- 1 -

TEHNOLOGIČNA PRIMJENA ELEKTROLUČNOG POSTUPKA ZAVARIVANJA SVORNJAKA

U MOSTOGRADNJI

COST EFFECTIVE APPLICATION OF ARC STUD WELDING PROCESS IN BRIDGE CONSTRUCTION INDUSTRY

Ivica Mustapić, dipl. inž., Đuro Đaković Proizvodnja opreme d.o.o., Slav. Brod Prof.dr.sc. Ivan Samardžić, Strojarski fakultet u Slav. Brodu Štefanija Klarić, dipl.ing., Strojarski fakultet u Slav. Brodu Ključne riječi: elektrolučno zavarivanje svornjaka, tehnologičnost, mostogradnja, parametri zavarivanja, poluautomatski postupak zavarivanja, Key words: Arc Stud Welding, cost effective application, bridge construction industry, welding parameters, semi automatic welding process Sažetak: U radu su dane osnovne karakteristike elektrolučnog postupka zavarivanja svornjaka sa zaštitnim keramičkim prstenom. Prikazane su aktivnosti od uvođenja specijalnog postupka zavarivanja u proces proizvodnje do uspješne primjene postupka u mostogradnji. Poseban se osvrt daje na tehnologičnost primjene ovog postupka, uzevši u obzir potencijalne alternativne postupke zavarivanja, opseg posla i predviđene rokove za zavarivanje, cijenu opreme za zavarivanje, kvalitetu zavarenih spojeve i druge relevantne čimbenike. Abstract: In this work the basic characteristics of the Arc Stud Welding process with ceramic ferrule are described. Activities starting from the introduction of the special procedures in bridge construction process till the successful application in bridge construction industry are shown. Special attention is given to cost effective design of this welding process, taking in consider possible alternative welding process amount of welding, time limitations, new welding equipment costs, welded joints quality and other relevant influencing factors. 1. UVOD

Postupak elektrolučnog zavarivanja svornjaka ne susreće se često u proizvodnim pogonima, iako je to sa stajališta tehnologičnosti vrlo zanimljiv postupak zavarivanja, posebno u kotlogradnji, mostogradnji, ali i u mnogim drugim granama industrije. Početak primjene ovog postupka se veže uz primjenu kod gradnje brodova. Točnije, za postavljanje i fiksiranje drvenih podova i drvene konstrukcije na metalnu konstrukciju unutar broda. Nakon toga ovaj se postupak godinama razvijao i usavršavao, tako da je danas našao široku primjenu u različitim proizvodnim djelatnostima u građevinarstvu, kotlogradnji, brodogradnji, automobilskoj industriji, mostogradnji i dr.. Iako ima više varijanti ovoga postupka zavarivanja, s obzirom na učestalost primjene u praksi, najrasprostranjeniji je postupak zavarivanja sa keramičkim prstenom.

U ovom se radu daje primjer uspješne primjene elektrolučnog zavarivanja svornjaka u mostogradnji (tzv. zavarivanje «moždanika»), gdje se svornjaci zavaruju na lemelu glavnih nosača mosta, a nakon postavljanja betonske ploče sprečavaju smicanje i odizanje betonske ploče od čeličnog nosača mosne konstrukcije, odnosno imaju ulogu sidrišta betonske ploče na mostu.

- 2 -

1. PRIMJENA SVORNJAKA U MOSTOGRADNJI Primjenom svornjaka u mostogradnji omogućeno je sprezanje dvaju različitih

konstrukcijskih materijala, armirano - betonske kolničke ploče i čelične nosive konstrukcije glavnih nosača mosta. Svornjaci se zavaruju na lemelu glavnih nosača mosta, a glava svornjaka sprječava odvajanje betonske ploče od čeličnog nosača (slika 1). U spregnutoj konstrukciji čelika i betona, svornjaci su izloženi smicanju. Kako bi se osigurali traženi zahtjevi za zavareni spoj svornjak – čelična ploča uspješno je provedeno atestiranje postupka prema EN ISO 14555. Za primjer se navodi da se na objektu most Belišće zavarilo približno 5000 svornjaka dimenzija Ø 22 x 175 mm u kvaliteti materijala St 37 3K.

5800

10600 Detalj A

armirano betonska kolnička ploča

svornjaci 22 x 175 mm

70 220 220 220 70

DETALJ A

čelični I nosač promjenljivog presjeka Slika1. Karakteristični presjek poprečnog nosača mosta sa zavarenim svornjacima (primjer se odnosi na čelični most preko rijeke Drave kod Belišća).[1] Poprečni presjek mosta prema slici 1, čine čelični nosači spregnuti s armirano-betonskom kolničkom pločom. Debljina kolničke ploče između glavnih nosača je 250 mm izrađene u kvaliteti betona MB 50 ( DIN 1045: B-45 ). Osnovni materijal čelične konstrukcije je prema EN 10025: S 355 K2G3 za limove debljine veće ili jednake od 20 mm. Kod zavarivanja većeg broja svornjaka pokazao se tehnologičan postupak elektrolučnog zavarivanja svornjaka (engl. Stud welding, njem. Bolzenschweissen). Ovaj se postupka koristi kao poluautomatski ili automatski postupak zavarivanja, a osnovne su mu prednosti: a) jednostavno rukovanje opremom, b) kvalitetno i brzo zavarivanje cijelog presjeka svornjaka, c) kontrolirani proces zavarivanja preko izbora odgovarajućeg programa, nadzora i

prikaza stvarnih parametara zavarivanja na uređaju s mogućnošću ispisa istih. Ovim procesom mogu se zavarivati i različiti oblici vijaka, držači, i razni spojni elementi (za prijenos sile ili topline) u kotlogradnji, brodogradnji, elektroindustriji itd. 2. OSNOVE POSTUPKA ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA SVORNJAKA

