ISSN 1318-0010 KZLTET 32(135-4)265 (1998) IZGUBE MATERIALA PRI ELEKTROUPOROVNEM VARJENJU VERI@NIH ALENOV MATERIAL LOSSES BY RESISTANCE WELDING OF CHAIN LINKS FRANC LEGAT Zabreznica 36, 4274 @irovnica Prejem rokopisa - received: 1997-10-01; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-12-19 Opisane so izgube materiala in poraba energije pri razli~nih postopkih izdelave verig z varjenjem z elektri-nim tokom. Klju~ne besede: jeklo, verige, elektrouporovno in ob'igalno varjenje, izkoristek materiala Materials losses and energy use by different methods of manufacturing of chains by electrical welding. Key words: steel, chains, electrical resistance welding, materials losses Ena od najva'nej{ih nalog konstruktorjev in tehnologov je izdelati proizvode s ~im manj materiala. Zato mora biti le-ta izbran v taki obliki in s takimi lastnostmi, da nastane pri proizvodnji najmanj{i mo'ni odpadek, da se porabi za proizvodnjo ~im manj energije in je obdelava najmanj{a in najhitrej{a. Glavni prihranek osnovnega materiala je pri pripravi postopkov izdelave. Druge prihranke prina{ajo modernizacija tehnologije, racionalizacije pri delu in izbojj{ane konstrukcije. Tudi pri proizvodnji verig vseh vrst se sre-ujemo s te'avami, ki imajo odlo-ujo- vpliv na porabo jekla, in i{~emo re{itve, to so: a) uporaba ~im ve-jih kolobarjev valjane 'ice, ker se s tem 'e zmanj{a odpadek zadnjega konca ' ice b) izlo-anje materiala zaradi proizvodnih napak z vhodno kontrolo c) zmanj{evanje dimenzijskih toleranc materiala na manj{a toleran~na polja d) dobro vzdr'evanje upogibalnih in varilnih strojev, s ~imer prepre~imo nastajanje slabih ~lenov e) uporaba pravih jekel za dolo~ene vrste verig tako lahko, na primer, debelej{e verige iz navadnih jekel zamenjamo s tistimi iz legiranih, ki imajo pri enaki nosilnosti manj{o metrsko maso in jih zato la'e upravljamo f) na varilnih in upogibalnih progah lahko vgradimo varilne stroje, ki medsebojno spajajo palice in 'ice. Tako dobimo brezkon~no 'ico brez ostalih koncev (repov). Ta ukrep pride v po{tev samo pri mehkih, nizkooglji~nih jeklih. Zelo pomemben je odpadek pri varjenju. Oglejmo si najprej ob'igalno varjenje, ki je v praksi precej raz{ir-jeno. Spoj z ob'igalnega stroja ima zaradi vi{jih temperatur (do 3000°C) dosti bolj {irok zvar, ve-je, bolj {iroko razoglji~enje in grobozrnato Widmansttätsko strukturo. Prav zaradi teh napak oziroma mejnih posledic varjenja je dostikrat potrebna normalizacija za izena~itev mikrostrukture, ~eprav se verige nato {e pobolj{ajo. Pri verigah z manj{im premerom ta napaka ni tako o~itna, zato se uporablja pobolj{anje brez predhodne normalizacije. Razlike so majhne in prakti~no ne vplivajo na lastnosti verig pri uporabi. S stali{~a odgora, izgube materiala in spremembe koli~ine legirnih elementov zaradi difuzije v zvaru in njegovi okolici pa ima novo elektrouporovno varjenje brez ob'iganja, postopek KEH, znatno prednost. Razlike do danes niso zmanj{evale uporabne vrednosti verig, v bodo~e pa bo pomen legirnih elementov ve-ji, zato bo treba upo{tevati dogajanje med varjenjem. Ob' igalno vaijenjeje {e vedno konkuren~no, posebej pri ve-jih dimenzijah ~lenov in opreme. Sistem KEH pri premerih nad f 26 mm nima prihodnosti, dokler ne pride do uporabe za{~itne atmosfere, ki bo prepre~evala oksidacijo v zvaru in s tem omogo~ala ~iste zvare. Napredek pri ob'igalnem varjenju predstavlja uporaba enosmernega toka in posebne kontrolne