S

V E U I L I T E

U

Z

A G R E B U

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJEZAVOD ZA ZAVARENE KONSTRUKCIJE KATEDRA ZA ZAVARENE KONSTRUKCIJE

___________________________________________________________________

Seminarski rad iz kolegija

STROJEVI I OPREMA ZA ZAVARIVANJE

Dinamika karakteristika izvora struje modificiranih ureaja za MIG/MAG zavarivanje

KUZMAN VESNA 0036409826

SADRAJ 1. UVOD ................................................................................................................................ 5 2. STATIKA I DINAMIKA KARAKTERISTIKA IZVORA STRUJE ZA ZAVARIVANJE ........................................................................................................................ 6 2.1. 2.2. 2.3. 3. Izvori struje za elektroluno zavarivanje u zatiti plinova taljivom elektrodom ......... 6 Statika karakteristika izvora struje ............................................................................. 7 Dinamika karakteristika izvora struje ........................................................................ 8 Mjerenje dinamike karakteristike izvora struje osciloskopom ......................... 10

2.3.1. 3.1. 3.2.

MIG/MAG POSTUPAK ZAVARIVANJA ..................................................................... 13 Openito o MIG/MAG postupku zavarivanja ........................................................... 13 Prijenos metala pri MIG/MAG zavarivanju .............................................................. 14 Prijenos metala kratkim spojevima (short arc) ................................................... 14 Prijenos metala trcajuim lukom (spray arc) .................................................... 15 Prijenos metala mjeovitim lukom ..................................................................... 16 Prijenos metala impulsnim lukom ...................................................................... 17

3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 4. 4.1. 4.2.

MODIFICIRANI POSTUPCI MIG/MAG ZAVARIVANJA.......................................... 18 STT postupak zavarivanja ......................................................................................... 18 Princip rada i karakteristike STT-MAG postupka zavarivanja .......................... 19 Princip rada i karakteristike FastROOT postupka zavarivanja ......................... 22 FastROOT postupak zavarivanja ............................................................................... 21 4.1.1. 4.2.1.

5. ANALIZA MJERENE DINAMIKE KARAKTERISTIKE IZVORA STRUJE ZA STT- MAG I FastROOT ZAVARIVANJE ............................................................................. 23 5.1. Analiza mjerene dinamike karakteristike izvora struje za STT-MAG zavarivanje . 24 Broj kapljica u sekundi ....................................................................................... 24 Brzina promjene struje ....................................................................................... 26 Broj kapljica u sekundi ....................................................................................... 27 Brzina promjene struje ....................................................................................... 28 5.1.1. 5.1.2. 5.2. 5.2.1. 5.2.2. 6. 7.

Analiza mjerene dinamike karakteristike izvora struje za FastROOT zavarivanje 27

ZAKLJUAK .................................................................................................................. 30 LITERATURA ................................................................................................................. 31

2

POPIS SLIKA Slika 1. Oblici statike karakteristike [4] ................................................................................... 8 Slika 2. Dinamika karakteristika (prikaz napona i struje u vremenu) za MAG-STT ureaj za zavarivanje [6] ............................................................................................................................ 9 Slika 3. Dinamika karakteristika izvora struje za MAG zvarivanje s TIME zatiitnim plinom [6] 9 Slika 4. Tektronix TDS-210 Osciloskop u 'Labaratoriju za zavarene konstrukcije' Fakulteta strojarstva i brodogradnje. ........................................................................................................ 10 Slika 5. Tektronix TDS-210 osciloskop spojen sa raunalom ................................................. 11 Slika 6. Suelje WaveStar Software-a [8] ............................................................................ 12 Slika7. Shema elektrolunog zavarivanja taljivom metalnom elektrodom u zatitnoj atmosferi plinova (MAG/MIG zavarivanje): a) proces taljenja, b) poluautomat za MAG/MIG shema kompletnog postupka [9] .......................................................................................................... 13 Slika 8. Prijenos metala kratkim spojevima sa pripadajuim oscilogramom [10] ................... 15 Slika 9. Prijenos metala trcajuim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10] ..................... 16 Slika 10. Prijenos metala mjeovitim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10] .................. 16 Slika 11. Prijenos metala impulsnim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10]................... 17 Slika 12. Usporedba unosa topline kod STT postupka zavarivanja u odnosu na druge postupke prijenosa metala [13] ................................................................................................................ 19 Slika 13. Prikaz dinamike karakteristike U,I = f(t), odvajanje kapljice rastaljenog metala [16] 20 Slika 14. Oblik krivulje struje FastROOT postupka kada se kapljica dodatnog materijala prenosi u kupku rastaljenog metala [11] .................................................................................. 22 Slika 15. Dinamika karakteristika izvora struje za STT-MAG zavarivanje ........................... 23 Slika 16. Dinamika karakteristika izvora struje za FastROOT zavarivanje ........................... 24 Slika 17. - Dijagram tijeka struje i napona u vremenu za STT-MAG postupak ...................... 25 Slika 18. Dijagram tijeka struje STT-MAG postupak zavarivanja signali 1 i 2 ................... 26 Slika 19. - Dijagram tijeka struje i napona u vremenu za FastROOT postupak ...................... 27 Slika 20. Dijagram tijeka struje FastROOT postupak zavarivanja signali 1 i 2.................... 29

3

POPIS TABLICA

Tablica 1. Karakteristike perioda otkidanja kapljica 1, 2 i 3 .................................................... 25 Tablica 2. Izraun prosjenog broja kapljica............................................................................ 25 Tablica 3. Brzina promjene struje STT-MAG postupak ....................................................... 26 Tablica 4. Karakteristike perioda otkidanja kapljica 1, 2 i 3 .................................................... 28 Tablica 5. Izraun prosjenog broja kapljica............................................................................ 28 Tablica 6. Brzina promjene struje FastROOT postupak ....................................................... 29

