naČrtovanje virtualne in realne robotske celice za ... · key words: acma xr701, robot studio,...

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Jure LESKOVAR

NAČRTOVANJE VIRTUALNE IN REALNE

ROBOTSKE CELICE ZA NAVARJANJE Z ATIG

POSTOPKOM Z ROBOTOM ACMA XR701

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, september 2015

NAČRTOVANJE VIRTUALNE IN REALNE

ROBOTSKE CELICE ZA NAVARJANJE Z ATIG

POSTOPKOM Z ROBOTOM ACMA XR701

Magistrsko delo

Študent: Jure LESKOVAR

Študijski program 2. stopnje:

Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: doc. dr. Tomaž VUHERER

Somentor: izr. prof. dr. Karl GOTLIH

Maribor, september 2015

- II -

- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Tomažu Vuhererju

in somentorju izr. prof. dr. Karlu Gotlihu za pomoč in

vodenje pri opravljanju magistrskega dela.

Zahvaljujem se tudi kolegoma Primožu Dobniku in

Mateju Palu za pregled tega magistrskega dela za

vsebinske in slovnične popravke. Dodatna zahvala gre

še Mateju Palu za izdelavo robotskega prijemala in

podstavka za vpetje preizkušancev pri navarjanju,

kakor tudi za upravljanje z robotom pri navarjanju.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

- IV -

Kazalo vsebine

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

1.1 OPIS SPLOŠNEGA PODROČJA DELA ................................................................................ 1

1.2 OPREDELITEV PROBLEMA ............................................................................................. 1

1.3 STRUKTURA MAGISTRSKEGA DELA ............................................................................... 2

2 TEORETIČNI DEL ......................................................................................................... 3

2.1 DIZAJNIRANJE IN NAČRTOVANJE ROBOTSKIH CELIC ...................................................... 3

2.1.1 Realna robotska celica ......................................................................................... 3

2.1.2 Virtualna robotska celica v Robot Studiu ............................................................ 5

2.1.3 Virtualni krmilnik ................................................................................................ 8

2.2 NAVARJANJE JEKEL ...................................................................................................... 8

2.3 NERJAVNA JEKLA ZA NAVARJANJE ............................................................................. 10

2.4 PRIPOROČILA S PODROČJA MEHANSKEGA PREIZKUŠANJA NAVAROV .......................... 12

2.5 PREDVIDEN POSTOPEK NAVARJANJA .......................................................................... 13

3 EKSPERIMENTALNO DELO .................................................................................... 14

3.1 PREIZKUŠANJE REALNEGA ROBOTA ACMA XR701 ................................................... 14

3.2 IZVEDBA NAVARJANJA Z ROBOTOM IN PROGRAMIRANJE ROBOTSKE CELICE V

VIRTUALNEM OKOLJU ............................................................................................................ 16

3.2.1 Navodilo za pretvorbo programa, dobljenega iz Excela .................................... 19

3.3 IZVEDBA NAVARJANJA V ROBOTSKI CELICI V REALNEM OKOLJU ................................ 21

3.4 PRIPRAVA OBRUSOV ................................................................................................... 24

3.5 NAVARJANJE Z ATIG POSTOPKOM NAVARJANJA NA ROBOTU .................................... 26

3.5.1 Material (kemijska sestava, mehanske lastnosti materiala) ............................... 26

3.5.2 Načrtovanje tehnologije navarjanja ................................................................... 27

3.5.3 Navodilo za varjenje – WPS .............................................................................. 28

3.6 UPORABLJENE METODE ZA PREIZKUŠANJE NAVARJENIH SPOJEV ................................. 29

3.6.1 Preiskave s svetlobnim mikroskopom................................................................ 29

3.6.2 Merjenje trdote po Vickersu .............................................................................. 29

3.6.3 Meritev ferita ................................................................................................... 30

- V -

4 REZULTATI ................................................................................................................... 31

4.1 REZULTATI NAVARJANJA Z ATIG POSTOPKOM ........................................................... 31

4.1.1 Mikrostruktura .................................................................................................... 44

4.1.2 Rezultati meritev trdot ........................................................................................ 51

4.1.3 Rezultati meritev ferita .................................................................................... 59

5 DISKUSIJA ..................................................................................................................... 60

5.1 DOSEŽENI REZULTATI DIZAJNIRANJA REALNE ROBOTSKE CELICE ............................... 60

5.2 DOSEŽENI REZULTATI DIZAJNIRANJA ROBOTSKE CELICE V VIRTUALNEM OKOLJU ....... 60

5.3 DOSEŽENA KVALITETA NAVARJENIH SPOJEV NA NERJAVNEM JEKLU V SKLADU S

PRIPOROČILI S PODROČJA VARJENJA ...................................................................................... 61

6 SKLEP ............................................................................................................................. 67

7 LITERATURA ............................................................................................................... 69

Priloga 1: Atest osnovnega materiala (Inspection Certificate According to EN

10203-3.1) ……………………………………………………………………………….... 70

Priloga 2: Proizvajalčevo navodilo za varjenje (Welding Procedure Specification) ………72

- VI -

NAČRTOVANJE VIRTUALNE IN REALNE ROBOTSKE CELICE ZA

NAVARJANJE Z ATIG POSTOPKOM Z ROBOTOM ACMA XR701

Ključne besede: ACMA XR701, Robot Studio, navar, brušenje, poliranje, jedkanje.

UDK klasifikacija: 007.52:621.791(043.2)

POVZETEK

Magistrsko delo obsega najprej akcije, ki so potrebne za vzpostavitev robota ACMA XR701 za

potrebe navarjanja. Najprej je bilo potrebno skonstruirati držalo varilnega gorilnika in

pripravo za formiranje korena zvarnih spojev (zaščito korena). Slednja omogoča tudi zvezno

nastavitev po višini, kar omogoča nastavljanje dolžine obloka pri navarjanju. Sledilo je ročno

programiranje robota od točke do točke za potrebe navarjanja. Prav tako se je robot

programiral v virtualnem krmilniku in od tu se je program prenesel na realnega robota v

robotski celici. Tukaj je bilo potrebno odpraviti veliko problemov, saj za ta robot ne obstaja

komercialni virtualni krmilnik. V ta namen je bil predhodno izdelan lasten virtualni krmilnik s

pomočjo 3D skeniranja robota in vstavljanja kinematičnega modela robota [8] [3]. Ta

krmilnik pa je za potrebe navarjanja imel nekaj pomanjkljivosti. Večina teh je s tem

magistrskim delom odpravljenih.

V nadaljevanju se je primerjalo klasično TIG navarjanje z ATIG navarjanjem na

avstenitnem nerjavnem jeklu (304). Pri ATIG navarjanju se uporablja aktivni prašek, ki se

nanese na površino pred navarjanjem, s tem se poveča globina navarjanja. V tej raziskavi sta

bila uporabljena dva različna praška BC-31 (zelen) in QuickTIG (bel). Pri navarjanju se je

izvedlo več navarov z različno jakostjo varilnega toka. Iz njih so bili izdelani makro obrusi,

kjer se je izmerila geometrija navarov, trdota, ferit in analizirala mikrostruktura. Rezultati

so pokazali določene razlike med obema ATIG postopkoma navarjanja in določene prednosti

ATIG postopka navarjanja pred klasičnim TIG navarjanjem. Velik vpliv na rezultate ima vnos

toplote pri navarjanju oziroma jakost varilnega toka.

- VII -

DESIGNING OF VIRTUAL AND REAL ROBOTIC CELL FOR

CLADDING BY ATIG PROCESS WITH ACMA XR701

Key words: ACMA XR701, Robot Studio, clad, grinding, polishing, etching.

ABSTRACT

Master thesis firstly embraces actions, needed to restore the robot ACMA XR701 for the

purpose of cladding. At first the robot gripper and a device for root forming of a weld

(protection of weld root) had to be constructed. This device also allows fine continuous height

setting, where the arc length is possible to adjust during cladding. What followed was hand

mode point to point programming of the robot for the purpose of cladding. The robot was also

programmed in a virtual controller and then this program was transferred to the real robot in

the robotic cell. Here a lot of problems had to be solved, because commercial controller for

this robot is not available or it does not exist. Especially for this purpose a proper virtual

controller was previously made by 3D scanning the robot followed by inserting its kinematic

model into virtual robot [8] [3]. This controller had a few disadvantages for the purpose of

cladding. Most of them are solved in this master thesis.

Then a comparison of the classic TIG cladding with the ATIG cladding on an austenitic

stainless steel (304) was performed. An active powder is used at the ATIG cladding process,

which need to be put on the surface before cladding. By doing this, the depth of cladding is

increased. Two different active powders were used BC-31 (green) and QuickTIG (white) in

this research. Numerous clads were made by different height of the welding current. Polished

macro sections were made from these clads where the geometry, hardness and containment of

ferrite were measured and whole microstructures were analysed. The results showed some

differences between both ATIG cladding procedures, as well as some advantages of ATIG

cladding procedures against the classic TIG cladding. The heat input or the height of the

current during cladding has significant influence into results.

- VIII -

UPORABLJENI SIMBOLI

C - ogljik

Si - silicij

Mn - mangan

P - fosfor

S - žveplo

Cr - krom

Ni - nikelj

Cu - baker

HCl - klorovodikova kislina

HNO3 - dušikova kislina

Rp0.2 - napetost tečenja

Rm - natezna trdnost

MPa - mega Pascal – enota, drugače poznana tudi kot N/mm2

A5 - raztezek, izmerjen na merni dolžini (to je eno izmed meril za duktilnost materiala)

HB - trdota po Brinellu

HV - trdota po Vickersu

ferit - vsebnost ferita v navaru

Acel - celotna površina navara

Atem - površina temena navara

Auvar - površina uvara

ZWM - delež kemijskega elementa v navaru

ZOM - delež kemijskega elementa v osnovnem materialu

ZDM - delež kemijskega elementa v dodajnem materialu

A - površina temena v navaru

B - površina uvara v navaru

x' - spremenjena x koordinata robotske celice

y' - spremenjena y koordinata robotske celice

- IX -

x - dobljena x koordinata iz virtualne robotske celice

y - dobljena y koordinata iz virtualne robotske celice

- kot zasuka robotske celice

X - os v kartezičnem koordinatnem sistemu v virtualni robotski celici

Y - os v kartezičnem koordinatnem sistemu v virtualni robotski celici

Z - os v kartezičnem koordinatnem sistemu v virtualni robotski celici

- X -

UPORABLJENE KRATICE

CAD - računalniško podprto konstruiranje (Computer Aided Design)

ACIS - oblika zapisa CAD modelov s končnico *.sat

TIG - varjenje z netaljivo volframovo elektrodo v inertnem zaščitnem plinu (Tungsten

Inert Gas)

ATIG - varjenje z netaljivo volframovo elektrodo v inertnem zaščitnem plinu z uporabo

aktivnega praška (Active Tungsten Inert Gas)

PMA - konzola za upravljanje z realnim robotom ACMA XR701

WPS - proizvajalčevo navodilo za varjenje (Welding Procedure Specification)

TCP - v angleščini pomeni »Tool Center Point« in predstavlja točko, ki se jo navadno

definira na koncu orodja robota

FCA - varjenje s polnjeno stržensko žico

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

- 1 -

1 UVOD

1.1 Opis splošnega področja dela

To magistrsko delo je razdeljeno na tri podsklope:

- spoznavanje trenutnega stanja robota ACMA XR701 in prilagoditev robota za potrebe

navarjanja,

- vzpostavitev virtualnega programiranja robota v programu Robot Studio za potrebe

navarjanja in

- primerjava klasičnega TIG navarjanja z ATIG načinom navarjanja.

