Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 430 OBLOČNO VARJENJE 1 Uvod Sestavine (komponente) pogonsko-krmilne hidra- vlike (Varjenje pod praškom ali kratko EPP – »ele- ktro pod praškom« – je bilo za praktično uporabo razvito v tridesetih letih dvajsetega stoletja, pri- bližno istočasno in neodvisno v ZDA in v takratni Sovjetski zvezi. Postopek spada v skupino najzmo- gljivejših obločnih varjenj. Visoka gostota varilne- ga toka v prostem koncu žice in obloku ter dober izkoristek toplotne energije in dodajnega materiala zagotavljajo visok talilni učinek. Zanesljivi metalur- ški procesi v talini vara, gospodarnost in dobra kva- liteta vara omogočajo široko uporabo [1]. Varilni oblok gori med dodajnim materialom, ki je v obliki žice ali traku, ter osnovnim materialom in je zakrit z žlindro ter praškom. Toplota, ki nastaja v obloku, tali dodajni in osnovni material ter del praška. Raztaljeni dodajni material potuje od ele- ktrode do taline vara najpogosteje v dveh oblikah. Pri varjenju z manjšimi gostotami tokov je varilna kaverna manjša in raztaljeni dodajni material pre- haja v talino vara v večjih kapljicah ob steni žlin- dre. Pri varjenju z višjimi gostotami tokov material prehaja skozi oblok v manjših kapljicah s prostim preletom. Med varjenjem se v varilni kaverni doga- jajo zapleteni metalurško-kemični procesi, ki vklju- čujejo osnovni in dodajni material ter varilni prašek oziroma žlindro [1, 2]. Varjenje v ozki reži se uporablja pri varjenju debe- lejših materialov, navadno nad 50 mm. To pomeni, da je zvarni rob pripravljen pod manjšim kotom (2−20°), kar pomeni, da se čas varjenja ter poraba dodajnega materiala bistveno zmanjšata. S tem je dosežen manjši vnos toplote v osnovni material, toplotno vplivana cona je ožja in kakovost zvar- nega spoja boljša. Za dosego kakovostnih zvarov moramo poleg ustreznih varilnih parametrov za določen osnovni material izbrati primeren dodajni material in primeren varilni prašek ter upoštevati navodila proizvajalca dodajnih materialov in pra- škov [3, 4]. V nadaljevanju je predstavljena tehnologija varje- nja izdelave maket oz. replik zvarov z namenom usposabljanja in kvalifikacije osebja za avtomatizi- rane neporušne preiskave. v a Rjenje debelostens Kih ne Rjavnih od Kov Kov v oz Ki Reži po postop Ku ele Kt Roobločnega va Rjenja pod p Raš Kom Matej Pleterski, Janez Vajdič, Damjan Klobčar Dr. Matej Pleterski, univ. dipl. inž., Janez Vajdič, univ. dipl. inž., oba Numip, d. o. o., Ljubljana; izr. prof. dr. Damjan Klobčar, univ. dipl. inž., Uni- verza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo Izvleček: Elektroobločno varjenje pod praškom je eden izmed najbolj produktivnih postopkov obločnega varjenja. V kombinaciji z ozkim zvarnim žlebom nam poleg visokega talilnega učinka, dobre kakovosti vara in izko- ristka energije nudi tudi zmanjšan volumen spoja ter manj priprave zvarnega roba, nižji vnos toplote, manj taljenja osnovnega materiala, manjšo toplotno vplivano področje in manjše deformacije. Prispevek povze- ma predvsem izvedbo varjenja oz. izdelavo replik zvarov na uparjalnikih ruskih nuklearnih elektrarn z na- menom usposabljanja in kvalifikacij osebja za avtomatizirane postopke neporušnih preiskav. Predstavljeni