SVEUĈILIŠTE JOSIPA JURJA STROSSMAYERA U OSIJEKU
STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU
ZAVRŠNI RAD
sveuĉilišnog preddiplomskog studija
Lucija Rudeţ
1311025874
Mentor završnog rada:
Prof.dr.sc Ivan Samardţić
Slavonski Brod, 2019.
I.
AUTOR
Ime i prezime: Lucija Rudeţ
Mjesto i datum roĊenja: Poţega, 28.061994.
Adresa: Eugena Podubskog 30., 34310 Pleternica
STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU
II.
ZAVRŠNI RAD
Naslov: Temperaturna polja kod elektroluĉnog zavarivanja
Naslov na engleskom jeziku: Temperature fields in electrolytic welding by melting
Kljuĉne rijeĉi: temperaturna polja, distribucija, trajanje hlaĊenja, brzina hlaĊenja, temperatura,
simulacija , dilatacija, tvrdoća
Kljuĉne rijeĉi na engleskom jeziku: temperature fields, distribution, cooling time, cooling speed,
temperature. simulation, dilatation, hardness
Broj stranica: 30, slika: 29, tablica: 4, priloga: 0, bibliografskih izvora:8
Ustanova i mjesto gdje je rad izraĊen: STROJARSKI FAKULTET U SLAVONSKOM BRODU
Steĉeni akademski naziv: Sveuĉilišni prvostupnik inţenjer strojarstva
Mentor rada: Prof.dr.sc. Ivan Samardţić
Obranjeno na Strojarskom fakultetu u Slavonskom Brodu
dana _________________
Oznaka i redni broj rada: ________________
IZJAVA
Izjavljujem da sam završni rad izradila samostalno, koristeći se vlastitim znanjem, literaturom
i provedenim eksperimentima.
U radu mi je pomagao savjetima i uputama mentor završnog rada Prof.dr.sc. Ivan Samardţić
te mu iskreno zahvaljujem.
Zahvaljujem se i asistentu Dejanu Matiću koji je bio od velike pomoći pri pretraţivanju
literature pa sve do konaĉne izrade rada.
SAŢETAK
U ovom završnom radu cilj je objasniti temperaturna polja kod elektroluĉnog zavarivanja
taljenjem. U prvom dijelu, kako bismo se uveli u samu bit rada, objašnjava se pojam zavarivanja,
elektroluĉno zavarivanje, temperaturna polja te utjecaj distribucije temperaturnih polja kod
elektroluĉnog zavarivanja.
U nastavku se opisuje toplinski ciklus, njegova maksimalna temperatura, trajanje i brzina
hlaĊenja, unešena energija te prikaz formula za proraĉun istog. Prikazan je i utjecaj na
mehaniĉka svojstva.
Na kraju rada je napravljeno termocikliranje uzoraka materijala P91 na simluatoru toplinskog
ciklusa Smitweld 1405.
ABSTRACT
The aim of this dissertation is to discuss temperature fields in electrolytic welding by melting.
Firstly, in order to understand the core of this dissertation, one needs to define welding,
electrolytic welding, temperature fields, adn finally the influence of temperature fields
distribution in electrolytic welding.
Moreover, thermal cycle and it's maximal temperature is described, as well as the duration
and swiftness of it's cooling, and inputted energy together with formula used for calculation of
the same. Furthermore, influence on the mechanical properties is presented.
Finally, thermocycling of material P91 samples is demonstrated using simulator of thermal
cycle Smitweld 1405.
SADRŢAJ
PREGLED VELIĈINA, OZNAKA I JEDINICA
1 UVOD ..................................................................................................................................... 1
1.1 TEMPERATURNO POLJE ............................................................................................. 2
1.2 DISTRIBUCIJA ZAVARENOG SPOJA......................................................................... 3
2 TOPLINSKI CIKLUS........................................................................................................... 4
2.1 MAKSIMALNA TEMPERATURA ................................................................................ 4
2.2 TRAJANJE I BRZINA HLAĐENJA ............................................................................... 5
2.3 TOPLINSKI INPUT ......................................................................................................... 6
2.4 UTJECAJ NA MEHANIĈKA SVOJSTVA .................................................................... 7
2.4.1 Problemi pri zavarivanju ........................................................................................... 7
2.5 MODELI TIJELA I MODELI IZVORA ......................................................................... 9
2.5.1 Dimenzije i oblik zavarenih dijelova ...................................................................... 10
2.6 PRIKAZ FORMULA ZA PRORAĈUN DITRIBUCIJE TEMPERATURNOG POLJA,
TRAJANJA HLAĐENJA I BRZINE HLAĐENJA.................................................................. 12
2.6.1 Prikaz matematiĉkih modela za fizikalne pojave kod zavarivanja .......................... 12
2.6.2 Pomiĉni toĉkasti izvor topline za tanku ravnu ploĉu............................................... 13
2.6.3 Pomiĉni toĉkasti izvor topline na ravnoj ploĉi ........................................................ 15
2.6.4 Pomiĉni toĉkasti izvor topline za polubeskonaĉno tijelo ........................................ 16
3 TERMOCIKLIRANJE UZORKA NA SIMULATORU TOPLINSKOG CIKLUSA .. 21
3.1 OPĆENITO O SIMULATORU SMITWELD 1405 ...................................................... 21
3.2 ĈELIK P91 ..................................................................................................................... 23
3.3 SIMULACIJA TOPLINSKOG CIKLUSA NA ĈELIKU P91 ...................................... 24
4 ZAKLJUĈAK ...................................................................................................................... 29
5 LITERATURA .................................................................................................................... 30
PREGLED VELIĈINA, OZNAKA I JEDINICA
ZT
-zona taljenja
MZ
-metal zavara
ZUT
-zona utjecaja topline
T0
- tempreatura predgrijavanja / °C
Eef
- efektivni unos topline / J/mm
U
- napon u elektriĉnom luku / V
I
- jakost struje u elektriĉnom luku / A
Η
- stupanj iskorištenja energije u elektriĉnom
luku
Δ
-debljina lima / mm
,c,,a
- fizikalna svojstva materijala
R
- radijus vektor u prostoru / mm
T
- razlika temperature u pojedinoj toĉki tijekom
ili nakon zavarivanja i poĉetne temperature
materijala (T0) / C
r
-radijus vektor u ravnini / mm
x, x0, y, y0, y1, z
- koordinantne osi / m, (mm)
A
-koeficijent toplinske difuzije /m/s-2
t8/5
-trajanje hlaĊenja / s
Tp
-maksimalna temperatura toplinskog ciklusa /
C
Ac1, Ac2, Ms, Mf
-temperature pretvorbe / C
HV
-tvrdoća po Vickersu
2, 3
-korekcijski fakstor ili faktor zasićenja
REL
-ruĉno elektroluĉno zavarivanje
MAG
-elektroluĉno zavarivanje taljenjem u aktivnom
zaštitnom plinu
MIG
-elektroluĉno zavarivanje taljivom ţicom u
zaštiti neutralnog plina
1 UVOD
Kako je poznato, zavarivanje definiramo kao spajanje dvaju ili više istorodnih ili raznorodnih
materijala, taljenjem pritiskom ili taljenjem i pritiskom, sa ili bez dodavanja dodatnog materijala,
kako bi se dobio homogeni zavareni spoj[1].
