1 ÚVOD Výrobní metody, které se uplatňují ve strojírenských závodech při zpracování konstrukčních materiálů, se běžně označují jako "Strojírenská technologie". Přesný význam tohoto názvu je však poněkud odlišný. Technologie je řecké slovo, které lze přeložit jako "věda" nebo "nauka o praktické činnosti"; jakou činností se tato věda zabývá, je pak ještě nutno blíže specifikovat, např. technologie stavebních hmot ap. Proto název "strojírenská technologie" je možno přeložit jako "Nauka o zákonitostech strojírenských výrobních procesů." Základem každé nauky nebo vědy je přehledné a logické roztřídění (klasifikace) jevů, které jsou předmětem bádání. Obdobně je tomu i v případě strojírenské technologie, která zahrnuje nesmírný počet výrobních metod, mnohdy naprosto odlišných svou podstatou i účelem. Jedním z hledisek umožňujících klasifikaci všech výrobních procesů do základních tříd je míra ovlivnění struktury a vlastností materiálu danou výrobní metodou; na základě toho lze je začlenit buď do "strojírenské metalurgie" nebo k "obrábění a montáži." a)
Strojírenská metalurgie Společným znakem metod strojírenské metalurgie je změna struktury a vlastností
materiálu, ke které dochází úmyslně a neúmyslně v průběhu jeho zpracování. Protože se jednotlivé metody mohou zásadně lišit svým principem, člení se strojírenská metalurgie dále na tyto hlavní obory:
Slévárenství: Charakteristickým znakem slévárenství je zpracování materiálu v tekutém nebo polotekutém stavu tak, že se vlévá nebo vtlačuje do dutiny formy, kde ztuhne a získá se odlitek požadovaného tvaru.
Tváření: Trvalé změny tvaru plastického materiálu se dosahuje působením dostatečně velkých vnějších sil prostřednictvím vhodných tvářecích nástrojů. Výchozí materiál může být ve stavu litém (ingot) nebo tvářeném (tyč, plech), případně se tvářením zpracovávají kovové prášky.
Svařováni, pájení, lepeni, tepelné dělení jsou metody, kterými se různé polotovary nerozebíratelně spojují nebo naopak dělí (řežou) bez použití řezného nástroje.
Tepelným zpracováním se mění struktura a vlastnosti materiálu, aniž se mění jejich tvar. Cílem je zvýšit např. pevnost, houževnatost, tvařitelnost, obrobitelnost, povrchovou tvrdost, odolnost proti korozi nebo jinou důležitou vlastnost.
Povrchovou úpravou se mění vzhled nebo korozní vlastnosti povrchových vrstev výrobku, aniž se tím ovlivnil jeho tvar nebo vlastnosti zpracovaného materiálu. Sléváním a tvářením se z výchozího materiálu zhotovují tzv. strojírenské
polotovary , které se tvarem a rozměry blíží finálnímu dílci, na rozdíl od hutních polotovarů, tj. tyčí, plechů, trub, drátů apod. Svařováním se polotovary spojují ve větší a složitější celky, tepelným zpracováním a povrchovou úpravou se dosahuje požadovaných vlastností nebo vzhledu. Nedílnou součástí strojírenské metalurgie je kontrola vlastností a vnitřní celistvosti polotovarů. Rostoucí podíl materiálů používaných na strojírenské výrobky tvoří plastické hmoty a další nekovové materiály. Zpracují se rovněž odléváním, tvářením i svařováním nebo tepelným dělením, tj. způsoby odvozenými od metod strojírenské metalurgie, které se od obrábění liší tím, že nedochází k oddělování třísek. Proto se někdy tyto metody
zpracování kovových i nekovových materiálů zahrnují společným názvem "Beztřískové zpracování." b)
Obrábění a montáž Do této skupiny patří metody umožňující dát konečnému výrobku přesný tvar,
rozměr a jakost povrchu funkčních ploch.
Obrábění zahrnuje klasické metody, pro které je charakteristické odebírání třísky pomocí řezného nástroje, který musí být podstatně tvrdší než obráběný materiál. Patří sem např. soustružení, frézování, vrtání, broušení a řada dalších. Nově nastupují metody, které mají odlišně principy odběru materiálu s povrchu dílce, např. elektrickým výbojem, elektrochemicky, pomocí paprsků o vysoké koncentraci energie apod.
Montáž zahrnuje souhrn výrobních činností, kterými se jednotlivé díly spojují ve finální výrobek (stroj, zařízení, investiční celek). Spojení mohou být pevná nebo pohyblivá a montované díly musí mít proto předepsané tolerance, aby výrobek byl schopen plnit danou funkci. S obráběním a montáží proto úzce souvisí měření (kontrola tvarů a rozměrů -
metrologie) a lícování.
Postavení strojírenské technologie v národním hospodářství Význam strojírenské technologie pro rozvoj národního hospodářství je nesporný a tuto skutečnost zdůraznila řada základních stranických a vládních dokumentů. Toto do jisté míry výjimečné postavení strojírenské technologie je dáno tím, že na její úrovni zcela závisí rozvoj všech dalších výrobních odvětví (elektrotechniky, stavebnictví, zemědělství, chemický průmysl atd.) i mnohá nevýrobní odvětví (např. doprava a spoje), neboť nové technické myšlenky a konstrukce je možno realizovat jen za předpokladu, že strojírenský závod dovede potřebné zařízení vyrobit. V oblasti strojírenské výroby na sebe úzce navazuje činnost konstruktéra, metalurga i technologa a každý z nich musí respektovat funkční požadavky výrobku, vlastnosti zvoleného materiálu i zákonitosti použité technologie. Vyžaduje to nejen hluboké znalosti vlastního oboru, ale také široké všeobecné znalosti a smysl pro kolektivní práci všech pracovníků. Předpokladem pro to, aby výrobek byl funkčně dokonalý a ekonomicky výhodný,je totiž konstrukce promyšlená z hlediska funkčního i technologického a volba optimálního konstrukčního materiálu. Cílem "Základů strojírenské technologie" je seznámit budoucí strojní inženýry v přednáškách a v praktické dílenské výuce s principy hlavních výrobních metod a s odborným názvoslovím. Prvá část předmětu je věnována základním metodám strojírenské metalurgie; převládat bude popis principů klasických jednoduchých metod a zařízení, neboť pro hlubší vysvětlení jevů zatím chybí potřebné fyzikální a metalurgické základy, které studenti získají až v průběhu dalšího studia.
2
SLÉVÁRENSTVÍ Ve slévárnách se vyrábějí strojírenské polotovary zvané odlitky; zhotovují se
odléváním roztaveného kovu do forem, které mají dutinu ve tvaru budoucího odlitku a v níž tekutý kov ztuhne.
2.1. PRINCIP VÝROBY ODLITKŮ
Výroba odlitků je typická týmová práce a na jejím řízení se podílí řada pracovníků odlišných profesí, např. technolog, metalurg i chemik, z nichž každý zodpovídá za určitý svěřený úsek; cílem jejich společného snažení je ekonomická výroba odlitku požadovaného tvaru a vlastností. Podkladem pro výrobu odlitku je kótovaný výkres součástky, která se má zhotovit. Tvar této součásti se po konzultaci s konstruktérem někdy upravuje tak, aby se usnadnila výroba formy a snížilo nebezpečí vzniku vad (trhlin, povrchových i vnitřních defektů apod.). Dále se zvětší některé rozměry o slévárenské technologické přídavky a přídavky na obrábění apod. a zakreslí se případné nálitky, jádra a známky. Podle tohoto výkresu odlitku se zhotoví výkresy modelového zařízení, a podle nich se příslušné modely a jaderníky vyrobí v modelárně. V úpravně formovaného materiálu se připravuje smísením ostřiva (např. křemičitého písku) a pojiva (např. jílu) formovací směs, která musí mít předepsanou vlhkost a fyzikální vlastnosti (vaznost, prodyšnost, žáruvzdornost atd.) a dopraví se do formovny. Zde se s použitím modelu a jaderníků
zhotoví forma a případná jádra, po vyjmutí modelu a
vložení jader zůstává ve formě dutina, jejíž tvar a rozměry odpovídají budoucímu odlitku. Aby tekutý kov mohl zaplnit tuto dutinu, musí se při formování vytvořit také vtoková soustava, tj. systém kanálů, kterými se přivádí roztavený kov a také výfuky, které odvádějí unikající plyny. Někdy jsou nutné také dutiny pro nálitky,
ve kterých se
shromáždí zásoba tekutého kovu, odkud si tuhnoucí a smršťující se odlitek doplňuje chybějící kov. Před odléváním se líc formy upravuje, případně natírá, aby povrch odlitku byl hladký a čistý; někdy se forma suší nebo povrchově přisouší, pak se vkládají jádra; po složení formy a pevném spojení obou polovin nebo zatížení proti působícímu vztlaku je forma připravena k lití. Tekutý kov o předepsaném chemickém složení, čistotě a licí teplotě se připravuje v tavírně. Taví se v pecích různého typu a vsázky, která obsahuje určitý podíl kovů dodaných z huti, dále vratný materiál, kovový odpad (šrot) a různé přísady. Tekutý kov se dopraví v pánvi k formě připravené k lití a vlévá do vtokové jamky nebo nálevky. Přitom nesmí do dutiny formy
vnikat struska a proud kovu nesmí strhávat s sebou vzduch a
poškodit formu. Jakmile tekutý kov ve formě ztuhne a dostatečně vychladne, odlitek se z dutiny formy vyjímá; u netrvalých forem se vytlouká, tj. písková forma se rozbije; u trvalých kovových forem se odlitek vyjme z rozložené formy. Získá se tak surový odlitek se všemi pomocnými částmi (vtokem, výfukem, nálitky), často ještě na povrchu znečištěný částicemi ulpělé formovací směsi a uvnitř se zbytky jader, která vytvářela dutinu v odlitku. V čistírně se odstraní vtoky, výfuky, nálitky a případné švy (tj. kov, který vnikl mezi obě poloviny formy do dělící roviny). Otryskáním nebo jiným způsobem se odlitek zbaví zbytků písku a jader, podle potřeby se také tepelně zpracuje. Odřezané vtoky,
výfuky, nálitky se dopravují zpět do tavírny jako vratný materiál spolu se zmetky, tj. s těmi odlitky, které nevyhověly při kontrole rozměrů tvaru a jakosti. Upravený, očištěný a zkontrolovaný odlitek se nazývá hrubým odlitkem,
který se
před expedicí někdy opatřuje základním protikorozním nátěrem. Hrubý odlitek je konečným výrobkem slévárny a odesílá se k dalšímu zpracování do obrobny. Postup technologických operací od výkresu součásti po složenou formu je schematicky znázorněn na obr. 2.1. a nevyžaduje bližšího komentáře.
Obr. 2.1.: Schéma výroby dělené netrvalé (pískové) formy a) výkres dílce b) výkres modelu c) modelové zařízení d) složená dvoudílná písková forma K jednoduché ruční výrobě forem je zapotřebí modelové zařízení, formovací materiál a pracovní nářadí. Ruční výroba forem je známa několik tisíc let, má však plné oprávnění i v současné době rozvinuté průmyslové výroby. Klade sice značné nároky na zručnost a odbornou kvalifikaci pracovníka, je pomalá a málo produktivní, nevyžaduje však drahé modelové zařízení; v kusové a maloseriové výrobě je proto nenahraditelná.
2.2. MODELOVÉ ZAŘÍZENÍ
K modelovému zařízení patří modely, šablony a jaderníky, dále všechny přípravky a pomůcky, které slouží k zhotovení formy a jsou vyrobeny v modelárně. Modely Model je základní pomůckou pro výrobu forem a jeho tvar odpovídá vnějšímu obrysu odlitku zvětšenému o známky pro jádra, případně o nálitky; může být dělený (obr. 2.1), méně často nedělený, a to jen pokud tvar odlitku umožní vyjmutí modelu z formy bez jejího poškození. Dělené modely muší být spojeny v dělicí rovině spojovacími čepy tak, aby byla jednoznačně zajištěna vzájemná poloha obou polovin. Při kusové výrobě, pro menší série a pro rozměrné odlitky se modely zhotovují ze dřeva; trvanlivější a dražší modely kovové jsou vhodné pro velké série drobných a středních odlitků. Rozměr modelu vychází z rozměru dílce, je však větší o přídavky různého druhu. Přídavek na obrábění, který zaručuje čistý povrch obrobených ploch, bývá stanoven normou nebo interními předpisy. Úkosy mají usnadnit vyjímání modelu z formy; plochy kolmé na dělicí rovinu se proto dělají se sklonem alespoň l:50 až 1:100. Všechny rozměry modelu se zvětšují o míru na smrštění, neboť vychladlý odlitek v důsledku teplotní roztažnosti má rozměr menší než byl rozměr dutiny. Hodnota smrštění závisí hlavně na složení slitiny. Šablony mají tvar obrysu odlitku; mohou nahradit mnohem dražší modely, pokud má odlitek jednoduchý rotační nebo přímkový tvar. šablona je sice velmi levná, vlastní výroba formy šablonováním je však zdlouhavá a nákladná. Jaderníky jsou dřevěné nebo kovové formy, jejich dutina se zaplní formovací směsí a tak se zhotoví jádro. Většinou jsou dělené, často velmi složité, sestávající z mnoha dílů; řešeny musí být tak, aby se z nich dalo pískové jádro bez poškození vyjmout. Příslušenství modelového zařízení tvoří modely vtokových systémů (model jamky, vtokového kanálu, struskového případně rozváděcího kanálu, zářezů, dále modely výfuků, nálitků apod.). Aby se usnadnilo a zpřesnilo formování, používají se různé pomocné prostředky,
např. modelové desky, kontrolní šablony, zaváděcí kolíky apod.
Zvláštní skupinu tvoří modely netrvalé, např. vytavitelné (voskové) nebo spalitelné (z pěnového polystyrenu apod.), které se pro každou formu musí vyrobit znovu. V těchto případech se jedná o speciální metody výroby forem. Modelové zařízení je značně nákladné a jeho cena se promítá plně do ceny odlitku. Čím kvalitnější a dražší je modelové zařízení, tím nižší jsou pak další náklady na formování a obrábění. Proto se musí souběžně s návrhem modelového zařízení zvážit ekonomický dopad a volit optimální varianta. Cena modelového zařízení závisí na velikosti odlitku, složitosti jeho tvaru a na požadované trvanlivosti, tj. na počtu odlitků, které se mají vyrobit. V kusové a maloseriové výrobě se proto používají modely co nejjednodušší a nejlevnější a řada dokončovacích prací na tvaru odlitku se ponechá na formíři, který např. ručně zhotoví zaoblení koutů a provede menší úpravy tvaru. Při výrobě odlitků, které mají sloužit jako náhrada za poškozený a neopravitelný díl, se někdy použije původní díl jako tzv. přírodní model.
