MAG Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Svařování ocelí metodou MIG/MAG Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

Ing. Jiří Votava, Ph.D.

Ondřej Marvánek Brno 2010

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma svařování ocelí metodou MIG/MAG vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.

dne………………………………. Podpis …..……………………….

Poděkování Rád bych touto cestou poděkoval svému vedoucímu práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D., za pomoc a cenné připomínky při zpracování. Také Tomáši Marvánkovi za pomoc s překladem abstraktu.

Abstrakt Tato práce pojednává o metodě svařování MIG/MAG. V první fázi práce se zabývám základním rozdělením, svářecím obloukem a přenosem kovu v něm, dále pak věnuji pozornost ochranným plynům a přídavným materiálům. V další části jsem popsal, které materiály jsou vhodné pro svařování touto metodou, zejména svařování hliníku. Také jsem se zaměřil na tepelně ovlivněnou oblast. V závěru práce jsem v praxi porovnal svařování elektrickým obloukem obalovanou elektrodou a metodou MAG, kde jsem pomocí metalografického výbrusu svarů porovnal jejich makro a mikro strukturu a vyhodnotil mikrotvrdost struktury vzorků.

Klíčová slova Metoda MIG/MAG, svařování, ocel, ochranný plyn, tepelně ovlivněná oblast Abstract This paper discusses a method MIG / MAG. In the first phase of work I am dealing with the basic division, arc welding and metal transfer in it, then I am dealing with a protective gases and auxiliary materials. In the next section I am describing the materials, that are suitable for welding by this method, especially aluminium welding. I also focused on the heat-affected zone. Finally, I compared in the practice arc welding, using coated electrodes, and MAG, where I was comparing their macro and micro structure on scratch pattern and I evaluated the microhardness of the samples structure. Key Words MIG / MAG welding, steel, shielding gas, heat-affected zone

OBSAH 1 ÚVOD.............................................................................................................................6 2 SVAŘOVÁNÍ MIG/MAG..............................................................................................6 2.1 Princip svařování MIG/MAG.................................................................................6 2.2 Výhody metody MIG/MAG...................................................................................8 2.3 Svářecí oblouk MIG/MAG.....................................................................................8 2.3.1 Zapálení oblouku MIG/MAG.........................................................................9 2.4 Svářecí proces MIG/MAG......................................................................................9 2.5 Přenos kovu v oblouku..........................................................................................10 2.5.1 Zkratový přenos...........................................................................................10 2.5.2 Bezskratový přenos.......................................................................................10 2.5.2.1 Sprchový přenos....................................................................................10 2.5.2.2 Impulsní přenos.....................................................................................11 2.5.2.3 Přenos rotujícím obloukem....................................................................11 2.6 Ochranné plyny.....................................................................................................11 2.6.1 Ochranný plyn ovlivňuje tyto charakteristiky svařování..............................12 2.6.2 V součastnosti používané chranné plyny při svařování MIG/MAG ............12 2.6.3 Vliv plynu na stabilitu oblouku.....................................................................13 2.6.4 Vliv plynů na přenos tepla a profil svarová housenky.................................14 2.6.4.1 Metoda MIG..........................................................................................14 2.6.4.2 Metoda MAG.........................................................................................14 2.6.5 Nastavení průtoku ochranného plynu............................................................15 2.7 Zařízení pro svařování metodou MIG/MAG........................................................15 2.7.1 Zdroje pro svařování metodou MIG/MAG...................................................16 2.7.2 Rozdělení jednotlivých typů zdrojů..............................................................17 2.7.3 Podavač drátu................................................................................................18 2.7.4 Svařovací hořák.............................................................................................18 2.7.5 Technické vybavení moderních svářecích zdrojů.........................................19 2.8 Přídavné materiály pro svařování metodou MIG/MAG.......................................20 2.8.1 Základní funkce přídavného materiálu..........................................................20 2.8.2 Základní vlastnosti přídavného materiálu.....................................................21 2.8.3 Plněné dráty pro svařování v ochranných atmosférách.................................21 2.8.4 Označení přídavných materiálů.....................................................................21

3 MATERÁLY VHODNÉ PRO SVAŘOVÁNÍ METODOU MIG/MAG......................22 3.1 Nízkouhlíková ocel...............................................................................................22 3.1.1 Hrubé plechy.................................................................................................22 3.1.2 Tenké plechy..................................................................................................22 3.2 Nelegovaná a nízkolegovaná ocel.........................................................................22 3.3 Vysokolegované oceli...........................................................................................23 3.3.1 Plyny vhodné pro svařování vysokolegovaných ocelí..................................24 3.4 Austenitické vysokopevnostní žáropevné oceli....................................................24 3.5 Precipitačně vytvrzené oceli.................................................................................25 3.6 Svařování hliníku a jeho slitin..............................................................................25 3.6.1 Slitiny hliníku tepelně nezpracované............................................................27 3.6.2 Slitiny hliníku tepelně zpracované................................................................27 3.6.3 Volba přídavných materiálů...........................................................................27 4 TEPELNĚ OVLIVNĚNÁ OBLAST............................................................................27 4.1 Metalurgický výpočet...........................................................................................29 5 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST........................................................................................32 5.1 Svařování elektrickým obloukem.........................................................................32 5.1.1 Metalografické vyhodnocení svaru metodou elektrického oblouku.............33 5.2 Svařování metodou MAG.....................................................................................35 5.2.1 Metalografické vyhodnocení svaru zhotoveného metodou CO2..................36 5.3 Stanovení mikrotvrdosti jednotlivých strukturálních fází.....................................38 6 ZÁVĚR.........................................................................................................................40 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURA..........................................................................41 8 SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................42

1

ÚVOD Svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu MAG patří vedle svařování

obalenou elektrodou v celosvětovém měřítku k nejrozšířenějším metodám pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Svařování MIG v inertním plynu získává na důležitosti vlivem růstu objemu konstrukcí, staveb, lodí a dopravních prostředků vyráběných z hliníkových slitin. [1] Vývoj svařovacích postupů MIG/MAG je možno datovat od roku 1947, kdy byly v USA uvedeny na trh první použitelné přístroje pro tuto svařovací techniku. V té době se tato technologie označovala jako svařování S.I.G.M.A., což byla zkratka názvu “Shielded Inert Gas Metal Arc”(oblouk chráněný inertním plynem), odpovídající dnešnímu označení “Svařování MIG”. V roce 1952 použili ruští technici ke svařování poprvé plyn CO2 (kysličník uhličitý), čímž vzniknul dnešní svařovací postup MAG. Tento postup se prosadil také u nás, a to nejprve pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. S poklesem ceny argonu se v 60. letech začaly používat směsné plyny, které se uplatňovaly stále více, až umožnily, spolu s odpovídající technologií svařovacích zdrojů, zavedení dnešních technicky dokonalých svařovacích postupů MIG/MAG. [2]

2

SVAŘOVÁNÍ MIG/MAG

2.1 Princip svařování MIG/MAG Svařování metodou MIG/MAG obr.1 je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu. Napájení drátu elektrickým proudem je zajištěno třecím kontaktem v ústí hořáku tak, aby elektricky zatížená délka drátu byla co nejkratší. Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači hořáku, nebo kombinací systémů z cívky o běžné hmotnosti 15 kg.

Proudová hustota je u svařování MAG

nejvyšší ze všech obloukových metod a dosahuje až 600 A.mm-2. Svařovací proudy se pohybují od 30 A u svařování tenkých plechů drátem o průměru 0,6 – 0,8 mm, až do 800A u vysokovýkonných mechanizovaných metod. Charakter přenosu kovu obloukem závisí na parametrech svařování a ochranném plynu, přičemž běžný je zkratový pro tenké plechy a sprchový pro větší tloušťky plechů. U vysokých proudů se mění charakter přenosu kovu obloukem a vlivem elektromagnetických sil se dosahuje 6

rotujícího oblouku.