Metode su zavarivanja prema naĉinu spajanja zavarivanje taljenjem i zavarivanje pritiskom.
Zavarivanje materijala u rastaljenom stanju na mjestu spoja, sa ili bez dodatnog materijala je
zavarivanje taljenjem. Zavarivanje taljenjem dijeli se na plinsko, elektroluĉno, plazmom,
laserom, ljevaĉko, elektonskim mlazom i dr. S druge strane, zavarivanje pritiskom je zavarivanje
u ĉvrstom ili omekšanom stanju gdje se pomoću pristiska ili udarca materijali spajaju. Neka od
njih su elektrootporno, plinsko, difuzijsko i ostala.
U ovom će se završnom radu detaljno prikazati i opisati temperaturna polja u elektroluĉnom
zavarivanju taljenjem. Kako bismo se uveli u samu bit ovog završnog rada potrebno je objasniti
što je elektroluĉno zavarivanje i temperaturna polja kod zavarivanja.
Elektroluĉno zavarivanje je postupak u kojem je glavni koncentrirani izvor energije elektriĉni
luk. Elektriĉni luk nalazi se na površini zagrijavanog tijela izmeĊu vanjske elektrode (taljive i
netaljive) i zagrijanog podruĉja, što je i prikazano na slici 1.1 [2].
Slika 1.1 Električni luk kod Plazma zavarivanja [1]
1
Na slici 1.2 prikazani su svi osnovi elementi zavarenog spoja.
Slika 1.2 Elementi spoja zavarenog taljenjem [1]
1.1 TEMPERATURNO POLJE
Tempreturno polje skup je svih temperatura izmjerenih u nekom tijelu u odreĊenom trenutku
na razliĉitim toĉkama tog tijela. Temperaturno polje moţe ovisiti o poloţaju tijela ili dijela tijela
u prostoru, tj. o prostornim koordinatama (x, y, z) te o prostornim koordinatama i vremenu (x, y,
z, t). Kod zavarivanja, stacionarnim temperaturnim poljem nazivamo ono polje koje ovisi o
prostornim koordinatama (x, y, z), a nestacionarnim temperaturnim poljem (x, y, z, t) nazivamo
temperaturno polje koje ovisi o prostornim koordinatama i o vremenu.
Na slici 1.3 prikazan je elektrootporni toĉkasti zavar i porast temperature zbog kontaktnog
otpora izmeĊu radnog komada i elektrode.
Slika 1.3 Prikaz elektrootpornog točkastog zavara [3]
2
1.2 DISTRIBUCIJA ZAVARENOG SPOJA
Zbog vrlo vaţnog utjecaja na mehaniĉka svojstva te kvalitetu zavarenog spoja potrebno je
odrediti distribuciju zavarenog spoja. Isto tako, distribuciju zavarenog spoja potrebno je
determinirati kako bismo ocijenili radi li se o stacionarnom ili nestacionarnom tempreaturnom
polju. OdreĊivanje distirbucije temperaturnog polja postiţe se eksperimentalno (npr.
Termovizijska metoda, termoparovima kod realnog zavarivanja, termiĉko cikliranje...), analitiĉki
(npr. rješenja Fourierove diferencijalne jednadţbe voĊenja topline primjenjene na uobiĉajene
modele izvora toline za zavarivanje i model tijela koja se zavaruju...) te numeriĉki ( npr. Metoda
konaĉnih elemenata, Metoda konaĉnih diferencija, Metoda konaĉnih volumena ...).
Poznavanjem vrijednosti unešene energije u zavareni spoj i distribucije temperaturnog polja
pri zavarivanju moguće je odrediti brzinu hlaĊenja koja će uvjetovati odgovarajuća mehaniĉka
svojstva zavarenog spoja [3].
Slika 1.3 Prikaz distribucije temperaturnog polja na početku zavarivanja (nestacionarno
stanje) [3]
Slika 1.4 Prikaz distribucije temperaturnog polja na dovoljnoj udaljenosti od početka
zavarivanja (kvazistacionarno stanje) [3]
3
2 TOPLINSKI CIKLUS
2.1 MAKSIMALNA TEMPERATURA
Poznato je da u zavarenom spoju svaka toĉka ima svoj toplinski ciklus.
Svaka toĉka pojedinaĉno ima svoju brzinu hlaĊenja w (veću brzinu hlaĊenja imaju toĉke bliţe
središtu zavara, °C/s), odnosno trajanje hlaĊenja od 800 do 500 °C ili neko drugo trajanje
hlaĊenja (npr. od 850 do 450 °C ) [3].
