UDK 621.791.75 Izvirni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(1-2)37(2002) POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA PHENOMENA IN ARC WELDING WITH A MULTIPLE-WIRE ELECTRODE INCREASING ENERGY EFFICENCY Janez Tušek Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija janez.tusekŽguest.arnes.si Prejem rokopisa - received: 2001-06-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-11-29 Varjenje z večžično elektrodo se je v praksi uveljavilo predvsem kot varjenje z dvožično elektrodo. Danes poznamo varjenje z dvožično elektrodo pod praškom ali v zaščitnem plinu in varjenje z večžično elektrodo pod praškom (trižična, štirižična elektroda itd.). Naprava za varjenje z večžično elektrodo omogoča navarjanje in zvarjanje. Pri varjenju z večžično elektrodo uporabljamo samo en vir varilnega toka, vse žice potujejo skozi skupno kontaktno šobo, imajo enako hitrost in enoten pogonski sistem. Z razporeditvijo žic v skupni kontaktni šobi lahko vplivamo na obliko vara in termični varilni ciklus. Najpomembnejša prednost varjenja z večžično elektrodo je visok izkoristek električne energije, ki jo uporabimo za varjenje. Pri tem se odvijata dva fizikalna pojava, ki ta izkoristek povečata. Prvi temelji na izrabi dovedene električne energije, ki se prevaja skozi proste konce žic, drugi pa na višjem izkoristku obločne toplotne energije oziroma na ustreznejši obliki površine vnosa energije v varjenec. V članku sta oba pojava slikovno predstavljena, teoretično izračunana in z eksperimentalnimi rezultati dokazana. Pri varjenju z večžično elektrodo je količina efektivne toplote, ki se razvije zaradi prevajanja električnega toka v eni sami žici, v prostem koncu žice mnogo višja od tiste, ki se razvije v prostem koncu žice pri varjenju s samo eno žico pri enaki porabi električne energije na enožico. Pri varjenju z večžično elektrodo, ko žice potujejo ena za drugo v smeri varjenja, se "oblika" vnosa energije v varjenec bistveno razlikuje od načina vnosa energije pri varjenju s samo eno žico. V takem primeru vnos energije v varjenec ni v obliki krožne površine kot pri varjenju z eno žico, ampak v obliki eliptične površine. Prav to pa poveča izkoristek dovedene energije in zmanjša toplotne izgube v okolico vara. Ključne besede: obločno varjenje, večžična elektroda, talilni učinek, obločni izkoristek Arc welding with a multiple-wire electrode, particularly with a twin-wire electrode, has lately found increasing application in practice. We know submerged-arc and gas-shielded arc welding processes with a twin-wire electrode and submerged arc welding with a multiple-wire (triple wire, quadruple wire) electrode. A unit for multiple-wire welding allows welding and surfacing. A principle of multiple-wire welding is that a single welding current source, a joint wire feed mechanism, and common regulation are used while all the wires travel through the same contact tube. Weld shape can be affected by the arrangement of the wires in the contact tube with regard to the welding direction. The most important advantage of multiple-wire welding, however, is the efficiency of the electrical energy supplied. In this case, and advantage is taken of two physical phenomena, which are related but based on different principles. The first one is based on efficient utilisation of electric current when it is conducted through the wire extension, while the second one is based on a more efficient utilisation of heat energy of the arcs, i.e. more optimized energy input into a welded joint. The paper gives a description