Poleg procesnih dejavnikov lahko na nastanek in velikost zvara vplivajo tudi drugi dejavniki varilnega procesa, kot so velikost utora in reže, kot naklona elektrode in obdelovanca ter prostorski položaj spoja.
Vpliv varilnega toka na nastanek zvara
Pod določenimi pogoji se z naraščanjem obločnega varilnega toka povečata globina prodiranja in ojačitev varjenega šiva, širina varjenja pa se nekoliko poveča. Razlogi so naslednji:
1) Z naraščanjem varilnega toka obločnega varjenja se povečuje sila obloka, ki deluje na varjenje, povečuje se dovod toplote obloka v varjenje in položaj vira toplote se premakne navzdol, kar spodbuja prevajanje toplote v globino staljene kadi in povečuje globino preboja. Globina preboja je približno sorazmerna z varilnim tokom. Globina preboja zvara H je približno enaka Km × I. V formuli je Km koeficient preboja (število milimetrov, za katerega se poveča globina preboja zvara, ko se varilni tok poveča za 100 A), ki je povezan z metodo obločnega varjenja, premerom žice, vrsto toka itd., kot je prikazano v tabeli 1-1.
| metode obločnega varjenja | premer elektrode/mm | varilni tok/A | napetost/V | hitrost varjenja/mh-1 | koeficient penetracije/m m-100A-1 |
Varjenje z volframovim argonom | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0,8~1,8 |
plazemsko obločno varjenje | 1,6-odprtina šobe | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1,2~2 |
| 3,4-odprtina šobe | 220~300 | 28~36 | 18~30 | 1,5~2,4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1,0~1,7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0,7~1,3 |
argonsko obločno varjenje z fuzijskimi elektrodami | 1,2~2,4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1,5~1,8 |
| CO2 varjenje | 0,8~1,6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0,8~1,2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
Tabela 1-1 Koeficient globine taljenja Km za različne metode in parametre obločnega varjenja (varjenje jekla)
2) Hitrost taljenja varilnega jedra oziroma varilne žice pri obločnem varjenju je sorazmerna z varilnim tokom. Ker povečanje varilnega toka pri obločnem varjenju povzroči povečanje hitrosti taljenja varilne žice, se količina staljene varilne žice poveča približno sorazmerno, medtem ko se širina zvara poveča manj, zato se poveča ojačitev zvara.
3) Po povečanju varilnega toka se premer stebra obloka poveča. Vendar se poveča globina, pri kateri oblok prodre v obdelovanec, in obseg gibanja obločne točke je omejen. Zato je povečanje širine zvara relativno majhno.
Pri varjenju kovin v zaščitni atmosferi inertnega plina (MIG) se z naraščanjem varilnega toka poveča globina preboja zvara. Če je varilni tok prevelik in gostota toka prevelika, se lahko pojavi prstasto prebojanje, zlasti pri varjenju aluminija.
Vpliv napetosti obloka na nastanek zvara
Pod določenimi pogoji se ob povečanju napetosti obloka poveča tudi moč obloka, poveča pa se tudi dovod toplote v varjenje. Vendar pa se povečanje napetosti obloka doseže s povečanjem dolžine obloka. Povečanje dolžine obloka vodi do povečanja polmera vira toplote obloka in povečanja odvajanja toplote obloka. Posledično se zmanjša gostota energije, ki se dovaja v varjenje, zato se globina preboja nekoliko zmanjša, širina zvara pa se poveča. Hkrati se, ker varilni tok ostane nespremenjen in količina taljenja varilne žice ostane nespremenjena, zmanjša ojačitev zvara.
Pri različnih metodah obločnega varjenja je treba za doseganje ustreznega oblikovanja zvara, torej za ohranjanje ustreznega koeficienta oblikovanja zvara φ, ob povečevanju varilnega toka ustrezno povečati tudi napetost obloka. Zahtevano je, da imata napetost obloka in varilni tok ustrezno ujemanje. To je najpogostejše pri obločnem varjenju s taljivo elektrodo.