Prvi podsklop tega magistrskega dela opisuje programiranje omenjenega robota s PMA

konzolo za ročno vodenje (dalje beri PMA). Namen tega je osvežitev znanja iz vodenja in

programiranja robota, kakor tudi preizkušanje robota z namenom preverjanja funkcionalnosti

robota.

Drugi podsklop tega magistrskega dela opisuje nadgradnjo obstoječe virtualne robotske

celice za potrebe navarjanja. Odpravile so se težave pri prenašanju programa iz virtualnega

modela na realen sistem.

Tretji podsklop tega magistrskega dela primerja klasičen TIG postopek navarjanja z

ATIG postopkom navarjanja, pri čemer so bili uporabljeni različni parametri navarjanja. Pri

ATIG navarjanju sta se uporabljala dva različna aktivna praška. Primerjale so se mehanske

lastnosti, geometrija in mikrostruktura navarov.

1.2 Opredelitev problema

Namena tega magistrskega dela sta dva:

- preizkusiti in po potrebi dopolniti oziroma vzpostaviti povezavo med programom

ustvarjenim v Robot Studiu in realnim robotom ACMA XR701 ter

- s pomočjo prenesenega programa z realnim robotom navariti več navarkov pri

različnih parametrih s postopkoma klasični TIG in ATIG in primerjati geometrijo,

lastnosti in mikrostrukturo navarov.


- 2 -

1.3 Struktura magistrskega dela

Ker za potrebe tega magistrskega dela tako v realni, kot tudi v virtualni robotski celici

manjkajo nekatera orodja (prijemalo za varilni gorilnik in podstavek za vpetje in formiranje

preizkušancev), se drugo poglavje prične s konstruiranjem slednjih. Sledi teoretična razlaga

navarjanja jekel, navarjanja nerjavnih jekel, priporočil s področja preizkušanja navarov in opis

predvidenega postopka navarjanja.

Tretje poglavje najprej opisuje rezultate preizkušanja realnega robota ACMA,

programiranje robota v virtualnem okolju in pretvorbo programa z Excelom. Nato sledi opis

uporabljenega osnovnega materiala, zasnova tehnologije navarjanja (WPS-i) in izvedbo

navarjanja s klasičnim TIG in z ATIG postopkom navarjanja z robotom ACMA XR701. Na

koncu je še opisana priprava makro obrusov, merjenje geometrije navarov in opis meritev

trdot ter ferita.

V četrtem poglavju so predstavljeni rezultati navarjanja s klasičnim TIG in z ATIG

postopkom navarjanja. Prikazani so makro posnetki obrusov in podana je analiza

mikrostrukture. Sledijo še grafi geometrije navarov v odvisnosti od vnesene toplote oziroma

od varilnega toka. Poglavje se zaključi z rezultati meritev trdot po Vickersu in z rezultati

meritev ferita.

Peto poglavje obsega razpravo, ki je razdeljena na tri podpoglavja. Opisuje dosežene

rezultate dizajniranja realne robotske celice, dosežene rezultate dizajniranja virtualne robotske

celice in dosežene kvalitete navarjenih spojev na nerjavnem jeklu v skladu s priporočili s

področja varjenja.


- 3 -

2 TEORETIČNI DEL

2.1 Dizajniranje in načrtovanje robotskih celic

2.1.1 Realna robotska celica

Ker se je že iz dispozicije tega magistrskega dela vedelo, da bo za postopek navarjanja

uporabljen TIG varilni aparat, ki bo pritrjen na robota, je bilo potrebno zasnovati in izdelati

temu primerno prijemalo. Kreiranje in modeliranje tega prijemala je potekalo skupaj s

kolegom Matejem Palom, ki ima podobno temo magistrskega dela [9], vendar na soležnih

zvarih. Obe pripravi bosta uporabni v obeh magistrskih delih. Pri postopku kreiranja prijemala

se je razmišljalo o enostavnosti izdelave in o univerzalnosti uporabe. Rezultat tega je

prijemalo, prikazano na sliki 2.1.

Slika 2.1: Prijemalo za varilni gorilnik

Univerzalnost uporabe kaže več karakteristik, in sicer izvrtine na vrhu prijemala služijo

pritrjevanju na del robota, ki je namenjen držanju pnevmatskega sistema prijemala, ki se

Izvrtine za vijake za pritrditev na

obstoječi pnevmatski sistem

prijemala

Izvrtine za nastavitev širine

prijemanja

Prečna vijaka za fiksiranje

varilnega gorilnika

Območje držanja varilnega

gorilnika


- 4 -

uporablja pri vajah iz predmetov robotike. Za pritrditev prijemala za varjenje je tako potrebno

odstraniti samo vzvode pnevmatskega prijemala in ne celotnega pnevmatskega sistema za

prijemalo.

Slika 2.2: Dvoprstno pnevmatsko prijemalo na robotu

Druga pomembna lastnost je možnost

nastavljanja širine prijemanja, kar je

zagotovljeno z vzdolžnimi izvrtinami. Varilni

gorilnik se pritrdi z dvema prečnima vijakoma.

Sprva je sicer bilo mišljeno, da bosta na

spodnjem delu prijemala še dva prečna vijaka,

ampak se je to odstranilo z argumentom večje

dosegljivosti varilnega gorilnika, ker obstaja

manjša verjetnost kolizije.

Slika 2.3: Nameščeno prijemalo varilnega gorilnika na že obstoječe držalo

pnevmatskega sistema prijemala


- 5 -

Druga prilagoditev je bil podstavek za vpetje preizkušancev, ki za potrebe tega

magistrskega dela služi fini nastavitvi višine preizkušancev, saj se s tem lahko pred izvedbo

preizkusov natančno nastavlja dolžino obloka. Za kasnejšo uporabo, za varjenje soležnih

zvarov, ima ta podstavek tudi žleb za formiranje, to je zaščita korena vara med varjenjem z

inertnim plinom (argonom), služi pa zaščiti korena med varjenjem.

Slika 2.4: Podstavek za preizkušanec pri navarjanju

Snovanje in računalniško modeliranje prijemala in podstavka je potekalo skupaj z Matejem

Palom [9].

V realno robotsko celico se je pripeljala še oprema, kot je miza, na kateri stoji

podstavek, varilni aparat in plinska jeklenka z argonom.

2.1.2 Virtualna robotska celica v Robot Studiu

Virtualno robotsko celico z robotom ACMA XR701 je pri svojem magistrskem delu že

ustvaril Aleš Kapun [8], za potrebe tega magistrskega dela pa jo je bilo potrebno ustrezno

prilagoditi. Ker program Robot Studio ni primeren za kompleksno modeliranje, se je varilni

gorilnik, prijemalo zanjo in podstavek za preizkušance zmodeliralo v programih Pro Engineer

in SolidWorks. Tako se je v že obstoječi virtualni robotski celici odstranilo orodje (frezalo),

vstavilo se je prijemalo z varilnim gorilnikom za TIG postopek varjenja in mizo s podstavkom

Vijaki za fino nastavljanje Žleb za dovajanje plina

višine podstavka pri varjenju


- 6 -

za preizkušance. Sestavo (Assembly) je v CAD modelirnem programu (SolidWorks, Pro

Engineer, ipd.) pametno shraniti v obliki ACIS (končnica .sat), saj ta oblika shranjevanja pri

uvažanju sestave v Robot Studio ohrani položaje posameznih modelov v sestavi (Assembly-

ju).

V programu Robot Studio se sestava uvozi iz menija Home. Pri modeliranju modelov in

sestavov v CAD programih (SolidWorks, Pro Engineer, ipd.) je potrebno modelirati tako, da

se koordinatno izhodišče modela oz. sestava nahaja tam, kjer bo orodje pritrjeno na robota. To

omogoča lažje določevanje orodja, ki se ga določi v zavihku Modelling/Create Tool. Odpre se

okno, ki se lahko pusti prazno (klik na gumb »Next«), v naslednjem oknu se vnesejo

koordinate vrha orodja. V primeru TIG varilnega gorilnika za potrebe tega magistrskega dela

so koordinate naslednje:

- X = 247 mm

- Y = 121 mm

- Z = 421 mm

Slika 2.5: Pogovorno okno za vnašanje koordinat orodja

Po kliku na gumb »Done« je kreiranje orodja končano. Če je orodje modelirano tako, da

se njegovo koordinatno izhodišče nahaja tam, kjer se bo orodje dotikalo robota, se lahko v

drevesni strukturi Robot Studia klikne na orodje z desnim miškinim gumbom in izbere Attach

to/RobotACMAXR705_2. S tem se orodje postavi na konec robota. Ker se za namene tega

magistrskega dela uporablja že obstoječa virtualna robotska celica, se je za lažjo postavitev

varilnega gorilnika v SolidWorks-u vzela prirobnica, na katero je pritrjeno prijemalo

varilnega gorilnika.


- 7 -

a)

b)

Slika 2.6: a) uvoz sestave (Assembly) v program Robot Studio in b) uvožen TIG varilni

gorilnik skupaj s prijemalom in prirobnico.

Ker ima v tem primeru uvožena prirobnica (na sliki 2.6b rumena) iste dimenzije kot

tista, ki je že pritrjena na robotu (na sliki 2.6b črna), se lahko s pomočjo tritočkovne

postavitve določi pozicija nove prirobnice, kot prikazuje slika 2.7a. Ta ukaz je dostopen v

zavihku Home/Layout. S klikom na sestavo varilnega gorilnika z desnim miškinim gumbom

se v meniju izbere Place/Three Points.

a)

b)

Slika 2.7: a) postavljanje TIG varilnega gorilnika, njegovega prijemala in prirobnice z

ukazom Three Points in b) končana postavitev


- 8 -

Po končani postavitvi uvožene sestave je potrebno v programu Robot Studio še orodje

pritrditi na robota (v zavihku »Home« se z desnim miškinim gumbom klikne na ravnokar

definirano orodje in izbere Attach to/RobotACMAXR705_2). S tem je ustvarjanje virtualne

robotske celice za potrebe tega magistrskega dela zaključeno.

Slika 2.8: Končana robotska celica

2.1.3 Virtualni krmilnik

Za povezavo virtualnega krmilnika z realnim krmilnikom je zadolžen človek. To pomeni, da

se v programu Robot Studio programira robota, program se poveže z virtualnim krmilnikom

(v zavihku Home/Paths&Targets se na robota klikne z desnim gumbom na miški in se izbere

Synchronize to VC). Nato se v zavihku RAPID odpre program (Module1) v tekstovni obliki.

Od tu se ga skopira v tekstovno datoteko (imeti mora končnico *.txt), da se jo shrani v mapo,

ki vsebuje program, ki ga je pri svojem magistrskem delu napisal Mitja Filipič [3]. Gre

namreč za program, napisan v programskem jeziku C++, ki prilagodi program iz Robot Studia

v obliko, ki je primerna za realni krmilnik robota ACMA. Ta oblika programa se skopira na

disketo, saj je edino tako pripravljen za kopiranje na krmilnik realnega robota ACMA.