of the two physical principles accompanied by figures, theoretical calculations, and experimental results. In multiple-wire welding, welding current intensity in the wire extension varies and is practically never the same in all wires. The average value of the welding current intensity, however, is the same in each wire for the whole duration of welding. But the effective value is, due to variation of current intensity, higher than the average one, which produces a higher efficiency of the welding current. In multiple-wire welding, when the wires are arranged one after another, heat input into the workpiece has not a circular shape but an elliptical one. This increases energy efficiency and reduces heat influence on weld vicinity. Key words: arc welding, multiple-wire electrode, melting rate, arc efficiency 1 UVOD O varjenju z večžično (enožično, dvožično, trižično) elektrodo govorimo, če vse žice med varjenjem potujejo skozi skupno kontaktno šobo, imajo samo en vir varilnega toka in skupno regulacijo. O varjenju z več elektrodami pa govorimo, če ima vsaka žica svoj vir toka, svojo regulacijo, svoj pogonski sistem in svojo kontaktno šobo. Varjenje z večžičnoelektrodose je v praksi najprej uveljavilo kot varjenje z dvožično elektrodo in se kot takoše danes največ uporablja za varjenje v zaščiti različnih medijev (plin, prašek). Medtem kodvožično elektrodo uporabljamo pri varjenju pod praškom in varjenju v zaščitnem plinu ter plinskih mešanicah, pa več kot dve žici v skupni kontaktni šobi uporabljamo le pri varjenju pod praškom. V tem članku bomo prikazali praktičnopridobljene rezultate talilnega učinka pri varjenju z dvožičnoin trižičnoelektrodoter jih primerjali z enojno in opisali dva fizikalna pojava, ki sta pri varjenju prisotna in sta razlog za boljšo izrabo v proces dovedene električne energije pri obločnem večžičnem varjenju v primerjavi z varjenjem z enosamo žico. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 37 J. TUŠEK: POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA Prvi fizikalni pojav zadeva prevajanja toka skozi proste konce žic. Količina efektivne električne energije, ki se porabi za ogrevanje samo enega prostega konca žice do določene temperature, je namreč pri varjenju z večžičnoelektrodomnogonižja od energije, ki jo porabimo za ogrevanje prostega konca žice za dosego enake temperature pri varjenju z enosamo žico. Ta fizikalni pojav, ki je sicer poznan, bo matematično opisan in dokazan ter potrjen s praktičnimi rezultati. Drugi fizikalni pojav obravnava izrabo toplotne energije oblokov. Pri varjenju z enožično elektrodo je vnos energije v var v obliki skoraj pravilnega kroga. Takšen način vnosa energije v linijski var pa z energetskega vidika ni najprimernejši. Pri vnosu energije v var v površino krožne oblike pri varjenju z enožično elektrodo so izgube v okolici v obsegu celotnega kroga. Če uporabimotri žice, ki potujejoena za drugov smeri varjenja ob enakem vnosu energije kot pri varjenju z eno samo žico, so toplotne izgube v okolico sicer v obsegu popačene elipse, toda kljub temu so te izgube v širšo okolico vara manjše kot pri varjenju z eno žico. 2 PREDSTAVITEV VARJENJA Z VEČŽIČNO ELEKTRODO IN PREGLED DOSEDANJEGA DELA 2.1 Kratek pregled literature Varjenje z dvožično elektrodo je poznano že skoraj pol stoletja 14. Praktične raziskave in dobljeni rezultati so že takrat pokazali, da je možno z dvožično elektrodo dosegati visok talilni učinek in vplivati na obliko vara. Večina avtorjev iz tistega časa je varila z dvožično elektrodo pod praškom. Iz literature