regulacije. Taki stroji so 'e v uporabi, zato je koristno poznati ve~ njihovih zna~ilnosti. Tudi ob'igalno varjenje z izmeni~nim tokom se razvija naprej, ker je {e nere{ena vrsta problemov, ki pa imajo odlo~ilen vpliv na varjenje. Curek isker, ki nastaja pri varjenju, ni samo izguba materiala in energije, ampak tudi onesna'uje okolico stroja in zelo pove-uje stro{ke vzdr'evanja. Kapljice kovine ostajajo tudi na izdelanih veri'nih -lenih. Razvoj polprevodni{ke tehnike je omogo-il tudi razvoj varjenja z enosmernim tokom. Teoreti-no je z njim mogo-e prinesti v zvar v enoti -asa ve- toplote, kar ima za posledico kraj{e odgorevanje, kraj{i taktovni -as in {e druge prednosti. Za verigo f 30 mm so glavne razlike med varjenjem z izmeni-nim in z istosmernim tokom navedene v tabeli 1. Podobni rezultati meritev, kot so navedeni v tabeli 1, so bili dobljeni za dimenzije od f 16 mm do 34 mm v KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 3-4 185 F. LEGAT: IZGUBE MATERIALA PRI ELEKTROUPOROVNEM VARJENJU Tabela 1: Razlike med varjenjem verige f 30 mm z izmeni~nim in z enosmernim tokom Table 1: Differences by welding of a f 30 mm chain by continous and alternative current Izmeni-ni tok Enosmerni tok dolina izgubljenega materiala 14 mm 10 mm od tega: odgorevanje 9,5 mm 5 mm stiskanje 4,5 mm 5 mm sila stiskanja 96 kN 63 kN sila vpenjanja 160 kN 160 kN razdalja med elektrodama 30 mm 19,5 mm specif. sila stisk. 0,13 kN/mm2 0,083 kN/mm2 -as varjenja 10,95 s 7,90 s el. delo/za zvar 0,21 kWh 0,18 kWh podjetjih: Moj Rapid, Poljska; Retezarna, Ae(ka ves, Ae(ka in Becker Prünte, Zah. Nem~[ja. Na osnovi rezultatov so bili izdelani diagrami, ki celotni prihranek pri uporabi enosmernega toka v primerjavi z izmeni~nim prikazujejo bojj nazorno (sliki 1 in 2). Mogo-eje najbolj pomembno, da je pri enosmernem toku 14% manj(a poraba energije, izguba materiala pa za 28% manj(a kot pri dosedanjem ob'igalnem varjenju z izmeni-nim tokom. Zmanj(ana izguba materiala pomeni zmanj(ano ob'iganje, onesna'enje stroja in okolja ter zmanj(ano izgubo -asa za -i(-enje in odstranjevanje isker. Najbolj pomembna prednost pa je zmanj(anje varilnega -asa za 34% in -asovnega ciklusa za 25%, kar pove~a produktivnost. To je pomembno, ker je ponavadi varjenje ozko grlo v proizvodnji. Mikrostrukturne preiskave ka'ejo, da je dele' grobozrnate strukture pri enosmernem toku precej manj(i kot pri izmeni-nem. To se ka'e tudi v porazdelitvi trdote (slika 3), zato je zvar z enosmernim tokom veliko bolj duktilen. Njegova ve-ja (irina ka'e, da je material pri varjenju z izmeni-nim tokom dlje -asa izpostavljen visokim temperaturam, kar omogo-a ve-jo rast zrn. Zaradi vi(je temperature je podro-je ob zvaru (ir(e, zvar se pri ohlajanju delno zakali, kar ka'e tudi trdotna krivulja. Poleg dobrih strani ima varjenje z enosmernim tokom tudi slabe, npr.: - potrebna je ve-ja investicija zaradi usmernika - ve-ja je poraba hladilne vode - ve-ji je delovni prostor in - varilni stroj mora imeti nekaj nemagnetnih delov. Vendar pa je kljub slabim stranem novi sistem za ob'igalno varjenje bolj perspektiven. Zaradi bolj(ega pregleda navajamo glavne primerjalne karakteristike za obe vrsti topega varjenja, elektrouporovno in ob'igalno, veri'nih -lenov ve-je kakovosti. Elektrouporovno varjenje Elektrouporovno ob'igalno varjenje Razlike kratki -asi varjenja -ist postopek majhna poraba materiala dalj(i -asi varjenja ne-ist postopek ve-ja poraba