MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2014
OLDŘICH ČERNÝ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Využití metody svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu ve strojírenské praxi Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava Ph.D.
Vypracoval: Oldřich Černý
Brno 2014
Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy
Agronomická fakulta 2013/2014
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Název tématu:
Oldřich Černý Zemědělská specializace Provoz techniky
Využití metody svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu ve strojírenské praxi
Rozsah práce:
30-40 stran
Zásady pro vypracování: 1. Rozdělte technologie svařování v současné technické praxi. 2. Zaměřte se na výhody a nevýhody metody dané metody. 3. Věnujte pozornost materiálům vhodným pro svařování touto metodou. Seznam odborné literatury: 1. KOVAŘÍK, R. Technologie svařování. 1. vyd. Plzeň: ZČU, 2000. 185 s. ISBN 80-7082-697-5. 2. AMBROŽ, O. Technologie svařování. 1. vyd. Ostrava: ZEROSS, 2005. 393 s. ISBN 80-85771-81-0. 3. PLUHAŘ , J. Nauka o materiálu. Praha: SNTL, 1989. 422 s. DOUBRAVSKÝ, M. -- MACÁŠEK, I. -- MACHÁČEK, Z. Technologie slévání, tváření a svařování. 4. 2. vyd. Brno: VUT, 1985. 246 s.
Datum zadání bakalářské práce:
říjen 2012
Termín odevzdání bakalářské práce:
duben 2014
Oldřich Černý Autor práce
Ing. Jiří Votava, Ph.D. Vedoucí práce
Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
Čestné prohlášení
Prohlašuji, že jsem práci: Využití metody svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu ve strojírenské praxi vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše.
V Brně dne:………………………..
…………………………………………………….. podpis
PODĚKOVÁNÍ V následujících řádcích bych rád poděloval vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za příkladné vedení, za mimořádnou ochotu a trpělivost při konzultacích a za jeho cenné připomínky, které napomohly k zhotovení této práce. Zvláštní poděkování patří i mé rodině za nepřetržitou podporu během celého studia.
ABSTRAKT Zaměřením této bakalářské práce je spojování kovů pomocí svařování a to konkrétně metodou obloukového svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu. První část práce se zabývá rozdělením metod svařování ve strojírenské praxi a popisem nejznámějších metod a jejich principů. Druhá část věnuje pozornost dané metodě svařování. Popisuje princip metody, druhy přenosu kovu z elektrody na základní materiál a dále se zabývá svářecím zařízením používaným pro svařování danou metodou. Závěrečná část práce se zabývá přídavnými materiály, aktivními plyny a základními materiály využívanými v praxi. Klíčová slova: Metoda MAG, svařování, přenos kovu, svařovací zařízení, přídavný materiál, aktivní plyn, ocel
ABSTRACT The aim of this bachelor thesis is joining metals by welding, namely metal active gas welding. The first part is dedicated to different methods of welding in engineering practice and describes the best-known methods and principles in detail. The second part focuses on the selected welding process. It explains the principle of the method, metal transfer from the electrode to the parent material and describes the welding equipment used for this method. The final part deals with filler materials, active gases and parent materials used in practice.
Key words: Welding processes MAG, welding, metal transfer, welding equipment, filler material, active gas, steel
OBSAH 1
ÚVOD........................................................................................................................... 10
2
CÍL PRÁCE .................................................................................................................. 10
3
HISTORIE SVAŘOVÁNÍ ........................................................................................... 11
4
3.1
Historie plamenového svařování ........................................................................... 11
3.2
Historie obloukového svařování ........................................................................... 12
3.3
Historie odporového svařování ............................................................................. 13
3.4
Historie laserového svařování ............................................................................... 13
TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ ................................................................................. 14 4.1
Definice svařování ................................................................................................ 14
4.1.1 5
Svařování jako zvláštní proces ...................................................................... 14
ROZDĚLENÍ METOD SVAŘOVÁNÍ ........................................................................ 15 5.1
Základní rozdělení ................................................................................................. 15
5.2
Schematické rozdělení metod ............................................................................... 16
5.3
Popis hlavních principů tavného svařování........................................................... 17
5.3.1
Plamenové svařování ..................................................................................... 17
5.3.2
Obloukové svařování ..................................................................................... 17
5.4
Popis vybraných principů tlakového svařování .................................................... 17
5.4.1
Odporové svařování ....................................................................................... 17
5.4.2
Svařování třením ............................................................................................ 18
5.4.3
Kovářské svařování........................................................................................ 18
5.4.4
Difuzní svařování ........................................................................................... 18
5.5
Popis vybraných ostatních metod.......................................................................... 19
5.5.1
Aluminoternické svařování ............................................................................ 19
5.5.2
Elektrostruskové svařování ............................................................................ 19
5.5.3
Indukční svařování ......................................................................................... 20
5.5.4
Laserové svařování ........................................................................................ 20
6
METODA MAG ........................................................................................................... 21 6.1
Princip metody ...................................................................................................... 21
6.1.1
Elektrický oblouk ........................................................................................... 21
6.1.1.1 6.2 7
8
Výhody a nevýhody metody ................................................................................. 23
ZPŮSOBY PŘENOSU KOVU U METODY MAG .................................................... 23 7.1
Kapkový bezzkratový přenos ................................................................................ 23
7.2
Zkratový přenos .................................................................................................... 24
7.3
Polozkratový přenos .............................................................................................. 24
7.4
Sprchový přenos .................................................................................................... 24
7.5
Impulsní přenos ..................................................................................................... 25
ZAŘÍZENÍ PRO SVAŘOVÁNÍ METODOU MAG ................................................... 25 8.1
Svařovací zdroj...................................................................................................... 26
8.1.1
Točivé zdroje – svařovací generátory ............................................................ 26
8.1.2
Svařovací usměrňovače ................................................................................. 27
8.1.3
Invertory......................................................................................................... 27
8.2
Podávací mechanismus s cívkou drátu .................................................................. 27
8.3
Řídící jednotka ...................................................................................................... 28
8.4
Svařovací hořák ..................................................................................................... 28
8.5
Příslušenství .......................................................................................................... 29
8.5.1
Zásobník ochranného plynu – láhev na stlačené plyny ................................. 29
8.5.2
Redukční ventil .............................................................................................. 30
8.5.3
Svařovací vodiče ............................................................................................ 30
8.5.4
Svařovací hadice ............................................................................................ 31
8.6 9
Princip vzniku elektrického oblouku ...................................................... 22
Robotické svařovací systémy ................................................................................ 31
TECHNOLOGIE MAG LASER HYBRID.................................................................. 32 9.1
Princip technologie................................................................................................ 33
10 PŘÍDAVNÉ MATERIÁLY POUŽÍVANÉ METODOU MAG .................................. 34 10.1 10.1.1 10.2
Drátové elektrody .............................................................................................. 34 Označování drátových elektrod a svarového kovu ........................................ 35 Trubičkové elektrody......................................................................................... 36
11 OCHRANNÉ AKTIVNÍ PLYNY ................................................................................ 37 11.1
Oxid uhličitý ...................................................................................................... 38
11.2
Argon ................................................................................................................. 38
11.2.1
Směsi na bázi argonu ..................................................................................... 39
12 SVAŘITELNOST A ZÁKLADNÍ MATERIÁLY ...................................................... 40 12.1 12.1.1 12.2
Svařitelnost ........................................................................................................ 40 Uhlíkový ekvivalent ....................................................................................... 41 Oceli vhodné k svařování metodou MAG ......................................................... 42
12.2.1
Oceli třídy 10 ................................................................................................. 42
12.2.2
Oceli třídy 11 ................................................................................................. 42
12.2.3
Oceli třídy 12 ................................................................................................. 43
12.2.4
Nízkolegované oceli ...................................................................................... 44
12.2.5
Vysokolegované oceli .................................................................................... 45
13 ZÁVĚR ......................................................................................................................... 46 14 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .......................................................................... 47 15 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ .......................................................................... 49 16 SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK .......................................................................... 50
1 ÚVOD Svařování jako druh nerozebíratelného spojování dvou nebo více částí materiálů patří do oblasti strojírenské technologie. Svařování patří mezi jeden z nejekonomičtějších způsobů spojování, a díky tomu má nezastupitelné postavení v strojírenské výrobě, v dopravním průmyslu, při stavbě ocelových konstrukcí a tak podobně. Svařování je také jednou z klíčových metod využívaných při opravách a renovacích. Moderní trendy ve svařování kladou důraz nejen na kvalitu svarových spojů, ale i na dlouhou výdrž spojů v provozních podmínkách. I sebevíce kvalitní spoj je tvořen z materiálů, které s postupem času degradují, to znamená, že se mění jejich mechanické vlastnosti a chemické složení. Díky těmto negativním změnám je zapotřebí o spojovací části adekvátně pečovat. V neposlední řadě hraje důležitou roli při spojování materiálů i ekonomická stránka. Trendem je co nejkvalitněji a nejrychleji spojit materiály s minimálními náklady na zhotovení. Díky těmto dvěma podmínkám mnoho svařovacích technologií ustoupilo do pozadí. Některé byly zmodernizovány a mechanizovány, nebo byly nahrazeny novými metodami. Mezi nejnovější svařovací metody patří skupina hybridních metod spojující několik metod v jednu a také metoda CMT neboli metoda studeného svařovacího procesu.
2 CÍL PRÁCE Bakalářská práce se zabývá problematikou metody svařování v ochranné atmosféře plynu. Práce je rozdělena na několik úseků. První úsek se zabývá stručnou historií svařování a svařovacích metod. Dále se zabývá rozdělením svařovacích metod v technické praxi a nastiňuje principy nejznámějších technologií. Druhý úsek je rešeršní zpracování dané metody. Zde je popsán princip metody a popis svařovacího zařízení. Poslední úsek se zabývá materiály vhodnými pro danou metodu. Jedná se o přídavné materiály, technické plyny a základní materiály.
