Janez Begeš, dipl. inž. Železarna Jesenice DK : 621.791.8 ASM/SLA : KI Avtomatsko navarjanje pod praškom s trakom V članku so zbrani rezultati prvih poskusov avtomatskega navarjanja pod praškom s trakom. Poizkusi so bili izdelani z dodajnim materialom proizvodnje železarne Jesenice in varilnim aparatom z vodili za trak proizvodnje Zavoda za avtomatizacijo, »Iskra«, Ljubljana. Navarjanje s trakom uvrščamo po produktivnosti v najbolj ekonomične postopke obločnega varjenja. Varilni parametri, ki so določeni za navarjanje s trakom, se za določeno dimenzijo traku in kvaliteto praška ne smejo bistveno spreminjati od njihovih optimalnih vrednosti. UVOD Pri izdelavi kemijskih reakcijskih posod in ostalih naprav v kemični industriji naletimo pogosto na dve osnovni zahtevi: 1. jekla, ki so vgrajena v omenjene naprave, morajo imeti višjo trdnost, da tako zmanjšamo težo konstrukcije; 2. stene, ki oklepajo reakcijski prostor, morajo biti obstojne proti koroziji. Najbolj ekonomičen postopek za izdelavo omenjenih kemijskih reaktorjev bo prav gotovo tisti, pri katerem bomo uporabljali konstrukcijska jekla s povišano trdnostjo navarjena z notranje strani z materialom odpornim proti koroziji. Nič manj ne bo zanimiva pot, ki si jo bo utrl postopek navarjanja s trakom na področja, kjer se zahteva odpornost navarov proti večjim mehanskim obremenitvam, torej v industrijo visokotlačnih posod, toplotnih izmenjevalcev, na področje navarjanja vodnih turbin ter valjev v selulozni industriji in ne nazadnje v nuklearno industrijo. Pri vsakem novem varilnem postopku je potrebno ugotoviti njegove osnovne parametre varjenja. Zato smo največ dela posvetili iskanju optimalnih varilnih parametrov. Vrednosti, ki smo jih dobili pri navarjanju s trakom, smo primerjali z odgovarjajočimi vrednostmi pri navarjanju z žico in pri tem ugotavljali ekonomičnost in primernost postopka za praktično uporabo. PREDNOSTI AVTOMATSKEGA NAVARJENJA POD PRAŠKOM S TRAKOM Postopek navarjanja s trakom se odlikuje po visoki produktivnosti navarjanja in po izredno plitkem ter enakomernem uvaru. Globina uvara znaša pri normalnih parametrih največ 1,5 mm. Plitek uvar pomeni tudi majhno mešanje dodaj-nega materiala z osnovnim. Stopnjo mešanja do-dajnega in osnovnega materiala lahko ponazorimo s sledečo formulo: 100 -B nt A SM = °/o A — površina preseka navara A + B B — površina uvara V primeru, ko smo navarjali s trakom dimenzije 60 X 0,5 mm, smo dosegli širino navarjene površine 6,0 cm. A — 327 mm2 B — 60 mm2 (pri globini uvara 1 mm) 100 X 60 SM = - = 15,5 »/o 327 + 60 Stopnja mešanja osnovnega in dodajnega materiala je minimalna in znaša v našem primeru 15,5 %. Stopnja mešanja pri varjenju z žico 0 4 mm in optimalnih parametrih je večja od 60 o/o. Vendar moramo pri navarjanju s trakom delno še vedno nekoliko upoštevati odgor legirnih elementov v prvem navaru, zaradi visoke temperature oziroma določenih kemičnih reakcij. Dodajni material Varilni trak Za razliko od drugih postopkov za avtomatsko navarjanje uporabljamo v tem primeru namesto žice varilni trak. Varilni trak običajno uporabljamo širine 20—60 mm in debeline 0,5 mm. Najpogosteje pa uporabljamo dimenzije 50 do 60 X X 0,5 mm. Pri tem izkoriščamo maksimalno možno širino traku. Večja širina traku zahteva tudi bolj viskozno talino. Viskoznost