Teplota kapek se při MAG svařování pohybuje v rozmezí

1700 až 2500 °C a teplota tavné lázně se v závislosti na technologii, parametrech svařování, chemickém složení a vlastnostech materiálu pohybuje mezi 1600 až 2100 °C. [1] − Svařování MIG (METAL INERT GAS), používá se výlučně inertní (chemicky nereagující) plyn argon nebo směs argonu s héliem. − Svařování MAG (METAL ACTIVE GAS), požívají se tzv. aktivní plyny převážně oxidačního charekteru, např. oxid uhličitý CO2 nebo směs plynů na bázi argonu (Ar + CO2 nebo Ar + O2). [4]

Obr. 1 Princip svařování MIG/MAG [3] 1. svařovaný materiál

6. kontaktní průvlak

2. elektrický oblouk

7. přídavný drát

3. svar

8. podávací kladky

4. plynová hubice

9. zdroj proudu

5. ochranný plyn

7

2.2 Výhody metody MIG/MAG •

svařování ve všech polohách od tloušťky materiálu 0,8 mm,

•

minimální tvorba strusky,

•

přímá vizuální kontrola oblouku a svarové lázně,

•

vysoká efektivita, úspory nedopalků tzv. nekonečným drátem,

•

snadný start oblouku bez nárazu svařovacího drátu do svařence,

•

velmi dobrý profil svaru a hluboký závar,

•

malá tepelně ovlivněná oblast především u vysokých rychlostí svařování,

•

vysoká proudová hustota,

•

vysoký výkon odtavení,

•

široký proudový rozsah pro jeden průměr drátu,

•

stabilní plynová ochrana v různých variantách umožňující diferencované typy přenosu kovu v oblouku a ovlivnění mechanických vlastností svarů,

•

nízká pórovitost,

•

malý nebo žádný rozstřik kovu elektrody,

•

aplikace metody u robotizovaných a mechanizovaných systémů svařování. [1]

2.3 Svářecí oblouk MIG/MAG Základní podmínkou pro realizaci svařování MIG/MAG je zabezpečení optimální délky oblouku během celého svářecího procesu. Tyto požadavky jsou splněny, když rychlost podávaní drátu elektrody(ve) se rovná rychlosti jejího odtavování(vo). [4] Svářečská praxe však potvrzuje, že na splnění těchto požadavků nejsou vytvořené vhodné podmínky. Vyžaduje se proto vždy vhodný regulační systém délky oblouku, založený nejčastěji na samo-regulaci délky oblouku svářecím zdrojem (vhodný pro drátové elektrody malých průměrů – do 2 mm) nebo speciálním elektronickým systémem (pro drátové elektrody větších průměrů než 2 mm). Některý z uvedených systémů samoregulace délky oblouku využívají dnes už všechny sériově vyráběné zařízení MIG/MAG. [4] Svářecí oblouk MIG/MAG je zvláštní formou elektrického výboje v plynech. Specifičnost oblouku MIG/MAG vyplývá ze skutečnosti, že plynné prostředí, v kterém dochází k trvalému elektrickému výboji, tvoří ne jen použitý ochranný plyn, ale i páry kovů nacházející se v základním a přídavném materiálu. 8

Další charakteristickou vlastnosti svářecího oblouku MIG/MAG je, že stabilně hoří jen při přesně definovaném rozsahu parametrů svařování (při optimální velikosti svářecího proudu a napětí na oblouku pro daný druh a průměr tavící se elektrody). Optimální rozsahy parametrů uvádí výrobce v prospektech dodávaných ke svářecímu zařízení, a to v tabulkové nebo grafické formě. Mimo tento rozsah parametrů je oblouk MIG/MAG nestabilní nebo zhasíná. 2.3.1

Zapálení oblouku MIG/MAG Oblouk zapalujeme nejčastěji zkratem – dotykem pohybujícího se drátu s

povrchem svařovaného materiálu. Podmínky na zapálení oblouku závisí na těchto činitelých: a) na ionizační energii použitého plynu, b) na druhu a průměru tavící se elektrody, c) na druhu a teplotě základního materiálu, d) na statických a dinamických charakteristikách svářecího zdroje, e) na druhu proudu a polaritě na tavící se elektrodě, f) na velikosti svářecího proudu. Trvalý ionizační proces – svářecí oblouk MIG/MAG a jeho stabilitu po zapálení významně ovlivněje i tepelná vodivost ochranného plynu. Čím menší tepelnou vodivost má použitý ochranný plyn, tím snadněji se zabezpečí trvalý ionizační proces. Ten se totiž po zapálení oblouku realizuje na principu termoionizace. [4]

2.4 Svářecí proces MIG/MAG Při svařování MIG/MAG se vyskytují různé poruchové veličiny, které mohou výrazně ovlivnit stabilitu oblouku MIG/MAG a tím současně i stabilitu svářecího procesu MIG/MAG. Nejčastějšími vyskytující se poruchové veličiny při svařování MIG/MAG jsou: a) změna délky oblouku vyvolaná nepravidelností povrchu svařovaného materiálu, b) změna délky oblouku způsobená nepravidelným podáváním drátu elektrody, c) rozdílná šířka mezery ve spoji, d) nesprávná poloha hořáku vůči místu svaru, e) deformace svařovaných dílů vznikající během svařování, f) chyby základních a přídavných materiálů. [4]

9

2.5 Přenos kovu v oblouku Přenos kovu v oblouku patří mezi základní charakteristiky metody svařování elektrickým obloukem tavící se elektrodou a závisí především na svařovacích parametrech tj. proudu a napětí. Významně však jeho charakter ovlivňuje složení ochranného plynu, druh přídavného materiálu a technika svařování.[1] 2.5.1

Zkratový přenos Přenos kovu v oblouku, při kterém jednotlivé kapky tavící se elektrody

způsobují zkrat mezi elektrodou a svarovou lázní.[3] Je definován nízkým napětím na oblouku (max. 22V) a malou proudovou hustotou tavící se elektrody (celkový svařecí proud většinou není vyšší než 200A). Přenos tohoto typu má dvě časově vymezené fáze – start a hoření oblouku. Ve fázi startu se ohřívá převážně drát (tavící se elektroda), ve fázi hoření oblouku zase základní materiál. [4] 2.5.2

Bezskratový přenos Přenos kovu v kapkách, které se oddělují od elektrody bez způsobení skratu

mezi elektrodou a svarovou lázní. Používá se při vysokém napětí na oblouku (25 až 35V). [3]

Obr. 2 Sprchový oblouk [1] 2.5.2.1 Sprchový přenos Při vysoké proudové hustotě tavící se elektrody, vyšší než je mezní proudová hustota, jde o přenos drobných kapek oddělujících se od konce tavící se elektrody přednostně působením elektromagnetických sil. Metoda znázorněna na obr. 2 [4] 10

2.5.2.2 Impulsní přenos Impulsní přenos obr.3 využívá stejnosměrný proud pulzující mezi dvěmi hodnotami svářecího proudu (základním a impulzním) nastavená frekvence (nejčastěji 25 až 100 Hz). Podmínkou jeho realizace jsou správné hodnoty nastavení základního proudu (proudová hustota je nižší než mezní proudová hustota) a impulzního proudu (proudová hustota je vyšší než mezní proudová hustota pro daný druh a průměr elektrody a druh použitého ochranného plynu). [4] 2.5.2.3 Přenos rotujícím obloukem Realizuje se při zvláště vysoké proudové hustotě (výrazně vyšší než mezní proudová hustota). Intenzivním silovým magnetickým polem je konec drátu ve vysoce plastickém stavu roztáčen a odtavující se kapky kovu vytváří kuželovou plochu. Rotující oblouk obr. 3 umožňuje velmi dobrý závar do boků svarové plochy a vytváří se hluboký a široký svar s výrazně miskovitým profilem. [1]

Obr. 3 Rotující oblouk [1]

2.6 Ochranné plyny Ochranné plyny jsou nedílná a velmi důležitá součást metody svařování tavící se elektrodou v ochranných plynech. Základním úkolem ochranných plynů je ochrana tavné lázně před vlivy okolní atmosféry. Přítomnost vzduchu způsobuje oxidaci a nitridaci svarového kovu, které výrazně zhoršují mechanické vlastnosti svarových spojů. Ochranné plyny svou ionizační schopností umožňují stabilní hoření elektrického oblouku a přispívají k přenosu tepelné energie do svaru. V tab. 1 vidíme rozdělení dle ochranného plynu. [1]

11

Tab. 1. Rozdělení dle druhu ochranných plynů Inertní ochranné plyny (MIG)

Aktivní ochranné plyny (MAG)

Jednosložkové ochranné plyny

Argon (Ar)

Kysličník uhličitý (CO2)

Směsné ochranné plyny

Argon + Hélium (He)

Argon + kysličník uhličitý Argon + kyslík (O2) Argon + kysličník uhličitý + kyslík

Materiály

Svařování neželezných kovů

Svařování ocelí

2.6.1

Ochranný plyn ovlivňuje tyto charakteristiky svařování

•

vytvoření ionizovaného prostředí pro dobrý start a hoření oblouku,

•

metalurgické děje v době tvoření kapky, při přenosu kapky obloukem a ve svarové lázni,

•

síly působící v oblouku,

•

tvar a rozměry oblouku,

•

charakter přenosu kovu v oblouku, tvar a rozměry kapek a rychlost jejich přenášení obloukem,

•

tvar a rozměry průřezu svaru,

•

hladkost povrchu svaru a jeho přechod na základní materiál,

•

kvalitu, celistvost a mechanické vlastnosti svarového spoje.[1]

2.6.2

V součastnosti používané chranné plyny při svařování MIG/MAG V současnosti

se

na

ochranu

oblouku

používají

jednosložkové

nebo

vícesložkové plyny. Podle charakteru se ochranné plyny projevují neutrálním, oxidačním nebo nauhličujícím vlivem na svarovou lázeň. Při volbě ochranného plynu spolurozhodují technické a ekonomické ukazatele. V minulosti se používaly jednosložkové plyny především ekonomicky výhodný CO2 , ale v současnosti jsou velmi rozšířené směsi

argonu s oxidem uhličitým nebo kyslíkem. V tab. 2 jsou

ochranné plyny rozděleny podle chemického účinku na svarový kov na několik skupin inertní, redukční, oxidační a nereagující. [1]

12

Evropská norma EN 439 definuje způsob označování technických plynů podle základních skupin a podskupin. Tato norma musí být dnes respektována všemi výrobci a dodavateli plynů. Tab. 2. Rozdělení plynů dle chemického charakteru – norma ČSN EN 439 [1] Označení

Prvky v procentuálním objemu

Skup. Id.