2.3. FORMOVACÍ SMĚSI PRO VÝROBU NETRVALÝCH FOREM
Většina odlitků se odlévá do netrvalých forem, které jsou určeny pouze pro jedno použití. Obvyklým materiálem pro jejich výrobu bývá formovací směs, kterou obvykle tvoří písková zrna (ostřivo) navzájem vázaná pojivem a vyžaduje se od ní dobrá formovatelnost, tj. schopnost dokonale otisknout tvar modelu. Směs musí mít dále potřebnou vaznost, aby forma byla dostatečně pevná a odolala tlaku vlévaného kovu, prodyšnost, aby umožnila rychlé unikání uvolněných plynů a par, a žárovzdornost, aby se na styku s tekutým kovem nezačala tavit. Největší nároky jsou kladeny na formovací směs přicházející do bezprostředního styku s tekutým kovem. Při formování se proto někdy model pokryje vrstvou jakostnější modelové směsi,
zbytek rámu se dosype méně kvalitní výplňovou směsí.
Základem všech formovacích směsí je ostřivo a pojivo.
Ostřivo tvoří žárovzdorná zrna určitého chemického složení, velikosti a tvaru. Nejběžnějším ostřivem je čistý křemenný písek, který je nejlevnější; méně častým ostřivem je šamot, korund apod.
Pojivo obaluje a váže jednotlivá zrnka ostřiva. Jeho fyzikální vlastnosti, chemické složení a množství rozhodujícím způsobem ovlivňují fyzikální i technologické vlastnosti směsi. Jako pojiva se nejčastěji používají vazné jíly (např. bentonit), vodní sklo nebo některé termosetické plastické hmoty (fenol-formeldehydové pryskyřice apod.). Přírodní směsi jsou písky, které obsahují ve vhodném poměru jak křemičitá zrna
potřebné zrnitosti, tak vazný jíl. Těží se v řadě lokalit, jsou levné, ale jejich vlastnosti nejsou optimální a navíc nejsou stále stejné. Nejsou proto vhodné pro mechanizovanou výrobu, kde se uplatní pouze syntetické směsi o stálých vlastnostech, připravené smísením ostřiva a pojiva o definovaných vlastnostech v přesně stanoveném množství. Veškeré směsi obsahující vazný jíl musí být vhodně navlhčené, aby měly potřebnou plasticitu a vaznost. Pokud není vlhkost nadměrná, je možno odlévat do syrových tj. nesušených forem; jinak se musí sušit nebo přisoušet. Aby se snížily náklady na formovací směsi, značná část se po použití regeneruje v úpravně formovacího materiálu,
kde se rovněž připravují veškeré syntetické směsi.
2.4. PRACOVNÍ NÁŘADÍ A POMŮCKY
K ruční výrobě formy potřebuje slevač kromě modelového zařízení a formovací směsi ještě pracovní nářadí a pomůcky. Formovací rámy (viz obr. 2.2) Většina odlitků má takový tvar, že se musí formovat do dělené, nejčastěji dvoudílné formy. Protože obě poloviny musí navzájem přesně lícovat, aby nedošlo k přesazení, používají se při výrobě forem obvykle dva rámy, horní a spodní. Rámy zajišťují přesnou vzájemnou polohu jednotlivých částí formy, současně ji zpevňují a usnadňují manipulaci. Dosedací plochy rámů musí být přesně rovinné; vzájemné středění zajišťují kolíky procházející zaváděcími otvory v uchách rámů (obr.2.2a-c). Rámy větších rozměrů se opatřují příčkami, na které se zavěšují podle potřeby výztužné háčky, zabraňující vypadnutí zaformované směsi z rámu. Příčky také zachycují vztlak kovu při lití a jejich počet proto roste s velikostí rámu (obr. 2.2d). Většinou mají rámy obdélníkový tvar normalizovaných rozměrů, méně často čtvercový. Pouze při velkosériové výrobě se přizpůsobuje rám tvaru odlitku, aby se ušetřil formovací materiál a usnadnila manipulace s méně hmotnou formou. Velké rámy se
dopravují jeřábem,a proto musí mít čepy pro zavěšení na lano.
Od rámů se vyžaduje rozměrová přesnost, pevnost a tuhost, trvanlivost a nízká hmotnost. Vnitřní tvar musí být upraven tak, aby formovací směs v rámu dobře držela. Zhotovují se lité, svařované nebo montované. Ve speciálních případech, když vtokový systém je v dělicí rovině, musí být čelo rámu opatřeno vhodným otvorem. V praxi existuje řada metod výroby forem, kdy rámy nejsou vůbec nutné (např. keramické formy, skořepinové formy apod.).
Nástroje a pomůcky Model a rám se při ručním formování klade na podkladovou desku (zvanou půdnice), která musí být rovná a tvrdá. Dřevěná půdnice bývá zesílena svlaky. Modelová směs se přesívá přes síto, aby se na model nedostaly hrudky nebo nečistoty. Ručně se směs pěchuje pěchovačkami různého tvaru a délky; klínovou částí se pěchuje blízko modelu a v rozích rámu, kde je žádoucí vyšší upěchování, plochou částí (knoflíkem) se pěchuje dále od modelu. Výkonnější je pěchování pneumatickými pěchovačkami. Přebytečný písek se s povrchu formy shrnuje kovovým pravítkem; ke zvýšení prodyšnosti se píchají průduchy kovovým bodcem. Při vyjímání modelů se vlhčí okraje formy vlasovými štětci s dlouhým vlasem. Model se uvolňuje od formovacího materiálu poklepem paličkou z tvrdého dřeva a vytlačuje z formy pomocí háčku s očkem. Povrch formy se uhlazuje hladítkem, v hůře přístupných místech lancetkami různých tvarů, kterými se rovněž zhotovují zářezy, spojující vtokový kanál s dutinou formy. Dělicí rovina se zaprašuje dělicím práškem, který je v sáčku z řídkého plátna. Povrch sušených forem se natírá barvivem pomocí velkých štětců nebo nastříkne pomocí rosenky Ke zpevnění některých exponovaných částí formy se používají drátěné pískovačky s kruhovou plochou hlavou. V místech, kde požadujeme rychlejší odvod tepla z odlitku, se do formy vkládají kovová chladítka. Přesné ustavení polohy rozměrných jader ve formě usnadňují podpěrky z pocínovaného plechu. Nejběžnější z nástrojů a pomůcek jsou znázorněny na obr. 2.3.
Obr. 2.3: Nástroje a pomůcky používané při formování. Řada pomůcek je normalizovaných; mnohé si slévači zhotovují nebo upravují sami tak, aby si usnadnili formování některých odlitků složitého tvaru.
2.5. RUČNÍ VÝROBA FOREM V kusové a malosériové výrobě převládá ruční výroba forem, neboť vyžaduje nejmenší investiční náklady. Z ní se postupně vyvinuly metody strojního formování tak, že některé namáhavé nebo náročné ruční práce byly mechanizovány, např. pěchování nebo vyjímání modelu z formy. V rámci tohoto předmětu bude věnována pozornost pouze základům ručního formování. 2.5.1. Formování na model Formování na model je nejrozšířenější metodou ruční výroby forem. S výjimkou nejtěžších odlitků, u nichž se spodní část formy zhotovuje do půdy slévárny a horní do rámu, naprostá většina odlitků se formuje do dvou rámů. Model může být nedělený nebo dělený. a)
Formování na nedělený model (obr. 2.4) Tento postup je vhodný jen pro některé jednoduché tvary odlitků. Na formovací
desku (půdnici) se položí model a spodní formovací rám. Model se popráší dělicím práškem a pokryje prosátou modelovou směsí, která se kolem modelu mírně upěchuje. Celý objem rámu se pak postupně vyplní výplňovou směsí, upěchuje pěchovačkou, přebytečný písek se seřízne pravítkem a napíchají se průduchy (obr. 2.4a).
Rám s modelem se otočí, odstraní se přebytečný písek, dělicí rovina se uhladí a posype dělicím práškem. Nasadí se vrchní rám a vzájemná poloha se zajistí zaváděcími kolíky. Přiloží se model vtokového a rozváděcího kanálu a model výfuku a vše se zaformuje jako v předchozím případě (obr. 2.4b). Forma se rozebere, vyjme se model vtoku a výfuku a ve spodku formy se vyřízne zářez, kudy bude kov vtékat do dutiny formy. Písek u modelu se mírně navlhčí štětcem, aby se nedrobil při vyjímání. Model se mírně poklepe paličkou, aby se uvolnil od písku a vyjme z formy pomocí háčku, který se do modelu zarazí nebo zašroubuje. Při vyjímání nutno dbát na to, aby se vyjímal přesně kolmo na dělicí rovinu a aby se okraje pískové formy nedrolily. Poškozená místa se opraví, dutina formy se vyfouká a líc formy zapráší nebo natře, aby odlitek měl hladký povrch; někdy se určitá místa formy ještě zpevňují pomocí pískováčků. Potom se upraví a vyhladí licí jamka a po eventuálním sušení nebo přisušení je možno formu skládat. Složená forma se dopraví na licí pole a pokud nebyly obě poloviny rámu spojeny zděří nebo svorníkem, zatíží se forma úkladky a tím je připravena k lití (obr. 2.4c). b) Formování na dělený model (obr.2.5) Princip je stejný, jako v předchozím případě. Model musí být dělený, neboť by se nedal z dutiny formy vyjmout; otvor v odlitku se zhotoví pomocí jádra s kuželovými známkami (obr. 2.5a). Nejprve se zhotoví dolní polovina formy (obr. 2.5b), pak horní polovina s vtokovým kanálem a výfuky. Po vyjmutí modelu se zhotoví zářezy a forma se zpevní pískováčky. Při skládání se do formy vloží jádro, které bylo zhotoveno v jaderníku, dělicí rovina se utěsní, aby tudy nemohl unikat kov a forma se zatíží. V případě znázorněném na obr. 2.5c byla licí jamka za formována zvlášť v malém "vyhrazovacím"
rámečku, který se klade na povrch formy tak, aby otvory lícovaly. Náročnou a vysoce kvalifikovanou prací je správné umístění a dimenzování vtokové soustavy;
kov
musí
vyplnit
dutinu
formy
co
nejrychleji,
nesmí
ji
však
poškodit
(erodovat) ani nesmí strhávat strusku nebo plyny. U sériové výroby se proto používá model vtokové soustavy jako součást modelového zařízení. Šedá litina se běžně vlévá do licí jamky (obr. 2.6),ocel do nálevky. Průřezy všech kanálů bývají pak stanoveny výpočtem a podle potřeby upraveny na základě ověřovacích odlitků. U složitých nebo méně vhodných tvarů odlitků se musí technolog uchylovat k některým zvláštním postupům, aby bylo možno vyjmout model z formy a zbytečně se nekomplikovalo modelové zařízení. Například někdy je nutno zhotovit komplikovanou dělicí plochu, která je ve skutečnosti prostorově členitou plochou (obr. 2.7b). Má-li odlitek výstupky, které by bránily vyjmutí modelu z formy, mohou se zhotovit jako snímatelné (volné) části modelu, které se po vyjmutí modelu dodatečně vyjmou směrem do dutiny formy (obr. 2.7a). Některé části odlitku se formují pomocí nepravých jader (obr. 2.7c), která netvarují dutinu v odlitku, ale jeho povrch.
Obr. 2.5.2.
2.7:
Příklady zvláštních postupů formování na model.
Výroba forem šablonováním
Při kusové výrobě velkých odlitků tvoří náklady na výrobu modelu a jaderníku rozhodující položku v ceně odlitku. Proto u jednoduchých rovinných a rotačních tvarů se s výhodou používá šablonování, které je sice z hlediska formování mnohem pracnější než formování na model, náklady na výrobu šablony však představují jen zlomek výrobní ceny modelu.
a)
Rovinné šablonování (obr. 2.8a-c)
Obr. 2.8: Výroba forem šablonováním a) Postup rovinného šablonování b) Typické tvary odlitků c) Podélné a příční rovinné šablonování d) Postup rotačního šablonování e) Pomůcky pro rotační šablonování Takto se formují dlouhé odlitky, např. lité dopravní žlaby nebo trubky nekruhového průřezu (obr. 2.8a-c). Slévárna musí být pro tuto techniku formování vybavena tak, že v půdě slévárny jsou stabilně uloženy dvě vodorovné rovnoběžné vodicí lišty; prostor mezi nimi musí být zaplněn kvalitní formovací směsí a zespodu odvzdušněn, aby mohly unikat plyny tvořící se při lití. Formovací směs mezi lištami se nejprve upěchuje a pomocí prvé šablony se vytvoří tvar, který odpovídá horní straně odlitku; při tom se přebytečný písek odřezává lžicí, šablonou se pouze přiměřuje. Zhotoví se takto v podstatě pískový model, na který se posadí formovací rám, jehož poloha se vhodným způsobem zajistí, např. kolíky. Písek se posype dělicím práškem, přiloží modely vtokového kůlu a rozváděcího kanálu a běžným způsobem se zhotoví svršek formy, který se jeřábem zvedne, otočí, opraví, natře a prozatímně uloží. Poté se přiloží druhá šablona (obr. 2.8a) a stejným způsobem se odebere
písek v množství, které odpovídá tloušťce stěny odlitku a zhotoví se vtokové zářezy. Tím je vyroben spodek formy, který se rovněž vyhladí, opraví a natře. Po eventuálním sušení se obě poloviny formy složí, zatíží a tím je forma připravena k odlévání. U dutých odlitků, kam je nutno vkládat jádro, je vhodnější příčné šablonování (obr. 2.8c), neboť se takto dá zhotovit i jaderná známka. b)
Rotační šablonování (obr. 2.8d,e)
Formy pro rotační odlitky je možno formovat rovněž do půdy a rámů, nebo do dvou rámů, jak je znázorněno na obr. 2.8d. Postup je stejný jako při rovinném šablonování. Vyrobí se první šablonou pískové modelové zařízení, zhotoví svršek formy a druhou šablonou se odebere písek v množství, které opět odpovídá tloušťce stěny. šablony se upevňují na rameno (obr. 2.8c), které se otáčí kolem vřetene; vertikální poloha ramene se zajistí stavěcím kroužkem. Dolní konec vřetene, které musí být přesně svislé, je zasunut do patky zakotvené v půdě slévárny. Otvory, které zůstanou ve formě po vyjmutí vřetene, se zaplní pískem. Vtoková soustava se zhotovuje běžným způsobem (obr. 2.8d).