Princip elektrolučog zavarivanja svornjaka pritiskom je u suštini vrlo jednostavan. Postoji nekoliko varijanti postupka ovisno o vrsti izvora energije za zavarivanje, vrsti zaštite mjesta zavarivanja, te obliku i stanju površine vrška svornjaka koji se zavaruje. S obzirom na učestalost primjene u praksi, najrasprostranjeniji je postupak zavarivanja sa keramičkim prstenom. Taj je postupak elektrolučnog zavarivanja shematski prikazan na slici 2. Svornjak se stavlja u pištolj koji je sastavni dio uređaja za zavarivanje, potom se na vrh svornjaka postavlja keramički prsten,

- 3 -

svornjak sa prstenom se priljubi uz radni komad na kome je predviđeno zavarivanje svornjaka. Nakon toga se u točno određenom trajanju pušta struja, uspostavlja se električni luk, svornjak se malo udalji od radnog komada kako bi se uspostavljenim električnim lukom postiglo ravnomjerno zagrijavanje, lokalno taljenje i omekšanje materijala na mjestu spoja, nakon čega djeluje pritisak u određenom trajanju koji potiskuje svornjak i daje konačni oblik zavarenom spoju. Vrijeme gorenja električnog luka i utiskivanje svornjaka u lokalno rastaljeni i omekšani osnovi materijal se automatski kontrolira pomoću upravljačke jedinice koja je sastavni dio opreme za zavarivanje. Zbog činjenice da je ciklus gorenja električnog luka kod elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom vrlo kratak (vremenski interval gorenja električnog luka ovisi o promjeru svornjaka i orijentacijski iznosi od 0,05 do 2 sekunde, no najčešće se kreće ispod jedne sekunde), to ima za posljedicu vrlo mali toplinski input u zavareni spoj u odnosu na konvencionalno elektrolučno zavarivanje taljenjem. Detalji vezano uz faze nastajanja elektrolučnog zavara svornjaka prikazani su na slici 3 (a do e).

Slika 2. Shematski prikaz principa elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom uz primjenu keramičkog prstena. a)

b)

c)

d)

e)

Slika 3. Faze elektrootpornog zavarivanja svornjaka – detalji vezano uz nastajanje zavarenog spoja. [2]

-

+DC

-

+DC

- 4 -

3. AKTIVNOSTI NA UVOĐENJU POSTUPKA ELEKTROLUČNOG ZAVARIVANJA SVORNJAKA

Postupak elektrolučnog zavarivanja svornjaka pritiskom može se za određeni tip proizvodnje svrstati u visokoučinske postupke zavarivanja. Zavarivanje svornjaka različitih promjera (od nekoliko milimetara, pa do 20 i više) izvodi se u vrlo kratkom vremenu, uz vrlo malo pripremno završno vrijeme. Zbog specifičnosti ovog postupka zavarivanja u odnosu na ostale alternativne elektrolučne postupke zavarivanja koji bi se mogli koristiti za zavarivanje svornjaka u mostogradnji, potrebno je prije uvođenja postupka zavarivanja provesti analizu troškova i isplativosti investicije u novu opremu – poluautomatski stroj za elektrolučno zavarivanje svornjaka. U trenutku potpisivanja ugovora o izradi čelične konstrukcije mosta, razmatrala se mogućnost zavarivanja svornjaka ručnim elektrolučnim postupkom zavarivanja (REL), kutnim zavarom debljine a = 6 mm. Kako je u tom trenutku postojala naznaka za gradnjom više mostova, pa bi broj svornjaka bio višestruko veći, bilo je potrebno analizirati opravdanost uvođenja poluautomatskog postupka zavarivanja svornjaka na osnovu kriterija:

- ekonomičnost i produktivnost postupka, - pouzdanost zavarenog spoja, - humanizacija pri radu,…

Na osnovi navedenih kriterija, odabire se ono tehnologično rješenje koje uz zadovoljavajuću kvalitetu zavarenog spoja ima najniže troškove. Nakon provedene analize tehnologičnosti i opravdanosti nabavljanja uređaja za zavarivanje svornjaka, dobiveni su podaci prikazani na slici 4. Slika 4. Usporedba troškova zavarivanja REL postupkom i poluautomatskim elektrolučnim zavarivanjem svornjaka. [3]