taline pa je omejena s sestavo varilnega praška. Preširok trak povzroči neenakomerne navare. Pri naših poskusih smo uporabljali trak 60 X X0,5 mm. Trak je bil navit v kolobar 280X420 mm. Hitrost premikanja traku: 78 cm/min. Poraba traku: 1 kg traku/1 kg navara. Varilna hitrost pomikanja traku je za pravilno navarjanje velikega pomena. Od hitrosti traku je odvisna enakomernost navarov, pa tudi jakost in napetost varilnega toka. Pri konstantnem izvoru raste jakost varilnega toka z naraščajočo podajno hitrostjo traku, medtem ko istočasno pada varilna napetost. Prosta dolžina traku, od kontakta do osnovnega materiala znaša normalno 20—30 mm. Pri povečanju te dolžine preko 30 mm ugotavljamo zmanjšanje uvara in povečanje količine navara, vendai postane pri pretirano dolgi razdalji oblok nestabilen in varjenje ni več kontinuirano. V spodnji razpredelnici je prikazana kemična analiza obeh trakov, ki smo jih uporabljali pri navarjanju: Si Mn Cr Ni rs H Ti £ Z Cr 18, Ni 8 0.04 0.26 0.89 18.0 9.30 0.023 0.011 — — Cr 17 0.05 0.40 0.45 15.3 0.18 0.019 0.012 0.46 — Varilni prašek Pri postopku varjenja s trakom smo poizkusili vse vrste domačih varilnih praškov. Ugotovili smo, da so ortosilikatni praški (bazični) uporabnejsi kot metasilikatni (nevtralni). Od ortosilikatnih praškov je najbolj primeren prašek EPP45, ki je po svoji sestavi aiuminaten in je izdelan na sistemu CaO — A1203 — CaF2. Prašek omogoča stabilno in kontinuirano var- jenje. ... Od višine nasutega praška je odvisna oblika navara. Nizko nasut je povzroči tudi nizko strjeno žlindro, ki jo laže odstranjujemo, vendar je pri tem nevarno, da oblok na straneh ne prebije na-sutja. Težko nasutje lahko pokvari obliko navara. Granulacija praška na samo varjenje ne vpliva bistveno. Poraba praška: 1,10 kg/l kg navara. Poraba praška: 2 kg/l m dolžine navara, pri širini 60 mm in debelini 6 mm. Zgornje vrednosti smo izmerili pri naslednjih varilnih parametrih: I = 680 —700 A. U = 30 —34 V v (hitrost varjenja) = 8,5 cm/min. vrsta toka: izmenični. Vpliv varilnih parametrov Varjenje s trakom je uspešno predvsem z enosmernim tokom, bodisi z usmernikom ali agregatom V vsakem primeru pa moramo poskrbeti, da ima izvor ravno ali rahlo padajočo karakteristiko. Izvori s strmo padajočo karakteristiko povzročajo ostre zareze na robovih navara. Jakost varilnega toka Točna nastavitev jakosti in napetosti toka je pri varjenju s trakom bolj važna kakor pri varjenju z žico. Uspešno smo varili s tokom jakosti 500—700 A pri dimenzijah traku 60 X 0,5 mm. S povečano jakostjo toka se poveča uvar, kar ni zazeleno pri tem postopku navarjanja. Istočasno tudi ugotavljamo povečanje količine navara. V primeru, ko preseže jakost toka optimalne vrednosti, pride do neenakomernega valovitega navara in ob istočasni majhni varilni hitrosti do zalivanja obloka. Jakost varilnega toka je optimalna takrat, ko je uvar minimalen, s tem tudi minimalno mešanje dodaj-nega z osnovnim materialom in, ko ugotavljamo še zadostno oprijemljivost navara z osnovnim materialom. Napetost varilnega toka Z varilno napetostjo lahko spreminjamo širino navara. S povečanjem napetosti se navar širi, zmanjšata pa se debelina navara in uvar. Hkrati se povečuje tudi potrošnja varilnega praška. Visoke varilne napetosti lahko povzročijo manjše eksplozije v