2.6. STROJNÍ VÝROBA FOREM
Nedostatkem ruční výroby forem je značná pracnost, některé operace jsou fyzicky namáhavé a pomalé (pěchování), jiné vyžadují velké zkušenosti a zručnost, např. umístění zářezů, vyjímání modelu. Kvalitu formy a tím i kvalitu odlitku značně ovlivňuje také lidský faktor. V moderní sériové výrobě odlitků se proto uplatňuje ve velkém rozsahu především strojní výroba forem, pro kterou je typická mechanizace některých operací. Pěchování, ať již ruční nebo pneumatickou pěchovačkou, se nahradilo lisováním, setřásáním nebo metáním písku (viz obr. 2.9d). Poloha vtoku, výfuku rozváděcího kanálu, zářezů, je přesně stanovena technologem a slevač je nemůže měnit, protože je součástí tzv. modelní desky, tj. jednoúčelové formovací desky (půdnice) s pevně upevněnou polovinou modelu včetně modelů vtokové soustavy a vodicích kolíků. Konečně se modely vyjímají z formy strojně, takže se na nejmenší míru omezí nebezpečí jejího poškození. Jednotlivé mechanizované činnosti se mohou různě kombinovat, a proto existuje řada různých zařízení pro strojní formování. Některé z operací strojního formování jsou znázorněny na obr. 2.9b až e. Při lisování se předem stanovený objem písku vtlačí do rámu; při setřásání modelní deska s rámem zaplněným pískem dopadá na pevnou podložku a pěchovací tlak se vyvozuje účinkem setrvačné hmoty písku. U metacích strojů rychle rotující raménko metá do formy hrudky písku. Jeden z nejstarších principů strojního vyjímání modelu je na obr. 2.9e, kde pomocí přesně vedených čípků se nadzvedne rám a tím forma oddělí od modelní desky. Každá z metod strojního formování má určité výhody i nevýhody a uplatní se při výrobě odlitků určitého tvaru nebo velikosti. Poznámky:
V současné době se stále více uplatňuje řada dalších metod výroby forem, které jsou např. vysoce produktivní, dají se do velké míry automatizovat, poskytují vysoce kvalitní odlitky nebo velmi přesné odlitky apod. K nejrozšířenějším patří lití do skořepinových nebo keramických forem, bezrámové formování apod. Velké množství odlitků se dále odlévá do trvalých kovových forem (kokil) bud pod vysokým tlakem nebo gravitačně bez tlaku. Odlitky mají velmi čistý a hladký povrch a vysokou přesnost rozměrů. Podmínkou pro uplatnění těchto metod je však dostatečná seriovost výroby. Těmto a dalším metodám bude věnována patřičná pozornost až během dalšího studia.
Obr. 2.9: Strojní výroba forem
2.7. PŘÍPRAVA TEKUTÉHO KOVU, ODLÉVÁNÍ A ČIŠTĚNÍ ODLITKU Forma připravená k odlévání se plní tekutým kovem o předepsaném chemickém složení a potřebné licí teplotě, který se taví ve vhodné tavicí peci. Vedení tavby je náročnou operací. Je nutno dodržet předepsané chemické složení slitiny, neboť větší odchylky mohou mít za následek nevyhovující vlastnosti a nevhodnou strukturu materiálu; tekutý kov nesmí být nasycen plyny, aby nebyl odlitek bublinatý, nesmí obsahovat nežádoucí nečistoty ani nepřípustné množství nekovových částic - vměstků. Důležitá je licí teplota; při nedostatečné je nebezpečí, že kov ve formě předčasně ztuhne a nezaplní celou dutinu; při nadměrná licí teplotě je nebezpečí, že tekutý kov vnikne mezi písková zrna. Obsah plynů v tavenině lze snížit před litím různými postupy, např. vakuováním tekutého kovu, obsah nečistot působením vhodné strusky a strukturu lze ovlivnit tzv. očkováním. Tato složitá problematika je doménou slevačů metalurgů. Tavicí pece Pece pro tavení kovů používané ve slévárnách jsou několika typů a liší se způsobem ohřevu, velikostí, výkonem, účinností využití energie, dosažitelnou
teplotou i možnostmi ovlivnit chemické složení a čistotu roztaveného kovu. Většina z nich byla původně vyvinuta pro tavení určitých slitin. Principy nejčastěji používaných tavicích pecí jsou znázorněny na obr. 2.10.
Kuplovna (obr. 2.10a) je určena výhradně pro tavení litiny, tj. slitiny železa obsahující větší množství uhlíku. Je to výkonná šachtová pec, do níž se střídavě vsází kovová vsázka, struskotvorná přísada (vápenec) a koks jako palivo. Do pece se dmychá vzduch a horké spaliny obsahující dusík a směs CO s CO2 unikají horní částí kuplovny přes výměník tepla. Tekutý kov shromažďující se mezi výplňovým koksem vytéká dolním odpichovým otvorem, o něco výše se vypouští tekutá struska, která nesmí zahltit dmyšné otvory. Účinnost kuplovny je dobrá, výkon tavení je vysoký, možnosti ovlivnění metalurgických reakcí jsou však omezené a je proto obtížné udržet předepsané složení tekutého kovu, neboť do tekutého kovu přecházejí jak nečistoty z kovové vsázky, tak uhlík a síra z koksu. Oblouková pec (obr. 2.10b) je určena hlavně pro tavení ocelí na odlitky. Kovová vsázka se ohřívá teplem elektrického oblouku, který hoří mezi třemi elektrodami zprostředkovaně přes kovovou vsázku. Tekutý kov je krytý aktivní struskou, která umožní ve značném rozsahu provést jeho rafinaci, tj. snížení obsahu nežádoucích nečistot, současně však dochází i k propalu řady přísadových prvků. Oblouková pec je ve slévárnách oceli nezbytná proto, že umožňuje zpracovat i méně čistou vsázku. V malé míře se v těchto pecích začínají tavit také některé jakostní druhy litin, nahrazující ocel. Indukční středofrekvenční pec (obr. 2.10c) je založena na principu
vířivých proudů. Taví velmi rychle, s vysokou účinností a minimálním propalem přísad. Vsázka musí však mít vysokou čistotu. Používá se hlavně pro tavení ocelí. Kelímková pec (obr. 2.10d) vytápěná plynem nebo naftou se používá hlavně pro tavení neželezných kovů (slitin mědi a slitin hliníku). Má poměrně levný provoz, tekutý kov se však silně nasycuje vodíkem, který v atomárním stavu může pronikat přes stěny keramického kelímku. Elektrická odporová kelímková pec (obr. 2.10e) tento nedostatek nemá, její provoz je však značně nákladný. Taví se v ní s výhodou slitiny lehkých kovů. Kromě uvedených existuje řada dalších pecí, které byly vyvinuty s cílem odstranit některé nevýhody stávajících typů, např. pece s grafitovými odpory.
Odlévání Roztavený kov se až na výjimky nejprve z pece vlévá do pánví a v nich se dopravuje na licí pole, kde proběhne vlastní lití. Licí pánve jsou kovové nádoby různé velikosti, tvaru a konstrukce, opatřené keramickou žárovzdornou vyzdívkou. Před nalitím tekutého kovu musí být řádně vysušeny a předehřáty. Menší pánve se přenášejí ručně; velké se přepravují jeřábem a jsou určeny bud k odlévání horem (litina, bronz, hliník) nebo spodem (ocel), viz obr. 2.11.
Obr. 2.11: Licí pánve:
a) pánev k odlévání horem b) pánev k odlévání spodem
Způsoby lití Nejčastěji se formy odlévají gravitačním litím, tj. tekutý kov se volným proudem vlévá do licí jamky a jeho pohyb do vlastní dutiny je usměrňován vtokovou soustavou; působí na něj pouze gravitační síla a k odlévání nejsou zapotřebí žádná další zařízení. U některých odlitků nelze takto zajistit řádné vyplnění formy nebo potřebnou kvalitu odlitku a volí se pak např. odlévání pod tlakem (do kovových forem), odstředivé lití, vakuové lití apod. Zvýšené náklady na odlévání se pak vracejí formou snížené zmetkovitosti nebo lepší jakosti odlitků (přesnost, kvalita povrchu apod.).
Čištění a úprava odlitků
Ztuhlé odlitky se nejprve vytloukají z netrvalých forem nebo vyjímají z trvalých kovových forem a pak se musí zbavit nepatřičných kovových částí (vtokové soustavy a nálitků), případně připečeného formovacího materiálu. Vtoky se nejčastěji urážejí nebo odlamují, pracnější je odřezávání. Nálitky, pokud jsou na odlitek napojeny plochou značného průřezu, se odstraňují pilou nebo tepelným dělením. Zbytky formovacího materiálu se s povrchu odlitku odstraňují např. omíláním v otočných bubnech nebo odtryskáváním proudem zrnitého materiálu, např. ocelových nebo litinových broků, případně křemičitým nebo korundovým pískem. Velké odlitky se mohou otryskávat vodním paprskem (tlakovou vodou až 20 MPa) nebo menší vady zasahující do odlitku se začistí broušením. Očištěné odlitky se podrobují kontrole rozměrů a jakosti. Sleduje se hlavně geometrie rozměrové tolerance, výskyt povrchových vad a trhlin. Chemické složení se kontroluje u celé tavby a některých vybraných kusů, obdobně mechanické vlastnosti a struktura. Vnitřní necelistvosti se dají odhalit rentgenem nebo ultrazvukem, jsou to však zkoušky poměrně nákladné a předepisují se jen u odlitků na zvlášť náročné díly. Řízení slévárenského provozu Výroba odlitků představuje složitý a organizačně náročný výrobní cyklus, kde je nezbytné přesné časové sladění jednotlivých operaci. Například modelové zařízení musí být vyrobeno s potřebným předstihem před zahájením vlastní výroby odlitků, formíř musí mít vhodné rámy, připravenou směs o potřebném složení a jádrovna musí včas vyrobit všechna potřebná jádra. Jakmile je forma složena a připravena k odlévání,musí být co nejdříve k dispozici tekutý kov o předepsaném složení a požadované teplotě, aby neodlité formy nezmenšovaly plochu licího pole. Předčasně natavený tekutý kov je nutno udržovat na licí teplotě, což způsobuje značné energetické ztráty a kromě toho se může nasycovat plyny a tím se zhorší jeho kvalita a zvyšuje se pravděpodobnost vzniku zmetků. Nebezpečí zmetků je při výrobě odlitků mnohem vyšší než u jiných technologií, protože se zde střetá řada faktorů, z nichž mnohé nemůže slévárna ovlivnit, např. vlhkost ovzduší, jakost některých surovin, složitost tvaru odlitku apod. Pokud se zmetkovitost pohybuje v obvyklých mezích, počítá se s touto skutečností a zhotoví se potřebný počet odlitků navýš. Nepředvídané zvýšení zmetkovitosti může výrobní cyklus vážně narušit, a to tím více, čím později se defekty odhalí, zejména vnitřní skryté vady apod. Z těchto důvodů má pro slévárnu velký význam odbor řízení jakosti, pod který spadá technická kontrola. Jejím úkolem je nejen sledovat kvalitu vyráběných odlitků, ale kontrolovat také dodržování technologie přípravy formovacích směsí, technologii tavení, odlévání. Výsledky této systematické kontroly se pečlivě analyzují s cílem odstranit příčiny opakovaných závad. Mnohdy jsou příčiny závad jednoznačné, např. špatná kvalita směsi, chyba při zaformování, nedostatečná příprava formy k odlévání, nízká teplota odlévaného kovu apod; někdy se ujišťují velmi obtížně, zvlášť pokud se vyskytují nepravidelně. Při řízení jakosti hraje významnou roli matematická statistika, protože umožní posoudit, zda Četnost určitých vad nepřekračuje ekonomicky únosnou mez. Určitému počtu zmetků se nelze vyhnout a snížit zmetkovitost pod únosné procento by si vyžádalo neúměrně vysoké náklady.
