Reparaturno varjenje orodnih jekel
UDK: 621.791.004.67:669.14.018.25 ASM/SLA: K 9p, KI, K2, TSb, 17-72
J. Gnamuš, G. Rihar
Prispevek obravnava probleme pri reparaturnem varjenju, ki zadnje desetletje dobiva vedno večji pomen v industriji. Uvajanje tehnologije reparaturnega varjenja v proizvodnjo orodij prinaša nove tehnične možnosti in ekonomske prednosti. Pri tehnologiji navarjanja orodnih jekel je zelo važna pravilna izbira dodajnih materialov, prav tako pa tudi predhodna in končna toplotna obdelava.
UVOD
Reparaturno varjenje je zelo pomembno za sodobno industrijo. Daje izredne možnosti tehničnih rešitev. Poškodovani deli se v sorazmerno kratkem času ponovno usposobijo. V visoko razvitih industrijskih državah je reparaturno varjenje močno razvito in že lahko rečemo, da je sestavni del redne proizvodnje. Pri nas reparaturno varjenje premalo uporabljamo. Razloge za to je pripisati predvsem pomanjkanju znanja in motiviranosti za popravila, delno pa tudi pomanjkanju ustreznih dodajnih materialov.
Reparaturno varjenje je eno od najzahtevnejših varilskih opravil. Da uspemo pri delu, moramo imeti veliko kompleksnega znanja, predvsem o fizikalnokemi-čnih procesih pri segrevanju, pretaljevanju in ohlajanju, o tehnikah varjenja ter veliko praktičnih izkušenj.
Izredno pomembna je strokovna odločitev, variti ali ne variti in groba ocenitev, koliko se bodo spremenile mehanske in ostale lastnosti orodja ter kako bodo specifične lastnosti varnega spoja vplivale na funkcionalnost orodja. To je prva in najvažnejša odločitev, ki je povezana z izrednim poznavanjem materialov in obremenitev orodij, ki jih želimo reparaturno variti.
Da se lahko pravilno odločimo in izberemo ustrezno tehnologijo, moramo dobro poznati:
—	funkcijo orodja,
—	lastnosti osnovnega materiala, kot so mehanske lastnosti, toplotna prevodnost, razteznostni koeficient, prekaljivost,
—	strukturo in stanje toplotne obdelave osnovnega materiala,
—	lastnosti vara,
—	strukturne spremembe, ki nastopajo v toplotno vplivani coni,
—	možne napake, ki se lahko pojavijo pri varjenju.
VARIVOST ORODNIH JEKEL
Zavedati se moramo, da spadajo orodna jekla med najslabše varive kovinske materiale, zaradi česar je vsako varjenje rizično opravilo. Zaradi velike toplotne občutljivosti teh jekel se pri nenadnem lokalnem vnosu
energije lahko pojavijo razpoke, ki izničijo vloženo delo.
Razpoke so lahko take vrste, da jih opazimo s prostim očesom. Pozorni moramo biti tudi na mikro razpoke, ki jih na površini ne vidimo. Odkrijemo jih lahko z neporušnimi metodami ali z metalografskim pregledom.
Večje razpoke na orodju nastanejo zaradi napetosti, ki jih povzroča lokalen vnos energije. Tako imenovano pokaljivost v hladnem, ki se pojavlja pri temperaturah okoli 200° C, povzroča martenzitna premena in izločanje vodika po mejah kristalnih zrn.
Pokaljivost v hladnem preprečujemo z izbiro ustreznega toplotnega režima pri varjenju. S predgrevanjem varjenca in kontrolo vnosa energije zmanjšujemo temperaturni gradient ter s tem hitrosti ohlajanja vara in toplotno vplivane cone. Paziti moramo, daje varjenec čist ter da uporabljamo take dodajne materiale in postopke, ki prinašajo čimmanj vodika.
Zaradi nagnjenosti orodnih jekel k izcejanju var sam običajno ni homogen. Ima tipično lito strukturo z usmerjenimi dendritskimi kristali (slika 1). Na mestu, kjer se kristalizacijski fronti združita, to je na sredini vara, se pri temperaturah okoli 1000° C rade pojavijo tako imenovane razpoke v toplem (slika 2).
