Zavarivanje
Zavarivanje je proces spajanja dva ili više metalna dela istog ili približno istog hemijskog sastava. Spajanjem se dobija nerazdvojiva veza. Zavarivanje se izvodi pod dejstvom toplote, uz dodavanje ili ponekad bez dodavanja dodatnog materijala i uz primenu pritiska ili bez njega. Pri zavarivanju vrši se lokalno zagrevanje ivice metalnih delova koje treba spojiti (zavariti). Zagrevanje se vrši do temperature pri kojoj metal prelazi iz čvrstog u testasto ili tečno stanje, što zavisi od vrste i načina zavarivanja. Postoje dve vrste zavarivanja: zavarivanje topljenjem i zavarivanje pritiskom.
Različiti izvori energije se mogu koristiti za zavarivanje, kao što je mlaz vrućih plinova (plinski plamen ili mlaz plazme), električni luk, tok nelektrisanih čestica (mlaz elektrona ili jona u vakuumu), tokovi zračenja (laser), električna struja (elektrootporno zavarivanje), trenje, ultrazvuk i sl. Zavarivanje se može obavljati u radionici, na otvorenom prostoru, u vodi ili u svemiru.
Sve do kraja 19. veka, jedino je bilo poznato kovačko zavarivanje, s kojim su kovači vekovima spajali željezo i čelik grejanjem i udaranjem čekića. Elektrolučno zavarivanje i gasno zavarivanje kiseonikom su bili među prvim postupcima koji su se razvili u 20. veku. Nakon toga su se razvili mnogi procesi, ali među najzastupljenijim je postalo ručno elektrolučno zavarivanje.[1]
Istorija zavarivanja[uredi | uredi izvor]
Istorija spajanja metala je započela pre nekoliko hiljada godina, u bronzano doba i u željezno doba, na prostorima današnje Evrope i Bliskog istoka. Razvilo se kao sastavni deo veština kovača, zlatara i livača pri izradi oruđa za rad, oružja, posuda, nakita i građevina.
U srednjem veku se razvilo kovačko zavarivanje, gde su se dva dela koja su se spajala, na kovačkoj vatri, dovela do belog usijanja i ako je bilo potrebno, posipali bi se određenim prahom ili peskom za „čišćenje”. Čekićanjem spoja istiskivali bi se s dodirnih površina rastopljeni oksidi ili troska, te se sučeljavaju čiste metalne površine, kada počinju delovati međuatomske sile dva dela i dolazi do čvrstog spoja. Najbolji mačevi od čelika u srednjem veku bili su rađeni iz niskougljeničnog čelika (do 0,4% ugljenika), a na njihove rubove su kovački zavarivane (udarcima čekića u toplom stanju) trake od visokougljeničnog čelika (od 1,0 do 2,1% C), koje su uz određenu toplotnu obradu davale tvrde i oštre bridove. Mačevi, vrhovi strela i koplja, noževi i drugo, kod kojih su primenjivali 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 “damaskiranje” (od Damask, Sirija), a u cilju postizanja posebnih dobrih svojstava za mačeve i puške.
Godine 1802. ruski naučnik Vasilij Petrov istražuje električni luk za opštu namenu i predlaže primenu za zavarivanje.[2] Godine 1882. ruski naučnik Nikolaj Benardos prvi koristi električni luk između ugljene elektrode i metala, uz dodavanje žice u metalnu kupku. Godine 1888. ruski naučnik Nikolaj Slavjanov je predložio postupak elektrolučnog zavarivanja metalnom elektrodom. Godine 1895. počinje se koristiti aluminotermijsko zavarivanje koloseka i za popravku odlivaka. U isto vreme prvi put se zavaruje gasnim plamenikom, koji je koristio kiseonik i vodonik. Kasnije se razvija gasno zavarivanje kiseonik-acetilenskim (O2 + C2H2) plamenom.
