Elektrolučno zavarivanje

Ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom je najčešći oblik elektrolučnog zavarivanja.

Zavarivački električni luk.

Uspostavljanje zavarivačkog električnog luka kratkim spajanjem kod ručnog elektrolučnog zavarivanja obloženom elektrodom.

Zavarivanje MIG postupkom ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti inertnog plina.

Mehanizirani uređaj za stalno dobavljanje taljive žice (elektrode) na mjesto zavarenog spoja, koji se koristi kod zavarivanja pod praškom.

Zavarivanje pod troskom.

Zavarivanje TIG postupkom.

Plamenik koji se koristi kod zavarivanja plazmom i rezanja plazmom.

Zavarivač mora nositi zaštitnu odjeću i opremu.

Elektrolučno zavarivanje jedan je od najčešće upotrebljavanih načina zavarivanja u praksi. Izvor energije za zavarivanje je električni luk. Dio koji se zavaruje obično je plosnat, dok je elektroda štapičasta. Ako se elektroda ne tali (ugljena, volframova), zavarivati se može bez dodavanja ili s dodavanjem materijala. Pri zavarivanju taljivom elektrodom, ona je ujedno dodatni materijal (obično istorodan s osnovnim materijalom koji se zavaruje).

Elektrode za zavarivanje mogu biti gole (ugljeni ili metalni štap, žica ili traka), obložene (metalna jezgra, a obloga mineralni materijal) ili punjene (mineralna jezgra i metalna obloga) ili nekih drugih oblika. Dodatni materijali i elektrode za elektrolučno zavarivanje (i druge načine zavarivanja) su standardizirani za pojedine načine zavarivanja i prema vrsti osnovnog materijala. Priprema, odnosno oblici dodirnih površina koje se zavaruju i njihovih rubova, je standardizirana za pojedine načine zavarivanja i prema vrsti osnovnog materijala.

Što se tiče okoliša u kojem gori električni luk, razlikuje se zavarivanje na zraku, u neutralnim (inertnim) zaštitnim plinovima (argon, helij), u aktivnim zaštitnim plinovima (ugljikov dioksid), u smjesi plinova (argon, ugljikov dioksid, kisik, helij), pod troskom (mineralni prašci), te u posebnim okolnostima (pod vodom, u vakuumu, u bestežinskom stanju). Vrste zaštitnih plinova i plinskih smjesa za zavarivanje i za postupke srodne zavarivanju (npr. EN 439: 1995.), te zaštitni prašci (npr. EN 760: 1996.) su standardizirani.

Povijest zavarivanja

Povijest spajanja metala je započelo prije nekoliko tisuća godina, u brončano doba i u željezno doba, na prostorima današnje Europe i Bliskog istoka. Razvilo se kao sastavni dio vještina kovača, zlatara i ljevača pri izradi oruđa za rad, oružja, posuda, nakita i građevina.

U srednjem vijeku se razvilo kovačko zavarivanje, gdje su se dva dijela koja su se spajala, na kovačkoj vatri, doveli do bijelog usijanja i ako je bilo potrebno, posipali bi se određenim prahom ili pijeskom za “čišćenje”. Čekićanjem spoja istiskivali bi se s dodirnih površina rastaljeni oksidi ili troska, te se sučeljavaju čiste metalne površine, kada počinju djelovati međuatomske sile dvaju dijelova i dolazi do čvrstog spoja. Najbolji mačevi iz čelika u srednjem vijeku bili su rađeni iz niskougljičnog čelika (do 0,4% ugljika), a na njihove rubove su kovački zavarivane (udarcima čekića u toplom stanju) trake od visokougljičnog čelika (od 1,0 do 2,1% C), koje su uz određenu toplinsku obradu davale tvrde i oštre bridove. Mačevi, vrhovi strijela i koplja, noževi i drugo, kod kojih su primjenjivali kovačko zavarivanje, bili su poznati u Grčkoj, Franačkoj državi, Kini, Japanu, Indoneziji, te u Siriji. Poznata je bila tehnika spajanja traka iz različitih vrsta željeznih materijala kovanjem kao “damasciranje” (od Damask, Sirija), a u cilju postizanja posebnih dobrih svojstava za mačeve i puške.