3 ZPRACOVÁNÍ
KOVŮ
TVÁŘENÍM
Čisté kovy a slitiny vhodné pro tváření jsou charakteristické svojí tvárností; vyvodí-li se proto v polotovaru dostatečně vysoké napětí, určitý objem kovu se začne přemisťovat bez porušení celistvosti, tj. materiál se tváří. Potřebné napětí se vyvodí v materiálu prostřednictvím nástrojů vhodného tvaru. Tvářet je možno s ohřevem na dostatečně vysokou teplotu (tzv. tváření za tepla); cílem ohřevu je snížit vazebné síly mezi atomy a tím také snížit přetvárnou práci a spotřebu energie. Na druhé straně je tváření za vyšších teplot provázeno nebezpečím oxidace; také dosažitelná přesnost rozměrů je menší. Tváření bez ohřevu (tzv. za studena) tj. za teplot blízkých teplotě místnosti, umožňuje získat tvářené výrobky o velmi přesných rozměrech a vysoké čistotě povrchu, ovšem za cenu vyšší spotřeby energie. Převažující množství kovů a slitin zpracovávaných ve strojírenství se vyrábí v hutích klasickými metalurgickými procesy. Získá se tekutý kov, jehož složení se upraví přísadou legujících prvků a který se odlévá do kovových forem (kokil), ve kterých tuhne na tzv. ingot. Tyto ingoty mají nejčastěji průřez čtvercový, vhodný pro válcování tyčí, nebo obdélníkový, určený pro válcování plechů. Stále častěji se však dnes uplatňuje plynulé lití ingotů o nekonečné délce, na které navazuje kontinuální nebo klasické válcování. Tento postup lépe splňuje podmínky kladené na hromadnou výrobu v hutích. Lité ingoty není možno bezprostředně použít, neboť mají hrubé zrno a často obsahují vnitřní necelistvosti, např. bubliny apod. Účinkem dostatečně velkého tváření za tepla se dá rozrušit licí struktura, zrno se zjemní, velká část necelistvosti se odstraní a vlastnosti materiálu se zlepší. Tvářený materiál je proto zřetelně pevnější a plastičtější, hlavně ve směru předchozího tváření (ve směru "vláken"). Intenzívním tvářením za studena lze dosáhnout výrazného zvýšení pevnosti, ovšem za cenu poklesu tvárnosti; příkladem mohou být tažené pružinové dráty nebo ocelové struny dosahující pevnosti přes 3000 MPa. Lité ingoty se v hutích dále zpracují na hutní polotovary, tj. sochory, tyče, plechy a trubky, které jsou výchozím materiálem pro navazující strojírenskou výrobu. Převážně se zpracují ve válcovnách, válcováním na stolicích různého typu, u nichž tvar válců a jejich počet je určen tvarem vývalku (viz obr. 3.la-c). Vzájemně navazující stolice tvoří tzv. válcovací trať. Při válcování bezešvých trubek se zpracují duté polotovary. Téměř všechny tyče a trubky z neželezných kovů (i některé ocelové) se vyrábějí protlačováním za tepla (obr. 3. 1d. Na ohřátý materiál vložený do válcové průtlačnice působí lisovník, který velkou silou protlačuje tvárný kov přes otvor v průtlačnici. Takto je možno zhotovit jednoduché i velmi složité profily. Tyče a trubky o vysoké rozměrové přesnosti se vyrábějí tažením za studena (obr. 3.le) na tažných stolicích. Na obdobném principu je založeno tažení drátů. Válcované pásy vhodné šířky a téměř nekonečné délky se mohou v hutním závodě dále zpracovávat ohýbáním mezi vhodně tvarovanými (kalibrovanými) válci na ekonomicky velmi výhodné lehké nosné profily. Dále se mohou pásky svinovat a svařit na trubky (obr. 3.1f), které jsou podstatně levnější než bezešvé a v řadě
případů je mohou úplně nahradit.
Obr. 3.1: Příklady výroby hutních polotovarů tvářením a) Válcování tyčí b) Válcování plechu c) Válcování bezešvých trub na "poutnické" stolici d) Výroba tyčí protlačováním za tepla e) Tažení tyčí za studena f) Výroba odporově svařovaných trubek Hutní polotovary se zpracují ve strojírenských závodech na výrobky konečného tvaru a vlastností. Mezistupněm jsou "strojírenské polotovary," k nimž patří např. výkovky, výlisky, výtažky, ohýbané díly, případně svařence. Jejich tvar se již blíží tvaru konečného výrobku, vyžadují však ještě dodatečné obrábění. Zvláštním případem jsou přesně tvářené díly, u nichž nutnost obrábění se snižuje na minimum, případně vůbec odpadá. Metody tváření ve strojírenském závodě je možno zásadně členit do dvou skupin, na tzv. tváření "objemové", vycházející hlavně z tyčí jako polotovaru, a tváření "plošné" vycházející z plechů a pásů, resp. svitků.
3.1.
ZÁKLADY OBJEMOVÉHO TVÁŘENÍ
Výchozím polotovarem objemového tváření jsou až na výjimky válcované sochory nebo tyče čtvercového případně kruhového průřezu, které se dělí na potřebnou délku, vyplývající z objemu budoucího výrobku. Pouze u těžkých výkovků se tvářením zpracují lité ingoty; u přesně tvářených dílů jsou naopak výchozím polotovarem tažené tyče nebo dráty přesných rozměrů. K hlavním metodám objemového tváření patří kování volné a zápustkové, dále pěchování a protlačování. 3.1.1. Ruční kováni Ruční volné kování je nejstarší, ale stále používanou metodou tváření kovů; Materiál ohřátý na dostatečně vysokou teplotu (1000 - 1200 °C u ocelí) se uchopí do kleští a tváří údery kladiva. Při tom kovář a pomocník používají vhodné nářadí a nástroje, které volí podle druhu operace a podle požadované změny tvaru. Základní nástroje a nářadí pro ruční kováni V menších kovárnách se materiál ohřívá v kovářských výhních různé konstrukce, které mohou být stabilní (viz obr. 3.2a) nebo přenosné (polní).
Obr. 3.2: Kovářská výheň a kovadlina. Výheň má zděné nebo litinové ohniště; vzduch se vhání zespodu dmychadlem a jeho množství se reguluje šoupátkem. Kouřové plyny se odvádějí do odtahu. Jako palivo se používá drobné spékavé kamenné (kovářské) uhlí, které vytvoří kolem místa největšího žáru krustu, která omezuje vyzařování tepla. Výjimečně se používá uhlí dřevěné. Teplota ohřátého materiálu se vesměs určuje odhadem podle barvy, která se mění od tmavě červené po bílou:
700°C 800°C 850 °C 950°C 1100 °C 1200 °C
-
tmavočervená třešňová světle červená žlutočervená žlutá světle žlutá až bílá
Přesnost odhadu značně ovlivňuje vnější osvětlení; spolehlivě lze podle barvy určit teplotu ohřátého materiálu jen v tmavší místnosti. Při překročení teploty 1250°C do běla rozžhavená ocel na vzduchu silně jiskří (oxiduje) a je nebezpečí jejího "spálení". Pracovní základnou kováře je kovadlina (obr. 3.2b), která musí mít dostatečnou hmotnost, l0x až 20x větší než hmotnost kladiva, obvykle 50 až 250 kg. Kovadlina má pracovní plochu zvanou dráha, která je na příčném řezu mírně vypouklá; na pravé straně přechází v kuželový roh, na levé v plochý roh se čtyřhranným otvorem pro vkládání pomocných nástrojů. Přední šikmá plocha kovadliny (vzdálenější od kovářského mistra) se označuje jako prsa. Kovadlina bývá usazena na dřevěném špalku nebo na plechovém sudu vyplněném pískem, aby se nárazy méně přenášely do půdy kovárny. Aktivními nástroji při ručním kování jsou kladiva; jednoruční mají hmotnost do 2 kg, dvouruční přitloukací mají hmotnost až 10 kg; pokud mají nos rovnoběžný s násadou, označují se jako příčná (křížová). Perlík je přitloukací kladivo s ploskou na obou stranách. S přitloukacími kladivy pracuje pomocník, mistr pracuje s jednoručním kladivem a dále s těmi nástroji, na které pomocník přitlouká.
Obr. 3.3.
Kovářské nástroje pro ruční práce
Při kování je nezbytná řada pomocných nástrojů. Především materiál ohřátý ve výhni se drží v kleštích, které mají tvar kleštin přizpůsobený tvaru kovaného materiálu (obr. 3.3); rukojeti se mohou k sobě přitisknout sponou, aby je nemusel kovář svírat. Při práci s přitloukáním se používají osazovací a hladicí kladiva (sedlíky) různého tvaru, dále sekáče a průbojníky.
Do otvoru v dráze kovadliny se vsazují pomocné tvarové kovadlinky, např. babka s rovnou plochou, útinka pro odsekávání materiálu, vlček ve tvaru kužele pro ohýbání apod. Průbojníky se probíjejí kruhové anebo čtvercové otvory. K pomocnému nářadí patří také jednoduché zápustky, kterými se může kalibrovat průřez vykované tyče. S dalším nářadím bude možno se seznámit v průběhu praktického cvičení v dílně. Základní kovářské práce (obr. 3.4) Patří sem především pěchování, kterým se zvětšuje průřez polotovaru. Materiál se v určitém místě nahřeje a pěchuje údery působícími ve směru osy vykované tyče. Dále sem patří prodlužování, tj. kování do délky, kterého se dosahuje přímými rázy oblého ostří kladiva nebo údery ploskou kladiva na materiál položený napříč přes hranu kovadliny. Na tyči se přitom vytvářejí příčné nerovnosti, které se pak dodatečně hladí, např. sedlíkem. Osazováním se dosáhne buď jednostranného nebo oboustranného seškrcení polotovaru. Pokud má být místo osazení zaobleno, používá se oblého osazovacího kladiva místo ostrého. Sekáním se odděluje požadovaná délka materiálu. Seká se pomocí útinky a sekáče. Obvykle se tyč položí na útinku, údery kladiva se zasekne s jedné a druhé strany zásek a poté se ručním sekáčem materiál úplně přesekne. Kovář při tom drží materiál a sekáč, pomocník přitlouká dvojručním kladivem. Ohýbání materiálu je náročnou operací zvlášť tehdy, když se materiál
nesmí v místě ohybu zeslabit. Ohýbá se přes hranu nebo přes roh kovadliny, případně přes čtyřhranný čep zasunutý do otvoru v dráze. Může se také použít ohýbací zápustka." Děrováním se prorážejí otvory. Průbojník se narazí nejprve s jedné strany a pak se s opačné strany vyrazí blána. Kalibrováním tyčí v zápustkách se současně hladí jejich povrch a zvyšuje rozměrová přesnost.
Možnosti ručního kování jsou omezeny hmotou a energií kladiva, která není dostatečná k tomu, aby se materiál většího průřezu protvářel. Výsledek je dále velmi závislý na zručnosti pracovníků a produktivita je poměrně malá. Proto se již před několika staletími začalo kovat strojně pod buchary ("hamry"), princip práce se však nezměnil. 3.1.2. Volné strojní kování Názvem "volné kování" se označuje tváření materiálů na bucharech (rázem) nebo lisech (tlakem). Používá se při tom universálních nástrojů, jejichž tvar je podobný činné části nástrojů používaných při ručním kování. Kování na bucharech je nejstarší metodou strojního kování a bezprostředně vzniklo z ručního kování tak, že kladivo je nahrazeno značně hmotnějším beranem o mnohonásobně vyšší energii rázu; kovadlina byla nahrazena šabotou. Původní "hamry" byly v podstatě jednočinné (padací) buchary, kde se beran strojně zvedal a volně padal na šabotu. Dnešní buchary pro volné kování jsou vesměs dvojčinné, tj. tlak pracovního media (vzduchu, páry) u nich působí střídavě na obě strany pístu, se kterým je spojen beran. Tím je beran jak zvedán, tak urychlován směrem k šabotě. Vhodně řešený rozvod umožňuje u těchto bucharů citlivě ovládat rychlost dopadu a tím také energii rázu. Běžně se používá pneumatický buchar, jehož schéma je znázorněno na obr. 3.5. Do drážek beranu a šaboty se klíny upevňují kovadla, která mohou být rovinná, oblá, kombinovaná nebo tvarová a v podstatě napodobují osvědčený tvar činných ploch nástrojů pro ruční kování. Také pomocné nářadí má funkční tvar odvozen od nářadí používaného pro ruční kování, je však přiměřeně rozměrnější, hmotnější a zhotoveno z kvalitnějších materiálů, neboť je mnohem více namáháno. Příklady kovadel a nářadí jsou rovněž znázorněny na obr. 3.5. Princip kování na bucharu je obdobný jako při ručním kování. Buchary značně zrychlily práci a hlavně umožnily tvářet i rozměrnější dílce. Nebylo však technicky možné zvyšovat energii rázu nad určitou hranici a tím byl opět limitován největší možný rozměr polotovaru, který lze na bucharech protvářet. Také hlučnost kování působí podle nových poznatků dosti vážné zdravotní potíže. Tyto nedostatky byly odstraněny teprve zavedením hydraulických lisů pro volné kování, které jsou však ve srovnání s buchary pomalejší, materiál' v průběhu kování více chladne a nelze proto na nich kovat menší díly. Volné kování na lisech Těžké a supertěžké výkovky, které mohou mít hmotnost i přes 100 tun, nelze kovat jinak než na hydraulických lisech. Z nich největší jsou dnes schopny vyvodit maximální kovací síly řádově 100 MN. Tváří se takto díly jaderných reaktorů, těžká kotlová tělesa pro chemickou výrobu, rotory turbin a podobné rozměrné a náročné díly. Vlastní kování může trvat s přestávkami pro výměnu nástrojů i mnoho hodin. Výchozím polotovarem jsou u těžkých výkovků vesměs lité kovářské ingoty. Větší pozornost bude této problematice věnována až v průběhu dalšího studia.
Ob r. 3.5: Obr. 3.5 Schéma bucharu a nástrojů pro strojní kování
Výkovky zhotovené volným kováním mají společný nedostatek; nedají se až na výjimky zhotovit s vyšší přesností a kovou se proto se značnými přídavky na obrábění. Z toho automaticky vyplývá větší spotřeba materiálu a vyšší pracnost následního obrábění. Tyto nedostatky částečně odstranilo zápustkové kování. 3.1.3. zápustkové kování Při zápustkovém kování je materiál v plastickém stavu vtlačován do dutiny v ocelovém bloku (zápustky). Nemůže se volně šířit, a proto vytvoří otisk této dutiny. Kovací zápustka je vesměs dělená, aby bylo možno výkovek z dutiny vyjmout; horní a dolní polovina musí proti sobě přesně dosednout, aby výkovek nebyl přesazený. Do dělicí roviny mezi oběma polovinami zápustky se umisťuje dutina pro výronek, kam vytéká přebytek kovu, který se v dalších operacích ostřihne. Přesné vyplnění dutiny zápustky tvářeným kovem je totiž možné jen po splnění těchto podmínek:
Výchozí polotovar (předkovek) musí mít větší objem než výkovek. Tvar předkovku musí být předem přizpůsoben tvaru dutiny (obr. 3.6c), neboť materiál se šíří při pěchování stejnou rychlostí do všech stran (viz obr. 3.6b); je to důležité hlavně u delších dílů složitého tvaru.
Stroj (buchar, lis) musí být schopen vyvodit dostatečnou energii rázu resp. dostatečně vysokou tvářecí sílu, mnohem vyšší než při volném kování, protože pohybu materiálu v zápustce brání tření i složitý tvar dutiny. Pro zápustkové kování se používají především buchary, dále klikové a vřetenové lisy (obr. 3.6). Buchary se hodí pro hlubší a členitější výkovky, klikové lisy pro plošší výkovky. Vřetenové lisy mají velký pracovní zdvih a jsou vhodné pro pěchovací operace, pro lisování menších výkovků, ohýbání, případně i ostříhávání. Výronky se však obvykle ostříhají na klikových nebo výstředníkových lisech.