10
3 HISTORIE SVAŘOVÁNÍ Už ve starověku se svařováním začaly spojovat stejné i různé kovové materiály. První archeologické nálezy svarů se datují z doby bronzové asi 2000 roků před naším letopočtem. V době železné přibližně 1000 let před naším letopočtem se objevují první kovářské svary, svědčí o tom četné archeologické nálezy ze Starého Egypta a Středního Východu. Největšího zdokonalení se kovářskému svařování dostalo během středověku s postupným vývojem výroby železa v jednoduchých jílových pecích. Typické středověké výrobky zhotovené kovářským svařováním jsou vojenské zbroje a zbraně. Dřevo jako nejpoužívanější konstrukční materiál přestává v 19. století plnit vzrůstající nároky lidstva a je nahrazováno ocelovými výrobky. Pro spojování těchto výrobků se jevilo kovářské svařování jako nedostačující. Za pomoci nově objevených postupů a technologií se postupně vyvinuly nové metody svařování: plamenové, obloukové a odporové svařování. V druhé polovině 20. století došlo k vývoji moderních metod svařování, jako je například laserové svařování, svařování difuzí, svařování výbuchem či ultrazvukové svařování. Nejznámější a nejpoužívanější z těchto metod je svařování laserové. V dnešní době se metody svařování díky výpočetní technice automatizují a robotizují, což vede k zvýšení kvality svarů a výrazně vyšší produktivitě svařování. [4, 7]
3.1
Historie plamenového svařování
Roku 1892 R. Hoissan objevil metodu průmyslové výroby karbidu vápníku a v roce 1895 H. Le Chatalier provedl výzkum kyslíko-acetylénového plamene. Tyto objevy posloužily jako základ pro vývoj plamenového svařování. Okolo roku 1903 dochází k zdokonalení konstrukce plamenového hořáku a tím i k rozšíření metody do výrobních procesů. Největší rozmach metoda zaznamenává během první světové války a následného meziválečného období. Od této doby se plamenové svařování výrazně nezměnilo. Díky rozvoji nových technologií se v dnešní době metoda využívá čím dál méně. [9]
11
3.2
Historie obloukového svařování
Roku 1801 Angličan sir H. Davy objevil elektrický oblouk, když při experimentu s elektřinou přiložil k sobě dvě elektrody. V té době nebyl oblouk vůbec využíván, až v roce 1881 jej A. de Meritens použil k svařování desek baterií z olova. Vědci N. de Benardos a S. Olszewski dále vyvíjeli Meritensovu metodu. V roce 1885 v Británii a roku 1887 v Americe si nechali patentovat svařování elektrickým obloukem mezi svařovaným materiálem a uhlíkovou elektrodou. V Americe roku 1890 C. L. Coffin získal patent na obloukové svařování s kovovou tavící se elektrodou, která současně tvoří přídavný materiál. Roku 1900 A. P. Strohmenger poprvé použil obalenou elektrodu s přísadami chránícími roztavený kov před oxidací a přísadami k stabilizaci hoření elektrického oblouku. Touto myšlenkou se zabýval Švéd O. Kjellberg, který ji během let 1907 až 1914 rozvedl do takové míry, že se svařování obalenou elektrodou dalo průmyslově aplikovat. Kjellberg drát z švédské oceli obalil minerální vrstvou, která obsahovala křemičitany, uhličitany a jiné minerální prvky. Tyto elektrody se musely vždy před použitím vysušit. Během první světové války nastalo rozšíření obloukového svařování a to hlavně díky potřebě výroby nové vojenské techniky a následných opravách poničené techniky. V roce 1920 představil P. O. Nobel automatické svařování s řízeným posuvem přídavného materiálu, což napomohlo k zvýšení produktivity svařování. Dalším ze způsobů k zvýšení produktivity v té době se stala metoda tzv. ponořeného oblouku, kde oblouk hoří pod vrstvou tavidla nebo speciálního prášku. Další milníkem bylo ve třicátých letech využití obloukového svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu. H. M. Hobart použil hélium a P. K. Devers argon, čehož bylo využito ke svařování hliníku a hořčíkových slitin, změnou polarity i nerezových ocelí. První metoda se nazývá Wolfram Inert Gas se zkratkou WIG a využívala wolframovou elektrodu a hélium. Roku 1953 došlo k úpravě WIG procesu přidáním chlazené trysky a tento nový způsob svařování se začal nazývat jako plazmové svařování. Velké a silnostěnné konstrukce se špatně svařovaly WIG procesem a proto došlo v roce 1948 k výměně wolframové netavící se elektrody za kovovou tavící se elektrodu. Tento proces se začal nazývat MIG neboli Metal Inert Gas.
12
Díky vysoké ceně hélia a argonu vývoj obloukového svařování v ochranné atmosféře plynu směřoval k využití podstatně levnějšího oxidu uhličitého. Vědci Ljubavskij a Novošilov to dokázali přivést do praxe, tímto po roce 1950 vznikla metoda MAG. Vlivem nutnosti vývoje různých výrobních odvětví a opravárenství, se obloukové svařování velmi rozšířilo a začaly vznikat stále nové modifikace klasických metod. Mezi nejmodernější způsoby patří hlavně vznik a vývoj hybridních metod. V dnešní době obloukové svařování patří k nejpoužívanějším metodám svařování vůbec. [4, 7, 9]
3.3
Historie odporového svařování
Američan E. Thompson v rozmezí let 1885 až 1900 se zabýval svařováním elektrickým odporem a je autorem mnoha patentů v tomto odvětví. Mezi jeho patenty patří i bodové, švové a výstupkové svařování. Tyto původní patenty byly zcela průmyslově nevyužitelné, až v meziválečném období s rozvojem automobilového průmyslu, byly tyto metody zdokonaleny a začaly se postupně využívat. Odporové svařování dosáhlo velkého rozmachu až při druhé světové válce, kdy bylo zapotřebí produkovat velké množství vojenské techniky. Díky poměrně dobré kvalitě svarů, rychlosti a ceně svařování si dodnes udrželo své postavení obzvláště v automobilovém průmyslu. [7]
3.4
Historie laserového svařování
Již v roce 1916 A. Einstein formuloval princip kvantové elektroniky, zde nastolil možnosti spontánní a stimulované emise záření. Na stimulované emisi záření je založen princip laseru. Další výzkumy této metody pocházejí z padesátých let minulého století. Tyto výzkumy prováděli N. G. Basov, A. M. Prochorov a Ch. Townes. V roce 1964 dokonce získali Nobelovu cenu za fyziku. Cenu obdrželi za popis principů a realizaci zcela nových typů generátorů elektromagnetických vln v oblasti mikrovln. T. H. Maiman sestrojil první funkční laser v laboratořích Huges Aircraft Company. Dne 15. 5. 1960 tento laser poprvé generoval záření. V dnešní době se laserové svařování díky vyšším finančním nákladům používá jen pro zhotovování velmi kvalitních svarů a svarů ostatními metodami neproveditelnými. [9]
13
4 TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ 4.1
Definice svařování
Je to pracovní postup, kterým se spojují materiály za působení tepla nebo tlaku nebo kombinace obou a to tak, aby zůstala zachována podstata spojovaných materiálů. Při svařování je možné používat přídavný materiál, ale není to nezbytné. Podmínkou je, aby teplota tání přídavného materiálu byla stejného řádu jako teplota tání základního materiálu. Svařováním vzniká trvalý a nerozebíratelný spoj. [9]
Obr. 1 Části svarového spoje a jejich názvy [7] 1- základní materiál; 2- povrch svaru; 3- povrch kořene svaru; 4- kořen svaru; 5- závar; 6- hranice svaru; 7- tepelně ovlivněná oblast; 8- pata svaru; 9- hloubka závaru; 10- převýšení svaru; 11- šířka svaru; 12- tloušťka svaru; 13- výška návaru 4.1.1 Svařování jako zvláštní proces Podle norem pro systémy a zabezpečení jakosti se svařování řadí mezi takzvané zvláštní procesy. Je tomu tak, protože kontroly kvality a ani zkoušky svařovaných součástí nedokážou úplně potvrdit, zda při svařovacím procesu byly dodrženy všechny požadované kvalitativní normy. Jinak řečeno požadovaná kvalita svařované součásti se nedá plně určit zkouškami, ale součást musí být s touto kvalitou již zhotovena. [9]
14
5 ROZDĚLENÍ METOD SVAŘOVÁNÍ Základní rozdělení
5.1
Rozeznáváme základní dva principy svařování:
Svařování tlakem Svar je tvořen za pomoci dostatečné tlakové síly, musí dojít k plastické deformaci mezi svarovými plochami. Tento princip nevyžaduje využití přídavného materiálu.
Tavné svařování K tvorbě svaru se nevyužívá tlaková síla. Princip využívá natavení kovů v místě svaru, obvykle se přidává přídavný materiál, ale není to pravidlem.