Škodljiv pojav preprečujemo z izbiro take tehnike in načina varjenja, pri kateri je varilna kopel čimmanjša.
Take pogoje dosežemo, kadar varimo z večjim številom manjših varkov s čim nižjim varilnim tokom in na-
slika 1 Tipična lita struktura vara
Fig. 1
Typical čast structure of a weld
Slika 2
Lita struktura vara z razpokami v toplem
Fig. 2
Čast structure of weld with hot cracks
petostjo. Izbiramo dodajne materiale (žice in elektrode) manjšega premera.
IZBIRA DODAJNEGA MATERIALA
Pri izboru dodajnega materiala se ravnamo po načelu, da naj ima navar ustrezne lastnosti. Pomembne so tudi dobre varilno-tehnične lastnosti. Pomembne so tudi dobre varilno-tehnične lastnosti dodajnega materiala.
Načelno jih lahko glede na kemično sestavo razdelimo v dve skupini:
—	sestava vara je enaka kot pri osnovnem materialu,
—	var je iz druge vrste jekla, ki je običajno močneje legirano od osnove.
Če naj ima var enako kemično sestavo kot osnovni material, mora biti dodajni material bolj legiran zaradi odgora, ki se pojavlja pri varjenju. Legirni elementi so obenem tudi dezoksidanti, ki pri varjenju prehajajo iz kovine v žlindro in plinsko fazo. Odgor osnovnih legir-nih elementov pri varjenju v zaščitnih plinih in pod praškom smo v okviru skupnih raziskav železarne Ravne in Instituta za varilstvo Ljubljana zasledovali pri treh vrstah jekel: Č.4146, Č.4751 in Č.7680. Poprečne vrednosti odgora za omenjene vrste jekel in postopke varjenja so navedene v tabeli I.
Tabela I: Odgor legirnih elementov
Postopek varjenja			Povprečen odgor %			
	C	Cr	Mo	V	W	Me
TIG	11	4	19	6	_	8
MIG	23	1	20	27	5	15
MAG	42	26	29	27	8	26
EPP	45	41	29	57	13	37
Povprečno	30	18	24	28	7	
V varilni praksi se često uporabljajo za navarjanje žice enake sestave, kot je osnovni material, v prepričanju, da bo kemična sestava navara enaka osnovi. Toda zavedati se moramo, da zaradi kemičnih reakcij, ki potekajo pri varilnem procesu, navar praktično ne more
imeti enake kemične sestave kot dodajni material, iz katerega je nastal. Odgor ni odvisen samo od tehnike varjenja, temveč tudi od parametrov varjenja.
Praktične izkušnje so pokazale, da je za navarjanje bolje uporabiti take sestave jekel, ki imajo dobre varilno-tehnične lastnosti. To so običajno močneje legirana krom-molibdenova, krom-volfram-molibdenova in vol-fram-molibden-kromova jekla, ki imajo nižjo vsebnost ogljika. Uporabljamo tudi razne neželezne zlitine na bazi kobalta ali niklja ter karbidov.
Poznani so tudi načini navarjanja, pri katerih na osnovni material najprej navarimo bolj plastičen tamponski sloj, na katerega nanesemo trdo delovno plast.
TOPLOTNA OBDELAVA
Toplotni režim in postopek navarjanja izberemo glede na kemično sestavo osnovnega in dodajnega materiala, stanje toplotne obdelave ter obliko in funkcijo orodja.
Pri navarjanju orodnih jekel uporabljamo dva načina. Toplotni režim izberemo tako, da varjenec že takoj po varjenju dobi zahtevane lastnosti ali pa orodje po varjenju ponovno toplotno obdelamo.
Prvi način je primeren za manjša dela. Orodje ohrani zunanje oblike. Obdelamo samo varjeno mesto. Na osnovi TTT diagrama določimo ohlajevalno hitrost, ki ustreza želeni strukturi navara. Temperaturo polja in časovno odvisnost temperature od vnosa toplote je teoretično obdelal Rykolin. Izpeljanih je nekaj preprostejših obrazcev za določanje temperature predgrevanja pri določenem vnosu toplote ter ohlajevalni hitrosti v območju premene (800—500° C). Često uporabljamo tudi praktične izkušnje oziroma podatke, ki jih dobimo na osnovi predhodnih preizkusov.
