Osim procesnih čimbenika, i drugi čimbenici procesa zavarivanja, kao što su veličina utora i veličina razmaka, kut nagiba elektrode i obratka te prostorni položaj spoja, također mogu utjecati na formiranje i veličinu zavara.
Utjecaj struje zavarivanja na formiranje zavara
Pod određenim uvjetima, kako se struja elektrolučnog zavarivanja povećava, dubina prodiranja i ojačanje zavara se povećavaju, a širina zavara se neznatno povećava. Razlozi su sljedeći:
1) Kako se struja zavarivanja povećava, povećava se sila luka koja djeluje na zavareni spoj, povećava se unos topline luka u zavareni spoj, a položaj izvora topline pomiče se prema dolje, što pogoduje provođenju topline u smjeru dubine rastaljene kupke i povećava dubinu prodiranja. Dubina prodiranja približno je proporcionalna struji zavarivanja. Dubina prodiranja zavara H približno je jednaka Km × I. U formuli, Km je koeficijent prodiranja (broj milimetara za koji se dubina prodiranja zavara povećava kada se struja zavarivanja poveća za 100 A), koji je povezan s metodom elektrolučnog zavarivanja, promjerom žice, vrstom struje itd. kao što je prikazano u Tablici 1-1.
| metode elektrolučnog zavarivanja | promjer elektrode/mm | struja zavarivanja/A | napon/V | brzina zavarivanja/mh-1 | koeficijent prodiranja/m m-100A-1 |
zavarivanje volframovim argonom | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
plazma elektrolučno zavarivanje | Otvor mlaznice 1,6 | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1,2~2 |
| Otvor mlaznice 3,4 | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1,0~1,7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
zavarivanje argonom s elektrodom za taljenje | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| CO2 zavarivanje | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tablica 1-1 Koeficijent dubine taljenja Km za različite metode i parametre elektrolučnog zavarivanja (čelik za zavarivanje)
2) Brzina taljenja jezgre za zavarivanje ili žice za zavarivanje kod elektrolučnog zavarivanja proporcionalna je struji zavarivanja. Budući da povećanje struje zavarivanja kod elektrolučnog zavarivanja dovodi do povećanja brzine taljenja žice za zavarivanje, količina rastopljene žice za zavarivanje povećava se približno proporcionalno, dok se širina zavara manje povećava, pa se pojačanje zavara povećava.
3) Nakon povećanja struje zavarivanja, promjer stupca luka se povećava. Međutim, dubina na kojoj luk prodire u obratak se povećava, a raspon kretanja točke luka je ograničen. Stoga je povećanje širine zavara relativno malo.
Kod zavarivanja metala u zaštitnoj atmosferi inertnog plina (MIG), kada se struja zavarivanja poveća, povećava se i dubina prodiranja zavara. Ako je struja zavarivanja prevelika, a gustoća struje prevelika, sklona je pojavi prstastog prodiranja, posebno pri zavarivanju aluminija.
Utjecaj napona luka na formiranje zavara
Pod određenim uvjetima, kada se napon luka poveća, snaga luka se povećava, a time se povećava i unos topline u zavareni spoj. Međutim, povećanje napona luka postiže se povećanjem duljine luka. Povećanje duljine luka dovodi do povećanja radijusa izvora topline luka i povećanja rasipanja topline luka. Kao rezultat toga, gustoća energije koja se dovodi u zavareni spoj se smanjuje, pa se dubina prodiranja neznatno smanjuje, dok se širina zavarenog spoja povećava. Istovremeno, budući da struja zavarivanja ostaje nepromijenjena, a količina taljenja žice za zavarivanje nepromijenjena, ojačanje zavarenog spoja se smanjuje.
Kod različitih metoda elektrolučnog zavarivanja, kako bi se postiglo pravilno formiranje zavara, odnosno održao odgovarajući koeficijent formiranja zavara φ, potrebno je istovremeno povećati napon luka, što rezultira odgovarajućim usklađivanjem napona luka i struje zavarivanja. To je najčešće kod elektrolučnog zavarivanja potrošnom elektrodom.
Utjecaj brzine zavarivanja na formiranje zavara
Pod određenim uvjetima, povećanje brzine zavarivanja dovest će do smanjenja unosa topline zavarivanja, čime se smanjuje i širina zavara i prodiranje. Budući da je količina nanesenog metala žice po jedinici duljine zavara obrnuto proporcionalna brzini zavarivanja, to također dovodi do smanjenja ojačanja zavara.
