UNIVERZITET U NOVOM SADU FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA U NOVOM SADU Miroslav Dramićanin Uticaj aktivnog premaza na dubinu uvara pri zavarivanju nerđajućeg čelika netopljivom elektrodom u zaštiti inertnog gasa DOKTORSKA DISERTACIJA Novi Sad, 2019. УНИВЕРЗИТЕТ У НОВОМ САДУ ⚫ ФАКУЛТЕТ ТЕХНИЧКИХ НАУКА 21000 НОВИ САД, Трг Доситеја Обрадовића 6 КЉУЧНА ДОКУМЕНТАЦИЈСКА ИНФОРМАЦИЈА Редни број, РБР: Идентификациони број, ИБР: Тип документације, ТД: Монографска документација Тип записа, ТЗ: Текстуални штампани материјал Врста рада, ВР: Докторска дисертација Аутор, АУ: Мирослав Драмићанин Ментор, МН: Др Себастиан Балош, ванредни професор Наслов рада, НР: Утицај активног премаза на дубину увара при заваривању нерђајућег челика нетопљивом електродом у заштити инертног гаса Језик публикације, ЈП: Српски Језик извода, ЈИ: Српски / Енглески Земља публиковања, ЗП: Република Србија Уже географско подручје, УГП: Војводина Година, ГО: 2019 Издавач, ИЗ: Ауторски репринт Место и адреса, МА: Нови Сад, Трг Доситеја Обрадовића 6 Физички опис рада, ФО: (поглавља/страна/ цитата/табела/слика/графика/прилога) 6/122/70/21/158/0/0 Научна област, НО: Машинско Инжењерство Научна дисциплина, НД: Материјали и технологије спајања Предметна одредница/Кључне речи, ПО: Заваривање, активни премаз, заваривање нетопљивом електродом у инертном гасу, нерђајући челик УДК Чува се, ЧУ: Библиотеци Факултета техничких наука Важна напомена, ВН: Извод, ИЗ: У дисертацији је приказан одабир растварача, величине, врсте и удела честица за активни премаз намењен постизању повећане дубине увара на аустенитном нерђајућем челику при заваривању нетопљивом електродом у заштити инертног гаса. Поред састава активног премаза, у дисертацији је извршена оптимизација: геометрије електроде, јачине струје и брзине заваривања. Након одабира перспективних типова састава премаза и параметара заваривања, на завареним узорцима извршена је карактеризација механичких особина, хемијског састава и микроструктуре. Датум прихватања теме, ДП: 31.01.2019. године Датум одбране, ДО: Чланови комисије, КО: Председник: Др Лепосава Шиђанин, професор емеритус Члан: Др Бранка Пилић, редовни професор Члан: Др Венцислав Грабулов, научни саветник Потпис ментора Члан: Др Драган Рајновић, доцент Члан, ментор: Др Себастиан Балош, ванредни професор Образац Q2.НА.06-05- Издање 1 UNIVERSITY OF NOVI SAD ⚫ FACULTY OF TECHNICAL SCIENCES 21000 NOVI SAD, Trg Dositeja Obradov ića 6 KEY WORDS DOCUMENTATION Accession number, ANO: Identification number, INO: Document type, DT: Monographic publication Type of record, TR: Textual material, printed Contents code, CC: Doctoral Thesis Author, AU: Miroslav Dramićanin Mentor, MN: Prof. Sebastian Baloš Title, TI: Influence of activated flux on the penetration depth in non-consumable electrode welding of strainless steel in inert gas shielding Language of text, LT: Serbian Language of abstract, LA: Serbian / English Country of publication, CP: Republic of Serbia Locality of publication, LP: Vojvodina Publication year, PY: 2019 Publisher, PB: Autor’s reprint Publication place, PP: Novi Sad, Trg Dositeja Obradovića 6 Physical description, PD: (chapters/pages/ref./tables/pictures/graphs/appendixes) 6/122/70/21/158/0/0 Scientific field, SF: Mechanical Engineering Scientific discipline, SD: Materials and Joining Technologies Subject/Key words, S/KW: Welding, activated flux, gas tungsten arc welding, austenitic stainless steel UC Holding data, HD: Library of the Faculty of Technical Sciences, Novi Sad Note, N: Abstract, AB: In this doctoral thesis, the selection of solvent, size, type and the content of oxide particles in activated flux aimed at increasing the penetration on austenitic stainless steel in gas tungsten arc welding is presented. Besides activated flux composition, the optimization of welding parameters such as electrode geometry, welding current and welding speed was done. After the selection of successful activated flux formulations and welding parameters, the characterization of mechanical properties, chemical composition and microstructure was determined. Accepted by the Scientific Board on, ASB: 31.01.2019. Defended on, DE: Defended Board, DB: President: Dr Leposava Šiđanin, Professor Emeritus Member: Dr Branka Pilić, Full Professor Member: Dr Vencislav Grabulov, Principal Research Fellow Menthor's sign Member: Dr Dragan Rajnović, Assistant Professor Member, Mentor: Dr Sebastian Baloš, Associate Professor Obrazac Q2.НА.06-05- Izdanje 1 Zahvalnost Veliku zahvalnost dugujem svom mentoru profesoru dr Sebastianu Balošu, na ogromnoj podršci, inspiraciji i nesebičnoj pomoći pruženoj prilikom izrade ove doktorske disertacije. Zahvaljujem se članovima Komisije na dragocenim naučno stručnim savetima i korisnim sugestijama prilikom izrade ove doktorske disertacije. Izražavam zahvalnost za pruženu pomoć kolegama Petru Janjatoviću za dane provedene zavarujući sa mnom, a Stanislavu Simiću za noći provedene pripremajući uzorke. Zahvalan sam Savki Adamović na pomoći oko izrade prvog aktivnog premaza i Stevanu Vaseleku sa kojim sam taj premaz uspešno testirao. Zahvaljujem se profesorici Branki Pilić i njenim saradnicima na obezbeđenim česticama za aktivne premaze. Dugujem zahvalnost kolegama sa katedre na neiscrpnoj i nemaloj pomoći oko izrade disertacije. Veliku zahvalnost dugujem Ivanu Zabunovu i firmi Proficut doo, iz Bačkog Petrovca za opremu na kojoj su zavarivanja izvršena i na upotrebi opreme za rezanje. Takođe, za veliku pomoć zahvaljujem se Maji Božin na izvršenim ispitivanjima hemijskog sastava, Milošu Bokorovu na pomoći pri ispitivanju uzoraka na skening elektronskom mikroskopu i tehničkim saradnicima Bobanu Ušljebrki i Radomiru Dukiću na pripremi i izradi uzoraka. Najveću zahvalnost dugujem svojoj porodici, devojci i prijateljima koji su mi sve ovo vreme bili velika podrška. HVALA VAM! I SADRŽAJ 1 UVOD ............................................................................................................................................. 1 1.1 CILJ ISTRAŽIVANJA .................................................................................................................... 3 2 TEORIJSKA RAZMATRANJA....................................................................................................... 4 2.1 OSNOVE ZAVARIVANJA .............................................................................................................. 4 2.1.1 Zavarivanje topljenjem .................................................................................................... 5 2.1.2 Zavarivanje pritiskom ...................................................................................................... 6 2.1.3 Elementi metala šava ..................................................................................................... 6 2.1.4 Izvori toplote ................................................................................................................... 7 2.1.4.1 Električni luk ........................................................................................................................... 7 2.1.5 Izvor struje ...................................................................................................................... 9 2.2 TIG........................................................................................................................................ 11 2.2.1 Izvor struje .................................................................................................................... 12 2.2.2 Zaštitni gas ................................................................................................................... 14 2.2.3 Mlaznica........................................................................................................................ 15 2.2.4 Pištolj za zavarivanje .................................................................................................... 16 2.2.5 Elektroda....................................................................................................................... 17 2.2.6 Oblik vrha elektrode ...................................................................................................... 18 2.2.7 Dodatni materijal ........................................................................................................... 20 2.3 A-TIG .................................................................................................................................... 21 2.3.1 Aktivni premaz .............................................................................................................. 22 2.3.2 Metode nanošenja aktivnog premaza ........................................................................... 23 2.3.3 Marangonijev efekat ..................................................................................................... 23 2.3.4 Zavarivački luk .............................................................................................................. 26 2.3.5 Faktori koji utiču na performanse kod A-TIG postupka ................................................. 27 2.3.6 Uticaj parametara zavarivanja: ..................................................................................... 27 2.3.6.1 Jačina struje zavarivanja ...................................................................................................... 27 2.3.6.2 Brzina zavarivanja ................................................................................................................ 29 2.3.6.3 Dužina električnog luka ........................................................................................................ 29 2.3.6.4 Geometrija elektrode ............................................................................................................ 30 2.3.6.5 Zaštitni gas........................................................................................................................... 31 2.3.6.6 Aktivni premaz...................................................................................................................... 33 2.3.7 Uticaj aktivnog premaza na mehaničke osobine ........................................................... 35 2.3.7.1 Mikrotvrdoća ........................................................................................................................ 35 2.3.7.2 Zatezane karakteristike ........................................................................................................ 36 2.3.8 Sumarni pregled postignutih dubina uvara A-TIG postupkom....................................... 38 3 EKSPERIMENTALNA ISTRAŽIVANJA ....................................................................................... 39 3.1 UVODNA ISTRAŽIVANJA ............................................................................................................ 39 3.1.1 Ekspetiment I – Određivanje uticaja masenog udela čestica TiO2 u aktivnom premazu na dubinu uvara ................................................................................................................................. 39 3.1.2 Eksperiment II – Određivanje uticaja rastvarača........................................................... 42 3.1.3 Eksperiment III – Određivanje uticaja oblika vrha elektrode i udela nano i submikronskih čestica TiO2 .................................................................................................................................. 43 3.1.3.1 Rezultati ispitivanja raspodele čestica u aktivnom premazu................................................... 47 3.1.3.2 Rezultati ispitivanja makrostrukture....................................................................................... 48 3.1.3.3 Rezultati ispitivanja mikrostrukture ........................................................................................ 50 3.1.3.4 Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće .......................................................................................... 52 3.1.4 Ekspirement IV – Određivanje uticaja nano čestica SiO2 i tipa rastvarača ................... 53 3.1.4.1 Rezultati ispitivanja makrostrukture....................................................................................... 54 3.1.5 Eksperiment V – Određivanje uticaja udela nano čestica TiO2 i SiO2 ........................... 56 3.1.5.1 Rezultati ispitivanja raspodele čestica u aktivnom premazu................................................... 57 3.1.5.2 Rezultati ispitivanja makrostrukture....................................................................................... 58 II 3.1.5.3 Rezultati ispitivanja mikrostrukture ........................................................................................ 58 3.1.5.4 Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće .......................................................................................... 61 3.1.6 Eksperiment VI – Određivanje uticaja brzine pretapanja .............................................. 63 3.1.6.1 Rezultati ispitivanja makrostrukture....................................................................................... 64 3.1.7 Eksperiment VII – Određivanje uticaja ugla vrha elektrode povećanog prečnika.......... 65 3.2 ZAVRŠNA ISTRAŽIVANJA ........................................................................................................... 67 3.2.1 Priprema aktivnih premaza i uzoraka, i parametri zavarivanja ...................................... 67 3.2.2 Vizuelna kontrola i makro ispitivanje ............................................................................. 71 3.2.3 Mikroskopska ispitivanja ............................................................................................... 72 3.2.3.1 Svetlosna mikroskopija ......................................................................................................... 72 3.2.3.2 Skening elektronska mikroskopija ......................................................................................... 73 3.2.4 Ispitivanje hemijskog sastava ....................................................................................... 75 3.2.5 Ispitivanje mehaničkih osobina ..................................................................................... 75 3.2.5.1 Ispitivanje zatezanjem .......................................................................................................... 75 3.2.5.2 Ispitivanje savijanjem............................................................................................................ 77 3.2.5.3 Ispitivanje energije udara ...................................................................................................... 78 3.2.5.4 Ispitivanje mikrotvrdoće ........................................................................................................ 79 4 REZULTATI ZAVRŠNIH ISTRAŽIVANJA ................................................................................... 80 4.1 VIZUELNA KONTROLA I MAKRO ISPITIVANJE ................................................................................ 80 4.2 MIKROSKOPSKA ISPITIVANJA .................................................................................................... 83 4.2.1 Svetlosna mikroskopija ................................................................................................. 83 4.2.2 Skening elektronska mikroskopija ................................................................................. 86 4.3 ISPITIVANJE HEMIJSKOG SASTAVA............................................................................................. 91 4.4 ISPITIVANJE MEHANIČKIH OSOBINA ............................................................................................ 91 4.4.1 Ispitivanje zatezanjem .................................................................................................. 91 4.4.2 Ispitivanje savijanjem .................................................................................................... 96 4.4.3 Ispitivanje energije udara .............................................................................................. 98 4.4.4 Ispitivanje mikrotvrdoće .............................................................................................. 102 5 DISKUSIJA ................................................................................................................................ 104 5.1 UVODNA ISTRAŽIVANJA .......................................................................................................... 104 5.1.1 Eksperiment I – Određivanje uticaja masenog udela čestica TiO2 u aktivnom premazu na dubinu uvara .......................................................................................................................... 105 5.1.2 Eksperiment II – Određivanje uticaja rastvarača......................................................... 105 5.1.3 Eksperiment III – Određivanje uticaja oblika vrha elektrode i udela nano i submikronskih čestica TiO2 ................................................................................................................................ 105 5.1.4 Eksperiment IV – Određivanje uticaja nano čestica SiO2 i tipa rastvarača ................. 106 5.1.5 Eksperiment V – Određivanje uticaja udela nano čestica TiO2 i SiO2 ......................... 107 5.1.6 Eksperiment VI – Određivanje uticaja brzine pretapanja ............................................ 107 5.1.7 Eksperiment VII – Određivanje uticaja ugla vrha elektrode povećanog prečnika........ 108 5.2 ZAVRŠNA ISTRAŽIVANJA ......................................................................................................... 108 5.2.1 Vizuelna kontrola i makro ispitivanje ........................................................................... 108 5.2.2 Mikroskopska ispitivanja ............................................................................................. 109 5.2.3 Hemijski sastav ........................................................................................................... 110 5.2.4 Mehanička ispitivanja .................................................................................................. 110 5.2.4.1 Ispitivanje zatezanjem ........................................................................................................ 110 5.2.4.2 Ispitivanje savijanjem.......................................................................................................... 113 5.2.4.3 Ispitivanje energija udara .................................................................................................... 113 5.2.4.4 Ispitivanje mikrotvrdoće ...................................................................................................... 113 5.2.4.5 Uticaj aktivnog premaza na celokupne mehaničke osobine ................................................. 114 6 ZAKLJUČCI ............................................................................................................................... 115 7 LITERATURA............................................................................................................................. 118 1 1 Uvod Konstrukcije i proizvodi se često sastoje iz više delova. Delovi se sastavljaju u celinu spajanjem razdvojivom vezom, vijcima, ili nerazdvojivom vezom, zakivcima i zavarivanjem. Zavarivanje [1] predstavlja tehnološki proces gde se vrši uspostavljanje međuatomskih veza između dva ili više delova koji su metalurški kompatibilni. To znači da je moguće spajanje delova izrađenih od istih materijala, ali i raznorodnih. Tako je moguće spajanje metala sa metalom, metala sa nemetalom i nemetala sa nemetalom. Spajanje delova zavarivanjem je moguće topljenjem ili pritiskom sa i bez upotrebe dodatnog materijala. Najčešće se koriste postupci zavarivanja koji su bazirani na lokalnom zagrevanju materijala iznad temperature topljenja, nakon čega spoj nastaje očvršćavanjem zajedničkog rastopa. Kod zavarivanja pritiskom, deo se zagreva do temperature ispod tačke topljenja, a dodatnim dejstvom sile se vrši spajanje [1]. Proces zavarivanja datira još od otkrića metala. Najstariji proces zavarivanje je zavarivanje pod pritiskom, odnosno kovačko zavarivanje. Međutim razvoj savremenih postupaka zavarivanja počinje krajem 19. veka, a značajna primena od sredine 20. veka. Danas, zavarivanje predstavlja jedan od najvažnijih tehnoloških procesa u savremenoj industriji. Zavarivanje ima veliku primenu u automobilskoj industriji, mašinogradnji, brodogradnji, građevini, procesnoj industriji i reparaciji delova [2]. U industriji čest zahtev je da delovi budu korozijski postojani pa se tu upotrebljavaju visokolegirani nerđajući čelici. Nerđajuće čelike je moguće zavariti uz određenu proceduru kako bi kvalitet zavarenog spoja bio dobar. Zavarivanje ovih materijala je najčešće: ručno elektrolučno zavarivanje (REL), zavarivanje u inertnom gasu topljivom elektrodom (MIG - Metal Inert Gas) i zavarivanje u inertnom gasu netopljivom elektrodom (TIG - Tungsten Inert Gas). Zavarivanje TIG postupkom je jedan od dominantnih postupaka pri zavarivanju nerđajućeg čelika topljenjem metala. Toplotna energija se dobija električnim lukom koji se uspostavlja i održava između netopljive elektrode od volframa ili njegovih legura i radnog komada [3]. Ovaj postupak ima veliku primenu jer je oprema za zavarivanje jeftina, a kvalitet spoja je visok, kako po pitanju mehaničkih osobina tako i po izgledu metala šava. Ovom metodom je moguće zavarivati u svim položajima zavarivanja. TIG postupak ima naročito veliku primenu kod zavarivanje limova, dok kod debljih delova se retko koristi, zbog male dubine uvara pri prolazu. Za zavarivanje debljih materijala potrebna je priprema žljeba i zavarivanje se izvodi u više prolaza. Priprema žljeba iziskuje dodatno vreme, dodatni materijal, veći utrošak električne energije i vremena, što značajno povećava troškove i što smanjuje proizvodnost i poskupljuje proizvod [4]. Postoje pokušaji da se poveća produktivnost TIG zavarivanja. Jedan od uspešnijih je primenom aktivnog premaza i naziva se zavarivanje u zaštitnom gasu sa netopljivom elektrodom sa aktivnim premazom (A-TIG - Activating flux Tungsten Inert Gas ). Prvi rad sa upotrebom aktivnog premaza pri zavarivanju je objavljen 1966. godine na Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences, Ukrajina [5]. Tokom A-TIG postupka na površinu materijala koji se zavaruje nanosi se tanak sloj suspenzije koja predstavlja mešavinu oksida, hlorida i fluorida, koji su rastvoreni u acetonu ili alkoholu 2 u određenom odnosu [6, 7]. Na površinu uzorka aktivni premaz se nanosi četkom ili rasprskavanjem u širini 10-15 mm. Kad se premaz osuši vrši se klasično zavarivanje TIG postupkom. Tokom početnih istraživanja na čeliku, ustanovljeno je da premaz povoljno utiče na poboljšanje mehaničkih osobina, povećava dubinu uvara i poboljšava oblik metala šava. Ubrzo se A-TIG postupak počeo primenjivati za zavarivanje titanijuma i njegovih legura [8]. Pomenute prednosti A-TIG postupka dovele su do toga da postane zanimljiv vojnoj i avio industriji. Nakon toga iz nepoznatih razloga prestalo se sa istraživanjem A-TIG postupka, sve do 1990.g., kada je jedan od istraživača sa Paton Eletiric instituta prelaskom u TWI - Kembridž pokrenuo interesovanje o premazima za A-TIG. Nakon čega su počela nova istraživanja i objavljen je veliki broj radova o primeni A-TIG postupka pri zavarivanju nerđajućih čelika i legura titanijuma i legura nikla [4, 9]. 