Godine 1907. švedski naučnik prvi patentira i primenjuje obloženu elektrodu. Obložena elektroda se proizvodila uranjanjem gole žice u rastvor minerala, a od 1936. obloga se nanosi ispresivanjem ili ekstrudiranjem. Od 1925. počinje zavarivanje u zaštitnoj atmosferi vodonika, a kasnije se prešlo na argon i helijum. Od 1930. primenjuje se automatsko zavarivanje pod praškom u brodogradnji SAD.[3]
Pred, a posebno nakon Drugog svetskog rata, počinje razvoj i primena zavarivanja u zaštitnom gasu - zavarivanje TIG postupkom. Zavarivanje MIG postupkom se počinje primenjivati 1948, a od 1953. u Sovjetskom Savezu se prvi put primenjuje zavarivanje MAG postupkom s CO2 zaštitnim aktivnim plinom. Hladno zavarivanje pod pritiskom se primenjuje od 1948.
Nakon 1950. godine 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.[4]
Prvo zavarivanje i toplotno rezanje u svemiru izvedeno je 1969. na sovjetskom svemirskom brodu Sojuz 6. Godine 1932. u Rusiji, Konstantin Hrenov je prvi uspešno primenio podvodno elektrolučno zavarivanje.
Postupci zavarivanja[uredi | uredi izvor]
Uobičajena osnovna podela postupaka zavarivanja je na postupke zavarivanja uz delovanje pritiska i postupke zavarivanja topljenjem. Zavarivanje uz delovanje pritiska je spajanje metalnih delova pritiskom, bez ili uz lokalno ograničeno zagrevanje, uglavnom bez korištenja dodatnog materijala. Zavarivanje topljenje je spajanje metalnih delova u rastopljenom stanju na mestu spajanja, s korištenjem ili bez dodatnog materijala, bez delovanja pritiska ili udaraca.
Postupci zavarivanja topljenjem[uredi | uredi izvor]
Zavarivanje topljenjem je spajanje metalnih delova u rastopljenom stanju na mestu spajanja, sa korištenjem ili bez dodatnog materijala, bez delovanja pritiska ili udaraca. U tu grupu spadaju: livačko zavarivanje, termitno zavarivanje (aluminotermijsko zavarivanje), zavarivanje plinskim plamenom ili gasno zavarivanje, zavarivanje pod troskom, zavarivanje električnim lukom ili elektrolučno zavarivanje (ručno elektrolučno zavarivanje, zavarivanje MIG postupkom, zavarivanje MAG postukom, zavarivanje pod praškom, zavarivanje TIG postupkom, polumehanizovano zavarivanje s obloženim elektrodama), magnetno zavarivanje ili zavarivanje magnetno pokretanim električnim lukom, zavarivanje plazmatskim lukom ili zavarivanje plazmom, zavarivanje elektronskim snopom, zavarivanje laserskim snopom, ultrazvučno zavarivanje, zavarivanje snopom svetlosnog zračenja i drugo.
Elektrolučno zavarivanje[uredi | uredi izvor]
Elektrolučno zavarivanje jedan je od najčešće upotrebljavanih načina zavarivanja u praksi. Izvor energije za zavarivanje je električni luk. Deo koji se zavaruje obično je plosnat, dok je elektroda štapičasta. Ako se elektroda ne topi (ugljenična, volframova), može se zavarivati bez dodavanja ili s dodavanjem materijala. Pri zavarivanju topljivom 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 (metalno 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.
Električni luk predstavlja stabilno električno pražnjenje, odnosno usmereno kretanje elektrona kroz jonizovan gas. Gas je jonizovan kada u njemu postoje elektroni i joni koji usmerenim kretanjem omogućavaju protok struje. Kod ručnog elektrolučnog zavarivanja (oznake: 111, E ili REL) električni luk uspostavlja se kratkim spojem, odnosno dodirom elektrode o osnovni materijal (metal). Usled mikroskopskih neravnina na dodirnim površinama elektrode i osnovnog materijala uspostavlja se protok struje kroz izuzetno malu kontaktnu površinu, pri čemu je gustina struje veoma velika, te se osnovni materijal i dodatni materijal (elektroda) tope gotovo trenutno, a delimično čak i isparavaju. Nakon nekoliko trenutaka elektroda se odvaja od osnovnog materijala, a tada dejstvom jakog električnog polja, stvorenog naponom praznog hoda (izvor struje je uključen, ali strujno kolo više nije zatvoreno), atomi nastalih metalnih isparenja (para) gube svoje elektrone koje privlači anoda (pozitivna elektroda), dok preostale delove atoma, odnosno novonastale pozitivne jone privlači katoda (negativna elektroda). Istovremeno dolazi i do termičke jonizacije, kada katoda počinje velikom brzinom da emituje elektrone ka anodi. Emitovani elektroni sudaraju se sa okolnim atomima i molekulima, usled čega dolazi do oslobađanja novih elektrona i nastanka novih jona, čije usmereno kretanje održava električni luk. Za to vreme elektroda se odmiče od osnovnog materijala na dovoljno rastojanje, pogodno za zavarivanje, čime je proces uspostavljanaj električnog luka u potpunosti završen i uspostavljeno je stabilno stanje u kolu koje sačinjavaju izvor struje, elektroda, električni luk i osnovni materijal. Temperatura u električnom luku kod REL postupka dostiže oko šest hiljada °C, odnosno oko 4200 stepeni na anodi (na osnovnom materijalu) i oko 3600 stepeni na katodi (dodatnom materijalu, tj. elektrodi).