1802. ruski znanstvenik Vasilij Petrov istražuje električni luk za opću namjenu i predlaže primjenu za zavarivanje. 1882. ruski znanstvenik Nikolaj Benardos prvi koristi električni luk između ugljene elektrode i metala, uz dodavanje žice u metalnu kupku. 1888. ruski znanstvenik Nikolaj Slavjanov je predložio postupak elektrolučnog zavarivanja metalnom elektrodom. 1895. počinje se koristiti aluminotermijsko zavarivanje tračnica i za popravak odljevaka. U isto vrijeme prvi puta se zavaruje plinskim plamenikom, koji je koristio kisik i vodik. Kasnije se razvija plinsko zavarivanje kisik-acetilenskim (O₂ + C₂H₂) plamenom.

1907. švedski znanstvenik prvi patentira i primjenjuje obloženu elektrodu. Obložena elektroda se proizvodila uranjanjem gole žice u otopinu minerala, a od 1936. obloga se nanosi isprešavanjem ili ekstrudiranjem. Od 1925. počinje zavarivanje u zaštitnoj atmosferi vodika, a kasnije se prešlo na argon i helij. Od 1930. primjenjuje se automatsko zavarivanje pod praškom u brodogradnji SAD-a.

Pred, a posebno poslije Drugog svjetskog rata, počinje razvoj i primjena zavarivanja u zaštitnom plinu - zavarivanje TIG postupkom. Zavarivanje MIG postupkom se počinje primjenjivati 1948., a od 1953. u Sovjetskom Savezu se prvi puta primjenjuje zavarivanje MAG postupkom s CO₂ zaštitnim aktivnim plinom. Hladno zavarivanje pod pritiskom se primjenjuje od 1948.

Iza 1950. se razvijaju mnogi novi postupci kao što su: zavarivanje pod troskom (1951.), zavarivanje trenjem (1956.), zavarivanje snopom elektrona (1957.), zavarivanje ultrazvukom (1960.), zavarivanje laserom (1960.), zavarivanje plazmom (1961.) i drugi.

Prvo zavarivanje i toplinsko rezanje u svemiru izveli su 1969. u sovjetskom svemirskom brodu Sojuz 6. 1932. u Rusiji, Konstantin Khrenov je prvi uspješno primjenio podvodno elektrolučno zavarivanje.

Zavarivački električni luk

Središnji ili strujni dio zavarivačkog električnog luka sadrži pare i kapljice rastaljenog metala i troske, te je blještavo žuto zelenkaste boje. Vanjski dio ili omotač sastoji se uglavnom od užarenih plinova svijetlo crvene boje. Kada je električni luk prevelike duljine, plinovi u vanjskom dijelu ne mogu više zadovoljavajuće štititi središnji dio luka, kojim se kreću kapljice rastaljenog metala, a dolazi i do pojave rasprskavanja metala i tekuće troske. Duljina zavarivačkog električnog luka određuje se kao udaljenost vrha elektrode od površine kupke rastaljenog metala. Kratkim lukom naziva se električni luk približne duljine 2 do 4 mm. Kao normalna duljina luka uzima se 4 do 6 mm. Luk duljine preko 6 mm naziva se dugačkim: on je nestabilan, rastaljeni metal koji prolazi električnim lukom oksidira i spaja se s dušikom iz okolnog zraka, povećava se rasprskavanje rastaljenog metala i troske, dobiva se vrlo krhak metal zavara.

Električni se luk, po svojoj duljini, može podijeliti u tri svojstvena područja i to: anodno područje, katodno područje, te stup električnog luka. Uobičajene temperature katodnog područja su do 3500 °C. Temperatura anodnog područja nešto je malo viša. Temperature u stupu električnog luka kreću se od 5000 °C do 6000 °C.