3 1.1 Cilj istraživanja Postoji veliki broj uticajnih faktora koji utiču na povećanje dubine uvara kod TIG zavarivanja (brzina zavarivanja, oblik vrha elektrode, jačina struje, dužina električnog luka, zaštitni gas), stoga je neophodno sve te faktore analizirati i varirati kako bi se došlo do željenih rezultata. Dubina uvara je dubina do koje dolazi do topljenja osnovnog materijala. Što je veća dubina uvara, brzina dobijanja zavarenog spoja je veća, a samim tim troškovi manji kroz uštede vezane sa dodatni materijal i zaštitni gas. Osim navedenih parametara najveći uticaj na dubinu uvara ima upotreba aktivnog premaza koji se tipično sastoji od oksidnih čestica i rastvarača. Cilj istraživanja je da se odaberu odgovarajuće komponente aktivnog premaza koje bi rezultirale najvećom dubinom uvara na nerđajućem čeliku sa zadovoljavajućim mehaničkim osobinama. Prva faza istraživanja biće vezana za odabir masenog udela čestica i rastvarača u aktivnom premazu za dobijanje najveće dubine uvara. U drugoj fazi biće ispitan uticaj veličine i vrste čestica u aktivnom premazu na dubinu uvara, dok će se u trećoj fazi vršiti mešanje različitih vrsta čestica u aktivnom premazu i ispitati uticaj na dubinu uvara. Na osnovu dobijenih rezultata iz prve faze utvrdiće se koji maseni udeo i rastvarač je potrebno koristiti u drugoj fazi, kao rezultat druge faze znaće se veličina i vrsta čestica potrebnih za treću fazu u kojoj će se odrediti u kom odnosu je potrebno pomešati različite vrsta čestica u aktivnom premazu. Nakon odabira komponenti za aktivni premaz koji rezultira najvećom dubinom uvara, biće izvršena zavarivanja na uzorcima od nerđajućeg čelika na kojima će se izvršiti karakterizacija zavarenog spoja. Zavareni uzorci ispitaće se sledećim metodama: ispitivanje zatezanjem, savijanjem, ispitivanje energije udara instrumentiranim Šarpijevim klatnom, ispitivanje tvrdoće, ispitivanje hemijskog sastava metala šava, zone uticaja toplote i osnovnog materijala, makro ispitivanje, ispitivanje mikrostrukture pomoću svetlosnog mikroskopa (SM) i skening elektronskog mikroskopa (SEM), kao i elektronska mikro analiza (EDS) Upotrebom ovakvih premaza bi se postigla velika ušteda smanjivanjem: vremena potrebnog za pripremu žleba za zavarivanje, smanjivanjem broja prolaza, i manjom upotrebom dodatnog materijala. Sve ovo bi rezultiralo velikom vremenskom, a samim tim i finansijskom uštedom. 4 2 Teorijska razmatranja 2.1 Osnove zavarivanja Zavarivanje predstavlja proces spajanja dva dela u kome se njihovi atomi dovode na rastojanje koje približno odgovara parametru kristalne rešetke materijala, čime dolazi do uspostavljanja međuatomskih veza i formiranja nerazdvojivog spoja. S obzirom da je za proces zavarivanja potrebno utrošiti određenu količinu toplotne i mehaničke energije prema stranoj i domaćoj literaturi prepoznate su različite oblasti zavarivanja koje su zavisne od pritiska i temperature [1, 2, 10]. Prema dijagramu na slici 2.1 poznate su 4 oblasti zavarivanja koje zavise od pritiska i temperature. Oblast 1 predstavlja oblast u kojoj je nemoguće zavarivanje usled nedovoljne vrednosti pritiska i temperature. U oblasti 2, zavarivanje se ostvaruje dejstvom velikim pritiskom (hladno zavarivanje pritiskom), dok je u oblasti 3 omogućeno zavarivanje kombinacijom pritiska i temperature (toplo zavarivanje pritiskom). Oblast 4, predstavlja oblast kod koje se zavarivanje izvodi samo lokalnim topljenjem i ova oblast pokriva najveći broj postupaka zavarivanja [1, 2, 10]. Slika 2.1 Oblasti zavarivanja u zavisnosti od pritiska i temperature [1, 2] Na osnovu dijagrama na slici 2.1. izvršena je podela zavarivanja: • Zavarivanje topljenjem (oblast 4) • Zavarivanje pritiskom (oblast 2 i 3) Svaki od pomenutih postupaka se mogu dodatno podeliti na još postupaka. U tabeli 2.1 je prikazana jedna od podela po standardu SRPS EN 14610:2012, gde se ispred naziva svakog postupka nalazi i broj kojim je ta metoda definisana standardom EN ISO 4063:2007. 5 Tabela 2.1 Klasifikacija postupaka zavarivanja prema EN ISO 14610:2012 2.1.1 Zavarivanje topljenjem Zavarivanje topljenjem nastaje tako što se materijali lokalno zagrevaju na mestu spoja iznad tačke topljenja tako da se njihovi rastopi mešaju i očvršćavaju [1]. Zbog lokalnog zagrevanja i relativno brzog hlađenja u metalu šava nastaje specifična dendritska mikrostruktura (slika 2.2). Slika 2.2 Izgled metal šava dobijen zavarivanjem topljenjem [1] a) Pre očvršćavanja; b) Nakon očvršćavanja Zavarivanje topljenjem Zavarivanjem pritiskom 1 Elektrolučno zavarivanje 2 Elektrootporno zavarivanje 111 Obloženom elektrodom – E 21 Tačkasto 114 Punjenom žicom 22 Šavno 12 Pod praškom – EPP 23 Bradavičasto 13 Topljivom elektrodnom žicom u zaštiti gasa 24 Sučeono varničenjem 131 Zaštita u inertnom gasu – MIG 25 Sučeono zbijanjem 135 Zaštita u aktivnom gasu – MAG 4 Zavarivanje u čvrstom stanju 14 Netopljivom elektrodom u zaštiti gasa 41 Ultrazvukom 141 Inertni gas – TIG 42 Trenjem 15 Plazmom 43 Kovačko 185 Magnetno elektrolučno rotirajućim lukom 44 Eksplozijom 3 Gasno zavarivanje 45 Difuzijom 7 Drugi postupci zavarivanja topljenjem 48 Na hladno 71 Aluminotermitsko 7 Drugi postupci zavarivanja pritiskom 72 Električno pod troskom – EPT 71 Aluminotermitsko 751 Laserom 74 Indukciono 76 Elektronskim snopom 6 2.1.2 Zavarivanje pritiskom Zavarivanje pritiskom prema dijagramu na slici 2.1 pripada oblast 2, gde je potreban veoma veliki pritisak kako bi došlo do spajanja i oblast 3 gde se materijal zagreva ispod tačke topljenja i nakon čega deluje dejstvom sile pritiska (F). Pod terminom zavarivanje pritiskom češće se podrazumeva kombinacija topote i pritiska, odnosno toplo zavarivanje pritiskom. Na slici 2.3 prikazana je mikrostruktura pre (slika 2.3a) i posle zavarivanja pritiskom (slika 2.3b i c). Uočljivo je da na mestu spoja usled velikih sila dolazi do plastične deformacije i usitnjavanja strukture gde temperatura poboljšava difuziju i dovodi do rekristalizacija [1, 2]. Slika 2.3 Izgled metala šava dobijen zavarivanjem pritiskom [1]: a) pre dejstva sile, b) posle delovanja sile pritiska (F), c) posle difuzije i rekristalizacije Nakon zavarivanja u zoni kontakta nastaje metal šava, odnosno materijal koji je pri zavarivanju omekšan formira metal šava [1]. Kao što je prikazano na slikama 2.2 i 2.3 u zavisnosti od načina zavarivanja razlikuju se stvaranje metala šava. Na slici 2.4 prikazan je zavareni spoj dobijen sučeonim elektrootpornim zavarivanjem [10]. Slika 2.4 Izgled zavarenog spoja kod sučeonog elektrootpornog zavarivanje varničenjem [10] 2.1.3 Elementi metala šava Elementi metala šava zavarenim nekom od metoda topljenjem prikazani su na slici 2.5. Zavareni spoj predstavlja celinu koja se sastoji iz osnovnog materijala 1 (OM) i metala šava (MŠ), koga čine elementi: lice šava - 2, naličje šava - 3, koren šava - 4 i ivica 7 šava - 8. Prilikom zavarivanja topljenjem deo osnovnog materijala se rastapa i formira metal šava, rastopljeni deo se zove uvar - 5. Uvar je oivičen sa linijom topljenja - 6, na osnovu koje se određuje dubina uvara - 9. Oblast u OM uz MŠ se naziva zona uticaja toplote (ZUT) - 7, to je oblast u kojoj je zbog visoke temperature dolazi do promene mikrostrukture. Deo metala šava koji je deblji od OM naziva se nadvišenje šava - 10, a zajedno sa OM daje debljinu šava - 12. Rastojanje od ivice šava sa jedne do druge strane je širina šava - 11. Nadvišenje šava kod procesa navarivanje se zove debljina navarivanja - 13. Slika 2.5 Elementi zavarenog spoja kod zavarivanja topljenjem [2] 2.1.4 Izvori toplote Kod zavarivanja topljenjem koriste se različiti izvori toplote (tabela 2.1). Jedan od najčešćih izvora toplote je električni luk koji se uspostavlja između osnovnog materijala i elektrode. Razlikuju se dve metode elektrolučnog zavarivanje u zavisnosti da li je elektroda ujedno dodati materijal tj. sa topljivom elektrodom, ili je elektroda netopljiva pa je dodatni materijal u obliku žice. Metode sa topljivom elektrodom su: ručno elektrolučno zavarivanje (REL), elektrolučno zavarivanje pod praškom (EPP), elektrolučno zavarivanje sa topljivom elektrodom u zaštitnom gasu koji može biti inertan odnosno, argon i helijum (MIG) ili aktivan gas, odnosno CO2 (MAG) i zavarivanja u zaštitnom inertnom gasu sa netopljivom elektrodom (TIG). 2.1.4.1 Električni luk Električni luk je usmereno kretanje elektrona kroz jonizovani vazduh ili gas. Kako je vazduh dielektrikum, da bi došlo do protoka struje u njemu se moraju naći joni i elektroni. Oni mogu nastati uspostavom luka kratkim spojem kao posledica mikro neravnina gde do kratkog spoja dolazi u malim tačkama (slika 2.6a). Mala površina spoja izaziva veliku gustinu struje (102-105 A/cm2) što za posledicu ima trenutno lokalno rastapanje osnovnog materijala i elektrode kao i isparavanje pojedinih elemenata. Metalna para sadrži elektrone i jone koji pod dejstvom napona praznog hoda se usmeravaju. Velikom brzinom joni se kreću ka katodi, dok elektroni ka anodi i pri kretanju se sudaraju sa okolnim atomima stvarajući nove jone i elektrone. Na ovaj način se uspostavlja njihovo kretanje koje pomaže u formiranju i održavanju električnog luka (slika 2.6b) [1, 2, 11]. 8 Slika 2.6 Električni luk[12]: a) šema uspostavljanja električnog luka (1- izvor struje, 2- elektroda, 3- radni komad, 4- jezgro elektrode 5- obloga elektrode, b) oblasti električnog luka Električni luk se sastoji iz nekoliko oblasti što je prikazano na slici 2.7, ali njihove pozicije se mogu razlikovati u zavisnosti od vrste struje: • Jednosmerna: - Direktna (prava) polarnost je kada elektroda ima ulogu katode, a osnovni materijal je anoda. - Indirektna polarnost (obrnuta polarnost) je kada elektroda predstavlja anodu, a osnovni materijal katodu. • Naizmenična. Na slici 2.7 je prikazana šema električnog luka kod jednosmerne struje direktne polarnosti. Katoda je predstavljena brojem 1, uz katodu nalazi se i katodna mrlja (2), sa druge strane je anoda koja je predstavljena brojem 5 uz koju se nalazi anodna mrlja (4). Između katodne mrlje, kojoj odgovara pad napona Uk i anodne mrlje kojoj odgovara pad napona Ua, nalazi stub luka (3) sa padom napona Us. Rastojanje od anode do katode je dužina električnog luka (l) [1, 10]. Slika 2.7 Šema električnog luka direktne (prave) polarnosti [1] Za konstanto održanje električnog luka zasluženi su elektroni koji nastaju u katodnoj mrlji. Međutim na stabilnost električnog luka utiče vrsta struje koja se koristi. Luk je stabilniji ukoliko je to jednosmerna struja, jer se kod naizmenične struje zbog promene smera često prolazi kroz „0“ što izaziva nestabilnost luka. Stabilnost električnog luka se može postići sniženjem potencijala jonizacije dodavanjem jedinjenja na bazi K, Na, 9 Ca i oksida Fe u oblogu elektrode ili prah, kao i upotrebom zaštitih gasova Ar, He i CO2. Međutim zaštitni gasovi strujanjem hlade električni luk i na taj način smanjuju njegovu stabilnost, što je posebno izraženo kod CO2. Zbog svega navedenog najčešće se koristi jednosmerna struja za zavarivanje [2, 11]. Zbog varijacija i promene broja elektrona u električnom luku, on se ne može smatrati klasičnim provodnikom na koga se može primeniti Omov zakon. Zavisnost napona od jačine struje kod električnog luka naziva se statička karakteristika električnog luka. Na slici 2.8 su prikazane dve dužine električnog luka l1 i l2 gde se može videti da luk dužine l1 ima veću toplotnu moć koja zavisi od napona i jačine struje [2, 13]. Slika 2.8 Statička karakteristika električnog luka [12] Zavisnost napona od jačine struje kod električnog luka ima tri uočljive oblasti: I. „Ajrtonova oblast“ u kojoj napon opada sa porastom jačine struje II. „Omova oblast“ u kojoj je napon prilično konstantan III. Oblast gde napon raste sa porastom jačine struje. Na osnovu statičke karakteristike luka, odnosno jačine struje i napona prikazano je koji proces zavarivanja je pogodan u kojoj oblasti. 2.1.5 Izvor struje Da bi proces bio stabilan potrebno je održavati konstantnu dužinu električnog luka odnosno brzina dodavanja elektrode mora biti ista kao i brzina topljenja elektrode. Ovo je moguće postići uz pomoć: 1. Spoljna regulacija U – Regulacija (CC) 2. Unutrašnja regulacija I-Regulacija (CV) Spoljna i unutrašnja regulacija povezane su sa izvorom struje za zavarivanje, odnosno one predstavljaju statičku karakteristiku izvora struje (slika 2.9). Spoljna regulacija obuhvata povećanje napona i brzine dodavanja elektrode ukoliko se povećava dužina luka, i obrnuto (slika 2.9a). Spoljna regulacija je karakteristična za REL, EPP i TIG postupak. Kod unutrašnje regulacije konstantnost dužine električnog luka se postiže 10 menjanjem jačine struje. Kao što se vidi sa slike 2.9b promenom jačine struje jako malo se menja napon i obrnuto malom promenom napona dolazi do velikih promena u jačini struje. Ova regulacija je pogodna za MIG, MAG procese zavarivanja [2, 13]. Slika 2.9 Karakteristike izvora: a) strmopadajuća, b) blagopadajuća [13] Kombinacijom statičke karakteristike luka i statičke karakteristike izvora lako se može doći do radne tačke (RT), odnosno parametara zavarivanja za dati proces (slika 2.10). Osnovni parametri statičke karakteristike izvora struje su: U0 – napon praznog hoda Ik – struja kratkog spoja (u kontaktu elektrode sa osnovnim materijalom U=0) RT – Radna tačka na osnovu koje se određuje radni napon Ur i radna struja Ir Slika 2.10 Statička karakteristika električnog luka i strmopadajuća statička karakteristika izvora struje [1] Da bi se postigle odgovarajuće statičke karakteristike izvora struje, vrsta i jačina struje, kao i napon moraju se koristiti različiti konstrukcijski izvori struje. Za jednosmernu struju koriste se generatori i električni ispravljači, dok se za naizmeničnu koriste invertori i transformatori [2, 13]. 11 2.2 TIG Zavarivanje netopljivom elektrodom u zaštitnom gasu odnosno TIG zavarivanje, u engleskom govornom području poznato je kao GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) ili u nemačkom kao WIG (Wolfram Inert Gas), predstavlja zavarivanje uz pomoć elektrode od volframa ili legure volframa u zaštitnoj atmosferi inertnih gasova. Inertni gasovi koji se koriste su argon (Ar) i helijum (He), kao i njihove mešavine, takođe i formir gas, mešavina argona sa vodonikom (H) ili azotom (N). Sam proces zavarivanja se odvija tako što se između elektrode na bazi volframa i osnovnog materijala uspostavlja električni luk koji je zaštićen strujanjem gasa. Zavarivanje se može vršiti bez upotrebe dodatnog materijala i sa upotrebom dodatnog materijala u obliku žice. Šema zavarivanja je data na slici 2.11 [14]. Slika 2.11 Šema TIG postupka [14] Sa slike 2.11 se vidi da ukoliko se koristi dodatni materijal on se dodaje sa strane u električni luk kako bi ga električni luk istopio u zaštitnoj atmosferi. Uređaj za TIG zavarivanje se sastoji iz više elementarnih delova prikazanih na slici 2.12 [15]. Slika 2.12 Uređaj za TIG zavarivanje [15] 12 U zavisnosti od jačine i mogućnosti samog uređaja za TIG zavarivanje razlikuje se i složenost sistema. Jedan od osnovnih elemenata je izvor struje za zavarivanje, u čijem sklopu se najčešće nalazi odgovarajuća elektronika sa potenciometrima i tasterima za kontrolu parametara procesa zavarivanja. Na prednjoj strani nalaze se i ekrani, voltmetri, ampermetri kako bi se mogao pratiti proces zavarivanja. Uz aparat nalazi se i boca sa zaštitnim gasom koja poseduje reducir kako bi se mogao podesiti protok gasa. Kod aparata većih snaga postoji rashladni sistem na bazi vode i antifriza. Do pištolja sa elektrodom na bazi volframa odgovarajućim provodnicima (polikablom) dovode se inertni gas, rashladno sredstvo i struja odgovarajućeg polariteta. Takođe je potrebno na radni komad postaviti stezna klješta kako bi se moglo zatvoriti električno kolo [14]. 2.2.1 Izvor struje Izvor struje kod TIG zavarivanja treba da pravi strmopadajuću statičku karakteristiku struje. Struja može biti jednosmerna i naizmenična u zavisnosti od materijala radnog komada. Jednosmerna struja se koristi za većinu metala osim za metale sa tvrdim oksidima (Al, Mg, Ti…) za koje se koristi naizmenična struja (slika 2.13). Slika 2.13 Uticaj vrste struje na oblik metala šava [12]: a) jednosmerna struja direktne polarnosti, b) jednosmerna struja indirektne polarnosti, c) naizmenična struja Jednosmerna struja direktne polarnosti se najčešće upotrebljava jer je kod nje prenos toplote 70% na radni komad, a 30% na elektrodu i tako se dobija najdublji i najuži šav. Kod indirektne polarnosti prenos topote je 70% na elektrodu a 30% na radni komad, pa je dubina uvara mala, a šav širok. Međutim kretanje elektrona od radnog komada ka elektrodi izaziva katodno čišćenje, odnosno površinsko čišćenje radnog komada i sprečava stvaranje teško topljivih oksida. Zbog malog uvara i visoke cene eksploatacije zavarivanje jednosmernom strujom indirektne polarnosti se ne koristi, već za zavarivanje Al, Mg i njihovih legura koje stvaraju teškotopljive okside, koristi se naizmenična struja. Prenos toplote na elektrodu i radni komad je oko 50%,.a dubina uvara i širina šava kod naizmenične struje se nalazi između direktne i indirektne jednosmerne struje. Zbog promene polariteta od 50 Hz dolazi do nestabilnosti električnog luka zbog prolaska kroz „0“, ali i do nesimetrije struje koja je posledica različitih sposobnosti Al i W u emitovanju elektrona. Nesimetrija struje izaziva nagle skokove napona što dovodi do pregrevanja izvora struje (slika 2.14a). Kako bi se izbeglo gašenje električnog luka u izvoru struje se nalazi i visokofrekventni generator napona, ali i dalje je prisutna nesimetričnost (slika 2.14b). Dodavanjem 13 kondenzatorskih baterija podiže se pozitivna polu perioda (slika 2.14c), a samim tim poboljšava se efekat katodnog čišćenja [2, 14, 16]. Slika 2.14 Oblik periode pri zavarivanju: a) naizmeničnom strujom, b) naizmenična struja sa VF generatorom, c) naizmenična struja sa VF generatorom i kondenzatorskom baterijom [12] Savremeni aparati uz režime sa jednosmernom strujom imaju mogućnost rada u pulsnom režimu. Pulsni režim rada predstavlja rad sa jednosmernom strujom gde se jačina struje nalazi u odgovarajućem rasponu koji se ponavlja u određenim intervalima kao što je prikazano na slici 2.15. Postoji mogućnost regulisanja vremenskog trajanja perioda sa velikom radnom i malom osnovnom jačinom struje. Prednost pulsa u odnosu na konstantu jačinu struje je u smanjenom unosu toplote. Pulsni režim se češće koristi kod automatizovanih procesa nego u ručnom zavarivanju [14, 17]. Slika 2.15 Kvadratni oblik periode pri pulsnom zavarivanju [14] 14 2.2.2 Zaštitni gas Sa izvorom struje odnosno aparatom povezana je boca sa zaštitnim inertnim gasom. Kao zaštitni gas koriste se inertni gasovi kao što su argon, helijum, njihove mešavine i mešavine argona sa vodonikom i azotom [18]. Argon ima veću upotrebu o odnosu na helijum. Čistoća argona koji se upotrebljava je veća od 99.99%. Ovakav argon ima veliku gustinu pa pada dole, odnosno potiskuje kiseonik gore. Neke od prednosti upotrebe argona su stabilniji električni luk uz minimalne promene napona pri promeni dužine električnog luka, efikasnije katalitičko čišćenje, dobra zaštita električnog luka i sa manjim protokom gasa 7 do 16 l/min, kao i postojanost zaštite pri manjem strujanju vazduha, niža cena i veća isplativost. Nedostatak u upotrebi zaštitnog gasa argona je manja penetracija u odnosu na helijum (slika 2.16). Korišćenjem helijuma najmanje čistoće 99,996% kao zaštitnog gasa postiže se veća toplotna moć, samim tim i veća dubina uvara. Nedostatak helijuma je njegova gustina koja je manja od vazduha i helijum odlazi na gore, stoga je potreban veći protok 14-24 l/min, samim tim i veća potrošnja kako bi se električni luk zaštitio [14]. Pored čistih gasova upotrebu imaju i mešavine gasova. Veća penetracija kod zaštite argonom se postiže tako što se argonu dodaje vodonik do 5%, ali i mešanjem argona sa helijumom [7, 18, 19]. Zaštita argonom se može koristiti kod svih metala, dok He, i mešavine gasova se koriste kod zavarivanja obojenih metala i njihovih legura (tabela 2.2). Slika 2.16 Izgled električnog luka i dubine uvara u zavisnosti od zaštitnog gasa [16] Tabela 2.2 Zaštitni gasovi i njihova primena prema EN 439:1994 Gas Nelegirani ili niskolegirani čelici Nerđajući čelici Al Cu Ni Obojeni metali osetljivi na gasove Ar ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ Ar + H2 ✓ ✓ He ✓ ✓ ✓ 75% Ar-25% He ✓ ✓ ✓ 50% Ar – 50% He ✓ ✓ ✓ 15 Na slici 2.17 se vidi koliko je napon veći pri upotrebi helijuma u odnosu na argon pri istim dužinama električnog luka. Slika 2.17 Napon luka i jačina struje u zavisnosti od zaštitnog gasa [14] 2.2.3 Mlaznica Pored izbora gasa bitno je adekvatno odrediti protok gasa kao i adekvatnu mlaznicu. Mlaznica predstavlja keramički deo koji se postavlja na kraj zavarivačkog pištolja oko netopljiva elektrode, i služi da usmerava i spreči rasipanje zaštitnog gasa. Odabir mlaznice se vrši na osnovu zaštitnog gasa, debljine elektrode na bazi volframa i jačine struje. Postoje mlaznice konusnog, cilindričnog i profilisanog oblika (slika 2.18) [1, 16]. Slika 2.18 Vrste mlaznica za zaštitni gas [2]: a) konusni oblik, b) cilindrični oblik c) profilni oblik Najbolja zaštita se postiže mlaznicom profilisanog oblika. Da bi se poboljšala usmerenost unutar mlaznice oko elektrode se postavlja sito koje ravnomerno raspoređuje gas po celom prečniku mlaznice (slika 2.19) [14]. 16 Slika 2.19 Strujanje zaštitnog gasa [20]: a) pre postavljanja sita, b) posle postavljanja sita Kod TIG zavarivanja bitno je i drugu stranu metala šava zaštititi inertnim gasom kako bi se eliminisao uticaj atmosfere. Za takve potrebe postoje posebni pribori, podložne ploče, koje se postavljaju sa druge strane spoja, jedan od njih je prikazan na slici 2.20. Slika 2.20 Podložna ploča sa zaštitnim inertnim gasom [12, 14] 2.2.4 Pištolj za zavarivanje Od izvora struje do radnog mesta idu provodnici od kojih je jedan sa steznim kleštima koja se priključuju za radni komad, dok su ostali provodnici spakovani u jedan kabl koji se naziva polikabl i na čijem kraju je zavarivački pištolj (gorionik). Unutar polikabla nalazi se provodnik električne struje, crevo za dotok zaštitnog gasa, i creva za dotok fluida za hlađenje, ali i odvod zagrejanog fluida (slika 2.21). 17 Slika 2.21 Poprečni presek zavarivačkog pištolja kod TIG postupka [14] 2.2.5 Elektroda Za uspostavljanje i održavanje električnog luka najveću ulogu ima netopljiva elektroda na bazi volframa. Ona nastaje sinterovanjem volframa čistoće 99,5% ili veće čistoće, jer nečistoće utiču na trošenje elektrode. Oznaka elektrode je WP. Tačka topljenja volframa je 3410°C, tako da se elektroda ipak troši, ali u oblasti koji nema adekvatano hlađenje tj. sam vrh elektrode. Do topljenja vrha elektrode dolazi pri zavarivanju velikim gustina struje i pri jednosmernoj struji obrnute polarnosti. Elektroda se najčešće upotrebljava za naizmeničnu struju, jer kod jednosmerne je teška uspostava električnog luka. Topljenje elektrode predstavlja problem jer rastopljena elektroda dospeva u metal šava i kontaminira šav. Kako bi se povećao radni vek elektrode, ali i stabilnost luka volfram se legira sa torijumom, cirkonijumom, cerijumom i lantanom, a poželjno je da se koristi produžen protok zaštitnog gasa kako bi se elektroda ohladila i sprečila oksidacija. • Elektrode na bazi volframa se legiraju sa 1-4% torijum oksida (ThO2) koji pomaže u lakšem emitovanju elektrona, olakšava uspostavljanje električnog luka, povećava stabilnost luka i povećava vek trajanja. Takođe izdržava do 20% veće gustine struje i nema kontaminacije šava kao kod čistih volfram elektroda. Najčešće u upotrebi je elektroda W-Th2 što predstavlja leguru volframa sa 2% torijum oksida. Torijum spada u radioaktivne materijale stoga se njegova upotreba smanjuje, a samim tim i upotreba ovakvih elektroda. • Elektrode na bazi volframa legirane sa 0,2-1% cirkonijum oksida (ZrO2) se koriste kod naizmenične struje. Po osobinama se nalazi između elektrode od čistog volframa i legirane sa ThO2. Prednost u odnosu na nelegirane elektrode je što ne dovodi do kontaminacije šava i lakša uspostava električnog luka. Nedostatak je što se elektroda lako zatupi. • Elektrode na bazi volfram legirane sa 2% cerijum oksida (CeO2) proizvedene su kao moguća zamena za W-Th, jer nisu radioaktivne. U poređenju sa elektrodom od čistog volframa ima bolju uspostavu luka, stabilniji luk i manje trošenje. 