Moguće je izraĉunati brzinu hlaĊenja za svaku toĉku, ali se brzina obiĉno raĉuna za kritiĉne
toĉke (npr. u ZUT-u uz liniju staljivanja sa strane lica zavara, gdje se moţe oĉekivati
maksimalna tvrdoća i poteškoće pri zavarivanju ili u eksploataciji) [3].
Brzina iznad koje nastaju nepoţeljne strukture, kao što je martenzit, naziva se kritiĉna brzina
hlaĊenja.
Toplinski ciklus toĉke prikazan je na slici 2.1.
Slika 2.1 Shematski prikaz zona zavarenog spoja izvedenog u jednom prolazu [3]
4
2.2 TRAJANJE I BRZINA HLAĐENJA
Proces promjene temperature zapoĉinje ulaskom topline u osnovni materijal prilikom
zavarivanja, kada se materijal u toĉki spajanja u relativno kratkom vremenskom razdoblju
zagrijava do i iznad fuzije. Nakon toga slijedi hlaĊenje na nedefiniranu brzinu, ĉije su posljedice,
ovisno o naĉinu hlaĊenja, tj. brzini hlaĊenja, mehaniĉka svojstva na mjestu spajanja (ĉvrstoća,
ţilavost, tvrdoća…).
Ĉesto se, zbog sloţenosti analitiĉkih rješenja za provoĊenje topline, ciklusom hlaĊenja smatra
samo trajanje hlaĊenja od 800 °C do 500 °C. Ciklus hlaĊenja ovisi o koliĉini prethodno unesene
topline, fizikalnim svojstvima materijala (λ, c, ρ, a), obliku i dimenzijama zavarenog materijala i
drugih utjecajnih varijabli [4].
Kontinurirano hlaĊenje nakon zavarivanja prikazano je na slici 2.2.
Slika 2.2 TTT dijagram kontinuiranog hlađenja niskolegiranog čelika s
1,2 %Mn, 0,67 %Ni i 0,1 %V nakon zagrijavanja na 900 C i 1300 C [3]
5
2.3 TOPLINSKI INPUT
Znaĉajan utjecaj na distribuciju temperaturnih polja ima toplinski input, odnosno unesena
energija. Unosimo ju izvorom topline po jedinici- mm duljine zavarenog spoja. Osim toga, na
distribuciju utjeĉu i brojni drugi ĉimbenici kao što su fizikalna svojstva materijala, oblik i
dimenzije radnog komada, postupak zavarivanja.
(2.1)
Pri ĉemu su [3] :
Eef – unesena energija (linijski),
U – napon u elektriĉnom luku, V
I – jakost struje u elektriĉnom luku, A
η – stupanj iskorištenja energije u elektriĉnom luku
Toplinski input ima sljedeće znaĉajke:
- ima utjecaj na brzinu zagrijavanja i hlaĊenja zavara,
- zbog povećanja brzine hlaĊenja veća će biti i tvrdoća, ĉvrstoća te sklonost hladnim
pukotinama (npr. opći konstrukcijski ĉelici),
- premala brzina hlaĊenja dovodi do loše ţilavosti i prijelazne temperature,
- u nekim sluĉajevima potrebna je velika brzina hlaĊenja (npr. austenitni visokolegirani
ĉelici),
- sporo hlaĊenje nekada uzrokuje zakaljivanje (npr. kod zavarivanja martezitnih
visokolegiranih ĉelika),
- zbog brţeg hlaĊenja nekada je dobrodošao mali unos topline (npr. kod austenitnih
visokolegiranih ĉelika),
- zbog sporog hlaĊenja i izbjegavanja hladnih pukotina nekada je dobrodošao veći unos
topline (npr. niskougljiĉni nelegirani ĉelici),
- unesenu energiju je nuţno kontorlirati.
6
2.4 UTJECAJ NA MEHANIĈKA SVOJSTVA
Mehaniĉka svojstva ĉelika pri povišenim temperaturama ovise prije svega o njihovoj
kristalnoj strukturi te o mikrostrukturi postignutoj u procesu proizvodnje. Jedan od najvaţnijih
karakteristika su krutost i ĉvrstoća. Ĉvrstoća i izrada materijala utjecu na ţilavost materijala, a o
njima ovisi i lom materijala. U ĉelicima se takoĊer odvijaju i brojni drugi procesi koji imaju
odluĉujući utjecaj na mehaniĉka svojstva i njihovu primjenu u tim uvjetima, a neki od osnovnih
promjena i procesa su:
- povećanje pokretljivosti atoma i poremećaj u kristalnoj mreţi,
- promjena koncentracije poremećaja u kristalnoj mreţi,
- rast mikrostrukture elemenata,
- oksidacija pri visokim temperaturama
- puzanje.
2.4.1 Problemi pri zavarivanju
Pri zavarivanju moţe doći do pojave nekih problema, a to su:
a) problem s prekomjerenom tvrdoćom
Nakon zavarivanja dobijemo „oĉvrsnutu“ mikrostrukturu ZUT-a, što rezultira prekomjernom
tvrdoćom. Visoka je tvrdoća materijala posljedica koja je nastala prilikom unošenja topline zbog
koje rastu kristalna zrnaca. Kako bismo smanjili tvrdoću i poboljšali ţilavost ZUT-a, potrebna je
toplinska obrada.
b) pojava pukotina
Najopasnije greške u izradi zavarenih konstrukcija su pukotine. Neke od njih su hladne i tople
pukotine. Hladne pukotine nastaju hlaĊenjem zavarenog spoja na tempareaturi ispod 200 °C, a
mogu nastati i par dana nakon zavarivanja (slika 2.3). Uzrokuju ih zaostale napetosti, koliĉina
difuzijskog vodika te sklonost materijala zakaljivanju(visok %C). Pukotine koje nastaju pri
kristalizaciji i hlaĊenju zavarenog spoja na relativno visokim temperaturama nazivamo Tople
pukotine(slika 2.4).