2.2 Navarjanje jekel

Glavni nameni navarjanja so trije [7]:

1) preventivno navarjanje za zagotavljanje zaščite površine strojnih delov pred obrabami

(na primer abrazija1, korozija

2, razpoke, področja večjih trdot),

1 Abrazija je obrabljanje materiala zaradi dolgotrajnih mehanskih obremenitev, kot je trenje.

2 Korozija je propadanje kovinskih gradiv pod vplivom okolice [12].


- 9 -

2) kurativno navarjanje z namenom popravila poškodovanih ali izrabljenih delov.

Strojnim delom se na mestu obrabe oziroma poškodbe najprej odvzame material (s

postopki odrezavanja). Nato se na mestih, kjer so strojni deli zaradi odvzemanja

materiala tanjši kot morajo biti, navari dodajni material, ki je enak osnovnemu,

3) priprava pred varjenjem – navarjanje slojev na dva osnovna materiala, ki sicer nista

kompatibilna za varjenje.

Pri klasičnem TIG navarjanju ima zaščitni plin pomembno vlogo pri nastanku navara.

Pri zaščitnem plinu pa sta pomembna tudi tip in sestava, saj močno vplivata na obliko navara,

kot to prikazuje slika 2.9. Na njej se vidi, da pri uporabi helija kot zaščitnega plina nastane

bolj ploščat navar, medtem ko pri uporabi argona nastane navar z globljim uvarom. Dodajanje

manjših količin vodika argonu pa zaradi večje toplotne prevodnosti povzroči še večjo globino

navarjanja. Vodik se ne sme uporabljati, če obstaja nevarnost za vodikovo hladno pokljivost

[5].

Slika 2.9: Vpliv zaščitnega plina na navarjanje [5]

Slika 2.10: Skica navara

Helij Argon

Vodik


- 10 -

𝑍𝑊𝑀 =𝑍𝑂𝑀×𝐵

𝐴+𝐵+

𝑍𝐷𝑀×𝐴

𝐴+𝐵 [11] (2.1)

ZWM [%] - delež kemijskega elementa v navaru,

ZOM [%] - delež kemijskega elementa v osnovnem materialu,

ZDM [%] - delež kemijskega elementa v dodajnem materialu,

A [mm2] - površina temena v navaru,

B [mm2] - površina uvara v navaru.

Od varjenja se navarjanje najbolj razlikuje po odstotku namešanja:

% 𝑛𝑎𝑚𝑒š𝑎𝑛𝑗𝑎 =𝐵

𝐴 & 𝐵× 100 [11] (2.2)

Namešanje je delež osnovnega materiala v navaru. Pri navarjanju brez dodajnega

materiala je delež dodajnega materiala enak nič, zato je namešanje 100 %. To se lahko pojavi

pri klasičnem TIG, ATIG in pri laserskem postopku navarjanja oziroma varjenja.

2.3 Nerjavna jekla za navarjanje

Pri navarjanju nerjavnih jekel je potrebno razumeti kako namešanje dodajnega materiala z

osnovnim materialom vpliva na lastnosti novonastalega materiala. Pomembna je primerna

raven ferita, da se minimizira možnost vroče pokljivosti, odsotnost martenzita na mejah

kristalnih zrn za boljšo moč vezi in nizka raven ogljika za odpornost na korozijo. Optimalno

namešanje pri navarjanju z dodajnimi materiali je nekje med 10 in 15 %. Namešanje pod 10

% postavlja pod vprašanje moč medkristalnih vezi, nad 15 % pa je vprašljiv strošek dodajnega

materiala. Pomemben vpliv na namešanje navara imajo naslednji varilni parametri [2]:

- varilni tok – večji tok poveča odstotek namešanja. Ker se oblok bolj segreje, je globina

navarjanja večja in se nameša več osnovnega materiala,

- smer varilnega toka – enosmeren varilni tok z negativnim polom na elektrodi

povzroči slabšo globino navarjanja in posledično nižje namešanje kot pozitivni pol na

elektrodi. Z izmeničnim tokom se dosega namešanje, ki je nekje med obema

enosmernima načinoma priklopa,


- 11 -

- debelina elektrode – tanjša kot je elektroda, manjši mora biti varilni tok, kar povzroča

nižji odstotek namešanja,

- dolžina prostega konca elektrode – krajša je dolžina, večji je odstotek namešanja

(pomembno pri MIG, MAG in EPP navarjanju),

- hitrost navarjanja – manjša hitrost pomeni manj staljenega osnovnega materiala in več

staljenega dodajnega materiala ter posledično manjšo stopnjo namešanja,

- nihanje varilnega gorilnika (ilustracijo tega prikazuje slika 2.11) – večja širina nihanja

elektrode zmanjša stopnjo namešanja, enako velja za višjo frekvenco nihanja,

- položaj navarjanja – položaj navarjanja in kot gorilnika pri navarjanju lahko

povzročita, da gravitacija vleče zvarno kopel pred, za ali pod oblok. Če zvarna kopel

ostaja pred ali pod oblokom, potem sta manjša globina navarjanja in stopnja

namešanja. Če je zvarna kopel preveč pred oblokom, bo taljenje osnovnega materiala

premajhno, kar povzroči zlepe,

- zaščita obloka – seznam zaščitnih medijev, začenši z najnižjo stopnjo namešanja

(varilni prašek brez dodatkov, helij, ogljikov dioksid, argon, polnjena žica pri

postopku varjenja FCA in varilni prašek z dodatki),

- dodatni dodajni material – (dodatno k dodajnemu materialu v obliki praška, žice ali

traku) zniža stopnjo namešanja, s tem ko poveča količino dodajnega materiala in

zmanjša količino stopljenega osnovnega materiala.


- 12 -

Jekla za navarjanje za primer dobre korozijske zaščite so navadno avstenitna nerjavna

jekla ali zlitine na osnovi niklja. Najbolj pogosta avstenitna nerjavna jekla za navarjanje so

[2]:

- 304 (X5CrNi18-10),

- 304 L (X2CrNi19-11),

- 309,

- 310,

- 316 (X5CrNiMo17-12-2),

- 316 Cb,

- 316 L (X2CrNiMo17-12-2),

- 317,

- 317 L,

- 321,

- 347.

2.4 Priporočila s področja mehanskega preizkušanja navarov

Zvarne spoje se lahko preizkuša z naslednjimi porušitvenimi metodami [4]:

- natezni preizkus (cilj nateznega preizkušanja je določiti natezno trdnost navarov Rm),

- upogibni preizkus (namen tega preizkušanja je določitev deformacijske sposobnosti

navara in toplotno vplivanega področja. Preizkušanje poteka s tri točkovnim

upogibom z navarom v natezni coni. Merilo duktilnosti je upogibni kot 180° ali kot pri

zlomu preizkušanca),

- meritev trdote (meritev trdote se uporablja za ocenitev nevarnosti nastanka hladnih

razpok ali krhkega loma),

- Charpy preizkus udarne žilavosti (meri se delo, ki je potrebno za prelom preizkušanca.

Uporablja se preizkušance z zarezo v obliki črke U ali V). Pri navarjanju se ta preizkus

opravlja le ko so za to podane posebne zahteve in se želi preizkusiti mejo med

osnovnim materialom in navarom.


- 13 -

2.5 Predviden postopek navarjanja

Pred pričetkom raziskovanja je bil določen predviden postopek navarjanja. Pri navarjanju so

se testirale različne tehnike navarjanja, in sicer potezno navarjanje (navarjanje v ravni črti) in

navarjanje z nihanjem (pendlanjem). Za doseganje večje višine temena navara bi bilo

potrebno nihanje varilnega gorilnika (glej sliko 2.11), saj bi se tako med navarjanjem material

potiskal proti notranjosti kraterja navara.

Slika 2.11: Gibanje varilnega gorilnika med navarjanjem

maks. 15°


- 14 -

3 EKSPERIMENTALNO DELO

3.1 Preizkušanje realnega robota ACMA XR701

Pred pričetkom dela v programu Robot Studio se je preizkusil robot ACMA XR701 z ročnim

programiranjem, da se je lahko primerjalo njegovo obnašanje z želenim. Kot je opisano v

podpoglavju 2.5 Predviden postopek navarjanja, je bilo želeno, da se robot med nihanjem

premika nihajoče za maksimalno 15 stopinj. Ob tem bi konica elektrode morala biti zmeraj v

isti ravnini, saj je od tega odvisna dolžina obloka. Preizkušanje robota je potekalo z listom

papirja velikosti A4, na katerem je bilo vrisanih nekaj referenčnih točk. Kljub temu, da se je

pri programiranju skrajnih točk določil zmeraj isti nagibni kot, robot varilnega gorilnika niti

ni premikal za enak nagibni kot, ki mu je bil določen pri programiranju, niti ga ni premikal v

ravnini (robot je ob premiku iz leve v desno točko konico varilnega gorilnika premaknil

navzdol, torej v list). Premikanje gorilnika za spremenljiv nagibni kot prikazujeta sliki 3.1 a)

in b), kjer je slikan robot med premikanjem. Na sliki 3.1 a) se vidi, da robot varilni gorilnik

premakne za nagibni kot neke vrednosti, na sliki 3.1 b) pa se vidi, da je ta nagibni kot manjši.

a)

b)

Slika 3.1: Slika premikanja varilnega gorilnika z robotom a) premik v levi točki in b)

premik v desni točki

Ko sta se ta problema pojavila, se je najprej preverila oblika gibanja robota. Nastavljeni

morajo biti linearni gibi, saj se v nasprotnem primeru robot premika po njemu najkrajših

poteh, kar pomeni, da vsako os obrne za določen kot ob maksimalnih pospeških in pojemkih,

brez ozira na koordinatni sistem orodja. Nastavitev oblike gibov na linearne ni rešila nič, torej


- 15 -

je problem drugje. Poizkušalo se je najti primerno lego, ki bi robotu omogočala nihanje

varilnega gorilnika, tako da bi konica potovala po ravnini in za pravi kot. To iskanje ni bilo

uspešno, zato se je smatralo, da je problem v nastavljeni točki koordinatnega sistema orodja,

ki bi ga bilo potrebno spremeniti za ustrezno nadaljnje delo pri tem magistrskem delu.

Smatralo se je, da se bo rešitev našla v navodilih robota ACMA XR701, vendar obstoječa

dokumentacija ne omogoča prestavitev TCP na konec elektrode v varilnem gorilniku.

Po vseh teh prilagoditvah in preizkusih se je smatralo, da bi dovolj veliko število

vmesnih točk (med točkami nihanja) rešilo težavo kota varilnega gorilnika, kot tudi težavo

nekonstantne dolžine obloka. Robota se je programiralo z eno, z dvema in s tremi vmesnimi

točkami. Pri eni in pri dveh vmesnih točkah se je gibanje konice varilnega gorilnika gor in dol

omejilo, ampak še ni bilo odpravljeno. To gibanje je bilo odpravljeno šele pri treh vmesnih

točkah, se pa je pojavila nova težava: robot varilnega gorilnika ni premikal z enakomerno

hitrostjo. Pri vmesnih točkah je robot konico varilnega gorilnika zapeljal krožno ob

programirani točki, kar prikazuje slika 3.2. Na tej sliki je vpeto pisalo, ki s svojo dolžino

predstavlja približek kinematične verige, v primeru ko je v robota vpet varilni gorilnik.