Oxidační

číslo CO2

R

O2

1 2

I

1 2 3 M1 1 0 až 5 2 0 až 5 3 0 až 3 4 0 až 5 0 až 3 M2 1 0 až 25 2 3 až 10 3 0 až 5 3 až 10 4 0 až 25 0 až 8 M3 1 25 až 50 2 10 až 15 3 5 až 50 8 až 15 C 1 100 2 zbytek 0 až 30 Pozn. PAW – svařování plazmou 2.6.3

Inertní Ar He zbytek zbytek 100 100 zbytek 0 až 96 zbytek 0 až 5 zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek zbytek

Typické použití

Redukční H2 0 až 15 0 až 35

Pozn.

Redukční WIG, PAW Ochrana Kořene MIG Inertní WIG PAW MAG Mírně oxidační

Silně oxidační

Vliv plynu na stabilitu oblouku Při svařování tavící se elektrodou musí být zabezpečeno stabilní hoření oblouku

při všech typech přenosu kovu. Čistý argon má dobrou ionizační schopnost, ale není vhodný pro svařování běžných konstrukčních ocelí, protože oblouk hoří neklidně a kvalita svaru je nízká. Pro kvalitní svařování ocelí jsou nutné oxidační reakce, které zaručí čistý svarový kov s dobrými mechanickými vlastnostmi bez pórů, spolehlivý průvar nepravidelnou kresbou svarové housenky. Z těchto důvodů je malá příměs CO2, nebo kyslíku nutná i při svařování korozivzdorných chromniklových ocelí.[1] Argon se používá pro svařování neželezných kovů, kde i minimální oxidace není přípustná. 13

Oxid uhličitý má relativně obtížnou ionizační schopnost, horší zapalovaní oblouku a průběh hoření oblouku je charakteristický ostrým praskavým zvukem při oddělování kapek. Vyžaduje také vyšší ionizační napětí než argon. Výhody obou plynů se využívají ve směsích, kde oblouk hoří s vysokou stabilitou a pravidelností. [1] 2.6.4

Vliv plynů na přenos tepla a profil svarová housenky Ochranné plyny mají různou tepelnou vodivost obr. 4 , která má výrazný vliv na

přenos tepla do svaru a tím i na profil svarové housenky. [1] 2.6.4.1 Metoda MIG Při svařování touto metodou se nízká tepelná vodivost argonu dá zvýšit přidáním helia především pro svařování tlustostěnných plechů ze slitin hliníku a mědi. Heliem se zvyšuje také proudová hustota a tím i množství přenášeného tepla do svaru. Profil housenky je při použití helia hluboký i bez předehřevu svařence. Čistý argon se pro svařování vysokolegovaných ocelí již nedoporučuje, poněvadž

v argonu se

dosahuje pouze mělký závar s hlubokým závarem v ose oblouku. Rychlé tuhnutí taveniny ve spodní části bývá příčinou výskytu vměstků a neprůvaru. [1] 2.6.4.2 Metoda MAG Při svařování v čistém oxidu uhličitém je přenos tepla velmi dobrý a přispívá k dosažení hlubokého a širokého profilu oválné svarové housenky. Při vyšších svařovacích parametrech hrozí nebezpečí vzniku vrubů a při velkých ochlazovacích rychlostech mohou ve středu svaru vznikat trhliny. [1]

Obr. 4 Tepelná vodivost komponentů ochranných plynů. [1] 14

2.6.5

Nastavení průtoku ochranného plynu Odběr plynu z láhve se provádí pomocí redukčního ventilu a průtokoměru

doplněného jemným regulačním ventilem. Odtud proudí plyn spojovací hadicí k magnetickému ventilu v podavači drátu a následně hadicovým vedením k hořáku. Výše zmíněným jemným ventilem lze nastavit požadovaný průtok a na průtokoměru odečíst jeho hodnotu. Platí základní pravidlo, které říká, že průtok plynu v l*min-1 má být 10-ti až 12-ti násobkem průměru drátu udávaného v mm. Např. drát 1,2 mm: cca 12 – 14 l*min-1. [2]

2.7 Zařízení pro svařování metodou MIG/MAG Svařovací zařízení mohou být monofunkční pouze pro MIG/MAG svařování, nebo multifunkční a zahrnovat i metody svařování WIG a ruční svařování obalenou elektrodou. [1] Základní nutné vybavení pro svařování metodou MIG/MAG obr. 5 zahrnuje tyto jednotlivé komponenty: •

zdroj svařovacího proudu s řídící jednotkou,

•

podavač drátové elektrody,

•

svařovací hořák,

•

multifunkční kabel hořáku s rychlospojkou,

•

uzemňovací kabel se svorkou,

•

zásobník ochranného plynu s redukčním ventilem. [1]

Obr. 5 Základní schéma svařování metodou MIG/MAG [1] 15

1 – elektrický oblouk, 2 – drátová elektroda, 3 – zásobník drátu, 4 – podávací kladky, 5 – rychloupínací spojka,

6 – hořákový kabel, 7 – svařovací hořák, 8 – zdroj

svařovacího proudu, 9 – kontaktní svařovací průvlak, 10 – ochranný plyn, 11 – plynová tryska, 12 – svarová lázeň. V závislosti na výkonu, složitosti, náročnosti a požadavcích výroby mohou být dnešní výkonné moderní zařízení vybaveny těmito dalšími technickými doplňky: •

chladící jednotka pro chlazení hořáku a svařovacího kabelu,

•

mezipodavač drátové elektrody pro svařování na velké vzdálenosti,

•

dálkové ovládání svařovacích parametrů ( ruční měnič ),

•

řídící jednotkou vybavenou procesorem pro regulaci a kontrolu parametrů svařování v reálném čase, archivaci dat v paměťovém bloku a databázi programů svařovacích cyklů,

•

rameno pro nesení hořáku a kabelu [1]

2.7.1

Zdroje pro svařování metodou MIG/MAG Pro svařování postupem MIG/MAG se používají zásadně zdroje stejnosměrného

proudu, přičemž kladný pól je přivedený na drátovou elektrodu. [2] Svařovací zdroj by měl být vybavený jemným nastavováním, aby umožnil plynulou volbu intenzity proudu v celém výkonovém rozsahu. Svařovací zařízení se stupňovým přepínáním musí mít celý proudový rozsah rozdělený do potřebného počtu stupňů (např. pro svářečku 300 A je zapotřebí 18 – 36 výkonových stupňů). Svařovací zdroje vysoké technické úrovně (invertory) obr. 6 jsou vybaveny plynulým nastavením výkonu pomocí potenciometru. [2]

Obr. 6 Moderní zdroj pro MIG/MAG svařování [1] 16

Zdroje pro svařování MIG/MAG mají plochou statickou charakteristiku s tzv. konstantním napětím se samoregulační schopností udržování konstantní délky oblouku. Tato regulace je založena na výrazné změně proudu při relativně malé změně délky oblouku a tím i napětí na oblouku. Tento princip regulace délky oblouku je možný jen při konstantní rychlosti podávání drátu. Při změně délky oblouku se změní napětí a dle pohybu pracovního bodu na statické charakteristice se

mění proud. Při dlouhém

oblouku se sníží proud i rychlost odtavování elektrody a při konstantní rychlosti podávání drátu se začne drát přibližovat ke svarové lázni a oblouk se tím zkrátí. Naopak při krátkém oblouku a poklesu napětí se zvyšuje intenzita proudu a odtavování je rychlejší. Délka oblouku se tím zvětší a u reálného procesu svařování osciluje kolem nastavené „rovnovážné“ hodnoty. [1] Dovolené zatížení svařovacího zdroje se udává v procentech. Na výkonovém štítku se obvykle udává přípustná proudová intenzita při odpovídajícím napětí pro dovolená zatížení 100% a 60%. Údaje jsou vztaženy na pracovní cyklus 10 minut při teplotě okolí 40 oC. [2] Příklad: Svařovací zdroj, jehož typový štítek obr. 7 udává proud 450A, lze trvale, tj. při dovoleném zatížení 100%, zatěžovat proudem 360A.