Usporedba troškova zavarivanja

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

0 1000 5000 10000 20000 30000 40000

broj kom ada m oždanika

troš

kovi

zav

ariv

anja

, EU

R

Poluautomatsko zavar.svornjaka

REL zavarivanje

G

- 5 -

Analizom dijagrama na slici 4 može se odrediti granični broj komada iznad kojeg je ekonomski opravdano korištenje predviđenog uređaj za zavarivanje svornjaka. Unatoč nedostataka REL postupka za zavarivanje svornjaka (niska produktivnost, utjecaj čovjeka na kvalitetu zavara je znatan, ... ), ipak je ekonomski opravdano korištenje toga postupka kada se zavaruje do ~ 25 000 komada svornjaka. Razlog tome je u prvom redu relativno visoka cijena opreme za zavarivanje koja nije isplativa ako se ne koristi za veliki broj zavarivanja svornjaka. U analizu troškova zavarivanja uračunati su slijedeći elementi:

- troškovi investicije u opremu za zavarivanje, - troškovi osnovnog, dodatnog i pomoćnog materijala, - troškovi rada i energije.

Zavarivanje svornjaka je operacija koja se izvodi nakon ukrupnjavanja segmenta mosta, a prije antikorozivne zaštite. Proces zavarivanja svornjaka REL postupkom znatno bi produžio rok isporuke jer je potrebno vrijeme zavarivanja oko pet puta duže od potrebnog vremena zavarivanja kod primjene uređaj za elektrolučno zavarivanje svornjaka. To je važan detalj koji nije uzet u proračun tehnologičnosti prikazan na slici 4, a koji je uz podatke iz provedene analize i najave gradnje novih čeličnih mostova, učvrstio odluku o opravdanosti investicije u novu opremu za elektrolučno zavarivanje svornjaka pritiskom. Budući je to bio novi postupak zavarivanja u pogonu, bilo je potrebno napraviti slijed aktivnosti za uvođenje, verifikaciju i kvalitetno izvođenje zavarenih spojeva. Na slici 5 je prikazan dijagram slijeda aktivnosti kod uvođenja poluautomatskog postupka elektrolučnog zavarivanja svornjaka kod zavarivanja svornjaka u mostogradnji.

- 6 -

- proračun spregnute konstrukcije (dimenzije i kvaliteta svornjaka, raspored i ukupni broj svornjaka)

- zahtjevi na zavareni spoj (preuzimanje horizontalne posmične sile na spoju beton – čelik, sprečavanje odizanja betonske ploče od čeličnog nosača kod savijanja, oblik zavara mora osigurati povoljni tok sila)

- analiza zahtjeva iz projekta - raspoloživi procesi zavarivanja u firmi (REL, MAG)

- zavarljivost - planirani rokovi izrade

DA

- prijem materijala (atest materijala prema EN 10204 / 3.1 B) - cijena, rokovi nabave

- korištenje pisanih uputa proizvođača - određivanje optimalnih parametara - osnovne karakteristike stroja - stjecanje potrebnog iskustva u radu - održavanje operatera s uređajem - mjere zaštite na radu ( uređaj izveden u skladu s EN 60974-1 ) prihvatljiva kvaliteta - nabava potrebnih normi s područja zavarivanja svornjaka - korištenje postojećih znanja i iskustava drugih firmi i proizvođača opreme - izrada pWPS (bitni parametri zavarivanja prema EN ISO 14555 / ASME Sec. IX QW 261) - razrada slijeda proizvodnih i kontrolnih operacija i izračun potrebnog vremena zavarivanja - provođenje postupka pod nadzorom - prema EN 1418 ili ASME Sec. IX inženjera zavarivanja ( EWE ) - izdavanje atesta od ovlaštene ustanove - zapis svih bitnih parametra zavarivanja - provođenje ispitivanja prema EN ISO 14555 u ovlaštenoj instituciji: vizualno, radiografija, makro uzorak, savijanje.

- izdavanje certifikata - priprema površine za zavarivanje ( čistoća ) - otočkavanje mjesta rasporeda svornjaka - odabir potvrđenih parametara zavarivanja pohranjenih u memoriji stroja - pravilan raspored masa na objektu (spriječiti puhanje električnog luka) - pravilno postavljanje svornjaka i keramičkog prstena u odgovarajuće držače na vodilici pištolja - zavarivanje prema WPS - u - nakon hlađenja zavarivačke kupke, razbijanje keram. prstena - vizualna i dimenzijska kontrola nakon zavarivanja (visina zavarenog svornjaka l2 ± 1 mm, širina i visina kružnog vijenca) Slika 5. Shematski prikaz slijed aktivnosti na uvođenju poluautomatskog procesa zavarivanja svornjaka

PROJEKT I KONSTRUKCIJA

ODABIR POSTUPKA

ODLUKA O KUPNJI STROJA - analiza

ekonomičnosti i produktivnosti

- cijena stroja i investicijski uvjeti

- rokovi nabaveNABAVA SVORNJAKA

UVOĐENJE STROJA U PROCES PROIZVODNJE I OBUKA OPERATERA IZRADA TEHNOLOŠKIH PROBA

Analiza rezultata provedenih tehnoloških proba

RAZRADA TEHNOLOGIJE

IZRADA PQR -a KVALIFIKACIJA OPERATERA

ZAVARIVANJE SVORNJAKA NA OBJEKTU Da li je potreban popravak nakon zavarivanja? - analiza uzroka grešaka