Slika 3.2: Prikaz potovanja konice pisala, vpetega v robota

Ker raziskovanje nastavitev koordinatnega sistema orodja ni bilo produktivno in ker te

težave ni bilo mogoče enostavno zaobiti, se je poenostavilo programiranje pri višanju temena

navara tako, da se le-to izvaja brez nihanja varilnega gorilnika. Namesto nihanja se robota


- 16 -

programira samo po translatornih koordinatah, rotacijske pa niso uporabljene, kar ustreza

navarjanju s poteznimi varki.

3.2 Izvedba navarjanja z robotom in programiranje robotske celice v

virtualnem okolju

Prvi problemi z virtualno robotsko celico so se pokazali že ob prvem poizkusu kreiranja

programa. Robota namreč ni bilo mogoče premikati z linearnimi gibi, kar bi omogočalo

najenostavnejše premikanje pri programiranju. Robota se je dalo premikati samo po

posameznih oseh, kar je otežilo odčitavanje koordinat, ki jih robot shrani ob kreiranju točk

(ukaz v Robot Studiu: »Teach Target«). Zato se je virtualnega robota najprej pripeljalo do

želenega položaja, se kreiralo eno točko, nato pa se je to točko večkrat kopiralo in spreminjalo

pozicije. Orientacija robota je ostala zmeraj enaka.

Drug problem je bil, da je ob ustvarjanju točk program Robot Studio ustvaril točke, ki

so izven dosega robota. Vzrok za te neskladnosti je robotska celica, ki ima določeno

koordinatno izhodišče nekje v kotu celice, namesto v koordinatnem izhodišču robota. Iz

preleta programa, ki ga je pri svojem magistrskem delu napisal Mitja Filipič [3], gre razbrati,

da lahko uporabnik vnese koordinate, ki jih program upošteva pri pretvorbi v obliko, ki je

primerna za nadaljnjo obdelavo za realnega robota. Te koordinate so:

- X = 3517 mm

- Y = 2470 mm

- Z = 110 mm

Nova težava se je pojavila ob zaganjanju programa za pretvorbo, saj se program ob

vnosu katerihkoli števil sesuje. Ta problem se je rešil z razvojem Excelovega programa, ki

zahteva točno določeno obliko RAPID programa. Zahtevano obliko se dobi iz Robot Studia

tako, da se v zavihku Home/Paths&Targets označi želeno pot (na primer Path_10) in nato

izbere »Synchronize to VC«. Odpre se okno, ki ga prikazuje slika 3.3. Za želeno obliko izpisa

programa je potrebno pri vsaki točki odkljukati vsak okvirček na skrajni desni.


- 17 -

Slika 3.3: Okno »Synchronize to VC«

Nato se lahko v zavihku RAPID odpre program znotraj modula, ki je bil odkljukan v

oknu, prikazanem na sliki 3.3. Prikaže se program, ki ima takšno obliko:

MODULE Module1

PROC Path_10()

MoveL [[3391.827697136,4699.937760217,1583.481992818],[0.018663304,-0.044054012,-

0.998416608,-

0.029583817],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]],v1000,z100,MyNewTool\WObj:=wobj0;

MoveL [[3436.364086125,5197.121802016,1612.196773613],[0.018663304,-0.044054012,-

0.998416608,-


MoveL [[2938.653161014,5240.553927465,1632.133812111],[0.018663304,-0.044054012,-

0.998416608,-


MoveL [[2921.322694174,5270.913095097,1133.357333255],[0.018663304,-0.044054012,-

0.998416608,-


ENDPROC

ENDMODULE

Tak program se kopira od vključno prvega »MoveL« pa do izključno »ENDPROC« in

se ga prilepi v Excelovo datoteko. Tu se prične postopek pretvorbe, ki s pomočjo ukazov

RIGHT(), LEFT(), LEN() in FIND() iz vstavljene vrstice (primer take vrstice: MoveL

[[3826.50,4275.00,750.00],[0,0.707106781,0.707106781,0],[0,0,0,0],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,

9E9]],v1000,z100,MyNewTool\WObj:=wobj0;) izloči koordinate, ki so zapisane v Excelovi

celici (primer izločenih koordinat: 3826.50,4275.00,750.00). Nato se s pomočjo ukaza

LEFT() loči samo X koordinato, za Y koordinato se izpis nekoliko zakomplicira, ker je

zapisana na sredini Excelove celice. Zato se najprej uporabi ukaz MID() (primer ukaza:


- 18 -

=MID(G3;FIND(",";G3;1);8) – program v tem primeru izpisuje iz celice G3). Izpis je v tem

primeru še neurejen (primer izpisa: ,4275.00). Zato ga je potrebno še urediti z ukazom

RIGHT(). Ker se Z koordinata nahaja na skrajni desni strani teksta v celici, se izpis spet

zakomplicira. Zato se najprej uporabi ukaz, ki zamenja vejico s presledkom (primer tega

ukaza: =SUBSTITUTE(G3;",";" ";2). Primer izpisanega teksta s tem ukazom:

3826.50,4275.00 750.00). Sledi ugotavljanje dolžine znakov, ki se nahajajo za presledkom

(primer tega ukaza: =LEN(N3)-FIND(" ";N3;1) – iskano besedilo je zapisano v celici N3). Z

nadaljnjo uporabo ukazov LEFT(), RIGHT() in FIND() se izpiše še končana oblika Z

koordinate. Nato program od koordinat (dobljenih iz RAPID programa) odšteje koordinate

virtualne robotske celice (X = 3517 mm, Y = 2470 mm, Z = 110 mm).

Tu bi sicer pretvorba programa bila končana, ampak ker se je ugotovilo, da je virtualna

robotska celica v primerjavi z realno zamaknjena za kot 18°, mora program temu primerno

priredi X in Y koordinati po tej enačbi:

[𝑥′𝑦′

] = [cos 𝜃 sin 𝜃

− sin 𝜃 cos 𝜃] [

𝑥𝑦] (3.1)

x' [mm] - spremenjena x koordinata robotske celice,

y' [mm] - spremenjena y koordinata robotske celice,

x [mm] - dobljena x koordinata iz virtualne robotske celice,

y [mm] - dobljena y koordinata iz virtualne robotske celice,

[°] - kot zasuka robotske celice.

Kjer so x in y koordinate dobljene iz RAPID programa, kot = 18° in x' ter y' novi

koordinati. Tu je še potrebno poudariti, da Excel pri kotnih funkcijah sprejme stopinje v

radianih.

Ker je znano, da se pri robotu ACMA njegove interpretacije orientacij povsem ne

razume, se uporabijo te, fiksne: -177.630, -1.100, 148.580.

Koordinate, ki so zapisane v Excelovih celicah, je potrebno še urediti tako, da so

obkrožene z narekovaji (uporabi se ukaz CHAR(34)). Celoten ukaz ima tako obliko:

=CONCATENATE(CHAR(34);T3;CHAR(34)), kar pomeni: združi narekovaj, nato

vsebino celice T3 in nato še en narekovaj.


- 19 -

Ko so vsi podatki izpisani v posameznih celicah v Excelovi datoteki, se s pomočjo

ukaza »&« sestavijo vrstice programa, ki je s tem pripravljen za nadaljnjo obdelavo na

računalniku, ki se nahaja pri realnem robotu ACMA. Primer takšnega programa:

27 27 +0 27 +0 '3' +0 '1' +0

@80 @80 @80 @80 @80 @80 @80 @80 +0 13

13 13 13 27

@64 "445,890" 09 "1546,160" 09 "910,560" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

'8' @77 13 +0 13 +0 @77 @77 @77 13 +0

@64 "851.71" 09 "1620.80" 09 "257" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

@64 "230.67" 09 "1822.59" 09 "257" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

@64 "369.73" 09 "2250.57" 09 "257" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

@64 "990.77" 09 "2048.78" 09 "257" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

@64 "851.71" 09 "1620.80" 09 "257" 09 "-177,630" 09 "-1,100" 09 "148,580" + @68

27 27 27 27 27 +0 @59

3.2.1 Navodilo za pretvorbo programa, dobljenega iz Excela

1) Program, ki je nastal v Excelovi datoteki je potrebno najprej skopirati iz Excela v

tekstovno datoteko (na primer datoteka s končnico *.txt) in to shraniti na disketo.

2) Nato se na osebnem računalniku, ki se nahaja pri robotu odpre mapa »5_PRAZNE

TOČKE« (nahaja se na namizju), iz katere se skopira celotna vsebina na C disk. Ob

vprašanju, ali naj Windows prepiše stare mape, se izbere ukaz »Da za vse«.

3) Nato se odpre mapa C:\Offline\Phl\Exe, znotraj nje pa se v datoteko A.txt skopira

program, ki je nastal s pomočjo Excela. Pri tem se ne sme pozabiti na zadnjo vrstico

programa: 27 27 27 27 27 +0 @59

4) Nato se na namizju odpre mapa »PROGRAMIRANJE«, v njej pa datoteka

»A_Phl__1.bat«. S tem se prične pretvarjanje programa v obliko, ki jo razume

krmilnik robota. Večje kot je število točk, dlje ta postopek traja. Po končani pretvorbi

se pojavi dvobarven zaslon, ki se ga zapre in izbere »Da«.

5) V isti mapi se odpre datoteka »NPHL_bat«, odpre se okno, v njem se s pritiskom na

tipko enter izbere točka 3 (Edition de Donnees de Mouvement) in nato točka 1

(Edition de Donnees…). S pritiskanjem na tipko enter se izbere datoteka »PROG10«

tako dolgo, dokler se ne prikaže spodnji zapis. Črka »I« pomeni, da je trajektorija A že

ustvarjena.


- 20 -

Pgm:PROG10 Tjc:

A I U

B U

C U

D U

6) S tipko F2 je možen pregled vseh točk.

7) Sledi zapis programa na disketo. Pritiskanje na tipko Escape privede do začetnega

zaslona, kjer se izbere točka 8 (Gestion de Fichiers) in nato točka 2 (Souvegarde

Globale). S tem se prične zapisovanje programa na disketo.

8) Izhod iz okna je mogoč s pritiskanjem na tipko Escape dokler se ne pride do začetnega

zaslona in nato še na tipko F1.

Sledi zapisovanje programa iz diskete na krmilnik robota:

9) Najprej se zažene programska oprema robota (vklop varovalk in močnostnega stikala

na omarici robota – skladno z uporabniškim priročnikom za delo z robotom ACMA

XR701 [1]).

10) Ko se na ekranu izpiše, je potrebno pritisniti F1.

11) V primeru izpisa napake se pritisne CTRL in F10.

12) Ker se dela z disketo, mora biti gumb s ključem (levo od monitorja) postavljen na

FUERA SERVICO.

13) Na monitorju se izbere točka 2 (Intendance), nato točka 2 (Gestion de Fichiers).

14) Vstavi se disketa, ki mora biti prazna in izbere se točka 5 (Restauration Unitaire).

15) Nato se izbere točka 1 (Programme Robot), nakar sledi ali pritisk na tipko F1

(Restauration du dossier complet), ali F2 (Restauration selective).

16) Ko se na monitorju izpiše »PROG10«, se ga izbere s pritiskom na tipko enter.

17) Sledi vprašanje, na katerega se izbere »OUI«.

18) Po končanem zapisovanju se z dvojnim pritiskom na tipko Escape vrne dva menija

nazaj. Nato se lahko nadaljuje s prižiganjem robota:

a. S pritiskom na modro tipko »PUESTA BAJA POTENCIO« se vklopijo

motorji robota.


