Prednosti navarjanja s strženskimi žicami Advantages of Surfacing vvith Cored Wires R. Kejžar1, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-04-21 Strženske žice združujejo prednosti ročnega obtočnega varjenja z opiaščenimi elektrodami s prednostmi polavtomatskih in avtomatskih postopkov varjenja z masivnimi žicami v zaščitnih medijih - plinih in pod praški. Izdelujemo jih po dveh postopkih: a) z vlečenjem polnjenih cevi in b) z zvijanjem traku v žleb, ki ga polnimo s kovinami in minerali, ter nadaljnjim oblikovanjem žice. Strženske žice iz cevi so praktično povsem enakih dimenzij kot masivne. Tudi njihova uporabnost na varilnih napravah (MIG/MAG in EPP) je povsem enakovredna masivnim žicam. Nasprotno pa so strženske žice iz traku zelo občutljive pri pogonu na varilnih strojih, ker obstaja nevarnost odpiranja zavite žice in iztresanja stržena v cevnem paketu (božirju), kar vodi do neenakomernega podajanja in zaustavljanja žice med varjenjem. Naprave za varjenje s strženskimi žicami iz traku morajo imeti poseben pogon. Zaradi zelo enostavne uporabe so strženske žice iz cevi zelo primerne za varjenja in navarjanja v industriji. Z deležem stržena, ki zavzema pri omenjenih žicah okoli 30% preseka, dosežemo zelo dobre rezultate tudi pri navarjanju bolj obremenjenih obrabno odpornih prevlek. Ključne besede: strženske žice iz cevi in traku, nelegirane in legirane cevi, legiranje navara preko stržena in preko legirane cevi, oksidacijsko-redukcijski procesi, vnos kisika - &O2 (g/g vara), odgor dezoksidantov in legirnih elementov Cored wires combine advantages of manual are welding vvith covered electrodes and those of semiautomatic and automatic vvelding processes with solid vvires in various shielding media, i.e. gases and fluxes. They are produced in two ways, i.e.: a) by dravving filled-in tubes and b) by folding of a metal strip into a U-form vvhich is to be filled with metals and minerals, and by subsequent shaping of the wire. Cored vvires have practically the same diameters as solid vvires. Their applicability to vvelding devices (MIG/MAG and SAW) is equal to solid wires. Cored-vvires, hovvever. are very sensitive to the feeding technique of vvelding machines because there is a risk of opening of the folded wire and of pouring out of the core into the hose package, vvhich leads to a nonuniform feeding and finally to a stand-stili during vvelding. Devices for vvelding vvith cored vvires shouid have a separate feeding device for vvires made of a strip. Ovving to a very simple application. cored vvires made of a tube are very suitable for vvelding and surfacing in industry. With a filting ratio of 30% with the sbove-mentioned vvires, very favourable results are obtained also in surfacing of stronger loaded, vvear-resistant claddings. Key vvords: flux-cored vvires in the form of a tube or of a strip, unalloyed and alloyed tubes, alloying of the surfacing by the core and by the alloyed tube; oxidation-reduction processes, oxygen input - a O2 (g/g vveld metal), burn - off of deoxidation agents and aitoying elements 1 Uvod V prizadevanjih za znižanje stroškov, ki vsakodnevno nastajajo zaradi obrabe mehansko, korozijsko in toplotno obremenjenih delov strojev in naprav v industriji, ima navarjanje zelo pomembno vlogo. Razvite tehnike in tehnologije navarjanja omogočajo popravljanje poškodovanih delov strojev in naprav tako kakovostno, da ima obnovljeni strojni element celo boljše mehanske in tri-bološke lastnosti ter je vzdržljivejši