Brzina zavarivanja važan je pokazatelj za procjenu produktivnosti zavarivanja. Kako bi se poboljšala produktivnost zavarivanja, brzinu zavarivanja treba povećati. Međutim, kako bi se osigurala veličina zavara potrebna u konstrukcijskom dizajnu, uz povećanje brzine zavarivanja, struja zavarivanja i napon luka trebaju se sukladno tome povećati. Ove tri veličine su međusobno povezane. Istovremeno, treba uzeti u obzir da se pri povećanju struje zavarivanja, napona luka i brzine zavarivanja (tj. korištenjem luka za zavarivanje velike snage i zavarivanja velikom brzinom zavarivanja) mogu pojaviti nedostaci zavarivanja poput podrezanja i pukotina tijekom stvaranja rastaljenog kupelji i procesa skrućivanja rastaljenog kupelji. Stoga je povećanje brzine zavarivanja ograničeno.
Utjecaj vrste i polariteta struje zavarivanja te veličine elektrode na formiranje zavara
1. Vrste i polariteti struje zavarivanja
Vrste struje zavarivanja dijele se na istosmjernu i izmjeničnu struju. Među njima, zavarivanje istosmjernom strujom dalje se dijeli na konstantnu istosmjernu struju i pulsirajuću istosmjernu struju prema tome postoji li puls u struji; dijeli se na istosmjernu struju s pozitivnim priključkom (zavareni spoj je spojen na pozitivan pol) i istosmjernu struju s obrnutim priključkom (zavareni spoj je spojen na negativan pol) prema polaritetu. Zavarivanje izmjeničnom strujom dalje se dijeli na sinusnu izmjeničnu struju i pravokutnu izmjeničnu struju prema različitim valnim oblicima struje. Vrsta i polaritet struje zavarivanja mogu utjecati na količinu topline koja se dovodi iz luka u zavareni spoj, pa tako mogu utjecati na stvaranje zavara. Istovremeno, mogu utjecati i na proces prijenosa kapljica i uklanjanje oksidnog filma na površini osnovnog metala.
Kada se volframovo elektrolučno zavarivanje u inertnom plinu koristi za zavarivanje metalnih materijala poput čelika i titana, prodiranje zavara je najveće kada je istosmjerna struja spojena u pozitivnom smjeru, prodiranje je najmanje kada je istosmjerna struja spojena u obrnutom smjeru, a izmjenična struja je između ta dva smjera. Budući da je prodiranje zavara najveće kada je istosmjerna struja spojena u pozitivnom smjeru, a volframova elektroda ima najmanji gubitak gorenja, pozitivni priključak istosmjerne struje treba koristiti kada se volframovo elektrolučno zavarivanje u inertnom plinu koristi za zavarivanje metalnih materijala poput čelika i titana. Kada se pulsirajuće istosmjerno zavarivanje koristi u volframovom elektrolučnom zavarivanju u inertnom plinu, budući da se parametri pulsa mogu podesiti, veličina zavara može se kontrolirati prema potrebi. Kada se volframovo elektrolučno zavarivanje u inertnom plinu koristi za zavarivanje aluminija, magnezija i njihovih legura, potrebno je koristiti učinak čišćenja katode luka za čišćenje oksidnog filma na površini osnovnog metala. Izmjenična struja je bolja. Budući da se parametri valnog oblika pravokutne izmjenične struje mogu podesiti, učinak zavarivanja je bolji.
Kod plinskog elektrolučnog zavarivanja, kada je istosmjerna struja obrnuto spojena, prodiranje i širina zavara su veći nego kod pozitivnog spoja istosmjerne struje. Prodiranje i širina zavarivanja izmjeničnom strujom su između ta dva. Stoga se kod zavarivanja pod praškom općenito koristi obrnuti spoj istosmjerne struje za postizanje većeg prodiranja; dok se kod navarivanja pod praškom koristi pozitivni spoj istosmjerne struje za smanjenje prodiranja. Kod plinskog elektrolučnog zavarivanja sa zaštitnim plinom, budući da obrnuti spoj istosmjerne struje ne samo da ima veliku dubinu prodiranja, već su i luk za zavarivanje i proces prijenosa kapljica stabilniji od onih kod pozitivnog spoja istosmjerne struje i izmjenične struje, te ima učinak čišćenja katode, široko se koristi. Pozitivni spoj istosmjerne struje i izmjenična struja se općenito ne koriste.