Vpliv hitrosti varjenja na nastanek zvara
Pod določenimi pogoji povečanje hitrosti varjenja povzroči zmanjšanje vnosa toplote pri varjenju, s čimer se zmanjšata tako širina zvarnega spoja kot tudi penetracija. Ker je količina nanesene žice na enoto dolžine zvara obratno sorazmerna s hitrostjo varjenja, to povzroči tudi zmanjšanje ojačitve zvarnega spoja.
Hitrost varjenja je pomemben kazalnik za ocenjevanje produktivnosti varjenja. Za izboljšanje produktivnosti varjenja je treba povečati hitrost varjenja. Vendar pa je treba za zagotovitev velikosti zvara, ki jo zahteva konstrukcijska zasnova, ob povečanju hitrosti varjenja ustrezno povečati varilni tok in napetost obloka. Te tri količine so medsebojno povezane. Hkrati je treba upoštevati tudi, da se pri povečanju varilnega toka, napetosti obloka in hitrosti varjenja (torej pri uporabi varilnega obloka z visoko močjo in varjenja z visoko hitrostjo) lahko pojavijo napake pri varjenju, kot so spodrezi in razpoke, med nastajanjem in strjevanjem staljene taline. Zato je povečanje hitrosti varjenja omejeno.
Vpliv vrste in polarnosti varilnega toka ter velikosti elektrode na nastanek zvara
1. Vrste in polaritete varilnega toka
Vrste varilnega toka se delijo na enosmerni in izmenični tok. Med njimi se enosmerno obločno varjenje nadalje deli na konstantni enosmerni tok in pulzirajoči enosmerni tok glede na to, ali je v toku prisoten pulz; glede na polarnost se deli na pozitivni enosmerni tok (varjenje je priključeno na pozitivno) in obratni enosmerni tok (varjenje je priključeno na negativno). Obločno varjenje z izmeničnim tokom se glede na različne valovne oblike toka nadalje deli na sinusni izmenični tok in kvadratni izmenični tok. Vrsta in polarnost varilnega toka lahko vplivata na količino toplote, ki jo oblok dovaja varjenemu spoju, zato lahko vplivata na nastanek zvara. Hkrati lahko vplivata tudi na proces prenosa kapljic in odstranjevanje oksidnega filma na površini osnovne kovine.
Pri varjenju kovinskih materialov, kot sta jeklo in titan, z obločnim varjenjem z volframovim inertnim plinom je preboj zvara največji, ko je enosmerni tok priključen v pozitivni smeri, najmanjši je pri enosmernem toku priključen v obratni smeri, izmenični tok pa je vmes. Ker je preboj zvara največji, ko je enosmerni tok priključen v pozitivni smeri in ima volframova elektroda najmanjše izgube zaradi gorenja, je treba pri varjenju kovinskih materialov, kot sta jeklo in titan, z obločnim varjenjem z volframovim inertnim plinom uporabiti pozitivni priključek z enosmernim tokom. Pri pulznem varjenju z enosmernim tokom je mogoče prilagajati parametre pulza in po potrebi nadzorovati velikost zvara, saj je mogoče prilagajati parametre pulza. Pri varjenju aluminija, magnezija in njihovih zlitin z obločnim varjenjem z volframovim inertnim plinom je treba uporabiti učinek čiščenja katode obloka za čiščenje oksidnega filma na površini osnovne kovine. Izmenični tok je boljši. Ker je mogoče prilagajati parametre valovne oblike pravokotnega izmeničnega toka, je učinek varjenja boljši.
Pri plinskem obločnem varjenju sta pri povratni priključitvi enosmernega toka penetracija in širina zvara večja kot pri pozitivnem priključku enosmernega toka. Penetracija in širina varjenja z izmeničnim tokom sta vmes. Zato se pri varjenju pod praškom običajno uporablja povratna priključitev enosmernega toka za doseganje večje penetracije, medtem ko se pri navarjenju s potopnim oblokom pozitivni priključek enosmernega toka uporablja za zmanjšanje penetracije. Pri plinskem obločnem varjenju z zaščitnim plinom se povratna priključitev enosmernega toka pogosto uporablja, ker ima ne le veliko globino penetracije, ampak sta varilni oblok in proces prenosa kapljic stabilnejša kot pri pozitivnem priključku enosmernega toka in izmeničnem toku ter ima učinek čiščenja katode. Pozitivni priključek enosmernega toka in izmenični tok se običajno ne uporabljata.