od novega. Vse pogosteje se v industriji uveljavlja praksa, da obrabno obremenjene površine in robove novih strojnih delov, naprav in orodij oplemenitimo z navarjanjem. Še bolj gospodarno pa je, če jih izdelamo iz cenejših žilavih jekel in na obremenjene ploskve in robove navarimo obrabno odporne prevleke1"7. Močno taljenje osnove je s stališča navarjanja pomanjkljivost večine obločnih, še posebno pa produktivnejših polavtomatskih in avtomatskih postopkov varjenja. Zaradi mešanja (razredčenja) navara z osnovnim materialom moramo navarjati večslojno. Omenjeno pomanjkljivost lahko odpravimo z dodatnim legiranjem na- PWT. dr. Rajku KEJŽAR. dipi.inž.kem. FaktiJlcla /a strojništvo. Univerza v Ljubljani Aškerčeva 6. KWI Ljubljana vara preko elektrodne obloge, varilnega praška in stržena ter s tehniko navarjanja z večžično elektrodo7"15. Strženske žice so univerzalen in zelo perspektiven dodajni material za obnavljanje poškodovanih in obrabljenih ter oplemenitenje novih strojnih elementov, naprav in orodij z varjenjem in navarjanjem. Združujejo prednosti oplaščenih elektrod za ročno obločno varjenje s prednostmi masivnih žic za polavotmatska in avtomatska varjenja v zaščitnih medijih - plinih in pod praški - in brez zaščite. Če z njimi varimo polavtomatsko po postopku MIG/MAG, geometrija poškodovanih in obrabljenih delov strojev in naprav skoraj ne vpliva na izvedbo popravila16'17. 2 Opis in izdelava strženskih žic Strženske žice izdelujemo po dveh postopkih: a) z vlečenjem polnjenih cevi, b) z zvijanjem traku v žleb, ki ga polnimo s kovinami in minerali, ter nadaljnjim oblikovanjem žice. Strženske žice iz cevi so praktično povsem enakih dimenzij kot masivne. Tudi njihova uporabnost na varilnih napravah (MIG/MAG in EPP) je povsem enakovredna masivnim žicam. Nasprotno pa so strženske žice, ki so zvite iz traku, zelo občutljive pri pogonu na varilnih strojih, ker obstaja nevarnost odpiranja zaradi stiskanja žice med pogonskimi kolesci, kar ima za posledico iztresanje stržena v cevnem paketu (božirju), ki povzroči zaustavljanje in neenakomerno podajanje žice med varjenjem. Naprave za varjenje s strženskimi žicami iz traku morajo zato imeti poseben pogon žice18"20. Zaradi enostavne uporabe so strženske žice iz cevi primernejše za varjenja in navarjanja v industriji kot tiste, ki so izdelane z zvijanjem iz traku. Uporabimo jih lahko brez težav na obstoječih varilnih napravah. S pravilno izbiro dimenzij in kvalitete cevi pa jih tudi lahko izdelamo skoraj za vse potrebe navarjanja v industriji. 2. 1 Legiranje navara preko stržena Sestava stržena ter masno razmerje med strženom in cevjo odločilno vplivata na sestavo navara, ki pa je odvisna tudi od dezoksidacijskih procesov v kapljici in talini vara. Oksidacija dezoksidantov in legirnih elementov med varjenjem poteka le s kisikom, ki pride iz plinske faze v talino žlindre in vara, ter kisikom, ki vstopa v reakcije vzpostavljanja navideznega ravnotežja zaradi redukcije varilne žlindre21"27. Enačba vzpostavljanja navideznega ravnotežja: al«l - "(FeO) Kfc ' a|Fc] a Kr [Ci"] Kv d[Mo] K„ Vi Kr ■ a. [C] Vnos kisika "ACb (g/g vara)" iz plinske faze in žlindre v var je tesno povezan z velikostjo odtaljenih kapljic (reakcijska površina) ter s količino in bazičnostjo varilne žlindre (slika 1). C5 -P £ 6x 10 75 CD U-O O) \ O) □ <3 \ <3 O > O) \ O) i 5x 10-2- 4x 10 3x 10 — 2x 10 -s — 10 -c Aglonerironi nočno legirani praški 1=650A U=45V V//////////////, I=650A U=35V Bazične el.(fiu = t-3> Rutilno Nislo(BL=-2) in bazič. pol.