Uzimajući sve zajedno, za jedan zavarivački električni luk može se kazati da ima slijedeće značajke:

• predstavlja zonu plinova, koji se izravno dovode kao zaštitni plinovi ili nastaju izgaranjem obloge ili praška, a bez njih je dobra ionizacija nemoguća,
• provodi električnu struju i dio je strujnog kruga,
• ima odredenu duljinu (najčešće od 3 do 5 mm) koja ne smije biti niti prevelika niti previše mala, a koja odgovara održavanju stabilnog električnog luka,
• ima određeni električni otpor koji odgovara duljini luka, zbog čega dolazi do znatnog porasta temperature u prostoru električnog luka,
• ima određeni pad napona između vrha elektrode i površine zavarivanog metala.
• stvara vlastito magnetsko polje, koje ponekad stvara poteškoće kod zavarivanja,
• toplinski je provodljiv,
• razvija visoke temperature, pa i do 6000 °C u stupu luka,
• izgaranjem obloge elektrode stvara plinove koji snažno struje prema površini rastaljenog metala u krateru električnog luka,
• dolazi do raznih metalurških i kemijskih reakcija,
• emitira svjetlosne, infracrvene i ultraljubičaste zrake, pa je zbog opasnosti

njihovom izlaganju potrebna odgovarajuća zaštita očiju i dijelova tijela, da se izbjegne suzenje očiju, opekotine na koži, i drugo.

Izvori struje za zavarivanje

Izvor struje za zavarivanje su takvi uređaji koji daju na mjestu zavarivanja električnu struju sa karakteristikama pogodnim za zavarivanje. Najčešće se koristi napajanje sa konstantnom jačinom struje i drugi tip, napajanje sa konstantnim naponom. Kod elektrolučnog zavarivanja, dužina električnog luka je u direktnoj vezi sa naponom, dok je sa jačinom struje direktno povezan unos topline na zavarenom spoju.

Napajanje s konstantnom jačinom struje se često koristi za ručne postupke zavarivanja, kao što je zavarivanje TIG postupkom i ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom. To je važno, jer je vrlo teško održavati elektrodu mirno, a time se razmak i napon mijenjaju. Napajanje s konstantnim naponom se češće koristi za automatske postupke, kao što je elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti aktivnog ili inertnog plinom (zavarivanje MIG ili MAG postupkom). Kod tih postupaka duljina električnog luka se održava konstantnim, mijenjajući jačinu struje po potrebi. Na primjer, ako je žica i osnovni materijal preblizu, pojača se jačina struje, pa se dio žice istopi, i time vraća prvobitni razmak.

Vrsta električne struje kod elektrolučnog zavarivanja isto igra vrlo važnu ulogu. Postupci s taljivim elektrodama, kao što je ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom (REL), uglavnom koristi istosmjernu struju, ali elektroda može biti pozitivno ili negativno nabijena. Kod zavarivanja, pozitivno nabijena anoda će imati veću koncentraciju zagrijavanja i zavar će biti dublji. Ako je elektroda pozitivno nabijena, onda će to rezultirati u plićem zavaru. Postupci sa stalnim elektrodama, kao što je zavarivanje TIG postupkom, može koristiti istosmjernu ili izmjeničnu struju. Kod istosmjerne struje, zavar će biti dublji ili plići, ovisno ako je elektroda pozitivna ili negativna. Izmjenična struja će stvoriti srednje dubok zavar. Nedostatak izmjenične struje da se električni luk mora stalno ponovo paliti, kada jačina struje bude nula, u svakom ciklusu, riješen je sa specijalnim uređajima koji stvaraju kvadratni val, umjesto normalnog sinusnog vala.

Vrste elektrolučnog zavarivanja

Elektrolučno zavarivanje taljivom elektrodom

U elektrolučno zavarivanje taljivom elektrodom spadaju ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom, zavarivanje MIG postupkom ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti neutralnog (inertnog) plinom, zavarivanje MAG postupkom ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti aktivnog plina, zavarivanje pod praškom ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom pod zaštitnim praškom i zavarivanje pod troskom ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom pod zaštitnom troskom.

