UDK 621.791.75:621.791.052 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MTAEC 9, 36(5)193(2002) TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠČENO ELEKTRODO Z UGREZNJENIM OBLOKOM SPOT-PLUNGED ARC WELDING WITH A COVERED ELECTRODE Janez Tušek1, Roman Celin2 univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija janež.tusekŽfs.uni-lj.si Prejem rokopisa - received: 2001-11-15; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-12-14 Članek obravnava obločno varjenje z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom. V uvodu članka je opisan Marangonijev efekt kot osnovni fenomen za opis gibanja taline v varu. Način in intenzivnost gibanja taline v varu sta namreč odločilnega pomena za dosego zadovoljive globine uvara. Prav to pa je pri obločnem varjenju z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom doseženo. Najobsežnejši del članka je opis točkovnega varjenja z oplaščeno elektrodo. Podan in opisan je diagram gibanja hladnega in vročega konca oplaščene elektrode med varjenjem. V sedmih fazah je prikazan proces varjenja z gibanjem oplaščene elektrode. Tabelarično je podana približna kemična sestava plašča oplaščene elektrode. Prikazanih je več makro obrusov točkovnih zvarov na prekrovnih spojih iz različno debelih pločevin. Podana je kemična analiza vara in osnovnega materiala. Pri ekonomskih pokazateljih gospodarnosti varjenja je naveden talilni učinek, slikovno pa sta prikazani oblika in količina pretaljenega osnovnega in dodajnega materiala. Ključne besede: točkovno obločno varjenje, oplaščena elektroda, prekrovni spoj, talina zvara, Marangonijev efekt This paper reports on spot-plunged arc welding with a covered electrode. It is introduced by a description of the Marangoni effect as a basic phenomenon for a description of weld-pool movement. The type and intensity of the weld-pool movement play a decisive role in achieving a satisfactory penetration depth. And this is achieved by spot-plunged arc welding. The majority of the paper is focused on a description of the spot-plunged arc-welding process with a covered electrode. A diagram shows the movement of the cold and hot electrode ends during welding. The welding process is described in seven phases by the covered-electrode movement. A table gives an approximate chemical composition of the coating of the covered electrode. Several macro specimens of spot welds in lap joints made on plates of different thicknesses are shown. Chemical compositions of the weld metal and the parent metal are given. As an indicator of the economy of spot-plunged arc welding, a melting rate is indicated. Several figures show the shape and volume of the parent metal and the filler material melted. Key words: spot-plunged arc welding; covered electrode; lap joint; weld pool; Marangoni effect 1 UVOD Pri obločnem talilnem varjenju obstaja večno iskanje odgovora, kako pri čim manjši vneseni energiji v varjenec doseči čim globlji uvar s čim višjo trdnostjo. Raziskovalci iščejo odgovor in rešitve v različnih smereh. Zelo ugodni rezultati so bili doseženi z uvedbo virov toplote za varjenje s koncentrirano energijo, kot sta laser in elektronski curek (pramen). S "stiskanjem" klasičnega varilnega obloka dobimo plazemski oblok, s katerim pravtako lahko dosegamo globljo prevaritevin ožji uvar kot s klasičnim prostogorečim varilnim oblokom. Rezultati nekaterih raziskovalcevpa so vzadnjih dveh desetletjih pokazali, da je možno doseči večjo globino uvara z uporabo različnih "snovi", ki v talini vara povečajo sposobnost večjega razmešanja na osnovi spremembe površinske napetosti taline. Te "snovi" povzročijo gibanje taline od sredine površine raztalje-nega vara v globino osnovnega materiala in nato ob obeh straneh vara proti površini varjenca. Z mešanjem taline vara se prenaša toplotna energija iz obloka v notranjost osnovnega materiala, ga tali in na ta način dosegamo globlji uvar. Gibanje taline v varu med varjenjem