Parametri MAG Zavarivanja

Parametri MAG zavarivanja Parametri MAG zavarivanja su najutjecajniji čimbenik o kojem ovisi kvaliteta dobivenog zavarenog spoja. Na kvalitetu zavarenog spoja kod MAG zavarivanja najviše utječu:       

jakost struje, zavarivanja, brzina zavarivanja, slobodni kraj žice, napon, induktivitet, protok zaštitnog plina.

Podešavanjem ovih parametara regulira se način prijenosa metala u električnom luku što direktno utječe na kvalitetu zavarenog spoja.

STRUJA ZAVARIVANJA Struja zavarivanja je jedan od glavnih parametara koji utječe na način prijenosa metala u električnom luku. O struji zavarivanja ovise: stabilnost luka, penetracija, količina taline te brzina zavarivanja. Jakost struje ovisi o debljini i vrsti materijala koji se zavaruje, položaju zavarivanja te promjeru žice. Brzina dovođenja žice proporcionalno ovisi o jakosti struje. Što je struja veća i brzina dovođenja žice je veća.

NAPON O naponu zavarivanja ovisi: način prijenosa metala u električnom luku, stabilnost električnog luka te njegova duljina i širina. Duljina električnog luka proporcionalna je naponu. Dulji električni luk zahtjeva veći napon što rezultira širim zavarom i manjom penetracijom. Potrebni napon za pravilno izvođenje postupka varira ovisno o različitim vrstama prijenosa metala i promjeru dodatnog materijala. Kod prijenosa kratkim spojevima koriste se niski naponi od 13 do 21 V. Prijenos prijelaznim lukom zahtijeva napon od 22 do 25 V. Štrcajući luk zahtijeva napon od 25 do 40 V. Najčešće se unosi struja zavarivanja ili brzina dovođenja žice, a onda se napon automatski podešava, preko sinergijskih krivulja.

BRZINA ZAVARIVANJA Brzina zavarivanja je faktor koji direktno utječe na produktivnost postupka zavarivanja. Brzina zavarivanja se podešava u skladu s položajem zavarivanja i jakosti struje zavarivanja. Promjena brzine zavarivanja utječe na izgled profila zavara kao i na njegova mehanička svojstva. Povećanjem brzine zavarivanja profil zavara se sužava i penetracija opada, dok smanjenjem brzine zavarivanja zavar postaje širi i penetracija dublja.

SLOBODNI KRAJ ŽICE Slobodni kraj žice je udaljenost od vrha kontaktne vodilice do početka električnog luka. Slobodni kraj žice je važan parametar i utječe na jakost struje koja protječe kroz električni luk. Povećanje slobodnog kraja žice povećava strujni otpor i struja u luku se smanjuje dok smanjivanje slobodnog kraja žice dovodi do smanjenja otpora i povećanja jakosti struje. Razlikuje se za različite prijenose metala. Kod prijenosa kratkim spojevima trebao bi iznositi od 10 do 12 mm. Kod prijenosa štrcajućim lukom ili pak zavarivanja impulsnim strujama iznosi od 19 do 25 mm. Za konstantnu dubinu penetracije vrlo je bitno održavati jednaku duljinu slobodnog kraja žice.

INDUKTIVITET Induktivitet je karakteristična kontrolna varijabla modernih izvora struje za MAG zavarivanje. Induktivitet ima utjecaj samo na neke načine prijenosa metala u električkom luku (posebno kod prijenosa kratkim spojevima). Povećanjem induktiviteta smanjuje se frekvencija kapljica u prijenosu kratkim spojevima. Induktivitet je parametar kojim opisujemo brzinu porasta jakosti struje unutar vremenskog perioda nakon ostvarivanja kratkog spoja. Induktivitet je jedan od glavnih parametara koji se može podesiti na izvoru struje za zavarivanje MAG postupkom. Koristi se kod zavarivanja kratkim spojevima dok se kod ostalih načina prijenosa metala u električnom luku ne koristi jer ne dolazi do kratkog spoja nego je jakost struje približno kontinuirana. Koristi se zbog finog podešavanja parametara zavarivanja čime se postiže efikasniji prijenos metala u električnom luku i željeni izgled zavara. Induktivitet se podešava prema debljini radnog komada, vrsti osnovnog materijala, položaju zavarivanja te vrsti zavarenog spoja. Današnji moderni izvori struje za zavarivanje imaju automatsku regulaciju induktiviteta ovisno o nizu podešenih parametara.