15
5.2
Schematické rozdělení metod
SVAŘOVÁNÍ TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ Plamenové svařování
TLAKOVÉ SVAŘOVÁNÍ Odporové svařování
OSTATNÍ METODY Aluminotermické svařování
Plamenové svařování s kyslíkem
Odporové bodové svařování
Elektrostruskové svařování
Kyslíko-acetylenové svařování
Odporové švové svařování
Elektroplynové svařování
Kyslíko-propanové svařování
Švové svařování s přeplátováním
Indukční svařování
Kyslíko-vodíkové svařování
Švové svařování s rozválcováním
Svařování světelným zářením
Stykové švové svařování s páskem
Laserové svařování
Obloukové svařování Svařování kovovou elektrodou bez ochranného plynu
Odporové výstupkové svařování
Svařování infračerveným zářením
Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou
Odtavovací stykové svařování
Elektronové svařování
Gravitační obloukové svařování obalenou elektrodou
Ostatní metody odporového svařování
Svařování elektrickým výbojem/rázem
Obloukové svařování plněnou elektrodou bez ochranného plynu Svařování pod tavidlem
Ultrazvukové svařování
Přivařování svorníků obloukem
Třecí svařování
Odporové přivařování svorníků
Svařování pod tavidlem s drátovou elektrodou
Kovářské svařování
Svařování pod tavidlem páskovou elektrodou
Svařování velkou mechanickou energií
Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu
Svařování výbuchem
Obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním plynu
Difuzní svařování
Obloukové svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu
Tlakové svařování s plamenovým ohřevem
Oboukové svařování plněnou elektrodou v aktivním plynu
Tlakové svařování za studena
Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranném plynu Obl. svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu Plazmové svařování
Plazmové MIG svařování Svařování magneticky ovládaným obloukem
Obr. 2 Schematické rozdělení metod svařování
16
5.3
Popis hlavních principů tavného svařování
5.3.1 Plamenové svařování K tavení základního i přídavného materiálu se používá teplo získané spalováním směsi hořlavého plynu s plynem, který podporuje hoření. Hořlavým plynem obvykle bývá acetylén, vodík, propan-butan či svítiplyn a jako plyn podporující hoření bývá využit kyslík nebo vzduch. Metoda byla nahrazena modernějšími způsoby, ale i přes to se občas využívá, hlavně v opravárenství. [3]
Obr. 3 Dopředné a zpětné svařování plamenem [4]
5.3.2 Obloukové svařování Jako zdroj tepla je u obloukového svařování využit elektrický oblouk nejčastěji hořící mezi elektrodou a základním materiálem. Méně využívaná uhlíková elektroda se při procesu neodtavuje, a proto netvoří svarový kov. Častěji se používá kovová elektroda, která se při procesu odtavuje a díky tomu tvoří svarový kov. Kovová elektroda je posouvána do svarové lázně konstantní rychlostí, při které dochází k jejímu odtavování. Díky tomu má elektrický oblouk pořád stálou délku. [3]
5.4
Popis vybraných principů tlakového svařování
5.4.1 Odporové svařování Mezi spojovanými materiály prochází svařovací proud, díky kterému vzniká odporové teplo takzvané Jouleovo teplo. Toto teplo je součástí svařovacího okruhu. Po ohřátí se materiály za pomoci tlakové síly stlačí a tím dojde k jejich svaření. [9]
17
Obr. 4 Schéma způsobů odporového svařování [3] a) stykové; b) bodové; c) švové; d) výstupkové 5.4.2 Svařování třením Jedna svařovaná součást se otáčí a druhá se k ní přitlačuje. Dochází k tření svařovaných ploch, což zapříčiňuje vznik tepla. Ohřívaná část kovu je vytláčena do takzvaného výronku. Při dosažení teploty potřebné k svařování dojde k stačení součástí potřebným pěchovacím tlakem a vzápětí dojde k prudkému zastavení otáčející se součásti. Nespornou výhodou této metody je to, že nevznikají žádné škodlivé zplodiny a to zvyšuje hygienu práce. Dále je metoda příznivá i energeticky. Nevýhodou je požadavek na vysokou kvalitu svařovaného povrchu součástí. Metoda lze v praxi využít jen u rotačních součástí. [2] 5.4.3 Kovářské svařování K ohřátí materiálu do plastického stavu dojde v kovářské výhni. Ohřátý materiál se za pomoci tlaku svaří. Při ručním kovářském svařování se používá kovadliny a úderů kladiva. Strojní svařování zase využívá tlakové síly bucharu nebo lisu. Tento způsob spojování materiálů je nejvhodnější pro svařování měkkých ocelí s velmi nízkým obsahem uhlíku. [2, 3] 5.4.4 Difuzní svařování Předpokladem jsou dokonale lapované kovově čisté svarové plochy. Při difuzním svařováním dojde k přitlačení těchto ploch a jejich ohřevu na teplotu, která odpovídá zhruba dvěma třetinám teploty tavení spojovaných kovů. Při těchto podmínkách dojde 18
k oboustrannému pronikání atomů obou kovů přes stykovou plochu. Tento jev se nazývá difuze. Díky pronikání atomů vzniká spoj velmi vysoké kvality. Tato metoda se často využívá k spojování kovů s nekovy, žáropevných a těžko tavitelných materiálů. [3]
5.5
Popis vybraných ostatních metod
5.5.1 Aluminoternické svařování Teplo potřebné pro spojování součástí se získává chemickou reakcí směsi kovových oxidů s jemně mletým hliníkovým práškem. Po zapálení směsi proběhne exotermická reakce, při které vznikne rozpuštěný kov, který tvoří přídavný materiál. Tento druh spojování materiálů je určen především pro velkorozměrové součásti, hodně se využívá pro svařování kolejnic. [9] 5.5.2 Elektrostruskové svařování Bezobloukovým průchodem elektrického proudu roztavenou elektricky vodivou struskou vzniká odporové teplo. Podmínkou je, aby struska byla ohřátá na teplotu vyšší, než je teplota tavení oceli. Toto zapříčiňuje tavení vstupujících elektrod na kapky a jejich pokles na dno svarové lázně. Roztavenou strusku se svarovým kovem udržují v místě svaru dvě měděné příložky, které se chladí vodou. Technologie je hlavně využívána při spojování materiálů velmi silných průřezů. [3]
Obr. 5 Princip elektrostruskového svařování [7] 1- svařovací dráty; 2- roztavená struska; 3- tekutý svarový kov; 4- ztuhlý svarový kov; 5- měděná vodou chlazená příložka; 6- základní materiál
19
5.5.3 Indukční svařování Svarové plochy se ohřívají indukčním proudem produkovaným cívkovým induktorem. Ohřáté svarové plochy jsou stlačeny pomocí kladek a tím dojde k vzniku svarového spoje. Využívá se pro výrobu svařovaných trubek a rour. [9]
Obr. 6 Princip indukčního svařování [7] 1- svar; 2- místo styku svarových ploch; 3- cívkový induktor; 4- indukčním proudem ohřátá část trubky 5.5.4 Laserové svařování Optický kvantový generátor neboli laser je zdrojem světelného monochromatického záření, které je zdrojem tepelné energie. Vysílané záření je optickým systémem soustředěno na velmi malou plochu. V důsledku účinků záření se materiál začne tavit a tím dojde k vytvoření svarového spoje. Technologie pracuje bez přídavného materiálu a je vhodná pro spojování kovových i nekovových materiálů. Tento druh spojování materiálů vyniká velmi malou tepelně ovlivněnou oblastí a vysokou produktivitou svařování. Laserovým svařováním se svařují i svary, které nelze ostatními technologiemi zhotovit. [7]
Obr. 7 Laserové svařování [9] 1- otáčecí přípravek; 2- svar; 3- svařovaný materiál; 4- ochranný plyn; 5- zaostřovací optika; 6- laserový paprsek; 7- laser 20
6 METODA MAG Zkratka MAG neboli Metal-arc Active Gas Welding vychází z němčiny a značí metodu svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře aktivního plynu. Tuto zkratku využívají hlavně evropské země, v ostatních zemích se ujala zkratka GMAW z anglického Gas Metal Arc Welding. V České republice se metoda MAG číselně označuje jako metoda 135. [8]
6.1
Princip metody
Jedná se o druh obloukového svařování, kde se elektroda taví pod ochranou plynu, který je k místu tavení elektrody přiváděn ze zásobníku. Ochranný plyn se aktivně podílí na procesech v elektrickém oblouku, a chrání ho i tavnou lázeň před přístupem vzduchu. Elektroda je holý drát navinutý na cívce. Z níž je konstantní rychlostí odvíjen podávacím mechanismem. Drát je podáván ke kontaktní trysce, kde do něj vstupuje proud ze zdroje stejnosměrného svařovacího proudu. Z trysky je drát směrován až k svarové lázni chráněné aktivním plynem. Elektrický oblouk hoří mezi anodou, kterou je drát a katodou tvořenou základním materiálem. [3, 9]
Obr. 8 Princip svařování [3] 1- cívka s drátem; 2- svařovací drát; 3- podávací kladky; 4- kontaktní průvlak; 5- hubice 6.1.1 Elektrický oblouk Elektrický oblouk je fyzikální jev projevující se mohutným elektrickým výbojem v neředěných plynech za normálního tlaku. Oblouk se udržuje samostatně a je zdrojem tepla využívaného při svařování. Aby mohl oblouk vůbec vzniknout, musí mezi 21
elektrodami být přítomen ionizovaný plyn, protože ten vede elektrický proud. Ionizace plynu bývá vyvolána vysokým napětím nebo teplotou či ionizačním zářením jako je UV nebo gamma. Proudy pro vytvoření oblouku jsou v rozmezí 10 až 1000A. Jejich správným nastavením zajistíme klidné hoření oblouku bez nadměrného rozstřiku kovu, rovnoměrnou šířku svarové housenky a stálou hloubku závaru. Velikost proudu se přímo odvíjí od rychlosti podávání svařovacího drátu. Napětí se pohybuje v rozmezí 10 až 100V. Pokud zvýšíme napětí nad hodnotu, která přísluší svařovacímu proudu, sníží se frekvence přenosu kapek kovu. Kapky budou větší a zvýší se i rozstřik svarového kovu. Housenka bude širší, ale hloubka závaru bude menší. [1, 3, 8] 6.1.1.1 Princip vzniku elektrického oblouku Na povrchu katody (záporná elektroda) se vytvoří katodová skvrna s vysokou teplotou a z ní jsou vyzařovány elektrony. Mezi těmito elektrony a atomy plynu dochází k srážkám, při nichž elektrony předají svou kinetickou energii atomům. Atomy se rozbijí na elektrony a kladné ionty. Napětím mezi elektrodami jsou elektrony a kladné ionty uváděny do pohybu, při kterém dochází k srážkám s neutrálními atomy a ty se rozbíjí na další elektrony a kladné ionty. Na konci své dráhy dopadají elektrony na anodu (kladná elektroda) a jejich kinetická energie se mění na tepelnou. Anoda se ohřívá na teplotu okolo 2400°C. Kladné ionty zase narážejí na katodu, kde jí předávají svoji kinetickou energii a katoda se ohřívá na teplotu asi 2100°C, což umožňuje další vysílání elektronů. Díky nízké teplotě na hranici obloukového sloupce dochází k slučování elektronů s kladnými ionty. Tento jev se nazývá rekombinace. Obloukový sloupec je jasně zářící viditelní část oblouku a teplota v něm se pohybuje mezi 6000 až 8000°C. [1, 8]