POPRAVAK REL POSTUPKOM

KONTROLA NAKON ZAVARIVANJA

IZRADA ZAVRŠNE DOKUMENTACIJE I PRIJEM OD STRANE INSPEKTORA

- 7 -

4. OPREMA ZA ZAVARIVANJE SVORNJAKA U MOSTOGRADNJI Primijenjeni poluautomatski uređaj za zavarivanje svornjaka sastoji se od:

a) izvora struje b) kontrolno – upravljačke jedinice, c) pištolja za zavarivanje d) upravljačkih i zavarivačkih kablova. Izvor snage je trofazni transformator tiristorski upravljan. Opremljen je s mikroprocesorskom kontrolno – upravljačkom jedinicom, koja preuzima ulogu upravljačkog člana s mogućnošću pohranjivanja podataka – parametara zavarivanja za pojedine primjere uspješno zavarenih svornjaka. Pištolj za zavarivanje svornjaka spojen je sa upravljačkim i zavarivačkim kablovima s kontrolno - upravljačkom jedinicom. Pošto je u memoriji mikroprocesorske kontrolno – upravljačke jedinice pohranjena baza tehnoloških podataka za pojedine primjere uspješno zavarenih svornjaka (struja zavarivanja, vrijeme gorenja električnog luka, visina napona luka, brzina uranjanja,…), uređaj pruža mogućnost izbora programa za optimalno zavarivanje svornjaka. Parametri zavarivanja se provjeravaju kod verifikacije postupka zavarivanja i tijekom predviđenih kontrolnih aktivnosti vezano uz kvalitetu zavarenih spojeva. Osnovne karakteristike uređaja za zavarivanje dane su u tablici 1. Tablica 1. Osnovne karakteristike uređaja za zavarivanje tip 2603 E. [4] Područje promjera svornjaka 6 do 25 mm Priključni napon, 50Hz 230/400 V Priključna snaga 85 kVA Područje struje zavarivanja ( kontinuirano ) 260-2600 A Vrijeme zavarivanja 10-1500 ms Područje odizanja svornjaka ( korak od 0,1 mm ) 0,8 – 6 mm Napon praznog hoda 95 V Učinak kod zavarivanja ( za φ 22 mm) 8 kom / min. Priključni kabel na mrežu 16 mm² / 5 m Dimenzije ( duljina x širina x visina ) 1180x610x840 mm Masa 370 kg Pištolj za zavarivanje se koristi za uspostavljanje električnog luka između svornjaka i radnog komada i za sjedinjavanje dviju kupki metala (nastale taljenjem vrha svornjaka i područja unutar keramičkog prstena na radnom komadu) uranjanjem svornjaka kontroliranom brzinom u nastalu kupku. Pištolj za zavarivanje ima mikroprocesorski regulirano odizanje klipa koji s mikroprocesorski upravljanim kompaktnim sustavom za zavarivanje (izvor struje) čini potpuno integriranu cjelinu. Odizanje pištolja (lift) i brzina uranjanja (Dmp) više nisu ovisne o uobičajenom mehaničkom sklopu pištolja. Osnovne karakteristike pištolja prikazane su u tablici 2. Tablica 2. Osnovne karakteristike pištolja tipa KE 26. [4] Područje promjera zavarivanih svornjaka φ 10 do 25 mm Zavarivački kabeli 120 mm² / 2 m Upravljački kabeli 2/6 x 1,0 m / mm² Težina bez kabeli 2,3 kg

- 8 -

Slika 6. Pištolj za zavarivanje svornjaka integriran u izvoru struje za zavarivanje. [4] 5. OSNOVNI I POMOĆNI MATERIJAL

Svornjake je isporučio isti proizvođač koji je isporučio i opremu za zavarivanje. U skladu sa zahtjevima projekta naručeni su svornjaci dimenzija φ 22 x 175 mm u kvaliteti materijala S 235 J2G3 + C450 prema EN 10025 ( St 37 3K prema DIN 32500 dio 3 ). Garantirana minimalna mehanička svojstva i stanje isporuke su: - čvrstoća Rm = 450 - 600 N/mm2, - granica razvlačenja Re = min. 350 N/mm2, - istezljivost A5 = min. 15 %, - C 450: posebno duboko izvlačenje, - način dezoksidacije FF: potpuno umireni čelik s odgovarajućim sadržajem elementa koji veže dušik ( npr. min. 0,02 % Al ), - stanje površine: metalno sjajna ( može biti galvanski pocinčana, pobakrena,… ), - vrh svornjaka premazan je sredstvom koje omogućuje lakše uspostavljanje i stabilizaciju električnog luka, te dezoksidaciju zavarivačke kupke. Osnovni materijal je prema standardu EN 288-3 u grupi 1 (čelici sa sadržajem ugljika do 0,24% i granicom razvlačenja Re do 360 N/mm2). Svornjaci nose oznaku KÖCO Typ KKB. Osnovne dimenzije svornjaka s glavom prikazuje slika 7 koji prema EN ISO 13918 nosi oznaku SD 22 x 175. [4] Slika 7. Dimenzije svornjaka s glavom