PROTOK PLINA Pravilan izbor odgovarajućeg plina te njegovog protoka za zavarivanje je od značajnog utjecaja što se odražava na penetraciju, širinu zavara, brzinu zavarivanja, zagrijavanje radnog komada, profil zavara, itd. Protok zaštitnog plina ovisi o jakosti struje, promjeru žice, obliku spoja, mjestu i uvjetima zavarivanja. Povećana potrošnja zaštitnog plina javlja se na otvorenom prostoru i pri zavarivanju kutnih spojeva sa vanjske strane. U slučaju premalog protoka plina može doći do pojave poroznosti. Povećanje jakosti struje zahtijeva i povećanje protoka zaštitnog plina da bi se smanjila mogućnost pojave grešaka u zavarenom spoju.

Argon (Ar) - najčešće korišten inertni plin. Ima nisku energiju ionizacije što za posljedicu imam profil zavara u obliku „prsta“ te lakše paljenje luka. Glavni je sastojak plinskih mješavina za MAG zavarivanje. Helij (He) - Ima visoku toplinsku vodljivost što za posljedicu ima profil zavara koji je širi ali uz manju penetraciju. Ugljični dioksid (CO2) - inertan pri sobnoj temperaturi,ali u električnom luku postaje aktivan plin. Povećanjem udjela CO2 u mješavini povećava se iznos kritične struje zavarivanja,smanjuje se stabilnost luka, povećava se štrcanje i gubitak metala. U manjem omjeru u mješavini s argonom pridonosi stabilnosti luka i smanjuje kritičnu struju zavarivanja te se postiže dobro kvašenje taline i oblik zavara u obliku „prsta“. Kisik (O2) - u malim količinama 1-5% u mješavini sa argonom pruža dobru stabilnost luka i odličan izgled zavara. Vodik (H2) - u malim količinama 1-5% u mješavinama s argonom služi kao zaštitni plin pri zavarivanju nehrđajućih čelika i legura nikla. Velika toplinska vodljivost rezultira poboljšanim kvašenjem i omogućuje veće brzine zavarivanja.

Dvokomponentne mješavine plinova kod MAG zavarivanja javljaju se u dva oblika kao mješavina argona i CO2 ili argona i kisika. Mješavina argona i CO2 koristi se najčešće za ugljične čelike te su moguća sva četiri načina prijenosa metala u električnom luku. Štrcajući luk zahtjeva udio CO2 manji od 18%. Primjenjuju se i pri prijenosu impulsnim lukom kod zavarivanja nehrđajućih čelika gdje je udio CO2 manji od 4% i kod ugljičnih čelika gdje je 17 manji od 18%. Kod prijenosa kratkim spojevima udio CO2 je do 20%. Mješavine argona i kisika koriste se i na nehrđajućim i na ugljičnim čelicima. Slika 12. pokazuje razlike u penetraciji kod dvokomponentnih plinskih mješavina u odnosu na čisti CO2 dok tablica 4. Daje uvid u njihova svojstva.