(Bi =+5) VAC 60 Božično 'A poln.(BL = +l> Rutilno kisle(Bi_=-3> n bazične el.(BL = + l -nelegirono žico -legirana žico , '//////////////;x '-f-r I=450A U=35V Taljeni in sini r o ni proški ^ MAG MAG in brez zo*>t. RD EPP I—j -nasivne žice -strženske žice -opl. elektrode -vorilni provski L—1 MAG MAG and unprotected Manual orc SAV -solid vvires -cored wires -covered electrodes -welding fluxes Slika 1: Diagram vnosa kisika "ACb (g/g vara)" pri obtočnih postopkih varjenja Figure 1: Diagram of the oxygen input "AO: (g/g of weld metal)" in are welding processes fes 0,2 0,1 0 10 0 5 0 0,5 0 1 0 1 0 1 0 m §5 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 □ s (masni % / weight %) ----3,. Slika 2: Diagrami porazdelitve elementov med žlindro in varom pri obločnih postopkih varjenja x* MAG; masivna žica (VAC 60) o» MAG; strženske žice AA Ročno obločno; oplaščene elektrode □ ■ EPP; varilni praški (*»AB; močna dezoksidacija - legiranje) Figure 2: Distribution diagrams of elements between the slag and the weld metal in are welding processes x* MAG; solid wire (VAC 60) o» MAG; cored wires AA Manual are; covered electrodes □ ■ SAW; welding fluxes (*«AB; strong deoxydation - alloying) Na osnovi podatkov o vnosu kisika "AO2 (g/g vara)" in porazdelitvi elementov med žlindro in varom (slika 2), ki temelji na reakcijah vzpostavljanja navideznega ravnotežja, lahko vnaprej ocenimo sestavo navara pri izbrani sestavi stržena in masnem deležu stržena v strženski žici. Stržen sestavljajo mineralne in kovinske komponente. Enakomerno sestavo zagotovimo le, če fino zmlete komponente stržena dobro premešamo in granuli-ramo. Pri približno enaki velikosti zrn bo potekalo polnjenje cevi brez težav - ne bo prišlo do zbijanja gra-nulata v cevi. Poroznost granulata in stržena pa je takoj po polnjenju cevi razmeroma velika (okoli 40%). Pri cevastih strženskih žicah (npr.: FILTUB DUR 16; strženska žica za navarjanje SŽ-ŽJ, FI PROM - Elektrode, Jesenice) je zaradi poroznosti granulata in stržena po polnjenju cevi masni delež stržena le 12 do 13 odstoten, čeprav je delež površine notranjega prereza izbranih cevi; „ 7t(r-2,5)2 S = ——r-^-100 = 38% nr1 (dimenzije cevi: 13 mm, debelina stene cevi ca. 2,5 mm). Sestavo čistega vara in nastajajoče varilne žlindre izračunamo (oz. ocenimo) po naslednjih enačbah: Gm.k = £ mineralnih komponent (kalcit, jedavec, rutil, volastonit....vodno steklo) Gkov. = 2 kovinskih komponent (cev; kovine, zlitine, karbidi....grafit) gži = GMiK + Z AGMe 0 = Gm.k: 100 100-XA%Mex0y Gv = Gkov - I AGMe = Gkov;Tj Sestava vara: % Me = AGM£100 Gv Sestava žlindre: AGMc0-100 ■ Me Y0V = —^- Legenda oznak: AGMexoy, A%MexOy, %MexOy in MMe 13 mm Oznaka žice - leeirni dodatki °iC Sestava vara %Si %Mn %Cr %Mo %w %V(Ti) %Si02 Sestava žlindre %Ca0 %FeO %MnO %Cr203 %V205 (Ti02) Gžl/Gv A02* (g/gvara) III. (22 mas. % stržena) FC DUR 64 (Abradur 66) 4.9 0.7 21.0 5,8 2.0 0,9 5,5 23 12 5 12 2 6 5,1 83/160 Tabela 4: Nikljeve zlitine (trakovi), zanimive za izdelavo varjenih cevi za posebne strženske žice2'-1 Oznaka Ni - /litine % C % Cr % Co % Mo % W % Ti % Al % Nb % Fe Nimonic C.263 006 200 200 ŠŠ 12 045 0.7 Inconel X-750 0,04 15,5 2,5 0.70 0,95 7.0 Inconel 600 0,08 15,5 8,0 Hastelloy C 0,08 15.5 2,5 16,0 3.8 5,5 Udimet 500 0,08 18,0 18.5 4.0_2.9 2.9_ >-v/(%Me,OJ [%Mef morajo ustrezati podatkom v diagramih na slikah 1 in 2. V tabeli 1 so podane kemične sestave čistih varov in varilnih žlinder za strženske žice, ki jih izdelamo iz nelegiranih cevi (0,06% C; 