
- nema otpada žice, te gubitaka zbog prskanja kapljica u okolinu,
- lako čišćenje troske i mogućnost recikliranja troske.
Nedostaci EPP zavarivanja:
- veća cijena opreme za zavarivanje (uređaja za zavarivanje) u odnosu na MAG i REL
postupak zavarivanja,
- slabija mehanička svojstva zavarenog spoja u odnosu na REL i MAG zavarivanje (brže
hlađenje veće količine deponiranog materijala),
- mala brzina zavarivanja i niska produktivnost u odnosu na MAG i REL,
- nema vizualnog nadzora električnog luka tijekom zavarivanja (velike jakosti struje daju
svjetlost velike intenzivnosti pa u obzir dolazi nadzor X-zrakama i video kamerama),
- u tehnološkoj liniji koja koristi EPP automate obično je potrebna dodatna mehanizacija
(okretaljke, okretno-nagibni stolovi,konzole, ...).
5.4. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti aktivnog plina (MAG)
Električni luk se uspostavlja kratkim spojem – kresanjem između žice za zavarivanje i radnog
komada, tj. priključaka na polove električne struje (istosmjerne – Direct Current). Nakon toga
slijedi ravnomjerno dodavanje žice za zavarivanje u električni luk (elektromotor, valjci za
ravnanje i povlačenje ili potiskivanje žice), te taljenje žice i formiranje zavarenog spoja.
Slika 16. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti aktivnog plina (MAG)
MAG postupak ima široke mogućnosti primjene: kod proizvodnih zavarivanja, navarivanja i
reparaturnog zavarivanja većine metalnih materijala. Ima prednost pred REL zavarivanjem sa
stajališta ekonomičnosti (više kg/depozita na sat, veća intermitencija pogona – nema zastoja
za izmjenu elektroda kao kod REL postupka, manje čišćenje zavara). Primjenjuje se za
zavarivanje limova i cijevi debljine od 1 mm obično do debljine 20 mm (u nekim slučajevima
i daleko iznad tih debljina, kada je ekonomski i tehnološki opravdana primjena MAG
postupka. Kod većih debljina osnovnog materijala i veće duljine zavararenih spojeva
ekonomičnije je koristiti EP postupak (samostalno ili u kombinaciji sa MAG ili REL
postupkom, npr. za provarivanje korijena). MAG postupak je izvorno poluautomatski
postupak, ali se vrlo često koristi kao automatski i robotizirani postupak zavarivanja.
Značajan je udio robota za MAG zavarivanje u automobilskoj industriji.
Parametri MAG zavarivanja:
- napon zavarivanja (U), koji se tijekom zavarivanja orijentacijski kreće od 16 do 26 V;
- jakost struje zavarivanja (I), koja se pri zavarivanju kreće ovisno o promjeru žice za
zavarivanje (orijentacijske vrijednosti 80 do 180, A)
- brzina zavarivanja (v), koja se kreće ovisno o primjenjenoj tehnici zavarivanja (povlačenje
ili njihanje), promjeru žice za zavarivanje i parametrima zavarivanja orijentacijski od 2 do 4
mm/s.
Napon praznog hoda je najčešće 60 V. Stupanj iskorištenja energije za taljenje 0,75 – 0,85.
Prednosti MAG zavarivanja:
- razvijen dovoljno širok spektar dodatnih materijala za zavarivanje,
- manja cijena opreme za zavarivanje (uređaja za zavarivanje) u odnosu na EPP postupak
zavarivanja (ali ipak nešto veća u odnosu na REL),
- pogodan za pojedinačnu i masovnu proizvodna, te reparaturna zavarivanja,
- mogućnost zavarivanja u svim položajima zavarivanja,
- manji gubici vremena zavarivača (nema izmjene elektrode kao kod REL zavarivanja, manje
čišćenje zavara),
- pogodan za automatizaciju i robotizaciju,
- kvalitetan zavar i dobra mehanička svojstva zavara.
Nedostaci MAG zavarivanja:
- kvaliteta zavara još uvijek ovisi o vještini zavarivača – čovjeka kod poluautomatskog
zavarivanja (ali ipak ne toliko kao kod REL zavarivanja),
- vrijeme za izobrazbu dobrog zavarivača je kraće nego kod REL zavarivanja (mada je praksa
da MAG zavarivači prvo nauče REL postupak zavarivanja),
- dolazi do jakog bljeskanja pri zavarivanju, pri zavarivanju se oslobađaju plinovi,
- dugotrajni rad može ostaviti štetne posljedice na zdravlju zavarivača.