18 • Elektrode na bazi volfram legirane sa 1-2% lantan oksida (La2O3) nastale su kao zamena za elektrode legirane Th, jer La nije radioaktivan. Ova elektroda sa 2% La ima najpribližnije osobine elektrodi W-Th2 uz manje trošenje vrha. Kako bi se lakše razlikovale elektrode su na jednom kraju obojene. To je propisano i standardom ISO 6848:2004 i AWS5.12:2009 (tabela 2.3). Tabela 2.3 Označavanje TIG elektroda po standardu ISO 6848:2004 Oznaka WP WCe 20 WLa 10 WLa 15 WLa 20 WTh 10 WTh 20 Oksidi legirajućih elemenata Nema CeO2 La2O3 La2O3 La2O3 ThO2 ThO2 Maseni udeo legirajućih oksida [%] 1,8-2,2 0,8-1,2 1,3-1,7 1,8-2,2 0,8-1,2 1,7-2,2 Boja Zelena Siva Crna Zlatna Plava Žuta Crvena 2.2.6 Oblik vrha elektrode Jačina struje, vrsta struje i polaritet, kao i vrsta elektrode utiču na temperaturu koja je na vrhu elektrode, a samim tim i na trošenje vrha elektrode, odnosno zatupljivanje elektrode [21]. Stoga je potrebno vršiti oštrenje elektrode kako bi se napravio vrh odgovarajućeg ugla. U zavisnosti od materijala koji se zavaruje i potrebne jačine struje određuje se oblik i potreban ugao elektrode. Oblik vrha elektrode može biti koničan i zaobljen tj. sa polukružnim vrhom (slika 2.22). Kod konične elektrode gustina struje je veća i koncentrisanija pa se postižu veće dubine penetracije pri zavarivanju. Najčešće se koristi za jednosmerne struje. Elektroda sa zaobljenim vrhom ima malu dubinu uvara i koristi se pri zavarivanju naizmeničnom strujom Al, Mg i njihovih legura [12]. Slika 2.22 Uticaj oblika elektrode na oblik šava [12]: a) konusni, b) sferni Ugao vrha kod koničnih elektroda se postiže brušenjem. Pri brušenju bitno je pravilno postaviti elektrodu u odnosu na odgovarajući brusni kamen. Elektrode tanje od 2,5 mm potrebno je da imaju konus visine oko 2 prečnika, dok deblje elektrode treba da imaju visinu konusa oko 1,5 prečnika. Ova zavisnost utiče na ugao na vrhu konusa. Na slici 2.23 prikazan je pravilan i nepravilan način brušenja elektrode. 19 1) “Lutajući luk” 2) Vrh brusa u obliku tačke 3) Brusni kamen 4) Radijalni smer dobijen brušenjem 5) Stabilni luk 6) Ravni vrh 7) Aksijalni smer dobijen brušenjem Slika 2.23 Priprema elektrode na bazi legure volframa [20] Da bi se povećala trajnost elektrode njen vrh se zatupljuje do 0,5 mm što neznatno utiče na dubinu uvara. Ukoliko se elektroda brusi poprečno (radijalno) na osu, tragovi brušenja izazivaju da električni luk nije skoncentrisan (slika 2.24b) za razliku od brušenja u pravcu ose (slika 2.24a). Slika 2.24 Oblik električnog luka nakon brušenja elektrode [20] Kako je sam proces oštrenja komplikovan preporuka je koristiti uređaje namenjene za oštrenje elektroda na bazi volframa [22]. Posebno što ti uređaji imaju adekvatnu komoru koja sakuplja opiljke od brušenja koji su štetni po čoveka. Vrednost ugla kod koničnih elektroda, i zaobljenja kod sfernih zavisi od prečnika elektrode odnosno od jačine struje sa kojom se treba zavarivati. Kod jednosmerne struje jačine do 25 A koristi se ugao vrha elektrode 30°, od 25-100 A ugao vrha elektrode od 30-60° uz mogućnost zatupljenja vrha, od 100-200 A ugao vrha elektrode 60 - 90° sa zatupljenim vrhom. Elektrode za naizmeničnu struju manje jačine mogu biti 20 konusnog oblika, sa zaobljenjem na vrhu. Elektroda sa sferom koristi se za jačine struje oko 150 A [23]. Elektroda se postavlja u pištolj tako da ima prepust od 4 do 9 mm kako bi se obezbedio adekvatan protok gasa i površina pokrivena gasom (slika 2.25). Takođe sa ovim rastojanjem smanjuje se zagrevanje mlaznice i eliminiše se mogućnost kontaminacije spoja usled raspadanja mlaznice. Slika 2.25 Rastojanje vrha elektrode od mlaznice [23] 2.2.7 Dodatni materijal Zavarivanje materijala tanjih od 1 mm najčešće se radi bez dodatnog materijala samo rastapanjem osnovnog materijala. Za deblje materijale koristi se dodatni materijal u obliku žice prečnika 0,8-4 mm dužine 1000 mm, ili žice u kolutu kod aparata opremljenih posebnim dodavačem. Odabir dodatnog materijala zavisi od vrste i debljine osnovnog materijala, prečnika elektrode i vrste spoja koji je potrebno zavariti [16]. U tabeli 2.3 prikazani su preporučeni parametri za zavarivanje visokolegiranih čelika u zavisnosti od debljine radnog materijala Za dodatni materijal preporučljivo je da po hemijskom sastavu i mehaničkim osobinama bude približan osnovnom materijalu. S obzirom da se TIG metodom mogu zavarivati raznorodni materijali, dodatni materijal može da bude približan jednom osnovnom materijalu, ali može biti i potpuno različit. Odabir hemijskog sastava dodatnog materijala je potrebno izvršiti po katalogu proizvođača ukoliko je potrebno da se zavaruju raznorodni materijali [14]. U zavisnosti od načina dodavanja dodatnog materijala u električni luk pri zavarivanju postoje tri vrste TIG zavarivanja: • Ručno • Poluautomatizovano • Automatizovano TIG zavarivanje Ručno TIG zavarivanje se zasniva da zavarivač u jednoj ruci drži pištolj za zavarivanje dok drugom rukom dodaje dodatni materijal (slika 2.26). Zavarivač ima potpunu kontrolu nad zavarivanjem stoga je potrebno veliko iskustvo kako bi zavareni spoj bio odgovarajućeg kvaliteta. 21 Slika 2.26 Tehnika ručnog zavarivanja [14] Poluautomatizovano zavarivanje se izvodi na sličan način kao ručno zavarivanje s tim što se dodatni materijal dodaje automatski. Postoji više izvedbi, ali najčešće se koristi modifikovan zavarivački pištolj gde dodatni materijal dolazi kroz poseban buržir. Prekidač je u obliku nožne papučice, čijim pritiskom se aktivira motor koji dodaje žicu. Automatsko zavarivanje se izvodi na CNC programiranim robotima, čime je omogućeno zavarivanje bez uticaja ljudskog faktora. Na ovaj način povećava se efikasnost zavarenog spoja i produktivnost procesa zavarivanja. Elektronika koja upravlja robotom pored kretanja prati i optimizuje parametre zavarivanja. Međutim, čovek nije isključen iz procesa, jer istog robota treba programirati i odrediti početne parametre za zavarivanje, kao i dodatni materijal. 2.3 A-TIG U poslednje vreme, TIG postupak je sve aktuelniji jer omogućava dobijanje kvalitetnih zavarenih spojeva sa dobrim estetskim izgledom. Najveću upotrebu ima pri zavarivanju nerđajućih čelika malih debljina i izradi korenog prolaza kod većih debljina materijala. Međutim pored mnogih prednosti, nedostatak TIG-a je mala brzina zavarivanja i veliki uticaj čoveka. Stoga se danas razvijaju i primenjuju razne modifikacije TIG postupka kako bi se ti nedostaci odstranili [3]. Jedan od tih procesa je upotreba aktivnog premaza. Taj postupak se zove A-TIG (Active Flux TIG). Upotreba premaza omogućava veću penetraciju čime je moguće zavarivati materijale većih debljina u jednom prolazu (slika 2.27), i zavarivanje bez pripreme materijala, odnosno izrade žljebova. Na ovaj način smanjuje se broj prolaza, skraćuje vreme pripreme i ukupno vreme zavarivanja što sve doprinosi velikoj ekonomskoj isplativosti A-TIG postupaka [3]. 22 Slika 2.27 Izgled metala šava [7]: a) uzorak bez premaza (TIG), b) uzorak sa premazom (A-TIG) A-TIG postupak je nastao 1960-ih godina na institutu Paton u Ukrajini, gde je razvijen premaz koji je omogućio povećanje dubine uvara pri zavarivanju nerđajućih čelika i legura Ti [24]. U početku primenjivao se u vojnoj i avio proizvodnji, međutim i pored velikih prednosti i doprinosa nije široko zastupljen u masovnoj upotrebi. 2.3.1 Aktivni premaz Priprema premaza započinje odabirom čestica aktivnih elemenata, oksida, fluorida ili hlorida, kao i njihovih mešavina. Čestice u čvrstom stanju se usitnjavaju kako bi dobili čestice određene granulacije. Nakon toga se vrši odmeravanje udela čestica i rastvarača (najčešće etanol ili aceton). Potom se mešanjem homogenizuju čestice sa rastvaračem i dobija suspenzija koja se četkicom ili naprskavanjem nanosi na materijal, nakon čega se vrši zavarivanje netopljivom elektrodom na bazi volframa. Ceo postupak pripreme je prikazan na slici 2.28. Slika 2.28 Priprema aktivnog premaza: a) odmeravanje komponenti aktivnog premaza, b) mešanje komponenti aktivnog premaza c) nanošenje aktivnog premaza Premaz utiče na promenu geometrije šava, odnosno povećanje dubine uvara i smanjenje širine šava. Dubina uvara kod upotrebe premaza se povećava do četiri puta u odnosu na konvencijonalni TIG postupak sa istim parametrima [25]. Aktivni premazi su postali veoma značajani i mnogi istraživači ih primenjuju na raznim materijalima. Pošto je ustanovljeno da aktivni premaz ima uticaj na proces zavarivanja, istraživači su pokušali da daju pouzdana objašnjenje za veću dubinu uvara kod legura titanijuma i čelika [8, 9, 26–28], jer su sile koje deluju pri zavarivanju kao što su: gravitaciona (sila pritiska), elektromagnetna, površinski naponi i aerodinamički otpor iste kod TIG i A- 23 TIG postupka. Međutim Mills sa saradnicima [31] ustanovio je da premaz ima slabije dejstvo kod procesa zavarivanja topljenjem bez električnog luka (laser i elektronski snop). Nakon detaljnih istraživanja o delovanju sila u zoni električnog luka ustanovljeno je da se dubina uvara menja sa promenom smera kretanja rastopa. Promena smera se vezuje za Marangonijev efekat strujanja fluida, što je prihvaćeno kao objašnjenje za delovanje aktivnog premaza [29–31]. 2.3.2 Metode nanošenja aktivnog premaza Topitelj ili aktivni premaz nastaje mešanjem mikro ili nano čestica sa acetonom ili etanolom dok ne poprimi oblik suspenzije ili paste koja se nanosi na površinu metala koji treba zavarivati. Premaz se može naneti pomoću četkice ili kao sprej iz boce pod pritiskom u zavisnosti od gustine aktivnog premaza (slika 2.29) [4, 32]. Nanošenje četkicom je češći postupak, jer je pre upotrebe moguće pomešati komponente sa rastvaračem u preporučenom odnosu. Slika 2.29 Tehnike nanošenja aktivnog premaza [4]: a) četkicom b) sprejom 2.3.3 Marangonijev efekat Marangonijev efekat je nazvan po Karlu Marangoniju koji ga je detaljno istraživao 1865. g , međutim efekat je prvi uočio James Thomson 1855. godine. [33]. Marangonijev efekat predstavlja efekat strujanja fluida, odnosno poznat je kao toplotni koeficijent površinskog napona koji ima značajan uticaj na dubinu uvara u materijalu. Po ovom efektu pravac kretanja fluida zavisi od toplotnog koeficijenta površinskog napona u fluidu. Fluid se kreće od polja niskog površinskog napona ka polju višeg površinskog napona. Napon termo kapilarnog protoka određen je Marangonijevim brojem Ma, koji je bezdimenziona veličina i prikazana je formulom (1): 𝑀𝑎 = 𝑑𝛾 𝑑𝑇 𝑑𝑇 𝑑𝑥 𝐿2 𝜂𝑎 (1) gde su: dγ/dT - toplotni koeficijent površinskog napona, dT/dx - temperaturni koeficijent, η - viskozitet, a - temperaturna difuzija i L - karakteristična dužina [31]. Marangonijev efekat se prvi put u zavarivanju spominje 1960. kao moguće rešenje problema pri zavarivanju - odlivak za odlivak. Problem se javio pri robotskom zavarivanju velikog broja spojeva u više prolaza i uočena je promena u penetraciji pri 24 TIG zavarivanju nerđajućih austenitnih i feritnih čelika. Sa istim parametrima određeni spojevi su bili potpuno provareni, dok su neki bili samo delimično. Urađeni su brojni pokušaji da se uspostavi zavisnost između promenljive dubine uvara kod zavarivanja - odlivak za odlivak, ali i pri zavarivanju sa manjim količinama nečistoća i metala u materijalu. Uočeno je da manje količine nečistoća ili određenih elemenata mogu imati veliki uticaj na električni luk i površinske osobine metala šava [31]. Takođe je uočeno je da promena toplotnog koeficijenta površinskog napona (dγ/dT) na metalu šava utiče na kretanje rastopa u metalnoj kupki. Površinsko prisustvo aktivnih elemenata sumpora i kiseonika u čeliku izaziva promene površinskog napona (γ) u metalnoj kupki (slika 2.30), dok promena toplotnog koeficijenta površinskog napona (dγ/dT) u metalnoj kupki povećava površinski napon u središtu metala šava koji se postepeno smanjuje prema spoljašnjem delu rastopa [4, 31]. Slika 2.30 Uticaj udela sumpora na površinski napon [31] Na osnovu uticaja količine aktivnih elemenata na zavaren spoj, odnosno na kretanje tečnog metala u kupki, razvila se teorija da pravac i veličina termo kapilarnih sila utiču na pravac kretanja rastopa u metalnoj kupki, te da se termo kapilarne sile mogu kontrolisati koncentracijom površinskih aktivnih elemenata kao što su sumpor i kiseonik. Međutim uočeno je da kada koncentracija površinskih aktivnih elemenata pređe određenu vrednost, toplotni koeficijent površinskih napona (dγ/dT) prelazi iz negativne u pozitivnu vrednost. Na slici 2.31a prikazano je kretanje rastopa kod čelika sa niskim sadržajem sumpora i kiseonika gde se rastop kreće prema granici rastopa tj. iz oblasti nižeg površinskog napona ka oblasti sa višim površinskim naponom. Uočljivo je da povećanje temperature dovodi do negativnog toplotnog koeficijenta površinskog napona (dγ/dT). Rezultat ovakvog kretanje je plitak uvar i velika širina šava [4, 34]. 25 Slika 2.31 Kretanje rastopa [4]: a) negativna vrednost površinskog napona, b) pozitivna vrednost površinskog napona Ukoliko na površini čelika, ili u samom čeliku ima povećan sadržaj odgovarajućih elemenata u metalnoj kupki dolazi do promena koeficijenta površinskog napona (slika 2.31b). Toplotni koeficijent površinskih napona raste do određene temperature. Nakon dostizanja maksimalne vrednosti, sa daljim porastom temperature on opada, odnosno iz pozitivne prelazi u negativnu vrednost. U radovima [8, 32, 35] ovaj efekat je opisan kao obrnuti Marangonijev efekat. Obrnuti Marangonijev efekat izaziva da se rastop kreće od granice rastopa prema centru metala šava. Kombinacija kretanja rastopa i pritiska električnog luka usmeravaju rastop da se kreće ka dole kako je prikazano na slici 2.31b. Kombinacija ovih sila dovodi do povećanja penetracije, jer toplotu sa vrha prenosi ka korenu metala šava. Ovakvo ponašanje postoji samo do određene, granične temperature nakon koje dolazi do složenog kretanja rastopa. Ustanovljeno je da sa porastom temperature raste i koeficijent površinskog napona, ali do neke temperature. Nakon postizanja maksimalne vrednosti koeficijenta površinskog napona sa daljim porastom temperature koeficijent menja vrednost iz pozitivne u negativnu (slika 2.32) [31, 34]. Slika 2.32 Promena smera koeficijenta površinskog napona [31] 26 2.3.4 Zavarivački luk Pri TIG zavarivanju kada pištolj sa elektrodom na bazi volframa prelazi sa čelika na čelik premazan sa aktivnim premazom uočljivo je smanjenje prečnika električnog luka (slika 2.33). Ova pojava je opisana kao suženje električnog luka pri A-TIG zavarivanju. Slika 2.33 Izgled električnog luka [36]: a) bez premaza, b) sa aktivnim premazom (TiO2) Suženje električnog luka sužava površinu korena električnog luka, odnosno anodne mrlje i dovodi do povećanja gustine struje, što rezultira užim šavom sa većom dubinom uvara u odnosu na klasičan TIG postupak. Tokom A-TIG zavarivanja plava svetlost električnog luka je sužena, a oko njega su isparenja aktivnog premaza koja ga sužavaju (slika 2.34) [32, 37]. Slika 2.34 Šematski prikaz konstrukcije električnog luka [4] U zavisnosti od vrste aktivnog premaza zavisi i suženje električnog luka. Urađeni su brojni eksperimenti kako bi se utvrdio uticaj različitih elemenata, a u jednom od njih upoređivan je uticaj premaza na bazi TiO2 i SiO2 [36]. Ustanovljeno je da veće suženje luka dobijeno upotrebom SiO2, a to je objašnjeno elektro negativnošću premaza. Si ima veću elektro negativnost u odnosu na Ti, samim tim pri isparenju može da primi više elektrona koji deluju na obimu električnog luka i čini luk užim [36]. Na osnovu rezultata istraživanja o uticaju aktivnih premaza verovalo se da elementi sa velikom elektro negativnošću, halidi (elementi VII kolone) imaju veliki uticaj na oblik električnog luka. Međutim, ispostavilo se da je nemoguće ustanoviti kvalitetnu korelaciju između jonizacije električnog luka i njegovog suženja. Isparenja halida pored elektrona iz električnog luka prikupljali su i druge elemente npr. fluoride koji izazivaju širenje električnog luka [38]. 27 2.3.5 Faktori koji utiču na performanse kod A-TIG postupka Na dubinu uvara kod A-TIG postupka veliki uticaj imaju [39]: • Marangonijeve sile, odnosno sile površinskih napona, • Elektromagnetna sila, odnosno Lorencova sila, • Sila gravitacije, odnosno sile hidrostatičkog potiska, • Sile aerodinamičkog otpora. Zbog uticaja Marangonijevih sila rastop se kreće od centra prema spolja i tako prenosi maksimalnu toplotu do bočnih granica rastopa. Ovakvim kretanjem se dobija širok metal šav sa malom dubinom uvara (slika 2.31a) [4]. Lorencove sile nastaju usled elektromagnetnog polja koje se stvara oko elektrode i električnog luka u kome se kreću naelektrisane čestice. Zbog dejstva Lorencove sile rastop se kreće u smeru strujnog toka, odnosno ka korenu metala šava (slika 2.35a) [30]. Slika 2.35 Kretanje rastopa usled: a) elektromagnetnih sila, b) sile potiska, c) aerodinamičkih sila Sila gravitacije ima stalni uticaj, međutim u rastopu se javlja razlika u gustini metala. Gustina metala se smanjuje sa porastom temperature stoga tečni metal u rastopu kreće se od veće gustine ka manjoj, odnosno ka površini šava kako je prikazano na slici 2.35b. Ova sila utiče na smanjenje dubine uvara, međutim njen uticaj u poređenju sa drugim silama je manji [4, 30]. Sile aerodinamičnom otporu koje nastaju pri prelasku električnog luka preko površine metala i metalne kupke izazivaju kretanje po spoljašnosti kupke, kao što je prikazano na slici 2.35c [4, 30]. Na osnovu velikog broja korišćenih matematičkih modela konstatovano je da najveći uticaj od ove četiri sile na dubinu uvara i oblik šava ima uticaj sile površinskih napona, odnosno Marangonijev efekat [30, 37, 39]. 2.3.6 Uticaj parametara zavarivanja: 2.3.6.1 Jačina struje zavarivanja Sa porastom jačine struje, raste i količina toplote koja učestvuje u povećanju dubine uvara. Međutim sa porastom jačine struje pojačava se uticaj elektromagnetne sile i 28 aerodinamičkog otpora. Elektromagnetna sila utiče na povećanje penetracije, dok sila aerodinamičkog otpora utiče na povećanje širine šava [40]. Slika 2.36 Uticaj temperature na površinski napon [40] Na slici 2.36 prikazani su gradijenti površinskog napona kod nerđajućeg čelika AISI 316 i AISI 316 sa povećanim sadržajem sumpora, koji pri TIG zavarivanju predstavlja aktivni element, jer utiče na promenu kretanja rastopa metala šava . Sa povećanjem jačine struje raste temperatura i površinski napon kod čelika sa povećanim sadržajem sumpora što se odražava na povećanu penetraciju i uži šav [40]. Venkatesan sa saradnicima [41] je istraživao uticaj aktivnih premaza na čelik AISI 304 (slika 2.37) gde se jasno može videti da je sa premazom na bazi SiO2 dubina penetracije do 50% veća nego bez premaza. Slika 2.37 Uticaj aktivnih premaza na dubinu uvara [41] Pored dubine uvara jačina struje ima uticaja i na odnos dubine uvara i širine šava (D/Š). Kao što je rečeno sa porastom jačine struje povećava se uticaj aerodinamickog otpora, pa se odnos D/Š smanjuje. Na slici 2.38a može se uočiti da se do određene jačine struje odnos D/Š povećava kod čelika AISI 304 sa aktivnim elementima, nakon čega se smanjuje, međutim u svakom slučaju odnos je povoljniji nego kod materijala bez premaza [40, 42]. 29 Slika 2.38 Uticaj jačine struje kod A-TIG postupka: a) na odnos D/Š [40], b) širinu šava [43] U velikom broju istraživanja dobijeni su rezultati koji pokazuju da povećanje jačine struje ima mnogo manji uticaj na povećanje širine metala šava zavarenih A-TIG postupkom (slika 2.38b) [40, 43, 44]. 2.3.6.2 Brzina zavarivanja Brzina zavarivanja je prosečna brzina kretanja zavarivačkog pištolja preko materijala koji se zavaruje i direktno utiče na količinu unosa toplote pri zavarivanju, a time ima direktan uticaj na geometriju metala šava. Manjom brzinom zavarivanja materijal bi se više zagrevao pa bi dubina uvara bila veća, ali i šav bi bio širi. Ukoliko je mala brzina zavarivanja kiseonik iz premaza ima dovoljno vremena da reaguje u rastopu i izazove obrnuti Marangonijev efekat, odnosno da usmeri kretanje sa površine ka korenu i na taj način da odnos D/Š bude veći kod materijala gde postoji aktivni premaz (slika 2.39) [24, 45, 46]. Slika 2.39 Uticaj brzine zavarivanja kod A-TIG-a [24] 2.3.6.3 Dužina električnog luka Dužina električnog luka predstavlja razmak između elektrode i materijala. Povećanjem dužine luka dolazi do povećanja napona električnog luka pri istoj jačini struje. Električni luk je konusnog oblika, sa povećanjem rastojanja povećava se površina anodne mrlje što za posledicu ima smanjenje gustine toplotnog fluksa na površini materijala. Pri 30 većoj dužini luka dolazi do većeg gubitka toplote iz samog električnog luka zbog veće konvekcije i zračenja (slika 2.40a) [24, 47]. Slika 2.40 Uticaj dužine električnog luka: a) na toplotni fluks [47], b) na dubinu uvara i odnos D/Š [24] Na slici 2.40b može se uočiti da dubina uvara i odnos D/Š se smanjuje sa porastom dužine luka kako kod materijala sa premazom tako i kod materijala bez aktivnog premaza. 2.3.6.4 Geometrija elektrode Geometrija elektrode kao što su prečnik elektrode, oblik vrha (konusni, ravan, zatupljen) i ugao konusa imaju veliki uticaj na oblik električnog luka. Ovi parametri su povezani sa jačinom struje, naponom i dužinom luka, a zajedno imaju uticaj na sile u rastopu metala. Konusni oblik elektrode ima uticaj na povećanje površine anodne mrlje samim tim i na smanjenje toplotnog fluksa na površini metala. Na slici 2.41 [48] prikazan je uticaj ugla konusa vrha elektrode i dužine električnog luka na gustinu struje na površini. Slika 2.41 Uticaj ugla konusa vrha elektrode na gustinu struje na anodnoj mrlji [48] Na osnovu većeg broja istraživanja došlo se do zaključka da je najpovoljniji ugao od 45° jer pri tom uglu deluje najveći toplotni fluks [40, 49]. 31 Slika 2.42 Uticaj ugla vrha elektrode na materijale sa aktivnim premazom [40] Elektrode sa zatupljenim vrhom su takođe konusne pod određenim uglom, ali im je vrh zatupljen odnosno poravnat što za posledicu ima povećanje površine anodne mrlje i manji toplotni fluks na površini. Pored manje vrednosti toplotnog fluksa i gustina struje je manja u odnosu na koničnu elektrodu pa je dubina uvara, kao i odnos D/Š manji [30]. Slika 2.43 Uticaj oblika vrha elektrode na gustinu struje [30] 2.3.6.5 Zaštitni gas Pri A-TIG zavarivanju najčešće se koristi argon kao zaštitni gas, međutim zaštitni gas može biti i helijum kao i njihove međusobne mešavine, ali i mešavina sa azotom, kiseonikom, vodonikom. Zaštitni gasovi imaju različit potencijal jonizacije, samim tim direktno utiču na toplotni fluks pri zavarivanju. Na slici 2.44a prikazan je uticaj argona, helijuma, i njihove mešavine na odnos D/Š kod AISI 304, i AISI 304 sa sadržajem aktivnih elemenata [40]. Može se uočiti da odnos D/Š raste sa sadržajem helijuma kod materijala nerđajućeg čelika AISI304 sa aktivnim elementima[40]. Slika 2.44b prikazuje izgled šava pri zavarivanju nerđajućeg čelika AISI316 sa aktivnim premazom na bazi 32 TiO2 u zaštitnoj atmosferi 100% Ar i 50% Ar - 50% He [50], gde se takođe se može uočiti da je veći odnos D/Š pri korišćenju mešavine. Slika 2.44 Uticaj zaštitnog gasa kod A-TIG postupka na: a) odnos D/Š [40], b) dubinu zavara [50] Huang[51][51][51][51][51] [7, 51] je u svojim istraživanjima ispitivao mešavine argona sa vodonikom i argona sa azotom. Ustanovio je da dodavanje vodonika do 5% u argon povećava dubinu uvara do 45% u odnosu na čist argon kod materijala sa nanešenim aktivnim premazom (slika 2.45a) [7]. U drugom radu Huanga [51] argonu je postepeno dodavano do 10% azota i ustanovljeno je da sa ovakvim zaštitnim gasom dolazi do povećanja dubine uvara, ali u manjem procentu nego sa vodonikom (slika 2.45b). Slika 2.45 Uticaj na dubinu uvara zaštitnog gasa: a) mešavina argona sa vodonikom [7], b) mešavina argona sa azotom [51] Na slici 2.46 predstavljeni su rezultati istraživanja Tathgir [52] gde se može videti uticaj zaštitnih gasova u zavisnosti od baze aktivnog premaza na austenitnim nerđajućem čelicima AISI 304 i AISI 316, niskolegiranom čeliku AISI 4340 i Duplex 2205 feritno/austenitnom nerđajućem čeliku. 33 Slika 2.46 Uticaj zaštitnog gasa na dubinu uvara kod A-TIG postupka [52] Postoje i pokušaji gde se aktivni elementi mešaju sa zaštitnim gasom. Kao primer u zaštitni gas argona dodavan je kiseonik (O2). Rezultati su pokazali da je dubina uvara povećana, uz stvaranje oksida na površini materijala [29]. 