UDK 621.791.05 ISSN 1580-2949 Strokovničlanek MATER. TEHNOL. 35(5)283(2001) J. TUŠEK ET AL.: ZLEP - ZAHRBTNA IN PREPOGOSTA NAPAKA VARILCEV ZLEP - ZAHRBTNA IN PREPOGOSTA NAPAKA VARILCEV INCOMPLETE FUSION - A TREACHEROUS AND TOO-FREQUENT WELD DEFECT PRODUCED BY WELDERS Janez Tušek,1 Gabrijel Rihar,2 Marijan Rojc2 1Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana, Slovenija janez.tusekŽguest.arnes.si Prejem rokopisa - received: 2001-06-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-08-16 Članek obravnava napake v zvarnih spojih imenovane zlep, ki nastanejo zaradi nepopolne spojitve med osnovnim in dodajnim materialom alimed dvema varkoma. V članku so opisaninajpogostejširazlogiza nastanek zlepa. To so: pihalniučinek varilnega obloka, nepravilna lega gorilnika med varjenjem, nekontrolirano gibanje taline vara, nezadostni vnos energije v varjenec in nepravilno pripravljen zvarni žleb. Zlep je prikazan na makro obrusih zvarov pri sočelnih spojih. V članku sta prikazana in opisana "črni" in "beli" zlep. Na koncu članka je podanih nekaj zaključkov, ki imajo praktičen pomen za varilce in varilne tehnologe. Ključne besede: zlep, varjenje, varilni oblok, talina vara, makro obrusi This paper treats a weld discontinuity called incomplete fusion in which fusion does occur between the weld metal and the fuison faces or adjoining weld beads. The paper states some reasons for the occurrence of the incomplete fusion, i.e. the arc-blow effect, an inappropriate gun position, an uncontrolled movement of the weld pool, a too-low energy input, an improper joint preparation. The defect is illustrated in some macrographs of the weld. At the end some practical conclusions are drawn. Key words: incomplete fuison, welding, welding arc, weld pool, macrograph 1 UVOD Zlep je varilska napaka oz. napaka v zvarnem spoju, ko ne dosežemo popolne spojitve med dodajnim in osnovnim materialom, ali pa med dvema varkoma, ali celo dvema slojema varkov, pretežno samo iz dodajnega materiala. Zlep nastane med varjenjem, največkrat brez vednostivarilca alioperaterja pristroju in ga je po varjenju vizualno aliz neporušnimimetodamizelo težko ali praktično nemogoče zaznati. Najpogosteje ga odkrijemo pri upogibnem poskusu celotnega zvarnega spoja, ko pride do porušitve preko zlepa z relativno nizko obremenitvijo. Porušitev navadno nastane preko zvarnega robu alipa preko mej posameznih varkov, kar pomeni, da se je na tem mestu resnično nahajal zlep. Glavnirazlog za nastanek zlepa je v nezadostivisoki dovedenienergijina mestu varjenja. To pomeni, da osnovnimaterialiv zvarnem žlebu alipa predhodno izdelanivarkiniso ogretido tališča, da bise skupaj z raztaljenim dodajnim materialom razmešali in tvorili enoten spoj. Razloge za zlep ne smemo iskati v dodaj-nem materialu, ampak izključno v pripravi zvarnega žleba, v izdelavi varilne tehnologije, skupaj z varilnimi parametri in v izvajanju odobrene tehnologije. V praksi se je pokazalo, da so samivarilcinajvečkrat razlog za nastajanje zlepov. Dobro izučen varilec bo osnovni material raztalil z oblokom, ga "pomešal" z dodajnim materialom in tako ustvaril zvar. Podobno morajo postopatioperaterjipriavtomatskem alirobotiziranem varjenju. Neizkušen ali vse prepogosto površen varilec pa zelo hitro na posameznih delih ali celo na celotni dolžinivara zaraditakšnih alidrugačnih razlogov, ki bodo prikazaniv tem članku, povzročizlep. Zlep je kot napaka v zvarnem spoju obravnavan tudi v standardu SIST EN 26520 oz. ISO 6520, ki klasificira napake v talilnih zvarih na kovinah 1. Pojasnjen je kot pomanjkljiva spojitev med varom in osnovnim materialom alimed dvema varkoma. Standard delizlepe glede na lokacijo v varu na tri kategorije (zlep na zvarnem robu, zlep med varkiin zlep v korenu). Nekateri