so postopek določitve varilnih parametrov, izbira primerljivih dodajnih in pomožnih materialov, odobritev postopka varjenja ter sama izvedba varjenja segmentov odkovkov cilindričnih oblik. Pristop k zahtevam ter sama uspešnost izvedbe sta bila potrjena z mehanskimi preiskavami in volumetričnimi neporušnimi preiskavami, ki niso pokazale nobenih indikacij. Ključne besede: Elektroobločno varjenje pod praškom, nerjavno jeklo, ozka reža, neporušne preiskave Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 2 Tehnologija varjenja 2.1 Zahteve Za izdelavo čim boljših replik zvarov na šobah upar- jalnikov ruskih nuklearnih elektrarn tipa VVER 400 je naročnik definiral tudi jasne zahteve glede izbire dodajnega materiala in praška, priprave zvarnega žleba (slika 1a), gradnje varkov (slika 1b) in vsebno- sti ferita, in sicer: a) osnovni material: 08X18H10T (po standardu GOST 22790-89) – debelina na mestu zvara 70 in 90 mm, b) dodajni material: Cb-04X19H11M3 (GOST 2246- 70), c) prašek: 48-OF-10 (taljeni aluminatno-fluoridni prašek po GOST 9087-81), d) volumski delež ferita: 2−8 %. 2.2 Izbira primerljivega praška in dodajnega materiala Dobava zgoraj omenjenega dodajnega materiala in praška je bila v času projekta praktično neizvedljiva. Oboje bi bilo namreč lahko dobavljivo zgolj po naro- čilu v večjih količinah. Tako je bilo potrebno najti ade- kvatna nadomestka, ki lahko ugodita zahtevam in sta obenem na razpolago na domačem ali bližnjih trgih. Za izvedbo preliminarnih testov ter odobritev va- rilnega postopka je bil izbran material AISI 321 (EN: X6CrNiTi 18-10; 1.4541). Kot dodajni materi- al je bila izbrana varilna žica proizvajalca Lincoln Electric LNS 316L (SIST EN ISO 14343:2017: S 19 12 3L) premera Φ 2,4 mm. Primerjava kemične sesta- ve zahtevanih in izbranih materialov je prikazana v preglednici 1, primerjava mehanskih lastnosti pa v preglednici 2 (vrednosti izbranih materialov so de- janske šaržne vrednosti). Zahtevanemu prašku 48-OF-10 je najbolje ustrezal novo razviti prašek Elektrod Jesenice AF 385 (pre- glednica 3). Gre za aglomerirani aluminatno-fluo- ridni prašek, ki daje gladko, homogeno, kovinsko sijajno površino brez korozijskih oksidov in zagota- vlja dobro odstopanje žlindre. OBLOČNO VARJENJE 431 Slika 1 : Detajli priprave zvarnega žleba (a) in shematski prikaz gradnje varkov (b) Preglednica 1 : Primerjava kem. sestave osnovnih in dodajnih materialov Material Kem. sestava [%] C Si Mn S P Cr Ni Mo Ti 08X18H10T ≤ 0,08 ≤ 0,8 1,0−2,0 ≤ 0,02 ≤ 0,035 17−19 9–11 / (5−6) x %C AISI 321 0,046 0,37 1,84 0,001 0,039 17,69 9,27 / 0,286 Cb-04X19H11M3 ≤ 0,1 ≤ 0,6 0,8−2,0 ≤ 0,018 ≤ 0,025 15−20 10−14 2−3 / LNS 316L 0,02 0,40 1,70 0,01 0,01 18,6 12,2 2,6 / Preglednica 2 : Primerjava meh. lastnosti osnovnih in dodajnih materialov pri T = 20 °C Material Mehanske lastnosti Rm [MPa] Re [MPa] A [%] 08X18H10T > 490 > 196 38 AISI 321 557 230 60 Cb-04X19H11M3 > 440 > 275 35 LNS 316L 580 420 35 Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 432 Varjenje je bilo izvedeno z virom toka Iskra 600C in manipulatorjem, krmiljem ter varilno glavo s pogo- nom za žico podjetja ESM (Elektro storitve Metelko Robert, s. p.). Meritve FN so bile opravljene s ferito- metrom Fischer MP 30. 