Ručno elektrolučno zavarivanje

Ručno elektrolučno zavarivanje (kratica: REL), točnije izraženo ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom (engl. Manual Metal Arc Welding – MMA) ili elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom (engl. Shielded Metal Arc Welding – SMAW) je postupak koji se najviše koristi. Električna struja se koristi da pokrene električni luk, između osnovnog materijala i potrošnih elektroda, čija obloga stvara zaštitu zavara od oksidacije i zagađivanja stvaranjem ugljikovog dioksida (CO₂). Elektroda služi i kao dodatni materijal za stvaranje zavara. Postupak je vrlo raznovrstan i može se obaviti s relativno jeftinom opremom, tako da se koristi u radionicama i na otvorenim gradilištima. Zavarivač može postati dovoljno iskusan i sa skromnijom obukom, a vješt majstor postaje sa iskustvom. Vrijeme zavarivanja je relativno sporo, budući da se elektrode moraju često zamjenjivati i troska se mora čistiti nakon svakog zavara. Taj postupak je uglavnom ograničen na čelične proizvode, iako specijalne elektrode postoje i za lijevano željezo, nikal, aluminij, bakar i ostale metale.

Zavarivanje MIG postupkom

Zavarivanje MIG postupkom (engl. Metal Inert Gas) ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom u zaštiti inertnog plinom (engl. Gas Metal Arc Welding – GMAW), je vrsta elektrolučnog zavarivanja. To je poluautomatski ili automatski postupak, koji koristi stalno dovođenje gole žice kao elektrode za zavarivanje, a zaštićen je sa inertnom (neutralnom) ili poluinertnom mješavinom zaštitnih plinova (obično argon), da zaštiti zavareni spoj od zagađenja. Postupak je brži od ručnog elektrolučnog zavarivanja. Elektroda je ujedno i dodatni materijal, koji je obično istorodan s osnovnim materijalom koji se zavaruje.

Zavarivanje MAG postupkom

Zavarivanje MAG postupkom (engl. Metal Active Gas) postupkom je vrsta elektrolučnog zavarivanja talljenjem u aktivnom zaštitnom plinu (obično ugljikov dioksid CO₂) ili u plinskoj smjesi (argon + ugljikov dioksid, argon + ugljikov dioksid + kisik) taljivom elektrodom u obliku gole žice, slično zavarivanju MIG postupkom. Ovaj postupak zavarivanja izvodi se u svim položajima. Zavarivanje kratkim električnim lukom (engl. short arc) daje najmanji unos energije u zavareni spoj, tako da je postupak pogodan za zavarivanje tankih limova. Kada je poželjan lijep izgled zavara, a istodobno i dobra zavarivost, zavarivanje MAG postupkom se izvodi u plinskoj smjesi s približno 80% argona i 20% CO₂. Impulsno zavarivanje se izvodi u svim položajima bez raspskavanja kapljica.

Zavarivanje pod praškom

Zavarivanje pod praškom (engl. flux-cored arc welding – FCAW) ili elektrolučno zavarivanje pod zaštitnim praškom (kratica: EPP) je poluautomatska ili automatska vrsta elektrolučnog zavarivanja, gdje se koristi taljiva elektroda u obliku žice ili trake, koja se mehaniziranim načinom dovodi na mjesto gdje gori (prikriven) električni luk u plinovima od mineralnog praška. Rastaljeni prašak, tj. tekuća troska, štiti električni luk i talinu zavarenog spoja, a skrutnuta troska hladeći se štiti zavareni spoj od okolnog zraka. Električni luk je stalno prekriven i praktički nevidljiv tijekom zavarivanja, što bitno smanjuje izravno djelovanje svjetlosnog i drugih zračenja, kao i rasprskavanje čestica rastaljenog metala i troske, a uz vrlo malo dima. Nakon što se ohladi, skrutnutu trosku treba odstraniti.