imenujemo Marangonijevefekt. Druga možnost za doseganje globlje prevaritve pa se skriva v značilnostih nekaterih elementov, ki jih vnesemo v plašč oplaščene elektrode, da povečajo moč obloka in je le-ta sposoben prodreti vglobino varjenca, odriniti nastalo talino vara na stran okoli obloka, razmešati talino osnovnega ter dodajnega materiala in ustvariti enoten relativno globok točkoven var. Pri tem je zelo pomembno, da z varilnim oblokom raztalimo veliko osnovnega materiala in zelo malo dodajnega, kar lahko dosežemo z ustrezno kemično sestavo in izdelavo jedra in plašča oplaščene elektrode. 2 MARANGONIJEV EFEKT Marangonijev efekt oz. Marangoni]eva konvekcija, ki nastopi v talini vara zaradi različnih površinskih napetosti pri različnih snoveh, ki so v raztaljenem varu in se izraža z gibanjem taline, se imenuje tudi termo-kapilarna konvekcija. Razlog za gibanje taline moramo MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 193 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠCENO ELEKTRODO iskati vkoncentraciji različnih snovi na različnih mestih vtalini vara in vtemperaturnih razlikah vrazličnih točkah v volumnu raztaljenega vara 1-11. Marangonijeva konvekcija je slikovno predstavljena na sliki 1. Na sliki 1A je shematsko prikazana talina vara od zgoraj z označenimi smermi gibanja taline od sredine vara proti strjenemu osnovnemu materialu. Na sliki 1B pa je prikazan presek vara z označenima smerema gibanja taline vara od sredine površine proti robu vara na površini, ob robu v globino proti korenu vara ter nato iz sredine korena vara proti površini vara. Vir toplote na sredini vara povzroči negativni temperaturni gradient na temenu taline vara in s tem pozitiven gradient površinske napetosti, kar je osnovni pogoj za nastanek Marango-nijevega efekta in gibanje taline, kot prikazujeta sliki 1A in 1B. Površinska napetost "potisne" talino vara iz središča površine vara, kjer ima talina visoko temperaturo in nizko površinsko napetost, proti robu vara, kjer je temperatura taline nižja, površinska napetost pa višja. Z dodatki zelo majhnih količin kemičnih elementov, ki vplivajo na površinsko napetost taline, pa je možno vplivati na globino uvara. Te snovi lahko vsebujejo že material, ki ga varimo, ali dodajni material ali pa jih preprosto pred varjenjem ali med njim na tak ali drugačen način dovajamo na mesto varjenja. Prisotnost teh snovi, ki jih imenujemo "aktivne" snovi, povzročijo v talini vara več različnih fizikalno-kemičnih procesov, ki pa še niso popolnoma raziskani. Avtorji številnih člankov govorijo predvsem o dveh. Najštevilnejši obravnavajo "aktivne" snovi kot povzročitelje gibanja taline oz. Marangonijevega efekta in se pretežno posvečajo dogajanjem v talini vara pri TIG-varjenju 12-16. Drugi pa večjo pozornost posvečajo procesom v obloku, če jim dodamo "aktivne" snovi. Pri tem so predvsem pri TIG-varjenju študirali padec napetosti v obloku, njegovo zoženje in stabilnost ter ionizacijske procese kot funkcijo "aktivnih" snovi. Večina ugotavlja, da te snovi koncentrirajo energijo vobloku in s tem dosežemo globlji uvar 17-21. Nekateri so TIG varjenje z dodajanjem "aktivnih" snovi poimenovali A-TIG-postopek, drugi pa FASTIG 22-24 V splošnem pa lahko zapišemo, da ti "aktivni" elementi ustvarijo na površini vara negativen gradient površinske napetosti, kot je shematsko prikazano na slikah 1C in 1D. Talina vara se giblje od roba vara, kjer je temperatura taline nizka, proti sredini, kjer je znatno višja. Z gibanjem taline, kot prikazuje slika 1D, se iz vira toplote (oblok, laser, plazma, elektronski curek) s konvekcijo prenaša toplota v globino osnovnega materiala, ga tali in oblikuje koren vara. Tako dosežemo mnogo večjo globino uvara kot pa v primeru, ko talina vara ne vsebuje aktivnih elementov; to je v primeru, prikazanem na slikah 1A in 1B. Omenili smo že, da pri osnovnem materialu nekaj teh "aktivnih" snovi oz. elementov lahko vsebuje že sam 194 