Obr. 7 Typový štítek svařovacího zdroje Fronius [2] 2.7.2

Rozdělení jednotlivých typů zdrojů

1. Kompaktní zdroje s integrovaným podavačem drátu umístěným ve společné skříni se zdrojem. Toto uspořádání je obvyklé pro zdroje s nízkým až středním výkonem (do cca 250 – 300 A) při chlazení hořáku proudícím plynem. 17

2. Výkonné zdroje s chladící jednotkou ve společné skříni se zdrojem a odděleným podavačem. Výkonově se pohybují kolem 500 A. 3. Stavebnicové uspořádání s odděleným podavačem drátu, kde jednotlivé komponenty jsou sestaveny s ohledem na snadnou přístupnost a případnou výměnu. Sestava se skládá ze zdroje proudu invertorového typu, podavače drátu a chladící jednotky u výkonnějších zdrojů. Celá sestava je zpravidla nesena pojízdným vozíkem s konzolou pro plynové láhve. Podavač je se zdrojem propojen spojovacím kabelem v délkách 1,5/6/10 m a je umístěný přímo na zdroji. Délky kabelů k ručnímu hořáku jsou obvykle v rozmezí 3 až 5m. [1] 2.7.3

Podavač drátu K hladkému průběhu svařovacího procesu patří především plynulý a konstantní

rychlostí probíhající posuv drátu. Pro pohon posuvu se používají stejnosměrné derivační motory, dále motory s permanentními magnety, anebo vysoce kvalitní motory s diskovým rotorem. Ty se vyznačují zvláště dlouhou životností. V praxi se používají 2 a 4 kladkové posuvné systémy. Předností 4-kladkových systémů je možnost bezproblémového posuvu i obtížně transportovatelných drátů. Rychlost posuvu drátu by měla být nastavitelná v rozmezí od 1 do cca 22 m/min. (U přístrojů určených pro vysokovýkonné svařování MAG by měla posuvná rychlost dosahovat až 30 m/min.) [2] Na bezproblémový a rovnoměrný posuv drátu mají vliv různé prvky svařovacího zařízení: •

Přítlačný tlak podávacích kladek je zapotřebí zvolit tak, aby nedocházelo k deformaci drátové elektrody a aby byl při tom zajištěn spolehlivý transport drátu.

•

Je nutno používat odpovídající typ podávacích kladek.

•

Různé druhy přídavných materiálů vyžadují použití podávacích kladek s odpovídajícím tvarem drážky. [2]

2.7.4

Svařovací hořák Svařovací hořák obr. 8 představuje rozhraní svářečky a je zároveň pracovním

nástrojem svářeče. Řada chyb a poruch vznikajících při svařovacím provozu má svojí příčinu právě v hořáku. Svědomitá práce s hořákem zajišťuje spolehlivou funkci celého zařízení a šetří provozní náklady. V principu rozlišujeme hořáky strojní a ruční, přičemž 18

do délky cca 4,5 m lze dopravovat drát pouze posuvem a nad touto délkou se uplatňují hořáky typu Push-Pull. Ruční hořáky rozlišujeme dále podle jejich provedení na hořáky s plynovým, anebo vodním chlazením. Rozhodování, zda je potřebné chlazení plynové nebo vodní, se řídí v prvé řadě podle výkonového pásma, ve kterém se bude svařovat a podle dovoleného zatížení. Pro proudy nad 300 A je účelné používat hořáky s vodním chlazením (podstatně delší životnost). Při svařování pulzním obloukem by se také měly používat pouze vodou chlazené hořáky. [2]

Obr. 8 Svařovací hořák [2] 2.7.5

Technické vybavení moderních svářecích zdrojů Současné moderní zdroje proudu pro svařování MIG/MAG mají řadu

nadstandardních funkcí, které výrazně zlepšují svařovací proces. Díky rozvoji silnoproudé elektroniky můžeme ovládat, sledovat a řídit veškeré svařovací parametry v reálném čase. Mezi běžné vybavení zdrojů patří: Horký start pro zajištění natavení začátku svaru u materiálů s vysokou tepelnou vodivostí, databáze

svařovacích

programů pro velkou většinu přídavných materiálů a synergické řízení svařovacího procesu. Při synergickém řízení jsou jedním manuálně nastaveným parametrem – tloušťkou materiálu, proudem nebo rychlostí podávání atd., ovládány všechny ostatní svařovací parametry. [1] Další funkce se kterými se můžeme setkat u současných zdrojů jsou následující: •

Řízený zapalovací cyklus u MIG/ MAG - umožňuje velice klidné zapálení oblouku

v přesně

definovaném

místě

svaru

při

mechanizovaném

a robotizovaném svařování. Při zapálení je v první fázi drát posouván až do kontaktu s materiálem. Po zjištění zkratu se začne drát oddalovat při nízkém zapalovacím proudu, který zapálí pilotní oblouk a drát se zastaví na úrovni nastavené délky oblouku. Následuje fáze posuvu drátu vpřed při současném 19

proudového impulsu, kterým se zapálí svařovací oblouk a nataví se základní materiál i drátová elektroda. Pro zpětný pohyb drátu jsou nutné podávací kladky v hořáku. •

Funkce udržování konstantní délky oblouku - je využívána při ručním i mechanizovaném svařování. Mikroprocesorem řízenými zdroji se řádově v mikrosekundách srovnávají reálné parametry svařování se zadanými a nastavená délka oblouku se udržuje bez ohledu na vzdálenost hořáku od svařovaného materiálu.

•

Ukončení svařovacího cyklu proudovým impulzem - běžné ukončení svaru poklesem proudu pro vyplnění koncového kráteru je standardní výbava většiny zdrojů. Na konci drátu však zůstává kapka kovu přesahující průměr drátu, což zhoršuje znovu zapálení oblouku především u mechanizovaných způsobů svařování. Proudový impuls na úplném konci svařovacího cyklu „odstřihne“ tvořící se kapku a konec drátu zůstane čistý a rovný. Opětovné znovu zapálení oblouku pak probíhá bez problémů. [1]

2.8 Přídavné materiály pro svařování metodou MIG/MAG Pro metody obloukového svařování MIG/MAG se používají přídavné materiály ve formě plného drátu a plněného drátu (trubičkové dráty). Dráty jsou navinuté na drátěných nebo plastových cívkách o běžné hmotnosti 15 kg. Cívky se však vyrábějí v širokém sortimentu rozměrů a hmotností drátů – 5, 6, 10, 12, 16, 18, 25, 30 kg a nebo se pro robotizovaná pracoviště dodávají ve svitku baleném v lepenkovém paketu hmotnosti až 200 kg. Takové balení umožňuje svařovat bez přerušení práce robota po dlouhou dobu. Každá cívka nebo svitek musí být opatřen štítkem na kterém jsou tyto údaje výrobce - označení výrobce, označení drátu dle výrobce i příslušné normy, průměr drátu, hmotnost, číslo tavby, klasifikace a certifikace u jiných orgánů.[1] 2.8.1

Základní funkce přídavného materiálu

a) Doplňují objem svarové koupele a zabezpečují tak požadovaný tvar a průřez, b) zabezpečují dodávku legur dezoxidačních přísad do svaru s cílem vylepšit užitkové vlastnosti a citlivost svarových kovů, c) v určité délce (od proudové kontaktní koncovky po místo odtavovaní) plní též funkci vodiče elektrického proudu jako součást svářecího oblouku. [4]

20

2.8.2

Základní vlastnosti přídavného materiálu

a) Vhodné chemické složení, b) vhodný průřez, resp. průměr, c) vysoká čistota a hladkost povrchu, d) požadované rozměrové a tvarové tolerance. [4] 2.8.3

Plněné dráty pro svařování v ochranných atmosférách V současnosti jsou výrobci drátů nabízeny plněné dráty ve velkém sortimentu

a s různými svařovacími vlastnostmi. Základní rozdělení plněných drátů dle výroby do dvou skupin: bezešvé plněné dráty, tvarově uzavřené plněné dráty. Všeobecně se pro použití plněných drátů udávají tyto následující důvody: • bezpečné natavení svarových ploch a snížení nebezpečí vzniku studených spojů, • dobrá smáčivost, hladký povrch, bezvrubé přechody, • bezrozstřikový kapkový nebo sprchový přenos, • nízká náchylnost na tvorbu trhlin, • velmi dobré mechanické vlastnosti svarů, • možnost legovaní a mikrolegování pomocí náplně bez propalu, dobré svařování v polohách. [1] 2.8.4

Označení přídavných materiálů Domácí výrobce ESAB Vamberk značí přídavné materiály pro svařování MIG/

MAG dle tohoto předpisu: OK Autrod XX.XX První číslo 1 – znamená přídavné materiály pro mechanizovaný způsob svařování Druhé číslo 2 – vinutý drát pro svařování konstrukčních ocelí 3 – vinutý drát pro svařování nízkolegovaných ocelí 4 – vinutý trubičkový drát pro svařování bez ochranné atmosféry 5 – vinutý trubičkový drát 6 – vinutý vysokolegovaný nerezavějící drát 8 – vinutý drát pro svařování hliníku 9 – vinutý drát pro svařování jiných neželezných kovů. Třetí a čtvrté číslo jsou pořadová čísla a rozlišení ve skupinách. [1] 21

3

MATERÁLY VHODNÉ PRO SVAŘOVÁNÍ METODOU MIG/MAG Svařitelnost je komplexní charakteristika vyjadřující vhodnost kovu na

zhotovení svaru s požadovaným účelem, při určitých technologických možnostech a konstrukční spolehlivosti svarového spoje.