- 21 -

b. Na tipkovnici se pritisne na ALT in F10.

c. Izbere se točka 2 (Contexte Mouvement), nato točka 1 (Modification Vitesse

Generale). Vnese se hitrost (na primer 30 %). Sledi izhod s pritiskanjem na

tipko Escape.

d. V primeru izpisa teksta na dnu ekrana (»2100 QUITTER PAR AF10 OU

ETAT«) je potrebno pritisniti na ALT in F10.

e. Pritisne se CTRL in F1, da se lahko prične delo s PMA konzolo.

3.3 Izvedba navarjanja v robotski celici v realnem okolju

Pri navarjanju je bilo potrebno skrbeti za nadzor varilnih parametrov, robota je bilo potrebno

upravljati preko PMA konzole, parametre navarjanja pa se je nastavljalo na varilnem izvoru.

Najprej se je na osnovi podanih parametrov osnovnega materiala izbralo primeren premer igle

za navarjanje, nato se je glede na dolžino navarjanja določila hitrost robota oziroma hitrost

navarjanja. Ker varilni izvor omogoča varjenje do 170 A, je bila to zgornja omejitev pri

navarjanju. Prvi navar je potekal pri 160 A, kar je bilo preveč za izbran premer volframove

elektrode. Ta se je stalila, oksidirala in jo je zato bilo potrebno ponovno brusiti. Po navarjanju

po klasičnem postopku TIG se je postopek ponovil z dvema aktivnima praškoma, ki

omogočata večjo globino pri navarjanju: QuickTIG (bele barve) in BC-31 (zelene barve). Oba

praška sta namenjena varjenju visoko legiranih avstenitnih jekel.

a)

b)

Slika 3.4: a) Nanašanje aktivnega praška na površino plošče pred navarjanjem s

čopičem in b) čakanje, da se prašek posuši


- 22 -

Pri navarjanju so bili uporabljeni parametri, ki so prikazani v tabeli 3.1.

Tabela 3.1: Uporabljeni parametri pri navarjanju po klasičnem TIG postopku (modra

barva) in po ATIG postopku (rdeča in zelena barva)

A) Navarjanje brez praška: B) Navarjanje z belim praškom C) Navarjanje z zelenim praškom

Oznaka I [A] U [V] Oznaka I [A] U [V] Oznaka I [A] U [V]

A1 141 13.5 B1 99 14.1 C1 99 15.2

A2 161 19.5 B2 122 15.2 C2 120 17.5

A3 121 14.8 B3 141 16.8 C3 141 18.5

A4 99 13.1 B4 80 13.5 C4 80 14.5

B5 59 13.0 C5 60 13.5

Slika 3.5: Navarjanje z robotom ACMA

XR701

Slika 3.6: Konec prvega navarjanja z

zelenim aktivnim praškom pri 99 amperih


- 23 -

Končani navari:

a)

b)

Slika 3.7: Končani navari a) z zelenim aktivnim praškom (BC-31), vrednosti tokov od

leve priti desni: 99 A, 120 A, 141 A, 80 A in 60 A in b) z belim aktivnim praškom

(QuickTIG), vrednosti tokov od desne strani proti levi: 99 A, 122 A, 141 A, 80 A in 59 A.

Slika 3.8: Končani navari brez aktivnih praškov (vrednosti tokov od leve proti desni:

141 A, 161 A, 121 A in 99 A)


- 24 -

3.4 Priprava obrusov

Po končanem postopku navarjanja je sledila priprava makro obrusov. Strojno vodno brušenje

je potekalo z brusnimi papirji različnih zrnatosti: P80, P120, P240, P500, P600, P1000 in

P1200. Označbe pomenijo število zrn na kvadratni centimeter: 𝑧𝑟𝑛

𝑐𝑚2, torej je vodno brušenje

potekalo od najbolj grobega, do najbolj finega brusnega papirja.

a)

b)

Slika 3.9: a) vpetje dveh obrusov hkrati in b) brušenje obrusov na vodo-brusnem

papirju

Sledilo je poliranje na glinici, ki je potekalo na stroju, prikazanem na sliki 3.10.

Zanimivost pri poliranju je ta, da je glinica sestavljena iz malih delcev, ki se med poliranjem

zaradi mehanskega pritiskanja obrabljajo. Z njimi se lahko polira površino, s katero so v

kontaktu.


- 25 -

Slika 3.10: Stroj za poliranje obrusov

Po poliranju je površino obrusa potrebno obvezno izprati in posušiti, da je površina

navara po slikanju lepo vidna in zato, da material na mestu nečistoč ne oksidira. Pri tem je

pomembna primerna tehnika pranja in sicer, po poliranju se obrus najprej izpere pod vodo

(lahko kar na pipi iz vodovoda), nato se obrus ali izpere s tekočim milom (ta naj ima podobno

viskoznost kot voda), ali pa se papirnato brisačo zmoči s tekočim milom in nato polirana

površina nežno obriše z mokrim delom papirnate brisače. Tu je pomembno, da je brisanje s

papirnato brisačo nežno, saj se lahko s tem ustvarijo nove raze na polirani površini. Sledi

izpiranje polirane površine z alkoholom in nato še sušenje brusa z grelcem zraka, pri čemer je

potrebno obrus držati pokonci, da se odpihne vse vidne nečistoče, ki jih povzroči alkohol.

a)

b)

Slika 3.11: a) izpiranje poliranega obrusa in b) obrusa po končanem poliranju in

izpiranju


- 26 -

Pred pričetkom meritev je potrebno obruse še jedkati, saj se samo tako pod

mikroskopom lahko opazuje mikrostruktura osnovnega materiala in navara. Pri jedkanju so

bila uporabljena naslednja jedkala:

- Selenska kislina,

- Ralph reagent,

- Mešanica HCl in HNO3.

3.5 Navarjanje z ATIG postopkom navarjanja na robotu

Pri navarjanju je bilo uporabljeno jeklo 304, ki spada med avstenitna nerjavna jekla.

Navarjalo se je na plošče, dimenzij 300 x 150 milimetrov in debeline 5 mm.

3.5.1 Material (kemijska sestava, mehanske lastnosti materiala)

Kemijska sestava jekla 304 je podana v tabeli 3.2, njegove mehanske lastnosti pa v tabeli 3.3.

Tabela 3.2: Kemijska sestava jekla 304 [%] [6]

C Si Mn P S Cr Ni N

0.026 0.34 1.28 0.029 0.0010 18.17 8.05 0.063

Tabela 3.3: Mehanske lastnosti jekla 304 [6]

Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] Trdota [HB]

316 657 57.1 88.0


- 27 -

3.5.2 Načrtovanje tehnologije navarjanja

Najprej je bilo potrebno na robotu programirat dve točki, tako da je robot potoval med njima v

ravni črti, da se je lahko navarjalo pri izbranih parametrih in po klasičnem TIG in ATIG

postopku z uporabo dveh aktivnih praškov. Ker je pri vseh navarih prišlo do višanja temena

navara programiranje robota z nihanjem ni bilo potrebno. Pred začetkom navarjanja se je

izbralo več varilnih tokov z enako razliko (I = 20 A), da so se kasneje rezultati lahko

primerjali. Najprej se je preizkusilo navarjati pri toku 160 A, ampak je tok za izbrano

elektrodo bil previsok, saj jo je uničilo zaradi velike gostote toka in jo je bilo potrebno

obrusiti. Po priporočilih o varjenju se je izbrala hitrost navarjanja. Pri izbranem toku in

hitrosti navarjanja je varilni aparat med navarjanjem izmeril napetost, ki jo je bilo potrebno

pri vsakem navaru posebej zabeležiti. Primerna razdalja med elektrodo in ploščo za navarjanje

se je nastavila izkustveno, da se je oblok lahko vzpostavil. Znašala je 2 do 3 milimetre.

Izbrana razdalja je ostala enaka za vse navare. Pri nanosu aktivnih praškov ni bila uporabljena

nobena merodajna metoda za nanašanje. Oba praška se je namreč naneslo s čopičem (en čopič

za en prašek, da se nista mešala), količina nanesenega aktivnega praška pa je bila samo

tolikšna, da je prekrila ploščo na mestu navarjanja. Po nanosu aktivnega praška se je še

počakalo, da se je posušil, nato se je pričelo navarjanje.


- 28 -

3.5.3 Navodilo za varjenje – WPS

Tabela 3.4: WPS za prvi navar – A1 (I = 141 A, U = 13.5 V)

WPS: WPS-1

Proizvajalčevo navodilo za varjenje Welding Procedure Specification

PQR: -

Rev.: 1 Date: 28.11.2014

Naročnik:

Customer: Jure Leskovar

Project:

Title: Magistrsko delo

Izvedbeni Standard:

Design Code: -

Vrsta priprave in čiščenja:

Type of preparing and cleaning: Brušenje

Ref. Specifikacija:

Ref. Specification: A1

Specifikacija osnovnega

materiala: Base Material Specification:

304

Način Varjenja:

Welding Process: 141 (TIG) SIST EN ISO 4063

Debelina obdelovanca (mm):

Thickness range (mm): 5 mm

Vrsta Spoja: Type of Joint:

navar Zunanji premer (mm): Pipe Diameter range (mm):

-

Oznaka Zvara:

Type of Weld: A1

Debelina kotnega zvara (mm):

Filled Weld Size Range (mm): -

Večvarkovno ali enovarkovno varjenje: Multiple or Single Pass (per side):

Položaj varjenja: Welding position:

PA - SIST EN ISO 6947

Oblika vara / skica:

Joint detail:

EN ISO 1708

Vrstni red varjenja / skica:

Welding sequence:

Varilni sloj Weld layer

Proces Process

Premer dod.

Materiala Diameter of

filler material

Jakost toka

Current

(A)

Napetost

Voltage

(V)

Vrsta toka /

Polariteta

Type / polarity

Hitrost žice

Wire speed

(m/min)

Varilna hitrost

Welding

speed (cm/min)

Vnos toplote

Heat input

(kJ/cm)

1 141 - 141 13.5 DC- - 14.7 4.67

Dodajni material – razvrstitev in znamka

Filler material – Specification and trade name

Koren / Root Polnilni sloj / Filler passes

- -

Zaščitni plin: Shielding gas:

I1 - SIST EN ISO 14175 Formirni plin: Backing gas:

-

Pretok plina (l/min)

Flow rate (l/min) 8 l / min

Pretok formirnega plina (l/min):

Flow rate backing gas (l/min): -

Vrsta volfram elektrode in premer:

Tungsten Electrode Type and Size: W20 2,4 mm

Prosti konec žice (mm):

Contact Tip to Work Distance

(mm):

-

Premer in tip šobe:

Orifice or Gas Cup Size: 11

Način prehoda dodajnega materiala:

Mode of metal transfer: -

Temperatura predgrevanja Preheat temperature

Sobna temperatura Temperatura vmesnega sloja Interpass temperature

-

Toplotna obdelava po varjenju

Post weld heat treatment -

Posebne zahteve za sušenje:

Special description for drying: -

Hitrost segrevanja in ohlajanja

Heating and cooling rate -

Metoda nadzora temperature

Method of temperature control -

Izdelal:

Prepared by:

Ime, datum, podpis

Name, date, signature

Jure Leskovar, d.i.s.

