© Strojni{ki vestnik 45(1999)7/8,294-300 © Journal of Mechanical Engineering 45(1999)7/8,294-300 ISSN 0039-2480 ISSN 0039-2480 UDK 621.791:621.791.04 UDC 621.791:621.791.04 Strokovni ~lanek (1.04) Speciality paper (1.04) Parametri optimizacije varjenja za novo str`ensko `ico tipa RD 971 Optimisation of Welding Parameters for the New Tubular Cored Electrode Type RD 971 Jozef Me{ko - Viliam Le`dík - Milo{ Mi~ian Namen članka je pokazati možnosti optimiranja varilnih parametrov za novo stržensko žico tipa RD 971, ki je izvedena z matematično - statističnim vrednotenjem varilnega toka in napetosti. Vsi preskusi so bili narejeni z novim dodajnim materialom - s stržensko žico tipa RD 971, ki je bila razvita na Tehnološki fakulteti, Univerze v Žilni, v sodelovanju z Institutom za varjenje v Bratislavi © 1999 Strojniški vestnik. Vse pravice pridržane. (Ključne besede: žice strženske, optimiranje varjenja, stabilnost procesov, kriteriji stabilnosti) The aim of this paper is to show how the parameters can be optimised using a mathematical - statistical evaluation of the time dependence of the electric current and voltage with the new tubular cored wire type RD 971. This contribution demonstrates the abilities of the new filler material - tubular cored wire type RD 971, that was developed at the Department of Technological Engineering, University ofŽilina in co-operation with VUZ - Bratislava. © 1999 Journal of Mechanical Engineering. All rights reserved. (Keywords: cored wire electrodes, optimum welding conditions, stability of process, stability criterion) 0 UVOD Podobno kakor pri drugih postopkih obločnega varjenja, se, zaradi brizganja, pojavljajo velike izgube dodajnega materiala tudi pri varjenju v zaščitnih atmosferah. Ta način varjenja je zahtevnejši glede vzdrževanja procesa v okviru pogojev optimalne stabilnosti. Vrednotenje stabilnosti varilnega obloka je zasnovano na optimizaciji delovnih področij. Optimalna delovna področja je mogoče ugotoviti pri različnih načinih prehajanja dodajnega materiala. Za optimalna delovna področja je značilno, da ni brizganja in da je zvarni spoj kakovosten. Delovna področja optimalnih varilnih parametrov so vezana na določen vir varilnega toka, določen dodajni material in zaščitni plin ([1] in [7]). 1 ANALIZA KRATKOSTIČNEGA PREHAJANJA MATERIALA Za stabilnost varilnih procesov velja običajno pravilo, da mora biti hitrost odtaljevanja enaka hitrosti dovajanja dodajnega materiala. Če je hitrost dovajanja dodajnega materiala večja od hitrosti odtaljevanja, potem se kapljice potapljajo v zvarno kopel. Ob pojavu kratkega stika med elektrodo in talino se začne zmanjševati hitrost odtaljevanja in pride do znižanja varilne napetosti [4]. 0 INTRODUCTION The arc welding method with shielding gas has large losses due to splashing, similar to other arc welding methods. The arc welding with shielding gas is more appropriate to keep the weld process in the optimum area of stability. The evaluation of stability arcing is based on optimum work-ing areas. We can find optimum working areas in different weld metal transmittal modes. The weld-ing areas chosen from the working process are characterised by minimum splashing and weld joint quality. The optimum parameters are determined from working areas, more specifically the weld-ing source of current, filler metal and shielding gas ([1] and [7]). 1 THE SHORT CIRCUIT PROCESS ANALYSIS It is a common rule that for a stable welding processes, the wire melting speed must be balanced with the speed of the feed in the base material direction. If the electrode feed speed is higher than the melting speed, then the melt metal drop at the end of electrode is in the welding bath during the short circuit. After the short circuit process starts (the short circuit process is realized in large-scale welding parameter areas), lower melting speeds or lowering of the values of the voltage occur [4]. 