so poznane zelo različne izvedbe postavitve žic in napajanja z električnim tokom 512. O varjenju s trižično elektrodo pod praškom sta največ člankov objavila avtor tega prispevka in njegov mentor pri izdelavi magistrske in doktorske naloge prof. ŽICE J_l_l Slika 1: Shematski prikaz naprave za varjenje pod praškom s trižično elektrodo Figure 1: Schematic representation of the unit for submerged arc welding with a triple-wire electrode Kralj 13-22, drugih prispevkov pa v dostopni literaturi nismonašli. V zadnjih petnajstih letih pa je največji razvoj doživelo varjenje z dvožično elektrodo v zaščitnem plinu 23-26. Večina naprav za ta način varjenja temelji na dveh sinergijskih izvirih toka, ki sta sinhrono povezana tako, da v obeh žicah teče impulzni tok izmenično. V času impulznega toka se od ene žice odtrga kapljica, v drugi žici pa teče le osnovni tok, ki vzdržuje gorenje obloka. V naslednjem trenutku pa impulzni tok teče v drugi žici in v prvi le osnovni. Kapljice torej skozi obloka potujejo periodično in izmenično: enkrat z ene žice in nato z druge.Toda takšno napravo in tehnologijo imenujemo varjenje z dvema žicama oz. elektrodama in ne varjenje z dvožično elektrodo, kot je obravnavano v tem članku. 2.2 Opis naprave za varjenje z večžično elektrodo Naprava za varjenje z večžičnoelektrodose bistveno ne razlikuje od klasične naprave za varjenje z eno samo žico. Na sliki 1 je shematskoprikazana naprava za varjenje s trižično elektrodo. Sestavljena je iz pogonskega in ravnalnega mehanizma, kontaktne šobe za vse tri žice, regulacijskega sistema in vira varilnega toka. Vse žice imajo enako hitrost, potujejo skozi eno samo kontaktno šobo, imajo le en vir varilnega toka in se odtaljujejo v skupni talini vara v zaščiti plina ali praška. Žice so v kontaktni šobi lahko poljubno razporejene (v liniji ena za drugov smeri varjenja, v liniji ena poleg druge v smeri varjenja ali pa tudi drugače). Žice solahko enakih ali različnih premerov, enake ali različne sestave in enakih ali različnih tipov (strženske ali masivne). Naprava in tehnologija varjenja z večžično elektrodo (slika 1) pa se bistvenorazlikujeta od naprave in tehnologije varjenja z več elektrodami. Pri napravi za varjenje z več elektrodami ima vsaka žica svoj vir varilnega toka, svoj pogonski sistem in svojo regulacijo. To pomeni, da v žicah lahko tečeta različni vrsti tokov (enosmerni ali izmenični) in tokovi različnih jakosti. V praksi poznamo varjenje z dvema, s tremi, štirimi in celo petimi žicami oz. elektrodami. 3 TALILNI UČINEK PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO Talilni učinek je definiran s količino dodajnega materiala, pretaljenega v časovni enoti. V največji meri je odvisen od jakosti varilnega toka, polaritete in dolžine prostega konca žice. Pri varjenju z večžično elektrodo pa nanj vplivajotudi število žic v kontaktni šobi in razdalje med njimi. Drugi varilni parametri, kot so obločna napetost, hitrost varjenja in drugi, pa praktično na talilni učinek ne vplivajo. Pri varjenju z večžično elektrodo med obloki in žicami ter v talini vara potekajo številni kemično-metalurški in fizikalno-toplotni procesi, ki izboljšajoizraboenergije in povečajotalilni učinek. 