material. Žveplo je eden pomembnejših elementov, s katerim je v talini vara, še posebno pri avstenitnih nerjavnih jeklih, možno vplivati na smer gibanja taline vara in s tem na obliko, predvsem pa na globino uvara 25. Na sliki 2 sta prikazana dva makroobrusa dveh uvarov pri dveh nerjavnih jeklih, ki se v kemični sestavi razlikujeta samo po vsebnosti žvepla. Nerjavno jeklo, katerega makroobrus vara je prikazan na levi strani slike 2, vsebuje manjšo količino žvepla kot pa jeklo, katerega makroobrus je prikazan na desni strani slike 2. To pomeni, da že nekaj deset "ppm" vsebnosti žvepla v jeklu drastično vpliva na globino uvara. Poleg žvepla na procese gibanja taline vara oz. Marangonijev efekt pri varjenju jekel vplivajo še drugi čisti kemični elementi in razne kemične spojine. Celo več, z dodajanjem raznih aktivnih snovi v talino vara, ali v oblok med varjenjem, ali na sam varjenec že pred varjenjem, ali vplašč oplaščene elektrode, ali pa vstržen strženske žice je pravtako možno doseči enake ali podobne efekte, kot so opisani zgoraj in s katerimi dosežemo večjo globino uvara (slika 3). Katere snovi oz. kateri kemični elementi so "aktivne" snovi in v kakšni meri vplivajo na procese v talini vara, Smer varjenja (C) (D) Slika 1: Marangonijeva konvenkcija v talini vara. A - tloris taline vara brez aktivnih elementov, B-naris taline vara brez aktivnih elementov, C - tloris taline vara z aktivnimi elementi, D - naris taline vara z aktivnimi elementi 16 Figure 1: Marangoni effect in weld pools. A - Top view of the weld pool without activating fluxes; B - Front view of the weld pool without activating fluxes; C - Top view of the weld pool with activating fluxes; D - Front view of the weld pool with activating MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠCENO ELEKTRODO 20 ppm žvepla 150 ppm žvepla Slika 2: Vpliv količine žvepla v avstenitnem nerjavnem jeklu na globino uvara 25 Figure 2: Influence of sulphur content in austenitic stainless steel on penetration depth 25 Xl > %2 Slika 4: Primerjava prostogorečega obloka v zaščiti nevtralnega plina (desno) z oblokom, ki so mu dodane "aktivne" snovi (levo) Figure 4: Comparison of an arc to which activating fluxes were added (left) with one burning in a shielding gas (right) pa iz dostopne literature ni možno natančno ugotoviti 11,12,13,14. V splošnem pa lahko zapišemo, da med te snovi spadajo silicijev, titanov, kromov in aluminijev oksid in še nekatere druge snovi, ki imajo visoko toplotno prevodnost in zmožnost, da s taljenjem ustvarijo eksotermično toploto, ki dodatno poviša temperaturo taline vara in zniža njeno površinsko napetost v sredini vara. S snovmi v obloku, ki povečajo odvod toplote iz njega, se vsredini obloka skoncentrira energija in s tem poviša temperatura taline vara v sredini vara (slika 4), kar je osnova za Marangonijev efekt. Istočasno se v obloku poveča električna upornost oz. padec napetosti, kar vodi do večje moči obloka in s tem do večje prevaritve osnovnega materiala. Pri katerih varilnih postopkih je možno uporabiti "aktivne" snovi in za katere materiale, je za prakso odločilnega pomena. V literaturi lahko najdemo članke, ki poročajo o uporabi "aktivnih" snovi skoraj izključno pri TIG-varjenju avstenitna jekla. in v največ primerih za nerjavna a) b) Slika 3: Globina uvara pri nerjavnem jeklu pri klasičnem TIG-varjenju (a) in pri TIG varjenju z dodatkom "aktivne" snovi (b) pri enakih varilnih parametrih 12 Figure 3: Penetration depth in stainless steel in conventional TIG welding (a) and in welding with the addition of an activating flux (b) 12 3 PROCES TOČKOVNEGA TALILNEGA VARJENJA Z OPLAŠCENO ELEKTRODO Z UGREZNJENIM OBLOKOM Kot smo že omenili, je večina raziskovalcev v preteklosti študiralo uporabo "aktivnih" snovi pri TIG-varjenju. V dostopni literaturi nismo našli informacije o uporabi "aktivnih" snovi pri drugih varilnih postopkih. Po naši oceni bi te snovi lahko uporabili tudi vprašku pri varjenju