NAČINI PRIJENOSA MATERIJALA U ELEKTRIČNOM LUKU Kod zavarivanja MAG postupkom poznata su četiri načina prijenosa metala u električnom luku i to su: prijenos metala kratkim spojevima, prijenos metala prijelaznim lukom, prijenos metala štrcajućim lukom i prijenos metala impulsnim lukom. Način prijenosa metala u električnom luku ovisi, kako je već prethodno objašnjeno, o naponu, jakosti struje, vrsti zaštitnog plina, polaritetu i dodatnom materijalu. U nastavku će biti objašnjeni svi načini prijenosa metala u električnom luku sa nekim specifičnostima vezanim za primjenu te će biti navedeni neki osnovni zaštitni plinovi i plinske mješavine podobne za svaki od načina prijenosa Prijenos metala kratkim spojevima Prijenos metala kratkim spojevima (eng. Short-Circuit Metal Transfer) je takav prijenos metala kod kojeg se kontinuirano dobavljana žica tali uslijed kratkih spojeva. Prijenos materijala se događa kad je elektroda (žica) u kratkom spoju sa osnovnim materijalom ili talinom. To je proces kod kojeg je karakterističan mali unos topline. Na uspješnost ovog načina prijenosa metala utječe promjer elektrode i vrsta zaštitnog plina. Pri prijenosu metala kratkim spojevima,u usporedbi sa ostalim načinima, koristi se manji napon i manja jakost struje zavarivanja. Karakteristične vrijednosti napona kreću se od 13 do 21V dok se struje zavarivanja kreću od 50 do 170A. Broj ciklusa pri ovom načinu prijenosa metala dostiže i 200 ciklusa/sekundi. Zbog malog unosa topline posebno je pogodan za zavarivanje tanjih materijala (0,6-5,0 mm), a često se koristi pri zavarivanju korijena kod cjevovoda. Elektrode koje se koriste pri ovom načinu prijenosa metala promjera su od 0,6 mm do 1,1 mm u zaštitnoj atmosferi 100% CO2 ili u mješavini sa 75-80% argona sa 25-20% CO2. Moguće su još mješavine argona i O2 ili kod nekih posebnih aplikacija mješavine s tri komponente: argon,CO2 i O2. Prednosti ovog načina prijenosa metala su: mogućnost zavarivanja u svim položajima, dobro podnosi greške u pripremi zavara, manje deformacije zavara uslijed manjeg unosa topline, velika iskorištenost elektrode-više od 93%. Ograničenja ovakvog prijenosa metala su: kod rada na terenu potrebno zaštititi područje zavarivanja od utjecaja vjetra, pojava pretjeranog štrcanja i nedovoljno protaljivanje ako nije dobra kontrola procesa, samo za tanje materijale. Prijenos metala prijelaznim lukom Prijenos metala prijelaznim lukom (eng. Globular Transfer) je način prijenosa kod kojeg se kontinuirano dobavljana žica tali uslijed kombiniranog djelovanja kratkih spojeva i načina prijenosa metala štrcajućim lukom. Kapljice u prijelaznom luku su veće, nepravilno oblikovane te imaju veći promjer od promjera elektrode (slika 8.) što je posljedica većeg napona (22-25V) i veće struje zavarivanja (170-235A). Ovaj način karakterizira teška kontrola plinskoj mješavini argona i CO2. Danas se više ne koristi i uspješno je zamijenjen prijenosom metala impulsnim lukom. Prednosti ovog načina prijenosa su: uporaba jeftini zaštitni plin i plinske mješavine, mogućnost zavarivanja velikim brzinama, jeftini dodatni materijal, jeftina oprema za zavarivanje. Ograničenja ovog načina su: skupa naknadna obrada zbog prskanja te manja iskorištenost elektrode (87-93%). Prijenos metala štrcajućim lukom Prijenos metala štrcajućim lukom (eng. Axial Spray Transfer) je način prijenosa metala u električnom luku kojeg karakterizira velik unos topline pri čemu se kontinuirano dobavljana žica tali uslijed te topline i u obliku malih kapljica, slobodnim padom, putuje duž električnog luka bez da elektroda dodiruje radni komad. Odabir ovog načina prijenosa ovisi o debljini osnovnog materijala i mogućnosti zavarivanja u određenim, povoljnim, položajima. Naziv je dobio zbog toga što te male kapljice padaju aksijalno na radni komad. Parametri zavarivanja su veći nego kod prethodnih načina prijenosa metala i iznose: za napon: 25-40V i za struju zavarivanja: 200-600A. Da bi se postigao način prijenosa štrcajućim lukom koriste se plinske mješavine: argon+1,5% O2 i argon+CO2 (gdje % CO2 mora biti manji od 18%). Duboka penetracija dobiva se plinskom mješavinom od 95% argona+5% O2 dok se plinskim mješavinama u kojima ima više od 10% CO2 zavar