5.5. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti inertnog plina (MIG)
Električni luk se uspostavlja kratkim spojem – kresanjem između žice za zavarivanje i radnog
komada, tj. priključaka na polove električne struje (istosmjerne – Direct Current ili izmjenične
– Alternating Current). Nakon toga slijedi ravnomjerno dodavanje žice za zavarivanje u
električni luk (elektromotor, valjci za ravnanje i povlačenje ili potiskivanje žice), te taljenje
žice i formiranje zavarenog spoja.
17. Elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti inertnog plina (MIG)
MIG postupak ima široke mogućnosti primjene: kod proizvodnih zavarivanja, navarivanja i
reparaturnog zavarivanja aluminijskih legura i drugih nehrđajućih materijala i legura. On se
uglavnom uspoređuje sa TIG postupkom. Ima prednost pred TIG zavarivanjem sa stajališta
ekonomičnosti (više kg/depozita na sat). Primjenjuje se za zavarivanje limova i cijevi debljine
od 1 mm obično do debljine 20 mm (u nekim slučajevima i daleko iznad tih debljina, kada je
ekonomski i tehnološki opravdana primjena MIG postupka. MIG postupak je izvorno
poluautomatski postupak, ali se vrlo često koristi kao automatski i robotizirani postupak
zavarivanja.
Parametri MIG zavarivanja:
- napon zavarivanja (U), koji se tijekom zavarivanja orijentacijski kreće od 16 do 26 V;
- jakost struje zavarivanja (I), koja se pri zavarivanju kreće ovisno o promjeru žice za
zavarivanje (orijentacijske vrijednosti 80 do 180, A)
- brzina zavarivanja (v), koja se kreće ovisno o primjenjenoj tehnici zavarivanja (povlačenje
ili njihanje), promjeru žice za zavarivanje i parametrima zavarivanja orijentacijski od 2 do 4
mm/s.
Napon praznog hoda je najčešće 60 V. Stupanj iskorištenja energije za taljenje 0,75 – 0,85.
Prednosti MIG zavarivanja:
- razvijen dovoljno širok spektar dodatnih materijala za zavarivanje, - manja cijena opreme za
zavarivanje (uređaja za zavarivanje) u odnosu na TIG postupak zavarivanja,
- pogodan za pojedinačnu i masovnu proizvodna, te reparaturna zavarivanja,
- mogućnost zavarivanja u svim položajima zavarivanja,
- pogodan za automatizaciju i robotizaciju,
- daleko veća učinkovitost (kg depozita/h) u odnosu na TIG zavarivanje.
Nedostaci MIG zavarivanja:
- kvaliteta zavara još uvijek ovisi o vještini zavarivača – čovjeka kod poluautomatskog
zavarivanja
- vrijeme za izobrazbu dobrog zavarivača je kraće nego kod TIG zavarivanja
- kvaliteta zavarenog spoja je slabija u odnosu na kvalitetu TIG zavarenih spojeva
- dolazi do jakog bljeskanja pri zavarivanju, pri zavarivanju se oslobađaju plinovi
- dugotrajni rad može ostaviti štetne posljedice na zdravlju zavarivača
5.6. Elektrolučno zavarivanje netaljivom elektrodom u zaštiti inertnog plina (TIG)
Električni luk se uspostavlja pomoću visokofrekventnog generatora (VF generator) koji se
uključuje samo u djeliću sekunde, neposredno pred zavarivanje. Nakon uspostavljanja
električnog luka između netaljive volframove elektrode i radnog komada, tj. priključaka na
polove električne struje (istosmjerne – Direct Current ili izmjenične – Alternating Current),
VG generator se isključuje, a proces zavarivanja se odvija sa ili bez dodavanja dodatnog
materijala (žice) u električni luk. Nakon toga slijedi taljenje ivica žljeba za zavarivanje (kod
materijala manje debljine – I spoj), odnosno ravnomjerno ručno dodavanje žice za zavarivanje
u električni luk, te taljenje žice i formiranje zavarenog spoja (kod debljih materijala ili kod
provarivanja korijena debelih materijala).