Zavarivanje pod troskom

Zavarivanje pod troskom (engl. Submerged Arc Welding – SAW) ili elektrolučno zavarivanje taljivom žicom pod zaštitnom troskom (kratica: EPT) je elektrootporno zavarivanje taljenjem (bez pritiska), pod talinom troske taljivom elektrodom, kao dodatnim materijalom, u obliku jedne ili više žica, jedne ili više traka što se dovode u talinu troske. Talina se održava u tekućem stanju Joulevom toplinom, koja se razvija zbog omskog otpora u troski, kroz koju protječe električna struja zavarivanja između elektrode i taline zavara. Zavarivanje se obično izvodi okomito ili koso prema gore. Ima više načina zavarivanja pod troskom, pa tako i način zavarivanja pod troskom tračnom elektrodom. Ovaj postupak posebno je prikladan za zavarivanje debelih i veoma debelih komada.

Elektrolučno zavarivanje netaljivom elektrodom

U elektrolučno zavarivanje netaljivom elektrodom spadaju zavarivanje TIG postupkom i zavarivanje plazmom .

Zavarivanje TIG postupkom

Zavarivanje TIG postupkom (engl. Tungsten Inert Gas) ili elektrolučno zavarivanje netaljivom elektrodom u zaštiti inertnog plinom (engl. Gas Tungsten Arc Welding – GTAW), je ručni postupak zavarivanja u neutralnom zaštitnom plinu ili neutralnoj smjesi plinova, koji koristi netaljivu volframovu elektrodu (ili volfram s dodacima, npr. torijevog oksida ili oksida drugih elemenata kao cirkonij, lantan, itrij) i posebno dodatni materijal. Svojstvo ovog postupka je stabilan električni luk i visoko kvalitetan zavar, ali zahtjeva izuzetne vještine zavarivača i relativno je spor. Iako se može koristiti za skoro sve vrste materijala, najčešće se koristi za zavarivanje nehrđajućih čelika i lakih metala (aluminijeve legure, titanijeve legure). Pogodan za zavarivanje tankih limova (do debljine 6 mm), a često se koristi kod proizvodnje bicikla, zrakoplova i brodova, te kod zavarivanja u prinudnim položajima. U pravilu se volframova elektroda priključuje na (-) pol izvora istosmjerne struje, zbog znatno manjeg trošenja volframove elektrode. Koristi se pulsirajuća struja zavarivanja.

Zavarivanje plazmom

Zavarivanje plazmom ili plazma zavarivanje se ponekad uspoređuje sa zavarivanjem TIG postupkom iz kojega je razvijeno. Kod oba se postupka koristi netaljiva volframova elektroda, i relativno malo je unošenje topline. Kod zavarivanja plazmom, volframova elektroda je upuštena u sapnicu (mlaznica). Plin pod tlakom izlazi kroz mali otvor na donjem dijelu sapnice. Oko tog mlaza vrućeg plazmenog plina postoji i drugi koncentrični omotač zaštitnog plina. Postoje dvije vrste luka koji stvaraju plazmu: "preneseni luk" na radni komad i nepreneseni luk.

Greške u zavarenim spojevima

Svaki tehnološki postupaknosi stalnu opasnost od nastajanja određenih grešaka. S obzirom na veliki broj utjecajnih čimbenika na kvalitetu zavarenih spojeva, na tu je opasnost potrebno obratiti posebnu pozornost kako pri izradi zavarene konstrukcije, tako i u njenoj primjeni. Postoje različite klasifikacije grešaka u zavarenim spojevima, a jedna od njih je sljedeća (EN 26520): greške u zavarenim spojevima koje mogu nastati u izradi i greške u zavarenim spojevima koje mogu nastati u eksploataciji.