Vsa jekla niso enako občutljiva na hitrost ohlajanja. Na osnovi praktičnih preizkusov smo ugotavljali, kako vpliva temperatura predgrevanja jekla Č.4751 in Č.7680 na trdoto v navarjenem stanju. Podatki o trdotah so navedeni v tabeli II.
Tabela II: Trdote navarov v HRC
Temperatura predgrevanja °C
Jeklo -
20 100 200 300 400 500
Č.4751 46-49 43-50 46-48 44-45 44-48 40-42 Č.7680 49-51 49-52 49-51 49-51 49-50 50-51
Iz podatkov je razvidno, da temperatura predgrevanja ne vpliva na trdoto navara. V vseh primerih se nava-ri pri ohlajanju enako zakalijo.
Bolj občutljiva so jekla za delo v hladnem. Če je ohlajanje prepočasno, var nima dovolj visokih trdot. Pri nižjih temperaturah predgrevanja dobimo dovolj visoke trdote, preti pa nevarnost, da orodje razpoka.
Prav tako moramo paziti, da pri varjenju ne pregre-jemo in s tem popustimo ostale dele orodja.
Pri večslojnem navarjanju moramo računati tudi s tem, da vsak naslednji varek popušča predhodnega.
Zaradi zaostalega avstenita v strukturi navara pri jeklih za delo v toplem in hitroreznih jeklih ne dosežemo maksimalnih trdot. S popuščanjem trdote narastejo za 10 do 15%.
Po podatkih iz literature (1) se v navarjenem stanju v krom-volframovih jeklih nahaja 25—30 % zaostalega avstenita, ki ga lahko le z večkratnim popuščanjem pretvorimo v martenzit.
Natezna trdnost navara iz hitroreznega jekla po prvem popuščanju doseže maksimalno vrednost 2000 N/ mm2. Maksimalno trdoto (65 HRC) in žilavost (7 J) dosežemo šele po četrtem popuščanju2.
Po varjenju v vsakem primeru izvedemo popuščanje. Pri tem se delno sprostijo tudi notranje napetosti. Pri izbiri temperature popuščanja se ravnamo po osnovnem materialu. Temperatura popuščanja naj bo 20° C nižja, čas žarjenja naj bo daljši.
Navajamo podatke za popuščanje navarov za tipične skupine jekel:
—	jekla za delo v hladnem
—	jekla za delo v toplem
—	hitrorezna jekla
Če orodje po varjenju ponovno toplotno obdelamo, izvedemo varjenje v mehko žarjenem stanju. Orodna jekla vedno varimo v predgretem stanju. Za izračun temperature predgrevanja ni uporabnih formul, kakršne poznamo pri konstrukcijskih jeklih. Temperaturo izberemo na osnovi kemične sestave, oblike varjenca, vnosa toplote. Orodna jekla varimo pri temperaturah med 200 in 700° C.
Po varjenju izvedemo toplotno obdelavo, ki je odvisna od vrste jekla. Pri toplotni obdelavi potekajo tudi difuzijski procesi na meji med varom in toplotno vpli-vano cono. Sprostijo se tudi notranje napetosti. Kot primer navajamo diagram toplotnega režima pri varjenju in toplotne obdelave za jeklo Č.7680 (slika 3).

130C		
1200 1100	1 f s iffipc	
1C0C 900	iT	\ ohlajanje v olju
" 900 o 700		\wohlajanje v termalni kopeli uy ohlajanje na zraku
\ 600 1- soo <.00 300	/ <f /varjenje / \ /in dogre\anje	\\ popuščanje popuščanje
200 100	/mehko žarjenje \ /	\ / ' 1/ ' \ * IvizKUKMME L/ \
Slika 3
Diagram toplotne obdelave z varjenjem za jeklo Č.7680
Fig. 3
Diagram of heat treatment with welding for Č.7680 steel
REPREZENTATIVNI PRIMERI REPARATUR-
NEGA VARJENJA IZ PRAKSE
—	Sendzimir valj iz kvalitete Č.4758, dim. 0110x1250 mm se je pri toplotni obdelavi skrčil za 5 mm oziroma je bil prekratek.