Slika 18. Elektrolučno zavarivanje netaljivom
elektrodom u zaštiti inertnog plina (TIG)
TIG postupak se također široko primjenjuje: kod proizvodnih zavarivanja, navarivanja i
reparaturnog zavarivanja aluminijskih legura i drugih ne hrđajućih materijala i legura. On se
uglavnom uspoređuje sa MIG i plazma postupkom zavarivanja. Primjenjuje se za zavarivanje
limova i cijevi debljine do debljine 6 mm. TIG postupak je izvorno ručni postupak. Koristi se
i kao automatski i robotizirani postupak zavarivanja, ali je primjena tih uređaja kompleksnija i
skuplja.
Parametri TIG zavarivanja:
- napon zavarivanja (U), koji se tijekom zavarivanja orijentacijski kreće 20 od do 40 V;
- jakost struje zavarivanja (I), koja se pri zavarivanju kreće ovisno o vrsti i debljini materijala
koji se zavaruje (orijentacijske vrijednosti do 180 , A)
- brzina zavarivanja (v), koja se kreće ovisno o primjenjenoj tehnici zavarivanja, vrsti i
debljini materijala koji se zavaruje, te parametrima zavarivanja (orijentacijski od 2 do 4
mm/s).
Stupanj iskorištenja energije za taljenje 0,20 – 0,65.
Prednosti TIG zavarivanja:
- kvaliteta zavarenog spoja vrlo visoka (kako u pogledu broja grešaka u zavarenom spoju,
tako i sa stajališta estetskog izgleda i mehaničkih svojstava zavara),
- pogodan za reparaturna zavarivanja,
- mogućnost zavarivanja u svim položajima zavarivanja,
Nedostaci TIG zavarivanja:
- viša cijena opreme za zavarivanje (uređaja za zavarivanje) u odnosu na MIG postupak
zavarivanja,
- kvaliteta zavara još uvijek ovisi o vještini zavarivača ,
- nije pogodan za automatizaciju i robotizaciju,
- vrijeme za izobrazbu dobrog zavarivača je dugo (mada je praksa da TIG zavarivači prvo
nauče REL i MAG/MIG postupak zavarivanja),
- daleko manja učinkovitost (kg depozita/h) u odnosu na MIG i plazma zavarivanje,
- dolazi do jakog bljeskanja pri zavarivanju, pri zavarivanju se oslobađaju plinovi (potrebna
dobra ventilacija prostora),
- dugotrajni rad može ostaviti štetne posljedice na zdravlju
6. IZVORI STRUJE ZA ZAVARIVANJE
Izvor struje za zavarivanje su takvi električni uređaji koji na mjestu zavarivanja električnu
struju sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje. Kada su priključeni na električnu mrežu
(trofaznu ili jednofaznu) kaže se da su u praznom hodu ( uređaj je pod naponom i spreman za
rad, ali se još nije uspostavio električni luk). Napon praznog hoda mora biti dovoljan da se
uspostavi električni luk, ali ne smije biti previsok da bi ugrozio čovjekov život ( u
nepovoljnim slučajevima). Obično je napon praznog hoda kod ručnih uređaja oko 40 do 60 V,
a kod automatskih do 110V.
Uređaji za zavarivanje su:
1. Rotacijski pretvarači (generatori)
2. Transformatori
3. Ispravljači
4. Inverteri
5. Agregati
Slika 19. Shema sustava za zavarivanje
6.1. Rotacijski pretvarači
Generatori istosmjerne struje su najstariji, najpouzdaniji i najsvestraniji izvori struje
zavarivanja. Oni su najskuplji, održavanje im je najsloženije i imaju najmanji koeficijent
korisnog djelovanja. . Statičke karakteristike ovih izvora mogu biti svih oblika (padajuće,
ravne, itd.), a mogu se primijeniti za sve vrste zavarivanja. Najčešće se koriste za REL (REL
– ručno elektrolučno zavarivanje) zavarivanje, a pogodni su za rad u montažnim uvjetima.