99-7/8 grin^SfcflMISDSD I ^BSfiTTMlliC | stran 294 Parametri optimizacije varjenja - Optimisation of Welding Parameters Proces kratkostičnega prehajanja se lahko razdeli v kratkostično fazo x in fazo gorenja obloka x (ki včasih izostane - faza izostajanja x). Za interval kratkega stika je značilno znižanje varilne napetosti na vsega nekaj voltov. Čas znižane varilne napetosti je sorazmerno odvisen od velikosti nastale kapljice. V času trajanja kratkega stika z uporovnim segrevanjem prostega konca elektrode se napetost postopno zvišuje. Tok ne more slediti spremembi napetosti kratkega stika, ker je odvisen od časovne konstante vira in od induktivnosti varilnega tokokroga. Ob pojavu kratkega stika se prične tok eksponentno zvečevati in doseže največjo vrednost na koncu tega obdobja. Pojav največje jakosti kratkostičnega toka povzroči, da pride ob ponovni vzpostavitvi obloka do brizganja taline. Ob vžigu obloka dosežena jakost kratkostičnega toka ni odvisna samo od njegovega zvečevanja, pomembno je odvisna tudi od dinamičnih lastnosti vira toka in obenem od največje vrednosti varilnega toka. Po prekinitvi kratkega stika se jakost toka zmanjša na srednjo vrednost varilnega toka. Ob prekinitvi kratkega stika se pojavi tudi kratkotrajno povišanje varilne napetosti ([5] in [6]). Potek kratkostičnega obdobja s fazami prehajanja materiala prikazuje slika 1. The short circuit process can by divided in-to the short circuit phase xs , and the arcing phase xo (sometimes the phase absence xa). The short circuit section is defined as the decrease of the voltage to a value of a few volts. The time of the voltage decrease during the short circuit is proportional to the size of the drop causing the short circuit. During the short circuit the voltage slowly rises up to a value equal to the heating-up resistance . The current can not fol-low the course of voltage because it is influenced by the time welding constant of the source and the circuit. As the short circuit begins, the current starts to rise exponentially and at the end of the short circuit it reaches its maximum intensity. These phenomena cause splashing of the metal during the short circuit phase, where not only the ratio of current increase is of importance (it is a function of the welding source dynamic properties), but also the maximum value of the welding current. At the end of the short circuit process the welding current decreases to the average value. The phenomenon causes the short-time ris-ing of the voltage after the finish of the short circuit process ([5] and [6]). The short circuit phase of metal transfer is demonstrated in Fig. 1. 1. 2. 3. 4. 5. 6. I, A področje zvečevanja kratkostičnega toka current increase section področje zmanjševanja jakosti toka current ' sectkase n ; področje varilnega toka current constant section U, V čas trajanja kratkega stika short circut phase ^ čas gorenja obloka arcing phase t, s Sl. 1. Shematski prikaz varilnega kroga s potekom jakosti toka in napetosti ter fazami prehajanja materiala med kratkim stikom in gorenjem obloka Fig. 1. A schematic diagram showing the cycle of current and voltage continuance with metal transfer at the short circuit phase and arcing phase stran 295 I^HSSTTIMIDC J. Me{ko - V. Le`dík - M. Mi~ian 1.1 Kriteriji stabilnosti pri kratkostičnem 1.1 The stability criterion for the short circuit varilnem procesu welding process Pogosto se presoja stabilnost varilnega procesa samo na temelju vidnih in zvočnih pojavov v obloku in v skladu z obliko zvara. Za to metodo ocenjevanja optimalnih nastavitev so potrebne bogate praktične izkušnje in strokovna kritičnost ocenjevalca. Zato je bilo razvitih več načinov statističnega vrednotenja varilnih parametrov, ki se spreminjajo okoli srednje vrednosti, npr.: varilne napetosti ali varilnega toka [1]. Podrobno matematično-statistično vrednotenje toka in napetosti omogoča, da za različne varilne razmere te vrednosti ponazorimo s histogrami. Ti histogrami ponazarjajo relativno pojavljanje v času, ko se vrednosti toka in napetosti pojavljajo na različnih ravneh ([1] in [2]). Za vrednotenje stabilnosti varilnega procesa se lahko uporabijo različne metode in kriteriji. Pogosto se izkaže, da izbor kriterija izhaja iz relativne širine histograma. Eden od kriterijev stabilnosti je ocenjen s sekundarnimi parametri; zlasti s časom gorenja obloka x in časom kratkega stika x. Kriteriji pomenijo za te parametre izačunana odstopanja S. Varilni proces z majhno vrednostjo S je stabilen. Kratkostični proces se kaže kot niz povezanih pojavov kratkih stikov obloka in pekinitev obloka. Kriterij stabilnosti kratkostičnega varilnega procesa je mogoče definirati z indeksom stabilnosti W, ki je sestavljen iz vrste časovnih variacijskih koeficientov posameznih faz procesa: The stability of the welding process can of-ten be judged only with the help of visual and acous-tic demonstration of the arc and according to the form of the weld. The present method of evaluation of the optimum settings requires plenty of practical experi-ence. As a result several workers have used statisti-cal evaluation of the values of welding parameter de-composition around their average values, for example voltage or current [1]. A