38 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 J. TUŠEK: POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA 20 100 200 300 400 500 600 700 I ŠA] Slika 2: Vpliv jakosti toka, števila žic in polaritete na talilni učinek pri varjenju s trižično elektrodo pod praškom; premer žice d = 3,0 mm, obločna napetost U = 29-31 V, dolžina prostega konca žice L = 30 mm, razdalja med žicami b = 8 mm Figure 2: Influence of the number of wires, welding current intensity and polarity on the deposition rate in submerged arc welding; diameter of wires: d = 3.0 mm, arc voltage U = 29 -31 V, wire extension length L = 30 mm, distance between wires b = 9 mm s y\ vi y ?1 U UJČJ t Slika 3: Izkoristek energije, dovedene v oblok, v odvisnosti od jakosti toka, števila žic in polaritete pri varjenju pod praškom: I = 500 A/žico, U = 30 V, dolžina prostega konca žice L = 30 mm, razdalja med žicami b = 8 mm, premer žic d = 3,0 mm Figure 3: Efficiency as a function of the number of wires and polarity in submerged arc welding current intensity I = 500 A/wire, arc voltage U = 30 V, wire extension length L = 30 mm, distance between wires b = 9 mm, wire diameter d = 3mm Na sliki 2 je prikazan talilni učinek pri varjenju s trižično elektrodo pod praškom. Iz diagrama je razvidno, da se talilni učinek z večanjem števila žic povečuje eksponentno in ne linearno, kot bi morda pričakovali. Pri varjenju s trižičnoelektrodoz žicopremera 3,0 mm, jakostjo toka 700 A na žico in minus polom na žici pretalimov eni uri približno35 kg dodajnega materiala, kar je za 30 % več, kot če varimoz eno žicoz enako jakostjo toka na žico ter pod enakimi drugimi pogoji in če dobljeno vrednost za talilni učinek pri varjenju z eno žico pomnožimo s tri. 4 IZKORISTEK V OBLOK DOVEDENE ELEKTRIČNE ENERGIJE PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO Obločni izkoristek je odvisen od vrste varilnega procesa, zaščitnega medija in varilnih parametrov. Čeprav v literaturi ni mogoče najti enome definicije za obločni izkoristek, lahko zapišemo, da je koristna izraba v oblok dovedene energije izredno nizka. Pri obtočnem varjenju nastanejonamreč številne toplotne izgube, in sicer zaradi sevanja, konvenkcije, prevajanja toplote po varjencu in prestopa toplote iz varjenca v okolico. Poznano je, da dosežemo najvišji izkoristek pri varjenju pod praškom in da ga je mogoče še povečati z uporabo dodatne vroče ali hladne žice, kovinskega prahu ali pa z večžično elektrodo. Pri naših raziskavah smo izkoristek obtočne energije T], ki ga lahkoimenujemotudi talilni ali relativni izkoristek, izračunali poenačbi 1: 1340 M LČ_Č 100 I-U V enačbi 1 izraz 1340 ŠJ/g] pomeni količino energije, ki je potrebna, da raztalimo 1 g jekla brez izgub, M Šg/s] je talilni učinek, I ŠA] je jakost toka in U ŠV] obtočna napetost. Na sliki 3 je prikazan vpliv jakosti varilnega toka, polaritete in števila žic na izkoristek energije, dovedene v oblok. Lahko zatrdimo, da je z enačbo 1 možno narediti zelodobroprimerjavoglede na izraboenergije, dovedene med različnimi postopki obtočnega varjenja. 5 EFEKTIVNA VREDNOST TOPLOTE, USTVARJENE V PROSTEMKONCU ŽIC, PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO V točki 2 smo opisali in na sliki 1 shematskoprikazali napravoza varjenje z večžičnoelektrodo. S slike je torej razvidno, da se vse žice napajajo samo iz enega tokovnega vira. Električni tok teče iz svojega vira do kontakte šobe in nato v eno, dve ali vse tri žice (slika 4) in nazaj (sklenjen krog). Pri prevajanju toka skozi žico se zaradi električne upornosti v njej ustvari toplota Q, ki jolahkoizrazimoz enačbo2: Q = IUt ŠJ] (2) I ŠA] - jakost toka U ŠV] - padec napetosti v prostem koncu žice t Šs] - čas Če padec napetosti izrazimo z jakostjo toka in upornostjo, dobimo po Ohmovem zakonu: Q = I2 -U-t ŠJ] (3) R ŠQ] - električna upornost I, t - (glej enačbo2) Padec napetosti v prostem koncu žice pa lahko izrazimotudi z enačbo4: U jp(L)dL