2.3 Določitev parametrov varjenja Po pregledu literature [5−7] in glede na zahteve po deležu ferita oz. feritnemu številu (FN) in gra- dnji varkov so bile definirane ciljne vrednosti vnosa energije v zvarni spoj (E) med 10 in 25 kJ/cm in hi- trost ohlajanja med 800 in 500 °C nad 30 °C/s oz. čas ohlajanja (t 8/5 ) pod 10 s. Dejanski vnos toplotne energije med varjenjem iz- računamo [1] po formuli (1): v U I E   =          − +         −       = 0 0 800 1 500 1 2 T T v c I U d k           − − −       = 0 0 3 5 8 800 1 500 1 2 T T F v I U t    (1) kjer je µ izkoristek varjenja in je za EPP med 0,9 in 1, U obločna napetost (V), I jakost toka (A) in v hitrost varjenja (m/s). Za izračun hitrosti ohlajanja je potrebno prej preve- riti ali gre za ploskovni ali volumski način odvajanja toplote. Debelino varjenca primerjamo s kritično debelino d k , ki jo izračunamo po formuli (2): v U I E   =          − +         −       = 0 0 800 1 500 1 2 T T v c I U d k           − − −       = 0 0 3 5 8 800 1 500 1 2 T T F v I U t    (2) kjer je c specifična toplota (60 J/kgK), ρ gostota je- kla (7900 kg/m 3 ), T 0 začetna temperatura varjenca (20 °C). Če je debelina varjenca večja kot d k , velja, da gre za volumski odvod toplote. V tem primeru uporabimo formulo (3) in izračunamo t 8/5 : v U I E   =          − +         −       = 0 0 800 1 500 1 2 T T v c I U d k           − − −       = 0 0 3 5 8 800 1 500 1 2 T T F v I U t    (3) kjer je λ toplotna prevodnost (21 W/mK), F3 faktor zvarnega spoja pri volumskem odvodu toplote in znaša 1 za korenski varek ter 0,9 za polnilne in te- menske varke. Za želene vnose toplote (10−25 kJ/ cm) tako izračunamo dk med 15 in 24 mm. Na pod- lagi tega smo za preliminarne teste izbrali pločevino debeline 30 mm ter tako zagotovili volumski odvod toplote. Robovi pločevin so bili mehansko obdelani v skladu z zahtevami. Preizkušanje različnih parame- trov se je najprej izvajalo z navarjanjem (slika 2a), s čimer se je preverjala predvsem oblika temena (ugo- dno razmerje višina : širina) in FN in se nato nadalje- valo s polnjenjem zvarnega žleba (slika 2b), kjer so se preverjali prevaritev korena, gradnja varkov (da smo se izognili obrobnim zajedam ali ozkim kana- lom), odstopanje žlindre in eventualni medvarkovni vpliv na FN. Opravljenih je bilo 28 testov pri različnih kombinacijah parametrov (I, U in v), na podalgi kate- rih so bile izbrane optimalne kombinacije, in sicer za:  korenski varek: I = 380–400 A, U = 27–28 V, v = 31–33 cm/min,  polnilne varke: I = 350–420 A, U = 29–32 V, v = 38–48 cm/min,  temenske varke: I = 400–430 A, U = 31–33 V, v = 48–52 cm/min. OBLOČNO VARJENJE Preglednica 3 : Primerjava kem. sestave praškov Material Kem. sestava [%] SiO 2 CaF 2 Al 2 O 3 MgO CaO Fe 2 O 3 MnO P S 48-OF-10 9−12 35−46 28−34 11−14 < 8 < 1 < 0,3 < 0,025 < 0,025 AF 385 15 35 33 < 5 6 < 1 < 0,5 < 0,025 0,286 Slika 2 : Preliminarni testi z navarjanjem (levo) in v zv. žlebu na 30-milimetrski pločevini (desno) a) b) Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 433 2.4 Odobritev varilnega postopka Odobritev varilnega postopka oz. WPQR (Welding Procedure Qualification Record) je bila izvedena v skladu s standardom SIST EN ISO 15614-1:2004/ A1:2008 & A2:2012 na pločevini debeline 