3.1 Nízkouhlíková ocel 3.1.1

Hrubé plechy Svařování se zkratovým přenosem bylo před zavedení impulsního svařování

jedinou přístupnou metodou s nízkým tepelným výkonem, která se dala použít pro svařování nízkouhlíkových ocelí. Dnes se touto metodou svařuje čím dál méně. Když se při svařování plechů použije zkratový přenos kovu, svářeč může snížit příkon do svaru tak, že zvětší vzdálenost mezi výstupní dýzou a svarem. Tato metoda se dá použít pouze u plechů. Když se tato metoda použije u těžkých svařenců v jiné než ve vodorovné poloze, může lehko vzniknout studené neprovařené místo. Při svislém svařování a při svařování nad hlavou se musí dodržovat konstantní vzdálenost mezi svařencem a dýzou, to klade velké nároky na svářeče. Když vzdálenost dýzy svářecí pistole od svařence naroste, snižuje se hloubka svaru i poměr mezi výškou a šířkou svarové koupele. Aby se snížil počet neprovařených míst, dynamická charakteristika svářečky a napětí oblouku musí být správně nastavené. Aby se zlepšil svar, doporučuje se nastavit napětí i indukčnost svářečky na nejvyšší hodnotu. Regulační rozsah nastavení je velmi široký, a proto je velmi těžké najít optimální řešení. [5] 3.1.2

Tenké plechy Používáme impulsní svářečky, protože mohou pracovat s proudy nižšími jak

30 A. Velké změny v nastavení se nepřipouští, protože přestup tepla se nedá v podstatě ovlivnit změnou dálky volného konce svářecího drátu. Proto je impulsní svařování zpravidla vhodnější pro tenkostěnné svary. Dá se však používat i v jiných případech, protože má nižší rozstřik, svar má lepší povrch a průvar je lépe kontrolovatelný. [5]

3.2 Nelegovaná a nízkolegovaná ocel Pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí lze v závislosti na tloušťce materiálu a poloze svařování použít všechny typy přenosů kovu obloukem. 22

Jako

ochranná atmosféra je v dnešní době pravděpodobně nejvíce používaný směsný plyn Ar + 15 až 20% CO2. [1] U nízkolegovaných ocelí se pevnostní vlastnosti vylepšují legujícími prvky. Obsah uhlíku bývá menší jak 0,3 % a každá z legujících přísad tvoří přibližně 1%. Zlepší se pevnostní vlastnosti, ale zpomalí se transformace austenitu, tím se zakalení při svařování v tepelně ovlivněné oblasti. Nejlepší výsledky se dosáhli s Ni a Mn, slabší s Mo, Cr a Si. Proto se v současnosti používá více legujících prvků.Ty mají vliv na chování těchto ocelí při svařování i na tepelné zpracování před svařováním a z toho vyplývající velikost zrna a rovnoměrnost rozptýlení austenitu, případně i karbidů legujících prvků. [5] Při ručním vedení hořáku můžeme svařovat směrem dopředu nebo dozadu a při mechanizovaném svařování bývá hořák obvykle v kolmé poloze k rovině svaru. Při vedení hořáku na robotizovaných pracovištích se úhel sklonu hořáku řídí přístupností koncového členu robota ke svařenci. Drátová elektroda musí být přiváděna na začátek svarové lázně z důvodu zajištění hlubokého průvaru a omezení rozstřiku.

Tento

požadavek je důležitější u svařování koutových svarů. [1] Kořenové svarové housenky se svařují s přímým vedením hořáku a výplňové svarové housenky můžeme svařovat s příčným nebo i podélným rozkyvem hořáku. Při rozkyvu hořáku roste velikost tavné lázně, zlepšuje se odplynění svaru, ale zvyšuje se množství vneseného tepla do svaru a tím i související důsledky. [1]

3.3 Vysokolegované oceli Charakterizuje je obsah chrómu, který je větší jak 10%. Chróm tvoří tuto ocel velice odolnou proti korozi a oxidaci. Na povrchu materiálu se vytváří tenký film oxidů, který má ochranné účinky. Přidáním Ni, Mo, Cu, Co se zlepší odolnost proti kyselinám. Z hlediska svařování působí nepříznivě afinita ke kyslíku tendence nabírat uhlík. Při svařování na vzduchu se vytváří velké množství okují, a proto je za potřebí kořen svaru ofukovat inertním plynem. Oxidy se vytváří už při teplotách vyšších jak 300 °C, proto je potřebné s ofukováním kořene svaru začít včas. Zdrojem uhlíku při nauhličování jsou občas nečistoty (např. olej nebo tuk), a proto se při svařování metodou MIG musí pečlivě dodržovat čistota svarových ploch. Na obr. 9 vidíme možnou aplikaci vysokolegovaných ocelí v praxi. [5]

23

3.3.1

Plyny vhodné pro svařování vysokolegovaných ocelí

Argon + 2% oxidu uhličitého: směs doporučená pro všechny druhy vysokolegovaných ocelí, kromě zvlášť nízkouhlíkových. Vhodný plyn pro krátký zkratový oblouk s nízkým propalem, dobrým smáčením svarového úkosu a malým rozstřikem. Argon + 2% kyslíku: doporučuje se z hlediska propalu svařovat zkratovým přenosem malými kapkami a plyn je vhodný i pro sprchový nebo impulsní přenos kovu. Ar + 30 až 50% He +1 až 2% 0 2 : směs vhodná pro mechanizované a robotizované svařování. Plyn umožňuje stabilní hoření oblouku při zkratovém i sprchovém přenosu, velmi příznivý profil svaru a vysoký odtavovací výkon bez nebezpečí nauhličení svarové lázně. [1] Při svařování se hořák vede vpřed pod úhlem cca 10° a doporučuje se využít především impulsního způsobu svařování. Svařovat se dá také zkratovým a sprchovým přenosem. Na rozdíl od nelegovaných ocelí začíná oblouk se sprchovým přenosem již při proudu o přibližně 20% nižším. [1] Při svařování vysokolegovaných ocelí a niklu je nutné omezit množství vneseného tepla do svaru. Elektrický oblouk musí být veden zcela vpředu u tavné lázně. Předbíhání svarového kovu má za následek výraznou tvorbu rozstřiku – především u materiálů obsahující nikl. [1]

Obr. 9 Ukázka aplikací svařování vysokolegovaných ocelí [1]

3.4 Austenitické vysokopevnostní žáropevné oceli Tyto oceli se používají v energetice na výrobu turbín, kotlů a ventilů a na výrobu chemických zařízení. Dají se používat až do teplot 500 až 900 °C bez toho, aby stratily svoje pevnostní vlastnosti a odolnost proti korozi. Všechny oceli tohoto druhu jsou dobře svařitelné. Původně se na tyto účely používaly jen vysokolegované chromniklové oceli. Dnes se navíc přidávají prvky, které zlepšují vlastnosti ocelí. Jako legující prvky se používají Cu, Nb a Co. Tam, kde se žádá velká pevnost při vysokých teplotách, 24

přidáváme 10 až 20 % Co. Obsah uhlíku je přibližně 0,3 až 0,4 %. [5] Vysokopevnostní žáropevné oceli se chovají při svařování podobně jako austenitické chromniklové nerezové oceli. Hlavní strukturou je autenit, při čemž podíl složeních karbidů a sloučenin legur se na hranicích zrn mění. Struktura základního materiálu závisí od jeho tepelného zpracování. Ať je žíhaný nebo se nechá stárnout při teplotách 650 až 870 °C, vznikne velmi jemný precipitát, který zlepší pevnost v tahu při vyšších teplotách. Některé z těchto ocelí jsou tvárné za studena nebo za tepla. [5] Svařování ovlivňuje strukturu těchto materiálů v blízkosti svařované plochy. Při čemž se zvyšuje precipitace legur na hranici zrn. Ve větších vzdálenostech od svařované plochy probíhá vytvrzování stárnutím. Toto může zapříčinit vznik trhlin. Vznikající ferit a zejména jeho fáze sigma způsobuje pokles pevnosti v tahu při vysokých teplotách a sklon k vznikání trhlin za tepla. Proto je při svařování těchto ocelí pečlivě pozorovat průběh teplot. [5]

3.5 Precipitačně vytvrzené oceli Druh ocelí, který proti chromniklovým ocelím je dobře zpracovatelný za studena a svoje příznivé vlastnosti si získá precipitačním žíháním, případně také popouštěním. V tepelně zpracovaném stavu mají dobrou odolnost proti korozi, vysokou pevnost, jsou dostatečně tvárné a odolné proti oděru. Precipitačně vytvrzované oceli mají obsah uhlíku (0,04 až 0,15 %), při čemž obsah chomu se pohybuje mezi 14 až 17 % a obsah niklu mezi 4 až 20 %. Mimo to obsahují i malé množství Cu, Al, Mo, Ti, a Nb. U těchto ocelí je potřebné přesně dodržovat předepsanou teplotu žíhání, vytvrzování, transformace a stárnutí. [5] Tyto oceli se používají na výrobu zařízení v atomových elektrárnách, ventilů pro vysoké teploty a na chemické zařízení.