28.11.2014

Potrdil:

Approved by:

Ime, datum, podpis

Name, date, signature

dr. Tomaž Vuherer

28.11.2014


- 29 -

3.6 Uporabljene metode za preizkušanje navarjenih spojev

3.6.1 Preiskave s svetlobnim mikroskopom

Za slikanje mikrostrukture se je uporabil svetlobni mikroskop Nikon Epiphod 300, ki

omogoča dva načina opazovanja in slikanja mikrostrukture, to sta tako imenovana temno

polje in svetlo polje.

Slika 3.12: Preiskovanje mikrostrukture na svetlobnem mikroskopu

3.6.2 Merjenje trdote po Vickersu

Za merjenje trdote se je uporabil Shimadzu HMV-2000, ki vtiskuje štiristrano piramido

s silo deset Newtonov. Vtiskovanje za eno meritev traja 20 sekund. Izmerjene vrednosti lahko

odstopajo za 3 do 4 HV. Da je med vtiski primerna razdalja, to je vsaj 0.5 mm, pa je na skrbi

merilca. Slika 3.13 prikazujejo sliko, ki jo merilec vidi skozi okular med meritvijo.


- 30 -

a)

b)

Slika 3.13: Pogled skozi okular mikroskopa a) pri 10-kratni povečavi in b) pri 50-kratni

povečavi

3.6.3 Meritev ferita

Pri teh meritvah je bil potreben samo aparat Ferritgehaltmesser 1.054 s sondo. Meritev

se izvede tako, da se s konico sonde dotakne navar, na strani kjer je bil brušen in poliran. Meri

se na mestu, kjer se vidi navar, in ne v toplotno vplivanem področju in ne v osnovnem

materialu.

Slika 3.14: Merilnik Ferrigehaltmesser 1.054 za merjenje ferita


- 31 -

4 REZULTATI

4.1 Rezultati navarjanja z ATIG postopkom

V nadaljevanju so prikazani makro posnetki (slike 4.1 do 4.11) obrusov navarov po končanem

brušenju, poliranju in jedkanju.

Končani obrusi, pri klasičnem TIG navarjanju:

Slika 4.1: A1 (I = 141 A)

Slika 4.2: A2 (I = 161 A)

Slika 4.3: A3 (I = 121 A)

Slika 4.4: A4 (I = 99 A)

Končani obrusi navarov, pri katerih je bil uporabljen bel aktivni prašek (QuickTIG):

Slika 4.5: B1 (I = 99 A) levo in B2 (I = 122 A) desno


- 32 -

Slika 4.6: B3 (I = 141 A)

Slika 4.7: B4 (I = 80 A) levo in B5 (I = 59 A) desno

Končani obrusi navarov, pri katerih je bil uporabljen zelen aktivni prašek za varjenje

visoko legiranih avstenitnih jekel (BC-31):

Slika 4.8: C2 (I = 120 A) levo in C1 (I = 99 A) desno

Slika 4.9: C3 (I = 141 A)

Slika 4.10: C4 (I = 80 A)


- 33 -

Slika 4.11: C5 (I = 60 A)

Slike 4.12 do 4.25 prikazujejo merjenje geometrij navarov v programu AutoCAD.

Izmerjene so širina, globina in višina navara. Kot dokaz, da so slike prilagojene razmerju

velikosti 1:1, je prikazana še debelina osnovnega materiala (5 mm).

Meritve geometrij na obrusih, pri klasičnem TIG navarjanju:

Slika 4.12: A1 (I = 141 A)

Slika 4.13: A2 (I = 161 A)

Slika 4.14: A3 (I = 121 A)

Slika 4.15: A4 (I = 99 A)


- 34 -

Meritve geometrij na obrusih navarov, pri katerih je bil uporabljen bel aktivni prašek

(QuickTIG):

Slika 4.16: B1 (I = 99 A)

Slika 4.17: B2 (I = 122 A)

Slika 4.18: B3 (I = 141 A)

Slika 4.19: B4 (I = 80 A)

Slika 4.20: B5 (I = 59 A)


- 35 -

Meritve geometrij na obrusih navarov, pri katerih je bil uporabljen zelen aktivni prašek

za varjenje visoko legiranih avstenitnih jekel (BC-31):

Slika 4.21: C1 (I = 99 A)

Slika 4.22: C2 (I = 120 A)

Slika 4.23: C3 (I = 141 A)

Slika 4.24: C4 (I = 80 A)

Slika 4.25: C5 (I = 60 A)


- 36 -

Za lažje razumevanje sledi prikaz označevanja izmerjenih vrednosti navarov:

𝐴𝑐𝑒𝑙 = 𝐴𝑡𝑒𝑚 + 𝐴𝑢𝑣𝑎𝑟 (4.1)

Acel [mm2] - celotna površina navara,

Atem [mm2] - površina temena navara,

Auvar [mm2] - površina uvara.

Slika 4.26: Označevanje izmerjenih vrednosti v nadaljevanju

Tabela 4.1: Uporabljeni parametri pri navarjanju po klasičnem TIG postopku (modra

barva) in po ATIG postopku (rdeča in zelena barva)

A) Navarjanje brez praška: B) Navarjanje z belim praškom C) Navarjanje z zelenim praškom

Oznaka I [A] U [V] Oznaka I [A] U [V] Oznaka I [A] U [V]

A1 141 13.5 B1 99 14.1 C1 99 15.2

A2 161 19.5 B2 122 15.2 C2 120 17.5

A3 121 14.8 B3 141 16.8 C3 141 18.5

A4 99 13.1 B4 80 13.5 C4 80 14.5

B5 59 13.0 C5 60 13.5


- 37 -

Sledijo diagrami, ki prikazujejo spreminjanje geometrij navarov v odvisnosti od

spremembe varilnega toka. Med prikazanimi podatki predstavljajo oznake:

- A – navarjanje brez aktivnega praška (klasičen TIG postopek navarjanja),

- B – navarjanje z belim aktivnim praškom (QuickTIG),

- C – navarjanje z zelenim aktivnim praškom (BC-31).

Iz spodnjega diagrama (slika 4.27) se lahko z nekaj izjemami razbere, da večji kot je

varilni tok pri navarjanju, večja je širina navara. Uporaba obeh aktivnih praškov omogoča

večjo širino navarov pri istih varilnih tokovih v primerjavi s klasičnim TIG postopkom

navarjanja:

Slika 4.27: Spreminjanje širine navara v odvisnosti od varilnega toka

Podobno kot iz zgornjega diagrama (slika 4.27), se tudi iz spodnjega (slika 4.28) lahko

razbere, da večji kot je varilni tok pri navarjanju, večja je globina prevarjenja. Če se

primerjajo rezultati ATIG postopkov, torej tam kjer sta bila uporabljena aktivna praška, se

ugotovi, da je največja globina navara dosežena pri največjem varilnem toku. Zanimivo je

tudi, da zelen prašek daje približno enake rezultate globine navara kot navarjanje brez praška.

0

2

4

6

8

10

12

50 70 90 110 130 150 170

b [

mm

]

I [A]

Širina navara - b [mm] / I [A]

A

B

C


- 38 -

Slika 4.28: Spreminjanje globine prevarjenja navara v odvisnosti od varilnega toka

Višina temena navara narašča z večanjem varilnega toka in začne pri belem aktivnem

prašku in pri klasičnem TIG navarjanju padati pri toku, večjem od 120 A. Do maksimalne

višine temena pride pri zelenem prašku, pri varilnem toku 140 A in pri belem prašku, pri 120

A. Pri navarjanju z belim aktivnim praškom se v primerjavi s klasičnim TIG postopkom

dosegajo vsaj enake, če ne večje višine temen. Pri največjem uporabljenem varilnem toku pa

se največja višina temena navara dosega z zelenim aktivnim praškom.

Slika 4.29: Spreminjanje višine temena navara v odvisnosti od varilnega toka

0

0,5

1

1,5

2

50 70 90 110 130 150 170

t [m

m]

I [A]

Globina prevarjenja - t [mm] / I [A]

A

B

C

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

50 70 90 110 130 150 170

h [

mm

]

I [A]

Višina temena - h [mm] / I [A]

A

B

C


- 39 -

Sledijo diagrami, ki prikazujejo spreminjanje geometrij navarov v odvisnosti od

spremembe vnosa toplote. Med prikazanimi podatki predstavljajo oznake:




Naslednji trije diagrami (slike 4.30, 4.31 in 4.32) se od zgornjih treh (slike 4.27, 4.28 in

4.29) razlikujejo v tem, da imajo na horizontalnih oseh prikazan vnos toplote, zato so tudi

krivulje rezultatov meritev na vseh šestih diagramih (slike 4.30, 4.31, 4.32, 4.27, 4.28 in 4.29)

podobnih oblik. Na spodnjem diagramu (slika 4.30), označenim z modro krivuljo se vidi, da

ima navar A1 (I = 141 A) nižje vrednosti od pričakovanih zaradi nižjega vnosa toplote.

Slika 4.30: Spreminjanje širine navara v odvisnosti od vnosa toplote

0

2

4

6

8

10

12

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

b [

mm

]

Q [kJ/mm]

Širina navara - b [mm] / Q [kJ/mm]

A

B

C


- 40 -

Slika 4.31: Spreminjanje globine navara v odvisnosti od vnosa toplote

Slika 4.32: Spreminjanje višine temena navara v odvisnosti od vnosa toplote

Sledijo diagrami, ki prikazujejo spreminjanje površin navarov v odvisnosti od

spremembe varilnega toka. Med prikazanimi podatki predstavljajo oznake:




0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

t [m

m]

Q [kJ/mm]

Globina prevarjenja - t [mm] / Q [kJ/mm]

A

B

C

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

h [

mm

]

Q [kJ/mm]

Višina temena navara - h [mm] / Q [kJ/mm]

A

B

C


- 41 -

Iz spodnjega diagrama (slika 4.33) se lahko z eno izjemo razbere, da večji kot je varilni

tok pri navarjanju, večja je celotna površina navara. Uporaba obeh aktivnih praškov omogoča

večinoma enako celotno površino navarov pri istih varilnih tokovih v primerjavi s klasičnim

TIG postopkom navarjanja:

Slika 4.33: Spreminjanje celotne površine navara v odvisnosti od varilnega toka

Podobno kot iz zgornjega diagrama (slika 4.33), se tudi iz spodnjega (slika 4.34) lahko

razbere, da večji kot je varilni tok pri navarjanju, večja je površina uvara. Če se primerjajo

rezultati ATIG postopkov, torej tam kjer sta bila uporabljena aktivna praška, se ugotovi, da je

največja površina uvara dosežena pri največjem varilnem toku. Zanimivo je tudi, da zelen

prašek daje približno enake rezultate površin uvarov kot navarjanje pri klasičnem TIG

postopku.