2.3.6.6 Aktivni premaz Uloga aktivnog premaza je da poveća dubinu uvara uz adekvatan odnos D/Š. Aktivni premaz se najčešće sastoji od oksida ili halida. Ovi sastojci izazivaju obrnuti Marangonijev efekat koji utiče na povećanje penetracije i do 200%, pored toga isparenja aktivnog premaza sužavaju električni luk pa je anodna mrlja sužena. Aktivni premaz nastaje tako što se čestice određenih elemenata nalaze u odgovarajućem rastvoru. U radovima su korišćeni različiti aktivni oksidi i fluoridi kao što su: SiO2, Al2O3, MnO2, ZnP, TiO2, MoO3, Cr2O3, AlF3, CaF2, Fe2O3 kao čestice mikro i nano reda veličine, rastvorene u etanolu, acetonu i vodi [35, 41, 44, 46, 52–55]. Na slici 2.47 prikazan je uticaj aktivnih premaza na dubinu uvara kod AISI 304, AISI 316 Duplex 2205 i AISI 4340 [52]. Jačina struje pri zavarivanju je bila 120 A, a protok zaštitnog gasa argona je 10 l/min. Dubina uvara pri određenim aktivnim premazima je do 250% veća nego pri zavarivanju sa istim parametrima bez premaza. 34 Slika 2.47 Uticaj aktivnih premaza na dubinu uvara kod A-TIG postupka [52] Pored vrste aktivnih elemenata uticaj imaju i veličine čestica kako je prikazano na slici 2.48 [52]. Na slici 2.48a prikazan je oblik metala šava pri zavarivanju bez aktivnog premaza i sa aktivnim premazima SiO2 i Al2O3 sa česticama mikro i nano veličine. Uočljivo je da je dubina uvara veća pri korišćenju nano čestica. Vrednost dubine uvara i vrednost širine metal šava prikazane su na slici 2.48b. Dubina uvara pri korišćenju aktivnog premaza pri istim parametrima veća je i preko 500% u odnosu na dubinu uvara bez aktivnog premaza. Slika 2.48 Uticaj veličine čestica na [55]: a) oblik metala šava, b) dubinu i širinu šava 35 2.3.7 Uticaj aktivnog premaza na mehaničke osobine 2.3.7.1 Mikrotvrdoća Vrednost tvrdoće zavarenih spojeva je često propisana standardom za odgovarajuću grupu materijala. Nakon zavarivanja tvrdoća ne sme biti iznad dozvoljenih vrednosti u metalu šava i oblasti ZUT-a. Uticaj aktivnog premaza na rezultate tvrdoće zavisi od vrste materijala koji se zavaruje. Na slici 2.49 vidi se uticaj različitih vrsta premaza na promenu tvrdoće u nerđajućem čeliku AISI 316L [36, 53]. Mikrotvrdoća je merena metodom Vikers sa opterećenjem od 300 g. Slika 2.49 Profil tvrdoće metala šava: a) K.-H. Tseng i K.-L. Chen [36] b) K.-H. Tseng i C.-Y. Hsu [53] Sa slike 2.49 vidi se da se vrednosti mikrotvrdoće nakon zavarivanja upotrebom aktivnog premaza znatno ne menjaju u odnosu na mikrotvrdoće dobijenih kod uzorka bez aktivnog premaza. Može se videti da kod upotrebe aktivnog premaza na manjem rastojanju od centra dolazi do smanjenja tvrdoće. Slične rezultate tvrdoće na čeliku AISI 316L postigli su A. Hdhibi i saradnici [56]. Prilikom zavarivanja AISI 304 u zaštitnom gasu mešavine argona i azota (do 10%) sa premazom na bazi MnO2 + ZnO čestica rastvorenih u acetonu, ustanovljeno je da su vrednosti tvrdoće manje nego pri zavarivanju bez aktivnog premaza (slika 2.50) [51]. 36 Slika 2.50 Uticaj aktivnog premaza i procenta azota u argonu na tvrdoću [51] 2.3.7.2 Zatezane karakteristike Zatezna čvrstoća predstavlja jednu od osnovnih osobina materijala i propisana je standardom za odgovarajuću grupu materijala. Osnovni materijal koji se zavaruje ima zateznu čvrstoću u propisanim granicama. Tokom zavarivanja dolazi do promene mikrostrukture zbog uticaja temperature i upotrebe dodatnog materijala, pa zatezna čvrstoća zavarenog spoja može odstupati od vrednosti osnovnog materijala, ali mora biti u standardnom propisanim granicama. Kod A-TIG zavarivanja se ne koristi dodatni materijal, ali ima prisustvo elemenata iz aktivnog premaza koji mogu uticati na zatezne karakteristike metala šava. Prilikom zavarivanja nerđajućeg čelika AISI 2205 bez premaza i sa više vrsta aktivnih premaza ustanovljeno je da dobijene zatezne karakteristike su iste ili malo više u odnosu na klasično TIG zavarivanje [54]. Na slici 2.51, prikazana je promena zatezne čvrstoće i izduženja u zavisnosti od upotrebe i vrste aktivnog premaza. 37 Slika 2.51 Uticaj aktivnog premaza na zatezne karakteristike [54] H. Huang je u radu [51] zavarivanje A-TIG postupkom koristio je materijal AISI 304 debljine 5 mm. Kao aktivni premaz korišćena je mešavina čestica MnO2 i ZnO u odnosu 4:1 u acetonu, a zaštitni gas je mešavina argona sa azotom. Rezultati zateznih karakteristika prikazane su na slici 2.52 i može se videti da su zatezne karakteristike sa upotrebom čistog argona malo niže od vrednosti dobijenih bez upotrebe premaza, dok zatezne karakteristike rastu sa udelom azota u zaštitnom gasu. Slika 2.52 Promena zateznih karakteristika sa upotrebom aktivnog premaza i porastom % azota u argonu kao zaštitnom gasu [51] 38 2.3.8 Sumarni pregled postignutih dubina uvara A-TIG postupkom Upotrebom TIG postupaka zavarivanja mogu se dobiti visoko kvalitetni zavareni spojevi, koji imaju visoke mehaničke osobine uz veoma dobar estetski izgleda metala šava. Zbog kvalitetnog zavarenog spoja veliku primenu ima u izradi korenog prolaza u više prolaznom zavarivanju. Međutim, zbog male penetracije proces je spor i skup. Zbog toga su razvijeni aktivni premazi koji se i danas usavršavaju i kombinuju sa raznim mešavinama zaštitnih gasova i savremenim mogućnostima novih aparata za zavarivanje. Aktivni premazi nemaju jednak uticaj na sve materijale, već određeni deluju bolje na jednu grupu materijala, dok drugi premazi deluju na drugu grupu materijala. Najveća zavarena debljina materijala u jednom prolazu upotrebom aktivnog premaza je 12 mm na nerđajućem čeliku AISI 316LN, prema navodu datom u patentu US8097826 [57]. Korišćena je jačina struje od 325 A, a aktivni premaz je u obliku paste i sastavljen je od mešavine čestica TiO2, SiO2, CrO3, NiO i CuO. Kao što je već rečeno veliki broj faktora utiče na dobijanje većih dubina uvara. Da bi proces bio pouzdan potrebno je sve te parametre uskladiti. Nerđajući čelici su najčešće korišćeni materijali za ispitivanje dubine uvara korišćenjem aktivnih premaza. Najčešće korišćen čelik u radovima je čelik AISI 316L (ekv. EN X2CrNiMo17-12-2). Pomenuti čelik debljine 6 mm je moguće provariti sa jačinom struje oko 200 A i brzinom zavarivanja oko 150 mm/min uz upotrebu aktivnog premaza na bazi SiO2 [36, 42, 53, 58]. U radu Tsenga i Hsu [53] upotrebom aktivnog premaza na bazi TiO2 na čeliku AISI 316L debljine 6 mm nije postignut je provar. Međutim, na nerđajućem čeliku AISI 316 (ekv. EN X5CrNiMo17-12-2) koji ima samo malo veći sadržaj ugljenika Hdhibi i saradnici [56] su uspeli sa manjom jačinom struje od 150 A, pri brzini 150 mm/min da provare debljinu od 6 mm. Pored AISI 316L ispitivanja su vršena i na AISI 304 (ekv. EN X5CrNi18-9). U radu [7] u potpunosti je zavaren je čelik AISI 304 debljine 5 mm sa jačinom struje 125 A sa brzinom zavarivanja od 75 mm/min, gde je aktivni premaz mešavina oksida, a zaštitni gas mešavina argona sa azotom. Sa istim parametrima, ali sa drugačijim aktivnim premazom, koji se sastoji od MnO2 i ZnO, Huang je ostvario potpunu penetraciju na 5 mm debljine [51]. Materijal AISI 304 debljine 5 mm koristili su Modenesi i saradnici [59] gde su sa jačinom struje 200 A i brzinom od 200 mm/min sa premazom na bazi Cr2O3 postigli potpunu penetraciju. Pri zavarivanju nerđajućeg čelika AISI 304H sa čelikom P92 (ekv. EN X10CrWMoVNb9-2) debljina 8 mm, korišćen je aktivni premaz sa česticama TiO2, sa jačinom struje od 220A i brzinom zavarivanja 80 mm/min, postignuto je potpuno zavarivanje [60]. Nerđajući čelik AISI 304L, sličan čeliku AISI 304 samo sa nižim sadržajem ugljenika, korišćen je u radu [41]. Debljina materijala je bila 10 mm, struja zavarivanja 180 A, a brzina zavarivanja 80 mm/min. Međutim, nakon zavarivanja postignuta je nepotpuna penetracija, odnosno dubina uvara je iznosila 5,75 mm. 39 3 Eksperimentalna istraživanja 3.1 Uvodna istraživanja S obzirom da su premazi za povećanje dubine uvara kod TIG postupka atraktivni proizvodi, čemu svedoči i relativno veliki broj patenata u toj oblasti, kao i zbog kontradiktornih rezultata u brojnim publikacijama, ocenjeno je da postoji neophodnost za izvođenjem uvodnih istraživanja, kako bi se pronašli optimalni parametri za postizanje što veće dubine uvara. U uvodnim istraživanjima zbog racionalnosti je korišćeno pretapanje, odnosno, TIG elektrodom se prelazilo preko osnovnog materijala, a osnovni kriterijum za procenu kvaliteta parametara je bila dubina pretapanja osnovnog materijala. Iz tog razloga u uvodnim istraživanjima je izvršena optimizacija: masenog udela čestica, odabira rastvarača, vrste i veličine čestica, geometrije elektrode, brzine pretapanja i jačine struje. Na osnovu uvodnih istraživanja odabrani su parametri zavarivanja i sastav aktivnog premaza kako bi se u okviru završnih istraživanja izvršila provera: makro i mikrostrukture, hemijskog sastava, mehaničkih osobina i morfologije površine loma. Rezultati završnih istraživanja su procenjeni na osnovu relevantnih standarda za ovu oblast. 3.1.1 Ekspetiment I – Određivanje uticaja masenog udela čestica TiO2 u aktivnom premazu na dubinu uvara Kako je već rečeno aktivni premaz predstavlja suspenziju čestica aktivnih elemenata u rastvaraču. Cilj prvog eksperimenta je bio da se ustanovi koji procenat čestica aktivnih elemenata u suspenziji ima najveći uticaj na dubinu uvara. Kao čestice korišćene su čestice TiO2 dobijene sintetičkim putem, nominalne veličine 300 nm, a kao rastvarač je korišćen etanol (C2H5OH). Za odmeravanje masa etanola i čestica, u cilju određivanja masenog udela, korišćena je tehnička vaga Rad-Wag PS 2100/c/2 (tačnosti 10 mg), slika 3.1a. Pripremljene su tri suspenzije, masa 2g, u sledećim odnosima: 5% TiO2 95% etanol, 10% TiO2 90% etanol i 20% TiO2 80% etanol. Nakon što su u posudi dodate odmerene količine etanola i čestica, dalja homogenizacija je izvršena na elektromagnetnom mešaču uz pomoć magnetnog jezgra (slika 3.1b). 40 Slika 3.1 Proces pripremanja aktivnog premaza: a) tehnička vaga, b) elektromagnetni mešač Da bi se najbolje uočio uticaj promene oblika metala šava, vršeno je pretapanje na pločama dužine 200 mm, širine 50 mm i debljine 15 mm od nerđajućeg čelika AISI 304L po standardu ASTM A240/A240M-04:2004 (ekv. X2CrNI18-9 po standardu SRPS EN 10088-2:2003), čiji je nominalni hemijski sastav dat u tabeli 3.1, Tabela 3.1 Hemijski sastav materijala AISI 304L po standardu Hemijski elementi C [%] Si [%] Mn [%] P [%] S [%] Cr [%] N [%] Ni [%] 0,03 1 2 0,045 0,030 17-19,5 0,110 8-10,5 Proces pretapanja je vršen bez dodatnog materijala na aparatu za TIG zavarivanje Iskra KND 350. Korišćena je elektroda na bazi volframa legirana sa 2% torijum oksida (ThO2) prečnika 2,4 mm sa uglom vrha 60° koja se po standardu ISO 6848:2004 obeležena crvenom bojom. Prečnik mlaznice oko elektrode je bio 10 mm. Pretapanje je vršeno ručno pri jednosmernoj struji direktne polarnosti i jačinama struje od 100 i 150, sa brzinom pretapanja oko 100 mm/min. Kao zaštitni gas je korišćen argon sa protokom od 10 l/min. Za ovaj eksperiment iskorišćene su dve ploče, koje su pre pretapanja odmašćene etanolom. Na svakoj ploči su obeležene 4 oblasti od 50 mm (slika 3.2) i postavljene su na radni sto. Na prvu oblast od 0 - 50 mm nije nanešen premaz odnosno predstavlja „nulti“ uzorak. Druga oblast, od 50-100 mm, premazana je sa aktivnim premazom od 5% TiO2, treća oblast, od 100-150 mm premazana je sa aktivnim premazom od 10% TiO2 i četvrta oblast od 150-200 mm koja je premazana aktivnim premazom od 20% sintetičkog TiO2 (slika 3.2). 41 Slika 3.2 Šema raspodele oblasti na kojima je nanešen premaz Premaz je nanešen na ploču u širini oko 20 mm četkicom širine 8 mm. Nakon što je etanol ispario prva ploča je pretopljena jačinom struje 100 A, druga ploča je pretopljena jačinom struje 150A. Nakon pretapanja uzorci su iz ploče prvo isečeni brusilicom poprečno na pravac pretapanja, nakon toga je izvršeno naknadno isecanje mašinom Struers diskotom sa aktivnim hlađenjem vodom, kako bi se izbeglo zagrevanje uzorka i promena mikrostukture. Tako isečeni uzorci su zatopljeni u polimer Singal (PMMA), potom su brušeni na mašini Struers Knuth Rotor brusnim papirima postepeno počev od grubog brusnog papira (P360) pa do najfinijeg brusnog papira (P2500). Po završetku brušenja uzorci su polirani na mašini Struers DP-U2 dijamantskim suspenzijama od 6 µm do 1 µm. Nakon makro provere uzoraka, pri čemu je utvrđeno da na poliranim uzorcima nema poroznosti i uključaka, uzorci su potopljeni u Carsku vodu (HNO3+3 HCl) radi nagrizanja, odnosno razvijanja mikrostrukture. Posle nagrizanja uzoraka, na svetlosnom mikroskopu Leitz Orthoplan izmerene su dimenzije metala šava. Makrostruktura je snimljena digitalnim fotoaparatom Canon a70. Slike 3.3 Izgled metal šava kod uzoraka: a) uzorak bez premaza, jačina struje 100 A, b) uzorak bez premaza, jačina struje 150 A, c) uzorak sa aktivnim premazom, jačina struje 100 A, d) uzorak sa aktivnim premazom, jačina struje 150 A Sa slike 3.3 može se videti da značajno veću dubinu uvara, veću površinu rastopljenog metala šava i uži metal šav imaju uzorci sa korišćenim aktivnim premazom. Takođe sa 42 slike se vidi da sa porastom jačine struje značajniji rast ima širina metal šava u odnosu na dubinu uvara. Slika 3.4 Izgled šava kod uzoraka sa aktivnim premazom: a) 5% aktivnog premaza, jačina struje 100 A, b) 5% aktivnog premaza, jačina struje 150 A, c) 10% aktivnog premaza, jačina struje 100 A, d) 10% aktivnog premaza, jačina struje 150 A, e) 20% aktivnog premaza 100 A, f) 20% aktivnog premaza 150 A Dubina uvara pored jačine struje zavisi i od masenog udela čestica sintetičkog TiO2 u suspenziji sa etanolom. Na slici 3.4 prikazana su uzorci sa tri različita premaza i dve različite jačine struje. Sa slike se jasno vidi da je dubina uvara veća kod uzoraka sa 5% TiO2 čestica u suspenziji, pri obe jačine struje, u odnosu na suspenzije sa 10 i 20%. Na osnovu rezultata prvog eksperimenta može se konstatovati da je najbolja penetracija postignuta sa 5% aktivne komponente TiO2 u etanolu. 3.1.2 Eksperiment II – Određivanje uticaja rastvarača U drugom eksperimentu ispitan je uticaj rastvarača i 5% čestica TiO2 u aktivnom premazu na dubinu uvara. Kao rastvarači, korišćeni su etanol i aceton. Proces pripremanja premaza je identičan kao u prvom eksperimentu, pri čemu su pripremljena dva premaza sa istom količinom aktivnih čestica u dva različita rastvarača: 5% TiO2 – 95% etanol i 5%TiO2 – 95% aceton (C3H6O). Proces pretapanja je urađen sa identičnim parametrima kao u eksperimentu I, sa jačinama struje 100, 150 i 200 A. Dimenzije uzorka su 300 mm x 30 mm x 15 mm. Na rastojanju 15 mm od druge bočne ivice vršeno je pretapanje na deo materijala gde je nanešen aktivni premaz. Na prvoj polovini dužine nanešen je aktivni premaz sa TiO2 česticama i etanolom kao rastvaračem, a na drugoj polovini aktivni premaz sa TiO2 česticama rastvorim u acetonu. Na svakih 50 mm pretapanja povećavana je jačina struje do 200 A, a nakon toga na drugoj polovini ploče smanjivana do 100 A. Dobijeni pretopljeni šav prikazan 43 je na slici 3.5, gde se može videti razlika na licu metala šava uzoraka sa premazom na bazi acetona i etanola. Slika 3.5 Izgled uzorka nakon pretapanja Slika 3.6 Izgled metala šava: a) uzorak sa premazom na bazi etanola, b) uzorak sa premazom na bazi acetona Nakon standardne metalografske pripreme uzoraka izvršena su višestruka merenja dimenzija metal šava i poređenje dobijenih rezultata. Na slici 3.6 prikazani su reprezentativni uzorci dobijeni upotrebom aktivnog premaza sa jačinom struje pretapanja 200 A. Na osnovu svih dobijenih rezultata dubine uvara konstatovano je da je dubina uvara veća kod uzoraka gde je korišćen aktivni premaz na bazi acetona. 3.1.3 Eksperiment III – Određivanje uticaja oblika vrha elektrode i udela nano i submikronskih čestica TiO2 U narednom eksperimentu kao aktivne komponente korišćenu su čestice TiO2 različite veličine, kao i njihove mešavine masenog udela od 5% u rastvoru acetona: • 5% Mikro TiO2 (5M) • 4% Mikro + 1% Nano TiO2 (4M1N) • 3% Mikro + 2% Nano TiO2 (3M2N) • 2% Mikro + 3% Nano TiO2 (2M3N) • 1% Mikro + 4% Nano TiO2 (1M4N) • 5% Nano TiO2 (5N) Veličina mikro čestica je 300 nm, dok su nano čestice veličine 20 nm (slika 3.7). 44 Slika 3.7 Čestice korišćene za pripremu premaza: a) veličine 300 nm, b) veličine 20 nm (SEM) Nakon pripreme aktivnih premaza, deo premaza je iskorišćen za pretapanje, dok je na preostalom delu izvršeno ispitivanje veličine čestica u rastvoru na uređaju Malvern ZetaSizer Nano ZS. Pored različitih aktivnih premaza, korišćena su i tri oblika vrha elektrode prečnika 2,4 mm: • oštra elektroda sa uglom 90°(O), • elektroda sa zatupljenim vrhom ugla 90° i prečnikom na vrhu 0,5 mm (Z) i • tupa elektroda, odnosno elektroda sa uglom od 180° (T), kao što je prikazano na slici 3.8. Slika 3.8 Izgled vrha elektrode: a) elektroda sa oštrim vrhom (O), b) elektroda sa zatupljenim vrhom (Z), c) elektroda sa tupim vrhom (T) Elektrode su od legure volframa sa dodatkom 2% torijum oksida i naoštrene su na uređaju za oštrenje volframovih elektroda LORH Teg. Pretapanje je urađeno na aparatu za TIG zavarivanje EWM Tetrix 300, sa jednosmernom strujom, direktne polarnosti, jačine 200 A. Oko elektrode se nalazila keramička mlaznica prečnika 12,7 mm sa prepustom elektrode 10 mm. Rastojanje vrha elektrode od osnovnog materijala iznosilo je 1 mm, a protok zaštitnog gasa argona je bio 12 l/min. Brzina pretapanja je bila 100 mm/min, kako bi se postigla ravnomerna brzina pretapanja korišćen je automatizovani nosač TIG pištolja Lorch WL But (slika 3.9). Aparat za zavarivanje je podešen na paljenje i rad sa 4 takta, kako bi električni luk bio postojan bez držanja pritisnutog prekidača. 45 Slika 3.9 Postavka za pretapanje Pretapanje je izvršeno na 4 ploče takođe od nerđajućeg čelika AISI 304L dimenzija 300 mm x 50 mm x 10 mm. Ploče su pre pretapanja odmašćene etanolom. Jedna ploča je pretopljena bez aktivnog premaza tako što je podeljena u 3 oblasti (slika 3.10). Prva oblast od 0 do 100 mm je pretopljena sa oštrom elektrodom ugla 90° (O), druga oblast od 100 do 200 mm je pretopljena sa zatupljenom elektrodom (Z) i treća oblast od 200 do 300 mm je pretopljena sa tupom elektrodom (T). Preostale tri ploče su podeljene na 6 oblasti od 50 mm. Svaka oblast je premazana drugim aktivnim premazom koji je nanešen nekorišćenom četkicom. Ploče su pretopljene po sredini celom dužinom jednim oblikom vrha elektrode kao što je prikazano na slici 3.10. Slika 3.10 Šema pretapanja Nakon pretapanja (slika 3.11) iz svake oblasti uzet je po jedan uzorak za makro, mikro ispitivanje i merenje mikrotvroće u oblastima pretopljenog metala šava. 46 Slika 3.11 Izgled pretopljenih uzoraka Nakon procesa pretapanja na elektrodama nisu uočeni tragovi trošenja, na oštroj i zatupljenoj elektrodi na stranama konusa vidljivi su tragovi za koje se pretpostavlja da su od isparenih oksida, koji se brisanjem lako odstranjuju. Međutim, na svim elektrodama je došlo do potamnjivanja kao posledica vremenski nedovoljno dugog strujanja zaštitnog gasa oko elektrode po završetku procesa (slika 3.12). Slika 3.12 Izgled elektroda nakon pretapanja Priprema uzoraka za ispitivanje urađena je standardnim postupkom metalografske priprema kako je opisano u I eksperimentu. Jedina razlika je što su uzorci zatapani u polimer na Struers Prontopress mašini. Makro i mikro ispitivanja su urađena na svetlosnom mikroskopu Leitz Orthoplan, na kome su izvršena i merenja dimenzija metala šava. Mikrotvrdoća po Vikersu je izmerena na uređaju Tukon 1102 u nekoliko linija kroz osnovni materijal, zonu uticaja toplote i metal šava, prema šemi sa slike 3.13. 47 Korišćeno je opterećeno od 0,1 kgf (0,9805 N), a rastojanje između otisaka iznosilo je 0,5 mm. Slika 3.13 Šema merenja mikrotvrdoće 3.1.3.1 Rezultati ispitivanja raspodele čestica u aktivnom premazu Raspodela veličina čestica prema broju čestica određena na uređaju Malvern ZetaSizer Nano ZS (merni opseg od 0,3 nm do 10 µm) data je na slici 3.14. Može se uočiti da su detektovane čestice daleko veće od nominalne vrednosti čestica, odnosno da je došlo do aglomeracije čestica. Najmanje detektovane čestice su bile 0,25 µm, dok su najveće bile do 17 µm. Najveći broj čestica je do veličine 1 µm, osim kod aktivnog premaza sa 5% 300 nm TiO2 čestica. Najmanje čestice uočene su u mešavinama submikonskih i nano čestica 4M1N i 3M2N veličine 0,25 µm, dok su kod 2M3N, 1M4N i 5N najmanje čestice bile 0,29 µm. Na osnovu rezultata uočena je velika aglomeracija čestica, takođe da su najmanje čestice postignute u mešavinama submikonskih i nano čestica TiO2. Naime, čestice koje učestvuju u pripremi premaza su submikronskih i nano veličina, međutim između njih deluju sekundarne međumolekulske sile (Van der Waals-ove sile) prilikom koje dolazi do njihovog međusobnog vezivanja, odnosno aglomeracije. 48 Slika 3.14 Raspodela čestica po veličini i broju u aktivnim premazima 3.1.3.2 Rezultati ispitivanja makrostrukture Na slici 3.15 prikazani su makro preseci dobijenih uzoraka nakon metalografske pripreme, gde se vide oblik i dimenzije metala šava. Kod uzoraka koji su pretopljeni bez upotrebe aktivnog premaza uočljiv je plitak i širok šav. Uzorci koji su pretopljeni sa aktivnim premazom, odnosno A-TIG postupkom imaju uži šav i veću dubinu uvara, međutim ona se razlikuje u zavisnosti od udela mikro i nano čestica. Na osnovu dubina uvara, može se konstatovati da veću dubinu uvara imaju uzorci pretopljeni premazom sa mešavinom mikro i nano čestica u odnosu na premaze sa samo jedom vrstom čestica. 49 Slika 3.15 Makro prikaz uzoraka nakon nagrizanja (SM) Nakon izmerenih dimenzija metala šava, u programu ImageJ izvršeno je merenje površine metala šava. U tabeli 3.2 su prikazane srednje vrednosti dobijenih rezultata uzoraka pretopljenih A-TIG postupkom. Tabela 3.2 Srednje vrednosti dubine uvara, širine metala šava, odnosa dubine i širine (D/Š) i površine metala šava kod uzoraka sa aktivnim premazom Oblik vrha elektrode Srednja vrednost širina metala šava [mm] Srednja vrednost dubina metala šava [mm] Srednja vrednost odnosa D/Š Srednja vrednost površine metala šava [mm2] Oštra 90°(O) 7,5 4,02 0,53 22,3 Zatupljena 90° sa prečnikom na vrhu 0,5 mm (Z) 7,2 4,75 0,66 23,8 Tupa 180° (T) 6,8 3,87 0,57 19,8 Sa slike 3.15 vidi se da je najveća dubina metala šava od 5,5 mm postignuta sa zatupljenom elektrodom i premazom 3M2N, dok je najbolji odnos D/Š, kao i najuži metal šav je postignut sa zatupljenom elektrodom kod uzorka 1M4N. Sa elektrodom sa tupim vrhom (tabela 3.2.) u proseku je dobijena najuža vrednost širine šava, ali sa najmanjom vrednošću dubine uvara, kao i površine rastopljenog metala šava. Na osnovu toga može se konstatovati da su najniže vrednosti rezultata postignuti sa tupom elektrodom. Ako se posmatraju premazi zasnovani na mešavinama čestica tu su rezultati postignuti sa oštrom i zatupljena elektrodom slični, izuzev 1M4N gde se zatupljena elektroda pokazala mnogo boljim izborom (slika 3.15). Iako su rezultati nešto bolji kod zatupljene elektrode, ova elektroda ima jedan značajan nedostatak - prilikom oštrenja elektrode veoma je teško postići konzistentno zatupljenje od 0,5 mm na vrhu elektrode, jer su aparati za oštrenje konstruisani da oštre elektrodu u obliku konusa. 50 3.1.3.3 Rezultati ispitivanja mikrostrukture Da bi se prikazale uočene promene u mikrostrukturi odabrano je nekoliko reprezentativnih uzoraka, slike 3.16 do 3.18. Svi odabrani uzorci su pretopljeni zatupljenom elektrodom. Među odabranim uzorcima je uzorak pretopljen bez aktivnog premaza (0-Z), uzorak pretopljen sa premazom od mikro čestica TiO2 (5M-Z) i nano čestica TiO2 (5N-Z), kao i uzorak sa najužom širinom šava, odnosno najvećim odnosom D/Š (1M4N-Z). Mikrostruktura metala šava uzoraka 0-Z, 1M4N-Z i 5N-Z prikazana je na slici 3.16. Na uzorcima je uočljiva dendritska mikrostruktura koja je karakteristična za metal šava nerđajućih čelika, međutim kod uzorka 0-Z (3.16a) struktura je krupnija u odnosu na uzorke pretopljene A-TIG postupkom (3.16b,c). Slika 3.16 Mikrostruktura metala šava: a) uzorak 0-Z, b) uzorak 1M4N-Z, c) uzorak 5N-Z (SM) Na slikama 3.17 i 3.18 prikazane su mikrostrukture u zoni linije stapanja, gde je na slici 3.17 prikazana mikrostruktura koja se nalazi uz gornju površinu osnovnog materijala, dok je na slici 3.18 mikrostruktura linije stapanja ispod korena metala šava. Na prikazanim slikama se jasno može uočiti razlika između uzorka bez aktivnog premaza i uzoraka sa aktivnim premazom. Uz gornju površinu kod uzorka bez aktivnog premaza veličina austenitnog zrna je veća zbog dužeg izlaganja toploti (slika 3.17a), dok kod uzoraka sa aktivnim premazom porast austenitnog zrna je uočljiv ispod metala šava (slika 3.18b,c), što pokazuje da je veća količina toplote usmerena ka donjoj strani uzorka. 