Ø d2

Ø d1

k

l 1

Ø d3

h 1

l 2

prije zavarivanja nakon zavarivanja

l2 = 175 +1/-2 mm d1 = 22 mm d2 = 35 mm d3 = 29 mm h1 = 6 mm k = 10 mm težina 100 kom. = 58 kg

- 9 -

Uz svornjake se isporučuju i keramički zaštitni prsteni kao pomoćni materijal. Za zaštitu zavarivačke kupke koriste se keramički prsteni koji nose oznaku proizvođača SN 22, a prema EN ISO 13918 oznaka je UF 22. Za svaki svornjak koristi se po jedan keramički prsten, koji ima uloga da: - koncentrira električni luk na maleno područje (u zonu zavara), - smanjuje odvođenje topline i brzinu hlađenja, - oblikuje zavareni spoj u obliku kružnog vijenca, - zaštiti zavarivačku kupku od okolne atmosfere, - djelomično zaštiti operatera od zračenja, … Keramički prsten se mora strogo centrirati u odnosu na vertikalnu os svornjaka. Kosi ili nejednoliki kontakt keramičkog prstena u odnosu na svornjak uzrokuje nejednoliko oblikovani zavar. Zidni položaj zavarivanja (PC položaj sukladno HRN EN) zahtjeva posebnu vrstu keramičkih prstena. Keramički prsteni moraju biti u suhom uskladišteni. U slučaju pojave hladnih pukotina moraju se sušiti 1 sat na temperaturi preko 900°C. 6. FAZE PROCESA ZAVARIVANJA SVORNJAKA

Faze procesa zavarivanja može se pojednostavljeno opisati sljedećim točkama shematski prikazanim na slici 8: a) Svornjak i keramički prsten postave se u poseban držač na vrhu pištolja. Vrh

svornjaka viri iz prstena za točno namještenu vrijednost “P”. b) Svornjak se postavlja na mjesto za zavarivanje. Vrh svornjaka se pri tome uvuče za

vrijednost “P” čime se stvori određeno prednaprezanje opruge u pištolju. c) Pritiskom na mikrosklopku, pištolj odigne vrh svornjaka od podloge za vrijednost

“L”. Istovremeno se uspostavlja sekundarni luk koji stvara preduvjete za uspostavu stabilnog primarnog luka.

d) Po prestanku sekundarnog luka uspostavlja se primarni luk pri nepromijenjenoj udaljenosti “L”. On tali vrh svornjaka i metalnu podlogu.

e) Po prekidanju energetskog luka (primarni luk) pištolj “upuca” rastaljeni vrh svornjaka u djelomično rastaljenu I omekšanu podloge i time se stvara homogeni zavareni spoj.

f) Nakon hlađenja se odstranjuje keramički prsten. a) b) c) d, e) f) Slika 8. Faze radnih koraka kod zavarivanja svornjaka poluautomatskim postupkom zavarivanja

P

Lkeramički prsten svornjak

- 10 -

Sve vrijednosti osim visine isturenog dijela svornjaka “P” namještaju se na displeju izvora struje. 6.1. PARAMETRI ZAVARIVANJA Odabir parametara zavarivanja provodi se: - iz tablica prema preporuci proizvođača opreme, - uz pomoć formula za orijentacijski odabir, - eksperimentalno (vlastite tehnološke probe). Prema EN ISO 14555 definirani su sljedeći parametri zavarivanja koji imaju bitan utjecaj na tok procesa i svojstva zavarenog spoja: a ) Polaritet Svornjak je spojen na minus pol (DC -) b ) Struja zavarivanja Računa se prema formuli : I (A) = 90 x d (mm) za svornjake d > 16 mm c ) Napon luka Napon ovisi o visini “L” (razmak između vrha svornjaka i površine radnog komada) i jakosti struje zavarivanja. U pravilu se kreće od 20 – 40 V. Površina podloge je odmašćena i očišćena od svih nečistoća. d ) Vrijeme zavarivanja Računa se prema formuli: t w (s) = 0,04 x d ( mm ) za svornjake d > 12 mm. Izračunate vrijednosti vrijede za zavarivanje u PA položaju (prema standardu HRN EN). Za zavarivanje u PC položaju treba vrijeme smanjiti. e ) Istureni dio svornjaka Vrijednost “P” (mm) leži u granicama 1 do 8 mm i proporcionalna je promjeru svornjaka. Ova varijabla određuje oblik kružnog vijenca oko zavarenog svornjaka. f ) Odizanje svornjaka Vrijednost “L” (mm) leži u granicama 1,5 do 7 mm i proporcionalna je promjeru svornjaka. Veća visina odizanja povećava dužinu električnog luka, a time i njegov napon. Ona je značajna veličina za određivanje načina topljenja vrha svornjaka. Ako je odizanje premaleno povećani broj kratkih spojeva kapljica može poremetiti proces zavarivanja. U slučaju većih odstupanja od optimalnih vrijednosti mogu nastati šupljine u kupki. g ) Brzina “uranjanja “ Za svornjake d > 14 mm uranjanje treba biti prigušeno (usporeno). Brzina kojom se svornjak uroni (“upuca”) u talinu za d > 14 mm iznosi 100 mm/s. To se postiže elektronskom regulacijom brzine uranjanja. Na uređaju se mogu odabrati četiri razine (0-3). Vrijednost „0“ znači da nema prigušenja, tj. svornjak će se uroniti u kupku bez ikakve kontrole brzine. Ako je brzina uranjanja premalena to će dovesti do pora ili zajeda u zoni zavara. Ako je brzina prevelika kupka zavara će prskati prema stranama ili prema gore u momentu uranjanja s rizikom blokiranja kretanja svornjaka prema dolje. Ovaj parametar je definiran preko vrijednosti prigušenja (njem. Dämpfung = DMP):