pod praškom, v strženu pri varjenju s strženskimi žicami ali pa v plašču pri obločnem varjenju z oplaščenimi elektrodami. Poleg uporabe "aktivnih" snovi lahko kot "samostojen" akter pri varilnih procesih uporabimo oplaščeno elektrodo, ki poleg "aktivnih" snovi vsebuje še druge elemente, ki povečajo moč obloka do take mere, da lahko gori pod površino varjenca v talini vara kot "key-hole" efekt 26>27. V tabeli 1 je podana približna sestava plašča in s procentualnimi vrednostmi za posamezne elemente, ki sestavljajo plašč oplaščene elektrode. Podatki iz tabele 1 potrjujejo zgornje navedbe, da so za mešanje taline vara pomembni silicijevin titanovoksid ter nikelj in krom. Z dodatnim ustreznim gibanjem oplaščene elektrode vnavpični smeri (navzdol in navzgor) in z rotacijo vročega konca elektrode skupaj z oblokom ustvarimo zelo globok točkoven var z ustrezno oblikovanim temenom. 3.1 Opis raziskovalnega dela Pri raziskovalnem delu smo prekrovno zvarjali različno debele profile in pločevine iz maloogljičnega jekla (tabela 4). Uporabili smo klasičen vir varilnega toka s padajočo statično karakteristiko, ki omogoča visokofrekvenčni vžig obloka. Varili smo z oplaščenimi elektrodami premera 2,5 mm, 3,25 mm in 4,0 mm. Jakost varilnega toka smo izbirali glede na premer elektrode in je bila od 120 A pa do 210 A. Čas varjenja je odvisen od premera oplaščene elektrode, jakosti MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 195 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠCENO ELEKTRODO Tabela 1: Najpomembnejši elementi, ki sestavljajo plašč oplaščene elektrode, s približno vsebnostjo v odstotokih Table 1: Composition of the coating including the most important elements and their content Element Ca Si02 Ti02 Ni Cr Mo Mn % 2,5 - 5,0 12- 16 10- 14 8- 12 24-30 2,5 - 5,0 2,5 - 5,0 L Šmm] dol ina elektrode pred varjenjem dol ina obloka dol ina elektrode po varjenju dol ina obloka in višina temena vara ob zakljueku varjenja t Šs] v ig obloka gibanje vroeega konca elektrode Slika 5: Potek gibanja vročega in hladnega konca oplaščene elektrode glede na površino varjenca v odvisnosti od časa pri točkovnem talilnem varjenju z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom Figure 5: Variations of movement of the hot and cold ends of the covered electrode with reference to the workpiece surface and as a function of time in spot-plunged arc welding with the covered electrode varilnega toka in predvsem od debeline varjencev oz. debeline prekrovnega spoja. Pri našem delu smo čase varjenja izbirali od 12,5 s pa do 30 s. Poleg omenjenih parametrov so pri točkovnem talilnem varjenju z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom zelo pomembne hitrost gibanja elektrode navzdol v globino varjenca in nato navzgor proti površini kakor tudi hitrost, smer in lega kroženja z vročim koncem elektrode skupaj z oblokom ob zaključku varjenja oz. pri izdelavi temena vara. Na sliki 5 je vdiagramu shematsko prikazano gibanje vročega in hladnega konca oplaščene elektrode med varjenjem v odvisnosti od časa in glede na površino varjenca. Natančen potek obeh krivulj pa je odvisen od vseh zgoraj navedenih parametrov. Iz diagrama lahko poleg poteka obeh krivulj odčitamo čas varjenja, dolžino porabljene elektrode in približno ocenimo globino uvara. Celoten potek točkovnega talilnega varjenja z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom je prikazan na sliki 6 vsedmih shemah. S prvo shemo je prikazano stanje pred varjenjem. Elektroda je postavljena pravokotno na površino prekrovnega zvarnega spoja v oddaljenosti od 1,2 do 1,7 premera jedra elektrode. Na drugi shemi vidimo vžig obloka in začetek varjenja in na tretji začetek gibanja elektrode vglobino varjenca. Najnižja lega elektrode je prikazana na shemi štiri, na peti pa gibanje elektrode navzgor ter tvorjenje korena vara. Konec gibanja elektrode navzgor in začetek oblikovanja temena vara s kroženjem vidimo na shemi šest in na sedmi zaključek varjenja. 