51 Slika 3.17 Mikrostruktura linije stapanja metala šava uz površinu: a) uzorak 0-Z, b) uzorak 1M4N-Z, c) uzorak 5N-Z (SM) Slika 3.18 Mikrostruktura linije stapanja ispod metala šava: a) uzorak 0-Z, b) uzorak 1M4N-Z, c) uzorak 5M-Z (SM) 52 3.1.3.4 Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće Ispitivanje mikrotvrdoće je izvršeno na istim reprezentativnim uzorcima kao i ispitivanje mikrostrukture: 0-Z, 5M-Z, 5N-Z i 1M4N. Na slici 3.19 prikazani su dijagrami raspodele mikrotvrdoće, odnosno vrednosti mikrotvrdoće duž linije 1 i linije 2 (slika 3.13), dok su na slici 3.20 prikazane vrednosti tvrdoće duž linije 3 (slika 3.13). Na prikazanim dijagramima crnim tačkama je predstavljena mikrotvrdoća u metalu šava, dok je belim prikazana vrednost mikrotvrdoće u osnovnom materijalu uzorka. Strelicom je prikazana vrednost na liniji stapanja metala šava. Slika 3.19 Raspodela mikrotvrdoće duž linija 1 i 2 uzorka: a) 0-Z, b) 5N-Z, c)1M4N-Z, d) 5M-Z Vrednost mikrotvrdoće kod uzorka 0-Z bez aktivnog premaza je najniža u blizini linije stapanja uz površinu uzorka (prikazano strelicama na slici 3.19a). sa druge strane, kod uzoraka koji su pretopljeni sa aktivnim premazom (5N-Z, 1M4N-Z i 5M-Z) najmanje vrednosti mikrotvrdoće su dobijene ispod metala šava, kao što je prikazano na slici 3.19b,c,d. Vrednosti mikrotvrdoće odgovaraju vrednostima veličine austenitnih zrna u mikrostrukturi u datim oblastima (slika 3.17 i 3.18). 53 Slika 3.20 Raspodela mikrotvrdoće kroz sredinu metala šava od površine uzorka ka korenu: a) 0-Z, b) 5N-Z, c) 5M-Z, d) 1M4N-Z Na slici 3.20 prikazana je mikrotvrdoća u sredini metala šava od površine uzorka ka korenu metala šava. 3.1.4 Ekspirement IV – Određivanje uticaja nano čestica SiO2 i tipa rastvarača Naredni eksperiment je urađen sa parametrima koji su odabrani kao rezultati prethodnih eksperimenata. Korišćena je elektroda prečnika 2,4 mm sa oštrim, konusnim vrhom ugla 90°. Korišćen je aparat EWM Tetrix 300 sa jačinom struje od 200 A, protokom gasa od 12 l/min i mlaznicom 12,7 mm. Rastojanje vrha elektrode od uzorka je 1 mm, a brzina kretanja elektrode 100 mm/min. Međutim aktivni premaz je pripremljen sa drugom vrstom čestica, umesto TiO2 korišćene su nano čestice SiO2 veličine 40 nm. Aktivni premaz je pripremljen sa acetonom, ali i sa etanolom. U eksperimentu II je ustanovljeno da se aceton pokazao za nijansu bolje od etanola, međutim problem je što aceton isparava brže i dolazi do promene odnosa udela čestica, odnosno povećanja koncentracije aktivne supstance nakon isparavanja rastvarača. U prethodnim eksperimentima konstatovano je da procenat od 5% čestica TiO2 daje najbolje rezultate kod dubine uvara. U ovom eksperimentu pripremljeni su aktivni premazi sa nanočesticama SiO2 udela 40%, 30%, 20%, 10% i 5% u acetonu i etanolu. Pretapanje je urađeno na dve ploče nerđajućeg čelika AISI 304L dimenzija 300 x 40 x 8 mm. Obe ploče su podeljene u oblasti od po 50 mm, svaka oblast je korišćena za drugu vrstu aktivnog premaza. Na prvoj ploči korišćen je premaz na bazi aceteona, dok je na drugoj korišćen premaz na bazi etanola (slika 3.21). 54 Slika 3.21 Šema pretapanja Prva oblast na uzorku je pretopljena bez premaza, „nulti“ uzorak , kako bi se uočio uticaj premaza. Nakon toga je na narednu oblast četkicom nanešen premaz sa 40% nano čestica SiO2, zatim redom 30%, 20%, 10% i na kraju premaz sa 5% četica SiO2. Na slici 3.22 prikazani su izgledi pretopljenih ploča, sa tragovima preostalog aktivnog premaza, i markerom obeleženim mestima za sečenje i pripremu uzoraka. Slika 3.22 Izgled pretopljenih ploča Isecanje uzoraka iz ploče je vršeno brusilicom, nakon toga je priprema uzoraka urađena po standardnoj metalografskoj proceduri na opremi Struers. Nakon poliranja nagrizanje je izvršeno carska voda potom je urađeno makro ispitivanje, merenje dimenzija metala šava, odnosno dubine uvara. 3.1.4.1 Rezultati ispitivanja makrostrukture Dimenzije metala šava su izmerene na svetlosnom mikroskopu, dobijene vrednosti za uzorke sa aktivnim premazom prikazane su u tabeli 3.3. Nulti uzorak, odnosno uzorak bez premaza imao je dubinu uvara od 2,1 mm, dok je širina metala šava bila 9,1 mm (slika 3.23). 55 Slika 3.23 Makro izgled metala šava nakon pretapanja uzorka bez premaza Na slikama 3.24 i 3.25 prikazani su oblici šavova dobijeni upotrebom aktivnog premaza, a i iz tabele 3.3, vidi se je da je veća dubina postignuta sa premazom gde je rastvarač etanol, osim u slučaju sa 20% nanočestica SiO2. Tabela 3.3 Izmerene vrednosti metala šava sa aktivnim premazom Rastvarač 5% 10% 20% 30% 40% Aceton Dubina [mm] 3,2 4,5 4,6 4,5 4,8 Širina [mm] 11,6 7,8 6,2 6 6,3 Etanol Dubina [mm] 5,1 4,9 4,5 4,7 5 Širina [mm] 6 6,4 5,6 6,3 6 Slika 3.24 Izgled metala šava nakon pretapanja uzorka sa aktivnim premazom na bazi aceton Slika 3.25 Izgled metala šava nakon pretapanja uzorka sa aktivnim premazom na bazi etanola Najveća postignuta dubina uvara je kod uzorka sa 5% čestica SiO2 i iznosi 5,1 mm, međutim kod uzorka sa 40% nano čestica u etanolu dubina je 5 mm. Kod uzoraka sa aktivnim premazom na bazi acetona najveća dubina uvara iznosi 4,8 mm sa 40% nanočestica. Da bi se odredili parametri sa kojima je postignut najpovoljniji oblik šava u ovom eksperimentu izračunat je odnos D/Š koji je prikazan u tabeli 3.4. Tabela 3.4 Odnos D/Š kod oblika šava uzoraka zavarenih bez i sa aktivnim premazom. Bez premaza Udeo nanočestica SiO2 Rastvarač 5% 10% 20% 30% 40% D/Š 0,23 0,28 0,58 0,74 0,75 0,76 Aceton 0,85 0,77 0,80 0,75 0,83 Etanol 56 Najniža vrednost odnosa D/Š je kod uzorka bez aktivnog premaza, dok je najveća vrednost 0,85 dobijena kod uzorka sa 5% nanočestica SiO2 rastvorenih u etanolu. Prema vrednostima u tabelama 3.3 i 3.4 može se zaključiti da su uzorci sa 40% čestica u oba rastvarača veoma blizu najvećih postignutih vrednosti i da bi možda premazi sa većim procentualnim udelom čestica imali više efekta na dubinu uvara. Međutim prilikom pripreme aktivnog premaza sa tolikom količinom čestica dolazi do formiranja paste koju je teško nanositi na uzorak. Pored toga aktivni premaz bi bio višestruko skuplji za proizvodnju u odnosu na 5% nanočestica veličine 40 nm SiO2. 3.1.5 Eksperiment V – Određivanje uticaja udela nano čestica TiO2 i SiO2 Na osnovu dobijenih rezultata upotrebom aktivnog premaza na bazi nanočestica TiO2 veličine 20 nm i aktivnog premaza na bazi SiO2 veličine 40 nm, u ovom eksperimentu izvršeno je ispitivanje njihovih mešavina u etanolu. Aktivni premaz je napravljen tako da ukupan maseni udeo čestica iznosi 5% u suspenziji, napravljene su kombinacije: • 5% Nanočestica SiO2 (5Si) • 4% Nanočestica SiO2 + 1% Nanočestica TiO2 (4Si1Ti) • 3% Nanočestica SiO2 + 2% Nanočestica TiO2 (3Si2Ti) • 2,5% Nanočestica SiO2 + 2,5% Nanočestica TiO2 (2,5Si2,5Ti) • 2% Nanočestica SiO2 + 3% Nanočestica TiO2 (2Si3Ti) • 1% Nanočestica SiO2 + 4% Nanočestica TiO2 (1Si4Ti) • 5% Nanočestica TiO2 (5Ti). Odmeravanje udela je urađeno na tehničkoj vagi RadWag PS 2100/c/2 tako što je u posudu prvo dodat etanol, a potom su dodate čestice u masenom udelu od 5%, pri čemu je ukupna masa suspenzije iznosila 4g. Nakon mešanja komponenti homogenizacija je urađena na elektromagnetom mešaču. Po završetku postupka homogenizacije iz posuda je odvojena polovina suspenzije kako bi se na uređaju ZetaSizer ispitala veličina čestica u suspenziji zbog pojave aglomerata. Proces pretapanja izvršen je na dve ploče od kojih je jedna ploče dužine 350 mm, širine 50 mm i debljine 10 mm, i druga ploča 100 x 50 x 10 mm, koja je korišćena za nulti uzorak (0) pretopljen bez premaza. Ploče su podeljene na oblasti dužine 50mm i na svaku oblast je nanešen drugačiji aktivni premaz, kao što je prikazano na slici 3.26. Slika 3.26 Šema pretapanja 57 Pretapanje je izvršeno na aparatu EWM Tetrix 300 sa jačinom struje od 200 A, elektroda je prečnika 2,4 mm od legure volframa sa 2% torijum oksida sa oštrim vrhom ugla 90°. Prečnik mlaznice oko elektrode je 12,7mm, rastojanje vrha elektrode od mlaznice je 9 mm, dok je elektroda od uzorka udaljena 1 mm. Uzorci su postavljeni na radni sto, a traktor za zavarivanje je podešen tako da se gorionik kreće po sredini ploče. Brzina pretapanja je iznosila 100 mm/min. Slika 3.27 Izgled pretopljene ploče sa aktivnim premazima Nakon pretapanja (slika 3.27) je iz svake oblasti isečen uzorak, ugaonom brusilicom, a potom je pripremljen standardnom metalografskom pripremom. Nakon nagrizanja uzorci su ispitani na svetlosnom mikroskopu kako bi se izmerile dimenzije metala šava i uočili nedostaci u metalu šava ukoliko su prisutni. Pored makrostrukture, ispitana je i mikrostruktura, kao i merenje mikrotvrdoće u tri linije. 3.1.5.1 Rezultati ispitivanja raspodele čestica u aktivnom premazu Veličine čestice koje su u sastavu aktivnog premaza su SiO2 40 nm i TiO2 20 nm, međutim zbog dejstva sekundarnih sila one su u obliku aglomerata većih dimenzija. Nakon pripreme aktivnog premaza deo je ispitan na Zetasizer Nano ZS. Ustanovljeno je da su najmanje čestice veličine 0,3 µm, odnosno 300 nm, što je skoro deset puta veće od nazivne veličine čestica. Na slici 3.28 može se videti odnos količinskog broja udela čestica u sastavu premaza. Veličina detektovanih čestica je do 17 µm, međutim preko 95% čestica se nalazi u opsegu do 5 µm. Najmanjih čestica od 0,3 do 1 µm, na osnovu broja čestica ima najviše u suspenziji 2% SiO2 i 3% TiO2 i to je 92,05% od ukupnog broja detektovanih čestica. Aktivni premaz sa 1% SiO2 i 4% TiO2 najsitnijih čestica ima 91,57% od ukupnog broja čestica. Najveći udeo u aktivnom premazu čine čestice veličine od 1 do 10 µm, dok najveće pronađene čestice prelaze veličinu od 100 µm. 58 Slika 3.28 Raspodela čestica po veličini i udelu u aktivnom premazu 3.1.5.2 Rezultati ispitivanja makrostrukture Nakon metalografske pripreme, uzorci su fotografisani makro, a na svetlosnom mikroskopu su izmerene dubine i širine metala šava, koje su prikazane na slici 3.29. Slika 3.29 Makro prikaz uzoraka nakon nagrizanja sa dimenzijama metala šava (SM) Sa slike 3.29 se vidi da je najmanja dubina uvara postignuta kod uzorka bez premaza, dok kod uzoraka sa aktivnim premazom postignuta dubina uvara je veća za više od 40%. Najveća dubina od 5 mm je postignuta kod mešavine premaza od 2% SiO2 i 3% TiO2, a sledeći po dubini uvara od 4,9 mm su uzorci sa premazom sa 1% SiO2 i 4% TiO2 i premazom sa 5%TiO2. 3.1.5.3 Rezultati ispitivanja mikrostrukture Ispitivanje mikrostrukture je urađeno u oblastima metala šava i linije stapanja. Na slici 3.30 prikazan je izgled metala šava kod uzoraka bez premaza 0 (a), i sa premazima 4Si1Ti (b), 3Si2Ti (b) i 5Ti (d). 59 Slika 3.30 Mikrostruktura metala šava: a) bez premaza, b) 4Si1Ti, c) 3Si2Ti d) 5Ti (SM) Na slici 3.30 vidljiva je tipična dendritska struktura karakteristična za metal šava. Na slici se može uočiti da postoji veća razlika u mikrostrukturi, ali to je posledica različite orijentacije dendrita. Slika 3.31 predstavlja oblast zone uticaja toplote uz površinu uzorka, gde se mogu uočiti da su poligonalna zrna austenita veća kod uzorka bez upotrebe premaza slika 3.31a. 60 Slika 3.31 Mikrostruktura uz površinu uzorka u zoni ZUT-a: a) 0, b) 5Ti c) 1Si4Ti d) 2Si3Ti (SM) Slika 3.32 Mikrostruktura ispod metala šava u zoni ZUT-a: a) 0, b) 5Ti c) 4Si1Ti d) 2,5Si2,5Ti (SM) Mikrostruktura ispod metala šava je prikazana na slici 3.32, gde se može uočiti da u oblasti ZUT-a ispod metala šava kod uzoraka sa upotrebom aktivnog premaza (slika 3.32b,c,d) prisutna su veća poligonalna austenitna zrna. 61 3.1.5.4 Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće Ispitivanje mikrotvrdoće je izvedeno na aparatu Tukon 1102 sa opterećenjem od 0,1 kgf poštujući rastojanje između otisaka od trostruke vrednosti dijagonale otiska. Mikrotvrdoća je merena u metalu šava, ZUT-u i osnovnom materijalu sa obe strane metala šava. Merenja su urađena u tri linije (slika 3.13), prva linija je 1 mm ispod gornje ivice uzorka, druga linija je 1 mm iznad donje linije metala šava i treća linija je vertikalna kroz sredinu metala šava. Raspodela mikrotvrdoće prikazana ja na slikama 3.33 i 3.34 u vidu dijagrama za svaki uzorak. Sa dijagrama jasno se vidi da kod uzorka pretopljenog bez upotrebe aktivnog premaza mikrotvrdoća se smanjuje na granici metala šava uz gornju ivicu uzorka (slika 3.33a, pokazano crnim strelicama), odnosno da metal šava ima veću tvrdoću od osnovnog materijala. Kod uzoraka gde je upotrebljen aktivni premaz do smanjenja tvrdoće takođe dolazi na granicama metala šava oko korena metala šava (slika 3.33b- h, prikazano crnim strelicama). Treba naglasiti da vrednost mikrotvrdoće u metalu šava odgovara tvrdoći u osnovnom materijalu. Na slici 3.34, takođe se može uočiti (prikazano belim strelicama) da do smanjenja tvrdoće dolazi oko korena metala šava. 62 Slika 3.33 Raspodela mikrotvrdoće duž linija 1 i 2 63 Slika 3.34 Raspodela mikrotvrdoće duž linije 3 3.1.6 Eksperiment VI – Određivanje uticaja brzine pretapanja Ovaj eksperiment je izveden sa nano česticama SiO2 rastvorenim u etanolu sa udelom od 5% čestica SiO2. Eksperiment je izveden sa istim parametrima kao i eksperiment IV uz promenu brzine pretapanja. Jačina struje iznosi 200A, elektroda prečnika 2,4 mm oštra sa vrhom od 90°, kao zaštitni gas je korišćen argon sa protokom od 12 l/min i rastojanjem vrha elektrode od materijala je 1 mm. Pretapanje je urađeno na dve ploče čelika AISI 304L, dimenzija prve ploče je 200 x 40 x 10 mm, dok je druga ploča dimenzija 250 x 40 x 10 mm, a obe ploče su podeljene u oblasti od po 50 mm. Pretapanje je započeto sa brzinom od 90 mm/min, a nakon 50 mm brzina je 64 smanjivana za po 10 mm/min do završne brzine od 60 mm/min. Na svakoj ploči se nalaze četiri oblasti kao što je prikazano na slici 3.35. Na prvu ploču je nanešen aktivni premaz na bazi etanola sa 5% nanočestica SiO2, četkicom u širini oko 20 mm, dok na drugu ploču nije nanešen premaz, kako bi se mogao uporediti uticaj premaza i brzine pretapanja na dubinu uvara. Slika 3.35 Šema pretapanja Uzorci nakon pretapanja su prikazani na slici 3.36, gde se mogu primetiti tragovi preostalog premaza koji su u blizini metala šava crne boje, dok malo dalje od metala šava vidi se siva boja premaza Slika 3.36 Izgled uzoraka nakon pretapanja Nakon pretapanja izvršeno je presecanje ploča po sredini oblasti ugaonom brusilicom. Iz svake oblasti na mašini Struers Diskotom je isečen novi uzorak na kome je dalje urađena standardna procedura metalografske pripreme, zatapanje uzoraka, brušenje, nagrizanje carskom vodom. Nakon pripreme uzoraka, na svetlosnom mikroskopu izmerene su dimenzije metala šava. 3.1.6.1 Rezultati ispitivanja makrostrukture Na slici 3.37 prikazane su makrostrukture uzoraka dobijenih različitim brzinama pretapanja bez upotrebe aktivnog premaza, dok uzorci pretopljeni sa upotrebom 65 aktivnog premaza su prikazani na slici 3.38. Izmerene vrednosti dubine i širine metala šava prikazane su u tabeli 3.5. Slika 3.37 Izgled metala šava nakon pretapanja uzorka bez aktivnog premaza Slika 3.38 Izgled metala šava nakon pretapanja uzorka sa aktivnim premazom 5% SiO2 u etanolu Sa slika 3.37 i 3.38 kao i iz tabele 3.5 se može konstatovati da se dubina uvara povećava smanjenjem brzine pretapanja, kako kod uzorka sa premazom tako i kod uzorka bez premaza. Takođe se može videti da se javlja značajna razlika u dubini uvara, tako je dubina uvara kod uzorka sa premazom oko 2,5 puta veća od dubine uvara uzorka bez premaza. Najveća dubina uvara od 6,6 mm postignuta je upotrebom premaza, i brzinom pretapanja od 60 mm/min. Najbolji odnos D/Š je postignut kod uzorka pri brzini pretapanja od 70 mm/min, na istom uzorku izmeren je i najuži šav od 6,3 mm. Tabela 3.5 Dubine uvara i širine metala šava nakon pretapanja Brzina pretapanja [mm/min] Premaz 60 70 80 90 0 Dubina [mm] 2,7 2,6 2,4 2,2 Širina [mm] 12,1 11,1 10,7 11,4 Odnos D/Š 0,22 0,23 0,22 0,19 5% SiO2 Dubina [mm] 6,6 6 5,6 5,6 Širina [mm] 7,1 6,3 7,2 7,8 Odnos D/Š 0,93 0,95 0,78 0,72 3.1.7 Eksperiment VII – Određivanje uticaja ugla vrha elektrode povećanog prečnika Na osnovu prikupljenih informacija i konstatacija iz prethodnih eksperimenata, sledeći eksperiment pretapanja urađen je sa većom jačinom struje. Jačina struje je povećana na maksimalnu za korišćen aparat za zavarivanje EWM Tetrix 300 i iznosila je 300 A. Na osnovu preporuka proizvođača elektroda za jačinu struje od 300 A potrebno je koristiti elektrodu prečnika 3,2 mm. Sa povećanjem jačine struje, menja se prečnik 66 elektrode, ali je potrebno korigovati ugao vrha elektrode kako bi se mogla obezbediti najveća dubina uvara. U ovom eksperimentu korišćene su elektrode sa uglom vrha 45°, 60° i 90°. Pored povećanja jačine struje, povećana je i debljina ploča za pretapanje pa su sada dimenzije ploča od nerđajućeg čelika AISI 304L 125 x 50 x 14 mm. Plan pretapanja prikazan je na slici 3.39, gde se vidi da elektroda prolazi kroz sredinu uzorka. Na uzorke je nanešen aktivni premaz na bazi mešavine čestica 3%TiO2 i 2% SiO2. Slika 3.39 Šema pretapanja Elektroda je postavljena u gorionik na koji je montirana mlaznica prečnika 12,7 mm, elektroda je imala prepust od 9 mm. Nakon postavljanja ploče na radni sto izvršeno je centriranje putanje pretapanja i podešeno je da elektroda bude na rastojanju od 1 mm od uzorka. Pretapanje je urađeno brzinom od 40 mm/min. Tokom pretapanja ploče elektrodom sa vrhom od 60° nakon 90 mm od početka došlo je do pojave prokapljine, odnosno rastopljen materijal je procureo ka radnoj ploči. Nakon što su se pretopljeni uzorci ohladili izvršeno je sečenje uzoraka za dalju metalografsku pripremu. Slika 3.40 Izgled metala šava nakon pretapanja uzorka sa aktivnim premazom mešavine 3% TiO2 i 2 SiO2 u etanolu i uglom vrha elektrode: a) 45°, b) 60° c) 90° Na slici 3.40 jasno se vidi da je kod uzorka pretopljenog sa elektrodom vrha 60° postignut kompletan provar ploče od 14 mm. Sa slike se vidi da je uzorak pretopljen sa elektrodom ugla vrha 45° imao veću dubinu uvara u odnosu na uzorak pretopljen 67 elektrodom čiji je ugao vrha 90°. Dimenzije šava su izmerene na optičkom mikroskopu, a vrednosti se nalaze u tabeli 3.6. Tabela 3.6 Dubine uvara, širine metala šava i odnos D/Š nakon pretapanja Ugao vrha elektrode 45° 60° 90° Dubina [mm] 11,66 14,4 11,1 Širina [mm] 14,82 12,2 10,8 Odnos D/Š 0,79 1,18 1,03 Najveća postignuta dubina je 14,4 mm, međutim to je dimenzija metala šava sa prokapljinom koja se može videti na slici 3.40b. Kod uzoraka pretopljenog elektrodom sa uglom vrhom 45° postigunta je dubina uvara 11,66 mm. Najmanja dubina uvara od 11,1 mm postignuta je sa elektrodom čiji ugao vrha je 90°. Prokapljina od 0,4 mm je dozvoljena standardom za nivo kvaliteta prihvatljivosti SRPS EN ISO 5817:2015 za nivo kvaliteta B. 3.2 Završna istraživanja Nakon prikupljenih informacija iz uvodnih istraživanja odabrani su parametri za završna istraživanja, odnosno odgovarajuća eksperimentalna procedura za zavarivanje uzoraka i ispitivanja. 3.2.1 Priprema aktivnih premaza i uzoraka, i parametri zavarivanja Kao aktivni premaz korišćene su mešavine nanočestica SiO2 veličine 40 nm i TiO2 veličine 20 nm u odnosima: • 5% TiO2 (5Ti) • 4% TiO2 + 1% SiO2 (4Ti1Si), • 3% TiO2 + 2% SiO2 (3Ti2Si), • 2% TiO2 + 3% SiO2 (2Ti3Si), • 1% TiO2 + 4% SiO2 (1Ti4Si), • 5% SiO2 (5Si), a kao rastvarač korišćen je etanol. Priprema aktivnog premaza urađena je kao u prethodnim eksperimentima (slika 3.41). Slika 3.41 Aktivni premaz u posudama 68 Zavarivanje je urađeno tako što su spajane dve ploče nerđajućeg čelika AISI 304L dimanzija 200 x 50 x 10 mm. Prvobitno je iz table lima isečena ploča 2500 x 50 x 10 mm vodenim mlazom, nakon toga su isečeni uzorci dužine 200 mm. Pošto su ploče isečene vodenim mlazom bočni krajevi ploča su imali oštećenja (tragovi obrade), koja su odstranjena pripremom bočne strane (slika 3.42) na glodalici Prvomajska UHG. Na svakoj ploči pripremljena je jedna strana kako bi naleganje bilo potpuno. Slika 3.42 Ploče sa pripremljenom ivicom Nakon mašinske obrade ploče su spojene jedna uz drugu u budući položaj zavarivanja (Slika 3.43a). Kako bi se sprečilo pomeranje ploča, one su na početku i kraju budućeg spoja spojene kratkim montažnim šavovima (zaheftane) TIG postupkom (Slika 3.43b). Nakon spajanja krajeva ploča uzorci su prebrušeni brusnim papirom granulacije P120 da bi se očistio deo budućeg spoja, potom je brušena oblast prebrisana etanolom, kako bi se ploča odmastila i očistili tragovi brušenja. Slika 3.43 Osnovni materijal: a) pripremljena ploča za spajanje, b) prispojene ploče Nakon pripreme materijala uzoraka, čista četkica je uronjena u posudu sa pripremljenim aktivnim premazom koji je nanešen na uzorak u širini od oko 20 mm, kao što je prikazano na slici 3.44, gde se vidi aktivni premaz koji je bele boje. Za svaki novi uzorak, odnosno premaz korišćena je čista četkica. Slika 3.44 Proces nanošenja aktivnog premaza 69 Na mestu za zavarivanje postavljene su keramičke podložne pločice (slika 3.45) koje bi bile ispod linije spajanja, kako bi se eliminisala mogućnost velikih prokapljina i spajanja tečnog metala za radni sto. Slika 3.45 Postavljenje podložnih keramickih pločica Uzorak je pre postavljanja na keramičke podložne pločice sa bočne strane dodatno stegnut ručnom stegom kako bi se ojačali montažni spojevi koji sprečavaju da ne bi dođe do razdvajanja ploča u procesu zavarivanja usled deformacija. Nakon postavljanja ručne stege uzorak je postavljen na keramičke podložne pločice i centriran tako da gorionik TIG aparata, koji je montiran na zavarivački traktor, Lorch, prati liniju spajanja (slika 3.46). U gorioniku je postavljena elektroda prečnika 3,2 mm sa uglom vrha 60° od legure volframa sa 2% torijum oksida, oko elektrode je montirana keramička mlaznica prečnika 12,7 mm. Pištolj za zavarivanje je podignut tako da vrh elektrode bude udaljen 1 mm od čelične ploče. Slika 3.46 Centriranje ploče u pravcu kretanja gorionika Aparat za zavarivanje je podešen na jačinu struje od 250 A, a kao zaštitni gas korišćen je argon čistoće 99,999% sa protokom od 12 l/min. Početak zavarivanja je pomeren oko 10 mm od ivice uzorka, kako bi se eliminisala mogućnost prokapljine (slika 3.47). 70 Slika 3.47 Mesto početka zavarivanja Pritiskom prekidača na gorioniku uspostavljen je električni luk, nakon 3 sekunde aktiviran je traktor za zavarivanje sa brzinom kretanja od 40 mm/min. Na slici 3.48 prikazan je uspostavljen električni luk, oformljeni metal šava, kao i crni tragovi na uzorku zbog velikog toplotnog zračenja i ostataka aktivnog premaza. Slika 3.48 Proces zavarivanja: a) Uspostavljen električni luk u procesu zavarivanja, b) izgled ploče po gašenju električnog luka Nakon izvršenog zavarivanja na pločama su vizuelnom kontrolom (po standardu SRPS EN ISO 5817:2015) uočeni nedostaci i izvršeno je isecanje uzoraka radi daljih ispitivanja po standardu SRPS EN ISO 15614:2004, sa planom rezanja prikazanom na slici 3.49. Uzorci su obeleženi slovima: • S – Epruvete za ispitivanje savijanjem – SRPS EN ISO 5173:2010 • Z – Epruvete za ispitivanje zateznih karakteristika – SRPS EN ISO 4136:2012 • EU – Epruvete za ispitivanje energije udara – SRPS EN ISO 9016:2013 • M – Uzorak za ispitivanje makro i mikrostrukture, merenje mikrotvrdoće i ispitivanje hemijskog sastava. 71 Slika 3.49 Plan rezanja zavarenih ploča Isecanje je izvršeno trakastom testerom Pilous ARG 300 plus F (slika 3.50) sa aktivnim hlađenjem emulzijom i širinom reza 2 mm. Slika 3.50 Trakasta testera Pilous ARG 300 plus F 3.2.2 Vizuelna kontrola i makro ispitivanje Nakon zavarivanja na pločama je izvršena vizuelna kontrola zavarenih spojeva po standardu SRPS EN ISO 6520:2013 uzevši u obzir da se početnih i krajnjih 25 mm ne uzima u razmatranje. Merenje nepravilnosti na metalu šava urađeno je merilima koje se koriste za vizuelnu kontrolu (slika 3.51), a prihvatljivost izmerene nepravilnosti proverena u skladu sa standardom SRPS EN ISO 5817:2015. 