staljenem navaru. Varilna hitrost V inozemski literaturi lahko najdemo različne vrednosti za varilno hitrost, vendar so vse v mejah od 10—25 cm/min. V našem primeru, ko smo varili z izmeničnim tokom, so se pokazale, kot najbolj ugodne hitrosti v mejah od 8—15 cm/min. Pri teh hitrostih je bilo varjenje najbolj enakomerno. Varilna hitrost je najvažnejši parameter pri varjenju s trakom. Od nobenega parametra ne zavisi globina uvara, širina navara in splošni izgled navara bolj kot prav od varilne hitrosti. V primerjavi z varjenjem z žico lahko trdimo, da uporabljamo pri navarjanju s trakom minimalne možne varilne hitrosti. Slika 1 Varilni aparat — Iskra Kranj Potek navarjanja Varili smo z varilnim aparatom oznake EPP 1100 tip E 5. Avtomat je proizvod »Iskre« in je imel za navarjanje s trakom izdelano posebno trislojno. glavo s potrebnimi vodili za trak. Navarjali smo kotlovsko pločevino dimenzije 1100 X 250 X 17 mm. Uporabljali smo domač prašek EP 45 ter domače trakove kvalitete Cr 18, Ni 8 in Cr 17. Varilni parametri: Jakost toka I = 680—700 A vrsta toka: izmenični napetost toka: U = 30—34 V hitrost varjenja: V = 8—16 cm/min. Navarjali smo enoslojno, dvoslojno in največ Predno smo uspeli izdelati kontinuirane navare smo preizkusili številne domače praške. Pri prvem izboru smo izločili kot najbolj uporabne bazične praške. Pri drugem pa smo ugotovili, da vzdržuje od vseh bazičnih praškov EP 45 najbolj stabilen oblok. S praškom EP 40 je bilo varjenje nezadovoljivo zaradi neprestanega prekinjanja in slabega vžiganja. Strjena žlindra, ki je bila pri obeh praških razmeroma debela in porozna, je dobro odstopala. Slika 2 Strjena žlindra, fotografirano s spodnje strani Kvaliteta traku na samo varjenje ni vplivala. Večji vpliv bi imela verjetno le širina traku, ki jo pa vsled fiksne dolžine valjčnic na varilni glavi nismo mogli spreminjati. Odtaljevanje varilnega traku je bilo enakomerno v drobnih kapljicah, kar je razvidno s spodnje slike. Pri varjenju s praškom EP 40 smo opazili v žlindri veliko jeklenih kroglic, kar je zmanjšalo izplen navarjanja. Pri navarjanju s trakom smo opazili zlivanje tekoče žlindre od sredine navara proti robovom. * - v _ m*« Slika 3 Strjena žlindra, fotografirano z vrhnje strani Slika 4 2,5-krat povečane kroglice M4 Slika 5 Ujete jeklene kroglice na robovih strjene žlindre Električni oblok nismo fotografirali, vendar lahko na odtaljenem traku vidimo, da oblok ni bil samo eden, ki je potoval z enega konca traku na drugega, ampak je sestavljen iz več manjših oblo- Slika 6 Strjena žlindra na robovih navara kov, kar je povzročilo enakomerno odtaljevanje traku hkrati po vsej širini. Od vseh varilnih parametrov, ki smo jih določili, se s podatki iz literature najbolj ujema jakost varilnega toka. Napetost je približno 2—5 V višja, medtem ko je hitrost varjenja manjša. Uporabljali smo nizke varilne hitrosti, kar nam je prav gotovo omogočila dobra izvedba varilnega aparata, ki j e bila ena izmed osnovnih zahtev, da smo lahko uspešno varili z izmeničnim tokom. Pri hitrostih nad 15 cm/min varjenja ni bilo več kontinuirano. še bolj neprijetne so bile pojavljajoče se globoke zajede na robovih navarov. Z dobro izbranimi varilnimi parametri, predvsem pa z minimalno hitrostjo varjenja, smo to napako skoraj popolnoma odstranili. Slika 