1 Oplašeena elektroda 2 7* .Varjenca TIK PRED VARJENJEM Oblok VISOKOFREKVENENI V IG OBLOKA 3 Ta l i na ZAEETEK GIBANJA ELEKTRODE NAVZDOL 4 Tal in a SPODNJA LEGA ELEKTRODE 6 Tal i n a Strjeni var ZAEETEK DVIGANJA ELEKTRODE KONEC DVIGANJA ELEKTRODE 7 KRO ENJE Z ELEKTRODO IN ZAKLJUEEK VARJENJA Slika 6: Shematski prikaz točkovnega talilnega varjenja z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom pri varjenju prekrovnega zvarnega spoja različnih debelin varjencev Figure 6: Schematic representation of spot-plunged arc weldnig with a covered electrode when making a lap joint between two workpieces with different thicknesses 196 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠCENO ELEKTRODO Raziskave so torej pokazale, da je s primernim izborom snovi v jedru in plašču oplaščene elektrode ter s primernim vodenjem oplaščene elektrode kakor tudi z ustreznim izborom varilnih parametrov možno znatno povečati globino uvara. Na sliki 7 je prikazanih več makro obrusov, prekrovno zvarjenih spojev s točkovnim zvarom, izdelanim obločno z oplaščeno elektrodo. Prvi makro obrus prikazuje točkovno privaritev 3 mm debele pločevine na 22 mm debelo pločevino brez prevaritve. Tudi drugi makro obrus kaže točkovni zvar na prekrov-nem spoju različno debelih pločevin z relativno majhno globino uvara. Na tretjem makro obrusu pa vidimo prekrovni zvarni spoj, ko točkovni var sega skozi obe pločevini. Vsi trije točkovni zvari so bili izdelani brez vsakršne priprave pred varjenjem. To pomeni, da varimo v "polno" in da mesto zvara ni vnaprej določeno. Pred varjenjem je treba le dobro očistiti pločevino, da laže vžgemo oblok in da oksidi in druge nečistoče ne pridejo v talino vara. Maksimalna globina uvara, ki smo jo pri naših raziskavah dosegli, je bila 25 mm. Iz tega izhaja, da je iz trdnostnega vidika možno točkovno privariti tudi do 15 mm debelo jekleno pločevino ali druge profile na poljubno debelo drugo pločevino. Če je ta tanjša od 10 mm lahko točkovni zvar sega skozi obe pločevini, če pa je debelejša, pa točkovni zvar v drugi oz. spodnji pločevini sega le do določene globine. Temeni dveh obločno točkovno pogreznjeno zvarjenih zvarov sta prikazani na sliki 8. Vsi zvari (sliki 7 in 8) so bili izdelani ročno, kar pomeni, da je moral varilec voditi elektrodo navpično navzdol do potrebne globine in nato navzgor do površine varjenca in na njej s kroženjem izdelati teme vara. Slika 8: Temena dveh varov, izdelana točkovno talilno z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom z različnima premeroma elektrod in z različnimi parametri Figure 8: Final layers of two welds made with spot-plunged arc welding with different covered-electrode diameters and different parameters Podobne zvare, toda z bolj predvidljivo obliko in vnaprej znano dimenzijo, je možno izdelati avtomatsko z inovativno napravo (patent je v postopku prijave). Shematsko je naprava prikazana na sliki 9. Glavni del naprave je koračni motor, ki omogoča programirano hitrost in dolžino pomika navzdol, čas zadrževanja na spodnji legi, programirano hitrost gibanja navzgor, čas zadrževanja na zgornji legi ter hitrost in potek kroženja z Motorna gred Zgibna gred Slika 7: Prekrovni zvarni spoji s točkovnimi zvari, zvarjeni obločno z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom Figure 7: Lap joints including welds made with spot-plunged arc welding with a covered electrode Slika 9: Shematski prikaz avtomatske naprave za točkovno talilno varjenje z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom Figure 9: Schematic representation of the automatic device for plunged arc spot-welding with a covered electrode MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 197 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠČENO ELEKTRODO ... Tabela 2: Vrednosti mikrotrdote, izmerjene v osnovnem materialu, toplotno vplivani coni in v varu s številkami, kje je bila trdota izmerjena (slika 10) Table 2: Measured microhardness values obtained in the parent metal, the heat-affected zone, and the weld metal, and numbered positions of the indentations (Figure 10) Osnovni material Parent metal Prehodna cona Transition zone Zvar Weld LINIJA I LINEI 1. 