Ručno elektrolučno zavarivanje[uredi | uredi izvor]
Ručno elektrolučno zavarivanje (skraćenica: REL), tačnije 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 ugljen 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 vešt majstor postaje sa iskustvom. Vreme zavarivanja je relativno sporo, budući da se elektrode moraju često zamenjivati i troska se mora čistiti nakon svakog zavara. Taj postupak je uglavnom ograničen na čelične proizvode, iako specijalne elektrode postoje i za liveno gvožđe, nikal, aluminijum, bakar i ostale metale.[5]
Gasno zavarivanje[uredi | uredi izvor]
Gasno zavarivanje, autogeno zavarivanje ili zavarivanje plinskim plamenom spada u grupu zavarivanja topljenjem, gde se osnovni materijal topi topotom plamena, koji nastaje izgaranjem gorivog plina (acetilen, propan, butan, vodonik) s čistim kiseonikom ili kiseonikom iz vazduha. Najtopliji plamen daje izgaranje acetilena s čistim kiseonikom (temperatura je 3 160 °C), uz oslobađanje ugljen dioksida (CO2) i vodene pare (H2O). Plinsko zavarivanje se izvodi s dodatnim materijalom, ali ponekad i bez njega. To je jedan od najstarijih načina zavarivanja i najsvestranijih postupaka zavarivanja, ali u zadnje vreme je sve manje zastupljen. Uglavnom se danas koristi za zavarivanje čeličnih cevi i cevi od sivog liva, a koristi se i za popravke. Oprema relativno nije skupa, plamen je više raspršen od električnog luka, uzrokujući sporije hlađenje, koje vodi većim zaostalim naprezanjima i deformacijama. Sličan postupak je plinsko rezanje, uz dodatno dovođenje čistog kiseonika. Kiseonik-acetilen plamen ima vrlo veliku industrijsku primenu kod tvrdog lemljenja, toplotnog rezanja i lokanih toplotnih obrada.[5]
Oprema za plinsko zavarivanje sastoji se iz boce acetilena, boce kiseonika, redukcijskih ventila, cevi za zavarivanje, plamenika i dodatnog materijala. Zavarivanje plinskim plamenom koristi se za zavarivanje čelika, sivog liva, bakra, aluminijuma i njihovih legura. Postupak zavarivanja je jednostavan, oprema jeftina, ali je brzina zavarivanja mala, dok zapaljivost i eksplozivnost rada povećava opasnost pri radu.[6]
Postupci zavarivanja pritiskom[uredi | uredi izvor]
Zavarivanje pritiskom je spajanje metalnih delova pritiskom, bez ili uz lokalno ograničeno zagrejavanje, uglavnom bez korištenja dodatnog materijala. U tu grupu spadaju: kovačko zavarivanje, elektrootporno zavarivanje, tačkasto elektrootporno zavarivanje, bradavičasto elektrootporno zavarivanje, šavno elektrootporno zavarivanje, sučeljeno vodootporno zavarivanje, elektrootporno zavarivanje ogorevanjem ili iskrenjem, elektroindukcijsko zavarivanje, eksplozijsko zavarivanje, difuzijsko zavarivanje, zavarivanje trenjem, hladno zavarivanje pritiskom i drugo.