Obr. 3.6: a) Stroje pro zápustkové kování b) Schéma šíření materiálu c) příklady zápustkového kování
Postup výroby zápustkového výkovku je znázorněn na obr. 3.6c. Nejprve se oddělí požadovaná délka z výchozího materiálu, tj. ze čtyřhranné nebo kulaté tyče. Materiál se ohřeje v peci na tvářecí teplotu, zhotoví se předkovek a teprve ten se vkládá do dutiny v zápustce. Přebytek materiálu po dokonalém zaplnění dutiny uniká do dutiny pro výronek. Výronek se ostřihne v ostřihovací zápustce, případná blána (která vzniká při kování dílců s otvorem) se prostřihne. Podle potřeby se výkovek někdy znovu vkládá do dokončovací dutiny v zápustce, kde se rovná a kalibruje. Tvar zápustkového výkovku je blízký tvaru výrobku, takže náklady na obrábění jsou nižší. Využití materiálu je obvykle lepší než u volných výkovků, zdaleka ne však ideální. Ztrátu představují nejen různé technologické přídavky (úkosy, přídavky ha obrábění apod.), ale zejména výronek, jehož hmotnost může být u výkovku složitého nebo nepříznivého tvaru přes 20% celková hmotnosti, obvykle kolem 10% hmotnosti polotovaru. Náklady na výrobu zápustek jsou poměrně vysoké, a proto je zápustkové kování ekonomicky výhodné až od určité velikosti série, neboť úspora materiálu a snížení nákladů na obrábění přímo souvisí s počtem vyrobených kusů.
3.1.4. Pěchování a protlačování Do skupiny objemového tváření patří řada dalších metod, které nejsou zcela běžné, mají však proti klasickému zápustkovému kování některé nesporné přednosti, např. vysokou produktivitu nebo mimořádně přesné rozměry výrobku. Jejich použití je však obvykle omezeno tvarem dílu a seriovostí. Z těchto metod se zmíníme o pěchování a protlačování, které jsou nejrozšířenější a patří k tzv. přesnému tváření, kdy výrobky vyžadují jen minimální dodatečné obrábění, případně k tváření bezodpadovému, kde se materiál zužitkuje téměř na 100%. Pěchování Výchozím polotovarem je tyč přesných rozměrů, která se po místním ohřevu pěchuje a dále tváří. Drobné díly je možno pěchovat i za studena, pokud byl zvolen dostatečně tvařitelný materiál (měkce žíhaná ocel, hliník). Ukázka postupu výroby hnacího hřídele pěchováním je na obr. 3.6a.
Objem výchozího polotovaru musí být velmi přesně stanoven a dodržen, aby nedošlo k roztržení zápustky nebo nedokonalému vyplnění dutiny. Také tvar jednotlivých dutin musí být navržen tak, aby se nejmenším možným počtem pěchovacích operací vytvořil požadovaný tvar a při tom nevyčerpala plasticita materiálu, což by mělo za následek vznik trhlin. Objemové tváření pěchováním je vhodné pro sériovou a hromadnou výrobu dílů, které mají v podstatě válcový tvar a pouze místní nahromadění hmoty, obvykle na konci tyče, méně často uprostřed délky Protlačování za studena Touto technologií se vyrábí velmi produktivně, s vysokou přesností rozměrů a s minimálním odpadem řada dílů z ocelí i neželezných kovů. Většina výrobků má obvykle průřez kruhový nebo kruhovému blízký a zpravidla se tváří na více operací. Příkladem jsou postupy znázorněné na obr. 3.6b. Pokud se materiál pohybuje při protlačování stejným směrem jako aktivní nástroj (průtlačník), označuje se toto protlačování jako dopředně. Opačným příkladem je protlačování zpětné; u kombinovaného protlačování se materiál pohybuje oběma směry, což je nejběžnější případ ve strojírenské praxi. Poznámka: K metodám objemového tváření patří mimo jiné také ražení a prášková metalurgie. Ražením se vyrábějí mince, odznaky, různé součástky i spotřební zboží. Požadavkům na maximální úsporu materiálu a energie vyhovuje technologie práškové metalurgie, kdy se lisují, spékají nebo slinují vhodné směsi kovových i nekovových prášků a dají se takto zhotovit součástky o zcela jedinečných vlastnostech. Této tématice bude věnována pozornost také až v průběhu dalšího studia.
3.2.
PLOŠNÉ TVÁŘENÍ
Názvem "plošné tváření" se označuje řada metod tváření, kterými se u výchozího polotovaru (obvykle plechu) dosáhne trvalé změny tvaru bez podstatné změny tloušťky nebo průřezu. K základním metodám plošného tváření patří stříhání, ohýbání a tažení. 3.2.1. Stříhání a vystřihování Stříháním se výchozí polotovar dělí, vystřihuje, prostřihuje, ostřihuje ap. mezi břity střižného nástroje (nůžek nebo střihadla), kde na něj působí dostatečně vysoké napětí. Materiál se postupně plasticky deformuje, nastřihne a v konečné fázi oddělí (viz obr. 3.7). Tabule plechů, pásy nebo tyče se obvykle střihají na nůžkách (ručních nebo strojních), které mají nože rovné, tvarové nebo kruhové. Kruhové nože jsou určeny pro tvarované přístřihy velkých rozměrů, rovné pro přímkové řezy. Na střihadlech (tj. na střihacích nástrojích) se zhotovují z plechu tvarové výstřižky o poměrně přesných rozměrech, které se obvykle dále zpracují tvářením, ohýbáním, tažením; v řadě případů mohou být však finálním produktem, např. plechy pro statory a rotory elektromotorů apod. Na postupových tvářecích nástrojích se sdružuje řada různých operací, například tažení, ohýbání, prostřihování apod.; práce se dá plně automatizovat.
Obr. 3.7: Stříhání plechů
3.2.2.
Ohýbání
Ohýbáním se materiál trvale deformuje o požadovaný úhel ohybu, přičemž ohybová čára je přímá a ohýbaný tvar je rozvinutelný. Pro kusovou výrobu a jednoduché ohýbané díly z tenkých plechů se používá ruční ohýbačka (obr. 3.8), kde se materiál ohýbá přes hranu lišty pomocí otočné ohýbací čelisti. Strojně se tlustší plechy ohýbají podél přímé ohybové čáry na ohraňovacích lisech, a to až do délky několika metrů. Úhel ohybu je pak zhruba určen tvarem dutiny mezi pevnou a pohyblivou čelistí. Na ohraňovacích lisech se vyrábějí např. lehké nosné profily, převážně otevřené, složitých tvarů (viz obr. 3.8b), kterými se dají nahradit v maloseriové výrobě zbytečně těžké válcované profily. V sériové výrobě se menší díly ohýbají na ohýbadlech mezi ohybníkem a ohybnicí (obr. 3.8c), trubky a profily na speciálních ohýbacích strojích. Mezi tvářecí operace, jejichž podstatou je ohýbání, patří dále rovnání (plechů, pásů) a zakružování do válcových nebo kuželových ploch (viz obr.3.9), stejně jako svinování (obr. 3.1f), které se provádí ručně při kusové výrobě a tenčích plechů, u tlustších plechů na vhodných strojích. Poznámka: Ohýbání jsou blízké metody lemování, obrubování, prosazování apod., vytvořená plocha však není rozvinutelná, neboť dochází k prostorovému přetvoření obdobně jako při hlubokém tažení, viz obr. 3.9. 3.2.3. Tažení plechů
Při tažení plechů (obr. 3.10a) se vychází z rovinného polotovaru vhodných
rozměrů (zvaného přístřih), který se pomocí tažníku a tažnice přetvoří v polouzavřený prostorový výtažek. Vlivem toho, že clech nemá ve všech směrech stejné vlastnosti, se okraj výtažku nestejně prodlužuje a musí se dodatečně ostřihnout nebo obrobit. Tloušťka stěny výtažku se většinou jen málo liší od tloušťky výchozího plechu.
Obr. 3.9: Rovnání, zakružování, lemování, obrubování, prosazování Velikost přetvoření je u hlubších výtažků značná, vlivem toho má kraj plechu tendence se zvlnit a mohl by se vytvořit přehyb; tomuto nežádoucímu zvlnění brání přidržovač. Nejsnadněji se táhnou kruhové výtažky, obtížněji pravoúhlé a nepravidelného tvaru o nestejné hloubce. Při klasickém tažení tvoří cena nástrojů značnou výrobní položku, která při maloseriové výrobě podstatně ovlivňuje cenu výtažku; kromě toho se některé tvary dají klasickým tažením zhotovit jen s potížemi. Pro tyto případy se s výhodou používá např. tváření nepevnými nástroji, např. pryží (obr. 3.l0b) nebo kapalinou, dále přetahování apod. Rotační díly se mohou zhotovit rotačním tvářením (obr.3.10c), někdy označovaným jako kovotlačení nebo kroužlení. Tváření plechů má velkou budoucnost, neboť umožňuje vyrábět lehké, prostorově členité díly, které nahrazují mnohem hmotnější výkovky nebo odlitky. Při kompletaci a montáži se často uplatní svařování.
Obr. 3.10: Princip hlubokého tažení, tažení pryží a rotačního tváření Tváření je vysoce progresivní technologií, kterou se vyrábějí strojírenské polotovary dvojího typu. Objemovým tvářením (kováním, pěchováním a protlačováním) se zhotovují především polotovary pro namáhané strojní díly a součástky, nebol mají v důsledku tváření příznivý průběh vláken. U větších sérií dílů vhodného tvaru se uplatní s výhodou metody přesného objemového tváření, které umožňují vyrábět polotovary s minimálními přídavky na obrábění, případně i v konečném rozměru; snižují se tím na minimum náklady na obrábění a současně se dosahuje maximálního využití vstupního materiálu. Z hlediska celospolečenského to znamená významnou úsporu kovové substance, energie a lidské práce. Plošným tvářením se většinou zhotovují méně namáhané díly jednoduchého i složitého tvaru v přesných rozměrech, které jsou převážně tenkostěnné a potřebnou tuhost získávají vhodným prostorovým členěním. Vyrobené díly jsou lehké a tím přispívají ke snížení hmotnosti finálního výrobku. Při výrobě drobných součástek ve sdružených tvářecích nástrojích se dosahuje mimořádně vysoké produktivity práce. Využití materiálu je při plošném tváření obvykle nižší, nebol výchozím materiálem je pás nebo plech, z něhož se musí zhotovit přístřihy, jejichž tvar závisí na geometrii výrobku; optimalizací uspořádání přístřihů lze technologický odpad snížit, ne však odstranit.
3.3
NÝTOVÁNÍ
Nýtování je technologie nerozebíratelného spojování kovových i nekovových dílů, která je založena na trvalé (plastické) deformaci spojovacího elementu, obvykle nýtu, který prochází otvory ve spojovaných dílech (obr. 3.11a,b), případně čep vytvořený na jednom dílu prochází otvorem v druhém dílu (obr. 3.11c). Působením vnější síly, tlakem nebo úderem, se volný konec nýtu trvale deformuje a vytvoří se tak závěrná hlava, jejíž tvar odpovídá tvaru nástroje, který se nazývá hlavičkář. Nýty jsou v provozu většinou namáhány na střih, méně často na tah a zhotovují se z dostatečně tvárného materiálu, např. z nízkouhlíkové oceli, mědi, mosazi, hliníku a jeho slitin. Materiál nýtů se volí vždy s ohledem na spojované
materiály, tak, aby spoj měl požadovanou pevnost a aby se netvořily korozní články; kombinace měď — hliník, měď — ocel jsou v tomto ohledu nevhodné. Nejběžnější jsou nýty s válcovým dříkem, ukončené půlkulovou, čočkovitou nebo zapuštěnou hlavou. Zápustné nýty zapadají do kuželového vybrání ve spojovaném materiálu a méně narušují hladkost povrchu materiálu. Pro spojování křehkých nekovových materiálů na kovový nosný díl se často používají nýty trubkové, které se dají šetrněji roznýtovat. Postup ručního nýtování za studena je znázorněn na obr. 3.11a. Do průchozího přesně vrtaného otvoru se vloží nýt, který se podepře hlavičníkem, přitažníkem se vymezí vůle mezi plechy a údery kladiva na hlavičkář se vytvoří závěrná hlava. Běžně se používá k tomuto účelu pneumatické kladivo nebo nýtovací stroj.
Obr. 3.11: Postup a příklady nýtování a) postup nýtování b) nýtový spoj se zapuštěnou hlavou c) spojení 2 dílů roznýtováním
Pro nýtování tenkých plechů (potahů trupů letounu apod.) je vhodné tzv. nepřímé nýtování, kdy údery kladiva působí na plochou hlavu nýtu s vnější strany trupu a závěrná hlava se vytvoří nárazy dříku na dostatečně hmotnou opěrku (obr. 3.11b). V mnoha případech nejsou nýty jako samostatný spojovací element vůbec nutné, roznýtuje se např. kruhový nebo plochý čep jedné součástky zasunutý do otvoru v druhé součástce (viz obr. 3.11c). Obdobně se zhotovují a spojují články válečkových řetězů a řada dalších výrobků. Nýtový spoj může v řadě případů být otočný, např. u kleští a podobných nástrojů. Nýtování je možno mechanizovat a při použití moderních nýtovacích strojů i plně automatizovat. Je možno takto spojovat i zcela rozdílné materiály. Příkladem jsou kombinace keramiky nebo plastické hmoty s kovem; obdobně je možno používat také nýty z plastických hmot, které jsou nevodivé. Protože nýtové spoje se vyznačují velkou spolehlivostí a vlastní nýtování je velmi produktivní, je tato metoda velmi rozšířená ve výrobě spotřebního zboží, ve výrobě elektrotechnických součástek apod. Naproti tomu se dnes nýtování vůbec nepoužívá u tlakových nádob, kde bylo zcela nahrazeno svařováním, ani u mostních konstrukcí, kde montážní nýty jsou nahrazeny vysokopevnostními svorníky.