7
Slika 2.3 Primjer hladnih pukotina nastalih u zoni utjecaja topline [5]
Slika 2.4 Primjer tople pukotine nastale u zoni utjecaja topline [6]
c) pare i plinovi
Pare i plinovi stvaraju se iz osnovnog i dodatnog materijala. Utjecaj imaju i obloge elektrode,
zaštitni prašak te sam premaz osnovnog materijala. Neke komponente nastaju i kao posljedica
UV zraĉenja na okolinu. Prilikom nekih istraţivanja ustanovljeno je da ĉak 95 % para proizlazi
iz osnovnog materijala. Kod REL zavarivanja sastav para ovisi o vrsti elektrode, tj. sa strujom
zavarivanja i promjerom elektrode raste i koliĉina generiranih para i plinova. Smanjenje para
prilikom REL zavarivanja postiţe se povećanjem kuta nagiba elektrode i radnog komada.
Prilikom MIG zavarivanja aluminija pojavljuje se visoka reflektivnost te povećana koncentracija
ozona (O3), dok je kod MAG zavarivanja velika koliĉina CO i CO2. U prostorima gdje se vrši
zavarivanje potrebna je lokalna i opća ventilacija, a u nekim teţim sluĉajevima i aparati za
disanje [7].
8
2.5 MODELI TIJELA I MODELI IZVORA
Uz toplinska i fizikalna svojstva materijala te uvjete prijalaza topline u okolinu, glavni su
utjecajni faktori toplinske ekspanzije pri zavarivanju oblik tijela i oblik izvora topline. Budući da
nije obuhvaćena promjena fizikalnih svojstava materijala ovisno o temperaturi, u ovom radu
matematiĉi modeli za odreĊivanje temepraturnih polja pri zvarivanju dobiveni su uz
pretpostavku primjene pojednostavljenih oblika tijela i izvora.
Dimenzije i oblik zavarenih dijelova[2]:
- polubeskonaĉni,
- ravni sloj,
- tanki lim,
- šipka
Vrste izvora topline:
a) Prema karakteru raspodjele energije u prostoru :
- toĉkasti,
- linijski,
- plošni,
- volumenski;
b) Prema vremenskom djelovanju:
- trenutni,
- trajni,
- impulsni .
9
2.5.1 Dimenzije i oblik zavarenih dijelova
Oblici tijela koji se u praksi pojavljuju u raznim kombinacijama uglavnom se svode na neke
od sljedećih modela:
a) Dimenzije polubeskonaĉnog tijela u smjerovima Ox, Oy i Oz su dovoljno velike te se
pretpostavljaju kao beskonaĉne. Tok topline, odnosno voĊenje topline je trodimenzionalan.
(λx=λy=λz=const.)
Slika 2.5 Pojednostavljeni model vođenja topline pri zavarivanju [2]
b) Ravni sloj proteţe se u smjeru Ox i Oy neograniĉeno, dok se s konaĉnom dimenzijom lima δ
raĉuna u smjeru Oz. VoĊenje je topline trodimenzionalno, a temperature nisu jednake po debljini
lima. (λx=λy≠λz)
Slika 2.6 Pojednostavljeni model vođenja topline pri zavarivanju [2]
10
c) Za tanki se lim pretpostavlja da je po debljini lima temperatura ista. Raspored temperaturnog
polja isti je s jedne i s druge strane lima. (λx=λy, λz=∞). VoĊenje topline je dvodimenzionalno.
Takav raspored temperatura dobije se kod jednostranog zavarivanja u jednom prolazu ili kod
suĉeonog zavarivanja tankih limova.
Slika 2.7 Pojednostavljeni model vođenja topline pri zavarivanju [2]
d) Šipka je izduţeno tijelo s izjednaĉenim temperaturama u svakom popreĉnom presjeku u
smjeru x, koji predstavljaju linearni tok topline u poduţnom smjeru. (λx=const., λy=∞, λz=∞).
Slika 2.8 Pojednostavljeni model vođenja topline pri zavarivanju [2]
11
2.6 PRIKAZ FORMULA ZA PRORAĈUN DITRIBUCIJE TEMPERATURNOG
POLJA, TRAJANJA HLAĐENJA I BRZINE HLAĐENJA
2.6.1 Prikaz matematiĉkih modela za fizikalne pojave kod zavarivanja
Modeli koji opisuju djelovanje trenutnih i pomiĉnih izvora topline na pojedine modele tijela
koji se zavariju izvedeni su od univerzalne diferencijalne jednadţbe(2.2).
(
)
(2.2)
gdje je [4]:
a - koeficijent toplinske difuzije,
Jednadţba (2.2) pripada homogenim linearnim jednadţbama II reda paraboliĉnog oblika, a ona
predstavlja povezanost izmeĊu brzine promjene temperature neke toĉke i rasporeda temperature
u okolini te toĉke.
Djeluje li neki izvor topline F(x,y,z,t) na radni predmet te ako u isto vrijeme dolazi i do
prijelaza topline s metalnog predmeta na okolinu, jednadţba provoĊenja topline (2.3) imat će
sljedeći oblik:
(
(
)
)
(2.3)
gdje su [4]:
c, ,  - fizikalna svojstva materijala
b - koeficijent inteziteta pada temperature zbog odvoĊenja topline s tijela na okoliš, s-1
Rješenja za hlaĊenje pod djelovanjem fiksiranog (nepokretnog) trenutnog izvora topline za
uobiĉajene kombinacije oblika i oblika fiksiranog izvora topline dobivena su rješavanjem
jednadţbe (2.2).
Plošni izvor u beskonaĉnoj šipci:
(
)
(
√
(2.4)
)
Linijski izvor u beskonaĉnom limu:
(
)
(
√
)
(
)
(2.5)
(
)
(2.6)
Toĉkasti izvor u beskonaĉnom tijelu:
(
)
(
√
)
12
Pomiĉni izvori topline odreĊene snage i brzine kretanja najĉešće se koriste kod zavarivanja. Uz
pretpostavku da je koordinantni sustav pokretan te da mu je središte izvora topline uvijek
ishodište, mogu se izvesti pojednostavljeni izrazi koji daju opis djelovanja pokretnih izvora
topline na uobiĉajene modele tijela pri zavarivanju.