zlep delijo glede na prisotnost ali neprisotnost vključkov v zlepu na "črni" in "beli" zlep. Medtem ko standard SIS EN 25817, kiobravnava napake na obločno zvarjenih spojih na jeklu, o zlepih sploh ne govori. V točki 9 sicer omenja prenizek uvar toda le z vidika premalo pretaljenega osnovnega materiala in ne govori o osnovnem materialu, kine bibil prevarjen 2. Zlep je ploskovna napaka zelo različnih dimenzij in oblik. Pogostokrat se dogodi, da je poudarjena ena dimenzija napake, to je v vzdolžni liniji vara. 2 ZAKAJ NASTANE ZLEP? V uvodu smo zapisali definicijo zlepa in najpomembnejširazlog za njegov nastanek. Vzrokov za nepretalitev zvarnega žleba oziroma predhodnega varka pa je več 3-9. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 283 J. TUŠEK ET AL.: ZLEP - ZAHRBTNA IN PREPOGOSTA NAPAKA VARILCEV Čf— .A jj a St» »DUH +> Slika 1: Primeriodklanjanja obloka zaradidelovanja elektromagnetne sile Figure 1: Arc deflection due to the action of electromagnetic force 2.1 Pihalni učinek O pihalnem učinku govorimo, ko se nam zaradi takšnih ali drugačnih razlogov odkloni varilni oblok od idealne lege. Najpogostejša razloga za pihalni učinek sta elektromagnetna sila in mehanska sila zaradi prepiha zraka aliplina. Na sliki 1 je prikazan princip delovanja elektromagnetne sile, kiodklonioblok. V vseh treh primerih se okoli obloka ustvari neenakomerno magnetno polje, ki skupaj z električim poljem povzroči elektromagnetno silo, ki učinkuje na oblok. Preprosto povedano, oblok se odkloniod mesta z gostejšimi magnetnimi silnicami proti področju z redkejšimi. Na sliki 2 je prikazan primer, ko pihalni učinek povzroči zlep. Oblok je pritegnila elektromagnetna sila protistenivarjenca, jo segreva in tali, zvarnižleb, v katerega padajo raztaljene kapljice iz žice, pa je hladen in neraztaljen. V praksi pa je še mnogo drugih primerov (slika 1), ko pihalni učinek povzroči nepopolno pretalitev oz. zlep. Slika 3: Priporočljiva lega gorilnika za varjenje MAG/MIG sočelnega zvarnega spoja in spoja T Figure 3: Recommended position of a GMAW gun for welding of a butt joint and a T-joint 2.2 Nepravilna lega gorilnika Druga, zelo pogosta napaka za nastanek zlepa je nepravilna lega gorilnika. Najpogosteje jo povzroči varilec priročnem varjenju z oplaščeno elektrodo alipa pripolavtomatskem varjenju MAG/MIG. Večina varilcev drži gorilnik med varjenjem preveč položno glede na vodoravno lego varjenca privarjenju v vodoravni legi. To si razlagajo in opravičujejo z boljšo preglednostjo na mesto varjenja. Slika 3 prikazuje priporočljivo lego gorilnika pri polavtomatskem varjenju MAG/MIG sočelnega zvarnega spoja in spoja T. Na sliki 4 pa je prikazana nepravilna lega gorilnika, kipovzročizlep. Varilnioblok talivrhnjirob zvarnega žleba, koren vara nipretaljen, v njega padajo raztaljene kapljice, ki se ne razmešajo z osnovnim materialom, ampak z njim tvorijo zlep. 2.3 Nekontroliran "pobeg" taline vara Priobločnem talilnem varjenju z dodajnim materialom (ročno obločno varjenje, MAG/MIG -varjenje) in še posebno pri visokoproduktivnih obločnih varjenjih (TIME, LINDFAST, RAPID-ARC, RAPID-MELT-proces), ko je med varjenjem prisotna velika količina taline, se pogosto lahko dogodi, da nam talina vara nekontrolirano pobegne naprej v smerivarjenja alipa v kakšno drugo smer v levo alidesno stran od sredine vara. Pritem talina, če prehitioblok, preprečiogrevanje zvarnega žleba in se med talino dodajnega materiala in Slika 2: Pihalni učinek odkloni oblok, kapljice padajo v neraztaljen žleb in med osnovnim in dodajnim materialom se tvori zlep Figure 2: Arc-blow deflects the arc, droplets fall into the unmolten weld groove, insomplete fusion occurs Slika 4: Nepravilna lega gorilnika oz. elektrode med varjenjem povzročizlep v korenu