materiala Zahteve glede ice in upognjenega -lena 'ica vle-ena, 'arjena zelo -ista povr(ina manj(e tolerance upogibanja koni-en zvarni spoj premer 'ice do cca f 26 mm ica toplo valjana arjena -ista povr(ina nekaj ve-je tolerance upogibanja nezahteven zvarni spoj (rezanje) premer ice od cca 13 mm navzgor Ekologija delovnega mesta zelo -ist postopek malo plinov pri varjenju, ki jih lahko odvedemo ne-ist postopek z nekaj plinov in mo-nim curkom kapljic kovine, ki so (e manj(e pri enosmernem toku Na kratko povedano je sistem KEH -isto varjenje z zelo kratkimi varilnimi -asi, pri katerem se porabi manj materiala. Za teko- proces v proizvodnji moramo imeti nekoliko bolje pripravljeno 'ico, ki zagotavlja dobre kontaktne povr(ine in solidne tolerance pri upogibanju. Priprava 'ice pa se zahteva zato, ker se jeklo pri ohla- Slika 1: Nekatere -asovne karakteristike varjenja veri'nih -lenov z izmeni-nim in enosmernim tokom Figure 1: Some time caracteristics of welding of chain links with alternative and continous current Slika 2: Relativne prednosti varjenja veri'nih -lenov z enosmernim tokom. 100% stolpec pomeni varjenje z izmeni-nim tokom Figure 2: Relative advantages of chain links welding with continous current. The 100% column represents the welding with alternative current 136 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2 F. LEGAT: IZGUBE MATERIALA PRI ELEKTROUPOROVNEM VARJENJU Tabela 2: Podatki o dolini palice in o masi upognjenega in zvarjenega -lena Table 2: Data on the rod lentgh and the weight of the bent and welded chain link Veriga Varilni stroj Dol ' ina rezanja Masa up.-l. Masa varj.-l. kg Dovoljena razlika veriga/jeklo f mm ravne palice mas v%; predpis prakti-ne tip mm kg TV Lesce vrednosti 14x50 169 0,215 0,195 10 100/116,5 16x64 203 0,352 0,320 10 100/116,5 18x64 KEH,MRP II 210 6 0,490 0,445 10 100/116,5 18x64 KSH 22 211 6 0,495 0,445 10 100/116,5 18x64 MRP III 211 6 0,495 0,445 10 100/116,5 18x80 MRP III 244 0,528 0,480 10 100/111 20x80 KSH 22 254 0,690 0,616 12 100/111 20x80 MRP III 253 0,690 0,616 12 100/111 22x86 KSH 22 272 0,910 0,810 12 100/111 22x86 MRP III 272 0,910 0,810 12 100/111 24x86 KSH 22 281 1,204 1,075 12 100/111 24x86 MRP III 281 1,204 1,075 12 100/111 24x86 MRP III 281 1,204 1,075 12 100/111 26x86 KSH 22 302 1,520 1,350 12 100/111 26x86 MRP III 302 1,520 1,350 12 100/111 janju na va[j~nih progah lahko nekoliko zakali in ga je zato treba pred upogibanjem mehko ' ariti. Posebej je na stroju treba paziti na polo'aj elektrod in na obliko in kakovost koni~no ali kri'no zarezanega zvarnega spoja. Zaradi boj{e predstave navajamo v tabeli 2 za najbolj zanimive dimenzije f 14 do 26 mm podatke o skupnih dol'inah odgorevanja in stiskanja, zbrane iz lastnih izku{enj in iz informacij proizvajalcev varilnih strojev. Doma~i in tuji viri ne navajajo dol'in stiskanja in odgorevanja, ampak maso ~lenov v upognjenem stanju in maso zvarjenega ~lena. V tabeli so podatki iz podjetjj Ae{ka ves na Ae{kem, Moj Rapid iz Poljske, Brückel iz Avstrjje in tudi iz podjetjj Rud, Erlau, Becker Prünte in Weissenfeld iz ZR Nem-Je ter podatki iz TV Lesce. Odpadek v tabeli 2 je zelo velik in ga verjetno pri-akujemo takrat, kadar z odgorevanjem popravljamo druge napake, npr.: slabo rezanje in slabo upogibanje. Zato smo dobili bojj{o dobit materiala pri prakti-nem tehtanju dobro upogibanih in normalno ob'igalno varjenih -lenov f 14 po DIN 22252 I, npr.: povpre-na