detailed mathematical - statistical evaluation of the variation of current and voltage allows the creation of histograms of decomposition of these quan-tities under different welding conditions. These histo-grams demonstrate the percentile distribution of now, these quantities are affected with time ([1] and [2]). Different methods and criteria can be used to asses the stability of the welding process. The choice of criterion often comes from investigating the relative width of the histogram. One important assessment of stability requires is evaluation of the secondary parameters. In particular the parameter types: time arc-ing x0 and time short circuit xs. The criterion is position at the calculations decisive aberration S these parameters. The process with a low value of S is shown as stable. The short circuit process is shown as a series of casual actions, short circuits of arcing and absences. The stability criteria short circuit welding process can be defined by the index of stability W, which are constituted from the summary time varia-tions coefficient of individual phases: s s Vi - koeficient variiranja, izračunan iz časa trajanja posamezne faze, o - faza gorenja obloka, s - faza kratkega stika, a - faza prekinitve, ti- relativni delež posamezne faze v varilnem procesu: W = ts Vs + toVo + taVa % aa (1), Vi - is the variation coefficient for the times of exist-ence for individual phases, o - phase of arc, s - phase of short circuit, a - phase of interruption, ti- phase relative share in the welding process: ti = tc (2), kjer je: YjXi - vsota dejansko končanih faz [s], tc - celotni čas opazovanja varilnega procesa [s]. Variacijski koeficient je določen z izrazom: Vi = kjer sta: di - standardna deviacija parametrov, xi - povprečna vrednost veličine. when: EX- the summary of existent phase elapsed [s], tc - the global read cycle time of existing quantity [s]. The variation coefficient is determined from the formula: •100 % (3), when: di- standard deviation of parameters, x - average parameters of quantity. 8 Sšnn3(aul[M]! ma stran 296 Parametri optimizacije varjenja - Optimisation of Welding Parameters Če upoštevamo definicijo kriterija stabilnosti, je razumljivo, da se z nizanjem vrednosti varilnih parametrov začne večati delež ustavitev v skupnem času varjenja. Težave z vžiganjem obloka ob kratkem stiku se izražajo z nepravilnostmi pri nastajanju zvara. Varilni proces je časovno stabilen ob pravilnem prehajanju dodajnega materiala v talino zvara, ko ima kriterij stabilnosti W najmanjšo vrednost. 2 EKSPERIMENTALNI DEL Za statistično obdelavo izmerjenih vrednosti varilne napetosti v področju kratkostičnega prehajanja materiala je bil uporabljen indeks stabilnosti W. Merilni sistem je prikazan na sliki 2. If the stability criterion for the welding pro-cess is taken into consideration, it becomes clear that with lower values of the welding parameters the ab-sence portion of the summary welding time begins to grow. There are problems with the ignition of the arc after a phase of short circuit the consequence of wich is the observed anomaly in the formation of the welding bead. The welding process is time stable and requires regular transition filler metal in the welding bath if the stability criterion W takes its minimum values [2]. 2 EXPERIMENTAL PART The index stability W was applied to show how the criterion for an area short circuit transfer metal could be stated from the voltage measurement course using statistical interpretation. The appertain-ing schema is showed in Fig.2. I osciloskop oscilloscope V/I enota I/O unit mikroprocesor microprocessor bralni pomnilnik ROM bralno pisalni pomnilnik RAM V/I enota 1 I/O unit 1 V/I enota 2 I/O unit 2 a branje podatkov data reader proces varjenja welding process Sl. 2. Shema merilne naprave za odbiranje varilne napetosti in toka Fig. 2. A schematic of the measuring equipment for reading of voltage and current in the welding process Preskusni varjenci dimenzij 60 x 15 x 160 mm iz jeklene perlitne litine so bili predgrevani na temperaturo T = 650°C. Preskusi so bili narejeni s tremi vrednostmi jakosti varilnih tokov: Iz = 210, 250 in 280 A. Varilna napetost se je spreminjala v področju Uz=18 do 30 V, tako da je potekal varilni proces v področju kratkostičnega prehajanja materiala. Naslednji varilni parametri so bili konstantni: - dolžina prostega konca žice: l = 25 mm, premer: f 2 mm - v = 50 mm/s - induktivnost varilnega tokokroga: L = 4,25 mH, - pretok zaščitnega plina: Q = 15 l/min, Argon 4,6 (99,996% Ar), For the experimental test we used