Tablica 3. Brzina uranjanja svornjaka ovisno o parametru prigušenja. [4] DMP v ( mm/s )

0 250-400 1 120 2 60 3 30

Primjer: Ako je L = 4,5 mm, DMP = 2 (60 mm/s) ( L / v ) x 1000 = (4,5 / 60 ) x 1000 = 75 ms – vrijeme uranjanja svornjaka u talinu.

- 11 -

Ovisno o vrijednostima odizanja (“L”) i prigušivanja stvarno vrijeme zavarivanja će biti duže od nominalnog za vrijeme uranjanja što se vidi na slici 9. Slika 9. Shematski prikaz ovisnosti struje i vremena zavarivanja Za postizanje nominalne vrijednosti struje potreban je određeni vremenski interval koji je ovisan o veličini uređaja. Za zavarivanje svornjaka u provedenom zavarivanju definirani su parametri zavarivanja prema tablici 4. Tablica 4. Parametri zavarivanja svornjaka Ø 22 x 175 mm.

Prema EN ISO 14555 Prema preporukama proizvođača opreme

I = 1980 A I = 2000 A L = - L = 4,5 mm P = - P = 5 mm tw = 0,88 s tw = 1 s DMP = 2 DMP = 2 ( 3 ) Ako se zavarivanje izvodi često pod istim uvjetima, mogu se odabrani parametri zavarivanja pohraniti u memoriji uređaja, te se sačuvani i nakon isključivanja struje. Pohranjene vrijednosti se mogu jednostavno pozvati na displeju uređaja i ponovno koristiti. Kod praćenja ostvarenih parametara zavarivanja, za svaki svornjak pojedinačno, koristi se pisač kao izlazna jedinica za pripremu protokola zavarivanja. Primjer otisnutog protokola zavarivanja vidi se u tablici 5. Tablica 5. Protokol zavarivanja svornjaka. Vrijeme Kanal Struja

I, A Vrijeme tw , ms

Napon U, V

OdizanjeL, mm

Energija E, Ws

Kod greške

12:00:21 1 1214 579 29,7 3,6 20876 - 12:00:32 1 954 572 29,7 3,6 16207 01 09* *- Šifra greške:

01- struja ispod minimalno granične 09 - energija ispod minimalno granične

Stru

ja z

avar

ivan

ja

Vrijeme zavarivanja

Kratki spoj ( svornjak se utiskuje u podlogu )

Prikazano vrijeme zavarivanja na uređaju

Vrijeme uranjanja

- 12 -

Zbog kratkog vremena zavarivanja od osobite je važnosti čistoća površine za dobivanje zavara prihvatljive kvalitete. Kod površina koje su masne, zahrđale ili premazane temeljnim premazom možda će biti potrebno znatnije produžiti vrijeme zavarivanja, povećati odizanje svornjaka, te smanjiti struju zavarivanja. Vrh svornjaka se ne smije mehanički oštetiti niti onečistiti (ulje, vlaga, …). Okomitost aksijalne osi svornjaka u odnosu na podlogu mora biti u granicama max. +3°. 6.2. VERIFIKACIJA POSTUPKA ZAVARIVANJA SVORNJAKA Postupak zavarivanja kod kojega se uspostava električnog luka ostvaruje uz odizanje svornjaka od podloge ima oznaku DS prema EN ISO 14555, a prema EN 24063 ovaj postupak nosi numeričku oznaku 781. Nakon stjecanja potrebnog iskustva u radu s ovim postupkom i definiranja utjecajnih parametara na proces zavarivanja (prema pWPS – u), pristupilo se izradi PQR – a.

Norme koje se koriste za izradu PQR - a u području zavarivanja svornjaka su: EN ISO 14555: Elektrolučno zavarivanje svornjaka 3.1 EN ISO 13918: Svornjaci i keramički prsteni kod lučnog zavarivanja svornjaka 3.2 EN 288-3 3.3 AWS D1.1 –88 Stud Welding 3.4 Apendix IX – Manufacturers Stud Base Qualification Requirements 3.5 ASME Sec. IX: QW 261

Prema normi EN ISO 14555 zahtijeva se ispitni uzorak: - koji ima debljinu podloge najmanje ¼ d (promjera svornjaka), - kod kojega je kvaliteta materijala podloge iz iste grupe kako to definira EN 288-3

(atest izveden na grupi materijala 2 prema EN 288-3 vrijedi i za grupu 1, ali ne i obratno),

- koji ima raspored svornjaka kao na objektu, - koji za svornjake promjera veće ili jednake od 12 mm mora imati najmanje 17

zavarenih svornjaka, - koji ima svornjake iz iste šarže kao i na objektu. Položaj zavarivanja prema EN ISO 6947 je PA. Atest izveden u PC položaju pokriva i PA i PE položaje ali ne i obratno. Atest postupka izveden bez predgrijavanja vrijedi i ako se provodi predgrijavanje ali ne i obratno. Atest postupka se izvodi uređajem i s pištoljem koji će se koristiti i u proizvodnji, a na slici 10 je prikazan dio atestne ploče sa zavarenim svornjacima.