Valj je bil kaljen in dvakrat popuščen na trdoto 58-60 HRc.
V toplem stanju in v dveh slojih smo ga čelno nava-rili po MlG postopku z žico 01,2 mm, podobne sestave jeklu Č.4758. Var smo mehansko obdelali. Izmerjena trdota je znašala 56—59 HRc. Valj je bil na koncu ultrazvočno in s ferofluksom pregledan in ni imel napak (slika 4).
—	Varjenje noža za rezanje pločevine v toplem stanju.
Dimenzija noža je bila 170x 100x3800 mm iz kvalitete Č.4757.
pločevinast obroč
Slika 4
Reparaturno varjen sendzimir valj iz kvalitete Č.4758
Fig. 4
Repair welded Sendzimir roll of Č.4758 steel
Ugotovili smo, da je razpoka na zadnjem delu noža, ki v bistvu ne vpliva na kvaliteto noža, če jo zavarimo. Za dodajni material smo uporabili žico debeline 1,2 mm iz kvalitete Č.4757 — proizvod železarne Ravne.
Po ustaljenem postopku smo nož zavarili, mehansko obdelali, izmerili trdote vara, ki pa so bile v predpisanih mejah. Kontrola razpok je pokazala, da ni nobene površinske napake in napake v notranjosti (slika 5).
razpoka globine ~5-7mm in dolžine -150mm
Slika 5
Reparaturno varjen nož za rezanje pločevine v toplem iz kvalitete Č.4757
Fig. 5
Repair welded hot-cutting sheet tool of Č.4757 steel
— Reparaturno varjenje valja za valjanje žice iz kvalitete Č.4850 v žarjenem stanju s trdoto do 250 HB.
Najprej je bila strokovna odločitev, da je razpoka na tanjšem delu čepa in ne more vplivati na kvaliteto valja. Valj smo uspešno zavarili po predhodno obrazloženi tehnologiji; kot dodajni material smo uporabili žico 02,5 mm iz kvalitete Č.4850, proizvedeno v železarni Ravne. Trdota valja je bila po toplotni obdelavi v zahtevanih mejah. Na varu nismo opazili razlik v trdoti (slika 6).
Slika 6
Reparaturno varjen valj iz kvalitete Č.4850
Fig. 6
Repair welded roll of Č.4850 steel
ZAKLJUČEK
Struktura in lastnosti navara ter toplotno vplivane cone so odvisne od ohlajevalne hitrosti, na katero vplivamo s predgrevanjem in vnosom toplote.
Predvsem pri jeklih za delo v toplem in hitroreznih jeklih je v navaru 25 do 30 % zaostalega avstenita.
Optimalne lastnosti navarov dobimo lahko le z ustrezno toplotno obdelavo. S primernim režimom se v navarjenem in popuščenem stanju lahko približamo optimalnim lastnostim.
Navari iz jekel Č.4751 in C.7680 se zakalijo pri ohlajanju na zraku, ne glede na temperaturo predgrevanja.
Navarjanje orodnih jekel je zahtevno opravilo, ki je vezano tudi z riziki neuspeha. S pravilno tehnologijo in skrbno izvedbo bi se lahko marsikatero drago orodje z varjenjem uspešno obnovilo.
Literatura
1.	N. S. Zubkov, N. S. Fedorov: Vlijanje termičeskoj obrabot-ki na svojstva naplavljenih hromovolframovih stalej; Svojstva i isledovanja naplovljenovo metala, Kijev 1979
2.	I. A. Bartenjev, P. V. Gladkij: Nekatorije svojstva naplavljenih bistrorežuščih stalej; Naplavka v mašinostrojenji i remonte, Kijev 1981
3.	I. A. Barkujev: Isledovanje svojstev naplavljenih molibde-novih bistrorežuščih stalej; Naplavočnije materiali, Kijev 1983
4.	G. Aichele: Schutzgasschweissen im Werkzeugbau, Schvveisstechnik avgust 84
5.	P. S. Doyen, Q. R. Skrabec: A New Technique for Welding Tool Steel, Welding Journal september 1981
6.	K. Wittke, J. F. Sotow: Verschlissfestes Auftragsschweissen von Schrufraupen — messeren mit tiefem Einbrand, Schvveisstechnik 3/79
7.	G. Rihar, J. Gnamuš: Razvoj žic za navarjanja, Varilna tehnika 2/86
In diesem Beitrag vverden Probleme behandelt, vvelche beim Reparaturschvveissen auftretten, das im letzten Jahrzehnt in der Industrie immer mehr an Bedeutung gevvinnt. Die Ein-fiihrung der Technologie des Reparaturschweissens in die Pro-duktion von Werkzeugen bringt neue technische Moglichkei-ten und okonomische Vorteile.