U nastavku ćemo prikazati klasifikaciju uobiĉajenih modela tijela i modela pokrenih izvora
topline za zavarivanje te naĉin proraĉuna nestacionarnog temperaturnog polja za uobiĉajene
modele tijela i pokretne toplinske izvore uz pomoć jednadţbi za kvazistacionarno temperaturno
polje i korekcijskog vremensko-prostornog ĉlana.
2.6.2 Pomiĉni toĉkasti izvor topline za tanku ravnu ploĉu
Jednadţba (2.7) opisuje djelovanje posmiĉnog linijskog izvora topline na tanki ravni sloj u
pokretnom koordinantnom sustavu:
(
)
(
)
[
√(
)
(
)]
(2.7)
Na poĉetku zavarivanja polje je nestacionarno, odnosno dolazi do postupnog toplinskog
zasićenja – uravnoteţenja izmeĊu koliĉine dovedene i odvedene topline te se nakon izvjesnog
vremena uspostavlja pretpostavljeno kvazistacionarno temperaturno polje. Za postizanje
stacionarnog stanja teorijski bi bilo potrebno beskonaĉno dugo vrijeme.
Primjer kvazistacionarnog temperaturnog polja (faktor zasićenja 2 = 1) nastalog uslijed
djelovanja pokretnog linijskog izvora topline energijom q/v = 4184 J/mm (v=1 mm/s) na tankom
ravnom limu prikazan je na slici 2.9.
13
Slika 2.9 Kvazistacionarno temperaturno polje nastalo djelovanjem pomičnog linijskog izvora
topline OO', po tankom limu debljine 10 mm u smjeru osi x. (q/v=4184 J/mm; a=10 mm2/s;
=0,042 W/mm C; b=0,0028 1/s i =33,4 10-6 J/mm2s C)[4]
( a- prostorni prikaz razdiobe temperaturnog polja (x=­70 mm do 20 mm sa korakom 3 mm, y=15 mm do 15 mm sa korakom 1 mm, b- izoterme na površini ploĉe u ravnini xy i krivulja
maksimalnih temperatura (crtkano), c- razdioba temperature u ravnini xz, za vrijednosti y=const.,
d- razdioba temperature u ravnini yz, za vrijednosti x=const.)
14
2.6.3 Pomiĉni toĉkasti izvor topline na ravnoj ploĉi
(
)
{
(
)
(
)
∑
(
)
[
√(
)
(
) ]}
(2.8)
Primjer kvazistacionarnog temperaturnog polja (faktor zasićenja 3=1) nastalog uslijed
djelovanja pomiĉnog toĉkastog izvora energijom q/v=4184 J/mm (v=1 mm/s) na ravni sloj
debljine 20 mm prikazan je na slici 2.10.
Slika 2.10 Kvazistacionarno temperaturno polje nastalo djelovanjem točkastog izvora
topline brzinom v na ravni sloj debljine 20 mm u smjeru osi x (q / v = 4184 J/mm,  =20 mm,
a =10 mm2/s,  =0,042 W/mm C) [4]
(a- izoterme i krivulje maksimalnih temperatura na gornjoj (z=0) - pune izoterme i donjoj (z=) crtkane izoterme, površini lima, b- izoterme u uzduţnom presjeku xOz, c- izoterme i linije
toplinskog toka u popreĉnom presjeku yOz)
15
2.6.4 Pomiĉni toĉkasti izvor topline za polubeskonaĉno tijelo
Jednadţba (2.9) daje opis djelovanja pomiĉnog toĉkastog izvora na polubeskonaĉno tijelo:
(
)
*
(
)
+
(2.9)
Primjer kvazistacionarnog temperaturnog polja nastalog uslijed djelovanja pomiĉnog
toĉkastog izvora energije q / v = 4184 J/mm (v =1 mm/s) na ravni sloj debljine 20 mm prikazan
je na slici 2.11.
Slika 2.11 Kvazistacionarno temperaturno polje nastalo djelovanjem točkastog izvora topline
na polubeskonačno tijelo u smjeru osi x. (q/v = 4184 J/mm; a =10 mm2/s;  =0,042 W/mm

C)[4]
(a- prostorni prikaz razdiobe temperaturnog polja na z=10 mm ispod površine lima, b- izoterme
na površini u ravninama y=const., (xOz), c- razdioba temperature u ravninama x=const., (yOz),
d- razdioba temperature u ravnini xOy i krivulja maksimalnih temperatura (crtkano), e- izoterme
i linije toplinskog toka u ravnini yOz (x=0))
16
Veliĉine 2 i 3 u navedenim jednadţbama predstavljaju korekcijske faktore ili faktore
toplinskog zasićenja, dok funkcije temperaturnog polja predstavljaju njihova rješenja.
Ukoliko bi se radilo o sluĉajevima zavarivanja brzopomiĉnim i visokouĉinskim toplinskim
izvorima, moguće je i daljnje pojednostavljenje ovih jednadţbi, tj. ukoliko bi brzina gibanja
toplinskog izvora teţila u beskonaĉnost, ali tako da omjer q/v ostane stalan (v, q).
Temperaturni su gradijenti u tim sluĉajevima znatno veći u smjeru osi y i z negoli u smjeru
gibanja toplinskog izvora, odnosno osi x.
S obzirom na jednadţbe (2.7, 2.8 i 2.9 ) i, dodatno, zanemarivanje rasipanja topline prema
okolišu, ta ĉinjenica bitno pojednostavljuje oblik rješenja pa one poprimaju jednostavnije oblike.