Obr. 9 Elektrický oblouk [8] 22
Výhody a nevýhody metody
6.2
Výhody:
Nepřerušovaný svařovací proces, odpadá výměna elektrod
Vysoká odtavovací rychlost svařovacího drátu
Vysoké proudové zatížení
Vysoká produktivita a hospodárnost provádění svarových spojů
Dobrá operativnost i při svařování v polohách
Malé deformace svařených součástí a konstrukcí
Při vyšších rychlostech je malá tepelně ovlivněná oblast
Velmi nízká tvorba strusky
Dobré využití vlastností provedených spojů
Hlubší závar
Nízký obsah vodíku ve svarovém kovu
Metoda nevyžaduje využití tavidel
Viditelnost svarové lázně a elektrického oblouku
Možnost využití přesného řízení procesu řídící jednotkou
Velká dostupnost svářečské techniky, ochranných plynů a přídavných materiálů
Malé investiční náklady při uskutečnění metody v klasickém provedení
Možnost mechanizace, robotizace a automatizace metody [1, 3]
Nevýhody:
Vyšší nároky na údržbu zařízení
Vyšší nároky na obsluhu
Vliv oxidační atmosféry
Vyšší pořizovací nároky při robotizaci a automatizaci metody
Při využití hořáků nad 200A je nutné zajistit ochlazování kapalinou [3]
7 ZPŮSOBY PŘENOSU KOVU U METODY MAG 7.1
Kapkový bezzkratový přenos
U tohoto přenosu je kapka vždy menší, než je vzdálenost mezi koncem drátu a tavnou lázní. V praxi se uplatňuje pouze v poloze vodorovné shora. Slouží k svařování ocelí
23
větších tloušťek za použití směsí Ar+CO2 při napětích od 25V do 35V. Přenos bývá nazýván jako svařování dlouhým obloukem. [1, 3]
Obr. 10 a) Kapkový bezzkratový přenos kovu; b) zkratový přenos kovu [3]
7.2
Zkratový přenos
Mezi drátem a tavnou svarovou lázní se z kapky vytvoří vodivý můstek z tekutého kovu a tím vznikne zkrat svařovacího obvodu. Díky špičkovému zkratovému proudu dojde ve vodivém můstku k zvýšení teploty a to urychlí odtavení kapky. Běžná frekvence odtavování kapek je 50 až 200 za sekundu. Velkou výhodou zkratového přenosu je jeho využití při svařování v různých polohách. V praxi se tento přenos využívá při svařování tenkých plechů nebo kořenových vrstev při napětí na oblouku v rozmezí od 14 do 20V. Zkratový přenos bývá označován jako svařování krátkým obloukem. [1, 3]
7.3
Polozkratový přenos
Kombinuje bezzkratový a zkratový přenos. Využívá se pro svařování plechů středních tloušťek při napětí od 18 do 28V. Při odtavování drátu se tvoří velké kapky svarového kovu. Rozstřik kovu bývá obvykle malý. [1]
7.4
Sprchový přenos
Kov je na základní materiál přenášen pomocí velkého počtu malých kapek, proto se nazývá sprchový. V praxi se jím svařují kovové materiály o větších tloušťkách. Proces bývá stabilní a prakticky je bez rozstřiku, ale vyžaduje pouze směsi plynů na bázi argonu. [1]
24
7.5
Impulsní přenos
Jde o kombinaci sprchového a kapkového bezzkratového přenosu. Nejvíce je využíván při svařování tenkých plechů jen za využití směsí plynů obsahující velké množství argonu, protože v oxidu uhličitém je tento přenos zcela nerealizovatelný. Kov se v oblouku přenáší formou kapek. Přenos je stabilní a dochází pouze k minimálnímu rozstřiku svarového kovu. [1]
8 ZAŘÍZENÍ PRO SVAŘOVÁNÍ METODOU MAG Pro svařování metodou MAG se v praxi rozeznávají tři druhy realizací a to ruční mechanizované obloukové svařování, často nazývané jako poloautomatizované svařování. Další je robotizované svařování a poslední je mechanizované obloukové svařování, nazývané jako plněautomatizované svařování. Tyto realizace se od sebe odlišují konstrukcí svařovacích zařízení a četností využití lidské pracovní síly při procesu. I přes různorodost konstrukčních řešení je každé svařovací zařízení sestaveno z těchto součástí – svařovací zdroj, podávací mechanismus, řídící jednotka, svařovací hořák a příslušenství nutné k provozování svařovacího zařízení. Mezi příslušenství řadíme zásobník ochranného plynu, redukční ventil, svařovací elektrické vodiče a svařovací hadice. Robotizovaná a plněautomatizovaná zařízení ještě obsahují zásobník a rozvody pro chladicí kapalinu, kterou bývá ochlazován hořák. [1, 8]
Obr. 11 Poloautomatizované svařovací zařízení MAG [18]
25
8.1
Svařovací zdroj
Pro metodu MAG využíváme zdroje jen stejnosměrného proudu s plochou voltampérovou charakteristikou. Voltampérová neboli statická charakteristika je grafické znázornění závislosti napětí na proudu. Vždy se měří na výstupních svorkách svařovacího zařízení při ustáleném stavu, jako je proces svařování. Zapalování oblouku se nepovažuje za ustálený stav. Rozeznáváme tři voltampérové charakteristiky: strmou, mírně klesající a plochou. Strmá nazývaná též charakteristika a konstantním proudem se využívá při svařování
elektrickým
obloukem
obalenou
elektrodou.
Mírně
klesající
neboli
charakteristika s konstantním výkonem se využívá u svařovacích transformátorů. Poslední charakteristikou je plochá, kterou nazýváme jako charakteristiku s konstantním napětím. Využívá se při mechanizovaných a automatizovaných způsobech svařování. [2, 8]
Obr. 12 Voltampérové charakteristiky svařovacích zdrojů [8] Vlevo – strmá charakteristika; Uprostřed – mírně klesající charakteristika; Vpravo – plochá charakteristika 8.1.1 Točivé zdroje – svařovací generátory Tyto zdroje tvoří pohonný motor, nejčastěji třífázový asynchronní elektromotor s kotvou nakrátko a speciální dynamo, z kterého odebíráme stejnosměrný proud. V praxi se uplatňují pro svařování sprchovým přenosem jako zdroje vyššího výkonu do 300A nebo jako zdroje svařující zkratovým přenosem pracující s nižším výkonem až do750A. Točivé zdroje vynikají svojí velkou hlučností a hmotností, ale jejich největší nevýhodou je jejich malá efektivita při využívání energie. Díky této nevýhodě se postupně odstoupilo od jejich výroby a v dnešní době je plně nahradily svařovací usměrňovače. [1, 2]
26
8.1.2 Svařovací usměrňovače Usměrňovač reguluje síťové napětí na stejnosměrné pulzující napětí, které se poté za pomoci tlumivky a kondenzátoru vyrovná na stejnosměrné napětí vhodné pro svařování. Každý usměrňovač se skládá z těchto tří základních komponentů. Za prvé je to transformátor, který transformuje síťové napětí na stejnosměrné. Dále jsou to usměrňovací články tvořící s transformátorem jeden celek obvykle vybavený analogovým ampérmetrem a voltmetrem, nebo v dnešní době digitálním displejem. Posledním komponentem je regulátor svařovacího proudu, díky němuž měníme hodnotu svařovacího proudu. Těmito zdroji lze realizovat sprchový i zkratový přenos kovu. Usměrňovače do 160A se nazývají jako nízkovýkonové a v praxi se jimi svařují tenké plechy zkratovým přenosem. V rozmezí od 160A do 600A pracují vysokovýkonové usměrňovače, které využívají sprchový přenos kovu v oblouku. [1, 2]
8.1.3 Invertory Běžně se nazývají i jako měniče nebo střídače a řadí se mezi nejmodernější svařovací zdroje stejnosměrného proudu. Tyto zdroje usměrňují střídavé vstupní napětí v invertoru neboli měniči na střídavé napětí o vysoké frekvenci až 20Hz. Po této přeměně následuje další transformace na stejnosměrné napětí. Díky využití vysoké frekvence se rovnoměrně využívá síťové napětí. Díky této skutečnosti lze rapidně snížit hmotnost transformátoru a díky tomu mají invertory velmi malé rozměry ve srovnání s usměrňovači. Dalšími výhodami těchto zdrojů jsou: rychlé řízení a kontrola svařovacího procesu, lepší zapalování oblouku a dobrý impulsní přenos kovu doprovázený menším rozstřikem svarového kovu. [1, 8]
8.2
Podávací mechanismus s cívkou drátu
K dosažení stabilního hoření oblouku a dobré jakosti svaru je zapotřebí přivádět drát rovnoměrnou rychlostí k místu odtavování drátu. Zařízení k tomu určené je samostatnou mechanickou jednotkou a bývá obvykle umístěno uvnitř nebo na zdroji svařovacího proudu. Podávací zařízení tvoří regulační elektromotor s mechanickou převodovkou a soustavou rovnacích a hnacích podávacích kladek, mezi nimiž prochází svařovací drát, který se odvíjí z cívky. Drát je kladkami podáván do eurokonektoru, bowdenem je veden až ke kontaktní trysce hořáku, z které vystupuje rovnoměrnou rychlostí do svarové lázně. Nejspolehlivější podávací zařízení jsou vybavena čtyřkladkovým posuvem drátu. [1, 8]
27
Obr. 13 Zařízení na podávání drátu [8] 1- čistič drátu; 2- podávací kladka hnaná; 3- podávací kladka hnací; 4- svařovací drát
8.3
Řídící jednotka
Moderní mikroprocesorová řídící jednotka, bývá osazována do plněautomatizovaných, robotizovaných a dražších poloautomatických svářeček. Výhradně slouží k ovládání svařovacího obvodu, nastavování nebo volbě již přednastavených svařovacích programů. Novější typy jednotek bývají již opatřeny vnitřní pamětí, do které lze programy uložit. Programy se nastavují a do paměti jednotky ukládají pomocí ovládacího panelu svářečky. U plněautomatizovaných a robotizovaných svářeček se nahrávají pomocí digitálních nosičů dat, jako je například kompaktní disk nebo USB flash disk. Nejmodernější svařovací
roboti
jsou
vybaveni
přenosným
ručním
programovacím
zařízením
s barevným LCD displejem, které komunikuje s řídící jednotkou. Toto zařízení slouží k drobným úpravám svařovacího programu a kontrole kvality přímo při svařování.
8.4
Svařovací hořák
Hořák slouží k přívodu svařovacího proudu na tavící se elektrodu a k usměrnění plynu do místa svaru. Hořáky se dělí na ruční a strojní. Podle proudového zatížení na hořáky do 200A, které se chladí plynem a na hořáky nad 200A které se chladí výhradně kapalinou. Přenos svařovacího proudu na elektrodu, která je ve formě drátu, se provádí pomocí kontaktní trysky. Tryska je velmi tepelně namáhána, a proto je vyrobena z mědi nebo z mědi legované chromem. Tvar trysky a velikost vodícího otvoru trysky se vždy odvíjí od průměru drátu. Platí zásada, že průměr vodícího otvoru musí být vždy o 0,2mm větší než je průměr svařovacího drátu.