Wichtig ist die fachmanische Entscheidung — Schvveissen oder nicht Schweissen, eine grobe Schatzung der Anderung mechanischer und anderer Eigenschaften an Werkzeugen und der Warmebehandlung nach der Schweissung.
Die mechanischen Eigenschaften von Schweissgut von Auftragschvveissungen so wie die mechanischen Eigenschaften der Zusatzvverkstoffe und die vorgehenden Warmebehandlun-gen von Grundwerkstoff miissen gut bekannt sein. Das Regi-me der Vorvvarmung vor dem Schvveissen, der Ervvarmung wa-hrend dem Schvveissen ist zu bestimmen.
Um die Reparaturschvveissung erfolgreich durchftihren zu konnen ist es notig uber geniigend metallurgischer Kenntnisse zu verfiigen, viel praktischer Erfahrungen zu haben und zu-gleich griindlich verschiedene Schvveisstechniken zu konnen.
SUMMARY
The paper treats the problems appearing in repair vvelding which gained the industrial importance in the last decade. In-troduction of the repair vvelding technology into the tool ma-nufacturing process gives nevv technical possibilities and eco-nomic advantages.
Important are the professional decisions: to vveld or not to vveld, a rough estimation on possible changes of mechanical and other properties of tools, and heat treatment after vvelding.
Mechanical properties of vvelds, of building up, beside the mechanical properties of filler metals, and the preceeding heat treatment of the vvelded piece must be vvell knovvn. Processes of preheating before vvelding, of additional heating during vvelding, and of cooling after vvelding must be defined.
A successful repair vvelding demands a good complex knovvledge on metallurgy, a lot of practical experiences beside the knovvledge of various vvelding techniques.
3aKJiK>HeHHe
B CTaTbe paccMOTpeHbi npo6jieMbt, KOTopbie nojryHatoTCfl npH peMOHTHOH CBapKH, HTO B TeieHHH npOUieaUIHX fleCHTH JteT nojiyHaeT Bce 6ojibtue 3HaHeHHH b npoMbimjreHHOCTH. BBeaeHHe TexH0Jt0rHH peMOHTHOH CBapKH npn H3roTOBJieHHH HHCTpyMeHTOB .aaeT HOBbie TexHHHecKne bo3mo*hocth h sko-HOMHHecKHa npeHMyutecTBa.
Ba>KHoe 3HaneHHe npejCTaB.iae r cneuHaiibHoe peuieHHe — CBapHBaTb h ji h He CBapuBaTb, rpy6aa oueHKa, KaKne H3MeHe-hhs HacTynaioT npn MexaHHHecKHX h npoHHX CBOHCTBax hh-CTpyMeHTOB, a TaioKe TepMHnecKaa o6pa6oTKa nocjie CBapKH.
He06x0HHM0 xopomo 6btrb 03HaK0MJieH c MexaHHHecKHMH CBOHCTBaMH CBapHbIX uibob, npHBapKOB, MeXaHHHeCKHe cboh-CTBa A06aB0HH0r0 MaTepuajta, a TaioKe npenBapHTeJibHyK> TepMHHecKyto o6pa6oTKy CBapotHoft aeTajiH.
/Jjih ycneutHoro BbinojtHeHHSt peMOHTHOH CBapKH Haao HMeTb /tOCTaTOMHO KOMnjieKCHOrO 3HaHHH b o6jiaCTH MeTaJl-jryprHH, MHoro npaKTHHecKoro onbiTa, oflHOBpeMeHHO »e Ha-no xopotuo 6MTb 03HaK0MJieH c pa3JiHHHbiMH cnoco6a.mh Tex-HHKH CBapHBaHHS).