casting slabs of size 60 x 15 x 160 mm produced from fer-rite-pearlite ductile iron and preheated to the temperature T = 650 0C. Three levels of welding current were used p / = 210, 250 and 280 A. The voltage ranged from Uz=18 to 30 V when the welding process ran in the short circuit area transfer. The following welding parameters were constant: - the push outing of electrode: l= 25 mm, rightward welding technique, electrode diameter: f 2 mm - the welding rate: v = 50 mm/s, - the induction of welding circuit: L = 4,25 mH, - the shielding gas - Argon 4,6 (99,996% Ar), quantity gas: Q = 15 l/min, | gfin=i(purMini5nLn 99 stran 297 I^HSSTTIMIDC J. Me{ko - V. Le`dík - M. Mi~ian Kot delovno področje je bil uporabljen proces, pri katerem je bila frekvenca kratkih stikov višja od 10 s-1.. Ta omejitev je bila v skladu z disertacijo [5]. Indeks stabilnosti W je odvisen od varilne napetosti [5]. Ta funkcija ima svoj minimum v področju največje stabilnosti. Za vse nastavitve varilnih parametrov je bil odbran potek varilne napetosti in analiziran čas gorenja obloka in čas kratkega stika (faza ustavitve - odsotnosti procesa je bila zelo neizrazita, zato ni bila upoštevana). Te vrednosti so v skladu z ravnijo varilne napetosti, ki je najpogosteje uporabljana za izdelavo histograma. Histogram relativne pogostosti pojavljanja različnih ravni napetosti in toka za prikazana časovna poteka obeh parametrov, za stržensko elektrodo tipa RD 971, prikazuje slika 3. I, A 400 350 300 250 200 150 100 50 In the working area a process was main-tained with short circuit frequency attaining values as high as 10 s-1. This boundary was specified ac-cording to the thesis [5]. The index stability W is dependent on the welding voltage, according to [5]. The function has a minimum which determines the area with the high-est stability. For all setting values the welding volt-age course displaying the arcing time xo and the short circuit time xs was recorded (the absence phase had been few expressive, therefore it was not included). These values corresponded to the level of voltage which has been mostly used for drawing a histogram. The histogram depending on the distribution time P for different levels of current and voltage for the tubular cored electrode RD 971 is showed in Fig. 3. / «rVM V*V H/ ^ P, % 0 0,975 0,985 0,995 1,005 1,015 1,025 t, s U, V 40 35 30 25 20 15 10 5 0 vvww \w*ff / >Aa / P, % 0,975 0,985 0,995 1,005 1,015 1,025 t s Sl. 3. Potek napetosti, toka in histograma relativne pogostosti P za različne ravni toka in napetosti za stržensko elektrodo tipa RD 971, varjene z U = 27V in I = 210 A Fig. 3. The continuance of voltage, current and histograms - percentage distribution time P with different levels of current and voltage for tubular cored electrode type RD 971, U=27 V and I=210 A Na sliki 3 prikazan potek varilne napetosti je bil posnet v optimalnih varilnih razmerah, ker je bila tedaj vrednost indeksa stabilnosti minimalna. Takrat je dejansko varilni proces časovno stabilen in je prehajanje materiala v talino zvara normalno. The welding voltage in Fig.3 is optimised for the existing welding conditions, because processes at these voltages have minimum value index stabil-ity W. It was proved, that the welding process is time stable and the transition of the filler metal into the welding bath is normal. 99-7/8 grin^SfcflMISDSD I ^BSfiTTMlliC | stran 298 Parametri optimizacije varjenja - Optimisation of Welding Parameters Na sliki 4 je prikazana krivulja indeksa sabilnosti W za različne vrednosti napetosti U, pri varilnem toku Iz = 250 A. Dodajni material je bil strženska elektroda tipa RD 971. Krivulja indeksa stabilnosti W je bila določena z regresijsko analizo drugega reda. Uporabljena je bila varilna napetost, ki je ustrezala ekstremnemu indeksu stabilnosti, to je pri njegovi najmanjši vrednosti. % W In Fig. 4 values for the index of stability W for different welding voltage Uz and welding current Iz = 250 A are shown. The filler metal was tubular cored electrode type RD 971. The 2nd order method regression analysis was used. The welding voltage used corresponded to the extreme value of the stability index which was a minimum. 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Uz V Sl. 4. Indeks stabilnosti v odvisnosti od varilne napetosti U pri varjenju s stržensko elektrodo tipa RD 971 s tokom I = 250 A Fig. 4. The index stability W dependence at welding voltage U for tubular cored electrode type RD 971 and current I = 250 A V preglednici 1 so prikazani optimalni varilni parametri in vrednosti brizganja