Generatori se obično pokreću elektromotorom priključeni na trofaznu električnu mrežu. Za
zavarivanje na gradilištima generatori se pokreću dizel motorom. Oblici generatori nisu
pogodni za zavarivanje jer imaju ravnu statičku karakteristiku. Pri malim promjenama duljine
luka kod REL (REL – ručno elektrolučno zavarivanje) zavarivanja, odnosno napona
električnog luka pri ravnoj karakteristici izvora, dolazi do velikih promjena struje zavarivanja,
što uzrokuje štrcanje kapljica ili nedovoljno rastaljivanje.
Slika 20. Shema rotacijskog sustava za zavarivanje
6.2. Transformatori
Najviše upotrebljavani izvori struje za zavarivanje koji izmjeničnu struju transformiraju u
također izmjeničnu struju sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje. Rad se zasniva na
principu elektromagnetske indukcije. Kada kroz primar transformatora prolazi električna
struja, formira se magnetsko polje(smjer silnica magnetskog polja određuje se po pravilu
“desne ruke”). Kada vodič u (u ovom slučaju sekundar transformatora) nađe se u
promjenjivom magnetskom polju, tada se na njegovim krajevima pojavi razlika potencijala tj.
električni napon.
Transformatori za zavarivanje trebaju imati padajuću statičku karakteristiku. To se postiže
rasipanjem magnetskog polja i uključivanjem u krug zavarivanja prigušnice – promjenjivog
induktivnog otpora (promjenjive impendancije). Zbog velikog rasipanja magnetskog polja,
stupanj korisnog djelovanja na 0,6 – 0,7.
Slika 21. Shema transformatora
6.3. Ispravljači
Ispravljači za zavarivanje sastoje se od trofaznog ili monofaznog transformatora s
ispravljačkim diodama. Ispravljanje izmjenične u istosmjernu struju se obavlja pomoću
ispravljačkih elemenata koji propuštaju struju samo u jednom smjeru, dok za drugi smjer
predstavljaju vrlo veliki otpor. Trofazni transformator simetrično opterećuje sve tri faze
električne mreže. Ako se koristi monofazni transformator, bit će opterećena samo jedna faza (
nesimetrično opterećenje). Najpovoljniji su trofazni izvori s punovalnim ispravljanjem jer
daju gotovo konstantnu istosmjernu struju s jednolikim opterećenjem mreže.
Slika 22.Princip ispravljanja izmjenične struje u istosmjernu pomoću poluvodičke diode
Na slici 22. imamo primjer žaruljice koja svijetli samo u slučaju kada struja izmjeničnog
izvora teče u smjeru u kojem je dioda propusno polarizirana pa se dobiva poluvalni oblik
napona ili u drugim složenijim spojevima punovalni oblik kao na (slici 23.).
Slika 23. Princip ispravljana izmjenične struje u
istosmjernu struju pomoću poluvodičke diode
Poluvodički elementi (selenski, bareno – oksidni, germanijevi, siliciski )
Slilicijeve se diode najčešće koriste zbog malih dimenzija, malog zagrijavanja te malih
gubitaka).
N – Poluvodić
Z – Zaporni spoj
P – Poluvodić
Slika 24. Dioda
Sve te diode idu iza transformatora koji je sličan transformatoru za zavarivanje, ali ne i
jednak. Također se koriste ispravljači s tiristorima i izvori struje s tranzistorima.
Izvedba ispravljača za zavarivanje: Transformator + ispravljački dio
Prednost ispravljača nad transformatorima; daju stabilniji električni luk (nema promjena
kretanja luka 50 puta u sekundi).
Nedostatci u odnosu na transformatore:
- skuplji su od običnog transformatora
- osjetljivi su na pad napona
- imaju maji stupanj iskorištenja
6.4. Invertori za zavarivanje
Inverteri daju istosmjernu ili visokofrekventnu pulsirajuću struju. Pojavili su se na tržištu u
relativno novije vrijeme i sve se više koriste u praksi zbog niza prednosti u odnosu na ostale
izvore struje za zavarivanje. Pored toga što daju stabilnu karakteristiku električne struje za
zavarivanje, prednosti im je izuzetno mala težina u odnosu na ostale izvore struje za
zavarivanje. Ova ušteda u težini postignuta je smanjenjem dimenzija transformatora, koji je za
frekvenciju mreže od 50 Hz masivan da se onemogući pretjerano zagrijavanje u radu.