28
Další velmi tepelně namáhanou součástí hořáku je hubice. Ta slouží k usměrnění ochranného plynu vycházejícího z rozdělovače plynu k místu svaru. Hubice obvykle bývají vyrobeny z mědi legované chromem. V poslední době se stále rozšiřují hubice vyrobené z keramiky, díky svým izolačním a tepelně odolným vlastnostem. Velikost a tvar hubice se volí podle svařovacího proudu, šířky svaru a tepelné vodivosti svařovaného materiálu. Hubice rozdělujeme na tři typy: kónické, válcové a bodovací. Strojní hořáky pracující s proudy nad 200A bývají vybaveny přívodem kapaliny k nucenému ochlazování. Díky vysoké proudové zátěži dochází k velkému tepelnému namáhání hořáku a bez jeho ochlazování by došlo k jeho trvalému poškození. [1]
Obr. 14 Ruční plynem chlazený hořák NORTH model N15 s eurokonektorem [15] A- hubice; B- kontaktní tryska; C- trubička pro vedení drátu 1- rozdělovač plynu; 2- ochranný izolační kroužek; 3- trubka hořáku; 4- plastová matice; 5- krk hořáku; 6- háček; 7- tlakový spínač; 8- ergonomická rukojeť; 9- opora kabelu na rukojeti; 10- svářecí kabel; 11- opora kabelu na eurokonektoru; 12- plastový kryt eurokonektoru; 13- šroub; 14- matice eurokonektoru; 15- eurokonektor; 16- O kroužek; 17- zajišťovací matice
8.5
Příslušenství
8.5.1 Zásobník ochranného plynu – láhev na stlačené plyny Technické plyny určené pro svařování se na pracoviště dodávají v tlakových láhvích. CO2 je dodáván v ocelových láhvích o vodním objemu 20l, směsi plynů Ar+CO2, Ar+CO2+O2 jsou dodávány v ocelových láhvích o vodním objemu 40l. Láhve obsahují lahvový ventil s pravým vnějším závitem G 3/4“ k připojení redukčního ventilu. Pokud není láhev připojena, musí být opatřena bezpečnostním kloboučkem. 29
Každá láhev je opatřena čtyřmi druhy značení, to jsou: informační nálepka, bezpečnostní nálepka, vyražené značení na těle láhve a barevné označení láhve.
Obr. 15 Barevné značení tlakových láhví s plyny vhodnými pro svařování MAG [5] Vlevo- staré značení platné do 30. 6. 2008; Vpravo- nové značení dle ČSN EN 1089-3 8.5.2 Redukční ventil Redukční ventil slouží k regulaci neboli snížení tlaku z lahve na tlak pracovní, který je obvykle nižší. Ventil je vybaven ohřívačem, který ohřívá plyn vycházející z plynové láhve. Plyn vycházející z láhve přes zúžené místo je škrcen, klesá jeho tlak a teplota. To je nežádoucí, proto je zapotřebí plyn zahřát na pracovní teplotu a tím zvýšit tlak na požadovanou mez.
Obr. 16 Lahvový redukční ventil GCE 07 830 54 s plovákovým průtokoměrem a ohřívačem 24V [14] 1- převlečná matice s vnitřním závitem G 3/4“; 2- ohřívač 24V; 3- elektrický kabel; 4- manometr; 5- plovákový průtokoměr; 6- těleso ventilu; 7- regulační ventilek; 8- hadicová přípojka 8.5.3 Svařovací vodiče Tyto vodiče slouží k propojení všech komponentů svařovacího obvodu. Vodiče se pomocí bajonetových koncovek připojují ke zdroji a řídící jednotce. Jedině svorkou se 30
spojují se svařovanou součástí, zde se vodič nazývá zemnící kabel. Vodiče by mněly být co nejkratší s kvalitní a neporušenou izolací vhodnou pro trvalé využití na svářečských pracovištích. Další podmínkou je, aby průřez jádra vodiče splňoval požadavky na rozsah používaného svařovacího proudu. [1] 8.5.4 Svařovací hadice Slouží k rozvodu plynu z redukčního ventilu až k svařovacímu hořáku. Hadice by mněly být lehké, ohebné, mít co nejkratší délku a jimi dopravovaný plyn by neměli chemicky znečišťovat. V dnešní době jsou obvykle silonové nebo teflonové. [1]
8.6
Robotické svařovací systémy
Tyto systémy oproti jiným svařovacím zařízením obsahují ještě robotické rameno řízené řídící jednotkou. Tyto systémy pracují trvale bez přítomnosti svářeče, ale vyžadují pravidelnou údržbu od obsluhy. Do údržby se zahrnuje výměna svařovacího drátu, pravidelné mazání pohyblivých částí ramene a kontrola správné funkčnosti stroje a případná výměna poškozených součástek. Roboti jsou řízeni počítačovými programy, díky kterým pracují s nízkými náklady na provoz, velmi vysokou přesností a kvalitou prováděných svarů. Jejich největší nevýhodou jsou pořizovací náklady. Tyto robotické svařovací systémy se v praxi používají v pásových výrobách, nejčastěji automobilového průmyslu.
Obr. 17 Svařovací systém Panasonic TAWERS-WG3 model TA – 1400 [19]
31
9 TECHNOLOGIE MAG LASER HYBRID Tato metoda spojuje největší přednosti laserového a obloukového MAG svařování a zároveň patří mezi nejmodernější metody svařování. Laserovo-obloukový způsob spojování kovů byl speciálně vyvinut pro svařování součástí o tloušťkách materiálu nad 5mm. Při klasickém svařování metodou MAG je zapotřebí materiály obvykle předehřát a poté se materiál svařuje pomocí několika housenek, které se na sebe vrství. Tento způsob vede k velkým deformacím svařovaných součástí a je časově náročný. MAG laser hybrid využívá efektu hlubokého závaru vytvořeného laserem a tím odpadá potřeba kladení housenek do vrstev. Zpočátku byl využíván plynový CO2 laser, ale nyní převládá pevnolátkový Nd:YAG laser, díky svému většímu výkonu a vedení paprsku pomocí světelných kabelů, což umožňuje použití metody v uzavřených prostorech. V praxi se tato technologie využívá v loďařském průmyslu, automobilovém průmyslu, vojenském průmyslu, leteckém a kosmickém průmyslu, při stavbě mořských těžebních plošin a pro svařování silnostěnných rour a potrubí z oceli. [4, 10] Výhody:
Efekt hlubokého závaru neboli vysoký poměr hloubky k šířce svarového spoje
Větší hloubky svaru na jednu vrstvu oproti klasickému svařování MAG
Dobré vyplnění (přemostění) svarové mezery
Úzká tepelně ovlivněná oblast
Minimální deformace svarů a svařovaných součástí
Minimum vad ve svarech
Malé převýšení svaru
Pro větší tloušťky materiálů, než umožňuje klasické svařování MAG
Výborná práce v polohách
Vysoká produkce svarů, mnohonásobně rychlejší než klasické svařování MAG
Menší spotřeba plynu oproti klasickému svařování MAG
Kontrola svařovacího procesu díky jeho celkové digitalizaci
Vysoká ziskovost [4, 10]
32
Nevýhody:
Vysoké pořizovací a provozní náklady díky laseru
Proveditelné jen při automatizovaném procesu s využitím robotického svařovacího systému za použití laserové hybridní hlavy s hořákem pro svařování MAG
Absolutní přesnost při seřízení zaostření a chodu laserového paprsku se svařovacím hořákem [4, 10]
9.1
Princip technologie
Po upnutí svařovaných součástí do upínacích kleštin a jejich vycentrování se hybridní laserová hlava nasměruje na místo, kde bude začátek svaru. Dojde k zapálení oblouku jako u klasického svařování metodou MAG. Až po stabilizaci elektrického oblouku dojde k vyslání laserového paprsku do svarové lázně. Hned po kontaktu paprsku se svařovanou součástí dojde v místě svařování k masivnímu zvýšení teploty na teplotu, při které se materiál součásti začíná vypařovat. Dochází k vytvoření daleko dosahujícího sloupce par, který zajišťuje efekt hlubokého závaru. Část celkové energie procesu je použita pro napájení laserového paprsku, který ji využívá jen pro vytvoření a udržení efektu hlubokého závaru a proto jsou menší náklady na energii než u klasického laserového svařování. Zbytek z celkové energie využívá méně nákladový MAG proces. Soustředěním obou pracovních procesů do jedné pracovní oblasti získáme větší hloubku svaru při rychlejším svařování. [10, 13]
Obr. 18 Princip metody laser hybrid [10]
33
10 PŘÍDAVNÉ MATERIÁLY POUŽÍVANÉ METODOU MAG Jako přídavné materiály pro svařování MAG používáme drátové nebo trubičkové elektrody. Ty jsou navinuty na speciálních cívkách a poté zabaleny do vhodných obalů, které zabraňují poškození nebo znehodnocení elektrod během skladování nebo přepravy. Přídavné materiály musí zajistit tyto funkce:
Doplnit objem svarové lázně a tím zabezpečit svary požadovaného tvaru a průřezu
Nahradit prvky, u kterých došlo při svařování k vymizení nebo snížení jejich obsahu ve svaru
Být vodičem elektrického proudu
Dodávat vhodné legovací a dezoxidační přísady do svaru pro zlepšení jeho vlastností
Aby mohly elektrody dosáhnout všech výše zmíněných funkcí, musí mít tyto vlastnosti:
Vhodné chemické složení
Vysokou čistotu a hladkost povrchu
Vhodný průřez
Přiměřenou tvrdost a tuhost
Přiměřené rozměrové a tvarové odchylky
Přídavné materiály u metody MAG mají zvýšený obsah manganu a křemíku. Tyto prvky s dezoxidačními vlastnostmi snižují oxidaci svarového kovu způsobenou uvolněným kyslíkem z oxidu uhličitého. [1]
10.1 Drátové elektrody Tento druh elektrod se využívá při svařování ocelí ručním, poloautomatizovaným a robotizovaným způsobem. Vyrábějí se o těchto průměrech: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6mm. Povrch těchto elektrod je pokryt vrstvou mědi, která zabraňuje korozi během skladování a přepravy. Další výhodou měděné vrstvy je její schopnost zlepšit přívod svařovacího proudu z kontaktní trysky hořáku přímo na elektrodu. [1]
34
10.1.1 Označování drátových elektrod a svarového kovu Systém označování elektrod pro svařování metodou MAG zavedla norma ČSN EN 440. Tato norma dává jasné požadavky na třídění drátů, jimiž svařujeme jen nelegované a jemnozrnné oceli s nejmenší mezí kluzu do 500 MPa za pomoci ochranné atmosféry plynů. Třídění drátů se stanovuje na základě jejich chemického složení. Přiřazením doplňujících symbolů označující mechanické vlastnosti svarového kovu a použitý ochranný plyn získáme označení svarového kovu. Příklad označení svarového kovu: ČSN EN 440 – G 46 2 M G2Mo Kde: ČSN EN 440
je číslo normy
G
označuje obloukové svařování v ochranné atmosféře plynu
46
označuje mez kluzu, pevnost a tažnost svarového kovu (viz Tab.1)
2
označuje nárazovou práci svarového kovu (viz Tab.2)
M
označuje použitý ochranný plyn (viz Tab.3)
G2Mo
označuje chemické složení drátu (viz Tab.4)
Toto označení označuje svarový kov s nejmenší mezí kluzu 460 MPa (46), dále nejmenší nárazovou práci 47J při -20°C (2). Svarový kov je navařen ve směsi plynů (M) drátem odpovídající chemickému složení G2Mo. [8] Tab. 1 Číselné označení pevnostních vlastností a tažnosti svarového kovu [8] Číselné označení
Mez kluzu1) MPa min.