4

1. UVODMjerenje podataka pri zavarivanju, njihovi zapisi te njihova obrada tijekom zavarivakog procesa ili naknadno bitnog su znaenja za osiguranje kvalitete zavarivakih radova. Zapis parametara zavarivanja dio je kontrole u proizvodnji zavarenih konstrukcija. U zavarivanju se najee mjere, zapisuju i memoriraju struja i napon zavarivanja, brzina zavarivanja, brzina ice, snaga elektrinog luka, uneena energija u radni komad i temperatura [1]. U radu su opisani izvori struje za zavarivanje MIG/MAG postupkom zavarivanja, te njihove statike i dinamike karakteristike, opisan je i konvencionalni MIG/MAG postupak te modificirani postupci MIG/MAG zavarivanja STT-MAG i FastROOT. Analizirani su dijagrami dinamike karakteristike, odnosno tijeka struje i napona u vremenu, za postupke STT-MAG i FastROOT.

5

2. STATIKA I DINAMIKA KARAKTERISTIKA IZVORA STRUJE ZA ZAVARIVANJE2.1. Izvori struje za elektroluno zavarivanje u zatiti plinova taljivom elektrodom

Odmah nakon konvencionalnih izvora struje razvijeni su i impulsni izvori koji su se sastojali iz dva zasebna izvora struje. Tristorski izvori struje za MIG/MAG zavarivanje su jo i danas u iroj primjeni posebno kod konvencionalnog zavarivanja. Prema nekim istraivanjima u industrijski razvijenim zemljama zapaa se sve manja proizvodnja tristorskih MIG/MAG ureaja a poveat e se proizvodnja tranzistorskih izvora struje [2]. Tranzistorski izvori struje za MIG/MAG zavarivanje pojavili su se u praksi sedamdeset petih godina. Ovi su ureaji radili u analognom reimu, imali su izvanredne zavarivake sposobnosti, ali su bili vrlo teki i imali su velike gubitke. Kada su se osamdesetih godina poeli koristiti tranzistori koji rade kao sklopke to je bio veliki napredak za zavarivanje. Dobio se vei stupanj djelovanja i bilo je mogue razvijati i tzv. invertorske ureaje. Danas se proizvodnja invertorskih ureaja brzo poveava. Oni su znatno manjih teina zbog smanjenog presjeka jezgre transformatora na raun radne frekvencije koja umjesto 50 Hz moe biti i do 60 Hz pa i do 100 Hz [2]. Od prvog pojavljivanja zavarivanja u zatiti plinova taljivom elektrodom MIG/MAG ono je u stalnom usponu i to se tie razvoja i primjene. Od prvih poetaka pedesetih godina do danas postepeno su se razvijali izvori struje, zatitini plinovi i dodatni materijal u obliku ice. Prvi izvori struje bili su sa stupnjevitom mogunou izbora napona zavarivanja (i praznog hoda), promjenom broja zavoja transformatora. Nedodstatak tih izvora bila je nemogunost automatske korekcije postavljenih parametara zavarivanja. Sedamdesetih godina u upotrebi su bili izvori struje sa tristorima. Ovim izvorima struje bilo je mogue kompenzirati promjene postavljenih parametara zavarivanja. Tristorskim izvorima napon zavarivanja se moe podeavati kontinuirano [2]. Kod elektrolunih postupaka zavarivanja moraju se koristiti posebno konstruirani izvori struje. Raspoloiva elektrina energija iz mree ne moe se neposredno koristiti za snabdjevanje luka energijom zbog njegove karakteristike. Elektrini luk za svoje odravanje treba relativno jaku struju (nekoliko desetaka do nekoliko stotina A) pri niskom naponu (nekoliko desetaka V), dok je u mrei obrnuti sluaj. Stoga su potrebni ureaji koji e prilagoditi raspoloivu energiju u podesan oblik.

6

Elektrini luk moemo odravati bilo izmjeninom, bilo istosmjernom strujom, pa se prema tome izvori dijele na izvore izmjenine i istosmjerne struje [3]: Izvori istosmjerne struje su generatori istosmjerne struje i ispravljai, Izvori izmjenine struje su transformatori i pretvarai frekvencije.

Izvori struje karakteriziraju se svojim svojstvenim veliinama od kojih su najvanije [3]: Nominalna i maksimalna snaga, Napon praznog hoda, Dozvoljena struja i napon uz odreanu intermitenciju, Statika i dinamika karakteristika, Mreni napon napajanja, Klasa izolacije, Masa i godina proizvodnje.

2.2. Statika karakteristika izvora struje Jedan od vanih podataka o nekom izvoru je njegova statika karakteristika. Statika karakteristika je dijagramski prikaz ovisnosti napona na stezaljkama izvora o optereenju, tj. struji koju izvor daje, U = f(I). Ovaj prikaz se daje za spore promjene struje optereenja, pa se zato i zove statika karakteristika [3]. Mjerenje statike karakteristike karakteristike je jednostavno i izvodi se tako da se izvor struje spoji s otpornikom, koji za razliite poloaje (vee ili manje uranjanje ploa otpornika u elektrolit) daje vrijednosti napona i jakosti struje, na osnovi ega se crta dijagram U = f(I), odnosno statika karakteristika izvora struje za zavarivanje. Danas postoje moderni elektroniki otpornici, puno jednostavniji i praktiniji, ali sa slinim principom snimanja statike karakteristike izvora struje za zavarivanje. Ovisno o namjeni izvora struje, odnosno o vrsti postupka zavarivanja za koji e biti namjenjen, on moe imati razliite oblike statikih karakteristika. Svaki izvor, neovisno da li je izmjenini ili istosmjerni, moe imati ravnu/blago padajuu ili strmo padajuu karakteristiku. Oblici karakteristike prikazani su na slici 1.