ŠV] (4) S Šmm2] - presek žice L Šmm] - dolžina prostega konca žice 30 25 25 20 + + 15 + 15 10 0 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 39 J. TUŠEK: POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA - specifična električna upornost Z upoštevanjem enačb 3 in 4 dobimo enačbo 5, ki opisuje količino energije, vnesene v prosti konec žice: Q = I 2 .p.tč ŠJ] (5) I, t - (glej enačbo2) L, S, p- (glej enačbo4) Iz enačbe 5 lahko sklepamo, da se z večanjem jakosti toka vnos energije povečuje s kvadratno funkcijo, z večanjem specifične upornosti, časa, dolžine prostega konca žice se vnos energije povečuje linearno, z večanjem preseka žice pa se linearnozmanjšuje. Za lažje razumevanje procesov, ki se dogajajo v prostem koncu žice zaradi prevajanja električne energije, bomo le-te predstavili na primeru. Na sliki 4 sta prikazani dve kontaktni šobi, prva za varjenje z enojno in druga za varjenje z trižično elektrodo. Za računski primer bomo uporabili nekaj izmišljenih, a realnih podatkov za varilne parametre in jih najprej zapisali v tabelo 1. Tabela 1: Pričakovane maksimalne, minimalne in srednje vrednosti jakosti tokov pri varjenju pod praškom z eno in trižično elektrodo. Table 1: Expected maximum, minimum and mean values of the currents carried by the wires in single-wire and triple -wire welding processes. Ilxsr, Ilxmax, Ilxmin - srednja, maksimalna oz. minimalna vrednost jakosti toka pri varjenju z eno žico Ixsn I3xmax, Iixmin - srednja, maksimalna oz. minimalna vrednost jakosti toka na eno žicopri varjenju s trižičnoelektrodo tri žice - tri elektrode tri žice - trižična elektroda jakost toka ŠA] jakost toka ŠA] Ilxsr = 500 ISlsr = I32sr = Iesr = 500 Iixmax = 800 I31max = I32max = Iemax = 2400 Iixmin = 300 I31min = I32min = Iomin =0 Jakost toka, ki se prevaja skozi žice in obloke, se med varjenjem spreminja od neke minimalne pa do maksimalne vrednosti in je odvisna od dolžine obloka in od načina prehoda kapljic skozi oblok, to je od skupne električne upornosti v žici in obloku. To pomeni, da se prevaja tok z neko maksimalno, minimalno in srednjo I I i___ AIA ,' I \ ! I Slika 4: Shematski prikaz kontaktne šobe za varjenje z eno in s trižično elektrodo ter potek varilnega toka skozi kontaktno šobo v žico oz. žice Figure 4: Schematic representation of current variations through the contact tube and the wire extension in single-wire and multiple-wire welding processes 40 vrednostjo. Pri varjenju z enosamo žicoje razmerje med maksimalnozgornjoin minimalnospodnjovrednostjo jakosti varilnega toka dvakratnik do trikratnik minimalne spodnje vrednosti. Pri varjenju z večžično elektrodo pa je to razmerje odvisno od števila žic in je prav gotovo mnogovečje kot pri varjenju z enosamo žico. Ker je pri varjenju z večžično elektrodo možno, da v posameznih žicah določen trenutek tok sploh ne teče, pomeni, da teče v drugih toliko večji. Električni tok teče po tisti žici, ki ima manjšo električno upornost. Iz tega sklepamo, da je lahko maksimalna zgornja vrednost jakosti toka v eni žici pri varjenju z večžičnoelektrodocelovrednost zmnožka števila žic in maksimalne zgornje vrednosti za jakost toka v eni žici pri varjenju z eno žico.To velja, če varimos konstantnosrednjovrednostjojakosti toka na žico(ne glede na število žic v skupni kontaktni šobi). Frekvenca nihanja med minimalnospodnjoin maksimalno zgornjo vrednostjo jakosti toka je pri varjenju z eno žicood 20 - 40 Hz in pri varjenju s trižičnoelektrodood 30 - 60 Hz. Če nekoliko poenostavimo in predpostavimo, da so vse vrednosti iz enačbe 5, razen