2. Vpliv oblike konice volframove elektrode, premera varilne žice in dolžine podaljška
Kot in oblika sprednjega konca varilne elektrode Tun Gsten imata večji vpliv na koncentracijo obloka in tlak obloka. Izbrati ju je treba glede na varilni tok in debelino obdelovanca. Na splošno velja, da bolj ko je oblok koncentriran in večji je tlak obloka, večja je globina preboja, širina zvara pa se ustrezno zmanjša.
Pri plinskem obločnem varjenju kovin velja, da pri konstantnem varilnem toku velja, da tanjša kot je varilna žica, bolj koncentrirano je segrevanje obloka, globina penetracije se poveča in širina zvara se zmanjša. Vendar pa je treba pri izbiri premera varilne žice v dejanskih varilnih projektih upoštevati tudi jakost toka in morfologijo zvarne talilne, da se prepreči slabo oblikovanje zvara.
Ko se dolžina podaljška žice pri plinskem obločnem varjenju poveča, se poveča uporovna toplota, ki jo ustvarja varilni tok, ki poteka skozi podaljšek žice, kar poveča hitrost taljenja žice. Posledično se poveča ojačitev zvara, medtem ko se globina preboja nekoliko zmanjša. Zaradi relativno velike upornosti jeklenih varilnih žic je vpliv dolžine podaljška žice na nastanek zvara relativno očiten pri varjenju z jeklenimi in tankimi žicami. Upornost aluminijastih varilnih žic je relativno majhna, zato njen vpliv ni pomemben. Čeprav lahko povečanje dolžine podaljška žice izboljša koeficient taljenja žice, obstaja dovoljeno območje nihanja dolžine podaljška žice, če upoštevamo celovito stabilnost taljenja žice in nastanek zvara.
Vpliv drugih procesnih dejavnikov na faktorje nastanka zvara
Poleg zgoraj omenjenih procesnih dejavnikov lahko na nastanek in velikost zvara vplivajo tudi drugi dejavniki varilnega procesa, kot so velikost utora in reže, kot naklona elektrode in obdelovanca ter prostorski položaj spoja.
1. Utor in reža
Pri varjenju čelnih spojev z elektroobločnim varjenjem se običajno določi, ali je treba rezervirati režo, velikost reže in oblika odprtega utora glede na debelino varilne plošče. Pod določenimi drugimi pogoji velja, da večja kot je velikost utora ali reže, manjša je ojačitev varjenega zvara, kar je enakovredno zmanjšanju položaja zvara. V tem primeru se zmanjša razmerje taljenja. Zato se lahko z puščanjem reže ali odpiranjem utora nadzoruje velikost ojačitve in prilagaja razmerje taljenja. V primerjavi z puščanjem reže in odpiranjem utora, ko se reža pusti ali reža ne pusti, se pogoji odvajanja toplote pri obeh nekoliko razlikujejo. Na splošno so pogoji kristalizacije pri odpiranju utora ugodnejši.
2. Naklon elektrode (varilne žice)
Med obločnim varjenjem se glede na razmerje med smerjo nagiba elektrode in smerjo varjenja deli na dve vrsti: nagib elektrode naprej in nagib elektrode nazaj. Ko je varilna žica nagnjena, se ustrezno nagne tudi os obloka. Ko je varilna žica nagnjena naprej, se učinek sile obloka na odvajanje staljene kovine iz taline nazaj oslabi. Plast tekoče kovine na dnu taline se debelejša, globina prodiranja se zmanjša, globina prodiranja obloka v varjenje se zmanjša, obseg gibanja obločne točke se razširi, širina zvara se poveča in ojačitev se zmanjša. Manjši kot je kot nagiba varilne žice naprej α, bolj očiten je ta vpliv. Ko je varilna žica nagnjena nazaj, je situacija obratna. Pri varjenju z zaščitno kovino se najpogosteje uporablja metoda nagiba elektrode nazaj, pri čemer je kot nagiba α med 65° in 80° relativno primeren.