7

Slika 1. Oblici statike karakteristike [4] Izbor karakteristike izvora ovisi o tome kakva e biti regulacija duljine elektrinog luka [3]. Kod REL zavarivanja ureaji za zavarivanje imaju strmo padajuu karakteristiku, a regulaciju visine elektrinog luka provodi zavariva, primicanjem ili odmicanjem elektrode. Kod automatskih i poluautomatskih postupaka zavarivanja koristi se unutarnja ili strujna i vanjska ili naponska regulacija visine elektrinog luka [4].

2.3. Dinamika karakteristika izvora struje Dinamika karakteristika predstavlja odnos napona i jakosti struje zavarivanja koji se dobije tijekom zavarivanja. Dakle, dinamika karakteristika prikazuje promjenu napona i struje kod odreenog praktinog zavarivanja. Ovisno o postupku zavarivanja, registriraju se promjene napona i jakosti struje zavarivanja do 10 ili vie kHZ, pri emu se koriste razliiti 'monitoring sistemi', odnosno sistemi za mjerenje registraciju i obradu glavnih parametara zavarivanja (napona i struje) [4]. Na slikama 2 i 3 su prikazane su izmjerene dinamike karakteristike izvora struje za MAG-STT zavarivanje i MAG zavarivanja s 'TIME' zatitnim plinom (26.5% helij, 65% argon, 0.05 kisik and 8% ugljik-dioksid ili 26.5 helij, 25% ugljik-dioksid, 2% vodik i argon) [5].

8

Slika 2. Dinamika karakteristika (prikaz napona i struje u vremenu) za MAG-STT ureaj za zavarivanje [6]

Slika 3. Dinamika karakteristika izvora struje za MAG zvarivanje s TIME zatiitnim plinom [6]

9

2.3.1. Mjerenje dinamike karakteristike izvora struje osciloskopom Dinamiku karakteristiku nekog izvora struje za zvarivanje mogue je zabiljeiti i osciloskopom. Osciloskop je univerzalni instrument za mjerenje za mjerenje napona, struje i otpora, te je najee koriteni mjerni instrument u elektronici. Osnovna namjena mu je prikazivanje vremenskih oblika periodikih naponskih signala [7]. Posljednjih godina dolo je do unapreenja mogunosti digitalnih osciloskopa, tako da dananji digitalni osciloskopi imaju opcije vrlo sline opcijama analognog osciloskopa, a pruaju i dodatne pogodnosti u vidu lakog prijenosa rezultata mjerenja na raunalo, njihove daljne digitalne obrade, kao i niza automatiziranih mjerenja na posmatranom vremenskom dijagramu [7]. Na slici 4 prikazan je Tektronix TDS-210 osciloskop koji se nalazi u Labaratoriju za zvarene konstrukcije na Fakultetu strojarstva i brodogoradnje u Zagrebu, a na slici 5 je prikazan osciloskop spojen sa raunalom u svrhu mjerenja iznosa napona i struje u vremenu, detekcije rezultata, te njihovog spremanja na memoriju raunala radi daljnje obrade i analize.

Slika 4. Tektronix TDS-210 Osciloskop u 'Labaratoriju za zavarene konstrukcije' Fakulteta strojarstva i brodogradnje.

10

Slika 5. Tektronix TDS-210 osciloskop spojen sa raunalom Radi boljeg praenja, daljnje obrade i analize rezultata mjerenja osciloskopom, potrebno je na raunalu imati neki od softwera za detekciju mjerenih signala. U 'Labaratoriju za zavarene konstrukcije' na Fakultetu strojarstva i brodogradnje koristi se 'WaveStar Software for Oscilloscopes', softwer koji slui za snimanje i mjerenje valnih oblika i podataka detektiranih oscilosokopom [8]. Na slici 6 prikazano je suelje WaveStar Software-a na raunalu, sa detektiranim signalom sa osciloskopa.

11

Slika 6. Suelje WaveStar Software-a [8]

12

3. MIG/MAG POSTUPAK ZAVARIVANJA

3.1. Openito o MIG/MAG postupku zavarivanja MIG/MAG je postupak elektrolunog zavarivanja taljivom elektrodom u zatitnoj atmosferi inertnog (MIG) ili aktivnog (MAG) plina. Kod ovog postupka zavarivanja elektrini luk se odrava izmeu taljive, kontinuirane elektrode u obliku ice, u pravilu spojene na plus pol istosmjernog izvora struje. ica je istovremeno i elektroda i dodatni materijal, tj. njenim taljenjem se popunjava pripremljeni lijeb [3]. Kod MIG/MAG zavarivanja najee se koriste pune ice, a osim njih koriste se i prakom punjene ice. Shematski su proces i ureaj za MIG/MAG zavarivanje prikazani na slici 7.