4
SVAŘOVANÍ,
PÁJENI
A
TEPELNÉ
DĚLENÍ
Do oboru strojírenské metalurgie přísluší dále samostatná skupina důležitých technologií, tj. svařování, pájení a tepelné dělení, které mají řadu společných znaků a využívají obdobná zařízení. I když některé z těchto technologií jsou známy již tisíce let (pájení, kovářské svařování), největší rozmach zaznamenaly teprve v minulých padesáti letech. Teprve jejich rozvoj umožnil realizaci řady významných projektů, mezi jiným i stavby kosmických lodí a jaderných reaktorů. Stručná charakteristika zmíněných technologií je tato: Svařování je spojování kovových dílů v nerozebíratelný celek za působení tepla, resp. tlaku a za případného použití přídavného materiálu obdobného složení, jako má základní materiál. Svařováním se spojují hlavně tvářené polotovary nebo dílce, např. plechy, trubky, tyče, výkovky a výlisky, v menší míře také odlitky. Svařený výrobek se označuje jako svařenec nebo svarek (obdoba výkovku, odlitku). Nenahraditelné je svařování při výrobě a kompletaci velkých celků (tlakových nádob, kotlů, ocelových konstrukcí, mostů, lodí a dopravních prostředků), neboť umožňuje plně využívat pevnosti materiálu a tím podstatně snížit hmotnost těchto zařízení. Při výrobě menších strojních dílů a dalších výrobků se volí svařování proto, že složitý výrobek lze zhotovit z jednoduchých dílů; výroba je snadnější, levnější a přináší rovněž úsporu materiálu. Existují desítky metod svařování a další jejich modifikací, z nichž některé mají široké použití, jiné jsou naopak vhodné pro zcela specifické účely. Pájení je metoda nerozebíratelného spojování, která se od svařování liší tím, že vlastní spojení zprostředkuje přídavný materiál (pájka) o tavící teplotě zřetelně nižší, než má kterýkoliv ze základních materiálů. V řadě případů je pájení nenahraditelné, neboť některé výrobky nelze zhotovit jinak, než touto technologií. Tepelné dělení zahrnuje několik metod, jejichž společným znakem je místní ohřev děleného materiálu na tak vysokou teplotu, že se buď dá spálit v proudu kyslíku (řezání kyslíkem) nebo roztavený odstranit proudem plynu (řezání plasmovým paprskem), případně se odpaří (řezání svazkem elektronů). Ve všech případech se jedná o metody, jejichž produktivita mnohonásobně předčí klasické způsoby třískového řezání. Tato úvodní část bude věnována jen několika základním, poměrně jednoduchým metodám, které jsou nejvíce rozšířeny v běžné práci; s ostatními se studenti seznámí až v průběhu dalšího studia. Práce technologa svařování je velmi zodpovědná a klade vysoké nároky na jeho komplexní znalosti technologické, metalurgické i ekonomické. Při návrhu technologie je nutno posoudit základní materiál, jeho složení, čistotu, vlastnosti a rozsah strukturních změn, které mohou nastat vlivem svařování. Je nutno zvolit vhodnou technologii, přídavný mater iál a podmínky svařování, navrhnout teplotní režim (předehřev, tepelné zpracování po svaření). Při tom je nutno vzít v úvahu i geometrické faktory (tvar dílu, tloušťka stěn), které mohou být příčinou vzniku trhlin. Nutno také navrhnout způsob a rozsah kontroly svařených dílů, a to všechno s přihlédnutím k výrobním nákladům.
4.1. SVAŘOVÁNÍ OBLOUKEM Svařování obloukem patří mezi metody tzv. "tavného" svařování, kdy spojované materiály se intenzívním zdrojem tepla roztaví v místě budoucího spoje, tekutý kov se promísí a po ztuhnutí vytvoří svarový kov spoje. Zdrojem tepla je v tomto případě elektrický oblouk, který hoří mezi elektrodou a základním materiálem. Oblouk je sloupec vysoce ohřátého a ionizovaného plynu, který je elektricky vodivý a prochází jím proud. Zapaluje se buď přerušením zkratu nebo vysokonapěťovou jiskrou, která ionizuje plyn a tím ho vytvoří vodivým. K obloukovému svařování se řadí řada metod, které se vzájemně liší jednak druhem elektrod, jednak prostředím, ve kterém oblouk hoří: pro přehlednost jsou základní metody uspořádány do tab. 4.1. Tab. 4.1:
Základní metody obloukového svařování
Elektroda
Prostředí
Zkratka Název metody svařování
Kovové jádro + obal
látky z obalu
ROE - ruční, obalenou elektrodou APT - automatické, pod tavidlem
zrnité tavidlo ochranný plyn: Holý drát nebo plněná - inertní (Ar/ trubička - aktivní (Ar + O2/ Wolframová netavící se
MIG - (metal-inert-gas/ MAG - (metal-aktiv-gas/
- co2
C02 - svařování v CO2
inertní plyn
WIG - (wolfram-inert-gas/
Ruční svařování obalenou elektrodou je příkladem, na kterém se vysvětlí podstata i zvláštnosti obloukového svařování (viz obr. 4.1).
Obr. 4.1: Schéma ručního svařování obalenou elektrodou a) Zařízení pro svařování b) Tavení elektrody a základního materiálu c) Volt-ampérová charakteristika zdroje a oblouku
Svařovací proud, který se odebírá ze zdroje stejnosměrného nebo střídavého proudu (usměrňovače, transformátoru apod.) o vhodné charakteristice a citlivé regulaci, se vede jedním přívodním kabelem do držáku elektrody, druhým do zemnící svorky připevněné na základní materiál. Škrtnutím elektrody o základní materiál vznikne zkrat a jeho přerušením se zapálí oblouk. Teplota oblouku přesahuje 4OOO °C a teplem oblouku se současně taví kovové jádro elektrody, obal i základní materiál; vytváří se tavná lázeň pokrytá struskou. Struska chrání svarový kov před účinkem vnější atmosféry, krom toho příznivě ovlivňuje chemické složení svarového kovu spoje a tvaruje povrch housenky (obr. 4.1b). Oblouk může stabilně hořet za předpokladu, že zdroj proudu má vhodnou volt-ampérovou charakteristiku (závislost mezi napětím a proudem - obr. 4.1c), která je dána elektrickou konstrukcí zdroje a jeho seřízením. Oblouk má rovněž vlastní charakteristiku, která závisí na prostředí, ve kterém oblouk hoří, v tomto případě na složení obalu elektrody. Obě charakteristiky se protínají v pracovním bodu a jejich průsečík udává skutečné hodnoty proudu a napětí za daných podmínek svařování, a tím i tepelný výkon zdroje UxI. Obalené elektrody mají odstupňované průměry kovového jádra ( 2 mm, 2,5mm, 3,15 mm, 4 mm, 5 mm atd) a těm musí odpovídat nastavený svařovací proud. Při překročení nejvyššího přípustného proudu se elektroda rozžhaví, poškodí se obal a svar má nevyhovující jakost. Obal obsahuje řadu látek, které mají funkci hlavně struskotvornou, desoxidační a legující, dále stabilizují hoření oblouku a usnadňují ionizaci, uvolňují plyny a páry, chránící tekutý kov před účinkem okolního vzduchu a konečně dávají obalu vhodné technologické vlastnosti (musí se dát dobře lisovat, musí být pevný, nesmí se poškodit pádem elektrody atd.). Vlivem legujících přísad dodaných z obalu se může chemické složení svarového kovu elektrody mnohdy podstatně lišit od složení jádra elektrody; s výhodou se toho využívá u elektrod určených např. pro tvrdé návary, obsahující vysoké procento přísadových prvků (chrom, wolfram apod.). Chování elektrody i vlastnosti svarového kovu silně ovlivňují struskotvorné přísady a podle nich se rozlišují elektrody s obalem: a) zásaditým (nutno svařovat s elektrodou na + pólu) b) kyselým (možno svařovat střídavým proudem) c) rutilovým a rutil - organickým (vhodné pro montážní svary). Kromě těchto základních typů obalů existuje řada méně běžných a jejich kombinací (oxidační, rutil-bazické apod.). Svarový kov musí mít předepsané chemické složení, vysokou čistotu a vyhovující mechanické vlastnosti, zejména pevnost, tvárnost a vrubovou houževnatost; dále musí být odolný proti vzniku trhlin v průběhu tuhnutí a následného chladnutí, podle potřeby musí být odolný proti korozi nebo odolný proti opotřebení atd. Volbu elektrod o vhodných vlastnostech usnadňují katalogy elektrod, v nichž výrobce krom údajů o vlastnostech svarového kovu uvádí také doporučení, pro jaké účely jsou vhodné. Svarové spoje zhotovené obalenou elektrodou mohou mít různou geometrii; nejčastěji se volí tupé a označují se podle úpravy úkosů svarových ploch písmeny, která tomuto úkosu odpovídají, například I-svary mají svarové plochy rovnoběžné, pro větší tloušťky se používají úkosy tvaru V, X, U, K apod. Velmi časté jsou svary koutové, kde je příprava svarových ploch zvlášť jednoduchá; jsou však z pevnostního hlediska méně výhodné. Velkou předností svařování obalenou elektrodou je bohatý výběr přídavných materiálů, možnost použití této metody jak v dílnách tak na montáži, a veliká universálnost co do složení a tlouštěk svařovaných materiálů, tvaru a umístění spoje (nad hlavou, na svislé stěně apod.). Nedostatkem je hlavně nízká produktivita práce a silná závislost jakosti svaru na zručnosti a svědomitosti svářeče. Toto bylo podnětem k vývoji řady dalších metod, které tyto nedostatky více nebo méně odstraňují. Běžně se proto používá automatické svařování pod tavidlem a hlavně svařování v ochranných atmosférách, které do značné míry může nahradit svařování
obalenou elektrodou. Svařování netavící se wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře argonu je vhodné pro některé speciální slitiny.
4.2.
SVAŘOVANÍ PLAMENEM
Tato metoda byla vynalezena koncem minulého století a poměrně brzo dosáhla takového stupně dokonalosti, že do začátku třicátých let byla hlavní a nejrozšířenější metodou tavného svařování v dílenské i v průmyslové praxi. Zdrojem tepla je (až na výjimky) kyslíko-acetylenový plamen. Kyslík (O2) se vyrábí buď destilací kapalného vzduchu nebo elektrolytickým rozkladem vody a dodává se většinou v ocelových lahvích pod tlakem 15 MPa (dnes 20 MPa), nověji také kapalný, přepravovaný ve zvlášť upravených cisternách. Stlačený kyslík je nebezpečný, protože při styku s mastnotou dochází k prudké explosi. Acetylen (C2H2) se vyrábí z karbidu vápníku CaC 2 působením vody (po uvolnění acetylenu zbývá vápenný kal) nebo vysokoteplotním krakováním zemního plynu. Pro svařování je acetylen výhodný tím, že kyslíkoacetylenový plamen dosahuje zvláště vysoké teploty (přes 3100°C) a krom toho správný poměr acetylenu a kyslíku se dá snadno nastavit podle vzhledu plamene (obr. 4.3b) a v průběhu svařování se může zrakem kontrolovat. Acetylen je však velmi nebezpečným plynem, neboť může explodovat v širokém rozmezí koncentrací se vzduchem i kyslíkem a má sklon k samovolnému explosivnímu rozkladu; z těchto důvodů platí pro práci a acetylenem přísné bezpečnostní předpisy. Dodává se v lahvích, naplněných průlinčitou hmotou nasycenou acetonem, ve kterém je acetylen pod tlakem rozpuštěn. Láhev o vodním objemu 40 1 obsahuje asi 5 až 6 kg acetylenu, což je množství, které přibližně odpovídá spotřebě kyslíku ze stejně velké láhve. Protože láhev má hmotnost asi 70 kg a z toho plyn necelou desetinu, je přeprava plynů v láhvích značně neekonomická. Velké podniky mají proto většinou centrální vyvíječ a acetylen rozvádí potrubím na jednotlivá pracoviště. Zařízení pro svařování plamenem je schematicky znázorněno na obr. 4.2 a toto uspořádání je běžné na malém stabilním pracovišti, např. v opravářské dílně anod. Ocelové lahve se stlačenými plyny musí být spolehlivě chráněny proti pádu a dostatečně vzdáleny od pracovního stolu. Na lahvových ventilech jsou připevněny redukční ventily, kterými se tlak plynu v láhvi snižuje na předepsaný pracovní tlak (u kyslíku obvykle na 300 kPa, u acetylenu asi 50 kPa) a udržuje přibližně konstantní i za podmínek kolísavého odběru. Oba plyny se vedou tlakovými hadicemi do hořáku, který má rukojeť s regulačními ventilky a výměnným svařovacím nástavcem s injektorem (nebo mísící komorou) a svařovací hubicí. Tepelný výkon hořáku závisí na velikosti plamene, tj. na množství směsi acetylenu a kyslíku, která prochází otvorem hubice. Protože výstupní rychlost této směsi nelze příliš měnit, závisí výkon hořáku především na průměru otvoru hubice. U většiny souprav se však vyměňuje nejen hubice, ale současně celý svařovací nástavec, který je z praktických důvodů označen číslem vyjadřujícím tloušťku ocelového plechu v milimetrech, pro kterou je určen, např. 1-2, 4-6 apod.
Obr. 4.3: Kyslíko-acetylenový svařovací plamen a technika svařování plamenem. Svařovací plamen (obr. 4.3) Ventilky na hořáku jsou určeny k tomu, aby se jimi regulovalo složení směsi i její výstupní rychlost a tím charakter i velikost plamene. Obojí se v průběhu svařování snadno kontroluje zrakem, podle vzhledu a barvy plamene a podle délky vnitřního kužele. Rozeznávají se tyto druhy plamene: plamen neutrální: vzniká v případě, že se spaluje přibližně stejné množství kyslíku i acetylenu. Vnitřní kužel plamene je ostře ohraničen a nejvyšší teplota, měřená asi 1-2 mm před hrotem tohoto kužele, přesahuje 3100 °C. Vlastní spalování probíhá ve dvou fázích; v prvé se acetylén spaluje nedokonale na směs CO a H 2, která má desoxidační charakter a chrání tekutý kov před vnější atmosférou. Druhé fáze spalování se účastní vzduch, který do plamene postupně proniká a konečným produktem je C0 2 a vodní pára; plamen s přebytkem acetylenu se vyznačuje svítícím závojem kolem vnitřního kužele, obsahujícím volné částice dosud nespáleného uhlíku. Plamen má charakter silně desoxidační a krom toho nauhličuje tekutou ocel. Používá se při svařování hliníku nebo při navařování některých speciálních slitin. Přidáváním kyslíku se závoj zmenšuje a neutrální plamen je seřízen v okamžiku, kdy tento závoj zmizí; plamen s přebytkem kyslíku se získá dalším zvýšením podílu kyslíku
ve směsi; vnitřní kužel se zkrátí, je ostřejší a má namodralou barvu. Plamen s přebytkem kyslíku má oxidační charakter, není vhodný pro ocel, litinu a lehké kovy, dává však dobré výsledky při svařování mosazí (slitin Cu-Zn). Krom správného chemického složení směsi je nutno nastavit při svařování také vhodnou výstupní rychlost plynů z ústí hubice, která musí být vyšší než rychlost hoření směsi, aby plamen nepronikl dovnitř hořáku, případně do hadic nebo láhve.Toto tzv. zpětné šlehnutí je vždy nepříjemné; může být však také nebezpečné, mohou se roztrhnout hadice nebo se začne rozkládat acetylen v láhvi. Hadice pro acetylen se proto běžně opatřuje pojistkou proti zpětnému šlehnutí. Podle výstupní rychlosti se rozlišují tyto druhy plamene (obr. 4.3a):
Ostrý plamen s vysokou výstupní rychlostí plynů má tendenci se odtrhnout od ústí hořáku, případně zhasnout.