Pevnost v tahu MPa
Tažnost2) % min.
35 355 440 až 570 22 38 380 470 až 600 20 42 420 500 až 640 20 46 460 530 až 680 20 50 500 560 až 720 18 1) Platí dolní mez kluzu (ReL). Není-li zjištěna výrazná mez kluzu, použije se smluvní mez kluzu Rp0,2 2) Měřená délka je pětinásobkem průměru zkušební tyče.
35
Tab. 2 Označení nárazové práce svarového kovu [8] Označení
Teplota pro nárazovou práci min. 47J °C
Z A 0 2 3 4 5 6
Nepožaduje se 20 0 -20 -30 -40 -50 -60
Tab. 3 Označení ochranného plynu [8] M Směsi plynů bez obsahu hélia CO2 Oxid uhličitý
Tab. 4 Označení chemického složení drátů [8] Značka
C
Si
Mn
Chemické složení v % (hmot.)1),2),3) P S Ni
Mo
Al
Ti+Zr
Jiné sjednané chemické složení neuvedené v této normě
G0 G2Si G3Si1
0,06 až 0,14 0,06 až 0,14
0,5 až 0,8 0,7 až 1,0
0,9 až 1,3 1,3 až 1,6
0,025 0,025
0,025 0,025
0,15 0,15
0,15 0,15
0,02 0,02
0,15 0,15
G4Si1
0,06 až 0,14
0,8 až 1,2
1,6 až 1,9
0,025
0,025
0,15
0,15
0,02
0,15
G3Si2 G2Ti
0,06 až 0,14 0,04až 0,14
1,0 až 1,3 0,4 až 0,8
1,3 až 1,6 0,9 až 1,4
0,025 0,025
0,025 0,025
0,15 0,15
0,15 0,15
0,02 0,05 až 0,20
0,15 0,05 až 0,25
G3Ni1
0,06 až 0,14
0,5 až 0,9
1,0 až 1,6
0,020
0,020
0,8 až 1,5
0,15
0,02
0,15
G2Ni2 G2Mo
0,06 až 0,14 0,08 až0,12
0,4 až 0,8 0,3 až 0,7
0,8 až 1,4 0,9 až 1,3
0,020 0,020
0,020 0,020
2,1 až 2,7 0,15
0,15 0,4 až 0,6
0,02 0,02
0,15 0,15
G4Mo
0,06 až 0,14
0,5 až 0,8
1,7 až 2,1
0,025
0,025
0,15
0,4 až 0,6
0,02
0,15
G2Al 0,08 až 0,14 0,3až 0,5 0,9 až 1,3 0,025 0,25 0,15 0,15 0,35 až 0,75 1) Cr max. 0,15, Cu max. 0,35 a V max. 0,03, pokud není stanoveno jinak. Obsah mědi v oceli včetně pomědění drátu nesmí překročit 0,35%. 2) Jednotlivé hodnoty v tabulce jsou hodnoty maximální 3) Výsledky se zaokrouhlují na počet platných míst jaký je uveden v ISO 31-0, příloha B, pravidlo A
0,15
10.2 Trubičkové elektrody Trubičkové elektrody se používají při svařování ocelí ručním, poloautomatizovaným a robotizovaným způsobem. Jejich průměry jsou: 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,4mm. Dělíme je podle chemického složení na:
Trubičkové elektrody s rutilovou náplní
Trubičkové elektrody s bazickou náplní
Trubičkové elektrody s kovovou náplní 36
Bazickou a kovovou náplň využíváme pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Rutilovou náplní svařujeme nelegované, nízkolegované a vysokolegované oceli. Zvláštním druhem jsou trubičkové elektrody s vlastní plynovou ochrannou. Jejich výhodou je, že nevyžadují externí plynovou ochranu, kterou zajišťuje aktivní plyn. Elektrody jsou obvykle navinuty na kovové či plastové cívky, ale je zde i možnost přepravy a skladování ve svitcích. Svitků s elektrodou se využívá především u svařovacích robotických systémů, protože se tím zvyšuje časový interval výměny elektrody, kterou provádí obsluha robota. [1]
Obr. 19 Typy trubičkových elektrod [1]
11 OCHRANNÉ AKTIVNÍ PLYNY Pro svařování metodou MAG se využívají jen plyny nebo směsi plynů, které se aktivně podílí na svařovacím procesu. Aktivní plyny nebo směsi chrání elektrický oblouk a svarovou lázeň. Dále tyto plyny ovlivňují metalurgické nebo mechanické vlastnosti svarového spoje. Nejpoužívanějším plynem v praxi je oxid uhličitý a nejpoužívanější směsí je argon s oxidem uhličitým.
Obr. 20 Vliv ochranného plynu na tvar svaru [4]
37
11.1 Oxid uhličitý Bezbarvý plyn rozpustný ve vodě. Je těžší než vzduch a vyznačuje se nakyslým zápachem a chutí. Oxid uhličitý nehoří a při větší koncentraci působí dusivě. Za obvyklého běžného tlaku a teploty se jedná o stabilní plyn. Při silném ochlazení oxidu uhličitého dochází k přeměně na pevný oxid uhličitý, který se vyznačuje molekulovou strukturou. Pevný oxid uhličitý se běžně nazývá suchý led. Oxid uhličitý získáváme několika způsoby. Plyn vzniká při dýchání, tlení rostlin a živočichů a při kvašení. V průmyslu ho získáváme pomocí dokonalého spalování uhlíku nebo tepelným rozkladem vápence. Oxid uhličitý je konečným výrobkem při spalování každé organické látky, kterou často tvoří metan, biomasa nebo fosilní paliva. Ochranná atmosféra oxidu uhličitého při svařování elektrickým obloukem se používá od sedmdesátých let minulého století. Tato atmosféra je náhrada za svařování obalenou elektrodou, protože ta se nedokázala přizpůsobit stále vyšším nárokům na produktivitu, kvalitu a komfort svářečské práce. Pro svařování se používá oxid uhličitý o čistotě 99,7%. Ten se při procesu rozkládá na oxid uhelnatý a kyslík. Kyslík zapříčiňuje oxidaci svarového kovu, protože obohacuje kov a to způsobuje vyhořívání některých prvků. Aby se tomuto jevu zabránilo, používají se elektrody s dezoxidačními prvky. Oxid uhličitý při svařování příznivě ovlivňuje průvar. Mezi nevýhody plynu patří hlavně vysoký rozstřik svarového kovu, méně stabilní oblouk a jeho horší zapalování. Díky těmto nevýhodám se stále častěji nahrazuje směsí argonu s oxidem uhličitým. [3, 11, 16] Tab. 5 Fyzikálně chemické vlastnosti oxidu uhličitého [16] Chemický vzorec CO2 Teplota tání (při tlaku 500kPa) -56,6°C Teplota varu (při tlaku 101,3kPa) -78,5 °C Hustota plynu (0°C; 101,3kPa) 1,965 kg.m-3 Hustota kapaliny (-56,6°C; 500kPa) 1178 kg.m-3 Hustota pevného CO2 (20°C; 101,3kPa) 1200-1500 kg.m-3 Barva Bezbarvý plyn
11.2 Argon Je to bezbarvý, nehořlavý a netoxický plyn, který je těžší než vzduch. Jeho další předností je jeho schopnost vést elektrický proud. Argon patřící mezi vzácné plyny je za běžné teploty a tlaku stabilní plyn, který dosahuje lepší rozpustnosti ve vodě než kyslík. Obsah argonu v zemské atmosféře je 0,934% z celkového objemu atmosféry. 38
K výrobě argonu se využívá frakční destilace zkapalněného vzduchu. Destilace je založena na principu rozdílných teplot varu dílčích plynů, z kterých se skládá zemská atmosféra. Dusík se vypařuje při -196°C, kyslík při -183°C a argon při -185,9°C. [20] Tab. 6 Fyzikálně chemické vlastnosti argonu [20] Chemická značka Ar Teplota tání (při tlaku 101,3kPa) -189,4°C Teplota varu (při tlaku 101,3kPa) -185,9°C Hustota plynu (0°C; 101,3kPa) 1,784 kg.m-3 Hustota kapaliny (-185,9°C; 101,3kPa) 1393 kg.m-3 Barva Bezbarvý plyn
11.2.1 Směsi na bázi argonu Samotný argon má inertní vlastnosti, proto se aktivně nepodílí na svařovacím procesu. Proto bývá součástí směsi s aktivním plynem, nejčastěji s oxidem uhličitým, dále s kyslíkem, nebo směsí obou. Zřídka se užívá směsí obsahující helium nebo vodík. Směsi na bázi argonu při svařování napomáhají k dobrému promísení svarového kovu se základním materiálem a napomáhají k stabilizaci oblouku. Svary vytvořené pomocí směsi s argonem vynikají velkou hloubkou závaru a čistotou svarového kovu. Argonové směsi zvyšují efektivitu práce a snižují výdaje za svařování. [20] Tab. 7 Přehled směsí plynů firmy Messer Technogas s.r.o. pro svařování MAG [17] Složení [%] Použití Ar CO2 O2 He H2 Inoxline X2 98 0 2 Inoxline C2 97,5 2,5 Vysokolegované oceli Inoxline He15 C2 83 2 - 15 Inoxline He30 H2 C 67,88 0,12 - 30 2 Ferroline C8 92 8 Ferroline C18 82 18 Ferroline C25 75 25 Ferroline X4 96 4 Ferroline X8 92 8 Nelegované oceli Ferroline C5 X5 90 5 5 Ferroline C3 X1 96 3 1 Ferroline C6 X1 93 6 1 Ferroline C12 X2 86 12 2 Ferroline He20 C8 72 8 - 20 Název produktu
39
12 SVAŘITELNOST A ZÁKLADNÍ MATERIÁLY 12.1 Svařitelnost Je jedna z důležitých vlastností materiálů. Svařitelnost je komplexní charakteristikou definující, zda je materiál vhodný pro vytvoření svarových spojů s předem daným účelem použití, pokud jsou dodrženy určité technologické postupy a je zachována požadovaná konstrukční spolehlivost svarového spoje. Tato vlastnost materiálů je velmi složitá, protože ji ovlivňuje celá řada faktorů. [8] Faktory ovlivňující svařitelnost:
Vlastnosti základního materiálu a svarového kovu (chemické složení, mechanické vlastnosti, mikrostruktura, náchylnost na vznik trhlin, vlastnosti a chování za vysokých teplot, kalitelnost a mnoho dalších)
Metoda svařování a výrobní podmínky (tavné nebo tlakové svařování, parametry svařování, poloha svaru, předehřev svaru, množství tepla vneseného do svarového spoje a mnoho dalších)
Konstrukce svařence (počet svarů na součásti, typy svarů, umístění svarů, deformace svařence, tloušťka svarových spojů, zbytková napětí a mnoho dalších) [6]
Rozdělení svařitelností:
1a) Svařitelnost zaručená Bez zvláštních opatření a při okolních teplotách převyšující 0°C výrobce materiálu zaručuje svařitelnost
1b) Svařitelnost podmíněně zaručená Pokud se dodrží předem určené podmínky, například předehřátí základního materiálu nebo žíhání po svaření, výrobce materiálu zaručuje svařitelnost.