70 mm. Pri varjenju korenskega varka je bila uporabljena keramična podložka. Zvar je bil izdelan iz 49 varkov ob parametrih, opisanih v preglednici 4. Prosti konec žice se je nastavljal na dolžino med 30 in 35 mm, za kar je bilo potrebno modificirati varil- no glavo naprave, predvsem šobo za prašek. Zaradi velikih prečnih napetosti, ki se pojavljajo med varje- njem, je bilo potrebno varjence močno vpeti (slika 3a). Dobljene mehanske lastnosti zvara so povze- te v preglednici 5, makro obrus z razvidno gradnjo varkov pa na sliki 3b. 3 Varjenje odkovkov Replike štirih zvarov je bilo potrebno izdelati na šti- rih surovcih (slika 4a). To so bili 45-stopinjski se- gmenti odkovka z notranjim premerom 770 mm, zunanjim premerom 1010 mm in višino 430 mm. Se- gmenti so bili prerezani na pol z abrazivnim vodnim curkom ter nato mehansko obdelani na predvideno konturo, vključno z zvarnim žlebom (slika 4b). Tako sta bila izdelana dvakrat (dve različni konturi) po dva para obdelanih surovcev z debelino na mestu zvara 70 oz. 90 mm in enako geometrijo priprave zvarnih robov. Varjenci so se nato vpeli v posebno namensko izde- lano konstrukcijo, katere os je bila podprta z valjčki in povezana z obračalno napravo. Varjenci so bili pozicionirani na ustrezen radij (slika 4c). Za zapol- OBLOČNO VARJENJE Preglednica 4 : Parametri varjenja Varek Tok [A] U [V] Hitrost varjenja [cm/min] Hitrost dodajanja žice [m/min] Vnos energije [kJ/cm] Temperatura [°C] 1 (korenski) 387 27 33,5 3,12 18,7 22 2−44 (polnilni) 333−420 27−31 36−44,3 3,3 14,6–18,0 22−80 45–49 (temenski) 410–433 31–33 48–51 3,3 13,8–15,8 35–80 Preglednica 5 : Izmerjene meh. lastnosti (povprečne vrednosti) na vzorcu za odobritev varilnega postopka Re[MPa] Rm [MPa] KV (VWT) [J] KV (VHT) [J] FN 252 554 105 179 7 Slika 3 : Varjenje vzorca med izvedbo WPQR (a) in makro obrus zvara (b) a) b) Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 434 nitev zvarnih žlebov je bilo potrebnih 47 (debeli- na 70 mm) oz. 71 varkov (90 mm) pri parametrih: I = 354–433 A; U = 29–33 V; v = 33,3–51,5 mm/min. Končni videz varjencev obeh oblik je prikazan na sliki 4 d. 3.1 Neporušne preiskave (NDE) zvarov Po varjenju je sledila NDE-kontrola varjencev. Upo- rabili smo naslednje metode:  RT – radiografska preiskava vzorcev skladno s SIST EN ISO 17636-1 (2013) razred B, kriteriji sprejemljivosti po SIST EN ISO 10675-1 (2013) / AL1. Izvor sevanja je bil izotop Ir 192 z aktivno- stjo 42Ci, pri katerem sta znašala ekspozicijska časa 75 min (70 mm) in 240 min (90 mm).  UT – ultrazvočna preiskava vzorcev skladno s SIST EN ISO 17640 (2011), razred B, kriteriji spre- jemljivosti po SIST EN ISO 11666 (2011) / AL2. Pri preiskavi so bile uporabljene 45-stopinjske in 60-stopinjske ultrazvočne sonde skupaj z GE USM Go+ inštrumentom.  VT – vizualna preiskava vzorcev skladno s SIST EN ISO 17637 (2011), kriteriji sprejemljivosti po SIST EN ISO 5817 (2014), razred B. Vizualna kontrola izvedena z merilcem varov ter pomič- nim merilom ob predpisani minimalni osvetlje- nosti vzorcev. Vse tri uporabljene neporušne metode so potrdile, da vsi štirje vzorci ustrezajo zahtevanim kriterijem sprejemljivosti, saj pri nobeni od metod ni bilo za- znanih indikacij. 