Slika7. Shema elektrolunog zavarivanja taljivom metalnom elektrodom u zatitnoj atmosferi plinova (MAG/MIG zavarivanje): a) proces taljenja, b) poluautomat za MAG/MIG shema kompletnog postupka [9]

13

MIG/MAG postupak zavarivanja je primjenjiv za sve vrste materijala, u svim poloajima. Karakterizira ga velika mogunost izbora parametara i naina prijenosa dodatnog materijala, te koritenje razliitih plinskih mjeavina u svrhu zatite rastaljenog materijala od utjecaja okolne atmosfere. Jedan je od najprimjenjivijih postupaka zavarivanja openito u zavarivakoj industriji, zbog svojstva relativno lake automatizacije, te velike uinkovitosti i proizvodnosti [10]. Jedna od ogranienja primjene MIG/MAG zavarivanja moe biti sloena izvedba ureaja (dovoenje ice, automatska regulacija), te mogua pojava poroznosti i naljepljivanja uslijed neodgovarajue tehnike rada i izbora parametara zavarivanja. Na kvalitetu zavarenog spoja najvei utjecaj imaju upravo parametri zavarivanja, pa je iz tog razloga jako bitan izbor optimalnih parametara zavarivanja, koji se biraju s obzirom na vrstu i debljinu materijala koji se zavaruje, te oblik spoja i poloaj zavarivanja. Parametri MIG/MAG postupka zavarivanja su: Jakost struje zavarivanja, Napon elektrinog luka, Brzina zavarivanja, Promjer ice za zavarivanje, Koliina i vrsta zatitnog plina, Duljina slobodnog kraja ice.

3.2. Prijenos metala pri MIG/MAG zavarivanju Pri MIG/MAG zavarivanju prijenos metala s elektrode (ice) u talinu na radnom komadu obavlja se metalnim kapljicama i moe se realizirati tako da se kapljice s vrha elektrode prenose kroz elektrini luk slobodnim letom, ili da metalne kapljice s vrha elektrode ostaju uronjene u talini prilikom kratkog spoja elektrode i radnog komada (prijenos metala premoivanjem) [3]. Prema karakteristikama luka razlikuju se etiri karakteristina naina prijenosa.

3.2.1. Prijenos metala kratkim spojevima (short arc) Kod prijenosa metala kratkim spojevima kapljica se formira na vrhu elektrode (ice) i raste uz odranje luka sve dok se ne spoji s talinom na mjestu zavara.

14

Tad nastaje kratki spoj, uslijed ega dolazi do prekida luka, napon trenutano pada na nulu, a jakost struje se naglo povea. Presjek ice se smanji, kapljica se otkida i ponovo se uspostavlja elektrini luk. Ako je porast struje brz, dolazi do pojave rasprskavanja, a ako je porast spor oteano je odvajanje kapljice od vrha elektrode, te se naruava stabilnost elektrinog luka. Na brzinu porasta struje moe se utjecati s dodatnim induktivitetom, tj. prigunicom koja se ugrauje u izvor struje zavarivanja. Podruje kratkih spojeva postie se malim jakostima struje zavarivanja (50 - 170 A) i malim naponima luka (13 - 21 V) [9]. Zavarivanje kratkim spojevima primjenjuje se za tanke limove, korijene zavara, te za zavarivanje u prisilnom poloaju u zatiti CO2 i mjeavina. Slika 8 prikazuje prijenos metala kratkim spojevima sa pripadajuim oscilogramom.

Slika 8. Prijenos metala kratkim spojevima sa pripadajuim oscilogramom [10] 3.2.2. Prijenos metala trcajuim lukom (spray arc) Prijenos metala trcajuim lukom karakterizira uski mlaz sitnih kapljica metala pri emu elektroda ni u jednom trenutku ne dolazi u dodir s talinom. Podruje trcajueg luka postie se velikim jakostima struje zavarivanja (200-600 A) i naponima luka (25-40 V) [9]. Time se ostvaruju velika penetracija i velik unos topline, to je povoljno za zavarivanje debljih materijala, ali samo u vodoravnom poloaju uz zatitu argona i njegovih mjeavina. Slika 9 prikazuje prijenos metala trcajuim lukom sa pripadajuim oscilogramom.

15

Slika 9. Prijenos metala trcajuim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10] 3.2.3. Prijenos metala mjeovitim lukom Prijenos metala mjeovitim lukom je kombinacija trcajueg i kratkog luka sa krupnijim kapljicama. Podruje mjeovitog luka postie se jakostima struje zavarivanja od 170 A do 235 A i naponima luka od 22 V do 25 V [9]. Zbog nepredvidivosti pojava kratkih spojeva u procesu zavarivanja, ovaj nain prijenosa metala se izbjegava. Slika 10 prikazuje prijenos metala mjeovitim lukom sa pripadajuim oscilogramom.

Slika 10. Prijenos metala mjeovitim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10]

16

3.2.4. Prijenos metala impulsnim lukom Za prijenos metala impulsnim lukom karakteristino je da struja zavarivanja varira izmeu dvije granine vrijednosti. Nia ili osnovna struja odrava elektrini luk i proces stvaranja kapljica, a via struja, ili struja impulsa odvaja kapljice od elektrode (ice). Proces se ponavlja periodino. Frekvencija impulsa, a s njome i broj kapljica, moe se podeavati. Zavarivanje impulsnim lukom osigurava prijenos kapljica metala, kao kod trcajueg luka, uz manje vrijednosti srednje jakosti struje. Prednosti ovog naina prijenosa metala su mogunost zavarivanja u svim poloajima i zavarivanje ireg raspona debljina materijala icama istog promjera. Ovakav luk primjenjuje se za zavarivanje aluminija, bakra i visokolegiranih Cr-Ni elika uz zatitu argona i mjeavina obogaenima argonom [10]. Slika 11 prikazuje prijenos metala impulsnim lukom sa pripadajuim oscilogramom.