0,03% Si in 0,3 Mn) premera (j) 13 mm z debelino stene: I. -2,5 mm (S = 38%, masni delež stržena = 12 do 13%) II. -1,9 mm (S = 50%, masni delež stržena = 19 do 22%) in III. -1.6 mm (S = 57%, masni delež stržena = 22 do 27%). Iz tabele 1 je razvidno, da pri izdelavi strženskih žic za navarjanje iz varjenih nelegiranih cevi <|) 13 mm z debelino stene 2,5 mm lahko maksimalno legiramo navar z 9% legirnih elementov. Če pa uporabimo cevi s tanjšimi stenami (1,9 ali celo 1,6 mm), kar bo vzrok za večje težave pri izdelavi - vlečenje strženske žice do manjših premerov (pod (j) 1,6 mm) pa lahko legiramo navar že z okoli 15% (debelina stene = 1,9 mm) ali celo z 20 oz. 40% (debelina stene = 1,6 mm) legirnih elementov. Pri uporabi ferozlitin. ki so zaradi nižjih tališč primernejše, bo legiranje navara preko stržena nekoliko nižje (za najmanj 10%), navari pa bodo kvalitetnejši - brez neraztaljenih težko taljivih kovinskih in karbidnih vključkov. 2.2 Uporaba legiranih cevi Za izdelavo strženskih žic za obrabno odporna navarjanja so zelo zanimive tudi varjene cevi, izdelane iz legiranih feritnih jekel - trakov (tabela 2). Superferitno jeklo ima zelo dobre preoblikovalne lastnosti, kar je zelo pomembno pri vlečenju strženske žice do nižjih presekov (pod (j) 1,6 mm). Feritno jeklo ACROM 10 extra pa je zanimivo zaradi visokega deleža kroma (25% Cr). Za legiranje navara večinoma zadostuje že krom iz cevi. preostale legirne elemente pa legiramo v navar preko stržena (tabela 3). Iz tabele 3 je razvidno, da pri izdelavi strženskih žic za navarjanje iz varjenih legiranih cevi (j) 13 mm z debelino stene 1,6 mm lahko legiramo v navar preko cevi in stržena preko 40% legirnih elementov. Problematično je edino legiranje visokih vsebnosti ogljika v navar. Z dodajanjem grafita v stržen se namreč masni delež stržena zelo hitro znižuje. Z uporabo cevi iz čistega niklja ali nikljevih zlitin (tabela 4) lahko v obliki strženskih žic izdelamo tudi do-dajne materiale za navarjanje najrazličnejših temperaturno in obrabno odpornih nanosov. 3 Sklep Navarjanje s strženskimi žicami je produktivno, kvalitetno in zelo zanimivo za vzdrževalce. Če varimo po polavtomatskem postopku MIG/MAG, se brez težav prilagajamo geometriji varjenca. Posebno primerne so strženske žice, ki so izdelane z vlečenjem polnjenih varjenih cevi (cevaste strženske žice). Glede dimenzij in uporabe na varilnih napravah so povsem enakovredne masivnim žicam. Z legiranjem navara preko stržena in le-girane cevi, pa jih lahko izdelamo praktično za vse potrebe navarjanja v industriji1-2-30"32. 4 Literatura 1 \\'eld Surfacing and Hardfacing. The Welding Institute Abington, 1980 " H. Uetz: Abrasion und Erosion. Carl Hanser Verlag, Miinchen, Wien, 1986 ' R. Kejžar: Razvoj varilnih postopkov obnavljanja in oplemenitenja površin. Strojniški vestnik - Tribologija. 31, 1985, 7-8, 179-183 JR. Kejžar: Applicability of building-up processes to manufacture and restoration of tools. Proceedings of the international conference on the joining of materials, JOM-4, Helsinger. 1989. 26-36 3R. Kejžar: Produktivno navarjanje orodij. Strojniški vestnik - Tribologija. 36. 1990. 