Normální plamen má optimální výstupní rychlost a používá se pro většinu prací; hoří klidně a zaručuje nejlepší vzhled svaru.
Měkký plamen má malou výstupní rychlost a proto má značnou tendenci ke zpětnému šlehnutí. Používá se pro tenké plechy z lehkých kovů.
Technika svařování plamenem V praxi je nejběžnější technika "svařování dopředu", vhodná pro plechy nad 3 mm tlusté (obr. 4.3c). Plamenem se roztaví základní materiál a do tavné lázně se přerušovaně ponořuje přídavný materiál; svar musí mít provařený kořen, dostatečné převýšení housenky a hladký povrch s jemnou kresbou. "Svařování dozadu", kdy hořák se pohybuje opačně než směřuje plamen, umožnilo spolehlivě provařit i plechy větší tloušťky; dnes se již nepoužívá a bylo nahrazeno svařováním obloukem, které je produktivnější a dává kvalitnější svary. I když význam svařování plamenem velmi poklesl, jedná se stále o důležitou technologii spojování, používanou zejména při opravách, při svařování trubek menších průměrů a tloušťek stěn apod. Je to metoda velmi univerzální, neboť umožňuje svařovat ocel, litinu, hliník, měď i mosaz, tj. nejběžnější kovy a slitiny. Plamen může být však i zdrojem tepla pro další práce, například pro tvrdé pájení, pro ohýbání nebo rovnání trubek apod. Výměnou svařovacího nástavce za řezací je možno s týmž zařízením i tepelně dělit ocel. Nedostatkem je nízká produktivita, a proto se svařování plamenem v průmyslové praxi již nepoužívá. Výjimkou jsou upravené hořáky, kde současně s plyny prochází hubicí směs kovových prášků a je možno takto nanášet tenké vrstvy o zvláštních vlastnostech. S výhodou se navařením prášků opravují opotřebené kluzné plochy, čepy, hřídele a podobné díly, kde návar větší tloušťky není žádoucí.
4.3.
BODOVÉ A ŠVOVÉ ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ
Řada průmyslových výrobků se zhotovuje z plechových výlisků, výtažků nebo ohýbaných dílů, které se navzájem spojují bodovým nebo švovým svařováním, nahrazujícím dřívější nýtování nebo pájení. Svarový spoj čočkovitého tvaru vzniká při průchodu proudu mezi dvěma elektrodami (obr. 4.4a) roztavením spojovaných materiálů odporovým teplem promísením a opětným ztuhnutím po vypnutí proudu. Proto se obě metody řadí k tavnému svařování. Vynalezeny byly koncem 19. století a od té doby se řadí k nejpoužívanějším dílenským i průmyslovým metodám spojování.
Obr. 4.4: Princip bodového a švového odporového svařování. Při bodovém i švovém odporovém svařování se plechy s řádně očištěnými povrchy vloží mezi dobře vodivé elektrody, které se k sobě přitlačí dostatečnou silou a zavede se do nich proudový impuls. Průchodem proudu přes svařovaný materiál se vyvine teplo (Q = R.I2.t), kterým se materiál na styku obou plechů roztaví; po následné krystalizaci se vytvoří svarová čočka, která má licí strukturu. Při bodovém svařování (obr. 4.4a) mají elektrody tvar válce s kuželovým hrotem a kruhovou dosedací plochou. Po ztuhnutí svarového kovu se elektrody rozevřou, plechy se posunou o předepsanou rozteč a zhotoví se další svar; bodové svařování nahrazuje v tomto případě nýtování, je však levnější, produktivnější a spoj má vyšší pevnost. Švové svařování se používá v případech, kdy spoj musí být těsný, např. u palivových nádržek, u plechových radiátorů apod. Dosáhne se toho tím, že se jednotlivé svarové čočky překrývají. Použijí se v tomto případě kotoučové elektrody (obr. 4.4b), které se otáčejí vhodnou rychlostí a proud se do nich přivádí v pravidelných intervalech. Svařovací proud je při odporovém svařování vysoký, pohybuje se většinou mezi 5000 až 12000 A, zdrojem proudu bývá nejčastěji transformátor, který má sekundární vinutí tvořené jediným závitem. Doba proudového impulsu bývá krátká; u výkonných strojů jsou to setiny až desetina sekundy, u malých dílenských bodovek několik desetin. Přesné spínání těchto krátkých proudových impulsů a jejich synchronizaci s přítlačnou silou elektrody případně s automatickým posuvem svařovaných dílců umožnila až moderní elektronika. Starší stroje pracovaly vesměs s nižšími proudy a s delšími svařovacími časy.
Odporovým teplem se neohřívá jen svařovaný materiál, ale také elektrody. Nadměrným ohřevem by se mohly vyžíhat, změknout a jejich hroty by se pak deformovaly; tím by trpěla jakost svarů. Elektrody se proto vyrábějí většinou z takových slitin, které jsou sice dobře vodivé, ale zachovávají si pevnost a tvrdost i za vyšších teplot. Krom toho se elektrody intenzívně chladí vodou, a tím se podstatně zvyšuje trvanlivost hrotů. Bodové odporové svařování je běžnou metodou svařování v dílenské praxi, kde nejsou tak přísné požadavky na produktivitu a jakost, se používají méně výkonné stroje s jednoduchým ovládáním. V průmyslových závodech převládají výkonná zařízení s programovatelným ovládáním a s možností připojení na řídící počítač. V automobilovém průmyslu se většina bodových svarů zhotovuje pomocí pohyblivých "svařovacích kleští", tj. elektrod na krátkých pohyblivých ramenech se silovou jednotkou a s případně vestavěným transformátorem. Kleště jsou spojeny ohebným kabelem s ovládací a proudovou jednotkou a dají se podle potřeby připevnit na pracovní rameno robota. Na obdobném principu jako svařování bodové je ještě založeno svařování výstupkové. Rozdíl je v tom, že se svařované díly upínají do měděných elektrod tvarovaných podle výrobku a poloha svarů je určena výstupky nebo prolisy (bradavkami) na jednom ze spojovaných dílů. Metoda výstupkového svařování je výkonná, neboť jediným proudovým impulsem se současně zhotoví tolik svarů, kolik bylo výstupků. Jejich počet je omezen maximálním proudem zdroje (který bývá 100 - 250 kA); potřebná přítlačná síla je rovněž vysoká, a proto se tyto stroje nazývají "svařovací lisy". Všechny uvedené metody patří do skupiny metod "tavného" svařování, pro které je charakteristické místní roztavení svařovaného materiálu, vzájemné promísení a následující ztuhnutí tavné lázně. Tavný svar má proto licí (dendritickou) strukturu a mohou se v něm vyskytovat podobné vady jako u odlitků. Tavným svařováním se spojují převážně materiály stejného nebo blízkého chemického složení.
4.4.
SVAŘOVANÍ TLAKEM
Pro svařování tlakem je charakteristické, že podmínkou pro vznik svaru je dostatečně velká tlaková síla, jejímž účinkem se materiál v místě spoje plasticky deformuje. Ohřátím svarových ploch se sníží mezní hodnota síly potřebné pro vznik svaru. Pokud se však vyskytne v místě budoucího svaru tekutá fáze, je nežádoucí a musí se odstranit v průběhu pěchování. Některými metodami je možno zhotovit i přeplátované spoje, ve většině případů se však svařováním tlakem zhotovují tzv. stykové svary, kdy vhodně upravené konce polotovarů se svaří současně v celé styčné ploše. Stykovým svařováním, které je velmi rozšířené, se svařují hlavně strojní dílce, článkové řetězy a nástroje, dále tyče, kolejnice nebo plechy. Až na výjimky vzniká v místě svaru otřep, do něhož se v průběhu svařování přemísťují nečistoty a který se zpravidla u hotového výrobku odstraňuje. Svařování tlakem za studena Tato metoda je pro svařování tlakem nejtypičtější, neboť svar vzniká výhradně působením tlaku, bez jakéhokoliv ohřevu. Princip je znázorněn na obr. 4.5a. Materiál (hliník, měď) je pevně upnut do čelistí (1. fáze); účinkem poměrně vysokého tlaku se deformuje (2. fáze) a materiál mezi čelistmi se včetně nečistot postupně přemísťuje do otřepu. V konečné fázi (3.) se otřep odstraní. Pokud proběhla dostatečně velká deformace a všechny nečistoty se přemístily do otřepu, má svarový spoj pevnost stejnou jako základní materiál. Svařování tlakem za studena se s úspěchem používá ke spojování hliníkových nebo měděných vodičů, také trolejového vedení. Metoda není vhodná pro spojování materiálů o vyšší pevnosti, neboť potřebné tlaky by byly neúměrně vysoké. Svařováním tlakem za studena se mohou zhotovovat také přeplátované spoje; musí se k tomu použít zvláštní tvarované nástroje. V místě svaru je materiál velmi silně deformován.
Obr. 4.5:
Metody stykového svařování.
Stykové odporové svařování stlačením (obr. 4.5b) bylo vynalezeno koncem 19. století. Svařovaný materiál, nejčastěji dráty a tyče menších průřezů, se upne do měděných čelistí, vyvodí se potřebná osová síla a sepne proud. Průchodem proudu se materiál ohřívá (nejvíce na styčné ploše), snižuje se jeho pevnost a začne se plasticky deformovat tak, že nejteplejší a nejméně pevný kov v blízkosti stykových ploch se přemísťuje do otřepu a odnáší s sebou nečistoty. Princip je tedy stejný jako u předchozí metody, díky odporovému ohřevu oblasti svaru se však usnadní plastická deformace. Touto metodou se mohou svařovat i profilové tyče nebo řetězové články. Pro svařování velkých průřezů (kolejnic apod.) se dnes používá výhradně metoda odporového svařování s odtavením, kde se dosáhne rovnoměrnějšího ohřevu celé stykové plochy; zařízení je značně složitější, protože posuv pohyblivé čelisti neprobíhá volně, ale podle předem nastaveného programu. Stykové svařování třením bylo vyvinuto začátkem padesátých let 20. století v SSSR a rychle se rozšířilo ve všech průmyslově vyspělých státech. Součásti jsou upnuty do čelistí, z nichž jedna je pevná, druhá rotující je přitlačována vhodnou osovou silou (obr. 4.5c). Třením se ohřívá plocha styku a materiál včetně nečistot se vytlačuje do otřepu. Jakmile se materiál v místě spoje dostatečně předehřál, rotující čelist se rychle zastaví a zvýšenou pěchovací silou přitiskne k čelisti pevné. Svar má charakteristický tvar otřepu a jeho pevnost je srovnatelná s pevností základního materiálu.
Touto metodou je možno svařovat jen takové výrobky, kde alespoň jedna součást má rotační tvar (kruhová tyč nebo trubka). Spotřeba energie je podstatně nižší než při svařování odporovém a celý proces je plně mechanizován. Popsané metody stykového svařování jsou v praxi nejrozšířenější; kromě nich však existuje řada dalších metod lišících se od předešlých hlavně způsobem ohřevu stykových ploch. Používá se např. ohřev magneticky ovládaným obloukem, plamenem, aluminotermickou reakcí apod.; každá z těchto metod má své přednosti i nedostatky a tím je jejich použitelnost omezena.
4.6.
VADY SVAROVÝCH SPOJŮ, KONTROLA A TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ
Rozvoj svařování umožnil ekonomicky vyrábět složitá a náročná zařízení, na druhé straně však přinesl řadu nových problémů, které se u jiných metod svařování nevyskytovaly. Jsou to hlavně značná vnitřní pnutí v okolí svaru, deformace výrobku, nebezpečí trhlin ve svarovém spoji, strukturní změny a s nimi související zkřehnutí atd. Proto v řadě případů je nevyhovující svařitelnost materiálu faktorem, který omezuje jeho použitelnost. Příčinou potíží je místní ohřev a ochlazení svaru (teplotní cyklus), neboť okolní relativně chladný materiál nedovolí svarovému spoji, aby se volně rozpínal (dilatoval) nebo smršťoval. Za těchto podmínek jsou kladeny vysoké požadavky na plasticitu jak svarového kovu, tak přilehlé vrstvy základního materiálu. Svarový kov, který vznikl krystalizací tavné lázně, má dále licí strukturu a mohou se zde vyskytovat obdobné defekty jako u odlitků, např. plynové dutiny, struskové vměstky nebo trhliny (obr. 4.6a). Základní materiál v blízkosti svarového
Obr. 4.6: Vady svarového spoje kovu je ohřát na teplotu blízkou tavicí a v zápětí prudce chladne, mění se jeho struktura, může nadměrně zhrubnout zrno, může se zakalit nebo se zde mohou vytvořit trhliny různého typu (obr. 4.6b). Podle míry nebezpečí vzniku těchto defektů se posuzuje svařitelnost. Některé defekty však nesouvisí se svařitelností, ale s chybnou prací svářeče, například různé vruby, neprovařený kořen apod. (obr. 4.6c).