2. Utjecaj oblika vrha volframove elektrode, promjera žice za zavarivanje i duljine produžetka
Kut i oblik prednjeg kraja tun, gsten elektrode imaju veći utjecaj na koncentraciju luka i tlak luka. Treba ih odabrati prema struji zavarivanja i debljini obratka. Općenito, što je luk koncentriraniji i tlak luka veći, to je veća dubina prodiranja, dok se širina zavara odgovarajuće smanjuje.
Kod plinskog elektrolučnog zavarivanja, kada je struja zavarivanja konstantna, što je žica za zavarivanje tanja, to je koncentriranije zagrijavanje luka, dubina prodiranja se povećava, a širina zavara se smanjuje. Međutim, pri odabiru promjera žice za zavarivanje u stvarnim projektima zavarivanja, treba uzeti u obzir i jačinu struje i morfologiju zavarivačke kupke kako bi se izbjeglo loše formiranje zavara.
Kada se duljina produžetka žice kod plinskog elektrolučnog zavarivanja poveća, povećava se toplinski otpor koji stvara struja zavarivanja koja prolazi kroz produženi dio žice, što povećava brzinu taljenja žice. Stoga se pojačanje zavara povećava, dok se dubina prodiranja donekle smanjuje. Zbog relativno velikog otpora čeličnih žica za zavarivanje, utjecaj duljine produžetka žice na formiranje zavara relativno je očit kod zavarivanja čeličnim i finim žicama. Otpor aluminijskih žica za zavarivanje relativno je mali, pa njegov utjecaj nije značajan. Iako povećanje duljine produžetka žice može poboljšati koeficijent taljenja žice, uzimajući u obzir sveobuhvatno aspekte stabilnosti taljenja žice i formiranja zavara, postoji dopušteni raspon varijacija za duljinu produžetka žice.
Utjecaj drugih procesnih faktora na faktore formiranja zavara
Uz gore navedene procesne čimbenike, i drugi procesni čimbenici zavarivanja, kao što su veličina žlijeba i veličina razmaka, kut nagiba elektrode i obratka te prostorni položaj spoja, također mogu utjecati na formiranje i veličinu zavara.
1. Utor i razmak
Prilikom zavarivanja sučeonih spojeva elektrolučnim zavarivanjem, obično se određuje hoće li se rezervirati razmak, veličina razmaka i oblik otvorenog utora prema debljini ploče za zavarivanje. Pod određenim drugim uvjetima, što je veća veličina utora ili razmaka, to je manja armatura zavarenog zavara, što je ekvivalentno spuštanju položaja zavara. U ovom trenutku, omjer taljenja se smanjuje. Stoga, ostavljanje razmaka ili otvaranje utora može se koristiti za kontrolu veličine armature i podešavanje omjera taljenja. U usporedbi s ostavljanjem razmaka i neostavljanjem razmaka te otvaranjem utora, uvjeti odvođenja topline su donekle različiti. Općenito govoreći, uvjeti kristalizacije pri otvaranju utora su povoljniji.
2. Nagib elektrode (žice za zavarivanje)
Tijekom elektrolučnog zavarivanja, prema odnosu između smjera nagiba elektrode i smjera zavarivanja, ono se dijeli na dvije vrste: nagib elektrode prema naprijed i nagib elektrode prema natrag. Kada je žica za zavarivanje nagnuta, os luka je također nagnuta u skladu s tim. Kada je žica za zavarivanje nagnuta prema naprijed, učinak sile luka na ispuštanje rastaljenog metala iz kupke prema natrag je oslabljen. Sloj tekućeg metala na dnu rastaljenog kupke postaje deblji, dubina prodiranja se smanjuje, dubina na kojoj luk prodire u zavareni spoj se smanjuje, raspon kretanja točke luka se proširuje, širi se širina zavara i smanjuje se ojačanje. Što je kut nagiba žice za zavarivanje prema naprijed α manji, to je taj utjecaj očitiji. Kada je žica za zavarivanje nagnuta unatrag, situacija je suprotna. Kod zavarivanja zaštićenim metalom, uglavnom se primjenjuje metoda nagiba elektrode prema natrag, a kut nagiba α između 65° i 80° je relativno prikladan.