8 Pravilno zlita navara na stikajočih se robovih Slika 9 Presek navarov, navarjenih s trakom PREISKAVA NAVARA Kemična analiza navara Varilni trak navar C Si Mn Cr Ni Ti Cr 18, Ni: Cr 17 Slika 7 Odtaljeni trak Po merjenju debeline navara smo ugotovili, da le-ta znaša 5—6 mm. V navarih so bile vidne vdr-tine. To je bila edina napaka, ki jo do konca poizkusov nismo mogli odstraniti. Verjetno bi se te vdrtine pri pravilnem navarjanju z enosmernim tokom ne pojavljale. Znano pa je, da se v večini primerov po varjenju navarjena površina mehansko obdeluje. Kjer ta obdelava ni potrebna, predstavljajo vdrtine 1 mm globoke pri 5 mm visokem enoslojnem ali 10 mm visokem dvoslojnem navaru zanemarljivo napako. 1. 2. 3. 1. 2. 3. 0.10 0.08 0.08 0.10 0.07 0.07 0.48 0.39 0.46 0.67 0.73 0.79 0.83 0.70 0.69 0.66 0.38 0.36 13.12 15.33 16.38 11.23 15.00 15.30 7.65 — 8.60 — 8.90 — - 0.10 - 0.12 - 0.11 Kemične analize smo izdelali na vzorcih, ki so bili vzeti iz prvega, drugega in tretjega navarje-nega sloja. Iz razpredelnice je možno razbrati od-gorevanje posameznih elementov. 1. Koncentracija ogljika je bila pri navarjanju z obema trakovoma največja v prvem sloju, kar je bila posledica legiranja iz osnovnega materiala. V naslednjih slojih koncentracija ogljika pada, vendar je še vedno precej večja kot je bila v traku. 2. Koncentracija silicija se pozitivno spreminja v obeh primerih z naraščanjem števila navarov, kar pomeni, da se je navar legiral s Si iz praška. Že v tretjem navaru je koncentracija Si 100 °/o večja od koncentracije v traku. 3. Koncentracija mangana v obeh primerih pada s številom navarov. Vendar zmanjšanje koncentracije ni tako občutno. 4. Koncentracija kroma je najmanjša v prvem sloju. Po analizi je kroma v prvem sloju 3 do 4 °/o manj kot v varilnem traku. S številom navarov koncentracija Cr hitro raste in je v tretjem navaru, kot je razvidno iz analize pri varjenju s trakom kvalitete Cr 18 Ni 8 le še 1,62% manjša kot v traku. Pri kvaliteti Cr 17 pa je enaka koncentraciji v traku. 5. Odgorevanje niklja je minimalno še v prvem sloju, v tretjem sloju pa ga praktično ni; tako, da je koncentracija enaka koncentraciji Ni v traku. 6. Precejšno je tudi odgorevanje Ti v traku Cr 17. Razvidno je, da smo imeli za kvaliteto Cr 18, Ni 8 na razpolago varilni trak nestabiliziran, z nizkim ogljikom. Vsled porasta koncentracije ogljika z 0,04 % v traku na 0,08 '»/o v čistem navaru je razumljivo, da bo moral biti trak v vsakem primeru stabiliziran z Nb v kolikor bomo hoteli doseči odgovarjajočo obstojnost proti interkri-stalni koroziji. Iz te celotne kemične analize lahko zaključimo sledeče: Pri navarjanju z avstenitnimi dodajnimi materiali, ki so odporni proti kislinam Cr 18, Ni 8 ne dosežemo v prvem navaru zaželene koncentracije legirnih elementov, kljub majhnemu mešanju osnovnega z dodaj nim materialom. V primeru torej, da navarjamo enoslojno, je potrebno kombinirati dodajni material, ki je višje legiran od zaželenega navara. Zato normalno navarimo prve sloje na nelegirani osnovni material s kvalitetami kot so: Cr 24, Ni 13 Cr 22, Ni 11 Cr 21, Ni 10 Naslednje navare pa lahko izdelamo z normalnimi proti koroziji odpornimi kvalitetami Cr 18, Ni 8 Cr 18, Ni 12 Slika 10 Presek navara, navarjenega z žico MUK Slika 11 Navarjeni vzorec po torzijskem preizkusu