Slika 4.34: Spreminjanje površine uvara v odvisnosti od varilnega toka

0

5

10

15

20

50 70 90 110 130 150 170

Ace

l [m

m2 ]

I [A]

Površina navara - Acel [mm2] / I [A]

A

B

C

0

2

4

6

8

10

12

14

16

50 70 90 110 130 150 170

Au

var [

mm

2 ]

I [A]

Površina uvara - Auvar [mm2] / I [A]

A

B

C


- 42 -

Večja površina temena navara se doseže z zelenim aktivnim praškom, manjša z belim

praškom in najmanjša s klasičnim TIG postopkom navarjanja, torej brez uporabe praška:

Slika 4.35: Spreminjanje površine temena navara v odvisnosti od varilnega toka

Sledijo diagrami, ki prikazujejo spreminjanje površin navarov v odvisnosti od

spremembe vnosa toplote. Med prikazanimi podatki predstavljajo oznake:




Slika 4.36: Spreminjanje celotne površine navara v odvisnosti od vnosa toplote

0

0,5

1

1,5

2

50 70 90 110 130 150 170

Ate

m [

mm

2 ]

I [A]

Površina temena navara - Atem [mm2] / I [A]

A

B

C

0

5

10

15

20

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Ace

l [m

m2 ]

Q [kJ/mm]

Površina navara - Acel [mm2] / Q [kJ/mm]

A

B

C


- 43 -

Slika 4.37: Spreminjanje površine uvara v odvisnosti od vnosa toplote

Slika 4.38: Spreminjanje površine temena navara v odvisnosti od vnosa toplote

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Au

var [

mm

2]

Q [kJ/mm]

Površina uvara - Auvar [mm2] / Q [kJ/mm]

A

B

C

0

0,5

1

1,5

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

An

ad [

mm

2]

Q [kJ/mm]

Površina temena navara - Atem [mm2] / Q [kJ/mm]

A

B

C


- 44 -

4.1.1 Mikrostruktura

Mikrostruktura je bila slikana na svetlobnem mikroskopu pri različnih povečavah. Pri

jedkanju z izbranimi jedkali (glej podpoglavje 2.3 Nerjavna jekla za navarjanje) ni moč

vedno videti toplotno vplivano področje.

4.1.1.1 Mikrostruktura osnovnega materiala

Slika 4.39 prikazuje mikrostrukturo osnovnega materiala, kjer so vidna avstenitna zrna,

povprečne velikosti od 20 do 40 µm.

Slika 4.39: Mikrostruktura osnovnega materiala (na vrhu levo se vidi navar B5 – I = 59

A). Uporabljeno jedkalo: Ralph reagent


- 45 -

4.1.1.2 Mikrostruktura navara

Sledi prikaz mikrostruktur navarov, pri klasičnem TIG navarjanju. Vzorci A1, A2, A3 in A4

so bili slikani v svetlem in v temnem polju.

a)

b)

Slika 4.40: mikrostruktura navara, vzorec A1 – I = 141 A; a) slikano s temnim poljem

b) slikano s svetlim poljem. Uporabljeno jedkalo: mešanica 300 mililitrov HCl in 200

mililitrov HNO3

a)

b)

Slika 4.41: mikrostruktura navara, vzorec A2 – I = 161 A; a) slikano s temnim poljem b)

slikano s svetlim poljem.


- 46 -

a)

b)

Slika 4.42: mikrostruktura navara, vzorec A3 – I = 121 A; a) slikano s temnim poljem b)


Slika 4.43: mikrostruktura navara, vzorec A4 – I = 99 A


- 47 -

Sledi prikaz mikrostruktur navarov, pri katerih je pri navarjanju bil uporabljen bel

aktivni prašek (QuickTIG). Pri vseh obrusih je bila za jedkalo uporabljena selenska kislina.

Slikani so bili vzorci B1, B2, B3, B4 in B5. V navarih se lepo vidi dendritska sestava navara.

a)

b)

Slika 4.44: mikrostruktura navara, vzorec B1 – I = 99 A.

a)

b)

Slika 4.45: mikrostruktura navara, vzorec B2 – I = 122 A. a) slikano s svetlim poljem, b)

slikano s temnim poljem.


- 48 -

a)

b)

Slika 4.46: mikrostruktura navara, vzorec B3 – I = 141 A. a) slikano s svetlim poljem, b)

slikano s temnim poljem.

a)

b)

Slika 4.47: mikrostruktura navara, vzorec B4 – I = 80 A

Slika 4.48: mikrostruktura navara, vzorec B5 – I = 59 A


- 49 -

Sledi prikaz mikrostruktur navarov, pri katerih je pri navarjanju bil uporabljen zelen

aktivni prašek za varjenje visoko legiranih avstenitnih jekel (BC-31). Pri vseh obrusih je bila

za jedkalo uporabljena selenska kislina. Slikani so bili vzorci C1, C2, C3, C4 in C5. V navarih

se lepo vidi dendritska sestava navara.

a)

b)

Slika 4.49: mikrostruktura navara, vzorec C1 – I = 99 A. a) slikano s temnim poljem b)


a)

b)




- 50 -

a)

b)



a)

b)



Slika 4.53: mikrostruktura navara, vzorec C5 – I = 60 A


- 51 -

4.1.2 Rezultati meritev trdot

Sledi prikaz izmerjenih vrednosti trdot navarov, pri klasičnem TIG navarjanju (oznaka A).

Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž navara, tako da je na vsaki strani navara izmerjena

trdota toplotno vplivanega področja (beri TVP) in trdota osnovnega materiala (beri OM).

Slika 4.54: Prikaz spreminjanja trdote navara A1


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]

Razdaja med merilnimi mesti [mm]

A1 (141 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]

Razdalja med merilnimi mesti [mm]

A2 (161 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 52 -



60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]

Razdalja medmerilnimi mesti [mm]

A3 (121 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


A4 (99 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 53 -

Sledi prikaz izmerjenih vrednosti trdot navarov, pri katerih je pri navarjanju bil

uporabljen bel aktivni prašek (QuickTIG, oznaka B). Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž

navara, tako da je na vsaki strani navara izmerjena trdota toplotno vplivanega področja (beri

TVP) in trdota osnovnega materiala (beri OM).

Slika 4.58: Prikaz spreminjanja trdote navara B1


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


B1 (99 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


B2 (122 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 54 -



60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


B3 (141 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


B4 (80 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 55 -


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


B5 (59 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 56 -


uporabljen zelen aktivni prašek za varjenje visoko legiranih avstenitnih jekel (BC-31, oznaka

C). Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž navara, tako da je na vsaki strani navara

izmerjena trdota toplotno vplivanega področja (beri TVP) in trdota osnovnega materiala (beri

OM).

Slika 4.63: : Prikaz spreminjanja trdote navara C1

Slika 4.64: Prikaz spreminjanja trdote navara C2

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


C1 (99 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


C2 (120 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 57 -



60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


C3 (141 A)

OM TVP NAVAR TVP OM

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


C4 (80 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 58 -


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


C5 (60 A)

OM TVP NAVAR TVP OM


- 59 -

4.1.3 Rezultati meritev ferita

Uporabljeno jeklo z oznako 304 spada med avstenitna nerjavna jekla. Slabost pri varjenju teh

jekel je izločanje nečistoč pri strjevanju zvarov, kar povzroča vročo pokljivost zvarov. Ta

težava se odpravi s primerno prisotnostjo ferita (2 – 10 %), ki se dodaja v dodajni material.

Ker se pri navarjanju ni dodajalo dodajnega materiala, ferita ni. Kljub temu pa zaradi

samega taljenja in ohlajanja vendarle nastane določen delež ferita. Tega se je skušalo

izmeriti na makro obrusih [10].

Sledi diagram, ki prikazuje spreminjanje ferita vseh navarov v odvisnosti od

spremembe celotne površine navara (Acel). Med prikazanimi podatki predstavljajo oznake:


- B – navarjanje z belim aktivnim praškom (QuickTIG) in


Slika 4.68: Prikaz spreminjanja ferita vseh navarov v odvisnosti od celotne površine

navara Acel

I = 161 A

I = 141 A

I = 121 A

I = 99 A

I = 141 A I = 122 A

I = 99 A

I = 80 A I = 59 A

I = 141 A I = 120 A

I = 80 A

I = 60 A

0,0%

0,5%

1,0%

1,5%

2,0%

2,5%

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

fe

rit

[%]

Celotna površina navara [mm2]

ferit [%] / Celotna površina navara (Acel [%])

A

B

C


- 60 -

5 DISKUSIJA

5.1 Doseženi rezultati dizajniranja realne robotske celice

V realni robotski celici sta bili potrebni samo dve dopolnitvi. Ti sta: dizajniranje prijemala za

varilni gorilnik in dizajniranje podstavka za vpetje osnovnega materiala. Na slednjem se lahko

v primeru potrebe po večjem prilagajanju višine osnovnega materiala uporabijo daljši vijaki,

pri varilnem gorilniku pa bi bilo dobro razmisliti o nekakšni nadgradnji, ki bi omogočala

enostavno in natančno postavitev varilnega gorilnika v prijemalu. Uporabljena metoda

postavitve pred navarjanjem za to magistrsko delo je bila izvedena s pomočjo dveh izbranih

točk, ene na prijemalu in ene na varilnem gorilniku.

5.2 Doseženi rezultati dizajniranja robotske celice v virtualnem okolju

Virtualna robotska celica je za potrebe tega magistrskega dela enaka realni robotski celici.

Sem spadata geometrija in oblika robota, prijemalo za varilni gorilnik, varilni gorilnik, miza,

podstavek za osnovni material in osnovni material. Pretvorba programa z Excelom reši

problem prenosa programa iz virtualne robotske celice na krmilnik realnega robota, kar je bil

tudi eden izmed glavnih nalog tega magistrskega dela. Za lažje delo prihajajočih generacij

študentov in drugih je podano tudi navodilo za pretvorbo programa, kjer pa obstaja ena

pomanjkljivost: za enostavnejši prenos programa se je vzelo konstantne vrednosti za

orientacije robota, kar pomeni, da na primer osciliranje robota okrog točke TCP ni možno.


- 61 -

5.3 Dosežena kvaliteta navarjenih spojev na nerjavnem jeklu v skladu s

priporočili s področja varjenja

Pri trdoti varov in navarov se išče največja trdota v toplotno vplivanem področju, ki ne sme

biti preveč različna od trdote osnovnega materiala ali dodajnega materiala (empirična ocena

razlike trdote: med 20 in 30 %) [4]. Pri navarjanju, kjer se zahteva dobra korozijska zaščita ali

obrabna obstojnost so lahko razlike tudi večje.

Sledi prikaz izmerjenih vrednosti trdot navarov, pri klasičnem TIG navarjanju (oznaka

A). Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž navara, tako da je na vsaki strani navara

izmerjena trdota toplotno vplivanega področja (beri TVP) in trdota osnovnega materiala (beri

OM). Pomen oznak je sledeč:

- A2: I = 161 A

- A1: I = 141 A

- A3: I = 121 A

- A4: I = 99 A

Največje trdote so bile izmerjene pri navarjanju z največjim varilnim tokom (161 A),

Vrednosti trdot padajo z manjšanjem varilnih tokov, razen pri varilnem toku 141 A, kjer so

bile izmerjene trdote najmanjše. Vse izmerjene trdote ustrezajo empirični oceni glede razlike

trdot v osnovnem materialu in toplotno vplivanem področju.

Slika 5.1: Prikaz spreminjanja trdote vseh navarov pri navarjanju s klasičnim TIG

postopkom

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


Trdote vseh navarov pri navarjanju s klasičnim TIG postopkom

A2

A1

A3

A4OM TVP NAVAR TVP OM


- 62 -


uporabljen bel aktivni prašek (QuickTIG, oznaka B). Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž


TVP) in trdota osnovnega materiala (beri OM). Pomen oznak je sledeč:

- B3: I = 141 A

- B2: I = 122 A

- B1: I = 99 A

- B4: I = 80 A

- B5: I = 59 A

Najmanjše trdote so bile izmerjene pri navarjanju s srednjim varilnim tokom (99 A),

največje pa pri navarjanju z največjim tokom. Pri navarjanju z manjšimi tokovi (99 A, 80 A in

59 A) izmerjene trdote ustrezajo empirični oceni glede razlike trdot v osnovnem materialu in

toplotno vplivanem področju. Izmerjene trdote v navarih kjer je bil uporabljen večji varilni

tok (122 A in 141 A), pa to empirično oceno presegajo ali pa so na meji dopustnega.