jakosti toka na eno žico, konstantne,0 ter izberemo konkreten, nekoliko ekstremen, a realen primer, potem količino vnesene energije v prosti konce žice lahko izračunamo. V prvem primeru predpostavimo, da 1/3 časa v vsaki žici (pri varjenju z enoin tudi pri varjenju s trojno žico) teče maksimalna jakost toka, 1/3 časa tok srednje vrednosti in 1/3 časa je minimalna jakost toka. Varimo z žico premera 3,0 mm z dolžino prostega konca 30 mm, s pozitivnim polom na elektrodi, s specifično upornostjo pri povišani temperaturi 0,2 Qmm2/m. Za navedeno jakost toka mora biti hitrost žice 2,5 m/min, kar pomeni, da potuje žica od kontaktne šobe do obloka (30 mm) 0,72 s. Izračunane vrednosti za vnos energije v prosti konec žice sopodane v tabeli 2. Tabela 2: Izračunana količina vnosa energije v prosti konec žice pri različnih jakostih varilnega toka pri varjenju pod praškom z eno žico in pri varjenju s trižičnoelektrodo Table 2: The calculated quantities of heat input into the wire extension in single-wire and triple-wire welding processes assuming that each wire carries maximum, minimum, and mean currents one third of the time ena žica - ena elektroda tri žice - trižična elektroda jakost toka ŠA] vnos toplote ŠJ] jakost toka ŠA] vnos toplote ŠJ] Isr = 500 Q= 155 Isr = 500 Q= 155 Imin = 300 Q = 55,8 Imin =0 Q = o Imax = 800 Q = 396,8 Imax = 2400 Q = 3726 SQ = 607,6 SQ = 3871 Z izračuni smo ugotovili, da je vnos energije v prosti konec žice pri varjenju s trižično elektrodo približno šestkrat višji kot pa pri varjenju z enosamožicopri enaki srednji vrednosti jakosti toka in pri enakih drugih razmerah. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 J. TUŠEK: POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA V drugem primeru bomo vzeli nekoliko drugačen zgled, ki pa je ravnotakorealen, in bomopredpostavili, da pri varjenju s trižično elektrodo v eni žici teče tok maksimalne jakosti le 1/9 časa in minimalne tudi 1/9, 7/9 časa pa teče tok srednje jakosti. Dejstvo je, da se prosti konec žice zelo hitro ogreje, kar v njem poveča električno upornost in zato tok teče po drugi ali tretji žici ali pa poobeh. Takšnomenjavanje prevajanja toka v prostih koncih žic pa se med varjenjem dogaja stalno s frekvenco, kot smo jo navedli zgoraj. Izračunani rezultati soprikazani v tabeli 3. Tabela 3: Izračunane količine energije, vnesene v prosti konec žice pri varjenju pod praškom z enožično in trižično elektrodo s predpostavko, da skozi vsako žico teče 7/9 časa tok srednje jakosti, 1/9 časa maksimalna jakost toka in 1/9 časa minimalna jakost varilnega tok Table 3: Calculated heat input intothe wire extension in single-wire and triple-wire welding processes assuming that each wire carries the mean current 7/9, the maximum current 1/9, and the minimum current 1/9 of the time ena žica - ena elektroda tri žice - trižična elektroda jakost toka ŠA] vnos toplote ŠJ] tok ŠA] vnos toplote ŠJ] Isr = 500 Q = 361,7 Isr = 500 Q = 361,7 Imin = 300 Q = 18,5 Imin =0 Q =0 Imax = 800 Q = 132,2 Imax = 2400 Q = 1253 ZQ = 512,4 SQ = 1614,7 Tudi v tem primeru vidimo(tabela 3), da se pri varjenju s trižično elektrodo v prosti konec ene same žice vnese trikrat več toplote kot pri varjenju z eno samo žico. Prav takolahkonapravimoprimerjavomed tabelama 2 in 3. Vnos energije v prosti konec žice se s krajšanjem časa prevajanja maksimalne jakosti toka bolj zmanjša pri varjenju s trižičnoelektrodokot pri varjenju z eno samo žico, kar izhaja iz fizikalne zakonitosti efektivne vrednosti varilnega toka. 6 PRIMERJAVA TOPLOTNIH POLJ PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO Z VARJENJEMZ ENO SAMO ŽICO Toplotno polje na varjencu okoli obloka oziroma mesta varjenja in v varjencu bomo prikazali za vzdolžni var. To pomeni, da so pogoji za odvod toplote v okolico za oba načina varjenja enaki. Obravnavali bomo primer, ko je pri obeh načinih varjenja vnos energije v varjenec enak. Pri varjenju z enožicose ves tok prevaja poeni žici, s tem pa ima vnos energije v varjenec obliko centričnega kroga. Pri varjenju z večžično elektrodo pa je vnos celotne energije v varjenec v obliki popačene elipse z daljšo osjo v smeri varjenja (slika 5). Topomeni, da prva žica in oblok segrevata hladen varjenec, medtem ko drugi dve potujeta že po talini vara. V splošnem je vnos energije v varjenec definiran z enačbo 6 in je odvisen od moči obloka, njegovega MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2 Izoterma okoli Povečane Varilni obloki I = 1 = 1 Varilni oblok 1=1 +1 +1 Slika 5: Oblike in porazdelitev izoterm po varjencu pri varjenju z enožično in trižično elektrodo pri konstantni količini vnesene energije Figure 5: Shape and distribution of isotherms across the workpiece in single-wire welding and triple-wire welding. izkoristka in hitrosti varjenja. Pri varjenju z večžično elektrodo je torej vnos energije E v varjenec bolj "naraven" oz. prilagojen obliki zvarnega stika, s tem pa soizgube v širšookolicovarjencev manjše, kar je razvidnos slike 5. E = —Uv-r| (6) v I ŠA] - jakost varilnega toka Uv ŠV] - varilna napetost v Šm/min] - hitrost varjenja r| Š/] - izkoristek obloka Prav takoje s slike 5 razvidno, da so pri enakem vnosu toplote (ena žica ali tri žice) vse vrste toplotnih izgub (sevanje, konvekcija, prevod, prestop) pri varjenju z enosamo žicovišje kot pa pri varjenju s tremi žicami. Z razdaljomed žicami je pri varjenju z večžično elektrodo možno še dodatno vplivati na termični varilni ciklus med varjenjem in s tem na hitrost ohlajanja toplotno vplivane cone in samega vara po varjenju. 7 SKLEPI V članku sta opisana, slikovno predstavljena in matematično dokazana dva fizikalna pojava, ki potekata pri varjenju z večžično elektrodo. V prvem delu članka soprikazani praktičnodobljeni rezultati talilnega učinka in izkoristka energije, ki dokazujejo da je varjenje z večžično elektrodo produktivnejše kot varjenje z eno samožico. Ugotovljeno je, da se pri varjenju z večžično elektrodo talilni učinek poveča predvsem zaradi večjega efektivnega vnosa toplote v proste konce žic kot pri varjenju z enosamožico. Prav tako pa je ugotovljeno, da so izgube toplote v okolico in v varjenec manjše pri varjenju z večžično elektrodov primerjavi z varjenjem z enosamožico. Vse to pa pomeni, da je koristno v praksi, če je to le mogoče, uporabiti varjenje z dvožično ali trižično elektrodo, kar pa je odvisno od konkretnega praktičnega primera. 41 J. TUŠEK: POJAVI PRI VARJENJU Z VEČŽIČNO ELEKTRODO ZA POVEČANJE TALILNEGA UČINKA 8 LITERATURA 1 Ashton, T.: Twinarc Submerged Arc Welding. Weld. J., 33(1954)4, 350-355 2 Knight, D. E.: Multiple Electrode Welding by "Unionmelt" Process. Weld. J., 33(1954)4, 303-312 3 Heinke, H., Schlerfer, H., Franz, U., Wendler, H. D.: Einseitiges UP-Paralleldrahtschweißen. Schweißtechnik, 17(1967)9, 386-392 4 Uttrachi, G. D., Messina, J. E.: Three-Wire Submerged-Arc Welding of Line Pipe. Weld. J., 47(1968)7, 475-481 5 Mandelberg, S. L., Lopata, V. E.: Harakter processa dvuhelektrodnoj trehfaznoj svarki pod fljusom s povišennoj skorostju. Avtomati-českaja svarka, 19(1966)2, 25-28 6 Uttrachi, G. D.: Multiple Electrode Systems for Submerged-Arc