Po torzijskem zasuku, ko se je vzorec zavrtel okrog svoje osi ni prišlo do ločitve obeh plasti. Torzijski preizkus smo izvršili pri sobni temperaturi. Po preizkusu ugotavljamo, da je oprijemljivost navara na osnovni material zadovoljiva in sklepamo, da bo navarjanje s trakom uspešno tudi tam, kjer bodo navari podvrženi večjim mehanskim obremenitvam. Torzijski preizkus Pri navarjanju s trakom smo ugotovili izredno plitek uvar. Pri globini uvara 1 do 1,5 mm je verjetno, da se bo navarjena plast pri določeni mehanski obremenitvi odluščila od osnovnega materiala; zato smo preizkušali oprimljivost navara na osnovni material s torzijskim preizkusom. Izdelali smo vzorce dimenzije kv. 10 X 10 X X 200 mm. Polovica preizkušanca je bila iz osnovnega materiala, druga polovica pa iz navara. Meja med obema plastema je potekala po sredini vzorca. Vzorec preizkušen po Straussovi metodi Odpornost proti interkristalni koroziji Za preizkušanje odpornosti proti interkristalni koroziji smo izdelali sledeči vzorec: Na osnovni material smo navarili dva navara v skupni širini 10 cm Višina navara je bila 6 mm. Pod navarom smo odrezali osnovni material, tako da smo dobili čisti navar debeline 5 mm in površine 10 X 10 cm. Takšen vzorec smo preizkušali v Straussovi raztopini. Po preizkusu smo var upogibali okoli trna s polmerom r = 2 d do kota 90°. Po preizkusu smo dobili razmeroma zadovoljive rezultate, če upoštevamo, da smo imeli nesta-biliziran dodaj ni material in navar z razmeroma visoko koncentracijo ogljika. ZAKLJUČEK Rezultati, ki smo jih dobili z izmeničnim tokom, so lahko še boljši pri varjenju z enosmernim tokom. Pri varjenju s trakom je zelo pomembna pravilna izbira dodaj nega materiala, to pomeni predvsem varilnega praška. Nič manj važna kot dodaj ni material je pravilna nastavitev varilnih parametrov. Poizkusi so pokazali nujnost uporabe nižjih varilnih hitrosti kot smo jih vajeni pri varjenju z žico. Pri varjenju z enosmernim tokom so te hitrosti 10—15 cm/min., pri izmeničnem toku so vrednosti še nižje 8—15 cm/min. Pri vseh varilnih parametrih pa smo opazili, da so uporabljivi v ožjem intervalu optimalnih vrednosti, kot pri klasičnem varjenju z žico. Odgore-vanje legirnih elementov je pri varjenju z visoko-legiranimi varilnimi trakovi minimalno že v prvem navaru. To je posledica plitkega in enakomernega uvara in s tem nizke stopnje mešanja osnovnega in dodaj nega materiala. Z razvojem domačega dodaj nega materiala in varilnega aparata je dana možnost širše uporabe avtomatskega navarjanja pod praškom s trakom v praksi. Dobri rezultati, ki smo jih dobili pri prvih poizkusih navarjanja, so dovolj vzpodbudni in ni ovire, da se postopek ne bi vpeljal povsod tam, kjer je potrebno povečati produktivnost navarjanja. ZUSAMMENFASSUNG Die Versuche der Bandauftragsschvveissung mit dem bei uns erzeugten Zusatzmaterial ergaben sehr giinstige Ergebnisse trotz dem, dass vvir mit dem Wechselstrom geschweisst haben. Fiir ein erfolgreiches Auftragsschweissen ist die rich-tige Ausvvahl des Schvveisspalvers von grosser Bedeutung. Wir stellen fest, dass den Forderungen der Bandauftrags-schweissung der basische Schvveisspulver EP 45 am besten entspricht. Ein richtiges einstellen der Schweissparametern ist gar nicht weniger bedeutsam als das Zusatzmaterial. Die Versuche