vara Figure 4: Improper position of a welding gun and electrode producing incomplete fusion at weld root 284 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 J. TUŠEK ET AL.: ZLEP - ZAHRBTNA IN PREPOGOSTA NAPAKA VARILCEV Slika 5: Talina vara je "pobegnila" pred oblok in v zvarnem žlebu se tvorizlep Figure 5: Weld pool "fleeing" ahead of the arc to produce incomplete side fusion osnovnim materialom tvori zlep. Druga težava, ki pri tem nastopi pa je, da se nam talina razlije v levo ali desno stran neraztaljenega zvarnega žleba. Na sliki 5 je prikazan primer, ko je med varjenjem talina "pobegnila" pred oblok, le-ta gori med elektrodo in talino, jo sicer pregreva, toda osnovnega materiala ne raztalioz. ne ogreje do zadostivisoke temperature, da bi tvoril enoten spoj. Drugi primeri, ko nam talina nekontrolirano pobegne v levo ali desno od sredine vara se najpogosteje pripeti pri visokoproduktivnih obločnih varjenjih, če varimo v široki žleb v prisilnih legah. Po nekaterih podatkih zelo izkušeni varilci še "obvladajo" talino vara pri varjenju v vodoravni legi s talilnim učinkom do 10 kg/h. Takšna količina taline pa se lahko pojavlja le pri visokoproduktivnih talilnih postopkih. 2.4 Varjenje z prenizkim vnosom energije v varjenec Varilniparametripriobločnem talilnem varjenju imajo različen vpliv na končno obliko in dimezijo vara. Jakost varilnega toka vpliva predvsem na globino uvara in manj na njegovo širino. Z obločno napetostjo se spreminja dolžina obloka, ki vpliva na širino uvara. Hitrost varjenja pa vpliva na globino in širino vara. Vsi trije parametripa so zajetiv enačbi1, kipopisuje količino vnesene energije v varjenec. E = —rj |J/cml 81) v Slika 6: Napakipripripravizvarnega stika, kilahko povzročita ali pospešita nastajanje zlepa Figure 6: Mistakes in weld preparation which may produce or promote the occurrence of incomplete fusion MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 I /A/ - jakost varilnega toka U /V/ - obločna napetost v /cm/s/ - hitrost varjenja ? / - / - izkoristek v oblok dovedene energije Iz enačbe je razvidno, da varilni parametri linearno vplivajo na količino vnesene energije. To pa v resnici v praksinipopolnoma res. Na primer z večanjem obločne napetostise podaljša varilnioblok in glede na enačbo 1 se linearno poveča količina vnesene energije, pri tem pa se močno povečajo izgube v okolico, kar pa v enačbi 1 ni zajeto. Do nasprotne ugotovitve pa lahko pridemo pri varjenju s podaljšanim prostim koncem žice. Padec napetosti bo pri varjenju z daljšim prostim koncem žice relativno nizek, v prosti konec žice pa se kljub temu vnese velika količina energije, kar pa tudi ni zajeto v enačbi 1. V takšnem primeru se veliko energije porabi za ogrevanje prostega konca žice in manj v obloku za raztalitev osnovnega materiala, kar je osnovni razlog za nastanek zlepa. 2.5 Nepravilna priprava zvarnega stika Nepravilna priprava zvarnega stika dveh varjencev samo po sebiše nirazlog za nastanek zlepa v zvaru, ampak lahko ustvaripogoje za njegov lažjinastanek. Napogostejše napake pripripravizvarnega stika so premajhen kot posnetja, nepravilno razmerje med širino in globino uvara, zamik enega varjenca proti drugemu in nezadosti očiščena površina. Na sliki 6 sta prikazani dve prej omenjeninapaki. Na levistranije premajhen kot poševno posnete stične ploskve, na desni pa zamik enega varjenca protidrugemu. V obeh primerih obstaja nevarnost, da skoraj navpične ploskve med varjenjem ne bomo raztalili, da jo bo zalila talina vara, pretežno sestavljena iz dodajnega materiala in z osnovnim materialom tvorila le zlep in ne popolne prevaritve. 