Welding. Weld. J., 57(1978)5, 15-21 7 Ratzsch, H.: Beidseitige UP-Tandemschweißung. ZIS-Mitteilungen, 15 (1973)5, 591-599 8 Wittke, K., Franz, U., Koczelov, K., Synnatschke, A., Hanke, H.: Beitrag zur Kristallisationsrissicherheit beim UP-Paralledraht-schweißen. Schweißtechnik, Berlin, 18(1968)11, 487-491 9 Ratzsch, H.: Einseitige UP-Paralledrahtschweißung von Stumpfstoßen. ZIS-Mitteilungen, 14(1971)8, 1105-1115 10 Šostak, I. A.: Ustrojstvo dlja odnovremennoj podači dvuh elektrodov pri mehanizirovannoj svarke. Avtorski svidetel, No. 381489 -"Bjulleten izobret", (1973)22 11 Šostak, I. A.: Sposob svarki rasšeplenim lentočnnim elektrodom. Avtorski svidetel, No. 397288 "Bjulleten izobret", (1973)37 12 Hinkel, J. E., Forsthoefel, F. W.: High Current Density Submerged Arc Welding with Twin Electrodes. Weld. J., 55(1976)3, 175-180 13 Tušek, J.: Functions of Electrodes in the Formation of Weld in Triple-Electrode Submerged Arc Welding. Doc. 212-696-88. International Institute of Welding, Vienna, 1988 14 Tušek, J.: Research process of the submerged arc welding and building up with double and triple electrode. Doctor thesis (in Slovene), D/133, University in Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering, 1991 15 Tušek, J. Melting Characteristics of the Wire by Submerged Arc Welding with Double and Triple Electrodes. Doc. 212-772-90. International Institute of Welding, Montreal, 1990 Tušek, J., Kralj, V.: Mathematical Modelling of the Melting Rate in Triple Electrode Submerged Arc Wellding. Doc. 212-811-92. International Institute of Welding, Madrid, 1992 Tušek, J., Kralj, V.: Submerged Arc Welding with Multiple-Wire Electrode. Proceedings of the Int. Conf. on "Joining of Materials" JOM-6. The European Institute for Joining of Materials, Helsingor, 1993, 438-454 Tušek, J.: Submerged Arc Welding with Double and Triple-Wire Electrode. International Journal for the Joining of Materials, 6(1994)3, 105-110 Tušek, J.: "Equipment for Multiple-Wire Welding". Proceedings of the Int. Conf. on "Equipment for Welding and Allied Processes and its Application". Hrvatskodruštvoza tehniku zavarivanja, Pula, 1995, 35-46 Tušek, J.: SAW with Multiple Electrodes Achieves High Production Rates. Welding Journal, 75(1996)8, 41-11 Tušek, J. UP-Mehrdraht-Verbindungs- und-Auftragschweißen. Schweiß- und Prüftechnik, 53(1999)4, 55-58 Tušek, J.: A Mathematical Model for the Melting Rate in Welding with a Multiple-Wire Electrode. Journal of Physics D: Applied Physics, 32(1999)14, 1739-1744 Knoch, R., Nentweg, W. E.: "Schneller MAG-Schweißen mit mehreren Drahtelektroden". Proceedings of the Int. Conf. on "Welding and Cutting". Deutscher Verlag für Schweißtechnik, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1994, 77-82 Lahnsteiner, R.: "T.I.M.E.-TWIN-Verfahren - das Hochleistungs-MAG-Schweißen mit zwei Drahtelektroden". Proceedings of the Int. Conf. on "Welding and Cutting". Deutscher Verlag für Schweißtechnik, DVS-Verlag, Düsseldorf, 1994, 82-84 Böhme, D., Nentweg, A. W. E.: "Leistungssteigerung beim MIG/MAG-Schweißen durch 2-Drahttechnik. Proceedings of the Int. Conf. on "Equipment for Welding and Allied Processes and its Application". Hrvatskodruštvoza tehniku zavarivanja, Pula, 1995, 1-3 Shinoda, T., Nakata, J., Miyauchi, H.: "Development of High Deposition Rate Double Wire MIG Welding Process for Aluminium Alloys. Proceedings of the Int. Conf. on "Joining of Materials" JOM-8. European Institute for the Joining of Materials, Helsingor, 1997, 78-85 42 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 1-2