masa it t! u u i-' î.5 ;.c 15 o - w L5. /' :: v ^ c: Slika 3: Porazdelitev trdote na -rti, pravokotni na izmeni-ni in na enosmerni zvar verige f 22 mm iz jekla 23MnNiCrMo64 Figure 3: Hardness distribution on a line orthogonal to the continous and the alternative weld of a f 22 mm chain from steel 23MnNiCrMo64 137 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2 te'a upognjenega -lena 0,207 kg, dol'ina palice 171,35 mm, povpre-na masa zvarjenih -lenov 0,197 kg, razvita dol'ina varjenega -lena 163,08 mm. Izguba materiala je bila 10 g oz. 5,08%, kar je polovico vrednosti, navedenih v tabeli 2. Ae upo{tevamo {e tolerance zaradi ovalnosti valjanih palic, ravnin rezanja in odprtih spojev, dobimo izgubo materiala povpre-no 8%, kar je obi-ajno za to vrsto zvarov. Pri razli-nih proizvajalcih verig so izgube materiala pri verigi f 14 x 50 po DIN 22252 med 5 in 8%, redko 10%. V tabeli 3 navajamo osnovne podatke za -lene, izdelane na sistemih KEH. Ra-unska bruto masa -lena je za 1 - 1,9% ve-ja od neto, empiri-na bruto masa -lena pa je za 2,4 - 3,7% ve-ja od neto mase. Po standardu je potrebno za 100 kg verig vzeti 106,6 kg jekla. Ponoven prakti-en preizkus za -len f 14x50 mm, varjen na KEH 7, pa je dal naslednje vrednosti: povpre-na masa upognjenega -lena 0,200 kg, dol'ina ravne palice 165,60 mm, povpre-na masa zvarjenih -lenov 0,196 kg, razvita dol'ina -lena 162,25 mm in razlika mas Ag = 4 g oz. 2,04%. Tabela 3: Podatki o izgubi materiala pri izdelavi visokoodpornih verig po DIN 5684, razred 6 na stroju vrste KEH Table 3: Data on material losses by manufacturing of chains after DIN 5684 cl. 6 on a KEH machine Nazivna dim.verige mm Razv. dol'.L mm Varjena masa/-l. g Upog.empir. prakt.teht. g Upogib.teor.iz ra-unana masa (g) % D 5x15 53,57 8,1 8,34 8,25 2,9 D 5x18,5 60,57 9,25 9,53 9,33 3 D 7x21 74,92 22,47 23,15 22,63 D 9x27 96,40 47,25 48,67 68,10 D 11x31 114,10 83,70 86,21 85,12 D 13-36 133,57 136,8 140,90 139,18 Iz teh preizkusov sledi, da je realna masa izgubljenega materiala med 2,4 in 3,7%. Prej omenjena izguba 5 do 8% pa upo{teva potrebo jekla za 100 kg verig, ki vsebuje tudi vse preizkuse in izmete od 'ice do F. LEGAT: IZGUBE MATERIALA PRI ELEKTROUPOROVNEM VARJENJU gotove verige, vk[ju~no z odgorom pri toplotni obdelavi in izgubo pri ~i{~enju verige. Iz vseh preizkusov in podatkov lahko sklepamo, da je izguba materiala pri ob' igalnem varjenju mnogo ve~ja kot pri topem varjenju po sistemu KEH. Na osnovi tabel in primerjav doma~ih in tujih postopkov smo ugotovili, da je povpre~no razmerje izgube materiala: ob'igalno: KEH = 7,5 : 3,0%. Toleran~no polje izgube pa je ve~je ali manj{e in odvisno od prej navedenih dejavnikov. Pomembna primerjava je tudi poraba elektri~ne energije na ~len oz. opravljeno delo v kWh za posamezen ~len. Pri ob'iganju je potrebna elektri~na energija za: a) pripravo spoja in kratek stik b) predgrevanje c) segrevanje - hrbtnega dela in d) ob'iganje dolo~ene dol'ine palice za pripravo obeh spojnih koncev ~lena. Pri topem elektrouporovnem varjenju gre energija v celoti za segrevanje zvarnega spoja. To pomeni, da lahko {tejemo dol'ino stiskanja pri odgorevnem varjenju in pri topem varjenju, sistem KEH, za pribli'no enako, vse druge razlike porabe energije pa so v {kodo ob' igalnemu varjenju. Koli~ina dovedene energije na enoto ~asa je pri sistemu KEH ve~ja, kar pa omogo~a ve~jo proizvodnost sistema. 138 KOVINE, ZLITINE, TEHNOLOGIJE 32 (1998) 1-2