Greške u zavarenim spojevima koje nastaju u izradi mogu se podijeliti s obzirom na:

• Uzrok nastajanja grešake: konstrukcijske greške, metalurške greške i tehnološke greške;
• Vrstu grešake: plinski uključci, uključci u čvrstom stanju, naljepljivanje, nedostatak provara, pukotine i greške oblika i dimenzija;
• Greške položaja: unutrašnje greške, površinske i podpovršinske greške i greške po cijelom presjeku;
• Greške po obliku: kompaktne greške, izdužene greške, oštre greške (jako izraženo zarezno djelovanja), zaobljene greške (manje izraženo zarezno djelovanje), ravninske greške (može se zanemariti treća dimenzija greške) i prostorne greške (uzimaju se u obzir sve tri dimenzije greške);
• Greške po veličini: male greške, greške srednje veličine i velike greške;
• Greške po brojnosti: pojedinačne greške, učestale greške i gnijezdo grešaka.

Zaštita na radu pri zavarivanju

Zavarivanje bez odgovarajućih mjera zaštite, može biti opasno i nezdravo. Danas se s novim tehnologijama i odgovarajućom zaštitom, taj rizik dosta smanjio. Da bi se smanjio utjecaj plamena i električnog luka, zavarivači moraju nositi zaštitnu odjeću i opremu, kao što su maske, rukavice, zaštitna odjeća. Zbog visokog intenziteta ultraljubičastog i infracrvenog zračenja, i mogućeg oštećenja očiju (upala rožnice i opekotine na mrežnici oka), maske i naočale trebaju biti opremljeni sa specijalnim staklima. Često se i mjesta zavarivanja trebaju prekriti sa zaštitnim zavjesama i pregradama, posebno od polivinil klorida, da se zaštite ostali radnici koji ne zavaruju.

Mjesta zavarivanja sadrže značajnu količinu metalnih čestica promjera nekoliko μm, i što su čestice manje, to su opasnije za zdravlje (male čestice mogu proći kroz krvno-moždanu pregradu). Uz to dolazi do stvaranja i ozona. Posebno su opasne pare koje sadrže kadmij. Kod Cr-Ni čelika, posebno je opasna visoka koncentracija šesterovalentnog kroma Cr (VI), koji je kancerogena tvar. Kod zavarivanja MAG postupkom prisutna je velika količina ugljikovog monoksida CO i ugljikovog dioksida CO₂. Kod rada sa pocinčanim materijalima, potreban je oprez zbog zagađenja sa cinkovim oksidom ZnO. Manganske pare, čak i u manjim koncentracijama (<0,2 mg/m³), mogu dovesti do neuroloških problema i oštećenja pluća, jetre, bubrega i centralnog nervnog sistema. Zbog toga se preporučuje vrlo dobra ventilacija radnog mjesta, a u težim situacijama i aparati za disanje. Bitno je dobro se zaštititi i od električnog udara, koji nastaje zbog loše izolacije, skučenog vlažnog prostora, visokonaponskih uređaja.

Literatura

• Cary, Howard B.; Helzer, Scott C. (2005), Modern Welding Technology, Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, ISBN 0-13-113029-3 
• Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven R. (2001), Manufacturing Engineering and Technology, Prentice-Hall, ISBN 0-201-36131-0 
• Lincoln Electric (1994), The Procedure Handbook of Arc Welding, Cleveland, Ohio: Lincoln Electric, ISBN 99949-25-82-2 
• Weman, Klas (2003), Welding processes handbook, New York: CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8 
• ASM International (society) (2003). Trends in Welding Research. Materials Park, Ohio: ASM International. ISBN 0-87170-780-2
• Blunt, Jane and Nigel C. Balchin (2002). Health and Safety in Welding and Allied Processes. Cambridge: Woodhead. ISBN 1-85573-538-5.
• Hicks, John (1999). Welded Joint Design. New York: Industrial Press. ISBN 0-8311-3130-6.

Vanjske veze

• Arc Flash Awareness video (25:39) from U.S. National Institute for Occupational Safety and Health