4 Zaključek Opisana je tehnologija varjenja materiala, ekvivalen- tnega AISI 321, po EPP-postopku v zvarnem žlebu z naklonom 10°. Parametri varjenja, izračunani na podlagi določenega vnosa toplote in hitrosti ohla- janja med 500 in 800 °C so se izkazali za primer- ne, kar je bilo potrjeno z mehanskimi preiskavami v sklopu izvedbe WPQR ter z brezhibnimi rezultati NDE na varjenih odkovkih. OBLOČNO VARJENJE Slika 4 : a) Odkovek, b) odkovek s pripravljenim zvarnim robom, c) EPP-varjenje odkovkov in d) končni videz izdelanih zvarov a) c) b) d) Ventil 6 / 2020 • Letnik 26 435 Viri [1] J. Tušek, Praktične in računske vaje iz tehni- ke spajanja, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2004. [2] ESAB, Submerged Arc Welding, 02-10-08/ KW. [3] P. T. Houldcroft, Submerged arc welding, Woodhead Publishing Ltd., 1989. [4] J. Tušek, »Narrow gap submerged arc welding with a multiple wire electrode«, Metalurgija 41, 2002, 2, 83−88. [5] I. Gowrisankar et al., »Effect of the Number of Passes on the Structure and Properties of Sub- merged Arc Welds of AISI Type 316L Stainless Steel«, Welding Journal, 05, 1987, 147−154. [6] N. A. McPherson et al, »High dilution sub- merged arc welding of Cr–Ni–Mo austenitic stainless steel«, Science and Technology of Welding and Joining, 5: 1, 2000, 35−39. OBLOČNO VARJENJE Narrow gap submerged arc welding of heavy wall stainless steel forgings Abstract: Submerged arc welding is one of most productive arc welding processes. In combination of narrow gap weld groove besides high melting rate, superior weld quality and arc energy efficiency it offers also mi- nor weld volume, less bevelling, lower cumulative heat input, less parent material melting, narrower heat effected zone and lower welding deformations. Present paper resumes execution of welding or weld rep- licas manufacturing, which are typical for Russian pressurized water reactor design nuclear power plants with the aim of education, training and qualification of non-destructive examination personnel. Develop- ment of welding parameters, selection of welding materials and consumables, welding procedure qualifi- cation as well as cylindrical forging welding is presented and analysed. The approach towards demands and execution itself was confirmed by mechanical testing and volumetric non-destructive examinations which revealed zero non-conformances or indications. Keywords: SAW, stainless steel, narrow gap, non-destructive examination (NDE) Zahvala Avtorji se zahvaljujejo prof. dr. Rajku Kejžarju za pomoč in koristne nasvete pri izvedbi projekta ter podjetjema TKC, d. o . o., in Qtechna, d. o. o., za organizacijo in ažurno izvedbo porušnih testiranj ter medfaznih in končnih NDE. INŽENIRING MONTAŽA VZDRŽEVANJE Jedrska, farmacevtska, energetska & procesna industrija Numip d. o. o. Cvetkova ulica 27, 1000 Ljubljana, Slovenia Podružnica Krško: CKŽ 135 e, 8270 Krško Jedrska: +386 (0)7 49 12 433 Farmacevtska: +386 (0)7 49 12 451 Energetska in procesna: +386 (0)7 49 12 420 www.numip.si info@numip.si Numip d. o. o. Cvetkova ulica 27, 1000 Ljubljana, Slovenija Podružnica Krško: CKŽ 135 e, 8270 Krško www.numip.si info@numip.si Jedrska: +386 (0)7 49 12 433 Farmacevtska: +386 (0)7 49 12 451 Energetska in procesna: +386 (0)7 49 12 420