zaobljuje i ima manju penetraciju. Prijenos metala štrcajućim lukom koristi se za zavarivanje ugljičnih čelika, visokolegiranih čelika kao i legura nikla. Prednosti ovog načina su: velik depozit, velika iskorištenost elektrode (više od 98%), mogućnost korištenja širokog spektra dodatnih materijala i velikog raspona promjera žice, nema prskanja i ne zahtjeva naknadno čišćenje, vrlo lako za automatiziranje. Nedostaci ovog postupka su: ograničenost u vidu položaja zavarivanja, zaštitni plinovi su skuplji nego kod prijašnjih načina i mogućnost primjene samo na debljim materijalima. Prijenos metala impulsnim lukom Prijenos metala impulsnim lukom (eng. Pulsed Spray Transfer) je visoko kontrolirana verzija štrcajućeg luka. Izvori struje generiraju promjenjiv oblik struje (mijenja se od vršne vrijednosti do vrijednosti osnovne struje) tj. impuls. Kad je iznos struje maksimalan tj. kad dosegne vršnu vrijednost impulsne struje jedna kapljica se odvaja i putuje slobodnim padom duž električnog luka. Nakon toga vrijednost struje pada na osnovnu vrijednost koja osigurava stabilnost električnog luka i srednju vrijednost unosa topline. Frekvencija impulsnog zavarivanja proporcionalno raste s brzinom dovođenja žice. Kombinacijom ta dva parametra regulira se srednja struja zavarivanja koja omogućuje zavarivanje širokog spektra debljine osnovnog materijala impulsnim lukom. Elektrode koje se koriste pri ovom načinu prijenosa materijala su: pune elektrode (promjera od 0,8 mm do 1,6 mm) i praškom punjene elektrode (promjera od 1,1 mm do 2,0 mm). Ovaj način prijenosa postiže se samo plinskim mješavinama bogatim argonom, dok se kod ugljičnih čelika mogu koristiti plinske mješavine s maksimalno 18% CO2. Prednosti ovog načina su: izostanak ili vrlo malo prskanja, smanjene deformacije uslijed manjeg unosa topline, mogućnost automatiziranja, moguće velike brzine zavarivanja, velika iskorištenost elektrode. Nedostaci su: oprema je skuplja nego kod prijašnjih metoda, zaštitne plinske mješavine su skuplje, dodatna zaštita zavarivača zbog veće energije električnog luka.

EKSPERIMENTALNI DIO Korišteno:    

Fronius TPS 320i Zaštitni plin – Ferroline C18 M21 Dodatni materijal – SG2 Ø1,2 mm Osnovni materijal – S235, δ = 10 mm

Ispitivanje se vršilo za tri različita slučaja slobodnog kraja žice 12, 17 i 22 mm, te za svaki taj iznos ispitalo se utjecaj kvalitete sinergijske karakteristike za tri načina korekcije visine luka (-10, 0, 10).

Slobodni kraj žice 12 mm

Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost -10. (Daje nam nestabilan električni luk)

Na slici prikazan je navar (1.A) koji je navaren nestabilnim električnim lukom. Karakterizira ga velik broj kapljica na osnovnom materijalu, koje su posljedica velikog štrcanja tokom navarivanja i nejednolik izgled. Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost 0. (Daje nam stabilan električni luk)

Na prikazan je navar stabilnog električnog luka. Vidljive su sitne kapljice na osnovnom materijalu, koje su posljedica štrcanja tokom navarivanja. Njihova pojava nije karakteristična za ove parametre. Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost +10. (Daje nam granično stabilan električni luk)

Prikazani navar (3.A) karakterizira dobar estetski izgled, talina je tokom navarivanja razlivena bez brazdanja i štrcanje je minimalno.

Slobodni kraj žice 17 mm

Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost -10. (Daje nam nestabilan električni luk)

Ako se usporedi dinamička karakteristika električnog luka navara 1.A i navara 1.B vidljivo je, da je za manji slobodni kraj žice električni luk nestabilniji, kojeg karakteriziraju nekontrolirani skokovi napona i struje. Može se opaziti sa slike 44., da je zbog kapljica na osnovnom materijalu, tijekom navarivanja bilo prisutno jako štrcanje. Oblik navara je nejednolik i površina mu je narebrena.

Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost 0. (Daje nam stabilan električni luk)

Na slici prikazan je navar (2.B) stabilnog električnog luka. Odlikuje ga izvrstan estetski izgled i kvaliteta. Tokom navarivanja nije se pojavilo štrcanje i po cijeloj dužini se jednoliko razlila talina bez brazdanja. Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost +10. (Daje nam stabilan električni luk)

Na slici prikazan je navar 3.B kojeg karakterizira dobar estetski izgled, ujednačenost kroz cijelu dužinu. Tokom navarivanja štrcanje nije bilo prisutno, te se talina razlila ravnomjerno bez brazdanja. Širina navara se je povećala u odnosu na ranije primjere navara, što se je i očekivalo jer se je napon povećao. Slobodni kraj žice 22 mm

Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost -10. (Daje nam nestabilan električni luk)

Na slici prikazan je navar koji je karakterističan za nestabilan električni luk. Na površini osnovnog materijala ima puno kapljica što ukazuje na veliko štrcanje tokom navarivanja. Oblik zavara je nejednolik po dužini i širini, te mu je površina narebrena. Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost 0. (Daje nam stabilan električni luk)

Na prikazan je navar stabilnog električnog luka. Na osnovnom materijalu vidljiva je mala prisutnost kapljica, koje su posljedica blagog štrcanja tokom navarivanja. Štrcanje nije karakteristično za tako postavljene parametre. Korekcija visine luka za postavljenu vrijednost +10. (Daje nam granično stabilan električni luk)

Na slici 54. prikazan je navar (3.C) za postavljenu funkciju +10. Nisu se pojavile kapljice koje bi bile posljedica štrcanja tokom navarivanja, te navar cijelom svojom dužinom ima ujednačen izgled. Dakle, lokalne nejednakosti perioda i kratkog spoja nisu utjecale na izgled navara.

ANALIZA REZULTATA

Iz tablice 9. vidljivo da je najveće vrijeme trajanja perioda u sva tri slučaja slobodnog kraja žice najveća za iznos Korekcije visine luka +10. Naime, za taj iznos Korekcije visine luka (+10) znatno je povećan period trajanja električnog luka. Iz prikazanih rezultata vidljivo je, da je za manje iznose Korekcije visine luka (-10, 0) frekvencija veća, trajanje kratkog spoja je kraće. Tokom eksperimenta kako se povećavao slobodni kraj žice struja navarivanja je padala (povećanje otpora), unesena toplina se smanjivala, a napon se povećavao. Vidljivo je da u sva tri pokusa najnestabilniji električni luk se javljao za iznos Korekcije visine luka -10. Periode su bile neujednačene, te dinamičke karakteristike napona i struje navarivanja imale su nekontrolirane skokove. Navari (1.A, 1.B, 1.C) su neujednačenog profila po dužini i širini te je tokom navarivanja bilo prisutno jako štrcanje.

Za neutralnu visinu luka 0 u sva tri pokusa kod dinamičkih karakteristika jednoliko su raspoređene periode i trajanje kratkog spoja kod struje i napona je jednako. Navari (2.A, 2.B, 2.C) za tu vrijednost korekcije visine luka pravilnog su izgleda kroz cijelu dužinu te nema kapljica na osnovnom materijalu. Navedena svojstva su karakteristike stabilnog električnog luka. Za najveću visinu luka +10 u sva tri pokusa dinamičke karakteristike struje i napona imale su blage lokalne nestabilnosti, male razlike između trajanja perioda napona i struje. Te lokalne nestabilnosti nisu utjecale na izgled i kvalitetu navara (3.A, 3.B, 3.C) jer kod tog parametra nisu vidljive kapljice na osnovnom materijalu, koje su posljedica štrcanja. Dakle, radi se o stabilnom električnom luku. Iz provedenog eksperimenta vidljivo je da za korištenje funkcije Korekcije visine luka (eng. Arc length correction) u rasponu vrijednosti od 0 (neutralna visina luka) do +10 (najveća visina luka) daje stabilan električni luk, što potkrepljuju izgledi navara (2.A, 2.B, 2.C, 3.A, 3.B, 3,C). Dakle, za postupak zavarivanja u realnim uvjetima uz uključenje navedene funkcije najbolje je koristiti u rasponu od 0 (neutralna visina luka) do +10 (najveća visina luka). Uz pravilno postavljanje osnovnih parametara uz pomoć sinergijskih karakteristika i korištenje ove funkcije u navedenom rasponu garancija su za zavar visoke kvalitete i dobrog estetskog izgleda.