Za sluĉaj zavarivanja brzopomiĉnim visokouĉinskim izvorom ravne tanke ploĉe (2D) vrijedi
jednadţba(2.10) te slika (2.12):
(
)
(
√
)
(2.10)
Slika 2.12 Pojednostavljeni 2D model. Prikaz brzopokretnog linijskog izvora topline koji
prelazi u površinski, gdje su izoterme pravci tj. pravokutnici [3]
S druge strane, rješenje za graniĉno stanje širenja topline kod jednostrano graniĉnog tijela
(3D) prikazano jednadţbom(2.11) i slikom(2.13):
(
)
(
)
(2.11)
17
Slika 2.13 Pojednostavljeni 3D model. Prikaz brzopokretnog točkastog izvora na površini
debelog tijela koji prelazi u linijski. Izoterme polucilindri. [3]
Za vrijeme t u jednadţbama (2.10) i (2.11) uzima se ono vrijeme u kojem toplinski izvor prolazi
ravninom u kojoj se nalazi i toĉka za koju raĉunamo temperaturu.
U standardu SEW, kao i u literaturnim izvorima, u temperaturnom intervalu od 800 do 500 C
(t8/5) jednadţbe (2.10) i (2.11) su prilagoĊene praktiĉnom raĉunanju vremena hlaĊenja
zavarenog spoja.
U sljedećim su jednadţbama u obzir uzete pribliţne varijacije fizikalnih svojstava (,  i c) za
ĉelike povišene ĉvrstoće u temperaturnom intervalu 800 do 500 C i tako je za pojednostavljeni
2D model dobivena jednadţba (2.12).
( )
*(
)
(
) +
(2.12)
Ova jednadţba proizlazi iz jednadţbe (2.10), tako da se za sredinu zavara y=0, odnosno r =0
riješe jednadţbe po t za T =500 C te se odbije vrijednost za T =800 C.
Za 3D model t8/5 izraĉunava se jednadţbom (2.13):
[(
)
(
)]
(2.13)
18
Pri temperaturi T prikazane su brzine hlaĊenja u izrazima (2.14) za 2D model voĊenja topline
i za (2.15) 3D model.
(
)
(2.14)
( )
(
)
(2.15)
Pribliţna inverzna vrijednost vrijeme hlaĊenja t8/5 korsiti se umjesto brzine hlaĊenja.
Za raĉunanje unešene energije (toplinskog inputa) izvedene su jednadţbe iz jednadţbi (2.12) i
(2.13) za 2D (jednadţba 2.16) i 3D (jednadţba 2.17) model:
√
(
)
(
(2.16)
)
(2.17)
Rješavanjem jednadţbi (2.16) i (2.17) pomoću kojih se dobije graniĉna debljina i rješavanjem
po varijabli “” , odreĊuje se model voĊenja topline. Tako se dobije jednadţba (2.18) za
graniĉnu debljinu gr:
√
(
)
(2.18)
Kada je  > gr upotrebljava se jednadţba (2.16) za 2D voĊenje topline, a ako je   gr
upotrebljava se jednadţba (2.17) za 3D voĊenje topline.
Za razliĉite oblike zavarenih spojeva uvoĊenje faktora odvoĊenja topline predstavlja
poboljšanje jednadţbi za raĉunanje trajanja hlaĊenja t8/5 (2.12) i (2.13) te jednadţbi za
raĉunanje unesene energije (2.16) i (2.17).
19
Utjecajne veliĉine kod ovih razgraĊenih modela su [4] :
T0 – tempreatura predgrijavanja, °C
- efektivni unos topline, J/mm,
,W
δ – debljina lima, mm
,c,,a - fizikalna svojstva materijala (u gornjim jednadţbama uvrštene su srednje
vrijednosti za temperaturni interval od 800-500 C)
R – radijus vektor u prostoru
T – razlika temperature u pojedinoj toĉki tijekom ili nakon zavarivanja i poĉetne
temperature materijala (T0) C.
r – radijus vektor u ravnini, mm
x, x0, y, y0, y1, z – koordinantne osi, m, (mm)
 - koeficijent iskorištenja topline elektriĉnog luka.
20
3 TERMOCIKLIRANJE UZORKA NA SIMULATORU TOPLINSKOG CIKLUSA
3.1 OPĆENITO O SIMULATORU SMITWELD 1405
Za široko podruĉje metalurških ispitivanja vezanih za zavarivanje i toplinsku obradu koristi se
simulator za simulaciju topline Smitweld 1405. Simulator toplinskog ciklusa sastoji se od dvaju
osnovnih sustava, a to su sustav za zagrijavanje i hlaĊenje te upravljaĉki sustav. Ostvarivanje
odabranog vremena hlaĊenja u uskim granicama omogućuje sustav za zagrijavanje i hlaĊenje.
UsporeĊivanje izlaza termo-para na epruveti sa zadanim temperatura-vrijeme ciklusom jedna je
od najvaţnijih funkcija upravljaĉkog sustava. Stimulator je upravljan raĉunalom, što omogućuje
promjene u ciklusu temperatura-vrijeme u realnim uvjetima. Ograniĉenja su maksimalna snaga
ureĊaja i maksimalna vrijednost brzine hlaĊenja. Na ureĊaju je moguća stimulacija toplinskog
ciklusa u zaštitnoj atmosferi (argon, helij i dr.).
Simulator toplinskog ciklusa TCS 1405 Smitweld u kojem se provodi zagrijavanje i hlaĊenje
epruvete prikazan je na slici (3.1). Za hlaĊenje koristimo prikljuĉak na vodovodnu mreţu, a
moţe se koristiti i voda slabije kvalitete [8].
Slika 3.1 Simulator toplinskog ciklusa zavarivanja Smitweld TCS 1405
21
Slika 3.2 Simulator toplinskog ciklusa zavarivanja Smitweld TCS 1405 s uzorcima prije i
nakon simulacije toplinskog ciklusa zavarivanja
Kod Smitweld TCS 1405 metode za simulaciju toplinskog ciklusa postoje razliĉite dimenzije
uzoraka. Postoji uzorak za indirektno hlaĊenje (slika 3.3) te uzorak u sluĉaju indirektnog i
dodatnog direktnog hlaĊenja vodom (slika 3.4).