132 16. 153 5. 140 14. 178 7. 418 11. 400 2. 121 17. 133 6. 158 15. 168 8. 418 12. 411 3. 123 18. 162 9. 409 13. 411 4. 130 10. 401 LINIJA II LINE II 1. 164 14. 165 3. 195 11. 205 5. 420 8. 210 2. 163 15. 196 4. 213 12. 190 6. 198 9. 200 13. 170 7. 208 10. 234 Tabela 3: Kemična sestava jekla v sredini vara (v točkah 7, 8, 9, 10 na sliki 10) Table 3: Chemical composition of steel in the weld centre (locations 7, 8, 9, and 10 in Figure 10) C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al 0,053 1,08 0,995 0,019 0,012 15,5 7,663 2,66 0,041 0,005 Tabela 4: Kemična sestava osnovnega materiala Table 4: Chemical composition of the parent metal C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al 0,156 0,013 0,631 0,019 0,028 0,058 0,038 0,017 0,052 0,001 elektrodo in oblokom pri izdelavi temena vara. Varilni tok za varjenje dobimo iz klasičnega vira toka za varjenje s padajočo statično karakteristiko, ki mu je dodana naprava za visokofrekvenčni vžig obloka. Ohišje naprave je sestavljeno iz nastavne in nosilne plošče, vodil in vpenjalne čeljusti za elektrodo, ki je povezana z gredjo programiranega motorja. 3.2 Analiza točkovnega zvara Analizo zvara smo napravili le na enem primeru, kar pa ne pomeni, da je možno izdelovati samo takšne zvare. Na sliki 10 je prikazan makro obrus točkovnega vara z označeno raztaljeno in toplotno vplivano cono ter označenima linijama, na katerih smo merili trdoto. V tabeli 2 so prikazane vrednosti izmerjenih mikrotrdot HV z obtežbo 300 g za dve liniji od osnovnega materiala preko toplotno vplivane cone in vara ter ponovno preko toplotno vplivane cone v osnovni material na drugi strani vara (slika 10). Na sredini vara (slika 10) preko točk 7, 8, 9, 10 na liniji I smo napravili tudi kemično analizo. V teh točkah smo namreč izmerili najvišjo trdoto. Kemična analiza je za deset najvplivnejših elementov prikazana v tabeli 3. Če za to kemično sestavo jekla izračunamo kromov in nikljev ekvivalent v skladu s Schaefllerjevim diagramom, lahko ugotovimo, da ima jeklo mešano avstenitno-feritno-martenzitno strukturo. Pri tem pa je treba povedati, da sestava zvara po celotnem preseku ni enakomerna, ampak od točke do točke zelo različna. To je posledica intenzivnega gibanja taline vara, ki je se- stavljen iz elementov, ki se nahajajo v plašču oplaščene elektrode (tabela 1), vjedru elektrode in vosnovnem materialu. Za primerjavo smo naredili tudi kemično analizo osnovnega materiala, ki je prikazana v tabeli 4. Na osnovi merjenja trdot preko vara in toplotno vplivane cone ter kemične analize vara priporočamo predgrevanje varjencev pred varjenjem in kontrolirano ohlajanje po varjenju. Višina temperature predgrevanja pa je odvisna od vrste osnovnega materiala in tudi od sestave jedra in plašča oplaščene elektrode. Če varimo avstenitno nerjavno jeklo, naj temperatura predgrevanja kakor tudi medvarkovna temperatura ne bi presegli 150 °C. Slika 10: Makro posnetek točkovnega vara z označenimi mesti merjenja trdote Figure 10: Macro specimen of a spot weld with hardness measurement locations indicated 198 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 0236 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠCENO ELEKTRODO Slika 11: Shematski prikaz orisovvolumnovraztaljenega osnovnega in dodajnega materiala pri točkovnem talilnem varjenju z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom z različnimi varilnimi parametri Figure 11: Schematic representation of volumes of the parent metal and the filler material melted in spot-plunged arc welding with a covered electrode using different welding parameters 4 TEHNOLOŠKO-EKONOMSKI POKAZATELJI TOČKOVNEGA TALILNEGA VARJENJA Z OPLAŠČENO ELEKTRODO Z UGREZNJENIM