Slika 11. Prijenos metala impulsnim lukom sa pripadajuim oscilogramom [10]

17

4. MODIFICIRANI POSTUPCI MIG/MAG ZAVARIVANJARazvoj digitalnih izvora za zavarivanje prua nove naine pristupa razvoja postupku zavarivanja. Dananje upravljanje ureajima za zavarivanje sve se vie temelji na programima (softwer-ima). Digitalni sistemi poboljavaju vrijeme reakcije sistema na parametare za zavarivanje. Ovo je jedan od razloga zato se novi modificirani postupci zavarivanja nalaze na tritu. U postupku MIG/MAG zavarivanja upravljanje novim krivuljama napona i struje kratkog luka postie se prijenos rastaljenog metala bez trcanja i luk stabilnih karakteristika [11]. 4.1. STT postupak zavarivanja

STT je revolucionarni sustav zavarivanja tvrtke ''Lincoln Electric'' koji udruuje invertorsku tehnologiju visoke frekvencije s naprednim tehnologijama upravljanja oblikom elektrinog luka, koja zamjenjuju klasinu MIG/MAG tehnologiju. Prijenos povrinskom napetou (Surface Tension Transfer) je kontrolirani prijenos materijala kratkim spojevima koji prilagouje oblik vala struje i napona fizici zavarivakog luka i prijenosa metala u istom. STT postupak zavarivanja je suvremeni postupak zavarivanja koji se koristi za zavarivanje korijena zavara u otvorenom lijebu. Moe se primjenjivati kod zavarivanja nehrajuih elika i legura nikla (prehrambena i petrokemijska industrija), silikonske bronce (autoindustrija), te galvaniziranih elika. Konstruiran je za zahtjevna poluautomatska i automatska zavarivanja, te se moe prilagoditi robotizaciji. [12] Na slici 12 prikazana je usporedba unosa topline kod STT postupka zavarivanja u odnosu na druge postupke prijenosa metala.

18

Slika 12. Usporedba unosa topline kod STT postupka zavarivanja u odnosu na druge postupke prijenosa metala [13] Iz slike 12 je vidljivo da je podruje STT postupka zavarivanja podruje s najmanjim unosom topline u usporedbi s ostalim konvencionalnim postupcima.

4.1.1. Princip rada i karakteristike STT-MAG postupka zavarivanja STT izvor struje za zavrivanje nema ni padajuu ni ravnu statiku karakteristiku. Proces zavarivanja odvija se cikliki, a struja zavarivanja se mijenja u mikrosekundama, ovisno o iznosu napona u elektrinom luku [14]. Kod STT postupka zavarivanja moe se podesiti vie parametara u odnosu na konvencionalni MAG postupak zavarivanja. Inovacije u parametrima kod STT postupka zavarivanja su [14,15]: Vrna struja (Peak current, IPC) koristi se za definiranje duljine elektrinog luka, te poboljava vezivanje, fuziju sa stijenkama osnovnog materijala, Pozadinska struja (Background current, IBC) osigurava unos topline u zavareni spoj, ovom se strujom takoer utjee na geometriju zavarenog spoja, Topli, vrui start (Hot start) omoguuje lake uspostavljanje elektrinog luka, te poveava unos topline pri uspostavljanju elektrinog luka kako bi se izbjeglo hladno naljepljivanje, Tailout osigurava dodatni unos topline, a da pri tome rastaljene kapljice ne postaju prevelike 19

Brzina ice (v) utjee na koliinu rastaljenog metala, ali je ona neovisna i posebno se definira, pa ne utjee na vrijednosti vrne i pozadinske struje zavarivanja, Slobodni kraj ice utjee na geometriju zavarenog spoja.

Princip rada STT postupka zavarivanja mogue je opisati pomou dijagrama koji prikazuje promjene struje i napona u vremenu te pomou slika odvajanja kapljice metala sa rastaljene ice u talinu metala. Slika 13 upravo opisuje promjene koje se dogaaju unutar jednog ciklusa te dijeli vremensku domenu ciklusa u est karakteristinih faza.

Slika 13. Prikaz dinamike karakteristike U,I = f(t), odvajanje kapljice rastaljenog metala [16] Slijedeih est koraka koji su ilustrirani na slici 13 prikazuju princip rada MIG/MAG STT postupka tj. promjene parametara tijekom MIG/MAG STT postupka zavarivanja [15,17]: 1. Vrijeme T0 do T1: trajanje osnovne struje koja se odrava do uspostavljanja kratkog spoja. Iznos osnovne struje iznosi od 50 do 100 A. U ovom koraku elektroda prilazi radnom komadu, 2. Vrijeme T1 do T2: prije nego ica (elektroda) zavri kratki spoj ureaj registrira pad napona te automatski smanjuje jakost struje zavarivanja, Osnovna struja se smanjuje na 10 A u vremenskom intervalu od otprilike 0,75 milisekunda. U ovom koraku nastaje rastaljena kapljica, 20

3. Vrijeme T2 do T3: ica se i dalje dodaje. Da bi se omoguio prijenos rastaljene kapljice u kupku, mora se poveati struja zavarivanja. To se izvodi kontrolirano te ubrzava prijenos rastaljene kapljice u kupku uz pomo ''pinch'' efekta te uz pomo ''pinch'' struje. U ovom koraku dolazi do odvajanja rastaljene kapljice od elektrode te dolazi do pojave karakteristinog ''vrata'' na elektrodi, 4. Vrijeme T3 do T4: u toki T3 kad dU/dT postigne odreenu vrijednost, struja zavarivanja se ponovno smanjuje na vrijednost od 50 A u svega nekoliko mikrosekundi. To smanjenje struje zavarivanja dogaa se prije nego to se rastaljena kapljica potpuno odvojila od elektrode to sprjeava naglo odvajanje kapljice te eksploziju koja izaziva trcanje rastaljenog metala. U toki T4 kapljica se odvojila od elektrode, ali pri nioj struji te se je ponovno uspostavio elektrini luk, 5. Vrijeme T5 do T6: ovaj korak slijedi odmah nakon to je kapljica prenesena u rastaljenu kupku uz pomo sila povrinske napetosti. Jakost struje zavarivanja se poveava te se elektroda brzo zagrijava, 6. Vrijeme T6 do T7: u ovom koraku se struja zavarivanja smanjuje s vrijednosti vrne struje na vrijednost osnovne struje zavarivanja. Ovaj korak se naziva jo i brzina pada struje (eng. tail out speed). Nakon toga ciklus je zavren pa automatski kree novi ciklus.