3. Nagib varjenega kosa
Nagib varjenja se v dejanski proizvodnji pogosto pojavlja in ga lahko razdelimo na varjenje navzgor in varjenje navzdol. V tem primeru se staljena kovina lonca pod vplivom gravitacije nagiba k toku navzdol po naklonu. Pri varjenju navzgor gravitacija pomaga, da se staljena kovina lonca izprazni na zadnji del staljene lonca, zato je penetracija globoka, širina zvara ozka in ojačitev visoka. Ko je kot nagiba α od 6° do 12°, je ojačitev prevelika in na obeh straneh zlahka nastanejo spodrezi. Pri varjenju navzdol ta učinek preprečuje, da bi se staljena kovina lonca izpraznila na zadnji del staljene lonca. Oblok ne more globoko segreti kovine na dnu staljene lonca, penetracija se zmanjša, območje gibanja obločne točke se razširi, širina zvara se poveča in ojačitev se zmanjša. Če je kot nagiba varjenja prevelik, bo to povzročilo nezadostno penetracijo in prelivanje staljene tekoče kovine lonca.
4. Varilni material in debelina
Preboj zvara je povezan z varilnim tokom ter s toplotno prevodnostjo in volumetrično toplotno kapaciteto materiala. Boljša kot je toplotna prevodnost materiala in večja kot je volumetrična toplotna kapaciteta, več toplote je potrebne za taljenje enote prostornine kovine in dvig temperature za enako količino. Zato se bosta pod določenimi drugimi pogoji, kot je varilni tok, globina preboja in širina zvara zmanjšala. Večja kot je gostota ali viskoznost tekočine materiala, težje je obloku izpodriniti staljeno kovino v talini in plitvejši je preboj zvara. Debelina varjenega dela vpliva na prevodnost toplote znotraj varjenega dela. Ko so drugi pogoji enaki, se z naraščanjem debeline varjenega dela poveča odvajanje toplote, zmanjšata pa se tako širina kot globina preboja.
5. Fluks, premaz elektrod in zaščitni plin
Različne sestave talilov ali premazov elektrod vodijo do različnih padcev napetosti na elektrodnih območjih obloka in različnih potencialnih gradientov v stebru obloka, kar neizogibno vpliva na nastanek zvara. Ko ima talilo nizko gostoto, veliko velikost delcev ali majhno višino zlaganja, je tlak okoli obloka nizek, steber obloka se razširi in območje gibanja obloka je veliko. Zato je penetracija majhna, širina zvara velika in ojačitev majhna. Pri varjenju debelih obdelovancev z visokomočnim obločnim varjenjem lahko uporaba talila, podobnega plovcu, zmanjša tlak obloka, zmanjša penetracijo in poveča širino zvara. Poleg tega mora imeti varilna žlindra ustrezno viskoznost in temperaturo taljenja. Če je viskoznost previsoka ali je temperatura taljenja relativno visoka, bo žlindra slabo prezračevana in na površini zvara se lahko tvorijo številne vdolbine, kar povzroči slabo oblikovanje površine zvara.
Sestava zaščitnih plinov za obločno varjenje (kot so Ar, He, N2, CO2) je različna, prav tako pa se razlikujejo tudi njihove fizikalne lastnosti, kot je toplotna prevodnost. Zaradi tega se razlikujejo padec napetosti v polarnem območju obloka in potencialni gradient stebra obloka, prevodni presek stebra obloka, sila plazemskega toka in porazdelitev specifičnega toplotnega toka. Vsi ti dejavniki vplivajo na nastanek zvarnih šivov.
Skratka, na nastanek zvara vpliva veliko dejavnikov. Za dosego dobrega zvara je treba izbrati ustrezne metode varjenja in pogoje varjenja glede na material in debelino varjenega dela, prostorski položaj zvara, obliko spoja, delovne pogoje, zahteve glede delovanja spoja in velikost zvara. Hkrati je najpomembnejši odnos varilca do varjenja! V nasprotnem primeru nastanek in delovanje zvara morda ne bosta ustrezala zahtevam, lahko pa se pojavijo tudi različne napake pri varjenju.