3. Nagib zavarenog komada
Nagib zavara često se susreće u stvarnoj proizvodnji i može se podijeliti na uzbrdo zavarivanje i nizbrdo zavarivanje. U ovom trenutku, pod djelovanjem gravitacije, rastaljeni metal kupke teži teći prema dolje duž nagiba. Kod uzbrdo zavarivanja, gravitacija pomaže ispuštanju rastaljenog metala kupke na kraj rastaljenog kupke, pa je prodiranje duboko, širina zavara uska, a armatura visoka. Kada je kut uzbrdo α od 6° do 12°, armatura je prevelika i lako se stvaraju podrezi s obje strane. Kod nizbrdo zavarivanja, ovaj učinak sprječava ispuštanje rastaljenog metala kupke na kraj rastaljenog kupke. Luk ne može duboko zagrijati metal na dnu rastaljenog kupke, prodiranje se smanjuje, raspon kretanja točke luka se širi, širina zavara se povećava, a armatura se smanjuje. Ako je kut nagiba zavara prevelik, to će dovesti do nedovoljnog prodiranja i prelijevanja rastaljenog tekućeg metala kupke.
4. Materijal za zavarivanje i debljina
Prodiranje zavara povezano je sa strujom zavarivanja, a također i s toplinskom vodljivošću i volumetrijskim toplinskim kapacitetom materijala. Što je bolja toplinska vodljivost materijala i veći volumetrijski toplinski kapacitet, to je potrebno više topline za taljenje jedinice volumena metala i povišenje temperature za isti iznos. Stoga će se pod određenim drugim uvjetima, poput struje zavarivanja, dubina prodiranja i širina zavara smanjiti. Što je veća gustoća ili viskoznost tekućine materijala, to je luku teže istisnuti tekući rastaljeni metal iz kupke, a prodiranje zavara pliće. Debljina zavarenog dijela utječe na provođenje topline unutar zavarenog dijela. Kada su ostali uvjeti isti, kako se debljina zavarenog dijela povećava, povećava se i odvođenje topline, a smanjuju se i širina zavara i dubina prodiranja.
5. Fluks, premaz elektrode i zaštitni plin
Različiti sastavi fluksa ili premaza elektroda dovode do različitih padova napona na područjima elektroda luka i različitih gradijenata potencijala stupca luka, što će neizbježno utjecati na formiranje zavara. Kada fluks ima nisku gustoću, veliku veličinu čestica ili malu visinu slaganja, tlak oko luka je nizak, stupac luka se širi, a točka luka ima veliki raspon kretanja. Stoga je prodiranje malo, širina zavara velika, a ojačanje malo. Kada se za zavarivanje debelih obradaka koristi elektrolučno zavarivanje velike snage, korištenje fluksa sličnog plovućcu može smanjiti tlak luka, smanjiti prodiranje i povećati širinu zavara. Osim toga, troska za zavarivanje treba imati odgovarajuću viskoznost i temperaturu taljenja. Ako je viskoznost previsoka ili je temperatura taljenja relativno visoka, troska će imati slabu ventilaciju i lako se stvaraju mnoga udubljenja na površini zavara, što rezultira lošim formiranjem površine zavara.
Sastav zaštitnih plinova za elektrolučno zavarivanje (kao što su Ar, He, N2, CO2) je različit, a različita su i njihova fizička svojstva poput toplinske vodljivosti. Zbog toga se pad napona u polarnom području luka i gradijent potencijala stupca luka, vodljivi presjek stupca luka, sila toka plazme i raspodjela specifičnog toplinskog toka razlikuju. Svi ovi čimbenici utječu na formiranje zavarenih šavova.
Ukratko, postoji mnogo čimbenika koji utječu na formiranje zavara. Za postizanje dobrog formiranja zavara potrebno je odabrati odgovarajuće metode zavarivanja i uvjete zavarivanja prema materijalu i debljini zavarenog dijela, prostornom položaju zavara, obliku spoja, radnim uvjetima, zahtjevima za performanse spoja i veličini zavara. Istovremeno, najvažnije je stav zavarivača prema zavarivanju! U suprotnom, formiranje zavara i njegove performanse možda neće zadovoljiti zahtjeve, pa čak se mogu pojaviti i razni nedostaci zavarivanja.