4.2. FastROOT postupak zavarivanja

FastROOT (tvrtke Kemppi Oy) je novi postupak modificiranog procesa zavarivanja karatkim lukom, uz digitalno upravljanje zavarivanjem prametrima zavarivanja, struje i napona. Ovaj postupak namijenjen je zavarivanju korijena zavarenog spoja, te zavarivanju tankih limova, konstrukcijskih i nehrajuih elika, koji olakava i ubrzava rad zavarivaa. FastRoot je modificirani postupak zavarivanja kratkim lukom, kojim se omoguava vea brzina zavarivanja, te bolja produktivnost od TIG postupka zavarivanja [11]. FastROOT postupak zavarivanja je, dakle digitalno upravljan proces praenjem struje i napona. Postupak zavarivanja prati kratki luk i upravlja tonim vremenskim usklaivanjem prijenosa kapljice od ice do rastaljene kupke. Postupak je, u stvari, modificirano zavarivanje kratkim lukom [11].

21

4.2.1. Princip rada i karakteristike FastROOT postupka zavarivanja Princip rada FastROOT postupka sastoji se od dva uzajamno razliita oblika struje zavarivanja. Ovi se oblici odnose na kratke spojeve i uzlaznu struju elektrinog luka (slika 14). FastROOT je modificirani postupak kratkih lukova i ne smije ga se zamijeniti s impulsnim zavarivanjem [11].

Slika 14. Oblik krivulje struje FastROOT postupka kada se kapljica dodatnog materijala prenosi u kupku rastaljenog metala [11] U prvom uzlaznom stanju dodatni materijal se prenosi u rastaljenu kupku kratkim spojem, a za to vrijeme snaga luka se iznenadno pojaava tijekom drugog uspona i podrava na eljenoj razini. Prije prvoga uzlaznog stanja, postoji kratki strujni maksimum struje zavarivanja kod kojeg ica dodatnog materijala dodiruje rastaljenu kupku. Za vrijeme prvog uzlaznog stanja brzo poveanje struje na eljenu razinu omoguava 'pinch' uinak, koji omoguava kapljici da se odvoji od vrha dodatnog materijala. Odvajanje se osigurava sporim poveanjem struje. Jednom kad je kapljica prenesena do rastaljene kupke, poinje drugo uzlazno stanje struje kad se inicira elektrini luk. Ureaj upravlja praenjem trenutka odvajanja kapljice kroz luk. Vremensko usklaivanje poveanja i smanjenja struje sprjeava trcanje pri prijelazu od kratkog na slobodni luk. Tzv. drugo uzlazno stanje oblikuje rastaljenu kupku i osigurava dovoljnu penetraciju korijenskog prolaza. Ta dva uzlazna stanja slijede jedan iz drugog, nakon kojih se struja smanjuje do eljene razine osnovne struje. Specificirana osnovna struja osigurava da slijedea kap bude prenesena u drugom kratkom spoju [11]. Kod FastRoot postupka zavarivanja omogueno je podeavanje veeg broja parametara nego kod klasinog MAG zavarivanja. Parametri koji se namjetaju kod FastRoot postupka su sljedei: Osnovna struja zavarivanja Razina drugog uzlaznog stanja Vrui start (Hot Start) 22

Brzina ice (v) Slobodni kraj ice

5. ANALIZA MJERENE DINAMIKE KARAKTERISTIKE IZVORA STRUJE ZA STT- MAG I FastROOT ZAVARIVANJEU svrhu to detaljnije analize i to boljeg shvaanja principa rada modificiranih postupaka zavarivanja, izvrena su mjerenja dinamike karakteristike odnosno iznosi napona i struje u vremnenu na izvorima struje za STT-MAG i FastROOT zavarivanje. Mjerenja su izvrena u 'Labaratoriju za zavarene konstrukcije' na osciloskopu Tektronix TDS210. Tijekom mjerenja osciloskop je bio spojen sa raunalom, te su preko WaveStar Software-a sva mjerenja napona i struje u vremenu spremljena u memoriju raunala te su nakon mjerenja analizirana (off-line analiza). Na slikama 15 i 16 prikazani su oscilogrami dobiveni mjerenjem na osciloskopu spojenim sa izvorima struja za STT-MAG i FastROOT zavarivanje. Krivulja ute boje predstavlja promjenu napona u ovisnosti o vremenu, dok plava krivulja predstavlja promjenu struje u ovisnosti o vremenu.

Slika 15. Dinamika karakteristika izvora struje za STT-MAG zavarivanje

23

Slika 16. Dinamika karakteristika izvora struje za FastROOT zavarivanje Za zadane dijagrame tijeka napona i struje zavarivanja u vremenu I= f(t) i U= f(t) potrebni je analizirati slijedee parametre: Broj prenesenih kapljica u sekundi (frekvenciju prijenosa) Vrijednost osnovne struje Brzina promjene struje

5.1. Analiza mjerene dinamike karakteristike izvora struje za STT-MAG zavarivanje

5.1.1. Broj kapljica u sekundi Na slici 17 prikazana je detaljna podjela oscilograma tijeka struje i napona, sa pripadajuim vrijednostima na apcisi i ordinati dijagrama. Na aspcisi se nalazi podjela vremena zavarivanja, dok se na ordinati dijagrama nalaze vrijednosti struje, odnosno napona. Takoer, na slici 17 prikazana je podjela tijeka struje na dijagramu za vremenske periode 1, 2 i 3. Na temelju promjene vrijednosti struje tijekom vremena u ovim periodima, izraunat je prosjeni broj kapljica u vremenu od 1 sekunde. Tone karakteristike svakog pojedinog perioda prikazane su u tablici 1, dok su izraunate vrijednosti broja kapljica u pojedinom periodu prikazane u tablici 2. 24