Kovačko zavarivanje[uredi | uredi izvor]
Kovačko zavarivanje je najstarija vrsta zavarivanja metala, kada se krajevi dva dela koji se zavaruju (spajaju) zagreju u kovačkoj vatri do belog usijanja i ako je potrebno pospu određenim prahom (peskom) za „čišćenje”. Čekićanjem spoja istiskuju se s dodirnih površina rastopljeni oksidi ili troska, te se sučeljavaju čiste metalne površine kada počinju delovati međuatomske sile dva dela i dolazi do čvrstog zavarenog spoja.[7]
Najbolji mačevi od čelika u srednjem veku bili su rađeni od niskougljeničnog čelika, a na njihove rubove su kovački zavarivane (udarcima čekića u toplom stanju) oštrice (trake) od visokougljeničnog čelika (1,0 – 2,1% C), koje su uz određenu toplotnu obradu davale tvrde, čvrste i oštre bridove. Mačevi, vrhovi strela i koplja, bodeži i drugo oružje kod kojih su primenjivali kovačko zavarivanje bili su poznati u Grčkoj, Franačkoj državi, Kini, Japanu, Indoneziji, te u Siriji. Poznata je tehnika spajanja traka iz različitih vrsta željeznih materijala kovanjem kao „damaskiranje” (od Damaska - Sirija), a u cilju postizanja posebnih dobrih svojstava za mačeve i puške. I za današnji stadijum razvoja tehnike ova tehnologija izrade delova iz kompozitnih materijala kovačkim zavarivanjem je interesantna.[8]
Elektrootporno zavarivanje[uredi | uredi izvor]
Elektrootporno zavarivanje (engl. Electric Resistance Welding – ERW) je način zavarivanja električnom energijom gde se uvek koristi pritisak i toplota, koja nastaje zbog velikog električnog otpora na mestu dodira zavarivanih delova. To je tzv. Džulova toplota, za koju vredi:
- Q = J2 ˑ R ˑ t (J) gde je: J – jačina električne struje zavarivanja, R – električni otpor na mestu dodira zavarivanih delova, t – trajanje zavarivanja. Koristi se uglavnom naizmenična struja niskog napona, vrlo velike jačine i kratkog trajanja.
Samo pri sučeljnom elektrootpornom zavarivanju dolazi do zavara u čvrstom stanju, bez rastapanja, dok pri svim drugim načinima elektrootpornog zavarivanja dolazi i do topljenja metala. Velika je prednost ovog postupka da je čist, brz i bez dodatnog materijala. Koristi se naročito u industriji vozila (automobili, bicikli, motocikli, vazduhoplovi, koloseci vozila, nuklearna i ratna tehnika), vojnoj industriji, građevinarstvu, prehrambenoj industriji, industriji bele tehnike i drugo. Spajaju se tanki limovi, do najviše 6 mm. Podesno je za proces masovne proizvodnje, uz mogućnost jednostavnog mehanizovanja i robotizovanja.
Vrste zavarenih spojeva[uredi | uredi izvor]
Žleb čine obrađeni ili neobrađeni, najčešće, rubni delovi osnovnog metala, na mestu pripremljenom za njihovo spajanje, odnosno izvodenje zavarivanja. Oblik i dimenzije žleba mogu biti različiti, a odabir odgovarajućeg oblika žleba zavisi od debljine materijala koji treba zavariti, primenjenog postupka zavarivanja, položaja zavarivanja, vrste i nameni spoja, i drugo. Iako se u praksi susreće i upotrebljava više različitih oblika žlebova, gotovo svi žlebovi imaju neke zajedničke elemente.
Priprema žlebova za zavarivanje može se izvoditi mehaničkom obradom ili rezanjem različitim postupcima. Kod mehaničke obrade, priprema rubova izvodi se posebnim mašinama i prikladnim alatom, npr. noževima, diskovima, makazama i dr., koji daju traženi oblik rubova zavarivanih delova. U praksi se najčešće koristi rezanje gasnim plamenom, a zastupljeni su, takođe i, postupci rezanja plazmatskim lukom, laserskim snopom, te elektrolučno rezanje ugljenom ili šupljom čeličnom elektrodom, uz dovođenje vazduha pod pritiskom. Kod rezanja gasnim plamenom, primenjuje se poseban plamenik za rezanje i odgovarajuća mešavina gasova, najčešće kiseonika i acetilena (ili butana). Samo rezanje i priprema rubova može se izvoditi ručno ili mašinski.[9]
Sučeljni spoj[uredi | uredi izvor]
Sučeljni spoj nastaje zavarivanjem delova čiji se krajevi sučeljavaju i međusobno zatvaraju ugao koji može biti između 160º i 200º, a najčešće je 180º. Dimenzionisanje sučeljnog spoja ne predstavlja poseban problem, jer je debljina tj. dimenzija šava određena debljinom osnovnog metala. S velikom pažnjom moraju biti pripremljeni rubovi spoja, da bi se omogućilo dobro otapanje uz minimalne deformacije i naprezanja u spojevima. Jednostavno se proverava i rendgenski snima, a zavarivanje se može izvoditi s jedne strane ili dvostrano.