Řada potíží při svařování pramení z toho, že po konečném vychladnutí dílu zůstávají ve spoji tzv. zbytková tepelná pnutí, která mohou být tím vyšší, čím větší je pevnost svařovaného materiálu. Navenek se projevují deformací výrobku a pokud s nimi technolog předem nepočítal, má značné komplikace s dodržením tolerance svařence a se stabilitou rozměrů, zejména po obrábění. Zbytková pnutí mohou být také příčinou snížené odolnosti proti korozi. Metalurgická problematika hraje při svařování stejně důležitou roli jako technologická, protože pravděpodobnost vzniku trhlin, mikrotrhlin a dalších defektů je vysoká. V praxi se proto ani nepředpokládá, že by bylo možno zhotovit svar zcela bez jakýchkoliv vad; existující defekty však nesmí ohrozit bezpečnost a funkční spolehlivost výrobku. V souvislosti s tím se rozvinuly dvě samostatné discipliny; především je to defektoskopie, která umožňuje bez porušení materiálu stanovit přítomnost a rozměr vad ve svarovém spoji, např. technikou prozáření spoje RTG paprsky, ultrazvukovou metodou, kapilárními metodami atd.; lomová mechanika je pak vědním oborem, který umožní početně stanovit přípustnou velikost vad na základě experimentálně zjištěných materiálových konstant. Rozsah kontroly svarů musí být tím větší, čím větší je nebezpečí vnitřních defektů, které souvisí nejen se svařitelností, ale také s technologií výroby a s konstrukcí svařence. Pokud se jedná o zařízení, u nichž se vyžaduje zvlášť vysoká provozní bezpečnost, mohou náklady na kontrolu překročit i náklady na svařování. Rozsah nutných zkoušek se obvykle stanovuje na základě matematicko—statistické analýzy. Problematikou zkoušení kvality svarových spojů se komplexně zabývají ve strojírenských závodech odbory řízení jakosti, pod které spadá technická kontrola, zkušebny a laboratoře. Vlastnosti svařovaných výrobků je možno zlepšit vhodným tepelným zpracováním, které může být součástí technologického postupu svařování, např. předehřev, řízené ochlazování apod. Takto lze zmenšit tepelná pnutí i nebezpečí tvorby trhlin, případně zamezit zakalení svarového spoje apod. Svařené díly se mohou dodatečně žíhat na snížení zbytkových pnutí nebo se může žíháním příznivě ovlivnit struktura a zlepšit houževnatost spoje. Výjimečně se svařené díly kalí a popouštějí, např. svařované nástroje.
4.7.
ZÁKLADY PÁJENÍ
Pájení je metoda nerozebíratelného spojování dvou nebo více dílů kovem nebo slitinou o tavicí teplotě zřetelně nižší než mají pájené materiály. Pevnost pájky bývá obvykle také nižší, při vhodném konstrukčním uspořádání spoje a při správném provedení může být jeho pevnost srovnatelná se základním materiálem. Pájet lze bez problémů materiály odlišného složení, nebezpečí deformací je malé a postup lze automatizovat. Pájky Od pájky se vyžaduje, aby měla vhodnou tavicí teplotu, dobře smáčela očištěný kovový povrch a nevytvářela se základním materiálem křehké sloučeniny. Většina pájek jsou slitiny dvou a více kovů, výjimečně jsou to čisté kovy, např. měď a cín. Podle tavicí teploty se dělí do dvou skupin:
měkké pájky mají tavicí teplotu nižší než 450 °C a současně i nižší pevnost.Jsou to většinou slitiny Pb-Sn, méně často obsahují Zn, Cd, Bi, Ag a další. Hlavní oblastí použití je elektrotechnika a výroba spotřebního zboží;
tvrdé pájky mají tavicí teplotu vyšší než 450 °c a jsou pevnější než pájky měkké. Nejpoužívanější ve strojírenské výrobě je pájka měděná, která má malou viskozitu a dobře proniká i do velmi úzkých mezer. Tavicí teplotu má 1083 °C a je vhodná pro tzv. kapilární pájení ocelových součástek. Mosazné pájky (Cu-Zn) mají nižší tavicí teplotu a vyšší viskozitu; jsou vhodné pro pájení mědi i ocelí. Ještě nižší tavicí teplotu mají tzv. stříbrné pájky, které obsahují 15 až 45% Ag a zbytek bývá Cu, Zn nebo Cd. Jsou velmi kvalitní, širšímu použití však brání vysoká cena. Pro tvrdé pájení hliníku
a jeho slitin je určena pájka Al-Si 12, kterou lze pájet za teploty asi 580 °C. Technologie pájení Podmínkou dobré jakosti spoje je dokonalá čistota pájených ploch, na kterých nesmí zůstat žádná mastnota ani oxidy. Po mechanickém očištění se povrch odmastí a podle potřeby ještě čistí chemicky. Aby se zabránilo dodatečné tvorbě oxidů během ohřevu na pájecí teplotu, pokrývá se povrch tavidlem, které tyto oxidy nebo jejich zbytky redukuje nebo rozpouští. Při pájení v peci může tavidlo nahradit redukční atmosféra.
Obr. 4.7: Zajištění polohy pájených dílů a dávkování pájky. Očištěné díly se před pájením slícují a jejich poloha se musí zajistit tak, aby se při další manipulaci a ohřevu nemohla změnit. Používá se nalisování, lemování, pomocný nýt, pomocný svar (obr. 4.7) apod., v sériové výrobě také vhodný přípravek. Pájka se musí nanášet jen v nezbytně nutném množství, neboť její cena bývá značná: 1 kg stříbrné pájky stojí více než 8.000,- Kč. Buď se mezi pájené plochy vkládá tenký plíšek nebo přikládá tvarovaný drát případně nanáší pasta (obr. 4.7). Tím je dílec připraven a následuje ohřev na pájecí teplotu. Při pájení strojních dílů se v sériové výrobě používá obvykle ohřev v peci, nejčastěji průběžné s redukční atmosférou, méně často ohřev indukční. V dílenské praxi a při opravách se používá ohřev plamenem (tvrdé pájení) nebo pájedlem (měkké pájení). Ohřívat se může i jinými způsoby, např. ponořením do roztavené pájky (nebo tavidla), infrazářičem apod. Vlastní ohřev má být rychlý a rovnoměrný, neboť. delší prodleva na vyšší teplotě obvykle zhoršuje kvalitu spoje. Pokud se použila velmi účinná, ale agresivní tavidla, je nezbytné jejich zbytky pečlivě odstranit, protože působí korozivně; odstraňování zbytků tavidla je pracné a nákladné.
4.7.
ZÁKLADY TEPELNÉHO DĚLENÍ
Řezání kyslíkem (obr. 4.8a) Souběžně s vývojem zařízení pro svařování plamenem byl objeven princip řezání kyslíkem. Zjistilo se, že nízkouhlíková ocel předehřátá na teplotu asi 1200 °C, tj. nižší než tavicí teplotu, se spaluje v proudu kyslíku, který současně vyfukuje ze vznikající mezery tekuté oxidy železa.
Obr. 4.8: Tepelné dělení a) řezání kyslíkem b) drážkování uhlíkovou elektrodou c) protavování obalenou elektrodou Původní řezací hořáky měly oddělenou předehřívací hubici, kterou proudila směs kyslíku s acetylenem a za ní následovala řezací hubice, kterou proudil řezací kyslík. Tyto hořáky jsou sice velmi spolehlivé, hodí se však jen na přímé řezy. Pokud se mají kyslíkem řezat z plechu tvarové díly, musí mít předehřívací hubice otvor ve tvaru mezikruží nebo několika menších otvorů rozmístěných kolem otvoru pro kyslík (obr. 4.8a). Řezání kyslíkem je proti řezání pilou nebo jiným metodám mechanického dělení neobyčejně výkonné. Při strojním vedení řezacího hořáku se dosahuje velmi dobré jakosti řezné plochy a dobré rozměrové přesnosti. Tvarové díly se řežou na strojích, kde je pohyb hořáku řízen nejčastěji opticky (světelný paprsek snímá tvar z výkresu), nověji numericky s řídícím počítačem. Řezání kyslíkem nelze použít pro nerezavějící oceli ani pro hliník, kde se dnes uplatňuje hlavně tepelné dělení plazmovým paprskem o nadzvukové výstupní rychlosti. Drážkování obloukem (obr. 4.8b) U důležitých svarů je předepsáno dokonalé provaření kořene. Dosáhne se toho tak, že se kořenová strana spoje vydrážkuje a znovu zavaří. Původně se drážkovalo pneumatickým sekáčem, později kyslíkem a dnes většinou obloukem uhlíkovou elektrodou a stlačeným vzduchem. Obloukem se roztaví kov a tekutý materiál se proudícím vzduchem odstraní (vyfoukne). Metoda je mimořádně produktivní a začíná se uplatňovat i při čištění povrchu odlitků apod.
Destrukční řezání (obr. 4.8c) Pokud je nutno rozřezat nepotřebné (vyřazené) díly na menší kusy, aby je bylo možno naložit na dopravní prostředek, postačí v krajním případě řezání obloukem. Tlustě obalená elektroda (nejlépe s kyselým obalem) se proudově přetíží a řídce tekutý roztavený kov se neudrží v mezeře a odkapává na zem. Jakost řezu je velmi špatná, postup je však rychlejší než řezání pilou nebo odvrtávání. Je také možno s výhodou použít dutou elektrodu (trubičku), kterou se fouká kyslík; výkon je podstatně vyšší. Pro všechny metody tepelného dělení je typická vysoká produktivita ve srovnání s mechanickým řezáním, odvrtáváním nebo frézováním. Z těchto důvodů se stávající metody zdokonalují a nové vyvíjejí. Tepelné dělení může být prvou operací ve strojírenské výrobě, neboť se takto připravuje materiál pro další zpracování, může být i poslední operací, když se vyřazené zařízení takto likviduje do šrotu. Použití tepelného dělení v praxi Ve výrobní praxi převládají řezání kyslíkem, řezání plasmovým hořákem a drážkování obloukem uhlíkovou elektrodou. Uvedené metody se s výhodou uplatní v těch případech, kdy nelze materiál stříhat na nůžkách, neboť výkonem převyšují strojní mechanické řezání nejméně desetinásobně. Bývají nejčastěji zařazeny jako přípravné operace; oddělují se takto z plechů díly určené k dalšímu tváření, zhotovují tvarové výpalky, které se budou dále obrábět nebo svařovat; nahrazují frézování nebo hoblování při přípravě svarových ploch, hlavně úkosů pro V-svary apod. Ve slévárnách oceli se tepelným dělením odřezávají nálitky, neboť jejich strojní odřezávání by bylo příliš zdlouhavé. Drážkování uhlíkovou elektrodou se běžně používá při drážkování kořene svaru, ale s výhodou také k odstraňování některých povrchových vad odlitků, hlavně připečeného písku, zadrobenin apod., kde běžné metody čištění selhávají a broušení je příliš nákladné. Existují ještě další technologie tepelného dělení, např. pomocí LASERu nebo svazku elektronů lze materiál obrábět, vrtat apod., nepatří však prozatím k technologiím běžným; jsou však v některých případech nenahraditelné. Dají se takto do obtížně obrobitelných materiálů "vyvrtat" stovky malých otvorů během několika sekund, proříznout úzké drážky apod., Příslušná zařízení jsou však velmi složitá a nákladná. 4.8.
TYPY TAVNÝCH SVARU A JEJICH STRUKTURY
Tavné svařování je ve strojírenství a v řadě dalších odvětví nejrozšířenější metodou spojování, neboť se takto mohou svařovat tenkostěnné součástky i rozměrné tlustostěnné výrobky, existuje široký výběr přídavných materiálů a svařovací zařízení jsou běžně dostupná i pro malé výrobní podniky a dílny. Z tavných svarů se nejčastěji používají svary tupé a koutové, znázorněné na obr. 4.9. Správně zhotovený tupý svar (obr. 4.9a) musí mít řádně provařený kořen, povrch krycí housenky (líc svaru) musí být hladký, mírně převýšený, s bezvrubým přechodem do základního materiálu. Svarový kov spoje musí být bez defektů a s odpovídající strukturou. Na obrázku jsou čárkovaně vyznačeny původní svarové plochy, které se účinkem vneseného tepla roztavily; vzdálenost mezi nimi a hranicí tavení odpovídá hloubce závaru. Současně s
tavením svarového kovu spoje se ohřívá přiléhající základní materiál a v teplem ovlivněné oblasti se více nebo méně mění jeho struktura a vlastnosti, např. hrubne zrno, materiál křehne, sníží se odolnost proti korozi apod.; někdy je proto nutné svařený díl dodatečně tepelně zpracovat. Dobře provedené tupé svary jsou příznivě namáhané a mají vlastnosti srovnatelné se základním materiálem.
Obr. 4.10: Struktury tupých, koutových a přeplátovaných svarů.
Koutovými svary se spojují především díly vzájemně kolmé, například žebra, pásnice se stojinou apod. Ve tvaru vyznačeném na obr. 4.10b vyžadují tyto svary minimální přípravu a hojně se používají; méně příznivé jsou však po stránce rozložení napětí; neprovařený kořen působí jako vrub a snižuje pevnost spoje, zejména pokud je namáhán proměnným zatížením. Obtížné je také zhotovit bezvrubý přechod svaru do základního materiálu. Hloubka závaru se u koutových svarů může značně lišit podle toho, jaká se použila metoda a jaké parametry svařování; vlivem toho se při stejném vnějším rozměru svaru může podstatně lišit efektivní nosný průřez svaru. Z těchto i jiných důvodů se svary často kontrolují metalograficky, tj. svarový spoj se v příčném směru rozřízne, vybrousí a naleptáním se zviditelní jeho struktura. Touto technikou se dá nejen zjistit hloubka závaru, ale také řada dalších detailů, například počet a postup kladení jednotlivých vrstev, průřez svarových housenek, šířka teplem ovlivněné oblasti, velikost zrna i přítomnost některých defektů.
Řada dalších strukturních detailu je znázorněna na obr.4.10. V praxi se používá mnohem více typů tavných svarů, než je znázorněno na obrázku 4.10; při volbě záleží nejen na tloušťce stěn a rozměrech dílu, ale také na způsobu namáhání a na řadě dalších okolností. Ve výkresové dokumentaci se jednotlivé typy svarů běžně označují symboly (viz obr. 4.11), mnohdy je však nutno detailně zakreslit přesný tvar svarových ploch, hlavně v případech, kdy se podstatně liší od tvaru doporučeného normou. K těmto odchylkám dochází hlavně proto, že se technologie svařování v posledních letech prudce rozvíjejí. Pro tyto nové technologie se hledají tvary spojů optimální z hlediska pevnostního i ekonomického.