3.6 Svařování hliníku a jeho slitin Svařování hliníku metodou MIG je

technologie s vysokou rychlostí růstu

aplikací. Stále více jsou využívány výhody hliníku a jeho slitin ve stavbě letadel, lodí, kolejových vozidel pro železnice, tramvaje i podzemní dráhy, karoserií osobních automobilů, budov, obydlí na těžních plošinách atd. [1] Metoda MIG je při svařování rozměrných hliníkových svařenců nejpoužívanější technologie spojování. Svařuje se v ochranné atmosféře inertních plynů, pulsním nebo konstantním proudem. Vysoká tepelná vodivost zajišťuje rychlé tuhnutí taveniny 25

a umožňuje svařování ve všech polohách. Hořák vedeme vpřed přímočaře, nebo s mírným rozkyvem, svislé svary zdola nahoru. Plynovou ochranu tvoří především argon, ale z hlediska jeho špatné tepelné vodivosti jsou výhodnější kombinace argonu a helia. Směs Ar- He se používá všude tam, kde jsou zvýšené požadavky na bezpečné snížení pórů a studených spojů. Na obr. 10 vidíme vliv ochranného plynu na povrch svaru. Při svařování větších tloušťek lze snížit nebo odstranit předehřev. Využitím helia se zvýší také rychlost svařování a tvar závaru je kulatější a hlubší než při použití čistého argonu. [1] Při použití směsí plynů Ar a He je nutno zvýšit průtok dle jejich poměru: Plyn

korekční faktor

minimální množství ochr. plynu

Ar + 30 % He

1,17

20 l/min

Ar + 50 % He

1,35

28 l/min

Ar + 70 % He

1,70

35 l/min

100% He

3,15

40 l/min

Svařovací zdroje by měly být vybaveny funkcí horkého startu pro snadnější natavení materiálu na začátku svaru a postupným snižování proudu při ukončení svaru pro vyplnění koncového kráteru. Podavače se doporučují čtyřkladkové, s oválnými drážkami v podávacích kladkách a bowdeny pro vedení drátové elektrody k hořáku musí mít teflonovou vložku. Pro svařování s delším hořákovým kabelem jak 2,5 m se doporučuje použít systém PUSH – PULL. [1]

Obr. 10 Vliv ochranného plynu na povrch svaru [1] 26

3.6.1

Slitiny hliníku tepelně nezpracované Jsou to slitiny, které se vytvrzují deformačně. Nejdůležitější legující prvky jsou

Mn a Mg.Při teplotě přibližně 200 °C se v tepetně ovlivněné oblasti poruší struktura vlivem tepla, které vzniká při svařování. Po ochlazení se vytvoří hrubá kristalická struktura. Legující prvky mohou mimo to precipitovat na hranicích zrn. [5] 3.6.2

Slitiny hliníku tepelně zpracované U těchto slitin jsou legující prvky rozpuštěné v základním materiálu.

Zpracovávají se precipitačním žíháním nebo stárnutím. Jako legující prvky se používají Mg, Si, Cu, Zn, ale i Fe, Cr. Tyto slitiny mají nízkou tvárnost. Po svařování to je příčinou křehkého lomu v tepelně ovlivněné oblasti. [5] 3.6.3

Volba přídavných materiálů Při svařování se volí přídavný materiál, který příznivě ovlivňuje přechodovou

oblast a nevytváří trhliny za studena. Naproti tomu nesmí mít hodně takových fází, které způsobují zkřehnutí, např. Mg2Si, CuAl2, AlFeSi, MnAl6, protože tyto snižují trvanlivost a zvyšují sklon ke křehkému lomu. Pevnostní vlastnosti přídavného materiálu musí dosahovat a nebo překračovat pevnostní vlastnosti žíhaného základního materiálu. Jako přídavný materiál se používají binární nebo ternární slitiny. [5]

4

TEPELNĚ OVLIVNĚNÁ OBLAST Teplem ovlivněnou oblastí nazýváme oblast svarového spoje, ve které dojde k

změnám mikrostruktury v důsledku působení zdroje tepla od svařování. V případě svařování kovů a slitin bez polymorfní přeměny (Cu, Ni, Al) nedochází ke změně mikrostruktury a probíhají pouze substruktivní změny, rekristalizace, růst zrn. V kovech a slitinách s polymorfní přeměnou (oceli) dochází v tepelně ovlivněné oblasti k výrazným strukturálním změnám, které mají vliv na vlastnosti svarových spojů. Při svařování nelegovaných, případně legovaných ocelí s polymorfní přeměnou α → γ → α, můžeme teplem ovlivněnou oblast rozdělit na charakteristická pásma obr. 11. 1. Oblast částečného natavení tvoří přechod z tepelně ovlivněné oblasti do svarového kovu. U většiny ocelí se tato oblast redukuje na linii (hranice ztavení) popřípadě plochu, protože rozdíl mezi teplotou solidu a likvidu je minimální. 2. Oblast přehřátí, t.j. oblast s teplotami nad A3, překračují teplotu intenzivního růstu primárních zrn. Pro nelegované oceli je to teplota kolem 1050 oC, pro 27

mikrolegované oceli je to teplota vyšší, asi 1250 až 1300 oC. 3. Oblast vyhřátá nad A3 s úplnou transformací α → γ → α. 4. Oblast nad teplotou A1 s neúplnou polymorfní přeměnou, tj. mezi teplotami A1 až A3. 5. Oblast pod teplotou A1, ve které probíhají změny buď v rámci tuhého roztoku α Fe, popřípadě substrukturní. [6]

Obr. 11 Charakteristická pásma tepelně ovlivněné oblasti [6] Šířka jednotlivých tepelně ovlivněných oblastí je rozdílná pro různé technologie svařování, je ve velké míře závislá na svařovacích parametrech. Je možné pro jednotlivé technologie charakterizovat šířku pásem tepelně ovlivněných oblastí tab. 3 Tab. 3 Orientační šířky jednotlivých pásem TOO [6] Technologie svařování

Šířka tepelně ovlivněné oblasti [mm] nad A1

nad A3

přehřátá oblast

MIG/MAG

3 až 8

0,3 až 1

0,1 až 0,3

Elektrostruskové svařování

5 až 50

1 až 10

0,5 až 5

Svař. Elektronovým paprském

0,3 až 1

0,1 až 0,3

0 až 0,1

Svařování plazmou

0,3 až 1

0,1 až 0,3

0 až 0,1

28

Účinky tepelně deformačního cyklu svařování na vlastnosti svarových spojů lze shrnout následovně – pokles pevnosti pozorujeme v tepelně ovlivněné oblasti výjmečně při svařování zušlechtěných a termomechanických ocelí. V těchto případech se doporučuje limitovat použitý příkon svařování, aby šířka popouštěné oblasti byla minimální. S ohledem na malou šířku tepelně ovlivněné oblasti zkoušíme pevnost na vzorcích se simulovaným svařovacím cyklem nebo přímo měřením tvrdosti. Maximum tvrdosti závisí na chemickém složení oceli a použitém příkonu svařování (který ovlivňuje čas chladnutí Δt

815

). Pro celistvé svarové spoje s vyhovujícími hodnotami

vrubové houževnatosti se maximální hodnoty tvrdosti pohybují v rozmezí HV=340 až 450. V průběhu svařování u většiny svařování dochází k růstu zrn. Míra růstu zrn závisí na chemickém složení a na teplotním ovlivnění, na kterou má zejména vliv měrný příkon svařování. Největší růst zrn pozorujeme v podhousenkové oblasti. Relativně malý růst zrn lze pozorovat při svařování elektrickým obloukem obalenou elektrodou, větší je při svařování automatem pod tavidlem a extrémně velký u elektrostruskového svařování . Zhrublé zrno ovlivněje vlastnosti tepelně ovlivněné oblasti následovně: •

výrazně zdoršuje plasticitu (vrubovou a lomovou houžavnatost),

•

hrubé zrno brzdí kinetiku rozpadu austenitu, protože preferuje vylučování feritu za vzniku tzv. Widmannstättenovy mikrostruktury,

•

zvyšuje náchylnost k praskání (likvační, studené, žíhací),

•

v kovech bez polymorfní přeměny snižuje pevnost v oblasti. [6]

4.1 Metalurgický výpočet Cílem metalurgického výpočtu je učit procentuální zastoupení jednotlivých fází v tepelně ovlivněné oblasti. Základní fáze, které mohou při svařování nastat, jsou ferit, bainit, perlit, martenzit a austenit. Mimo zmíněné základní fáze je možné na metelografickém vybruse popsat i další fáze, jako například popouštěný martenzit – sorbit, horní bainit, dolní bainit a pod. Každá popsaná fáze má rozdílné teplotní a mechanické vlastnosti a má vliv na výsledné celkové užitné vlastnosti ocelí, zejména v oblasti tepelně ovlivněné svařováním. U fáze ohřevu je pro potřeby metalurgického výpočtu třeba správně určit závislost posuvu transformačních teplot Ac1 a Ac3 na rychlosti ohřevu. Tato závislost nám během simulace svařování určuje velikost tepelně ovlivněné oblasti. Fáze ochlazování je založena na znalosti rozpadového ARA diagramu. Znalost ARA diagramu je pro simulaci svařování velice důležitá, neboť 29

v diagramu jsou zohledněny dva velice důležité vlivy na fázové transformace v tepelně ovlivněné oblasti, vliv vysoké rychlosti ochlazování z rozdílných teplot a vliv velikosti austenitického zrna. Z pohledu metalografických výbrusů můžeme tepelně ovlivněnou oblast rozdělit na tři hlavní části: pásmo částečné transformace, nacházející se mezi transformačními teplotami Ac1 a Ac3, pásmo jemnozrnné s výrazně lepšími plastickými vlastnostmi materiálu, nacházející se nad teplotou Ac3 až do teploty zhruba 1150 oC a hrubozrnné pásmo, nacházející se v oblasti mezi hranicí nastavení a 1150 oC. Toto pásmo lze také považovat za nejvíce degradované procesem svařování a případné efekty z důsledku svařování je možné očekávat právě zde. Tomuto rozdělení také odpovídají i fázové transformace jednotlivých pásmech tepelně ovlivněné oblasti. [4] V průběhu svařování dochází v důsledku dalších pokládaných housenek k postupnému zjemňování zrna. Vliv postupného zjemňování zrna na mechanické vlastnosti nabývá na významu právě při vícevrstvém svařování. V tepelně ovlivněné oblasti dostáváme velice komplikovanou a složitou strukturu, často s velice rozdílnými mechanickými vlastnostmi, které jsou právě závisle na fázovém rozložení velikosti zrna.