3 MIKROSKOPSKA ANALIZA ZLEPA Kot smo že omenili zlep najpogosteje odkrijemo pri upogibnem poskusu celotnega zvarnega spoja. Na sliki 7 je prikazana porušitev sočelnega zvarnega spoja, zvara-V preko zlepa med dvema varkoma. Slika 7: Porušitev preko zlepa pri upogibnem poskusu sočelnega zvarnega spoja z zvarom V (povečava 3-krat) Figure 7: Fracture through incomplete fusion in the bend test of a single-V-groove weld (Magnification 3 times) 285 J. TUŠEK ET AL.: ZLEP - ZAHRBTNA IN PREPOGOSTA NAPAKA VARILCEV Mâkroobrus vara (4x) Ziep temena vara (lOOx) Slika 8: "Črni" zlep v temenu vara V sočelnega zvarnega spoja Figure 8: "Collage noir" at the weld face of a single-V weld Zlep med osnovnim in dodajnim materialom (lOOx) Slika 9: "Beli" zlep med osnovnim in dodajnim materialom. Figure 9: "Collage blanc" between the metal and the filler material Razlog za nastanek zlepa je iz slike 7 težko ugotoviti. Verjetno pa je, da je vzrokov več; od nepravilne lege varilnega gorilnika, preko nekontroliranega gibanja taline vara pa do nizkega vnosa energije v varjenec. Še največja verjetnost je, da je varilec varil z veliko količino taline, sestavljene predvsem iz dodajnega materiala, ki pa jo med varjenjem ni"obvladal" in mu je nekontrolirano pobegnila naprej v smeri varjenja pred oblok. Že v uvodu smo zapisali, da nekateri raziskovalci zlep delijo na "belega" in "črnega". O črnem zlepu govorimo, če med osnovnim in dodajnim materialom ali med varki ležijo oksidi in nečistoče. To pomeni, da zvarni žleb pred varjenjem ni bil pravilno pripravljen in da nečistoče in oksidi s toploto niso bili raztaljeni, da bi priplavali na površje taline. Na sliki 8 je "črni" zlep skupaj z zvarom tudiprikazan. O "belem" zlepu pa govorimo, če v njem ni nečistoč. To pomeni, da se stikata "čista" materiala, ki pa se nista spojila oz. zvarila zaradi premalo dovedene energije v osnovnimaterila oz. v predhodnivarek, če zlep nastane med varki. "Beli" zlep je prikazan na sliki 9, pritem nastopi vprašanje, ali so bile nečistoče in oksidi odstranjeni s površine pred varjenjem ali pa jih je raztalil oblok ali talina vara. V vsakem primeru pa je bilo energije premalo, da bi se površina osnovnega materiala oz. predhodno narejenega varka raztalila. 4 UGOTOVITVE Zlep je torej varilska napaka, ki nastane med varjenjem zaradi pihalnega učinka na oblok, nepravilne lege varilnega gorilnika, nekontroliranega vodenja taline vara, nepravilne priprave zvarnega žleba ali zaradi prenizkega vnosa energije v varjenec. Zlep je vizualno ali z neporušnimi metodami, kot je ultrazvok alirentgen, zelo težko alipraktično nemogoče odkriti. Poznamo "črni" in "beli" zlep. Največkrat se zlep odkrije pri upogibnem poskusu celotnega zvarnega spoja. V članku je zlep prikazan na makro in mikroobrusih zvarov. 5 LITERATURA 1 SIST EN 26520: Klasifikacija napak v zvarnih spojih z razlagami (1996) 2 SIST EN 25817: Obločno zvarjenispojina jeklu - smernice za oceno napak na zvarih 3 Gas-schielded Metal-Arc Welding of Steel. Directions for Execution of Process. Avoidance of Lack of Fusion. IIW Doc. XII-B-049-83. International Institute of Welding, (1983) 4 Killing, R., Hantsch, H.: Betrag zur Frage der Bindefehlerempfindlichkeit bem Metall-Aktivgasschewißen mit Fulldrahtelek-troden. Schweißen und Schneiden, 45 (1993) 12, 689-693 5 Yamauchi, N., Inaba, Y., Taka, T.: Formation Mechanism of Lack of Fusion in MAG Welding. IIW Doc. 212-529-82. International Institute of Welding, 1982 6 Multilingual Collection of Terms for Welding and Allied Processes. International Institute of Welding. Part 1. General Terms. Institut za varilstvo, Ljubljana, 1988 7 Causes for Weld Defects. IIW Doc. XII-B-046-83. International Institute of Welding, 1983 8 Rihar, G.: Zlepi v zvarnih spojih. Institut za varilstvo, Ljubljana, 2000 9 Šipek, M.: Seminar ultrazvoka, Ravne, 1994 286 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5