Upotrijebljeno hlaĊenje odabire se zavisno o zadanom vremenu hlaĊenja. Kod većih brzina
hlaĊenja, tj. za kraće vrijeme hlaĊenja, primjenjuje se direktno i indirektno hlaĊenje zajedno.
Indirektno hlaĊenje ostvaruje se hlaĊenjem ĉeljusti elektroda s vodom, dok direktno hlaĊenje
ostvarujemo kroz prethodno izbušenih provrta s oba ĉela epruvete.
Slika 3.3 Dimenzije epruvete za ispitivanje na simulatoru za indirektno hlađenje
22
Slika 3.4 Dimenzije epruvete za ispitivanje na simulatoru za indirektn i direktno hlađenje
3.2 KARAKTERISTIKE ĈELIKA P91
Za ispitivanje tiplinskog ciklusa korstit ćemo ĉelik P91 X10CrMo9-1, nehrĊajući feritni ĉelik
koji omogućava rad na temperaturama višim od 580 °C. Ĉelik P91 korsiti se kod izgradnje
zahtjevnih energetskih postrojenja, kao što su kotlovi u termoelektranama. Materijal odgovara
visokim standardima ĉvrstoće i otporan je na puzanje, a još vaţniju ulogu ima njegova toplinska
obrada. Toplinska obrada ima utjecaj na mikrostrukturu koja odrţava visoku otpornost na
pucanje. U tablici (3.1) prikazana su kemijska svojstva ĉelika P91, dok su u tablici (3.2)
prikazana mehaniĉka svojstva.
Tablica 3.1 Kemijski sastav čelika P91(X10CrMo9-1)
C, %
0,08-0,12
Nb/Cb, %
0,06-0,1
Si, %
0,2-0,5
Al, %
0,04
Mn, %
0,3-0,6
N, %
0,03-0,07
P, %
0,02
Cr, %
8-9,5
S, %
0,01
V, %
0,18-0,25
Tablica 3.2 Mehaniĉka svojstva ĉelika P91 (X10CrMo9-1)
Tečenje
materijala
Rp0,2 /MPa
450
Vlačna
Žilavost Istezanje
čvrstoća
Rm/MPa (KV/KU)/J
A/%
>620
>41
19
23
3.3 SIMULACIJA TOPLINSKOG CIKLUSA NA ĈELIKU P91
Podruĉja mikrostrukture koja su najkarakteristiĉnija za ZUT su: grubozrnati, finozrnati,
rekristalizirani i djelomiĉno rekristalizirani dio ZUT-a. Pri toplinskoj obradi korištena su ĉetiri
razliĉita analitiĉka uzorka te se sa svakim od njih stimuliralo jedno od podruĉja ZUT-a. Uzorci
su obraĊeni na odgovarajuće dimenzije za daljnje mjerenje tvrdoće, od kojih će dvadeset njih biti
za toplinsku obradu na 740 °C i dvadeset za toplinsku obradu na 800 °C. Uzorci su testirani u
ĉetiri skupine na 1350 °C, 1100 °C, 950 °C i 860 °C.
Nakon postavljanja termopara na uzorak, uzorak se umetne izmeĊu ĉeljusti i priĉvrsti s dva
vijka. Ţeljena temperatura postavlja se na raĉunalu, a tako i ostali potrebni parametri. Termopar
se spaja sa Smitweld ureĊajem te se dilatometar pribliţi ispitnom komadu. Kada se graf poĉne
pojavljivati na monitoru, slijedi linearno povećanje temperature do 200 °C (predgrijavanje).
Temperatura Tp doseţe maksimum, nakon ĉega se ukljuĉuje hlaĊenje. Isti postupak se ponavlja
za sve uzorke.
Grafiĉki prikaz krivulje dilatacije koja je povezana sa simulatorom toplinskog ciklusa
zavarivanja prikazan je na slici (3.5).
Slika 3.5 Prikaz toplinskog utjecaja krivulje zavarivanja i dilatacije
24
U nastavku su prikazani grafiĉki prikazi krivulja toplinskog ciklusa i dilatacije. Na slici 3.6
prikazana je krivulja toplinskog ciklusa za finozrnatu strukturu ZUT-a, dok je slika 3.7 prikaz
dilatacije. U grafovima Tp oznaĉava maksimalnu temperaturu toplinskog ciklusa, a Ac1, Ac2, Ms,
Mf temperature pretvorbe.
Slika 3.6 Prikaz toplinskog ciklusa zavarivanja i maksimalne temperature Tp=1100 °C za
finozrnati ZUT
1400
1200
Ac3
T (°C)
1000
800
Ac1
600
MS
400
200
MF
0
0
50
100
150
200
t (s)
250
Slika 3.7 Prikaz dilatacijskih temperatura pretvorbe; Ac3=931,8 °C, Ac1=898,7 °C ,
MS=393,9 °C, MF=307,1 °C
25
Krivulja toplinskog ciklusa i dilatacije za grubozrnatu strukturu ZUT-a prikazana je na slici 3.8.
Slika 3.8 Prikaz toplinskog ciklusa zavarivanja i promjene temperature za grubozrnati ZUT,
Tp=1350 °C
Za rekritaliziranu strukturu ZUT-a krivulja toplinskog ciklusa i dilatacije prikazana je na slici
3.9.
Slika 3.9 Prikaz toplinskog ciklusa zavarivanja i promjene temperature za grubozrnat ZUT,
Tp=950 °C
26
Dok je krivulja toplinskog ciklusa i dilatacije za djelomiĉno rekristaliziranu strukturu ZUT-a
prikazana je na slici 3.10.