Inverter se sastoji od ispravljača koji daje istosmjernu struju napona gradske mreže, zatim
tiristorskog dijela koji “sjecka” istosmjernu struju i daje impulse frekvencije čak do 50 kHz.
Ovi visokofrekventni impulsni napona gradske mreže se zatim transformiraju na napon
potreban u zavarivanju. Zbog visoke frekvencije ne dolazi do zagrijavanja transformatora
“skin - efekt”. U sljedećem je koraku moguće te impulse stopiti da daju istosmjernu struju.
Slika 25. Inverter za zavarivanje
6.5. Agregati za zavarivanje
Zadatak agregata je da proizvede potrebnu istosmjernu struju za zavarivanje, koja se ne može
dobiti iz gradske mreže. Agregati za zavarivanje neovisni su o električnoj mreži, tj. pogodni
su za montažu. Pogone se od strane Dizel ili Otto motora, a on pokreće generator koji daje
struju karakteristika pogodnih za zavarivanje.
6.6. Izbor vrste struje
Pri izboru vrste struje prvenstveno treba da se vodi računa o stabilnosti i skretanju električnog
luka. Kod istosmjerne struje luk je po prirodi znatno stabilniji, jer nema promijene polariteta
struje, ali može da se javi skretanje luka uslijed magnetnih sila. Osnovni uzroci ovoj pojavi su
asimetrični raspored magnetnih masa u odnosu na luk (slika 26.a.), priključak struje (slika
26.b.) i asimetrija masa uslijed djelovanja šava (slika 26.c.). Da bi se spriječilo skretanje luka
treba ukloniti uzroke njegovog nastajanja ili neutralizirati njegovo djelovanje, a ako to nije
moguće, zavarivati izmjeničnom strujom, kod koje je ova pojava zanemariva. Sprečavanje
pojave skretanja luka je prikazano na (slici 27.a.) naginjanje elektrode prema većoj masi,
(slici 27.b.) pripajanje pre zavarivanja i pogodan redoslijed zavarivanja i (slici 27.c.) pokretni
priključak struje.
Slika 26. Uzorci skretanja električnog luka
Slika 27. Načini sprječavanja skretanja električnog luka
6.7. Zahtjevi za izvore energije za zavarivanje taljenjem
1. Djelovati lokalno na određenu površinu ili volumen radnog komada, koji se zavaruje.
2. Snaga izvora P [W] mora biti dovoljna da lokalno zagrije određenu zonu do
zahtijevane temperature, te da kompenzira toplinske gubitke odvođenja topline
u okolni hladni materijal i gubitke konvekcijom i radijacijom u okolinu.
3. Gustoća toka energije na površinu zavarivanog predmeta q2 2mm
W mora prekoračiti
određenu vrijednost ovisno o obliku, dimenzijama i fizikalnim svojstvima predmeta, koji se
zavaruje, da bi došlo do taljenja odnosno zavarivanja.
6.8. Vrste koncentriranih izvora energije - obzirom na fizikalni karakter izvora:
1. Mlaz vrućih plinova: plinski plamen i mlaz plazme. Izmjena energije s površinom
zagrijavanog tijela vrši se uglavnom konvekcijom.
2. Električni luk između vanjske elektrode (taljive ili netaljive) i zagrijavanog područja (kruga
grijanja) na površini zagrijavanog tijela. Energija se prenosi na predmet direktno udarom
elektrona (pretvorbom kinetičke energije u toplinsku), konvekcijom i radijacijom topline iz
električnog luka, te prijenosom topline kapljicama materijala.
3. Tok nabijenih čestica ubrzanih u električnom polju: mlaz elektrona ili iona u vakuumu.
Energija se generira udarom čestica u tijelo.
4. Tokovi zračenja - optički izvori: sunčano zračenje, laser (snop zračenja optičkog kvantnog
generatora), zračenje tijela visoke temperature i drugi.
5. Električna struja na kontaktnim površinama uzrokuje zagrijavanje tih površina kod
elektrootpornog zagrijavanja, a ista pojava se javlja i pri prolazu inducirane struje visoke
frekvencije kod VF zavarivanja, te prolaskom struje kroz rastaljenu trosku kod EPT
zavarivanja. U svim ovim slučajevima stvara se Jouleova toplina ili na kontaktnim
površinama zbog povećanog električnog otpora ili prolazom struje kroz određen volumen,
koji ima električni otpor.
