8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ PRIPREMA KRAJEVA LIMOVA I CIJEVI PRIJE ZAVARIVANJA ELEKTROLUČNIM POSTUPKOM Oblik spoja, postupci pripreme Josip Vukšić, Marinko Grbin inž METALVAR d.o.o., 10000 Zagreb, Radnička cesta 27 Tel: 01/600 57 03 Fax: 01/606 22 90 E-mail: metalvar@metalvar.hr Sažetak: U radu je opisana priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom, kroz opis oblika spojeva, tehnologija, alata koji se primjenjuju Ključne riječi: priprema spoja, skošavanje, glodanje, plinsko rezanje _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 1. UVOD 1.1.Što je priprema spoja i zašto se radi Od kraja 19.stoljeća kad se počinje istraživati električni luk i elektrolučni postupak zavarivanja svi elementi tog tehnološkog procesa stalno se proučavaju i unapređuju.Oblik i dimenzije rubnih dijelova osnovnog materijala –žlijeba u koji se unosi dodatni materijal jedan je od faktora koji utječe na kvalitetu zavara i ekonomičnost proizvodnog procesa. Usavršavanjem oblika i dimenzija žlijeba izbjegavaju se greške u zavaru, postiže se bolja kvaliteta spoja, smanjuje potrošnja dodatnog materijala i utroška radnog vremana. Uz ispunjavanje zahtjeva na zavareni spoj moguća je fleksibilnost u odabiru oblika spoja ovisno o vlastitim mogućnostima obrade, kao i o ekonomičnosti tehnološkog rješenja. 1.2.Oblik zavarenog spoja Osnovni pojmovi i terminologija koji se odnose na pripremljeni žlijeb definirani su standardima. Slika1.2.1.Nazivi dijelova žlijeba u zavarivanju 1. stranica žlijeba 2. korijen žlijeba 3. oštri korijen žlijeba 4. zatupljeni korijen žlijeba 5. zračnost (razmak) u korijenu žlijeba 6. zatupljenje korijena žlijeba 7. otvor žlijeba 8. širina otvora žlijeba 9. kut otvora žlijeba 10.kut zakošenja žlijeba Izbor oblika zavarenog spoja za zavarivanje ovisi o nizu čimbenika, od kojih su najvažniji debljina i vrsta materijala, položaj i postupak zavarivanja, te vrsta spoja. Tri su osnovne skupine zavarenih spojeva: sučeljeni, kutni i naliježući.Na donjoj slici prikazani su najčešći spojevi gdje se obrađuju kosine prije zavarivanja. Slika 1.2.2. Oblici najčešće korištenih žljebova _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 1.3.Priprema obzirom na tehnologiju zavarivanja i osnovni materijal I-spoj zavaren s jedne ili s obje strane primjenjuje se kod TIG i MIG zavarivanja tankih materijala do 5mm, iznimno kod MAG zavarivanja i za debljine do 8mm, a kod EPP i elektroplinskog zavarivanja pod šljakom uz primjenu papučai do 20mm. Slika 1.3.1. I-spojSlika 1.3.2. V-spoj V-spoj zavaren s jedne ili obje strane primjenjuje se za debljine materijala 6-16 mm, uglavnom za MIG/MAG zavarivanje i za EPP postupak na debljinama materijala do 20 mm. To je najčešći oblik pripreme za zavarivanje na podloškama. Y-spoj je specijalni oblik V-spoja koji se primjenjuje tamo gdje je nemoguće zavarivanje s druge strane, na pr. u cijevima i zatvorenim posudama. Rub se u korijenu tupo oblikuje, sa razmakom, te se prvo zavaruje korijen, a zatim popuna, često u kombinaciji TIG i MIG/MAG postupka. Slika 1.3.3. Y-spojSlika 1.3.4. X-spoj i asimetrični X-spoj X-spoj se primjenjuje za deblje materijale (16-40mm). U zavarivanju bakra primjenjuje se već kod debljina 8mm i više. U zavarivanju aluminija primjena je slična kao kod čelika. Zavaruje se s jedne i druge strane s provarivanjem korijena zavara ili žljebljenjm korjena. U određenim slučajevima, kad je s jedne strane otežano zavarivanje, upotrebljava se asimetrični X-spoj. Plići žlijeb, oko 1/3 debljine materijala, priprema se na strani gdje je otežan pristup. Kod pripreme spoja za zavarivanje u zidnom položaju često se upotrebljava X-spoj s različitim nagibom stranica otvora žlijeba. Donja stranica je zatvorenija radi pridržavanja taline kod zavarivanja u tom položaju. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ U-spoj i dvostruki U-spoj primjenjuju se za najdeblje materijale kad se zahtijeva besprijekorna izvedba zavara. U-spoj često se primjenjuje kod sučeljenog zavarivanja cijevi debljine stijenke 16mm iviše. Slika 1.3.5. U-spoj Slika 1.3.6. Dvostruki U-spoj Kutni spojevi oblikuju se zavarivanjem dvaju dijelova sastavljenih pod određenim kutem, konačan oblik ovisi o traženoj kvalitetu spoja, te o zahtjevu na provar, tipični oblici su K-spoj, 1/2 V-spoj, J-spoj. Slika 1.3.7.Kutni spojevi: Kutni spoj, K-spoj, ½ V-spoj i J-spoj Osim navedenih jednostavnih oblika pripreme spoja pojavljuju se i vrlo složeni oblici, kao što je priprema spoja cijevnih prodora, holand profila, osovina itd. Slika 1.3.8. Cijevni prodori _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 1.4. Utjecaj loše pripreme na kvalitetu zavara Loša priprema spoja za zavarivanje ima znatan utjecaj na kvalitetu i konačnu cijenu izvedenog zavarenog spoja. U nastavku su navedene osnovne i najčešće greške s posljedicama: -Nejednolik zazor u korijenu nosi grešku u provarivanju korijena ili procurivanje taline -Loša kvaliteta reza kod ručnog plinskog rezanja može stvoriti džepove u kojima šljaka ostane zarobljena -Nejednolik oblik žlijeba kod automatskih i mehaniziranih zavarivanja daje uz konstantnu brzinu zavarivanja nejednolik zavar. Na mjestima gdje je žlijeb preuzak ostaje nadvišenje, suprotno, posljedica preširokog žlijeba je prenizak zavar. Problem kod ručnog zavarivanja nije izražen jer zavarivač brzinom povlačenja kompenzira nejednolik oblik, ali veća je mogućnost greške. Svako odstupanje izvedene geometrije žlijeba od zadane traži veći utrošak dodatnog materijala, više radnog vremena. Nejednolik oblik žlijeba je najčešći uzrok grešaka u vezivanju i nalijepljivanja kod MIG/MAG zavarivanja. 2. POSTUPCI PRIPREME ZAVARENOG SPOJA Priprema žlijeba zavarenog spoja može se izvoditi različitim postupcima rezanja ili mehaničkom obradom, pri čemu sredstvo, odnosno alat kojim se provodi postupak može biti vođen ručno ili mehanički, kod visokih tehničkih zahtjeva na pripremu stranice se strojno obrađuju ili se postupak robotizira. Rezanje se najčešće u praksi provodi plinskim plamenom, lukom plazme, laserskim snopom, ugljenom elektrodom. Kad je to moguće, gorionik se već u fazi rezanja zakreće pod kutem, ako to nije moguće, nakon rezanja izvodi se skošavanje stranica jednim ili više naknadnih rezova. Kod mehaničke obrade, priprema rubova izvodi se posebnim strojevima i alatima, npr. noževima, diskovima, škarama i dr., koji daju traženi oblik rubova. 2.1. Plinsko rezanje Plinsko rezanje, odnosno skošavanje može biti ručno, mehanizirano i numerički upravljano. Ručno rezanje upotrebljava se u malim radionicama i montažnim uvjetima kad nije moguće mehanizirano, niti numerički upravljano rezanje. Kao medij se obično koristi acetilen-kisik ili propan-kisik. Mehanizirano rezanje koristi plinski gorionik postavljen na vozičak motorizirano vođen po krutoj ili fleksibilnoj tračnici koja se polaže na lim ili se u prisilnim pozicijama pričvršćuje magnetima ili vakuumskim stegama. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ Slika 2.1.1. Skošavanje po fleksibilnoj vodilici na magnetima Slika 2.1.3. Adapter s dvije sapnice Slika 2.1.2. Vakuumske stege za vodilicu Slika 2.1.4. Zakretna glava na CNC stroju Za skošavanje je naročito prikladna tzv.plivajuća glava koja prati površinu lima i održava konstantnu udaljenost plamena od lima, čime se postiže konstantna geometrija žlijeba – jednolika širina stranice žlijeba i jednolika širina otvora. Ovaj način pogodan je i za rezanje kosina kod sučeljavanja limova različitih debljina. Slika 2.1.5. Plivajuća glava Slika 2.1.6. Skošavanje po vodilici u vertikalnoj ravnini Brzina postupka definirana je brzinom plinskog rezanja, optimalno 0,2-0,4 m/min, a debljina lima koji se može obraditi ovisi o dimenziji sapnice, praktično se postiže kvalitetan rez do 500mm. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 2.2. Plazma rezanje Priprema spoja za zavarivanje rezanjem lukom plazme pogodan je postupak za obojene metale koji se ne mogu obrađivati standardnim plinskim rezanjem, te u slučajevima kad se zahtjeva veća ekonomičnost, odnosno brzina. Rezanje plazma lukom višestruko je brže od plinskog rezanja, ovisno o debljini materijala i snazi plazma izvora. Maksimalna duljina stranice žlijeba ovisi o snazi plazma izvora, pa je praktično ograničenje za ekonomično korištenje plazma luka 70-100 mm. Kao i kod rezanja plazmom, skošavanje ruba plazma lukom može se raditi ručno ili nekim od mehaniziranih postupaka. Za manje zahtjevne žljebove dostatan je niži stupanj mehaniziranosti, kao što je rezanje po krutoj ili fleksibilnoj vodilici. 2.3. Postupci prema stupnju mehaniziranosti U opisu izrade pripreme spoja plinskim i plazma rezanjem spomenuto je ručno i mehanizirano rezanje, uglavnom po vodilicama. Zahtjevne pripreme zavara koje se definiraju kod cijevnih prodora ili kod spajanja profila traže i viši stupanj mehaniziranosti, govorimo o CNC uređajima i robotima koji kosine žlijeba režu integrirano u fazi rezanja. U odnosu na numeričke rezačice limova gdje lim leži na stolu, a rezanje odnosno skošavanje odvija putanjom i nagibom gorionika, rezačice cijevi i profila su znatno složenije. U proces rezanja cijevi uključena je rotacija cijevi prihvaćene i stegnute na čeonom pozicioneru, te putanja gorionika na kolicima pomičnima uzduž cijevi. Za rezanje i pripremu zavara na profilima koji nemaju kružni poprečni presjek gorionik je prihvaćen robotskom rukom, a za svaki rez profil se pristrojem postavlja u područje dosega robotske ruke. U oba slučaja može se primjenjivati postupak rezanja plinom ili plazma lukom, ovisno o tehnološkim zahtjevima. Slika 2.3.1. Stroj za rezanje cijevnih prodora _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ Slika 2.3.2. Glava stroja ze CNC rezanje prodora Slika 2.3.3. Robot za rezanje profila 2.4. Mehanička obrada 2.4.1. Brušenje Priprema kosina po krivulji na tankim materijalima najčešće se brusi ručnim alatima. Postupak je „nužno zlo“, sporo, bučno, neprecizno i ekološki štetno zbog velike količine lebdeće čelične prašine u radionici, ali zato proces koji podnosi slabo obučene operatere i jeftine alate, što zajedno daje privid nižeg koštanja proizvodnje. Slika 2.4.1. Ručna brusilica _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 2.4.2. Glodanje Glodanje je postupak obrade materijala skidanjem čestica rotacijom alata sa više jednakih oštrica koje nisu istodobno u zahvatu. Zubi glodala dolaze u zahvat s materijalom