Obr. 12 Hrubozrnná oblast při více vrstvém svařování [4] Na obr. 12 je znázorněno schéma struktury při vícevrstvém svařování s naznačenými jednotlivými pásmy. Číslicemi 1, 2, 3 a 4 jsou označeny jednotlivé položené housenky. Kritickým místem svarových spojů se jednoznačně ukazuje hrubozrnná oblast tepelně ovlivněné oblasti. Při podrobnější analýze hrubozrnné oblasti při vícevrstvém svařování můžeme popsat charakteristické části této oblasti, z nichž se tepelně ovlivněná oblast skládá. [4] Místo A nám ukazuje hrubozrnnou oblast základního materiálu, které prošlo dvěma degradačními teplotními cykly, vlivem položení housenek 1 a 3 a není již dále 30

tepelně ovlivňováno. Místo B představuje hrubozrnnou oblast základního materiálu od první položené housenky, prošlo teplotním cyklem přibližně odpovídající žíhání na odstranění napětí pod teplotou Ac1. Žíhací cyklus byl vyvolán položením třetí housenky. Místo C hrubozrnné oblasti přídavného materiálu představuje místo, které prošlo dvěma degradačními cykly při položení housenek 2 a 3 a následným žíháním na odstranění vnitřního napětí během položení housenky 4. Místo D ukazuje hrubozrnnou oblast základního materiálu, které neprošlo žádným teplotním účinkem dalších housenek a je v materiálu trvalé. Místo E ukazuje na původní hrubozrnnou oblast přídavného materiálu, kde při položení housenky 4 došlo k obdobnému procesu jako při normalizačním žíhání nad teplotou Ac1 s doprovodným zjemněním zrna. Místo F ukazuje hrubozrnnou oblast přídavného materiálu, které prošlo dvěma degradačními teplotními cykly. Původní charakteristikou v oblasti je místo G, kde základní materiál prošel zhrubnutím zrna při položení první housenky a během položení housenky 2 v něm proběhla obdoba normalizačního žíhání s následným zjemněním zrna. [4] Při takto popsaném rozdělení hrubozrnné oblasti lze daleko snadněji lokalizovat místa, kterým je nutno při posuzování zbytkových napětí věnovat obzvláště pozornost. Toto jsou hlavní důvody, proč při numerické simulaci svařování pracujeme se svářečskými ARA diagramy zahrnujícími vliv velikosti austenitických zrn a dle výsledků určit fázové transformace. K určení jednotlivých částí hrubozrnné oblasti pak musíme do simulace svařování také zahrnout i výpočet velikosti austenitických zrn a na výsledku určit místa k posouzení. [4]

31

5

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST Experiment je založen na porovnání dvou svařený vzorků oceli 11 353, na

kterých byla použita přímá metoda svařování elektrickým obloukem a metoda MAG „Metal Aktive Gas“ . Byly připraveny vzorky ocelového plechu (ocel 11 353 plech 3mm). Na svarových plochách bylo provedeno odstranění nečistot a odmaštění, protože jinak dochází ke zvýšené oxidaci a vnesení nečisot do svaru. Pro zabezpečení svařovaných materiálů proti nechtěnému posunutí bylo použito kleští. Jako ochranné pomůcky byly použity kožené rukavice a svářecí kukla.

5.1 Svařování elektrickým obloukem Pro klasickou metodu svařování elektrickým obloukem byl zvolen svařovací invertorový stroj „KITin 1500HF“. Jedná se o jeden ze základních svařovacích strojů běžně využitelných v dílenském provozu. Výhodou stoje je jeho malá hmotnost, což je využito převážně při výškovém svařování konstrukcí, mostů, nosníků, atd. Technická data KITin 1500 HF: Vstupní napětí: 50/60 Hz 1 x 230 V Jištění: 16 A Rozsah svařovacího proudu: 5 - 140 A Zatěžovatel: 100% 95 A Zatěžovatel: 60% 120 A Zatěžovatel při max.: I 40% Napětí na prázdno: 88 V Rozměry D x Š x V: 310 x 120 x 215 Hmotnost: 6,6 kg Jelikož ocel 11 353 je běžnou nízkouhlíkovou konstrukční ocelí se zaručenou svařitelností, byla pro experiment zvolena elektroda OK4800/018. Elektroda OK 4800/018: je nejrozšířenější bazická elektroda pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí především označení P235/S235 až P420/S420 aj. Obal se sníženou navlhavostí poskytuje houževnatý svarový kov odolný proti praskavosti s nízkým obsahem vodíku. [7] Typické chemické složení čistého svarového kovu C: < 0,06%, Si: 0,5%, Mn: 0,5%, Cr: 13%, Ni: < 0,6% . 32

5.1.1

Metalografické vyhodnocení svaru metodou elektrického oblouku Na obr. 13 můžeme pozorovat zbytky strusky, která ulpívá převážně na okrajích

svaru. Tato struska musí být odstraněna z důvodu zrychlené tvorby koroze.

Obr. 13 Svar klasickoku metotou svařování el. obloukem obalenou elektrodou OK 4800/018 Při samotném svařování struska zabraňuje okysličení svarového kovu, ale před provedením antikorozní ochrany musí být odstraněna. Tato operace sebou samozřejmě přináší další finanční náklady u dané technologie svaření.

Obr. 14 Makro struktura svarového a základního kovu. Z obr. 14 je patrný neprovařený kořen. U tenkých plechů je touto metodou problém zhotovit kvalitní svar z důvodu velkého množství tepla nakumulovaného v malém prostoru. Velmi často dochází k propalování základního materiálu.

33

U svarového kovu je nejdůležitější chemické složení samotného přídavného materiálu (elektroda,drát) a rychlost chladnutí svarové housenky.

svar

Obr. 15 Svarový kov. Při zvýšeném obsahu uhlíku dochází k vytvoření přechodových struktůr, které mohou mít charakter bainitických až martenzitických částic. Tento případ je i na obr. 15. Tuto teorie potvrzuje i měření mikrotvrdosti tab. 4, kde můžeme pozorovat nárust hodnot u samotného svarového kovu. Tento děj je nežádoucí. Je zapotřebí, aby svarový kov dosahoval podobných hodnot a tvrdosti jako základní materiál.

svar TOO

Obr. 16 Přechodová oblast dvou kovů. Přechodová oblast mezi samotným svarem a základním materiálem je tvořena směsí obou kovů viz obr. 16. Je zapotřebí si uvědomit, že se jedná o nejkritičtější místo celého svaru. Koncentrace napětí a různorodost struktur, kde na hranicích dochází ke zvýšené tvorbě dislokací a vakancí může nastartovat růst trhliny a tím i destrukci celého svaru. Opět tato struktura je tvořena přechodovými fázemi mezi feritem, perlitem a bainitem. 34

5.2 Svařování metodou MAG Pro nízké náklady a svoji universálnost se stala metoda MAG jednou z nejpoužívanějších. Pro zhotovení svarového vzorky byl použit svařovací agregát MIG/ MAG KIT 305. Hlavní předností jsou vynikající svařovací vlastnosti, dvaceti stupňová regulace napětí, vysoký výkon, vysoké zatěžovatele a spolehlivost. Stroje najdou uplatnění ve vytížených průmyslových provozech, kovovýrobě, zámečnictvích a údržbách. Technická data: Napájecí napětí 50/60 Hz: 3 x 400 V

Průměr drátu: nerez 0,6 - 1,2

mm

Jištění : 25 A

Průměr drátu: hliník 0,8 - 1,2 mm

Rozsah svařovacího proudu: 30 - 280 A

Průměr drátu: trubička 0, 8 - 1,2 mm

Napětí na prázdno: 17 - 38 V

Krytí: IP 21

Zatěžovatel 100%: 220 A

Normy: ISO/IEC 60974-1

Zatěžovatel 60%: 260 A

Rozměry: 835 x 480 x 840

Zatěžovatel 30%: 280 A

Hmotnost: 104kg

Síťový proud / příkon 60%: 12,3A/8,6 KVA

Počet reg. Stupňů: 20

5.2.1 Metalografické vyhodnocení svaru zhotoveného metodou CO2 Na obr. 17 je velice kvalitně provedený svar metodou CO2. Šířka svaru je dle měřítka cca 4 mm a povrch svarové housenky není nijak narušen tuhnutím svarového kovu.