Q = tRI 2 , J
R = A
l,
R …Otpor, (ovisi o temperaturi pa se može pisati):
Rt = Ro (1+ T),
T… temperatura, oC; (otpor pri temperaturi)
… temperaturni koeficijent električnog otpora, oC-1
l … dužina vodiča, mm
A … presjek vodiča, mm2
6.9. Statička karakteristika izvora struje za zavarivanje
Osnovna karakteristika svakog izvora struje je ovisnost napona od jačine struje, odnosno
njegova statička karakteristika. Osnovni parametri statičke karakteristike izvora struje su
napon praznog hoda (U0), koji nastaje kada je izvor struje uključen, ali se ne zavaruje (I=0),
struja kratkog spoja (Ik), koja nastaje kada je elektroda u dodiru sa osnovnim metalom(U=0), i
radna točka (RT), definirana presjekom statičkih karakteristika izvora struje i električnog
luka, koja određuje radni napon (Ur) i struju (Ir). Navedeni parametri su prikazani na (slika
28.a.) za slučaj strmo-padajuće statičke karakteristike, koja se po pravilu koristi kod ručnih
postupaka zavarivanja (E, TIG), jer omogućuje malu promjenu jačine struje pri slučajnoj
promjeni dužine luka. Za poluautomatske postupke zavarivanja (MAG/MIG) po pravilu se
koristi blago-padajuća, odnosno konstantna karakteristika izvora (slika 28.b.), koja omogućuje
efekt samoregulacije, dok se za EPP postupak koriste obije vrste izvora.
Slika 28. Statička karakteristika luka a) strmopadajuća; b) blagopadajuća
7. ZAKLJUČAK
U diplomskom radu su obrađene tehnologije elektrolučnog zavarivanja te izvora napajanja
električnog luka i primjene u životu. U današnje vrijeme najpopularnija vrsta zavarivanja je
elektrolučno zavarivanje. Moderniji materijali zahtijevaju precizniju i kvalitetniju opremu za
zavarivanje te kvalitetniju i precizniju opremu za praćenje parametara zavarivanja. Klasična
oprema za zavarivanje i kontrola parametara zavarivanja može zadovoljiti postavljene uvjete.
Pored današnjih uređaja za snimanje statičke karakteristike sve više se zahtjeva na uređajima
za praćenje dinamičke karakteristike. Iskusni zavarivač (bez promatranja električnog luka)
može zaključiti izvodi li se zavarivanje kvalitetno ili dolazi do pojave pogreške. Poznavanje
osnovnih karakteristika materijala, potpuno poštivanje pripremnih procedura te odabir i
provedba dobre tehnologije zavarivanja, garantiraju kvalitetu i ekonomičnost proizvodnje
određene konstrukcije.
8. LITERATURA
1. Tehnička enciklopedija, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 1997. god.
2. Gojić, M. ; Tehnike spajanja i razdvajanja materijala, Metalurški fakultet Sisak, Sisak
2008. god.,
3. Kralj, S. ; Andrić, Š., Osnove zavarivačkih i srodnih postupaka, Zagreb 1992. god.,
4. Hase, C., Reitze, W. ; Elektrolučno zavarivanje(Lehrbuch des Lichtbogenshweissens)
IRO „Građevinska knjiga” Beograd 1982. god,
5. Lukačević, Z. ; Zavarivanje, Strojarski fakultet Slavonski Brod, Slavonski Brod 1998.
god.,
6. Samardžić, I. ; Zavarivanje 1, Strojarski fakultet Slavonski Brod, Katedra za
tehnologiju, 2002/2003. god.,
7. Samardžić, I. ; Tehnologija zavarivanja, Strojarski fakultet Slavonski Brod, Katedra za
tehnologiju, Slavonski Brod 2002/2003. god.,
8. http://hr.wikipedia.org/wiki/Zavarivanje
9. ŽIVOTOPIS
Rođen sam 19. veljače, 1984. godine u Vinkovcima. Nakon završetka osnovne škole
1998.godine upisujem tehničku školu u Vinkovcima, smjer elektrotehničar. Po završetku
srednje škole,2002.g. upisujem se na Pedagoški fakultet u Osijeku (kasnije Odjel za fiziku),
smjer: fizika i tehnička kultura s informatikom.