2. Svařitelnost dobrá Svarové spoje jsou vyhovující, i když výrobce materiálu svařitelnost nezaručuje.
40
3. Svařitelnost obtížná I při dodržení zvláštních pracovních podmínek a postupů nelze dosáhnout vyhovující kvality svarů. Výrobce nedoporučuje tyto materiály k svařování. Materiály s touto svařitelností se svařují hlavně při opravách. [2]
12.1.1 Uhlíkový ekvivalent Je indikátorem svařitelnosti oceli z hlediska jejího chemického složení. Uhlíkový ekvivalent CE formuluje příspěvek jednotlivých legujících prvků ke kalitelnosti oceli. Čím snadněji dojde k zakalení oceli, tím snadněji dojde k vytvoření křehkých zakalených struktur, jako jsou martenzit nebo spodní bainit. Křehké zakalené struktury se vytvářejí v tepelně ovlivněné oblasti a ve svarovém kovu i při pomalém ochlazování a díky tomu se svařovaná ocel hůře svařuje. Platí úměra, čím má materiál vyšší hodnotu uhlíkového ekvivalentu, tím obtížněji se svařuje. Hlavní roli při výpočtu ekvivalentního uhlíku má obsah uhlíku v oceli. Podle mezinárodního svářečského institutu IIW (International Institute of Welding) se stanovuje uhlíkový ekvivalent vhodný pro oceli s C˂0,25% takto:
(1)
Všechny uvedené hodnoty jsou v hmotnostních procentech. Některé vztahy zohledňují i tloušťku svařovaného materiálu:
(2)
Všechny uvedené hodnoty jsou v hmotnostních procentech, kromě hodnoty s, ta značí tloušťku materiálu a je v milimetrech. Tato rovnice je vhodná pro oceli s obsahem prvků nepřevyšující C=0,22%; Mn=1,6%; Cr=1,0%; Ni=3,0%; V=0,14%; Cu=0,30%. [6]
41
12.2 Oceli vhodné k svařování metodou MAG Tato metoda je určena k svařování konstrukčních ocelí, které jsou základním materiálem. Pro svařování neželezných kovů se používají jiné metody. Metodou MAG se převážně svařují nelegované, nízkolegované a vysokolegované oceli. Nelegované se od legovaných liší obsahem určitých legujících prvků. Mezní hranice obsahů legujících prvků je pro Mn 1,65; pro Cr 0,30 a pro Si 0,50 hmotnostního procenta. Nelegované oceli mají všechny tyto obsahy prvků menší než je mezní hranice. U legovaných ocelí jeden nebo více prvků této meze dosahuje nebo ji dokonce překračuje. Nejvíce svařovanou skupinou metodou MAG jsou oceli třídy 11 určené především pro stavbu ocelových konstrukcí. [8] 12.2.1 Oceli třídy 10 Jsou to neušlechtilé, nízkouhlíkové, nelegované oceli obvyklých jakostí bez záruky čistoty a s nepředepsaným chemickým složením. Tyto oceli mají předepsané hodnoty mechanických vlastností, jako jsou pevnost v tahu, mez kluzu a tažnost. Dále jsou primárně určeny pro nenáročnou hromadnou spotřebu. Tyto oceli jsou snadno obrobitelné a mají dobrou svařitelnost. Při svařování nesmí být tyto oceli dlouhodobě vystaveny teplotě vyšší 500°C, pokud se tak stane, začne jim rapidně klesat pevnost. [2, 8] Tab. 8 Výběr z ocelí třídy 10 vhodných pro svařování [2, 12] Ocel třídy 10
Svařitelnost
Popis
Dobrá
10 216 10 370
Dobrá
Ocel
Zaručená
10 425
Použití Výztuž betonových konstrukcí Výztuž betonových konstrukcí Pro konstrukce bez nosných svarů
12.2.2 Oceli třídy 11 Oceli obvyklých jakostí, které jsou nelegované a neušlechtilé. Mají zaručenou čistotu a předepsaný obsah C, P a S. Mají předepsané hodnoty mechanických vlastností. Svařitelnost těchto ocelí je obvykle zaručená nebo zaručeně podmíněná. Existují i oceli třídy 11, které mají svařitelnost dobrou až obtížnou, ale velmi dobře se obrábí. Tyto oceli se nazývají jako automatové oceli. [8]
42
Tab. 9 Výběr z ocelí třídy 11 vhodných pro svařování [2, 12] Ocel třídy 11
Popis
Svařitelnost Zaručená
11 300 11 301
Oceli pro hluboký tah a lisování
11 320
11 343
11 353
11 369
11 373
11 375
Konstrukční oceli pro staticky a mírně namáhané konstrukce
Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru Dobrá až zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Jemnozrnná konstrukční ocel s předepsanou vrubovou houževnatostí při teplotách do -50°C Konstrukční oceli pro staticky a mírně namáhané konstrukce
Zaručená do tlouštěk 25mm, nad 25mm zaručeně podmíněná Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Použití Náročné výlisky, plechy, tlusté plechy Výlisky, plechy, čepele odlamovacích nožů Profily L; U; Z; C; čtvercové; obdélníkové; L; T Drobné lisované výrobky, trubky, tvářené a svařované součásti Bezešvé trubky, konstrukce z bezešvých trubek Pro zařízení pracující za nízkých teplot, tlusté plechy za tepla válcované Konstrukce menších tlouštěk, stavidla, svařovaná potrubí Podvozky vagónů, plechy, vtokové objekty vodních turbín Mostní a jeřábové konstrukce, strojní součásti Tepelná energetická zařízení a tlakové nádoby
11 378
Jakostní, jemnozrnná konstrukční ocel
Zaručená
11 416
Nízkouhlíková ocel pro vyšší teploty, je žáropevná
Zaručená
11 425
Konstrukční ocel pro staticky a mírně namáhané konstrukce
Zaručená, zaručená podmíněná a dobrá v závislosti na rozměrech polotovaru
Výkovky, výlisky, tenké a tlusté plechy, tvarové tyče válcované za tepla
11 503
Konstrukční jemnozrnná jakostní ocel pro snížené atmosférické teploty pod -20°C
Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Pro zařízení pracující při teplotách od +400°C do – 50°C
11 523
Konstrukční jemnozrnná jakostní ocel
Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Mostní konstrukce, konstrukce z dutých profilů, tepelná energetická zařízení
12.2.3 Oceli třídy 12 Třída 12 označuje nelegované, ušlechtilé oceli. Mají vyšší stupeň čistoty oproti ocelím třídy 11. Tyto oceli mají jasně předepsaný obsah C, Mn, Si, P a S popřípadě i dalších prvků. Jsou vhodné k cementování a kalení. [8]
43
Tab. 10 Výběr z ocelí třídy 12 vhodných pro svařování [2, 12] Ocel třídy 12 12 010
12 020
12 021
12 022
12 024
Svařitelnost
Popis Ocel vhodná k chemicko-tepelnému zpracování Konstrukční ocel k chemicko-tepelnému zpracování, cementování
Zaručená podle druhu a rozměru polotovaru Zaručená podle druhu a rozměru polotovaru Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Konstrukční uhlíková žáropevná ocel s minimální hodnotou meze kluzu za vyšších teplot
Zaručená v závislosti na rozměrech polotovaru
Ocel vhodná k chemicko-tepelnému zpracování
Zaručená podle druhu a rozměru polotovaru
Použití Součásti lisované za studena, tyče, dráty, pásy Ozubená kola, háky jeřábů a výtahů, vačkové hřídele Tepelná energetická zařízení, chemická zařízení, potrubí Tepelná energetická zařízení, chemická zařízení, potrubí Součásti silničních motorových vozidel určených k cementování
12.2.4 Nízkolegované oceli Řadíme sem konstrukční oceli třídy 13, 14, 15 a 16, která obsahuje i střednělegované oceli. Tyto oceli se vyznačují předepsanou čistotou a jasně stanoveným chemickým složením. Díky obsahu legujících prvků mají výborné mechanické, fyzikální a antikorozní vlastnosti. Jsou vhodné i pro tepelné zpracování. K stanovení svařitelnosti těchto ocelí se využívá výpočtu uhlíkového ekvivalentu. Svařitelnost ocelí je povětšinou zaručená podmíněná až dobrá díky obsahu legujících prvků, ale celá řada ocelí z těchto tříd má svařitelnost obtížnou a nedoporučuje se svařování i při opravách. [2, 8] Tab. 11 Výběr z nízkolegovaných ocelí vhodných pro svařování [2, 12] Ocel
Svařitelnost
Popis 13 320 14 331 15 128
Manganová ušlechtilá ocel odolná proti opotřebení Manganokřemíkochromová ocel vhodná k zušlechťování Chrommolybdenovovanadová žáropevná ocel pro vyšší teploty
Zaručená podmíněná Zaručená podmíněná Zaručená podmíněná
15 320
Chrommolybdenovanadová, bainitická, žáropevná ocel vhodná pro vyšší teploty
Zaručená podmíněná
15 422
Chrommolybdenoborová bainitická ocel se zvýšenou hodnotou meze kluzu
Zaručená podmíněná
44
Použití Potrubí, sběrače a výsypky prašných a kalových hmot Svařované konstrukce, strojní součásti Součásti energetických a chemických zařízení pracující do 580°C Rotory parních turbín, spojovací součásti energetických a chemických zařízení Svařované nosné konstrukce, zařízení pro strojírenství
12.2.5 Vysokolegované oceli Patří sem konstrukční korozivzdorné oceli třídy 17. Mají předepsanou čistotu a jsou legovány prvky Cr, Ni, Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-V, Cr-Ni-Mo a tak podobně. Dle chemického složení se dělí na martenzitické oceli, které jsou kalitelné a na nekalitelné. Do nekalitelných řadíme oceli austenitické a feritické. Nejvíce svařovanou skupinou jsou oceli austenitické. Jsou to tedy oceli nekalitelné, nemagnetické vyznačující se vysokou houževnatostí i při velmi nízkých teplotách. Pokud tyto oceli mají větší obsah chromu, dobře odolávají řadě chemických vlivů i při vyšších teplotách. Řadí se mezi oceli žáruvzdorné a žáropevné. Chromniklové austenitické oceli mají zhruba poloviční tepelnou vodivost než oceli nelegované a také mají vyšší tepelnou roztažnost asi o 30%. S těmito faktory se musí při svařování počítat, jinak dojde k vytvoření nekvalitního svaru. [2, 8] Tab. 12 Výběr z austenitických ocelí vhodných pro svařování [2, 12] Ocel třídy 17 17 240
17 246
17 253
17 255