Slika 17. - Dijagram tijeka struje i napona u vremenu za STT-MAG postupak Tablica 1. Karakteristike perioda otkidanja kapljica 1, 2 i 3PERIOD 1 2 3 T1i [ms] 5 18 32 T2i [ms] 18 32 43 Ti [ms] 13 14 11

Izraun broja kapljica za vrijeme jednog perioda, izvodio se pomou izraza: Nkapljica = n/Ti . Indeks 'i' oznaava odreeni broj perioda (1, 2 ili 3). Tablica 2. Izraun prosjenog broja kapljican PERIOD/ i (broj kapljica tijekom perioda od T1i do T2i) 1 2 3 1 1 1 Ti [ms] (vrijeme trajanja perioda) 13 14 11 Nkapljica [kapljica/sekunda] 77 72 91

25

Analiza dobivenih rezultata, vodi do zakljuka da zbog razliitog ukupnog trajanja pojedinog perioda, dobivamo razliite vrijednosti broja kapljica po sekundi. Naime, kada bi imali ureen proces u kojem bi se periodi otkidanja kapljica distribuirali u vremenu jednako i u istom trajanju, tada bi dobili jedinstveni rezultat broja kapljica u sekundi vremena. Realna slika procesa koju prikazuje oscilogram, pokazuje kako se otkidanje kapljica u nasumce odabranom periodu od ukupno 50ms, ne odvija periodiki pa stoga niti dobiveni rezultati za broj kapljica u vremenu jedne sekunde za periode 1, 2 i 3 nisu jedinstveni. Radi to bolje analize procesa na temelju pripadajueg osilograma, izraunat je prosjean broj kapljica, na temelju izraunatih vrijednosti iz tablice 2, a pomou izraza kapljica = (Nkapljica)i / 3, kapljica = 80 kapljica/sekunda. i dobiveno je

5.1.2. Brzina promjene struje Analizom dijagrama tijeka struje i napona izraunate su vrijednosti promjene struje za signale 1 i 2 prikazane na slici 18. Izraunate vrijednosti prikazane su u tablici 3.

Slika 18. Dijagram tijeka struje STT-MAG postupak zavarivanja signali 1 i 2 Tablica 3. Brzina promjene struje STT-MAG postupakSIGNAL t [ms] I [A] dI [A] dt [ms] di/dt [A/ms] 1 7 20 170 2 85 2 9 190

26

Prema izraunatim vrijednostima iz tablice 3, dobivamo vrijednost brzine promjene struje od signala 1 do signala 2 za pripadajuu dinamiku karakteristiku STT-MAG postupka zavarivanja, te ona iznosi 85 A/ms.

5.2.Analiza mjerene dinamike karakteristike izvora struje za FastROOT zavarivanje

5.2.1. Broj kapljica u sekundi Na slici 19 prikazana je detaljna podjela oscilograma tijeka struje i napona, sa pripadajuim vrijednostima na apcisi i ordinati dijagrama. Na aspcisi se nalazi podjela vremena zavarivanja, dok se na ordinati dijagrama nalaze vrijednosti struje, odnosno napona. Takoer, na slici 18 prikazana je podjela tijeka struje na dijagramu za vremenske periode 1, 2 i 3. Na temelju promjene vrijednosti struje tijekom vremena u ovim periodima, izraunat je prosjeni broj kapljica u vremenu od 1 sekunde. Tone karakteristike svakog pojedinog perioda prikazane su u tablici 4, dok su izraunate vrijednosti broja kapljica u pojedinom periodu prikazane u tablici 5.

Slika 19. - Dijagram tijeka struje i napona u vremenu za FastROOT postupak

27

Tablica 4. Karakteristike perioda otkidanja kapljica 1, 2 i 3PERIOD 1 2 3 T1i [ms] 0 17 33 T2i [ms] 17 33 50 Ti [ms] 17 16 17

Izraun broja kapljica za vrijeme jednog perioda, izvodio se pomou izraza: Nkapljica = n/Ti . Indeks 'i' oznaava odreeni broj perioda (1, 2 ili 3). Tablica 5. Izraun prosjenog broja kapljican PERIOD/ i (broj kapljica tijekom perioda od T1i do T2i) 1 2 3 1 1 1 Ti [ms] (vrijeme trajanja perioda) 17 16 17 Nkapljica [kapljica/sekunda] 59 62.5 59

U usporedbi sa izraunatim vrijednostima za STT-MAG postupak zavarivanja, u poglavlju 5.1.1., moe se zakljuiti da se kod FastROOT postupka zavarivanja, a na temelju pripadajueg dijagrama, odvajanje kapljica odvija puno ureenije. Postoji vrlo male razlike samo jedne izraunate vrijednosti broja kapljica, i to za period 2. Radi to bolje usporedbe ovih dvaju postupaka , izraunat je prosjean broj kapljica za postupak FastROOT, na temelju izraunatih vrijednosti iz tablice 5, a pomou izraza kapljica = (Nkapljica)i / 3, i dobiveno je kapljica = 60 kapljica/sekunda.

5.2.2. Brzina promjene struje Analizom dijagrama tijeka struje i napona izraunate su vrijednosti promjene struje za signale 1 i 2 prikazane na slici 20. Izraunate vrijednosti prikazane su u tablici 6.