72 Slika 3.51 Merila za vizuelnu kontrolu metala šava Za makro ispitivanje je nakon isecanja iz svake ploče uzet uzorak sa oznakom M koji je skraćen sa obe strane do širine 25 mm, kako bi se lakše izvršila priprema. Zbog dimenzija uzorka, zatapanje uzoraka radi dalje pripreme izvršeno u polimetil metakrilatu. Nakon očvršćavanja polimera izvršeno je brušenje uzoraka SiC brusnim papirima počev od P360 pa postepeno finijim brusnim papirom do najfinijeg P2500. Poliranje je izvršeno dijamantskom suspenzijom od 6, 3, 1 i 0,25 µm. Po završetku pripreme uzoraka sklonjen je polimer kako bi se lakše izvršilo nagrizanje Carskom vodom. Fotografisanje uzoraka izvršeno je digitalnim fotoaparatom Nikon D3300. Takođe, fotografisanje makro uzoraka je urađeno i na svetlosnom mikroskopu pri uvećanju od 20x, nakon čega su slike sklapane u celinu kako bi se dobio kompletan izgled metala šava. Spajanje slika je izvedeno u programu Image composition editor. 3.2.3 Mikroskopska ispitivanja 3.2.3.1 Svetlosna mikroskopija Uzorci za makro ispitivanje su iskorišćeni za posmatranje mikrostrukture. Nagriženi uzorci su posmatrani svetlosnim mikroskopom LEITZ-Orthoplan (slika 3.52) pri uvećanju od 50X i 100X kako bi se uočilo da li postoje uključci ili neka značajna promena u mikrostrukturi. U oblastima metala šava, linije stapanja i osnovnog materijala urađeno je fotografisanje na svetlosnom mikroskopu. 73 Slika 3.52 Svetlosni mikroskop LEITZ-Orthoplan Na slici 3.53, kao ilustracija, prikazana je mikrostruktura osnovnog materijala. Slika 3.53 Mikrostruktura osnovnog materijala (SM) 3.2.3.2 Skening elektronska mikroskopija Nakon izvršenog ispitivanja na svetlosnom mikroskopu uzorci su ispitani na skening elektronskom mikroskopu (Scanning Electron Microscope SEM) JEOL JSM 6460LV, koji je prikazan na slici 3.54. Posmatrani su metalografski uzorci i reprezentativne 74 površine loma. Takođe na istom uređaju izvršena je hemijska mikroanaliza pomoću energetsko disperzivnog spektrometra (EDS). Slika 3.54 Skening elektronski mikroskop JEOL JSM 6460LV Na slici 3.55, kao ilustracija, prikazana je mikrostruktura osnovnog materijala dobijena na SEM mikroskopu. Slika 3.55 Mikrostruktura osnovnog materijala (SEM) Tokom ispitivanja uzoraka na SEM-u izvršena je i EDS analiza. Na slici 3.56 prikazana je mikrostruktura osnovnog materijala i može se videti mesto na kom je izvršena EDS analiza (uokvireno zelenim pravougaonikom). Na spetrogramu su vidljivi pikovi energija na osnovu kojih program INCA Oxford identifikuje prisutne elemente, kao i udeo detektovanih elemenata. U osnovnom materijalu pored železa i ugljenika detektovani su još hrom, nikl, mangan i silicijum. Usled ograničenja metode EDS, ostali prisutni elementi u AISI 304L (kao C, S, P, N) nisu mogli biti pouzdano detektovani i kvantifikovani. 75 Slika 3.56 EDS analiza osnovnog materijala 3.2.4 Ispitivanje hemijskog sastava Nakon što su na uzorcima završena makro i metalografska ispitivanja, isti su iskorišćeni za ispitivanje hemijskog sastava osnovnog materijala i metala šava. Ispitivanje je urađeno po standardu SRPS C.A1.011:2004 na optičkom emisionom spektrometru (OES) ARL ISpark 8860, kako bi se ustanovilo da li se zavarivanjem A-TIG postupkom sa premazima različitog sastava utiče na hemijski sastav metala šava. Takođe posebna pažnja je posvećena prisustvu volframa u metalu šava, kao posledica topljenja elektrode, što se smatra greškom TIG zavarivanja. Hemijski sastav osnovnog materijala dat je u tabeli 3.7. Tabela 3.7 Hemijski sastav osnovnog materijala Hemijski elementi, mas. % Uzorak C Si Mn Cr Ni P S Fe OM 0,02 0,042 1,55 18,63 8,23 0,032 0,0004 ostalo 3.2.5 Ispitivanje mehaničkih osobina 3.2.5.1 Ispitivanje zatezanjem Iz svake ploče pripremljena su po dve epruvete za ispitivanje zateznih karakteristika. Epruvete za zatezanje su obrađene na glodalici Prvomajska UHG prema dimenzijama prikazanim na slici. 3.57a. Epruveta bliža početku zavarivane ploče obeležena je sa P, 76 a epruveta bliže kraju zavarene ploče obeležena je sa K. Pored epruveta iz zavarenih ploča ispitane su dve epruvete napravljene od osnovnog materijala. Slika 3.57 Epruveta za zatezanje: a) dimenzije epruvete, b) izgled pripremljene epruvete Pre početka ispitivanja, na epruvetama je odstranjeno nadvišenja metala šava, što je urađeno brusilicom (slika 3.57b). Nakon završene pripreme izmerene su vrednosti poprečnih preseka epruveta i obeležena rastojanja na 20 mm sa obe strane šava, odnosno 40 mm, koje će predstavljati početnu dužinu (L0). Ispitivanje zatezanjem je urađeno poprečno u odnosu na pravac zavarivanja po standardu SRPS ISO 4136:2012 na hidrauličnoj kidalici Schenck hydropuls PSB maksimalnog opsega 250kN (slika 3.58). Proces ispitivanja je kontrolisan iz računarskog programa Tensm56b u koji su pre početka zatezanja unete dimenzije uzorka. Program pored upravljanja kidalicom vrši i akviziciju podataka sa senzora sile i senzora pomeranja na osnovu kojih program generiše krivu napona deformacije i detektuje oblast napon tečenja. Brzina zatezanja je iznosila 25 MPa/s. Slika 3.58 Hidraulična kidalica Schenck Schenck hydropuls PSB Mehaničke osobine osnovnog materijala date su u tabeli 3.8. 77 Tabela 3.8 Mehaničke osobine osnovnog materijala Uzorak Napon tečenje Re [MPa] Zatezna čvrstoća Rm [MPa] Procentualno izduženje A [%] Procentualno suženje Z [%] Osnovni materijal 464 696 60 63 484 700 55 58,5 Nakon izvršenih ispitivanje zateznih karakteristika na dobijenim rezultatima izvršena je analiza varijansi (ANOVA) pri nivou pouzdanosti od 95% i Takijev test (Tukey) u programskom paketu Minitab 18, kako bi se izvelo grupisanje signifikantnih uzoraka. 3.2.5.2 Ispitivanje savijanjem U skladu sa standardom za kvalifikaciju zavarenog spoja SRPS EN ISO 15614:2004 uzorci su ispitani na savijanje preko lica (2 uzorka) i savijanje preko korena (2 uzorka), ali je neophodno bilo pre ispitivanja obrusiti nadvišenja metala šava. Dimenzije epruveta za savijanje date su na slici 3.59a. Slika 3.59 Epruveta za savijanje: a)dimenzije epruvete, b) izgled pripremljene epruveta Nakon brušenja metala šava (slika 3.59b), savijanje je ispitano po standardu SRPS EN ISO 5173:2010 na univerzalnoj hidrauličnoj kidalici WPM VEB Leipzig 282/58, savijanjem u tri tačke na odgovarajućem priboru, slika 3.60. Slika 3.60 Savijanje u tri tačke Trn, odnosno srednja tačka savijanja je prečnika četiri puta većeg od debljine uzorka tj. iznosi 40 mm, na osnovu toga izračunato je rastojanje između oslonaca koje je 60 mm. Savijanje je rađeno dok se epruveta ne savije do 180°. Dve epruvete su savijene tako da je zatezna strana koren metala šava, a dve epruvete tako da je 78 zatezna strana lice metala šava. Nakon izvršenih ispitivanja na epruvetama je izvedeno vizuelno ispitivanje kako bi se ustanovilo da li ima prslina. 3.2.5.3 Ispitivanje energije udara Epruvete za energiju udara, dimenzija 10 x 10 x 55 mm izrađene su u skladu sa standardom SRPS EN ISO 148:2011. Površina sa licem šava, je obrušena do ravni osnovnog materijala prema zahtevu standarda SRPS EN ISO 9016:2013. Nakon brušenja, napravljen je standardni „V“ zarez dubine 2 mm, profilnim glodalom na bočnoj strani epruvete (VWT položaj po standardu) u sredini metala šava (Slika 3.61a). Izrađene su po 3 epruvete iz svake ploče. Dužina od 55 mm je postignuta tako što su brusilicom odsečeni krajevi epruvete, a potom brušenjem na brusnom kamenu postignuta dimenzija od 55 mm, odnosno 27,5 mm simetrično od V zareza (slika 3.61b). Slika 3.61 Epruveta za ispitivanje energije udara: a) mesto V zareza b) izgled pripremljene epruveta Ispitivanje energije udara urađeno je na instrumentiranom Šarpijevom klatnu Jinan Testing Equipment JTW 450 energije 450 J na sobnoj temperaturi od 22° C. Klatno je povezano sa računarom i putem programa Dyna Impact prikupljeni su podaci sa senzora udarača o sili tokom ispitivanja i vremenu delovanja sile (slika 3.62). Slika 3.62 Ispitivanje energije udara: a) instrumentirano Šarpijevo klatno JTW 450, b) prikaz programa Dyna Impact 79 Energija udara osnovnog materijala data je u tabeli 3.9. Tabela 3.9 Energije udara ispitanih uzoraka osnovnog materijala Uzorak Epruveta Energija za stvaranje prsline [J] Energija za stvaranje prsline [J] Ukupna energija udara KV [J] OM Osnovni materijal 1 105 153 258 2 111 171 282 3 106 173 279 Srednja vr. 107 166 273 Nakon izvršenih ispitivanje energije udara na dobijenim rezultatima izvršna je analiza varijansi (ANOVA) pri nivou pouzdanosti od 95% i Takijev test (Tukey) u programskom paketu Minitab 18, kako bi se izvelo grupisanje signifikantnih uzoraka. 3.2.5.4 Ispitivanje mikrotvrdoće Po završetku ispitivanja mikrostrukture, a na istim uzorcima je izvršeno merenje mikrotvrdoće po Vikersu. Mikrotvrdoća je izmerena na uređaju Tukon 1102 (slika 3.63) sa opterećenjem od 0,1 kgf (0,9805 N) u oblastima osnovnog materijala, liniji stapanja i metala šava, prema šemi prikazanoj na slici 3.64. Rastojanje prve i druge linije bilo je 1 mm od površina uzoraka, dok linija tri prolazi kroz sredinu metala šava. Rastojanje između otisaka iznosilo je 1 mm. Slika 3.63 Uređaj za merenje tvrdoće Wilson Tukon 1102 Slika 3.64 Šema merenja mikrotvrdoće 80 4 Rezultati završnih istraživanja 4.1 Vizuelna kontrola i makro ispitivanje Na slici 4.1 prikazane su slike lica i korena metala šava na kojima je izvršena vizuelna kontrola. 5% TiO2 4% TiO2 + 1% SiO2 3% TiO2 + 2% SiO2 2% TiO2 + 3% SiO2 1% TiO2 + 4% SiO2 5% SiO2 Slika 4.1 Zavareni uzorci prikazani sa strane lica i korena 81 Na uzorcima je uočeno nekoliko nepravilnosti, na svakoj ploči postoji izlazna rupa sa strane lica metala šava, kao i neprovar ploče u nekoliko prvih milimetara, međutim ove greške se nalaze u 25 mm od početka i kraja zavarenog spoja što se po standardu SRPS EN ISO 15614:2004 izuzima iz razmatranja. U tabeli 4.1 prikazana je dužina koja predstavlja vrednost od uspostave električnog luka do pojave prokapljine sa druge strane. To ukazuje na brzinu dejstva aktivnog premaza, na osnovu kojih se vidi da je najmanje rastojanje od mesta uspostavljanja električnog luka do punog provara pri upotrebi aktivnog premaza na bazi čestica 4% TiO2 i 1% SiO2. Najduže potrebno vreme za potpuni uvar je kod uzorka sa 1% TiO2 i 4% SiO2. Tabela 4.1 Rastojanje od uspostave električnog luka do punog provara Uzorak 5% TiO2 4% TiO2 + 1% SiO2 3% TiO2 + 2% SiO2 2% TiO2 + 3% SiO2 1% TiO2 + 4% SiO2 5% SiO2 Rastojanje [mm] 7,4 6,2 8,5 10,6 12 8,7 Na zavarenim uzorcima sa korene strane vidljivo je razlivanje rastopljenog metala koji se kretao po keramičkoj pločici, a na korenu zavara su vidljivi tragovi keramičke pločice. Na uzorku zavarenim sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 1% TiO2 i 4% SiO2 na dva mesta je uočen neprovar od 3 i 4 mm (obeleženo strelicom slika 4.1). Kod uzoraka zavarenog sa premazom od 5% TiO2 pred sam kraj zavarenog spoja došlo je do pojave prokapljine između dve keramičke podložne pločice, međutim prokapljina je na samoj granici 25 mm od kraja. Izmerene dimenzije metala šava nalaze se u tabeli 4.2. Tabele 4.2 Dimenzije metala šava Širina šava [mm] Nadvišenje [mm] Uzorak Lice Koren Lice Koren 5% TiO2 10,5 9,4 0,5 0,7 4% TiO2 + 1% SiO2 9,9 8,5 0,4 0,75 3% TiO2 + 2% SiO2 7,7 8,5 0,3 0,75 2% TiO2 + 3% SiO2 8,7 8,6 -0,2 0,8 1% TiO2 + 4% SiO2 14 10,8 0,5 0,25 5% SiO2 6,7 8,8 0,6 0,6 Uočena greška neprovara oznake 4021 po standardu SRPS EN ISO 6520:2013 na ploči zavarenom sa mešavinom premaza 1% TiO2 i 4% SiO2 je prihvatljiva po standardu SRPS EN ISO 5817:2015 za nivo kvaliteta D, ali nije za nivo B i C. Makro preseci uzoraka snimljenih digitalnim fotoaparatom nalaze se na slici 4.2. 82 Slika 4.2 Izgled makro preseka zavarenih uzoraka Kod uzoraka se vidi provar od 10 mm, kao i tragovi prokapljine tečnog metala razlivenog preko keramičke podložne pločice. Na uzorcima je vidljiva i trakavost u osnovnom materijalu kao posledica valjanja. Na slici 4.3 prikazani su dobijeni metali šava pri uvećanju od 20x na svetlosnom mikroskopu. Slika 4.3 Izgled metala šava zavarenih uzoraka Na većini uzoraka vidljivo je da se metal šava širi u korenom delu, što pokazuju i izmerene vrednosti u tabeli 4.2. Kod uzorka zavarenog sa aktivnom premazom 1% TiO2 i 4% SiO2 širina metala šava je najveća. Kod ovog uzorka došlo je do proširenja šava u drugoj polovini ploče, a u istoj oblasti uz proširenje javio se neprovar. 83 Uzorak za makro ispitivanje se nalazio na kraju zavarene ploče gde je došlo do proširenje metala šava. Odnosno do rastapanja metala je došlo više u širinu u odnosu na dubinu metala šava. Kako bi se odredio odnos dubine i širine metala šava (D/Š) prvo je potrebno izračunati srednju vrednost širine metala šava, rezultat je prikazan u tabeli 4.3. Tabela 4.3 Odnos D/Š Odnos D/Š Srednja vrednost odnosa D/Š za ceo MŠ Uzorak Lice Koren 5% TiO2 0,95 1,06 1,01 4% TiO2 + 1% SiO2 1,01 1,18 1,09 3% TiO2 + 2% SiO2 1,30 1,18 1,23 2% TiO2 + 3% SiO2 1,15 1,16 1,16 1% TiO2 + 4% SiO2 0,71 0,93 0,81 5% SiO2 1,49 1,14 1,29 Na osnovu rezultata u tabeli 4.3 najveći odnos D/Š je postignut kod uzorka zavarenog sa 5% SiO2, drugi po redu je uzorak zavaren sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 3% TiO2 i 2% SiO2, dok su najniži rezultati postignuti kod utorka zavarenog sa mešavinom čestica 1% TiO2 i 4% SiO2. 4.2 Mikroskopska ispitivanja 4.2.1 Svetlosna mikroskopija Na slici 4.4 je prikazana mikrostruktura osnovnog materijala uzorka zavarenog sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 3% TiO2 i 2% SiO2 u etanolu. Ovakva mikrostruktura je konstatovana i kod ostalih uzoraka u osnovnom materijalu. 84 Slika 4.4 Mikrostruktura u oblasti osnovnog materijala kod zavarenog uzorka 3Ti2Si (SM) Na slikama 4.5-4.10 prikazana je mikrostruktura zavarenih uzoraka u metalu šava i granici metala šava, odnosno liniji stapanja. Slika 4.5 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 5% TiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) Slika 4.6 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 4% TiO2 + 1% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) 85 Slika 4.7 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 3% TiO2 + 2% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) Slika 4.8 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 2% TiO2 + 3% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) Slika 4.9 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 1% TiO2 + 4% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) 86 Slika 4.10 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 5% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SM) Na slici mikrostrukture osnovnog materijala (slika 4.4) vidljiva je tipična austenitna struktura sa poligonalnim zrnima. Kod svih uzoraka, u osnovnom materijalu, kroz sredinu debljine uočljivo je smanjenje austenitnog zrna, kao i povećanje trakavosti i prisustva -ferita. Na slikama mikrostrukture metala šava (slike 4.5a-4.10a) vidljiva je dendritska struktura, sa orijentacijom zrna u različitim pravcima. Ovo je tipična morfologija mikrostrukture kod zavarivanja nerđajućih autenitnih čelika. U linijama stapanja metala šava kod svih uzoraka (slike 4.5b-4.10b) vidljiva je usmerena dendritska struktura zbog procesa hlađenja, međutim u ovoj oblasti nije uočena promena veličine austenitnog zrna sa strane osnovnog materijala u odnosu na veličinu austenitnih zrna u osnovnom materijalu, slika 4.4. 4.2.2 Skening elektronska mikroskopija Rezultati ispitivanja mikrostrukture na SEM-u, dati su na slikama od 4.11 do 4.19. Prvo je izvršeno ispitivanje mikrostrukture u osnovnom materijalu i metalu šava, a potom je urađena EDS analiza metala šava. Na slici 4.11 prikazana je mikrostruktura osnovnog materijala. Slika 4.11 Mikrostruktura osnovnog materijala 87 Na slikama 4.12–4.16 prikazane su mikrostrukture metala šava (a) i linije stapanja (b), odnosno granica između metala šava i osnovnog materijala uzoraka zavarenih sa aktivnim premazom. Slika 4.12 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 5% TiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) Slika 4.13 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 4% TiO2 + 1% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) Slika 4.14 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 3% TiO2 + 2% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) 88 Slika 4.15 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 2% TiO2 + 3% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) Slika 4.16 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 1% TiO2 + 4% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) Slika 4.17 Mikrostruktura uzorka zavarenog aktivnim premazom sa 5% SiO2: a) metala šava, b) linija stapanja metala šava (SEM) Tokom analize pripremljenih uzoraka na SEM, nisu uočeni uključci ili druge nepravilnosti ni greške. U metalu šava (slike 4.12a-4.17a) vidljiva je dendritska 89 struktura u različitim orijentacijama. U zoni stapanja (slike 4.12b-4.17b) vidljiva je austenitna mikrostruktura gde je po granici zrna došlo do izdvajanja -ferita (slika 4.18). Slika 4.18 Granica oko austenitnog zrna (SEM) Tokom procesa posmatranja uzoraka na SEM mikroskopu izvršena je i EDS analiza. Na slici 4.19 prikazana je mikrostruktura metala šava sa obeleženim mestom na kome se vršilo ispitivanje prisustva i sadržaja hemijskih elemenata. Pored mikrostrukture nalaze se detektovani hemijski elementi sa svojim udelima, dok je ispod slike mikrostrukture prikazan spektrogram (napomena: usled ograničenja metode EDS ostali prisutni elementi u AISI 304L kao što su C, S, P, N nisu mogli biti pouzdano detektovani i kvantifikovani). 90 Slika 4.19 EDS analiza metala šava uzorka zavarenog aktivnim premazom 5% TiO2 U tabeli 4.4 prikazane su detektovane vrednosti hemijskih elemenata u metalu šava. Tabela 4.4 Rezultati EDS ispitivanja Uzorak Hemijski elementi [%] Cr Ni Mn Si OM 17,54 8,66 1,66 0,79 5% TiO2 17,91 8,91 1,64 0,84 4% TiO2 + 1% SiO2 17,59 8,04 1,56 0,79 3% TiO2 + 2% SiO2 18,7 8,2 1,55 0,81 2% TiO2 + 3% SiO2 17,57 8,56 1,61 0,72 1% TiO2 + 4% SiO2 17,81 8,49 1,82 0,7 5% SiO2 17,46 8,01 1,78 0,69 Na osnovu rezultata EDS analize može se ustanoviti da unutar metala šava nije uočljivo povećanja sadržaja silicijuma, kao ni titanijuma koji su sastavni elementi aktivnog premaza. Odnosno, da detektovane količine silicijuma odgovaraju udelu u osnovnom materijalu. 91 4.3 Ispitivanje hemijskog sastava Rezultati izvršenih ispitivanja hemijskog sastava u osnovnom materijalu i u zoni metala šava na zavarenim uzorcima nalaze se u tabeli 4.5. Tabela 4.5 Hemijski sastav dobijen na optičkom emisionom spektrometru Hemijski elementi [%] Uzorak C Si Mn Cr Ni P S Fe OM 0,02 0,42 1,55 18,63 8,23 0,032 0,0004 Ostalo 5Ti 0,02 0,45 1,5 18,57 8,29 0,032 0,0006 Ostalo 4Ti1Si 0,02 0,45 1,51 18,55 8,24 0,032 0,0006 Ostalo 3Ti2Si 0,02 0,45 1,53 18,56 8,20 0,030 0,0007 Ostalo 2Ti3Si 0,02 0,45 1,51 18,57 8,24 0,032 0,0007 Ostalo 1Ti4Si 0,025 0,45 1,53 18,60 8,26 0,032 0,006 Ostalo 5Si 0,03 0,44 1,55 18,63 8,23 0,031 0,0004 Ostalo Po Standardu ASTM A240/A240M <0,03 <0,75 <2 17,5 - 19,5 8 – 12 <0,045 <0,030 Ostalo Na osnovu rezultata hemijskog sastava iz tabele 4.5, može da se konstatuje da je hemijski sastav metala šava ispitanih uzoraka zadovoljava standardom dozvoljene vrednosti. Značajnija razlika između zavarenih uzoraka i osnovnog materijala nije uočljiva. Na osnovu rezultata može se konstatovati da nije došlo do kontaminacije metala šava, odnosno da upotreba aktivnog premaza sa 5% udela čestica ne izaziva promenu hemijskog sastava metala šava. Takođe nisu pronađeni ni tragovi volframa što sugeriše da nije došlo do topljenja elektrode. Jedina primetna razlika u rezultatima hemijskog sastava je da se u uzorcima 5Si i 1Ti4Si nalazi veća količina ugljenika. Vrednosti prikazane u tabeli 4.5 su u pogledu ključnih legirajućih elemenata u skladu sa vrednostima dobijenim EDS metodom, prikazanim u tabeli 4.4. 4.4 Ispitivanje mehaničkih osobina 4.4.1 Ispitivanje zatezanjem Na osnovu prikupljenih podataka sa kidalice, dobijeni su dijagrami zatezanja sila – izduženje: Na slici 4.20 nalazi se dijagram sila – izduženje za uzorak 5P, tipičan za sve ispitane uzorke. 92 Slika 4.20 Dijagram zatezanja Sila – Izduženje za uzorak 5Ti Rezultati zateznih karakteristika zavarenih uzoraka nalaze se u tabeli 4.6. Kako bi se lakše prikazale razlike u vrednostima zateznih napona, izduženja i suženja podaci iz tabele 4.6 prikazani su grafički na dijagramu na slici 4.21. Do loma kod svih uzoraka je došlo u oblasti metala šava. Tabela 4.6 Mehaničke osobine zavarenih uzoraka Uzorak Napon tečenje Re [MPa] Zatezna čvrstoča Rm [MPa] Izduženje A [%] Suženje Z [%] 5P 5% TiO2 273 603 48,5 63,0 5K 257 598 47,5 58,5 4P 4% TiO2 + 1% SiO2 254 583 46,5 64,5 4K 272 594 44,5 55,0 3P 3% TiO2 + 2% SiO2 274 592 42,5 61,0 3K 261 613 45,5 60,0 2P 2% TiO2 + 3% SiO2 268 599 43,5 59,0 2K 253 614 47,0 57,0 1P 1% TiO2 + 4% SiO2 257 615 46,0 60,0 1K 275 632 50,0 69,0 0P 5% SiO2 270 616 44,0 59,5 0K 230 621 49,5 63,0 Osnovni materijal 464 696 60 63 484 700 55 58,5 P uzorak sa početka ploče, K - Uzorak sa kraja ploče 93 Slika 4.21 Rezultati ispitivanja zatezanjem – grafički prikaz Sa dijagrama prikazanih na slici 4.21 vidi se da su vrednosti zateznih karakteristika relativno ujednačene. Takođe može se reći da ne postoji značajna razlika između uzoraka uzetih sa početka ploče i kraja zavarene ploče. Relativna standardna devijacija zatezne čvrstoće za sve uzorke je 2,3% dok za napon tečenja iznosi 5%. Najveća zatezna čvrstoća i napon tečenja su postignuti kod uzorka zavarenog sa aktivnim premazom na bazi mešavina čestica 1% TiO2 i 4% SiO2 u etanolu koji je uzet sa kraja ploče odnosno iz oblasti na kojoj je širina metala šava relativno široka. Kod istog uzorka je zabeleženo najveće izduženje i suženje, verovatno kao rezultat velike zapremine metala šava. 94 Slika 4.22 Srednje vrednosti zateznih karakteristika – grafički prikaz Srednje vrednosti zateznih karakteristika po uzorcima prikazani su na slici 4.22 gde se jasno može videti da je uzorak 1Ti4Si ima najveće mehaničkim osobinama, sledeći je uzorak 5Si, odnosno uzorak zavaren sa premazom na bazi 5% SiO2. Međutim, kod ovog uzorka je uočen minimalni napon tečenja. Sa druge strane, najniže mehaničke osobine su uočene kod uzorka zavarenog sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 4% TiO2 i 1% SiO2, odnosno kod uzorka 4Ti1Si. U procesu zatezanja, na epruvetama se po dostizanju maksimalnog zateznog napona javljalo suženje, odnosno stvaranje vrata na mestu budućeg loma. Na slici 4.23 može se videti vrat u predelu metala šava, kao i sam lom. Slika 4.23 Proces zatezanja: a) vrat na epruveti, b) lom epruvete 95 Kod svih epruveta došlo je do stvaranja vrata što je karakteristika duktilnih materijala. Na prelomljenom metalu šava lako su uočljivi vlaknasti tragovi tečenja metala (slika 4.24a), kao i lom pod uglom oko 45° (slika 4.24b). Slika 4.24 Prelomljena površina metala šava a) vidljivi vlaknasti tragovi b) lom pod uglom od 45° Kako bi se tačno utvrdila morfologija loma izvršeno je ispitivanje površine loma na SEM-u. Na slici 4.25 prikazana je površina loma epruvete uzorka 4K, gde slika 4.25a predstavlja izgled makro površine loma. Slike 4.25b,c,d pokazuju morfologiju loma epruvete na kojima se vide jamice. U sredini jamica (slika 4.25d) su nemetalni uključci oko kojih je nastao duktilni lom. Svi uzorci imaju duktilnu morfologiju loma. Slika 4.25 Morfologija loma uzorka zavarenog aktivnim premazom sa česticama 4% TiO2 + 1% SiO2 (SEM) 96 4.4.2 Ispitivanje savijanjem Nakon izvršenog savijanja epruveta do 180° preko lica i korena metala šava, na epruvetama je izvršeno vizuelno ispitivanje eventualne pojave novonastalih pukotina ili prslina. Na slikama 4.26–4.31, gde su prva i treća epruveta savijani preko lica metala šava, dok su druga i četvrta savijane preko korena metala šava. Slika 4.26 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 5% TiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane Slika 4.27 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 4% TiO2 + 1% SiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane Slika 4.28 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 3% TiO2 + 2% SiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane 97 Slika 4.29 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 2% TiO2 + 3% SiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane Slika 4.30 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 1% TiO2 + 4% SiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane Slika 4.31 Uzorci zavareni sa aktivnim premazom 5% SiO2 nakon savijanja prikazani sa obe strane Iako je na savijenim epruvetama lako vidljiva oblast metala šava sa izraženim linijama tečenja i deformacije metala, kod ispitivanih epruveta nije uočena pojava ni jedne prsline. Stoga, svi zavareni uzorci zadovoljavaju standard SRPS EN ISO 5173:2010 u pogledu ispitivanja savijanjem. 