Obr. 17 Svarová housenka metodou CO2 Jednou z předností této metody je absence zbytku strusky na svaru. Takovéto svařence se potom dají přímo ošetřit buď nátěrovou hmotou nebo např. žárovým zinkováním. 35

Z obr. 18 je vidět promísení základního materiálu se svarovým kovem. Tento jev je v našem případě velmi žádoucí, jelikož dochází k vyrovnání mikrotvrdosti mezi jednotlivými oblastmi, svar, TTO a základní materiál.

Obr. 18 Makro svar CO2 Nevýhodou je zmiňovaný jev při renovacích nástrojů, které jsou vystaveny značnému abrazivnímu působení a návarem se snažíme dosáhnout vysoké tvrdosti a pevnosti samotného svaru.

Obr. 19 Svar CO2 směsice fází a struktur martenzit ferit bainit Feritická matrice, ve které jsou uloženy přechodové struktury, nám zaručuje houževnatost svaru i při zvýšeném namáhání viz obr. 19. 36

Při zvýšené rychlosti ochlazování vlivem působení pnutí v mezikrystalických sférách mohou nastat defekty v TOO v podobě trhlin.

Obr. 20 Přechodová struktura TTO ferit perlit bainit. Z obr. 20 vyplývá vhodnost zvolené technologie, jelikož v TOO nejsou zaznamenány žádné defekti související s nadměrným vnitřním pnutím.

Základní materiál

Obr. 21 Struktura základního materiálu. Jedná se o klasickou feriticko-perlitickou ocel obr. 21. Převahu měkkého feritu nám demonstruje i tab. mikrotvrdostí, kde je průměrná hodnota 262 HV. Jelikož se jedná o nízkouhlíkovou ocel je svařitelnost tohoto materiálu velice dobrá. Při vyšším obsahu uhlíku dochází k tvorbě přechodových značně tvrdých fázích v TTO s velkým vnitřním pnutím, což vede k tvorbě trhlin a celkového defektu svaru. 37

5.3 Stanovení mikrotvrdosti jednotlivých strukturálních fází Mikrotvrdoměr je standardním vybavením metalografických mikroskopů. Pro metalografický mikroskop Neophot 2 je to Hannemannův mikrotvrdoměr. Jedná se o klasické měření tvrdosti podle Vickerse. To znamená, že do materiálu vpichujeme diamantový jehlan s vrcholovým úhlem 136° silou 0,1 kp a měříme délku úhlopříček. Optický hranol na mikroskopu je nastaven na dvacetinásobné zvětšení. Objektiv samotného mikrotvrdoměru obr. 22 zvětšuje 50x. To znamená, že výsledná struktura je zvětšena 1 000x.

Obr. 22 Objektiv s mikrotvrdoměrem Tab. 4 mikrotvrdost HV elektrický oblouk 1

2

3

4

5

průměr

svar

425

432

425

447

464

438

TOO

319

344

301

324

319

321

základ

239

273

280

277

242

262

Tab.5 mikrotvrdost HV CO2 1

2

3

4

5

průměr

Svar

378

372

366

372

378

373

TOO

384

397

391

372

384

385

Základ

239

273

280

277

242

262

38

Mikrotvrdost je jednou ze základních ukazatelů kvality svarového spoje. Jestliže hodnoty v TOO se značně liší od samotného svarového kovu nebo základního materiálu je možno usuzovat na vnesení vnitřního pnutí, které často vede k destrukci celého svarového spoje.

Mikrotvrdost HV

500 400 svar

300

TOO

200

základ

100 0 1

2

3

4

5

Poč. měření

Mikrotvrdost HV

Obr. 23 Mikrotvrdost HV elektrický oblouk 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

svar TOO základ

1

2

3

4

5

Poč. měření

Obr. 24 Mikrotvrdost HV CO2 Dle grafického znázornění mikrotvrdostí viz obr. 23 a obr. 24 vyplývá, že metoda CO2 je mnohem více odolná proti vnesení vnitřního pnutí při svařování. Hodnoty svarového kovu i TOO jsou takřka stejné. U vzorku svařovaného elektrickým obloukem byla zaznamenána mnohem vyšší tvrdost u samotného svarového kovu. Zvýšení mikrotvrdosti je dáno technologií, ale i chemickým složením elektrody, které vede k tvorbě přechodových tvrdých mikrostruktur. 39

6

ZÁVĚR Svařování metodou MIG/MAG patří mezi progresivní způsoby svařování.

Předností tohoto způsobu svařování je především vysoká kvalita svarů a provozní náklady. Tuto metodu můžeme používat na svařování speciálních materiálů, které se jinou metodou svařují obtížně nebo kde je zapotřebí provést automatizaci výroby. Svařování MIG/MAG má široké využití v průmyslové výrobě a opravárenství. V současné době se jedná o nejrozšířenější metodu obloukového svařování. Z experimentální části bakalářské práce vylívá zásadní vliv chemického složení a dané technologie na mechanické parametry svarů. Tento ukazatel charakterizuje mikrotvrdost jednotlivých fází v oblasti svaru a tepelně ovlivněné oblasti viz tab. 4 a 5. Snahou je samozřejmě, aby dané struktury a jejich mechanické vlastnosti se co nejvíce přibližovali základnímu svařovanému materiálu. Z důvodu snížení vnitřního napětí by bylo vhodné provést tepelnou úpravu svarových ploch, ale tento proces je v mnoha případech technicky neproveditelný. Pro dosažení maximálně kvalitního svarového spoje je zapotřebí dodržovat: čistotu svarových ploch, zvolit vhodnou technologii, správný přídavný materiál a zajistit pozvolné ochlazování svarové housenky.

40

7 [1]

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURA Kubíček J.: Technologie II – část svařování, díl 1 základní metody tavného svařování, sylabus přednášek, VUT 2006

[2]

Kolektiv autorů: Materiály a jejich svařitelnost, ZEROSS, Ostrava 1999, 296 s., ISBN 80-85771-63-2

[3]

Malina Z., Papajčík O.: MIG/MAG zváranie: učebnica pre kurz zvárania, ZEROSS, Ostrava2002, 113 s., 2. vydání, ISBN 80-85771-99-3

[4]

Bezruč P.: Moderní trendy ve svařování MAG, DOM – ZO13, Malenovice 2001, 107 s., ISBN 80-85988-66-6

[5]

Samek E., Strinka R.: Zváranie v ochrannej atmosfére taviacou sa elektródou, Alfa, Bratislava 1982, 247 s., 1. vydání

[6]

www.vossost.cz

[7]

www.esab.cz

[8]

www.svarbazar.cz

41

8

SEZNAM OBRÁZKŮ

Obr. 1

Princip svařování MIG/MAG [3] …………………………………………….. 7

Obr. 2

Sprchový oblouk [1] ….……………………………………………………….10

Obr. 3

Rotující oblouk [1] …....................................................................................... 11

Obr. 4 Tepelná vodivost komponentů ochranných plynů. [1] ……………………….12 Obr. 5

Základní schéma svařování metodou MIG/MAG [1] ….……………………..15

Obr. 6

Moderní zdroj pro MIG/MAG svařování [1] ....................................................16

Obr. 7

Typový štítek svařovacího zdroje Fronius [2] ………………………………..17

Obr. 8

Svařovací hořák [2] ....................................................................................... 19

Obr. 9

Ukázka aplikací svařování vysokolegovaných ocelí [1] ...…………………. 24

Obr. 10 Vliv ochranného plynu na povrch svaru [1]

................................................ 26

Obr. 11 Charakteristická pásma tepelně ovlivněné oblasti [6] …................................. 28 Obr. 12 Hrubozrnná oblast při více vrstvém svařování [4] …..................................... 30 Obr. 13 Svar klasickoku metotou svařování el. obloukem obalenou elektrodou OK 4800/018 ….......................................................................................................33 Obr. 14 Makro struktura svarového a základního kovu.…...………………………..... 33 Obr. 15 Svarový kov. ..................................................................................................... 34 Obr. 16 Přechodová oblast dvou kovů. ........................................................................ 34 Obr. 17 Svarová housenka metodou CO2.. .................................................................... 35 Obr. 18 Makro svar CO2 ...………………………………………………………….... 36 Obr. 19 Svar CO2 směsice fází a struktur martenzit ferit bahnit .....…………………. 36 Obr. 20 Přechodová struktura TTO ferit perlit bahnit. ....…………………………….37 Obr. 21 Struktura základního materiálu.........................................................................37 Obr. 21 Objektiv s mikrotvrdoměrem. ....…………………………………………….. 38 Obr. 23 Mikrotvrdost HV elektrický oblouk ...…………………………………………39 Obr. 24 Mikrotvrdost HV CO2. ….................................................................................. 39

42