jedan za drugim. Opterećenje na zub, odnosno oštricu kontinuirano se mijenja tijekom zahvata, a strugotina je promjenjivog presjeka. Alatni strojevi za obradu odvajanjem čestica, glodanjem, nazivamo glodalice. Djelovanje stroja postiže se kombinacijom rotacionog gibanja reznih oštrica i posmičnog gibanja rotacione glave u smjeru i po krivulji glodanja. Primjena glodalica u postupku pripreme spoja za zavarivanje ima višestruke prednosti u usporedbi sa najčešćim plinskim rezanjem. Glodanje je višestruko brži proces, jedan prolaz se mjeri brzinom do 3 m/min, zbog prirode procesa nema unosa topline u materijal, a time niti zone utjecaja topline koju bi trebalo ukloniti. Nema deformacije materijala, kut skošenja je konstantan, kao i veličina zatupljenog korijena žlijeba, a zbog bržeg procesa i utrošak radnog vremena je višestruko manji. Usporedba potrošnog materijala još jednom daje glodanju prednost pred rezanjem. Predmet prikaza su glodalice za obradu rubova ploča cijevi i profila.Prema slobodi i načinu posmičnog gibanjaglodalice možemo svrstati među samohodne, ručne i stacionarne. 2.4.2.1. Samohodna glodalica - Beveler Uređaj se nalazi na podvozju, podesivom po visini, a glodanje se vrši rotacijom konusnog nožaglodala s većim brojem oštrica. Podvozje nema vlastiti pogon – nakon što se uključi pogon za rotaciju glodala koje je podešeno tako da zahvati lim, stroj se povlači po limu dok skida kosinu. Na stroju se unaprijed mehanički postave parametri koji definiraju geometriju žlijeba – kut otvora i veličinu zatupljenosti korijena ( zuba ). Mogućnosti uređaja definirane su maksimalnom debljinom lima koji čeljusti stroja mogu zahvatiti, te veličinom stranice žlijeba koju može obraditi. Za kvalitetnije uređaje te veličine su 30mm za rez na limu debljine 50mm, uz konstantnu brzinu od 3m/min. Moguće je kretanje po pravcu i po konveksnoj krivulji. Slika 2.4.2.1.1. Beveler Slika 2.4.2.1.2. Konusno glodalo Podešeno da zahvaća lim _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ Za različite čvrstoće čelika i glodala se proizvode u nekoliko čvrstoća, a jedno glodalo može ukupno obraditi 2.000-3.000 m. Nakon obrađenih 200 m glodalo se skida sa stroja i plošno izbrusi 0,2 mm; dizmenzije i oblik dozvoljavaju desetak brušenja, nakon čega se glodalo treba zamijeniti. Slika 2.4.2.1.3. Konusno glodalo 2.4.2.2. Ručni uređaji za glodanje kosina U slučajevima obrade limova tanjih od 6mm, na konveksnim krivinama, za obradu rubova otvora i slično beveler nije učinkovit. U tim slučajevima najbolje rješenje je ručna glodalica. Za skošavanje ruba pod određenim kutem odabire se rotaciona glava konusno oblikovana pod istim tim kutem, a ovisno o modelu i proizvođaču nosi nekoliko noževa. Svaki nož ima više oštrica koje se rotiraju nakon pedesetak metara glodanja. Pogon je uglavnom zračna turbina ili električni motor. Slika 2.4.2.2.1. Ručna glodalica Na rotacionu glavu za kosinu 45° na ovakvom uređaju mogu se ravni noževi zamijeniti noževima s radijalno oblikovanim oštricama, pa se umjesto pripreme zavara može raditi zaobljenje rubova. Najčešće se te pozicije obrađuju brusilicama, ali proces je nekvalitetanprelaskom brusne ploče preko ruba umjesto jedne ivice dobiju se dvije, umjesto zaobljenog radiusa imamo poligonalni oblik. Ručnom glodalicom konačno zaobljenje dobijemo jednim ravnomjernim povlačenjem stroja uz rub. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 2.4.3. Stacionarne glodalice Treća grupa glodalica su stacionarne glodalice koje su fiksirane za predmet koji obrađuju, a gibanje rezne glave kontrolirano je fiksnom putanjom po vodilici. Slika 2.4.3.1.Stacionarne glodalice za obradu rubova cijevi _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 2.5. Ekonomska usporedba pripreme zavara plinskim rezanjem i glodanjem Uspoređuje se priprema zavara plinskim rezanjem, prema glodanju ruba niskolegiranog lima dužine 6m i debljine 20mm, X-spoj pod kutem 30°, zatupljenje korjena žlijeba 2-3mm Plinsko rezanje po tračnici, Quicky, Messer: Potrebno je rezanje kosine jednim prolazom sa svake strane, dužina reza = 6m x 2 = 12 m Brzina rezanja = 0,30m/min ; utrošeno vrijeme = 12m : 0,3m/min = 40 min Cijena rada = 120 kn/sat Cijena rada za 12m = 120 kn/sat x 40 : 60 = 80 kn Cijena rada za 1m plinskog rezanja = 80 kn : 12 = 6,67 kn Plin se procjenjuje prema nekim prijašnjim pokazateljima 1kn/m za propan-butan, do 2 kn/m za acetilen Cijena plina za 1m plinskog rezanja = 1,00 kn Ukupni trošak pripreme zavara plinskim rezanjem = 7,67 kn/m Glodanje bevelerom KBM-18, Gullco: Potrebno je 2 glodanja, po 1 sa savake strane lima, ukupna dužina = 6m x 2 = 12 m Brzina glodanja = 3,0m/min ; utrošeno vrijeme = 12m : 3m/min = 4 min Cijena rada = 120 kn/sat Cijena rada za 12m = 120 kn/sat x 4 : 60 = 8 kn Cijena rada za 1m glodanja = 8 kn : 12 = 0,67 kn Cijena glodala za 1m: Cijena glodala = 2.200 kn, kapacitet 2.500 m Cijena za 1m = 2.200 kn : 2.500m = Cijena glodala za 1m glodanja = 0,88 kn Ukupni trošak pripreme zavara glodanjem = 1,55 kn/m Za veće debljine lima glodanje bi se radilo u dva prolaza, što bi cijenu takve pripreme udvostručilo. Premda se povećanjem debljine lima prednost bevelera smanjuje, usporedba je i dalje primjenjiva i na strani bevelera za debljine limova unutar njihovog radnog područja. Trošak amortizacije opreme nije uspoređivan, može se izračunati isplativost na većem obimu posla. Trošak pripremno-završnog vremena nije uspoređivan, ovisi o veličini pozicija koje se obrađuju (učestalost postavljanja vodilica kod plinskog rezanja), o obliku žlijeba ( potreba okretanja lima ako se ne radi s dva bevelera), te o potrebi naknadne obrade ( eventualna potreba brušenja nakon plinskog rezanja). Uz usporedbu svih mogućih čimbenika najveću razliku troška čini utjecaj utrošenog rada, te posredne prednosti koje se ovdje ne kalkuliraju: kvalitetnija priprema zavara, bez unosa topline, bez prašine i buke u radnom prostoru. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom 8. SEMINAR Suvremene tehnike zavarivanja i rezanja pri izradi metalnih konstrukcija ____________________________________Pula,29.11.2012____________________________________ 3. ZAKLJUČAK U svakodnevnoj praksi kod nas uobičajena je priprema spojeva prije zavarivanja brušenjem, te plinskim ili plazma rezanjem, česta je primjena plinskog rezanja po tračnici. Unatoč tehničkim i ekonomskim prednostima glodanja pred plinskim skošavanjem i brušenjem, glodalice još uvijek teško nalaze mjesto u proizvodnji kod nas. Nedostatak novih projekata i većeg obima posla osnovni je problem; cijena rada je relativizirana u odnosu na teškoće investiranja u novu opremu, pa tek insistiranje na kvaliteti potiskuje navike i dovodi do tehnološkog napretka i povećanja konkurentnosti na tržištu. _____________________________________________________________________________________ Josip Vukšić,Marinko Grbin inž Priprema krajeva limova i cijevi prije zavarivanja elektrolučnim postupkom