98 4.4.3 Ispitivanje energije udara Nakon izvršenih ispitivanja dobijene su vrednosti energije udara, kao i energije potrebne za stvaranje i širenje prsline u metalu šava. Na dijagramu (slika 4.32), dobijenom kao rezultat prikupljenih informacija sa senzora mašine, prikazane su dve krive. Crvena kriva predstavlja zavisnosti sila – vreme pri udaru epruvete gde se može videti maksimalna sila, odnosno trenutak do kada se utrošena energija troši na stvaranje prsline, i drugi deo posle najveće vrednosti, kada se energija troši na širenje prsline. Plava linija predstavlja prirast energije udara u zavisnosti od vremena. Slika 4.32 Dijagram energije udara uzorak sa 4% TiO2 i 1% SiO2 – Prikaz iz programa Dyna Impact Iz podataka ispod slike 4.32, može se videti da je ukupna energija udara 243,36 J dok je energija potrebna za stvaranje prsline 90,24 J što rezultira da je energija za širenje prsline 153,12 J. U tabeli 4.7 date su vrednosti energija udara, kao i vrednosti energije potrebne za stvaranje i širenje prsline. 99 Tabela 4.7 Rezultati ispitivanja energije udara u metalu šava Uzorak Epruveta Energija za stvaranje prsline [J] Energija za širenje prsline [J] Ukupna energija udara KV [J] 5% TiO2 1 94 156 250 2 100 150 250 3 96 146 242 Srednja vr. 97 151 248 4% TiO2 + 1% SiO2 1 98 117 215 2 90 153 243 3 99 125 223 Srednja vr. 96 132 227 3% TiO2 + 2% SiO2 1 100 152 252 2 100 131 231 3 108 141 248 Srednja vr. 102 141 244 2% TiO2 + 3% SiO2 1 92 162 254 2 86 152 238 3 100 165 265 Srednja vr. 93 160 253 1% TiO2 + 4% SiO2 1 94 168 262 2 97 154 251 3 95 150 245 Srednja vr. 95 157 253 5% SiO2 1 102 137 239 2 93 125 219 3 102 148 250 Srednja vr. 99 137 236 Osnovni materijal 1 105 153 258 2 111 171 282 3 106 173 279 Srednja vr. 107 166 273 100 Vrednosti dobijenih energija su predstavljene i na grafičkom prikazu na slici 4.33. Slika 4.33 Vrednost energije udara u metalu šava – grafički prikaz Najveća vrednost energije udara je postignuta kod uzoraka 1Ti4Si i 2Ti3Si, odnosno uzorci zavareni sa aktivnim premazom sa mešavinom čestica 1% TiO2 i 4% SiO2 i sa mešavinom čestica 2% TiO2 i 3% SiO2 u etanolu. Uzorak 3Ti2Si imao je najveću vrednost energije za stvaranje prsline na vrhu V zareza, ali i relativno nisku vrednost energije udara. Na slici 4.34 prikazani su dijagrami energija udara na kojima se može videti razlika između uzorka 2Ti3Si i 3Ti2Si, jer je energija udara u stvari površina ispod krive sila – vreme. Slika 4.34 Dijagrami energije udara: a) uzorak zavaren sa aktivnim premazom 2% TiO2 + 3% SiO2, b) uzorak zavaren sa aktivnim premazom 3% TiO2 + 2% SiO2 101 Standardom SRPS EN 10088-2:2003 najmanja propisana vrednost energije udara na sobnoj temperaturi sa zarezom postavljenim u položaj VWT po standard SRPS ISO 9016:2013 je 100 J. Na osnovu standardom propisane vrednosti svi višestruko prelaze najmanju vrednost energije udara. Slika 4.35 Prelomljena površina uzorka 1Ti4Si Na slici 4.35 prikazana je površina loma uzorka 1Ti4Si na kojoj se mogu videti tragovi plastične deformaciji nastali prilikom loma epruvete. Kod svih ispitanih uzoraka uočljiv je duktilni lom. Ispitivanjem površine loma epruveta za energiju udara na SEM-u, može da se konstatuje da je kao i kod ispitivanja zatezanjem, prisutan duktilni lom sa izrazito jamičastom morfologijom, slika 4.36. Ovaj rezultat je u potpunosti u skladu sa makro karakteristikama duktilnog loma datih na slici 4.35, od kojih je najvažnija pojava intenzivne plastične deformacije. Slika 4.36 Morfologija loma uzorka zavarenog sa premazom 1% TiO2 4% SiO2 (SEM) 102 4.4.4 Ispitivanje mikrotvrdoće Rezultati ispitivanja mikrotvrdoće HV0,1 (ispitani na svim uzorcima u tri linije, kao što je opisano na slici 3.64), prikazani su na slikama 4.37 i 4.38. Broj otisaka na uzorcima se razlikuje, jer širina metala šava nije ista kod svih uzoraka. Pune oznake (■ i ●) predstavljaju merenje u metalu šava, a prazne oznake (□ i ○) u osnovnom materijalu. Slika 4.37 Profil mikrotvrdoće na zavarenim uzorcima po liniji 1 i liniji 2 Sa profila mikrotvrdoće za linije merenja 1 i 2 može se ustanoviti da je mikrotvrdoća po obe linije relativno ujednačena kod uzoraka 4Ti1Si, 2Ti3Si, 1Ti4Si i 5Si. Kod uzorka 5Ti izmerena mikrotvrdoća sa donje strane uzorka je niža za oko 20 Vikersa u odnosu na liniju sa lica šava, dok kod uzorka 3Ti2Si dobijene vrednosti tvrdoće su veće sa korene strane. Ukoliko bi posmatrali samo sredinu metala šava kod svih uzoraka je mikrotvrdoća veća sa strane lica (linija 1), osim kod uzorka 3Ti2Si i delom kod uzorka 4Ti1Si. 103 Slika 4.38 Profili mikrotvrdoće po vertikalnoj liniji 3 Na osnovu profila mikrotvrdoće za liniju merenja 3 (slika 4.38) za uzorke 4Ti1Si, 2Ti3Si, 1Ti4Si i 5Si može se reći da su ravnomerne i da srednja vrednost izmerenih mikrotvrdoća odgovara srednjim vrednostima mikrotvrdoće za linije 1 i 2. Dok kod uzorka 5Ti dolazi do pada tvrdoće sa udaljavanjem od lica metala šava ka korenu što se poklapa sa vrednostima tvrdoće za liniju 2 koje su niže. Kod uzorka 3Ti2Si dolazi do porasta tvrdoće i odgovara liniji 2 koja ima veće vrednosti tvrdoće u korenom delu. 104 5 Diskusija 5.1 Uvodna istraživanja U procesu uvodnih istraživanja potrebno je pravilno odabrati komponente i način pravljenja premaza kako bi se dobila najveća dubina uvara sa zadovoljavajućim kvalitetom zavarenog spoja. Kako je u poglavlju 2.3.1 opisano, aktivni premaz ima ulogu da izazove Marangonijev efekat koji bi promenio pravac strujanja tečnog metala [4, 8, 31, 35], čime bi se doprinelo povećanju dubine uvara, odnosno, da utiče na suženje električnog luka (slika 5.1). Slika 5.1 Kretanje tečnog rastopa i oblik el. luka: a) bez aktivnog premaza, b) sa aktivnim premazom Da bi do promene smera kretanja rastopljenog metala došlo potrebno je da se rastopu metala doda količina kiseonika od 150 do 350 ppm [61] koji bi u reakciji sa rastopom izazvao promenu toplotnog koeficijenta površinskog napona. Kiseonik nastaje tokom razlaganja aktivnog premaza (koji je na bazi oksida) zbog velike temperature električnog luka, dok preostali atomi isparavaju i prave elektronski oblak oko električnog luka i tima sužavaju električni luk. Prvi problem je pravilan odabir čestica, kao i odnosa čestica u rastvaraču. U naučnim radovima SiO2 i TiO2 se često koriste [36, 52, 53, 55], mada su mnogo češće složene mešavine oksida i halida u različitim rastvaračima i odnosima [6, 25, 41, 51, 58]. Pregledom literature ustanovljeno je da je procentualni odnos čestica i rastvarača često podjednak (1:1), usled čega su dobijeni aktivni premazi u obliku paste. Stoga je bilo potrebno naći adekvatan odnos za date čestice kako bi se nakon nanošenja, na površini materijala našla dovoljna količina aktivnih čestica da izazovu Marangonijev efekat. U radu [59] ustanovljeno je da sa porastom debljine premaza, odnosno udela čestica većeg od određene vrednosti, dolazi do blagog smanjenja dubine uvara. 105 5.1.1 Eksperiment I – Određivanje uticaja masenog udela čestica TiO2 u aktivnom premazu na dubinu uvara U prvom eksperimentu urađeno je određivanje masenog udela čestica TiO2 veličine 300 nm u etanolu. Nakon izvršenih ispitivanja sa udelima 5, 10 i 20% ustanovilo se da 5% masenog udela čestica u aktivnom premazu daje najveću dubinu uvara za uslove nanošenja četkicom u jednom prolazu pri datim parametrima pretapanja. Sa 5% udela korišćenih čestica oksida postignuta je dovoljna količina kiseonika za izazivanje Marangonijevog efekta [61], a daljim porastom udela čestica dolazi do slabljenja ovog efekta [59]. Drugi od mogućih razloga je što se veći udeo energije električnog luka troši na topljenje veće količine čestica. 5.1.2 Eksperiment II – Određivanje uticaja rastvarača U sledećem eksperimentu aktivne čestice TiO2 rastvarane su u etanolu ili acetonu kako bi se uvideo uticaj rastvarača na povećanje dubine uvara. U literaturi su ova dva rastvarača često korišćena [6, 7, 9, 25, 26, 41, 55, 56]. Nakon izvršenih eksperimenata veća dubina uvara je postignuta upotrebom acetona, međutim razlika u dubinama je relativno mala i iznosi manje od 2%. 5.1.3 Eksperiment III – Određivanje uticaja oblika vrha elektrode i udela nano i submikronskih čestica TiO2 Naredni eksperiment je urađen sa česticama TiO2 veličine 20 nm i česticama submikronske veličine 300 nm, kao i mešavinama ovih čestica do masenog udela od 5% u rastvoru acetona. Pored aktivnog premaza varirana su i tri oblika elektrode: ravna odnosno tupa, naoštrena konusna sa uglom 90° i konusna elektroda sa uglom 90° i zatupljenjem na vrhu prečnika 0,5 mm. Rezultati ispitivanja dubine uvara kod uzoraka pretopljenih upotrebom aktivnog premaza su do 100% bolji nego bez upotrebe aktivnog premaza. Dubine uvara i odnosa D/Š pri upotrebi aktivnog premaza pokazali su da su nano čestice efikasnije od submikronskih, ali najbolji rezultati su postignuti njihovim mešavinama. Tseng i Lin su u radu [55] takođe pokazali, da su nano čestice efikasnije od mikro, ali sa česticama SiO2. Ova pojava se objašnjava činjenicom da se pri dejstvu električnog luka zagrevanje i isparavanje sitnijih čestica odvija brže i lakše u odnosu na veće čestice zbog veće površinske mase nano čestica u odnosu na mikronske. Međutim, nominalna veličina čestica u polaznom prahu od kojih je napravljen aktivni premaz ne odgovara veličini čestica u aktivnom premazu prema merenjima krupnoće čestica u rastvoru (slika 3.14, strana 48). U rastvoru se javljaju aglomerati čestica koje su višestruku veći dimenzija od nominalne veličine čestica praha. Najmanje čestice izmerene su kod mešavina submikronskih i nano čestica gde najverovatnije krupnije čestice izazivaju razbijanje aglomerata nano čestica [62], odnosno razbijanje slabih Van der Waals-ovih veza [63–65] i time smanjuju veličinu oksida u aktivnom premazu. Na osnovu toga, istu površinu aktivnog premaza pokriva veći broj sitnijih čestica, čime se utiče na povećanje dubine uvara. 106 Sa druge strane, i oblik vrha elektrode ima uticaj na dubinu uvara. Elektroda sa tupim vrhom se pokazala kao najlošija, odnosno sa njom su postignute najmanje vrednosti dubina uvara. Po Key [19] tupa elektroda ima uzak električni luk, a time se dobija uzak i dubok uvar, dok elektrode sa konusnim vrhom imaju veću širinu i manju dubinu zavara zbog širenja električnog luka. Pri upotrebi aktivnog premaza rezultati su drugačiji, jer tupa elektroda zahvata manju površinu aktivnog premaza pa je samim tim manja količina isparenih oksida koja je nedovoljna da izazove povećanje dubine uvara. Najveća dubina uvara postignuta je sa konusnom elektrodom sa zatupljenim vrhom, jer ima širi električni luk od tupe elektrode, a sa druge strane, koncentrisaniji električni luk od elektroda sa oštrim vrhom. Međutim, ocenjeno je da je razlika između dubine uvara dobijene sa elektrodom sa konusnim i konusnim, i zatupljenim vrhom relativno mala, te je zbog jednostavnijeg oštrenja konusne elektrode upravo sa takvom elektrodom nastavljen eksperimentalni rad. Naime, sam proces oštrenja elektrode i pravljenje zatupljenja adekvatnog i ponovljivog prečnika na vrhu je relativno složen. 5.1.4 Eksperiment IV – Određivanje uticaja nano čestica SiO2 i tipa rastvarača Određivanje udela nanočestica SiO2 veličine 40 nm u rastvoru acetona i etanola je izvršeno u eksperimentu IV. Nakon pretapanja i makro pregleda poprečnih preseka ustanovilo se da je razlika između dubine uvara postignuta sa aktivnim premazom u odnosu na uzorak bez aktivnog premaza veća od 100% i u najboljem slučaju ona iznosi 140%. Najveće dubine uvara su postignute sa aktivnim premazom rastvorenim u etanolu. Aktivni premaz rastvoren u acetonu rezultovao je većom dubinom uvara samo kod uzorka sa 20% čestica, međutim odnos D/Š je niži nego kod uzorka pretopljenog sa aktivnim premazom rastvorenim u etanolu. Najveća postignuta dubina, a ujedno i odnos D/Š je na uzorku sa aktivnim premazom od 5% čestica rastvorenim u etanolu, sledeći po dubini uvara je uzorak sa aktivnim premazom od 40% čestica SiO2. Razlika u dubini uvara između ova dva premaza je 2%, međutim udeo čestica za pravljenje je osam puta veći, a samim tim i cena proizvodnje premaza sa 40% čestica SiO2. Pored toga, aktivni premaz sa 40% čestica je u formi paste i teško je izvršiti njegovu homogenizaciju sa etanolom. U uvodnom eksperimentu II sa česticama TiO2 kao pogodniji rastvarač pokazao se aceton sa 2% većom dubinom uvara u odnosu na etanol, dok se sa česticama SiO2 kao rastvarač bolje pokazao etanol sa prosečno 5% većom dubinom uvara. Tokom izrade eksperimenta III ustanovljeno je da aceton brzo isparava što dovodi do promene odnosa čestica i rastvarača u suspenziji u posudi sa aktivnim premazom. Zbog toga je etanol pogodniji izbor za rastvarač jer napon pare acetona na sobnoj temperaturi iznosi 24,598 kPa, dok napon pare etanola na sobnoj temperaturi iznosi 5,78 kPa, na osnovu toga aceton ima četiri puta veću brzinu isparavanja [66]. 107 5.1.5 Eksperiment V – Određivanje uticaja udela nano čestica TiO2 i SiO2 Na osnovu prethodnih rezultata da se sa 5% rastvorom, kod obe vrste nanočestica postižu najveće dubine uvara, u eksperimentu V izvršeno je mešanje čestica TiO2 i SiO2, a kao rastvarač je korišćen etanol. Nakon izvršenih ispitivanja ustanovljeno je da je sa česticama TiO2 postignuta veća dubina uvara u odnosu na čestice SiO2. Ovakvi rezultati nisu u skladu sa istraživanjima Venkatesana [41, 67] koji je dobio da su za iste parametre pretapanja čestice SiO2 efikasnije za povećanje dubine uvara. Povećana dubina uvara upotrebom SiO2 može se objasniti većom eketronegativnošću Si koji po Paulingovoj skali ima vrednost 1,90, dok Ti ima vrednost 1,54 [4, 36]. Dobijeni rezultati u eksperimentu V mogu se objasniti na osnovu rezultata merenja veličine čestica u aktivnom premazu (zetasizer, slika 3.28, strana 58) koji pokazuju da je kod čestica SiO2 došlo do izraženije aglomeracije nego kod TiO2. Broj najsitnijih čestica u opsegu 0,3 do 1 µm je 80% od ukupnog broja detektovanih čestica kod aktivnog premaza sa 5% SiO2, dok je kod premaza sa 5% TiO2 taj procenat 90%. Na osnovu toga se može reći da je zbog sitnijih čestica TiO2 (sa relativno većom aktivnom površinom) došlo do isparenja većeg broja elektrona koji su poboljšali dubinu uvara. Naime, čestice SiO2 su bile veličine 40 nm, a čestice TiO2 su bile veličine 20 nm. Međutim, najmanje detektovane čestice u aktivnom premazu su 300 nm što je višestruko veće od nominalnih vrednosti, i što ukazuje na intezivnu aglomeraciju. Najveća dubina uvara je postignuta sa mešavinom čestica 3% TiO2 i 2%SiO2 kod kojih je detektovan i najveći udeo najsitnijih čestica od 91,57%. Do usitnjavanja čestica moglo je doći usled mešanja i međusobnog sudaranja čestica TiO2 i SiO2 [62]. Međutim, još jedan razlog za sitnije čestice je u tome što je sklonost mešavina nano čestica ka aglomerisanju manja [68]. Dobijeni rezultati u eksperimentu su u skladu sa istraživanjem Venkatesana [41, 67] gde je pokazano da se samo sa jednom vrstom čestica ne može dobiti najveća dubina uvara. 5.1.6 Eksperiment VI – Određivanje uticaja brzine pretapanja U narednom uvodnom eksperimentu VI ispitivan je uticaj brzine pretapanja, sa aktivnim premazom 5% SiO2, kao i razlika u odnosu na uzorke bez premaza. Brzina pretapanja je smanjivana sa 90 mm/min do 60 mm/min. Na makro poprečnim presecima uzorka (slike 3.37 i 3.38, strana 65) vidljivo je povećanje dubine od 130 do 150% sa upotrebom aktivnog premaza. Sa smanjenjem brzina pretapanja sa 90 mm/min na 60 mm/min pri upotrebi premaza dubina uvara se povećala za 18%, a smanjenjem brzine 100 mm/min iz eksperimenta V sa aktivnim premazom 5% SiO2 na 60 mm/min dubina uvara se povećala za 50%. Smanjenjem brzine zavarivanja povećava se količina unosa toplote, jer elektroda duže vremena provede na datoj dužini, samim tim postiže se veća količina rastopa metala i trajanje povoljnog kretanja rastopa je duže [24, 45]. 108 5.1.7 Eksperiment VII – Određivanje uticaja ugla vrha elektrode povećanog prečnika Na osnovu prikupljenih informacija iz prethodnih eksperimenata odabrani su parametri zavarivanja i aktivnog premaza mešavine čestica 3% TiO2 i 2% SiO2 u etanolu sa kojima je urađen eksperiment VII. Jačina struje je limitirana aparatom za zavarivanje od 300 A. Međutim za jačine struja iznad 200 A, po preporukama proizvođača netopljivih elektroda, potrebno je koristiti elektrode većeg prečnika, tj. prečnika 3,2 mm. Sa promenom prečnika elektrode potrebno je korigovati i ugao vrha elektrode radi dobijanja maksimalne dubine uvara. Nakon pripreme poprečnih preseka uzorka (slika 3.40) ustanovljena je potpuna penetracija uzorka debljine 14,4 mm sa oštrom elektrodom ugla vrha 60° pri brzini pretapanja 40 mm/min. Ostvaren odnos D/Š sa elektrodom ugla 60° je 1,18. Međutim dubina provara je postignuta nakon 90 mm pretapanja, kada je materijal bio dovoljno predgrejan, pri čemu nastaje prokapljina visine 0,4 mm. Napominje se da je dubina uvara od 12 mm postignuta u patentu US8097826 [57], ali pri procesu zavarivanja na materijalu AISI 316L sa jačinom struje 325A, dok je u ovom eksperimentu postignuta dubina uvara od 14,4 mm pri jačini struje od 300 A. Kod elektrode sa uglom vrha od 45° u uvodnom eksperimentu VII postignuta je dubina uvara od 11,66 mm, ali i velika širina šava zbog rasipanja električnog luka, što uzrokuje odnos D/Š od 0,79. Elektroda sa uglom vrha 90° ima skocentrisaniji električni luk, ali pri toj širini luka ne pretapa dovoljnu površinu aktivnog premaza, pa nema dovoljne količine kiseonika da u potpunosti preokrene smer kretanja tečnog metala. 5.2 Završna istraživanja 5.2.1 Vizuelna kontrola i makro ispitivanje Kako bi se ustanovio uticaj aktivnog premaza na kvalitet zavarenog spoja pri zavarivanju A-TIG postupkom u jednom prolazu izvršeno je zavarivanje ploča debljine 10 mm sa jačinom struje od 250 A, brzinom zavarivanja 40 mm/min sa upotrebom aktivnih premaza na bazi mešavina čestica TiO2 i SiO2. Odabir parametara i debljine materijala je izvršen na osnovu prikupljenog iskustva iz preliminarnih eksperimenata. Kako bi se eliminisale velike prokapljine korišćene su keramičke podložne pločice. Za zavarivanje je korišćen isti aktivni premaz kao u eksperimentu V, nano čestice TiO2 i SiO2. Nakon izvršenog zavarivanja ustanovljen je potpuni provar kod svih uzoraka, osim na uzorku zavarenim sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 1% TiO2 i 4% SiO2 na dva mesta u dužini od 3 mm i 4 mm (slika 4.1, strana 80). Uočena greška spada u kratke prsline i dozvoljena je po standardu SRPS EN ISO 5817:2015 za nivo kvaliteta D, ali ne za B i C. Na istom uzorku postignut je najnepovoljniji odnos D/Š (tabela 4.3), takođe je bilo potrebno najveće rastojanje od uspostavljana električnog luka kako bi se postigao potpuni uvar. Na osnovu tabele 4.1 (strana 81) vidi se da uzorci sa udelom 109 TiO2 više od 3% u premazu imaju najkraće rastojanje do postizanja punog provara. Najveću vrednost od 6,4 mm ima uzorak zavaren sa aktivnim premazom na bazi mešavina čestica 4% TiO2 i 1% SiO2. U eksperimentu VII kod uzorka sa potpunim provarom od 14 mm oblik metala šava je imao oblik kao na slici 5.2a, gde suženje na korenoj strani predstavlja trenutak nestajanja energije za dalje napredovanje, odnosno predstavlja maksimum za date parametre. Pri zavarivanju ploča od 10 mm, oblik metala šava kod većine uzoraka je kao na slici 5.2b na osnovu koje se može videti da je u korenom delu povećana širina metala šava. Ovo ukazuje da datim parametrima moguće zavariti deblju ploču, odnosno ima mogućnosti za smanjenje jačine struje zavarivanja ili povećanje brzine zavarivanja. Uzorak 1Ti4Si ima oblik šava kao na slici 5.2c. Na osnovu ovakvog oblika šava dolazi se do pretpostavke da dati premaz (1% TiO2 i 4%SiO2) ne uzrokuje nastanak dovoljne količine kiseonika za rastopljenu količinu metala da bi se trajno zadržao smer kretanja koji obezbeđuje maksimalnu dubinu uvara. Slika 5.2 Modeli kretanja tečnog metala: a) nedostatak energije za dalje napredovanje, b) višak energije, c) nedovoljno energije za održanje Marangonijevog efekta 5.2.2 Mikroskopska ispitivanja Na osnovu prikazane mikrostrukture na slikama 4.4–4.17 (strana 84), dobijene svetlosnim mikroskopom i skening elektronskim, nisu uočene značajne međusobne razlike između uzoraka zavarivanih različitim aktivnim premazima. Mikrostruktura osnovnog materijala nakon zavarivanja je ostala nepromenjena, dok se u metalu šava javlja dendritska struktura uobičajena za zavarivanje nerđajućeg čelika. Slična struktura je uočena i u drugim literaturnim radovima [35, 53]. EDS analizom uzoraka ustanovljeno je da uz železo i ugljenik ima prisustvo hroma, nikla, silicijuma i mangana (tabela 4.4, strana 90). Međusobnim poređenjem kod svih zavarenih uzoraka hemijski sastav je približno isti i u skladu je sa vrednostima dobijenim u osnovnom materijalu. Na uzorku zavarenom sa aktivnim premazom na bazi 5% TiO2 detektovan je najveći udeo silicijuma od 0,84% koji je veći nego i u osnovnom materijalu 0,79%, ovo se može pripisati samom osnovnom materijalu, odnosno segregaciji silicijuma u materijalu. 110 5.2.3 Hemijski sastav Pored EDS analize izvršeno je ispitivanje metala šava na optičkom spektometru na kojem je utvrđeno prisustvo više hemijskih elemenata u metalu šava (tabela 4.5, strana 91). Detektovana je količina ugljenika, hroma, nikla, silicijuma, mangana kao i prisustvo nečistoća sumpora i fosfora. Razlike između rezultata dobijenih EDS metodom i na OES su izražene kod silicijuma gde je EDS detektovao do dva puta više u odnosu na OES. Sadržaj silicijuma detektovanog EDS metodom u osnovnom materijalu je veći od standardom propisanih 0,75%, takođe kod uzoraka 5Ti, 4Ti1Si i 3Ti2Si, dok postupkom optičke spektrometrije sadržaj silicijuma je u granicama standarda. Preciznija metoda za određivanje sastava je optička emisiona spektometrija i svi detektovani hemijski elementi nalaze se u propisanim granicama određenih standardom ASTM A240/A240M:2004. 5.2.4 Mehanička ispitivanja 5.2.4.1 Ispitivanje zatezanjem Za osnovni materijal AISI 304L po standardu ASTM A240/A240M:2004 mehaničke osobine su date u tabeli 3.8 (strana 77). Na osnovu vrednosti iz tabele 4.6 (strana 92) svi zavareni spojevi zadovoljavaju standardnom propisane najmanje vrednosti zatezne čvrstoće, napona tečenja i izduženja. Na dijagramu prikazanom na slici 5.3 dati su odnosi dobijenih zateznih čvrstoća i najmanje vrednosti zatezne čvrstoće propisane standardom. Kod svih uzoraka, zatezna čvrstoća je u odnosu na standardom propisanu najmanju zateznu čvrstoću za čelik AISI 304L veća i iznosi između 121,34% i 128,56%. Slika 5.3 Efikasnost zavarenog spoja u odnosu na standardom propisanu najmanju vrednost zatezne čvrstoće 111 Međutim, do loma kod svih uzoraka je došlo u metalu šava, što pokazuje da metal šava ima niže zatezne karakteristike od osnovnog materijala korišćenom u ovom eksperimentu. U poređenju sa dobijenim zateznim karakteristikama osnovnog materijal svi zavareni uzorci imaju niže vrednosti zatezne čvrstoće, napona tečenja, izduženja i suženja. Kod zavarenih uzoraka se ne posmatra napon tečenja, kao ni izduženje preko zavarenog spoja, već samo zatezna čvrstoća. Na osnovu odnosa srednje vrednosti zatezne čvrstoće zavarenih uzoraka i osnovnog materijala napravljen je dijagram efikasnosti zavarenog spoja, koji je prikazan na slici 5.4. Slika 5.4 Efikasnost zavarenog spoja u odnosu na osnovni materijal Dobijeni rezultati pokazuju da svi zavareni spojevi imaju efikasnost veću od 80%. Najveća vrednost od 89,33% je kod uzorka 1Ti4Si, sledeći je uzorak 5Si sa 88,61%, dok najniža vrednost je kod uzorka 4Ti1Si i iznosi 84,31%. Nayee je u radu [26] postigao efikasnost zavarenog spoja sa premazom na bazi TiO2 od 88%, dok je najveću efikasnost od 97,5% postigao zavarivanjem sa aktivnim premazom na bazi čestica ZrO pri zavarivanju raznorodnih čelika AISI 304L i ASME SA516 debljina 6 mm uz potpuni provar. Međutim u radu [60] izvršeno je zavarivanje raznorodnih materijala AISI 304H i ASTM P92 debljina 8 mm upotrebom aktivnog premaza na bazi čestica TiO2 i TIG postupkom u više prolaza sa upotrebom dodatnog materijala Inconel 82. Nakon izvršenih mehaničkih ispitivanja ustanovljeno je da uzorak zavaren aktivnim premazom ima veću zateznu čvrstoću od uzorka zavarenog u više prolaza TIG postupkom. Nasuprot ovim rezultatima u radu Dhandha [69] pri uporednom zavarivanju čelika AISI P91 debljine 6 mm TIG postupkom u više prolaza uz upotrebu dodatnog materijala ER90S-B9 (hromni čelik sa niskim sadržajem ugljenika) i A-TIG postupkom sa premazom na bazi čestica MnO2 rastvorenim u metanolu, u oba slučaja dobio zateznu čvrstoću nižu od osnovnog materijala. TIG postupkom je postignuta veća zatezna čvrstoća u odnosu na A-TIG postupak, kod TIG postupka efikasnost spoja je 99%, dok je kod A-TIG postupka 90%. 