28

Slika 20. Dijagram tijeka struje FastROOT postupak zavarivanja signali 1 i 2 Tablica 6. Brzina promjene struje FastROOT postupakSIGNAL t [ms] I [A] dI [A] dt [ms] di/dt [A/ms] 1 5 60 160 1 160 2 6 220

Prema izraunatim vrijednostima iz tablice 6, dobivamo vrijednost brzine promjene struje od signala 1 do signala 2 za pripadajuu dinamiku karakteristiku FastROOT postupka zavarivanja, te ona iznosi 160 A/ms. Na temelju rezultata dobivenih za brzinu promjene struje kod FastROOT postupka zavarivanja, te na temelju rezulata dobivenih za brzinu promjene struje kod STT-MAG postupka (u poglavlju 5.1.2, tablica 3), moe se zakljuiti, kako FastROOT postupak zavarivanja ima duplo veu brzinu promjene struje. Naime, analizom dijagrama moe se lako uoiti kako kod FastROOT postupka se promjena struje dogaa gotovo trenutno to zapravo i karakterizira ovaj postupak, te se u nekim analizama upravo ove promjene u dijagramu tijeka struje mogu lako zamjeniti impulsima, to nije pravilno, jer kod FastROOT postupka ne postoje impulsi struje, ve upravo iznimno visoka brzina promjene struje. Kod STT-MAG postupka, promjena struje se ipak dogaa ipak neto sporije, to se takoer moe lako uoiti analizirajui dijagram tijeka struje.

29

6. ZAKLJUAKMjerenje i analiza koja je provedena u sklopu rada, ukazuje nam na pojedine karakteristike analiziranih postupaka, te na vanost i nunost mjerenja dinamike karakteristike pojedinih izvora struje za zavarivanje. STT postupak zavarivanja smanjenim unosom energije u zavareni spoj pogodan je za zavarivanje korijena uz optimalne uvjete zavarivanja. FastROOT postupak zavarivanja takoer je pogodan za zavarivanje korijena uz optimalno podeene parametre te prua fleksibilnost zbog mogunosti zavarivanja popune i zavrnog sloja. Na temelju izraunatih vrijednosti brzine promjene struje obaju postupaka, zakljuuje se kako kod FastROOT postupka biljeimo gotovo trenutnu promjenu struje, na odreenom intervalu, dok kod STT-MAG postupka biljeimo sporije brzine promjene struje. Naravno, ove usporedba vai samo za sluaj voenja procesa zavarivanja oba postupka sa istim ili priblino istim parametrima brzine zavarivanja. Oba analizirana postupka, i STT-MAG i FastROOT su kvalitetni, modificirani postupci novije generacije postupaka zavarivanja, i svaki od njih nalazi svoju primjenu u praksi. Izbor odgovarajueg postupka, ovisi o eksploatacijskim uvjetima, raspoloivim financijskim sredstvima, stupnju obrazovanja radnika, te uvjetima izvedbe tehnologije zavarivanja. Postupak koji se u nekim uvjetima pokae kao bolji izbor, ne mora biti bolji izbor za neke druge uvjete rada.

30

7. LITERATURA[1] Samardi, I.; Grubi, K.: Raunalom podrano mjerenje parametara zavarivanja, Zbornik radova 1995, str. 151-162. [2] Grubi, K. : Razvoj izvora struje za MIG/MAG zavarivanje; Zavarivanje 35 (1992), srt. 145.-154. [3] Kralj, S.; Andri, .: Osnove zavarivakih i srodnih postupaka, Sveuilina tiskara d.o.o., Zagreb, 1992. [4]ftp://161.53.116.242/Predavanja_vjezbe_programi_rokovi/Tehnologija_III/Zavarivanje/zav arivanje%20dodaci/reg_l.pdf (dostupno 11.01.2012.) [5]http://www.rywal.com.pl/_welding_electrode%28melts%29_in_the_shielding_gas_english .vademecum.23caf8 (dostupno 11.01.2012.) [6] Siewert, T.; Samardi, I.; Kolumbi, Z.; Klari, Z.; Primjena on-line monitoring sustava za praenje glavnih parametara zavarivanja kod razliitih postupaka zavarivanja; Technical Gazette 15(2008)2, str.9-18 [7] Pejovi, P.: Princip rada i primena osciloskopa prirunik za rad u labaratoriju, Elektrotehniki fakultet u Beogradu, Beograd, 1999. [8]http://www.tek.com/sites/tek.com/files/media/media/resources/60W_12123_7.pdf (dostupno 08.02.2012.) [9] Juraga, I., ivi, M., Gracin, M.: Reparaturno zavarivanje, vlastita naklada, Zagreb, 1994. [10] M. Baoti; Tehnologinost primjene prakom punjenih ica; SFSB, diplomski rad, 2006. [11] Uusitalo J.: Fastroot Process New Way For Welding Root Pass, Kemppi Oy - Welding technology, Lahti, Finland [12] http://www.agrolim.hr/assets/pdf/lincoln/lincoln_invertec30.pdf (dostupno 25.05.2009.) [13] Neessen F., Naber F.: The GMAW-STT process An advanced welding process, Lincoln Smitweld B.V., Nijmegen, Nizozemska, 2003. [14] Despotovi B., Samardi I.: Neki aspekti primjene STT postupka zavarivanja u kotlogradnji, 3rd International Conference, Mechanization, Automation And Robotization in Welding and Allied Processes, Zadar, 2005. [15] Pavi J.; Samardi I.; Ivandi .: Primjena STT postupka zavarivanja u izradi kompenzatora, DTZ, Slavonski Brod, 14. 16. studeni 2007.

31

[16] Mr. B. DeRuntz; Journal Of Indutrial Technology, Volume 19- number 4; August 2003 to October 2003 [17] DeRuntz B. D.: Assessing the Benefits of Surface Tension Transfer Welding to Industry, NAIT, USA, 2003.

32