Slika 3.10 Prikaz toplinskog ciklusa zavarivanja i promjene temperature za grubozrnati ZUT,
Tp=875 °C
Utjecaj toplinskog ciklusa prilikom zavarivanja uzrokuje promjene mikrostrukture i pojavu
unutarnjih naprezanja. Uz pomoć toplinske obrade nakon zavarivanja, smanjuju se ili uklanjanju
unutarnja naprezanja te se oslobaĊa martenzit. Toplinskom se obradom postiţe i dobar raspored
karbida po mikrostrukturi, što omogućuje veću otpornost pojedinih dijelova ZUT-a i otpornost
na puzanje. Nakon toplinske obrade primjernjuju se postupci dotjerivanja materijala sa svrhom
mjerenja tvrdoće i gledanja mikrostrukture pod mikroskopom. Uzorak se brusi i polira s ciljem
postizanja glatke i svjetlije površine.
Na slici 3.12 je prikaz mikrostrukture osnovnog materijala P91. Tvrdoća se mjeri na Tvrdomjeru
pomoću Vickers metode (HV10). Tvrdoća se mjeri prije i nakon toplinske obrade. Razlike u
tvrdoćama nakon zavarivanja i nakon toplinske obrade pri 740 °C i 800 °C prikazane su u
tablicama 3.3 i 3.4.
Slika 3.11 Prikaz mikrostrukture osnovnog materijala P91(uvećana 1000x)
27
Tablica 3.3 Prikaz pada tvrodoće zavarenog spoja nakon toplinske obrade na 800 °C/ 0,5h
Tvrdoća u
zavarenom stanju, HV
Grubozrnati ZUT
Finozrnati ZUT
Rekristalizirani ZUT
Djelomično
rekristalizirani ZUT
Tvrdoća nakon TO pri
800°C/ 0,5h, HV
462
466
390
254
223
224
235
213
Razlika
između
tvrdoća,%
45
52
42
9
Tablica 3.4 Prikaz pada tvrodoće zavarenog spoja nakon toplinske obrade na 740 °C/ 4h
Tvrdoćau
zavarenom stanju, HV
Grubozrnati ZUT
Finozrnati ZUT
Rekristalizirani ZUT
Djelomično
rekristalizirani ZUT
Tvrdoća nakon TO pri
740°C/ 4h, HV
462
466
390
292
237
236
235
223
Razlika
između
tvrdoća,%
37
49
39
5
28
4 ZAKLJUĈAK
U završnom radu prikazana su temperaturna polja kod elektroluĉnog zavarivanja.
Elektroluĉno zavarivanje, temperaturna polja i utjecaj distribucije temperaturnih polja kod
elektroluĉnog zavarivanja opisani su općenito u uvodnom dijelu završnog rada.
Nadalje, u drugom se dijelu opisuje toplinski ciklus. Vaţno je napomeniti kako u zavarenom
spoju svaka toĉa ima svoj toplinski ciklus, a tako svaka ta toĉka ima svoju brzinu hlaĊenja koja
se najĉešće raĉuna za kritiĉne toĉke. O brzini hlaĊenja ovise i mehaniĉka svojstva na mjestu
spajanja spoja. Ustanovljeno je da se ĉesto zbog sloţenosti analitiĉkih rješenja za trajanje
hlaĊenja uzima 800 °C do 500 °C. Neki od utjecaja na ciklus hlaĊenja su prethodno unesena
toplina, fizikalna svojstva materijala te oblik i dimenzija zavarenog spoja.
U radu je provedeno termocikliranje uzoraka materijala P91 na simulatoru toplinskog ciklusa
Smitweld 1405. Upotrebom simulatora dobili smo grafiĉke prikaze krivulja toplinskog ciklusa i
dilatacije. Mjerenjem tvrdoće nakon zavarivanja uoĉili smo da je ona i dalje previsoka pa je zbog
toga materijal krhak, ima nepovoljnu mikrostrukturu i loša mehaniĉka svojstva. Kako je tvrdoća
nakon zavarivanja i dalje previsoka, eliminirana je toplinskom obradom. Mjerenje tvrdoće
izvedeno je po Vickersu. Prilikom usporeĊivanja tvrdoća nakon zavarivanja i nakon toplinske
obrade na 740 °C i 800 °C utvrĊeno je da tvrdoća opada pri višoj temperaturi 800 °C i za vrlo
kratko vrijeme ispod minimalne vrijednosti, dok na niţoj temperaturi 740 °C tvrdoća i nakon
duţeg vremena premašuje maksimalno dopuštene vrijednosti, odnosno 250HV.
29
5 LITERATURA
[1] Samardţić, Ivan: Proizvodni postupci III- dio zavarivanje, Slavonski Brod; Strojarski
fakultet u Slavonskom Brodu, 2018. /2019. ( 24.4.2019. )
[2] Lukaĉević, Zvonimir: Zavarivanje, Slavonski Brod; Strojarski fakultet, 1998., 28-5 str.
(24.4.2019.)
[3] Samardţić, Ivan: Proizvodni postupci III- Temperaturna polja, Slavonski Brod;
Strojarski fakultet u Slavonskom Brodu, 2018. /2019. (10.5.2019.)
[4] Javor, Franjo: Reparaturna zavarivanja u praksi, Hrvatsko društvo za tehniku
zavarivanja, Zagreb; 2019., 160 str. (10.5.2019.)
[5] Hrivnjak, Ivan: Zavarljivost čelika, GraĊevinska knjiga, Beograd; 1998., 232 str.
(10.5.2019.)
[6] URL: https://www.corrosionpedia.com/definition/634/hot-cracking, dostupno 15.5.2019.
[7] URL: http://www.ram-rijeka.com/c/1123/Opasnosti-i-zastita-na-radu-pri-zavarivanju--Ram-Rijeka.wshtml, dostupno 10.6.2019.
[8] DunĊer, Marko: Samardţić, Ivan: Kolumbić, Zvonimir: Pranić, Ante: Ispitivanje
zavarljivosti čelika na simulatoru toplinskog ciklusa, MeĊunarodno znanstveno-struĉno
savjetovanje, Slavonski Brod; 2009., 35-42 str. (15.6.2019.)
30