Slika 10. Zavareni svornjaci. Energija procesa (E) mora biti u granicama ± 25 %, a računa se prema formuli: E = U x I x tw ( AVs ). Primjer: E = 30 x 2000 x 1 = 60 000 AVs

- 13 -

Kada je unesena energija zavarivanjem preniska, jedva dolazi do taljenja i spajanja svornjaka s podlogom (slika 11 a). Kada je energija zavarivanja previsoka, dolazi do pojačanog prskanja, a stvarna dužina zavarenog svornjaka je manja od nominalne dužine l2 kako to prikazuje slika 11 b. Unesena energija (E) je previsoka Unesena energija (E) je preniska Slika 11. Utjecaj energije zavarivanja na dužinu zavarenog svornjaka Opseg ispitivanja atestnog uzorka i dopuštene greške dane su u tablici 6. Tablica 6. Opseg ispitivanja i dopuštene greške zavarenih svornjaka. [1]

Proba Opseg ispitivanja Dopuštene greške 1. Vizualna kontrola 2. Savijanje na kut 60° 3. Kidanje ili radiografija* 4. Makro izbrusak

100% 10 kom. 5 kom. 2 kom. ( presjeci zaokrenuti za 90° )

za svornjake d = 22 mm - pukotine nisu dopuštene, - dopuštena pojedinačna veličina greške <

20% d svornjaka ( d/5 = 4,4 mm ), - dopuštena ukupna površina grešaka (

pore, lunkeri, naljepljivanje,uključci,.. ) < 5% površine svornjaka

(d2 x π) / 80 = 19 mm2, - pore ispod 0,5 mm promjera se ne

razmatraju, - oblik i neravnomjernosti zavara koji nisu dopušteni prikazuje tablica 6 prema EN ISO 14555

*- Radiografija se provodi prema EN 1435 klasa B samo za svornjake d > 12 mm. Proba savijanjem izvodi se prema slici 12. Slika 12. Proba savijanja u svrhu ispitivanja kvalitete zavara svornjaka

60°

Proba vrijedi ukoliko se ne pojave pukotine u zoni zavara

l 2 l 2

- 14 -

Makro uzorak presjeka zavarenog svornjaka prikazuje slika 13.

Slika 13. Makro uzorak zavarenog svornjaka (promjer svornjaka je 22 mm). 7. OSIGURANJE KVALITETE

Osnovni kriterij osiguranja kvalitete poduzeća koje se bavi zavarivanjem, je da sve aktivnosti koje utječu na kvalitetu budu dokumentirane, da se provode planski, da ih izvodi kvalificirano osoblje, da su pod nadzorom, te da o svemu postoje vjerodostojni zapisi. Za konstrukcije koje se proizvode primjenom tehnologije zavarivanja postavljaju se odgovarajući zahtjevi za osiguranje kvalitete prema EN 729 i EN 719. Zahtjevi za kvalitetom pri zavarivanju svornjaka definirani su sljedećim točkama: A - provjera konstrukcije. • svornjaci se primjenjuju za prenošenje sila (opterećenja) u spregnutoj konstrukciji

betona i čelika, • proizvođač mora provjeriti pristupačnost i položaj zavarivanja, • provjera stanja površine, • vrstu materijala svornjaka / podloga • omjer promjera svornjaka / debljine podloge lima B – provjera opreme za zavarivanja. Proizvođač mora imati na raspolaganju: • odgovarajući izvor struje i pištolj za zavarivanje, • kablove s odgovarajućim presjekom, masivne priključne stege, • uređaj za kontrolu parametara zavarivanja (odgovarajuće kontrolne i mjerene

uređaje), • opremu za naknadno sušenje keramike, • sredstva i opremu za čišćenje površine od masnoće, rđe, boje,...