112 S obzirom da rezultati u radu Sharme [60] odstupaju u odnosu na rezultate u radovima [26, 64] i rezultata iz ovog rada, a da je zavarivanje A-TIG postupkom izvršeno bez dodatnog materijala jasno je da livena mikrostruktura, neizbežna kod postupaka zavarivanja topljenjem, ima niže mehaničke osobine u odnosu na valjanu, deformaciono ojačanu mikrostrukturu osnovnog materijala [70]. Postoji velika mogućnost da su dobijeni rezultati posledica odabira dodatnog materijala koji nije optimalan. Kod uzoraka 1Ti4Si i 5Si prilikom ispitivanja hemijskog sastava detektovana je veća količina ugljenika od 0,03% i 0,025% u odnosu na ostale uzorke gde je detektovano 0,02% ugljenika. To može biti dodatni razlog da ti uzorci imaju u određenoj meri veću zateznu čvrstoću, a samim tim i veću efikasnost zavarenog spoja. Određena razlika u hemijskom sastavu je očekivana i dopuštena u realnom materijalu, te nije kritična ako su mehaničke osobine veće od minimalno garantovanih (zahtevanih) standardom za taj materijal. Upotrebom statističke metode Anova sa Tukey testom, ustanovljeno je da vrsta aktivnog premaza nema značajnog uticaja na dobijene rezultate mehaničkih karakteristika (tabela 5.1). Na osnovu dobijenih rezultata zateznih karakteristika može se reći da uzorak 1Ti4Si, odnosno uzorak zavaren sa aktivnim premazom sa česticama 1% TiO2 i 4% SiO2 ima najbolje mehaničke karakteristike, sledeći je uzorak 3Ti2Si sa aktivnim premazom na bazi mešavine čestica 3% TiO2 i 2% SiO2 čestica. Najniža vrednost mehaničkih osobina je postignuta kod uzorka 4Ti1Si, sa 4% TiO2 i 1% SiO2 čestica. Tabela 5.1 Anova Tukey Method 95% pouzdanosti Uzorak Broj Srednja vrednost Grupa 1Ti4Si 8 222.7 A 3Ti2Si 8 217.8 A 5Si 8 217.4 A 2Ti3Si 8 217.0 A 5Ti 8 216.6 A 4Ti1Si 8 213.1 A Napomena: Uzorci sa različitim slovima su signifikantno različiti Makroskopski izgled površine loma ispitanih epruveta zatezanjem (slika 4.22, strana 95) odgovara duktilnom lomu, a daljom analizom površina na SEM-u (slika 4.23, strana 95) to je i potvrđeno. Ovi rezultati su u skladu sa dobijenim vrednostima izduženja i suženja tokom ispitivanja zatezanjem, odnosno sa izmerenom duktilnošću materijala. 113 5.2.4.2 Ispitivanje savijanjem Pri ispitivanju savijanjem, nije došlo do pojave ili otvaranja prsline, tako da su svi uzorci zadovoljili standard SRPS EN ISO 5173:2010. To je u skladu sa relativno velikom duktilnošću materijala metala šava, što se jasno pokazalo pri ispitivanju zatezanjem, gde su kod svih uzoraka dobijene relativno velika izduženja i suženja preseka, tabela 4.6 (strana 92). 5.2.4.3 Ispitivanje energija udara Za materijal AISI 304L standardom nije propisana minimalna vrednost energije udara, međutim za ekvivalenti čelik SRPS EN X2CrNi18-9 jeste, i po standardu SRPS EN 10088-2:2003 iznosi 100 J na sobnoj temperaturi. Svi ispitani uzorci imaju značajno veću energiju udara. Prosečna vrednost energija potrebna za stvaranje prsline kod zavarenih je 97 J, što je za oko 10 J manje od ispitanih uzoraka osnovnog materijala. Najveća vrednost energije udara zavarenih spojeva je za oko 20 J manja od energije udara osnovnog materijala. Po statističkom proračunu Anova Tukey (tabela 5.2) vrsta ispitanih aktivnih premaza nema značajan uticaj na vrednost energije udara. Najviše vrednosti su postignute kod uzorka 1Ti4Si potom kod uzorka 3Ti2Si, dok su najniže vrednosti kod uzorka 4Ti1Si. Tabela 5.2 Anova Tukey Method 95% pouzdanosti Uzorak N Srednja vrednost Grupa 1Ti4Si 6 174.1 A 3Ti2Si 6 172.9 A 2Ti3Si 6 172.7 A 5Ti 6 172.2 A 5Si 6 167.4 A 4Ti1Si 6 161.4 A Napomena: Uzorci sa različitim slovima su signifikantno različiti 5.2.4.4 Ispitivanje mikrotvrdoće Izmerene vrednosti mikrotvrdoće zavarenog spoja su relativno ujednačene kod svih uzoraka i nema značajnih odstupanja od tvrdoće osnovnog materijala. Tseng [55] je u svom radu pokazao da nema značajnog porasta tvrdoće kod uzoraka od AISI 316L zavarenih sa aktivnim premazima na bazi SiO2 i Al2O3. Kod uzorka 3Ti2Si (slika 4.37, strana 102) postoji značajan skok tvrdoće. Porast tvrdoće je vidljiv i po liniji 3 (slika 4.38, strana 103) kako se merenje približava korenu. Na profilu tvrdoće za liniju 2 vidljivo je da u osnovnom materijalu sa jedne strane metala 114 šava mikrotvrdoća veća za oko 30 HV u odnosu na drugu stranu, slika 4.37, što je verovatno razlog za povećanju tvrdoću u metalu šava. 5.2.4.5 Uticaj aktivnog premaza na celokupne mehaničke osobine Na osnovu celokupnih mehaničkih ispitivanja kao najbolji uzorak pokazao se uzorak 1Ti4Si zavaren sa aktivnim premazom na bazi čestica 1% TiO2 i 4% SiO2 rastvorenim u etanolu. Međutim, dati uzorak je zadovoljio tek nivo kvaliteta D po standardu SRPS EN ISO 5817:2015 zbog dve kratke greške u vidu neprovara, što ukazuje da premaz nema efikasnost na nivou ostalih premaza. U pogledu mehaničkih osobina, nakon uzorka 1Ti4Si nalazi se uzorak 3Ti2Si, zavaren sa aktivnim premazom od 3% TiO2 i 2% SiO2. Kod ovog uzorka nakon 8,5 mm od uspostave električnog luka dolazi do punog provara koji postoji do kraja zavarivanja. Uzorak poseduje visok odnos D/Š od 1,23. Razlika između ova dva uzorka mogla bi se objasniti rezultatima dobijenim na uređaju zetasizer u uvodnom eksperimantu V u kome su korišćeni isti premazi. U uvodnom eksperimentu V uzorak sa aktivnim premazom 3% TiO2 i 2% SiO2 je postigao najveću dubinu uvara, a kao glavni razlog za to je broj detektovanih najsitnijih čestica koji iznosi 92,05% od ukupnog broja detektovanih čestica. S druge strane, u aktivnom premazu sa mešavinom 1% TiO2 i 4% SiO2 detektovano je 89.55% najsitnijih čestica od ukupnog broja čestica. Na osnovu ovoga, može se reći da kod uzorka 1Ti4Si nije bilo dovoljno sitnih čestica koji bi održali koeficijent površinskog napona, čime bi se uticalo na izazivanje Marangonijevog efekta, što utiče na postizanje povoljnog toka tečnog metala i povećanje dubine uvara. 115 6 Zaključci Na osnovu svih izvedenih eksperimenata i dobijenih rezultata prezentovanih u okviru ove doktorske disertacije, mogu se izvući sledeći zaključci: • Minimalna količina čestica potrebnih za aktiviranje obrnutog Marangonijevog efekta iznosi 5% kod testiranih čestica SiO2 i TiO2. Manja ili veća količina čestica u aktivnom premazu (usled manjeg ili većeg udela, ili usled višestrukog nanošenja premaza) uzrokuje slabljenje obrnutog Marangonijevog efekta, a samim tim i smanjene dubine uvara. • Upotreba acetona kao rastvarača za pravljenje aktivnog premaza rezultira neznatno većom dobinom uvara u odnosu na etanol. Međutim, zbog veće brzine isparavanja acetona sastav aktivnog premaza se menja, odnosno, vremenom se povećava maseni udeo čestica, a samim tim dolazi do smanjenja efekta povećanja dubine uvara. Iz tih razloga, zaključeno je da je etanol optimalniji rastvarač za praktičnu primenu. • Nanočestice TiO2 imaju veći efekat na dubinu uvara u odnosu na submikrosnke čestice TiO2. Međutim, mešavina submikronskih i nano čestica se pokazala još efikasnijom na povećanje dubine uvara. Glavni razlog za to je da usled mešanja submikronske čestice dolazi do razbijanja aglomerata nano čestica i na taj način dobija veći broj sitnijih čestica koje imaju veći efekat na povećanje dubine uvara. • Ispitivanje stvarne veličine čestica u aktivnom premazu pomoću odgovarajućeg uređaja (Zetasizer), predstavlja korisnu metodu karakterizacije, jer se može dobiti pozitivna korelacija stvarne veličine čestica (ili aglomerata) sa rezultujućom dubinom uvara. Ova metoda do sada nije korišćena u naučnoj literaturi pri ispitivanju uticaja premaza na dubinu uvara zavarivanjem A-TIG postupkom. • Oštrom konusnom elektrodom prečnika 2,4 mm sa uglom vrha 90° i zatupljenjem na vrhu od 0,5 mm postignuti su najbolji rezultati sa aspekta dubine uvara pri upotrebi aktivnih premaza. Međutim, razlika u odnosu na oštru elektrodu bez zatupljenja na vrhu je veoma mala. Kako je sam proces oštrenja elektrode sa zatupljenjem na vrhu komplikovan i teško ponovljiv čak i sa specijalizovanom opremom, može se zaključiti da je oštra elektroda bez zatupljenja na vrhu optimalni izbor za izvođenje A-TIG zavarivanja. 116 • Elektroda sa tupim vrhom (180°), iako je optimalna sa gledišta jednostavnosti, iskoristivosti i radnog veka elektrode, nije rezultirala adekvatnom dubinom uvara. Osnovni razlog leži u činjenici da je kod takvog tipa elektrode električni luk najuži i zahvata najmanju količinu premaza. • Elektrodom većeg prečnika 3,2 mm najbolji rezultati su postignuti sa oštrom elektrodom sa uglom vrha od 60°, odnosno, sa povećanjem debljine elektrode potrebno je smanjiti ugao vrha elektrode kako bi se postigla najveća iskorišćenost aktivnog premaza. • Nanočestice TiO2 imaju veći uticaj na dubinu uvara u odnosu na nanočestice SiO2 pri jačini struje od 200 A. Međutim, najveća dubina uvara je postignuta njihovom mešavinom, jer se postiže stvaranje najmanje aglomerata, usled sklonosti mešavina nanočestica da slabije aglomerišu, kao i dodatnog usitnjavanja aglomerata prilikom mešanjem čestica. • U ovoj disertaciji je ustanovljeno je da vrsta aktivnog premaza nema značajan uticaj na mikrotvrdoću i energije udara. Rezultati tvrdoće i energija udara pokazali su da zavareni uzorci imaju približne osobine kao i osnovni materijal, uprkos činjenici da metal šava ima usmerenu dendritsku mikrostrukturu. • Rezultati zateznih ispitivanja pokazali su da zavareni uzorci A-TIG postupkom imaju nižu zateznu čvrstoću (između 10 i 20 %) od osnovnog materijala, međutim dobijeni rezultati su veći od najmanje vrednosti propisane standardom za austenitni nerđajući čelik AISI 304L, čime je zadovoljen standard ključan za kvalifikaciju zavarenog spoja. • Na osnovu izgleda metala šava na zavarenim pločama debljine 10 mm, uočljivo je da za zadate parametre, postoji mogućnost dobijanja provara i na osnovnom materijalu veće debljine. Takođe, za debljinu osnovnog materijala 10 mm korišćenu u ovoj disertaciji postoji mogućnost povećanja brzine zavarivanja i/ili smanjenja jačine struje zavarivanja kod određenih aktivnih premaza koji su pokazali najveću širinu metala šava u korenu (uzorak 4Ti1Si i 5Ti), uz dalje zadržavanje potpunog provara od 10 mm. • Tokom procesa TIG zavarivanja sa aktivnim premazom ne nastaje kontaminacija metala šava česticama iz aktivnog premaza, kao ni volframom usled topljenja elektrode zbog velike energije električnog luka. To ukazuje da aktivni sastojci premaza i elektroda ne menjaju hemijski sastav metala šava i ne utiču na mehaničke osobine metala šava. Pored toga, može da se zaključi i da je prečnik, kao i tip elektrode po sastavu (sadržaj 2% torijum oksida) adekvatan za date parametre zavarivanja. 117 • Upotrebom aktivnog premaza obezbeđuje se povećanje dubine uvara pri A-TIG zavarivanju preko 100%, bez značajnog smanjenja mehaničkih osobina, odnosno, sa zadržavanjem mehaničkih osobina zavarenog spoja koji je na nivou relevantnih standarda. Uštede se postižu u: vremenu potrebnom za pripremu osnovnog materijala, ceni opreme i izrade odgovarajućeg žljeba, vremenu potrebnom za izvođenje više prolaza zavarivanja (kako bi se zavarila ista debljina materijala), ceni utrošenog dodatnog materijala (kako bi se popunio žljeb) i ceni utrošenog zaštitnog gasa za više prolaza. Može se zaključiti, da upotrebom aktivnog premaza bez dodatnog investiranja u opremu, može se postići poboljšanje produktivnosti uz značajne finansijske uštede. 118 7 Literatura [1] V. Palić, Tehnologija zavarivanja, Novi Sad, 1987. [2] A. Sedmak, V. Šiljački-Žeravčić, A. Milosavljević, V. Đorđević, M. Vukičević, Mašinski materijali II, Beograd, 2000. [3] A.K. Singh, V. Dey, R.N. Rai, Techniques to improveweld penetration in TIG welding (A review), Materials Today: Proceedings. 4 (2017) 1252–1259. [4] R.S. Vidyarthy, D.K. Dwivedi, Activating flux tungsten inert gas welding for enhanced weld penetration, Journal of Manufacturing Processes. 22 (2016) 211–228. [5] D. Li, S. Lu, D. Li, Y. Li, Principles Giving High Penetration under the Double Shielded TIG Process, Journal of Materials Science & Technology. 30 (2014) 172–178. [6] A. Berthier, P. Paillard, M. Carin, S. Pellerin, F. Valensi, TIG and A-TIG welding experimental investigations and comparison with simulation Part 2 – arc constriction and arc temperature, Science and Technology of Welding and Joining. 17 (2012) 616–621. [7] H.Y. Huang, Argon-hydrogen shielding gas mixtures for activating flux-assisted gas tungsten arc welding, Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 41 (2010) 2829–2835. [8] J. Niagaj, The use of activating fluxes for the welding of high-alloy steels by A- TIG method, Welding International. 17 (2003) 257–261. [9] J. Niagaj, Use of A-TIG method for welding of titanium, nickel, their alloys and austenitic steels, Welding International. 20 (2006) 516–520. [10] R.W. Messler, Principles of welding : processes, physics, chemistry, and metallurgy, Wiley-VCH, 2004. [11] A.E. Guile, Arc-electrode phenomena, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers. 118 (1971) 1131. [12] Grupa Autora, Materijal za kurs međunarodnog inženjera za zavarivanje - Zavod zazavarivanje, 2004. [13] P.T. (Peter T. Houldcroft, R. John, Welding and cutting : a guide to fusion welding and associated cutting processes, 2001. [14] A. O’Brien, Welding Handbook- Welding Process, part 1, American Welding Society, 2004. [15] Millerwelds, Handbook: Guidelines For Gas Tungsten Arc Welding (GTAW), (2002) 84. [16] P.W. Muncaster, Practical TIG (GTA) welding, 1991. [17] P.K. Giridharan, N. Murugan, Optimization of pulsed GTA welding process 119 parameters for the welding of AISI 304L stainless steel sheets, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 40 (2009) 478–489. [18] M. Onsoien, R. Peters, D.L. Olson, S. Liu, Arc Effect of Hydrogen in an Argon GTAW Shielding Gas: Characteristics and Bead Morphology Hydrogen content in the shielding gas may have as strong an influence on joint penetration as welding current, 1995. [19] J.F. Key, Anode/Cathode Geometry and Shielding Gas Interrelationships in GTAW Electrode tip geometry and groove geometry must be compatible to ensure arc stability, 1980. [20] Migatronic, TIG welding - Method and Application, n.d. [21] M. Ushio, A.A. Sadek, F. Matsuda, Comparison of temperature and work function measurements obtained with different GTA electrodes, Plasma Chemistry and Plasma Processing. 11 (1991) 81–101. [22] T.H. Nobukazu Ikeda, Akihiro Morimoto, Katunori Komehana, Grinding machine for welding electrodes, (2000). [23] A.C. Davies, The Science and Practice of Welding Volume 2., Cambridge University Press, 1993. [24] L. Liu, Z. Zhang, G. Song, Y. Shen, Effect of Cadmium Chloride Flux in Active Flux TIG Welding of Magnesium Alloys, The Japan Institute of Metals and Materials, 2006. [25] A. Berthier, P. Paillard, M. Carin, F. Valensi, S. Pellerin, TIG and A-TIG welding experimental investigations and comparison to simulation Part 1: Identification of Marangoni effect, Science and Technology of Welding and Joining. 17 (2012) 609–615. [26] S.G. Nayee, V.J. Badheka, Effect of oxide-based fluxes on mechanical and metallurgical properties of Dissimilar Activating Flux Assisted-Tungsten Inert Gas Welds, Journal of Manufacturing Processes. 16 (2014) 137–143. [27] H.-Y. Huang, Research on the activating flux gas tungsten arc welding and plasma arc welding for stainless steel, Metals and Materials International. 16 (2010) 819–825. [28] K. Devendranath Ramkumar, A. Bajpai, S. Raghuvanshi, A. Singh, A. Chandrasekhar, M. Arivarasu, N. Arivazhagan, Investigations on structure– property relationships of activated flux TIG weldments of super-duplex/austenitic stainless steels, Materials Science and Engineering: A. 638 (2015) 60–68. [29] S. Lu, H. Fujii, H. Sugiyama, M. Tanaka, K. Nogi, Effects of Oxygen Additions to Argon Shielding Gas on GTA Weld Shape, ISIJ International. 43 (2008) 1590– 1595. [30] K.C. Mills, B.J. Keene, Factors affecting variable weld penetration, International Materials Reviews. 35 (1990) 185–216. [31] K.C. Mills, B.J. Keene, R.F. Brooks, A. Shirali, Marangoni effects in welding, Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 356 (1998) 911–925. 120 [32] M. Tanaka, T. Shimizu, T. Terasaki, M. Ushio, F. Koshi-ishi, Y. C.-L., Effects of activating flux on arc phenomena in gas tungsten arc welding, Science and Technology of Welding and Joining. 5 (2000) 397–402. [33] S. Ross, P. Becher, The history of the spreading coefficient, Journal of Colloid and Interface Science. 149 (1992) 575–579. [34] B.J. Keene, Review of data for the surface tension of pure metals, International Materials Reviews. 38 (1993) 157–192. [35] P.J. Modenesi, E.R. Apolinário, I.M. Pereira, TIG welding with single-component fluxes, Journal of Materials Processing Technology. 99 (2000) 260–265. [36] K.-H. Tseng, K.-L. Chen, Comparisons Between TiO 2 - and SiO 2 -Flux Assisted TIG Welding Processes, Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 12 (2012) 6359–6367. [37] W. Dong, S. Lu, D. Li, Y. Li, GTAW liquid pool convections and the weld shape variations under helium gas shielding, International Journal of Heat and Mass Transfer. 54 (2011) 1420–1431. [38] E.A. Skvortsov, Role of electronegative elements in contraction of the arc discharge, Welding International. 12 (1998) 471–475. [39] M. Goodarzi, R. Choo, T. Takasu, J.M. Toguri, The effect of the cathode tip angle on the gas tungsten arc welding arc and weld pool: II. The mathematical model for the weld pool, Journal of Physics D: Applied Physics. 31 (1998) 569–583. [40] P. Burgardt, C.R. Heiple, Interaction between Impurities and Welding Variable in Determining GTA Weld Shape, Weld J. 65 (1986) 150–155. [41] G. Venkatesan, V. Muthupandi, J. Justine, Activated TIG welding of AISI 304L using mono- and tri-component fluxes, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 93 (2017) 329–336. [42] K.-H. Tseng, Development and application of oxide-based flux powder for tungsten inert gas welding of austenitic stainless steels, Powder Technology. 233 (2013) 72–79. [43] V. Maduraimuthu, M. Vasudevan, V. Muthupandi, A.K. Bhaduri, T. Jayakumar, Effect of Activated Flux on the Microstructure, Mechanical Properties, and Residual Stresses of Modified 9Cr-1Mo Steel Weld Joints, Metallurgical and Materials Transactions B. 43 (2012) 123–132. [44] M. Tanaka, Effects of surface active elements on weld pool formation using TIG arcs, Welding International. 19 (2005) 870–876. [45] T. Sándor, C. Mekler, J. Dobránszky, G. Kaptay, An Improved Theoretical Model for A-TIG Welding Based on Surface Phase Transition and Reversed Marangoni Flow, Metallurgical and Materials Transactions A. 44 (2013) 351–361. [46] Z. Zhang, L. Liu, H. Sun, L. Wang, AC TIG welding with single-component oxide activating flux for AZ31B magnesium alloys, Journal of Materials Science. 43 (2008) 1382–1388. [47] C.S. Wu, J.Q. Gao, Analysis of the heat flux distribution at the anode of a TIG welding arc, Computational Materials Science. 24 (2002) 323–327. 121 [48] M. Goodarzi, R. Choo, J.M. Toguri, The effect of the cathode tip angle on the GTAW arc and weld pool: I. Mathematical model of the arc, Journal of Physics D: Applied Physics. 30 (1997) 2744–2756. [49] M. Tanaka, H. Terasaki, H. Fujii, M. Ushio, R. Narita, K. Kobayashi, Anode heat transfer in TIG welding and its effect on the cross-sectional area of weld penetration, Welding International. 20 (2006) 268–274. [50] A.R. Loureiro, B.F.O. Costa, A.C. Batista, A. Rodrigues, Effect of activating flux and shielding gas on microstructure of TIG welds in austenitic stainless steel, Science and Technology of Welding and Joining. 14 (2009) 315–320. [51] H.-Y. Huang, Effects of shielding gas composition and activating flux on GTAW weldments, Materials & Design. 30 (2009) 2404–2409. [52] S. Tathgir, A. Bhattacharya, Activated-TIG Welding of Different Steels: Influence of Various Flux and Shielding Gas, Materials and Manufacturing Processes. 31 (2016) 335–342. [53] K.-H. Tseng, C.-Y. Hsu, Performance of activated TIG process in austenitic stainless steel welds, Journal of Materials Processing Technology. 211 (2011) 503–512. [54] T.-S. Chern, K.-H. Tseng, H.-L. Tsai, Study of the characteristics of duplex stainless steel activated tungsten inert gas welds, Materials & Design. 32 (2011) 255–263. [55] K.-H. Tseng, P.-Y. Lin, UNS S31603 Stainless Steel Tungsten Inert Gas Welds Made with Microparticle and Nanoparticle Oxides, Materials. 7 (2014) 4755– 4772. [56] A. Hdhibi, K. Touileb, R. Djoudjou, A. Ouis, M.L. Bouazizi, J. Chakhari, Effect of Single Oxide Fluxes on Morphology and Mechanical Properties of ATIG on 316 L Austenitic Stainless Steel Welds, Engineering, Technology & Applied Science Research. 8 (2018) 3064–3072. [57] V. Muthukumaran, A. Bhaduri Kumar, R. Baldev, Penetration enhancing flux formulation for tungsten inert gas (TIG) welding of austenitic stainless steel and its application, (2012). [58] K.-H. Tseng, N.-S. Wang, Research on bead width and penetration depth of multicomponent flux-aided arc welding of grade 316 L stainless steel, Powder Technology. 311 (2017) 514–521. [59] P.J. Modenesi, P. Colen Neto, E. Roberto Apolinário, K. Batista Dias, Effect of flux density and the presence of additives in ATIG welding of austenitic stainless steel, Welding International. 29 (2015) 425–432. [60] P. Sharma, D.K. Dwivedi, Comparative study of activated flux-GTAW and multipass-GTAW dissimilar P92 steel-304H ASS joints, Materials and Manufacturing Processes. (2019) 1–10. [61] H. Fujii, T. Sato, S. Lu, K. Nogi, Development of an advanced A-TIG (AA-TIG) welding method by control of Marangoni convection, Materials Science and Engineering: A. 495 (2008) 296–303. 122 [62] D. Wei, R. Dave, R. Pfeffer, Mixing and Characterization of Nanosized Powders: An Assessment of Different Techniques, Journal of Nanoparticle Research. 4 (2002) 21–41. [63] S. Balos, B. Pilic, D. Markovic, J. Pavlicevic, O. Luzanin, Poly(methyl- methacrylate) nanocomposites with low silica addition, Journal of Prosthetic Dentistry. 111 (2014) 327–334. [64] S. Balos, B. Pilic, D. Petrovic, B. Petronijevic, I. Sarcev, Flexural strength and modulus of autopolimerized poly (methyl methacrylate) with nanosilica, Vojnosanitetski Pregled. 75 (2018) 564–569. [65] N.W. Elshereksi, S.H. Mohamed, A. Arifin, Z.A.M. Ishak, Effect of Filler Incorporation on the Fracture Toughness Properties of Denture Base Poly(Methyl Methacrylate), 2009. [66] http://www.ddbst.com/, (2019). [67] G. Venkatesan, J. George, M. Sowmyasri, V. Muthupandi, Effect of Ternary Fluxes on Depth of Penetration in A-TIG Welding of AISI 409 Ferritic Stainless Steel, Procedia Materials Science. 5 (2014) 2402–2410. [68] A. Efimov, A. Lizunova, V. Sukharev, V. Ivanov, Synthesis and Characterization of TiO2, Cu2O and Al2O3 Aerosol Nanoparticles Produced by the Multi-Spark Discharge Generator, Korean Journal of Materials Research. 26 (2016) 123– 129. [69] K.H. Dhandha, V.J. Badheka, Comparison of Mechanical and Metallurgical Properties of Modified 9Cr–1Mo Steel for Conventional TIG and A-TIG Welds, Transactions of the Indian Institute of Metals. (2019) 1–13. [70] S. Balos, Nehomogeni dodatni razmaknuti metalni oklop za oklopna vozila (disertacija), Fakultet tehničkih nauka, 2010.