OBLOKOM Iz opisa procesa, ki je podan zgoraj, lahko dokaj zanesljivo povemo, da bo postopek uporaben predvsem v gradbeništvu, pri izdelavi raznih zabojnikov in posod ter povsod tam, kjer je možno uporabiti prekrovne zvarne spoje in je treba variti z nizkim vnosom energije v varjenec. Največja prednost točkovnega talilnega varjenja z ugreznjenim oblokom je v relativno veliki količini pretaljenega osnovnega materiala ob relativno majhni količini pretaljenega dodajnega materiala. To razmerje se zelo razlikuje od razmerja pri klasičnem varjenju z oplaščeno elektrodo. Na sliki 11 so shematsko prikazani primeri orisovvolumnovpretaljenega dodajnega in osnovnega materiala za tri različne zvarne spoje. Najboljši pokazatelj produktivnosti vsakega talilnega postopka varjenja je talilni učinek, to je količina dodajnega materiala pretaljenega včasovni enoti. Znano je, da je talilni učinek pri klasičnem ročnem obločnem varjenju z oplaščeno elektrodo od 0,8 do 1,6 kg/h, pri MAG varjenju od 3,0 do 6,0 kg/h in pri visoko produktivnih postopkih varjenja, kot je EPP ali pa TIME od 4,0 pa celo do15,0 kg/h. Pri točkovnem talilnem varjenju z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom pa je talilni učinek relativno nizek, kar je ugodno in zavestno doseženo. To dosežemo predvsem po zaslugi oplaščene elektrode oz. kemične sestave jedra in plašča elektrode. Del varilnega toka se namreč med varjenjem prevaja tudi skozi plašč oplaščene elektrode, kar pomeni, da se električna energija porabi za taljenje plašča, iz katere pa nastane žlindra. Poleg tega pa sestava plašča vsebuje elemente, ki med varjenjem povzročijo dva zgoraj opisana fizikalna fenomena. Oba fenomena (večja moč obloka in gibanje taline) prispevata k globlji prevaritvi in sta "bistvo" točkovnega talilnega varjenja z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom. Pri točkovnih zvarih (slika 11) je bil dosežen talilni učinek od 0,3 do 0,6 kg/h. Količina pretaljenega osnovnega materiala pa je bila mnogo večja, od 0,5 do 1,1 kg/h. To pomeni, da se je pretalilo tudi do dvakrat več osnovnega materiala kot dodajnega, kar je nekoliko MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 nenavadno za klasična obločna talilna varjenja z oplaščeno elektrodo. Pomembno vlogo pri tem postopku igrata plašč oplaščene elektrode in količina porabljene obločne energije za taljenje plašča, iz katerega preide mnogo kovinskih legirnih elementov v var, nekovinskih pa v žlindro, saj pripomorejo z raznimi "procesi" doseči večjo globino uvara. Snovi oz. posamezni elementi v plašču morajo "zožiti" oblok in vnjem koncentrirati energijo ter vtalini vara omogočiti in pospešiti gibanje taline od sredine vara v globino varjenca in nato navzgor proti površini vara ob boku vara, kot prikazuje slika 1A. 5 SKLEPI Na temelju pregleda literature, teoretičnih in praktičnih raziskavlahko zapišemo, da je to praktično novpostopek, ki vliteraturi ni opisan in vpraksi le delno uporabljen. Celotno vsebino članka in ugotovljene rezultate lahko navedemo v nekaj točkah: • točkovno talilno varjenje z oplaščeno elektrodo z ugreznjenim oblokom je lahko ročni ali avtomatski postopek; • oplaščena elektroda mora vsebovati kovinske in nekovinske elemente, ki zagotovijo zožen oblok in gibanje taline vara od sredine vara v globino in nato ob bokih vara navzgor proti površini vara; • večina "aktivnih" snovi se nahaja v plašču oplaščene elektrode; • gibanje elektrode in obloka vglobino varjenca in nato dviganje proti površini varjenca ni linearno; • s potekom kroženja vročega konca elektrode skupaj z oblokom sta določeni velikost in višino temena vara; • z napravo za avtomatsko varjenje zagotovimo avtomatsko gibanje elektrode vglobino varjenca, njeno dvigovanje kakor tudi kroženje vročega konca elektrode ob izdelavi temena vara; • zaradi "aktivnih" snovi, kot so krom, nikelj in drugi, dobimo korozijsko obstojen var; • pri trdnostno zahtevnih zvarnih spojih se priporoča predgrevanje varjencev pred varjenjem in kontrolirano ohlajanje po njem; • višina temperature predgrevanja in tudi medvarkovna temperatura sta odvisni od vrste materialov, ki jih varimo; • talilni učinek pri točkovnem talilnem varjenju je od 0,3 do 0,6 kg/h, količina pretaljenega osnovnega materiala pa od 0,5 do 1,1 kg/h; • izkoristek obločne energije je relativno nizek in je nižji od 20%. 