Preklopni spoj[uredi | uredi izvor]
Priprema spoja preklapanjem rubova je jednostavna i ne zahteva posebno tačno podešavanje delova koji se spajaju. Preklopni spoj zavaren s obe strane može biti podvrgnut znatno većim opterećenjima od spoja zavarenog samo s jedne strane.
Ugaoni spoj[uredi | uredi izvor]
Ugaoni spoj može biti izveden zavarivanjem samo s jedne strane ili s obe strane, a predstavlja prikladno rešenje i za zavarivanje relativno debljih delova. Ređenje ugaonog spoja moguće je bez skošavanja stranice ruba zavarivanog elementa, a isto tako s jednostranim ili dvostranim skošenjem. Ugaoni spoj s jednostranim skošenjem obično se koristi kod spajanja limova debljine do 12 mm, kada se zavarivanje izvodi samo s jedne strane, dok su ugaoni spojevi s dvostranim skošenjem primereni za debljine do 40 mm, pa i više.
Krstasti spoj[uredi | uredi izvor]
Poseban oblik ugaonog spoja predstavlja krstasti spoj, koji ima sve elemente zajedničke s jednostavnim ugaonim spojem, a osnovna mu je osobina da ima jedan kontinuirani element, dok se drugi prekida i nastavlja s druge strane spoja. Krstasti spoj najčešće se koristi kod većih metalnih konstrukcija, npr. brodova i raznih kutijastih konstrukcija s unutrašnjim uzdužnim i poprečnim elementima.
Ugaoni rubni spoj[uredi | uredi izvor]
Ugaoni rubni spojevi nalaze svoju primenu, najčešće, u sklopovima pojedinih mašinskih delova, kućišta, kutijastih konstrukcija, i slično.
Prirubni spoj[uredi | uredi izvor]
Prirubni spojevi prvenstveno se koriste za tanke limove, do najviše 4 mm debljine, te za manje opterećene spojeve. Kod takvog se rešenja spajanja, posebnim prirubljivanjem limova, dobija ukupna širina polja za polaganje zavara jednaka dvostrukoj debljini spajanih delova, a to predstavlja znatno olakšanje zavarivaču pri vođenju izvora toplote i kontrolisanju otopine.
Vidi još[uredi | uredi izvor]
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ [1][mrtva veza] "Povijest zavarivanja", Dr.sc. Ivan Samardžić, izv. prof., Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, 2012.
- ^ "Historical essay on the 200 years of the development of natural sciences in Russia"
- ^ Cary & Helzer 2005, str. 7
- ^ [2] "Diffusion Bonding of Materials" Kazakov N.F., 1985., publisher=University of Cambridge
- ^ a b [3][mrtva veza] "Termini i definicije kod zavarivanja", Dr.sc. Ivan Samardžić, izv. prof., Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, 2012.
- ^ "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.
- ^ [4][mrtva veza] "Povijesni razvitak materijala", www.riteh.uniri.hr, 2011.
- ^ "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
- ^ "Zavarivanje I", izv. prof. dr. sc. Duško Pavletić, dipl. ing., Tehnički fakultet Rijeka, 2011.
Literatura[uredi | uredi izvor]
- Cary, Howard B; Helzer, Scott C. (2005). Modern Welding Technology. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education. ISBN 978-0-13-113029-6.
- Kalpakjian, Serope; Steven R. Schmid (2001). Manufacturing Engineering and Technology. Prentice Hall. ISBN 978-0-201-36131-5.
- Lincoln Electric (1994). The Procedure Handbook of Arc Welding. Cleveland: Lincoln Electric. ISBN 99949-25-82-2.
- Weman, Klas (2003). Welding processes handbook. New York, NY: CRC Press LLC. ISBN 978-0-8493-1773-6.
Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]
- Zavarivanje na sajtu Curlie