zeigten im Vergleich mit der UP Schweissung eine grossere Abweichung in der Schvveissgeschvvindigkeit. Fiir das Bandschweissen sind die minimalen Schvveissge-schvvindigkeiten am besten geeignet. Beim Schvveissen mit dem Gleichstrom betragen die gebrauchlichsten Schvveiss- geschvvindigkeiten von 10 bis 15 cm/min, beim VVechsel-strom sind diese Werte noch niedriger. Es ist bemerkens-wert, dass bei allen Schweissdaten ihre Verwendbarkeit in viel engeren Grenzen liegt als beim klasischen Draht-schweissen. Der Abbrand der Legierungselemente ist beim schvveis-sen mit hochlegierten Bandern schon in den ersten Auf-tragsschweissen minimal, was wohl die Folge eines seichten und gleichmiissigen Einbrandes bzw. eines schvvachen Mischens des Grund und des Zusatzmaterial ist. Es ist moglich mit richtigem legieren des Schweissbandes schon im ersten Lager eine saurebestandige Auftragschweisse bzw. eine Auftragschweisse entsprechender mechanischer Eigenschaften zu erziehlen. Mit dem Verdrehversuch einer Auftragschvveisse konn-ten vvir eine befriedigende Haftung der Auftragschvveisse auf dem Grundmaterial feststellen. SUMMARY Tests of building up \velding with strip using domestic vvelding material have given good results. We found not that the best for building up welding is basic powder EP 45. As important as welding material is proper setting of welding parameters. Comparatively to submerged are welding with wire the method vvith strip shows greater deviations in vvelding speed. The minimum welding speeds are much more adjustable for vvelding with strip. For DC vvelding the applicable speeds are 10—15 cm/min, at AC vvelding these values are even smaller. For ali vvelding parameters it can be observed that they lay in narrovver range as for classical vvelding vvith vvire. The alloying elements burn-out vvhen vvorking vvith high alloyed vvelding strips is minimum even at first build up. Reason for it is very shallovv penetration of vvelding and bad mixing of basic and added material. By correct alloying of vvelding strip it is possible to get stainless build up as early as first layer or build up vvith preseribed mechanical properties. Observing torsion test of samples made half of basic material and half of vvelding material, vve realised that build up layer is adhesive enough. It assure us that submerged are vvelding for building up vvith strip could be used for build ups for greater mechanical loadings. 3AKAIOHEHHE OnbiTH CBapKH c AeHTOH npn ynoTpeoAemin AOMauiHero npuca-AOMHora MaTepHHAa AaAH nOAOKHTeAbHiie pe3yAiaTH nec.uoTpsi na to, Ke npn nepBOil naBapKc; sto nocAeACTBite MeAKoii h paBHOMepHOH rAy6nHU iiaBapa n B CBS3H c 3thm HH3K0H CTeneHH nepeMeuiHBaHHa 0CH0BH0ra h npnea-AOHHora MaTepHSAa. C npaBHAbHbiM AerapoBaHHeM CBapoiHofi AeHTbi mojkho vate b nepBOM CAoe noAyniiTb khcaoctohkhh HaBapoK, t. e. HaBapOK C OTBeTCTBVIOUUIMH MexaHHMeCKHMH KaHeCTBaMII. HcnblTa-Hiie Ha H3ra6 o6pa3ua npHr0T0BAeHH0ra H3 ocHOBHOra H npiicaAOH-Hora MarcpmiAa b OAHHaKOBbix nponopHHax AaAO noAo?KHTeAbHHe pe-3yAbTaTbi cnAaBAeHiia mc>kav HanAaBAeHHbiM h 0CH0BHbiM MeTaAAOM. Ha OCHOBaHHH 3TOrO MOMvHO 3aKAI0MIITb, HTO HeT npenSTCTBHH irpn-MeHeHHS aBTOMaTimecKOH CBapKH noA noponiKOM c achtoh TaKJKe AAH BbiAeAKH HaBapoK KOTOpbie Hax0A3Tbca foa Goacc thjkcaoh Harpy3Kofi.