10-12, 217-220 6R. Kejžar: Navarjanje močno legiranih nanosov na konstrukcijska jekla. Varilna tehnika, 41, 1992, 4, 96-101 R. Kejžar: Platiranje konstrukcijskih jekel z navarjanjem. Kovine, zlitine, tehnologije, 28, 1994, 1-2, 95-100 s R. Kejžar: Refinement of working surfaces by submerged are hardfacing. Proceedings of the international conference on the joining of materials, JOM-5, Helsing0r, 1991, 117-126 ''R. Kejžar: Hardfacing by submerged are welding. Proceedings ofthe 2nd international conference on tooling "Neue Werkstoffe und Verfa-hrenfur Werkzeuge", Bochum 1989, 301-314 10 R. Kejžar: Submerged are surfacing with multiple - wire electrode and alloyed aggiomerated fluxes. Proceedings of the international conference on the joining of materials. JOM-7. Helsing0r. 1995, 273-279 11 R. Kejžar: Razširjenje perspektive navarjanja močno legiranih nanosov. Kovine, zlitine, tehnologije, 29, 1995, 1-2, 113-116 12 R. Kejžar: One-layer submerged are surfacing of high-alloyed claddings with single and multiple electrodes and with alloyed aggiomerated povvders. Proceedings ofthe international conference on the joining of materials, JOM-6, Helsing0r, 1993, 455-463 13 R. Kejžar: Some results referring to alloying of submerged are surfacings in multiple electrode vvelding. IIW/I1S Madrid 1992, Doc. 212-813-92 (15 strani) 14 J. Tušek, V. Kralj: Zavarivanje pod praškom s dvostrukom, trostrukom i četverostrukom elektrodom, Zavarivanje, 35, 1992, 2, pr. str. 77, str. 8 15 J. Tušek, V. Kralj: Submerged Are Welding with Multiple - Wire Electrode. Proceedings of the International Conference on the Joining of Materials, JOM-6, Helsing0r, 1993, 438-454 16 R. Kejžar: Razvoj dodajnih materialov v obliki strženskih žic (strženske žice - univerzalen dodajni material za valjenje, navarjanje, spa-jkanje in nabrizgavanje). Varilna tehnika, 33, 1984, 4, 104-108 17 G. Rihar: Razvoj strženskih žic za navarjanje. Varilna tehnika, 34, 1985, 4, 95-97 l8J. Tušek: Predlog razvrstitve strženskih žic. Varilna tehnika, 43, 1994, 4, 107-113 19 J. Begeš: Strženske žice - nov dodajni material za polavtomatsko varjenje. Varilna tehnika, 34, 1985, 2, 35-39 "I. Lakota: Strženske žice nov proizvod Železarne Jesenice. Varilna tehnika, 42, 1993. 2, 45-51 21 R. Kejžar: Vzpostavljanje navideznega ravnotežja med žlindro in kovino pri dezoksidaciji jekla in varjenju. Železarski zbornik. 8, 1974, 4, 193-201 "R. Kejžar: Vpliv dezoksidantov na vsebnost kisika v čistem varu in izkoristek Cr iz plašča pri elektroobločnem varjenju. Železarski zbornik, 9. 1975, 1, 19-27 "3R. Kejžar: Prigor in odgor elementov (silicija in mangana) pri varjenju pod praškoma EP 10 in EP 50. Železarski zbornik, 9, 1975, 1, 11-17 24 R. Kejžar: Desoxydationsvorgange in der Schweissnaht beim Schweissen mit Fiilldrahten. DVS Berichte 42, Dusseldorf 1976, 247-264 R. Kejžar: Deoxidation processes by vvelding vvith cored vvires. IIW Doc. 212-365-76 25 R. Kejžar: Skupna izhodišča za izračunavanje enačb vzpostavljanja navideznega ravnotežja med žlindro in varom pri varjenju z oplaščenimi elektrodami. Rudarsko-metalurški zbornik, 1976, 4, 357- 375 26 R. Kejžar: Razvoj dodajnih materialov na osnovi zakonitosti poteka fizikalno kemičnih procesov med varjenjem. Rudarsko-metalurški zbornik, 1977, 1, 3-16 27 R. Kejžar: Alloying Processes in Submerged are Surfacing vvith Al-loyed Aggiomerated Fluxes. IIW/IIS Doc. 212-844-93 28 Toplo valjana pločevina. Katalog Železarne Jesenice, 1987 mD. Dobi: Superlegure na bazi niklja. Zbornik savjetovanja osadašnjoj i budučoj proizvodnji specijalnih slitina u Željezari Ravne, Kotlje 1989, 40 str. 50 Dodajni materiali za varjenje. Katalog Železarne Jesenice, 1991 31 Elektroden fur die Auftragschvveissung. Fiilldrahte fiir die Auftragschweissung, 30-32, Soudometal/Intervveld 32 Fiilldraht-Elektroden nach dem Fluxofil-Veifahren. Oerlikon