6 LITERATURA 1 S. Yokoya, A. Matsunawa: Surface tension driven flow in semi-cylindrical basin. IIW Doc. 212-563-83 2 A. Matsunawa, T. Ohji: Role of surface tension in fusion welding (Part 1) Hydrostatic effect. Transactions of JWRI, 11(1982)2, 145 -154 199 J. TUŠEK, R. CELIN: TOČKOVNO TALILNO VARJENJE Z OPLAŠČENO ELEKTRODO A. Matsunawa, T. Ohji: Role of surface tension in fusion welding (Part 2) Hydrostatic effect. Transactions of JWRI, 12(1983)1, 124 - 130 A. Matsunawa, T. Ohji: Role of surface tension in fusion welding (Part 3) Hydrostatic effect. Transactions of JWRI, 13(1984)1, 147 - 156 L. R. White, H. T. Davis: Thermal conductivity of molten alkali nitrates. The Journal of Chemical Physics, 47(1967)12, 5433 - 5439 The Physics of Welding. Oxford, Pergamon Press, 1984 (ed. J. F. Lancaster) M. Schellhase: Der Schweisslichtbogen - ein technologisches Werkzeug (DVS Fachbuchreihe Schweisstechnik Bd. 84), Düsseldorf, DVS-Verlag, 1985 C. Laimmaneevichitr, S. Kou: Experiments to simulate effect of Marangoni convection on weld pool shape. Welding Journal, 79(2000)8, 231s - 232s G. M. Oreper, J. Szekely: Heat- and fluid-flow phenomena in weld pools. Journal of Fluid Mechanics, 147(1984), 53 - 79 C. Laimmaneevichitr, S. Kou: Visualization of Maragoni convection in simulated weld pools containing a surface-active agent. Welding Journal, 79(2000)11, 324s - 330s H. Wirtz: Das Verhalten der Stähle beim Schweissen. Teil 1: Grundlagen. Düsseldorf, Deutscher Verlag für Schweisstechnik, 1966 W. Lucas, D. Howse: Activating flux - increasing the performance and productivity of the TIG and plasma process. Welding & Metal Fabrication, 64(1996)1, 11 - 17 S. Puybouffat, et al.: Spectroscopic study of arc plasma in A TIG welding of a stainless steel 304 with TiO2 as a flux cover. IIW Doc. 212-692-00 M. Tanaka, et al.: Effects of activating flux on arc phenomena in TIG arc welding. IIW Doc. 212-964-00 S. M. Gurevič, et al.: Povyšenie effektivnosti proplavlenija titanovyh splavov pri argono-dugovoj svarke. Avtomatičeskaja svarka, (1965)9, 1 - 4. C. R. Heiple, J. R. Roper: Mechanism for minor element effect on GTA fusion zone geometry. Welding Journal, 61(1982)4, 97s - 102s W. Middel, et al.: Influence of additives on arc properties. IIW Doc. 212-972-00 W. Middel, G. den Ouden: Additive-assisted position sensing during GTA welding. IIW Doc. 212-927-98 D. S. Howse, W. Lucas: Investigation into arc constriction by active fluxes for tungsten inert gas welding. Science of Technology of Welding and Joining, 5(2000)3, 189 - 193 S. M. Gurevič, V. N. Zamkov: Nekotorye osobennosti svarki titana neplavjaščimsja elektrodom s primeneniem fljusov. Avtomatičeskaja svarka, (1966)12, 13 - 16 A. G. Simonik et al.: Effekt kontrakcij dugovogo razrjada pri vvedenii elektrootricatel’nyh elementov. Svaročnoe proizvodstvo, (1976)3, 49 - 51 Seminar on A-TIG and PATIG. E. O. Paton Electric Welding Institute, 12 July, 1999 GTAW flux shows promise for double-hull structures. Welding Journal, 79(2000)8, 119 D. Howse: Developments in A-TIG welding. TWI Report. B. de Meester: Developments of base materials for welding. Proceedings of the International Conference: Welded constructions -Achievements and perspectives for the new millenium, Florence, 13. July 2000, 9 - 25 Dong Chunlin et al.: Arc light sensing of keyhole behaviour in plasma arc welding of stainless steel. IIW Doc. 212-947-99 A. Matsunawa: Possible motive forces of liquid motion in laser weld pool. IIW Doc. IV-770-2000 200 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5