Slika 5.2: Prikaz spreminjanja trdote vseh navarov pri navarjanju z belim aktivnim

praškom

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

]HV


Trdote vseh navarov pri navarjanju z belim aktivnim praškom

B3

B2

B1

B4

B5OM TVP NAVAR TVP OM


- 63 -


uporabljen zelen aktivni prašek (BC-31, oznaka C). Prikazane so izmerjene vrednosti vzdolž


TVP) in trdota osnovnega materiala (beri OM). Pomen oznak je sledeč:

- C3: I = 141 A

- C2: I = 120 A

- C1: I = 99 A

- C4: I = 80 A

- C5: I = 60 A

Najmanjše trdote so bile izmerjene pri navarjanju z dvema najmanjšima varilnima

tokoma, ostale trdote so približno enake. Vse izmerjene trdote ustrezajo empirični oceni glede

razlike trdot v osnovnem materialu in toplotno vplivanem področju, vendar so pri največjih

varilnih tokovih (99 A, 120 A in 141 A) izmerjene trdote že na meji dopustnega v primeru ko

se zahteva dobra korozijska zaščita ali zaščita pred interkristalno korozijo.

Slika 5.3: Prikaz spreminjanja trdote vseh navarov pri navarjanju z zelenim aktivnim

praškom

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


Trdote vseh navarov pri navarjanju z zelenim aktivnim praškom

C3

C2

C1

C4

C5OM TVP NAVAR TVP OM


- 64 -

Sledi prikaz izmerjenih vrednosti trdot navarov pri varilnem toku 100 amperov.

Prikazane so trdote za vse tri metode navarjanja (klasičen TIG postopek (A), bel aktivni

prašek (QuickTIG, oznaka B) in zelen aktivni prašek (BC-31, oznaka C)). Prikazane so

izmerjene vrednosti vzdolž navara, tako da je na vsaki strani navara izmerjena trdota toplotno

vplivanega področja (beri TVP) in trdota osnovnega materiala (beri OM).

Najmanjše trdote so bile izmerjene pri ATIG navarjanju z belim praškom, največje pa

pri ATIG navarjanju z zelenim praškom.

Slika 5.4: Prikaz spreminjanja trdote vseh navarov pri varilnem toku 100 amperov

60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


I 100 A

A

B

C

OM TVP NAVAR TVP OM


- 65 -






Najmanjše trdote so bile izmerjene pri klasičnem TIG postopku navarjanja, največje pa

pri ATIG navarjanju z zelenim aktivnim praškom, vendar je razlika manjša kot pri navarjanju

s tokom 100 A.


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

ota

po

Vic

kers

u [

HV

]


I 120 A

A

B

C

OM TVP NAVAR TVP OM


- 66 -






Najmanjše trdote so bile izmerjene pri klasičnem TIG navarjanju. Pri ATIG navarjanju

z belim in zelenim aktivnim praškom so trdote približno enake druga drugi in veliko višje od

trdot izmerjenih pri klasičnem TIG navarjanju.


60

110

160

210

260

310

360

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9

Trd

no

st p

o V

icke

rsu

[H

V]


I 140 A

A

B

C

OM TVP NAVAR TVP OM


- 67 -

6 SKLEP

Z magistrskim delom se je uspešno odpravila težava pri prenosu datotek iz virtualnega

robotskega krmilnika na realnega robota v robotski celici. Pri tem je odpravljena napaka

obstoječe predhodno zgrajene virtualne robotske celice [8] s kalibracijo le te. Slednja se

naredi pri prenašanju programa iz virtualnega krmilnika robota z excelovim programom.

V sodelovanji z drugim magistrskim kandidatom je bilo skonstruirano in izdelano je

prijemalo varilnega gorilnika in podstavka za robotsko varjenje/navarjanje in formiranje, ki se

bo uporabilo tudi pri drugem magistrskem delu [9].

Meritve geometrije navarov so pokazale, da:

- v glavnem širina navara narašča z večanjem varilnega toka pri navarjanju. Pri manjših

varilnih tokovih je ta največja pri navarjanju z belem aktivnim praškom (QuickTIG), pri

večjih varilnih tokovih pa pri zelenem (BC-31),

- pri manjših varilnih tokovih so največje globine uvarov dosežene pri navarjanju z zelenim

praškom (BC-31). Pri večjih varilnih tokovih so te pri klasičnem TIG navarjanju nekoliko

večje kot pri ATIG zaradi drugačnega mešanja taline,

- največje višine temen navarov so dosežene v glavnem pri navarjanju z belim aktivnim

praškom (QuickTIG), odstopanje je le pri največjem varilnem toku (140 A), kjer daje

navarjanje z zelenim praškom (BC-31) večje vrednosti,

- meritve površin navarov na makro obrusih so pokazale, da so celotne površine staljenih

navarov in površine uvarov manjše pri klasičnem TIG navarjanju. Največje površine

temen navarov se dosegajo pri navarjanju z zelenim aktivnim praškom (BC-31),

Meritve trdot pri različnih parametrih navarjanja so pokazale, da se najmanjše trdote

pojavljajo pri TIG navarjanju. Če se primerjajo meritve trdot pri navarjanju z ATIG

postopkom navarjanja pri manjših varilnih tokovih, so trdote večje pri zelenem aktivnem

prašku (BC-31). Te razlike izginejo pri večjih tokovih navarjanja, ko so trdote približno

enake,

Rezultati meritev kažejo določen delež ferita, kljub temu da pri navarjanju ni bil

uporabljen dodajni material, kamor se običajno dodaja ferit. V določenih mikrostrukturah


- 68 -

se ga je zaznalo do 2%. Več se ga je zaznalo pri navarjanju z majhnimi varilnimi tokovi.

Največ ferita se je izmerilo pri ATIG postopku navarjanja z zelenim praškom (BC-31).

Obstoj ferita je dokazan tudi z mikrostrukturno analizo.


- 69 -

7 LITERATURA

[1] Bernhard Tadej, Filipič Mitja, Juhart Matej, Pušnik Tadej, Leskovar Jure, Rukav Dejan,

Štrajhar Sašo. Uporabniški priročnik za delo z robotom ACMA XR701 [Moodle].

Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2012. Dostopno pri izr. Prof. dr. Karlu Gotlihu.

[2] Davis J. R. Stainless steel cladding and weld overlays. [svetovni splet]. ASM

International, 1994. Dostopno na WWW: http://www.asminternational.org/documents/

10192/22833166/06398G_Sample_BuyNow.pdf/152a4ca7-ca11-4a48-ad7d-

4c2b2c39bd16 [3.8.2015]

[3] Filipič Mitja. Posredno programiranje robota ACMA XR701 : magistrsko delo

[svetovni splet]. Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2014. Dostopno na WWW:

https://dk.um.si/Iskanje.php

[4] Gliha Vladimir, Pučko Bojan, Vuherer Tomaž. Vaje iz varilne tehnike : Navodila za

vaje. Maribor : Univerza v Mariboru, fakulteta za strojništvo, 2007.

[5] Henon K. Barbara. Advances in automatic hot wire GTAW (TIG) welding. [svetovni

splet]. Arc machines inc. www.arcmachines.com. 2015. Dostopno na WWW:

http://www.arcmachines.com/news/case-studies/advances-automatic-hot-wire-gtaw-tig-

welding [28.7.2015]

[6] Inspection certificate EN 10204-3.1, document number: 1000249396 [Atest materiala].

ThyssenKrupp Nirosta GmbH, dostopno pri ThyssenKrupp Nirosta GmbH [10.9.2014].

[7] Jean-Pierre Barthoux, Jürgen Krüger. Cladding in the field of industrial applications.

[svetovni splet]. www.polysoude.com : Polysoude. Dostopno na WWW:

http://www.polysoude.com/images/stories/documents/english/press-

releases/CLADDING_JBA_SV_EN.pdf [28.7.2015]

[8] Kapun Aleš. Virtualna proizvodna celica z robotom ACMA XR701 : magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje mehatronika [svetovni splet]. Maribor : Fakulteta za

strojništvo, 2014. Dostopno na WWW: https://dk.um.si/Iskanje.php

[9] Pal Matej. Načrtovaje virtualne in realne robotske celice za varanje z ATIG postopkom

z robotom ACMA XR701 : magistrsko delo. Maribor : Fakulteta za strojništvo. To

magistrsko delo je v nastajanju.

[10] Vuherer Tomaž. SKE 5. [Moodle], prva izdaja. Maribor : Fakulteta za strojništvo, 2013.

Dostopno na WWW: https://estudij.um.si/course/view.php?id=14847 [1.11.2013]

[11] Welding Handbook Volume 2 : Welding Processes, Eight Edition. Miami : American

Welding Society, 1991.

http://www.polysoude.com/

http://www.polysoude.com/images/stories/documents/english/press-releases/CLADDING_JBA_SV_EN.pdf

http://www.polysoude.com/images/stories/documents/english/press-releases/CLADDING_JBA_SV_EN.pdf


- 70 -

[12] Zupanič Franc, Anžel Ivan. Gradiva, prva izdaja. Maribor : Univerza v Mariboru,

fakulteta za strojništvo, 2007.


- 71 -

Priloga 1: Atest osnovnega materiala (Inspection

Certificate According to EN 10203-3.1)


- 72 -


- 73 -

Priloga 2: Proizvajalčevo navodilo za varjenje

(Welding Procedure Specification)

Delovni življenjepis

Osebni podatki

Ime in Priimek JURE LESKOVAR

Datum rojstva 17.3.1986

Izobrazba

2012 – 2015 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

Podiplomski magistrski študij, program: strojništvo, smer:

konstrukterstvo

februar 2014 – julij 2014 Tehnična Univerza v Gradcu, Fakulteta za strojništvo

Erasmus izmenjava študentov, program: strojništvo

2009 – 2012 Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

Dodiplomski študij, program: strojništvo VS, smer:

Konstrukterstvo

2006 – 2009 Šolski center Celje, Višja strokovna šola

Program: Inženir Mehatronike

2001 – 2005 Šolski center Celje: Poklicna in tehnična elektro in kemijska

šola

Program: Elektrotehnik elektronik

Delovne izkušnje

November 2014 – marec HSE Invest d.o.o.

2015 Prevajanje in urejanje tehnične dokumentacije za PID (projekt

izvedenih del)

Februar - april 2012 Cinkarna Celje, d.d.

Obvezna visokošolska praksa za izobraževanje po poklicu

diplomirani inženir strojništva

April - junij 2008 Cinkarna Celje, d.d.

Obvezna višješolska praksa za izobraževanje po poklicu

inženir mehatronike

April - junij 2007 Industrijska elektronika Tovornik, s.p.

Obvezna višješolska praksa za izobraževanje po poklicu

inženir mehatronike

Znanje jezikov

Materin jezik Slovenski jezik

Znanja ostalih jezikov Angleški jezik (aktivno)

Nemški jezik (pasivno)

Srbohrvaški jezik (pasivno)

naČrtovanje virtualne in realne robotske celice za ... · key words: acma xr701, robot studio,...

Documents