- 15 -

• opremu za pred i naknadnu obradbu ( predgrijavanje, toplinska obradba, sprečavanje deformacija,.... ),

• opremu za naknadne popravke zavarenih svornjaka. Za novu opremu proizvođač mora imati upute o uređaju s podacima o: • najmanjem i najvećem promjeru zavarenog svornjaka, • maksimalnom broju zavarenih svornjaka u jedinici vremena, • području regulacije izvora struje, • održavanju uređaja. C - Provjera poslužitelj (operatera) i osoba za nadzor zavarivačkih radova. Zavarivač koji je kvalificiran prema EN 1418 mora posjedovati sposobnosti i znanja kod: • namještanja uređaja prema uputi WPS – u, • razumijevanja značenja promjene namještenih vrijednosti ( I, tw, P,... ), • razumijevanja zahtjeva na postupak (izbor materijala, simetrično postavljanje masa,

smanjenje puhanja električnog luka, polaritet svornjaka,...) • vizualne ocjene zavarenog svornjaka (nepravilnosti i korektivne mjere), • sigurnog izvođenja zavarivanja (dobro ostvaren kontakt svornjaka i držača na

pištolju, ispravno i mirno držanje pištolja pri zavarivanju, kontrola toka procesa,...) Osoba za nadzor mora imati iskustvo i stručno znanje s područja zavarivanja svornjaka. D - Zavarivačka djelatnost. Proizvođač mora izraditi odgovarajuću dokumentaciju: • specifikaciju postupka zavarivanja WPS, • atest postupka zavarivanja WPAR, • radne upute,... E - Provjera i ispitivanje kvalitete zavara. • prije početka izradbe na objektu provodi se normalna radna proba sa 10 zavarenih

svornjaka (vizualna kontrola svih svornjaka, proba savijanja 5 svornjaka i makro na dva različita svornjaka),

• pojednostavljena radna proba s tri zavarena svornjaka koji se vizualno pregledaju i saviju,

• tekuća kontrola izradbe provodi se ukoliko se uoče nedostaci kod zavarivanja (nastajanje pora, neravnomjerno oblikovan i po cijelom opsegu ne zatvoren kružni vijenac, različita visina h1 od svornjaka do svornjaka). Nakon toga se moraju provesti korektivne mjere.

E - Umjeravanje uređaja. • oprema mora biti ispravna i ispitana prema važećim normama, • oprema se umjerava u određenom vremenskom intervalu F - Neusklađenost i korektivne mjere. Ukoliko je kružni vijenac zavara po opsegu neravnomjeran ili ga nema na jednom dijelu može se popraviti REL postupkom zavarivanja uz zavarivača koji je atestiran prema EN 287-1. G - Izvještaji o kvaliteti. Završni izvještaji sadrže: • naziv proizvođača, • mjesto zavarivanja ( radionica / gradilište ), • vrsta postupka,

- 16 -

• dan zavarivanja / smjena, • broj zavara i pripadajućeg WPS-a, • broj crteža / projekta, • promjer i dužina svornjaka, • rezultat vizualne kontrole, • rezultat probe savijanja, • nedostaci i korektivne mjere, • potpis inspektora. 9. ZAKLJUČAK U vrijeme većih investicija u cestogradnji, primjena postupka elektrolučnog zavarivanja svornjaka ima značajnu ulogu, ne samo u tvorničkim halama veći i na gradilištu tijekom aktivnosti montaže proizvoda. Primijenjeni postupak zavarivanja je specijalni postupak s novim elektronički reguliranim izvorom struje koji u pogledu minimalnih troškova, kvalitete i pouzdanosti zavarenog spoja daje bolje rezultate od klasičnih postupaka zavarivanja, prije svega REL i MAG postupka. Ovaj postupak pored visoke produktivnosti (na jednom izvoru može se raditi s dva pištolja), odlikuje i fleksibilnost (jednostavnom izmjenom dijelova na glavi pištolja omogućava se zavarivanje najraznovrsnijih tipova držača, svornjaka, vijaka,...). Proizvođači opreme nude nove elektroničke sustave ugrađene u uređaje za zavarivanje kojima se omogućuje kontrola toka procesa (nadzor nad parametrima zavarivanja), ponovljivost parametara pohranjenih u memoriji, prikaz povratne informacije o nastalom odstupanju. Metoda kontrole na izvoru pruža mogućnost sprečavanja grešaka (i dodatnih troškova popravaka) neprekidnim nadzorom i registriranjem parametara koji ih mogu uzrokovati. Ovaj postupak zavarivanja je uspješno primijenjen tijekom izrade nekoliko mostova, a dosadašnja iskustva iz eksploatacije su opravdala primjenu postupka elektrolučnog zavarivanja svornjaka, kako sa stajališta pouzdanosti i kvalitete zavarenih spojeva, tako i sa stajališta ekonomičnosti. LITERATURA

1. Projekt izrade mosta Belišće 2. Köco – Bolzenschweissen, prospekt proizvođača opreme za elektrolučno zavarivanje

svornjaka. 3. Dokumentacija tehnološke pripreme tvornice Industrijska postrojenja, ĐĐ, d.o.o., Slavonski

Brod, 1999. 4. Dokumentacija tvrtke Köster & Co. GmbH, Odjel tehnološke pripreme tvornice Industrijska

postrojenja, ĐĐ, d.o.o., Slavonski Brod. 5. EN ISO 14555: Arc stud welding of metallic materials 6. EN ISO 13918: Studs and ceramic ferrules for arc stud welding 7. Kearns,W.H. Welding Handbook. 7th edition, volume 2. «Welding processes – arc and

gas welding and cutting, brasing and soldering». AWS, 1978, page 264-290. 8. Howard,B.Cary. Modern welding technology. 1979 by Prince-Hall Inc. Englewood Cliffs,

N.J. 07632. ISBN 0-13-599290-7, page 119-126.