17 349
Popis Chromniklová, nestabilizovaná korozivzdorná ocel Chromniklotitanová, žáruvzdorná a korozivzdorná ocel Žáruvzdorná chromniklová ocel vhodná pro tváření za tepla i studena Chromniklová ocel, žáruvzdorná v oxidačním prostředí 900 až 1100°C Chromniklomolybdenová ocel s nízkým obsahem uhlíku a zaručenou odolností proti mezikrystalové korozi
Svařitelnost
45
Zaručená
Použití Plechy, tyče, bezešvé trubky, pro chemický a potravinářský průmysl
Dobrá
Tyče, plechy, pásy a pruhy, trubky
Dobrá
Žáruvzdorné součásti průmyslových zařízení
Zaručená
Svařované rošty a poklopy, nosné elementy
Zaručená
Tyče, tenké i tlusté plechy, pro chemická zařízení
13 ZÁVĚR V dnešní době jsou na metody svařování kovů kladeny dva hlavní cíle. Prvním cílem je svařovat materiály s co nejmenší energetickou hodnotou. Pokud metoda využívá přídavné materiály a technické plyny, tak se snažíme snížit jejich spotřebu. Druhý cíl klade důraz na vysokou kvalitu svařovaných spojů. Ideální stav je, když zhotovený svar je velmi kvalitní a přitom má minimální náklady na zhotovení. Při svařování této rovnováhy obvykle dosahuje právě metoda MAG, která je určená k svařování výhradně konstrukčních ocelí. Tato skutečnost vedla k masovému rozšíření metody v technické praxi. V dnešní době, je tato metoda hojně využívána především ve výrobním průmyslu. Své místo má i v opravárenském průmyslu, zvláště při opravách ocelových konstrukcí a karosérií automobilů. Tato metoda se během let stala tak dostupnou a oblíbenou, že v dnešní době není známa jiná metoda svařování ocelí, která by metodu MAG mohla v celém jejím spektru působení nahradit, nebo ji silně konkurovat. Novou metodou využívanou v praxi je hybridní technologie MAG Laser hybrid postavená na základech metody MAG a laserového svařování. Tato technologie spojuje to nejlepší z obou metod a svařují se jí konstrukční oceli o tloušťkách materiálu nad 5mm. Svar zhotovený touto technologií je charakteristický hloubkou závaru, minimálními deformacemi a počtem vad. Laserová hybridní technologie má mnohonásobně vyšší produkci než klasická metoda MAG a díky tomu má i vyšší ziskovost. Nutno ale podotknout, že tato technologie je v praxi uskutečnitelná pouze s využitím svařovacího robotického systému s laserovou hybridní hlavou obsahující svařovací hořák MAG. I přes tuto skutečnost obliba této hybridní metody stále vzrůstá. Největšího využití v technické praxi technologie zatím dosáhla při stavbě větších lodí s ocelovým trupem.
46
14 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1]
Barták J. a kolektiv autorů, 2008: Svařování kovů v praxi. VERLAG DASHÖFER, Praha, 2254s. ISSN: 1803-2834
[2]
Bernas J., 1989: Svařování I. Institut výchovy a vzdělávání MZVž ČSR, Praha, 390s.
[3]
Bernasová E., 1988: Svařování. SNTL, Praha, 200s.
[4]
Hrivňák I., 2009: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. Slovenská technická univerzita, Bratislava, 486 s. ISBN: 978-80-227-3167-6
[5]
Kolektiv autorů TDS Brno – SMS, 2006: Bezpečnostní předpisy při svařování elektrickým obloukem. TDS Brno – SMS, Brno, 48s., ISBN: 80-903386-6-6
[6]
Koukal J. & Zmydlený T., 2005: Svařování 1. VŠB-Technická univerzita Ostrava, Ostrava, 133s. ISBN: 80-248-0870-6
[7]
Kudumović D., 1998: Zavarivanje i termička obrada. FEM, Tuzla, 493s. ISBN: 9958618028
[8]
Malina Z., 2010: Základní kurz svařování MIG/MAG se souborem testových otázek. ZEROSS, Ostrava, 144s. ISBN: 80-86698-16-5
[9]
Minařík V., 2011: Přehled metod svařování. ZEROSS, Ostrava, 82s. ISBN: 80-86698-18-1
[10] Webster S., Kristensen J. K. & Petring D., 2008: Joining of thick section steels using hybrid laser welding. Ironmaking & Steelmaking, 35(7): 496-504 ISSN: 0301-9233 [11] Zehnálek J., 2005: Chemie, paliva, maziva. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Brno, 179s. ISBN: 80-7157-900-9
Seznam použitých internetových zdrojů [12] Ferona, a.s., 2014: Sortimentní katalog. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné na: http://www.ferona.cz/cze/katalog/mat_normy.php [13] Fronius Česká republika s.r.o., 2014: LaserHybrid. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné
na:
http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-94F76832-
A3758F56/fronius_ceska_republika/hs.xsl/29_3923.htm#.UxGoQYUVyWx [14] GCE Trade s.r.o. 2008: Lahvové redukční ventily. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné
na:
czech.gcegroup.com/download-file/165-
lahvove_redukcni_ventily.pdf 47
[15] Jinan North Welding Tools Co., Ltd., 2014: N 15 Air Cooled MIG/MAG Welding gun. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné na: http://www.weldingtoolsmaker.com/11-1-mig-mag-welding-gun.html [16] Kutěj P. & Hanzal J., 2002: Oxid uhličitý. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné na: www.catp.cz/publikace2.php?download=catp_01-02-cz.pdf [17] Messer Technogas s.r.o., 2014: Svařování v ochranných atmosférách. Online Dostupné
[cit. 2014-03-18].
na:
http://www.messergroup.com/cz/Prospekty/Svarovani_a_deleni_materialu/Svarova ni_v_ochrannych_atmosferach.pdf [18] Migatronic CZ A.S., 2014: Metody svařování. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné na: http://automig.cz/o-svarovani/metody/ [19] Panasonic Corporation, 2014: TAWERS MAG Systém – welding process. Online Dostupné
[cit. 2014-03-18].
na:
http://industrial.panasonic.com/eu/i/29606/rw/rw/tawers/tawers_mag.html [20] Rohan P. a kolektiv autorů, 2011: Argon. Online [cit. 2014-03-18]. Dostupné na: www.catp.cz/publikace2.php?download=argon_11.pdf
48
15 SEZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKŮ Obr. 1 Části svarového spoje a jejich názvy [7] .................................................................. 14 Obr. 2 Schematické rozdělení metod svařování ................................................................... 16 Obr. 3 Dopředné a zpětné svařování plamenem [4] ............................................................ 17 Obr. 4 Schéma způsobů odporového svařování [3] ............................................................. 18 Obr. 5 Princip elektrostruskového svařování [7]................................................................. 19 Obr. 6 Princip indukčního svařování [7] ............................................................................. 20 Obr. 7 Laserové svařování [9] ............................................................................................. 20 Obr. 8 Princip svařování [3] ................................................................................................ 21 Obr. 9 Elektrický oblouk [8] ................................................................................................ 22 Obr. 10 a) Kapkový bezzkratový přenos kovu; b) zkratový přenos kovu [3] ....................... 24 Obr. 11 Poloautomatizované svařovací zařízení MAG [18] ................................................ 25 Obr. 12 Voltampérové charakteristiky svařovacích zdrojů [8]............................................ 26 Obr. 13 Zařízení na podávání drátu [8]............................................................................... 28 Obr. 14 Ruční plynem chlazený hořák NORTH model N15 s eurokonektorem [15] ........... 29 Obr. 15 Barevné značení tlakových láhví s plyny vhodnými pro svařování MAG [5] ......... 30 Obr. 16 Lahvový redukční ventil GCE 07 830 54 s plovákovým průtokoměrem a ohřívačem 24V [14] ......................................................................................................... 30 Obr. 17 Svařovací systém Panasonic TAWERS-WG3 model TA – 1400 [19] ..................... 31 Obr. 18 Princip metody laser hybrid [10]............................................................................ 33 Obr. 19 Typy trubičkových elektrod [1] ............................................................................... 37 Obr. 20 Vliv ochranného plynu na tvar svaru [4] ................................................................ 37
49
16 SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK Tab. 1 Číselné označení pevnostních vlastností a tažnosti svarového kovu [8] .................. 35 Tab. 2 Označení nárazové práce svarového kovu [8] .......................................................... 36 Tab. 3 Označení ochranného plynu [8] ............................................................................... 36 Tab. 4 Označení chemického složení drátů [8] .................................................................... 36 Tab. 5 Fyzikálně chemické vlastnosti oxidu uhličitého [16] ................................................ 38 Tab. 6 Fyzikálně chemické vlastnosti argonu [20] .............................................................. 39 Tab. 7 Přehled směsí plynů firmy Messer Technogas s.r.o. pro svařování MAG [17] ........ 39 Tab. 8 Výběr z ocelí třídy 10 vhodných pro svařování [2, 12] ............................................ 42 Tab. 9 Výběr z ocelí třídy 11 vhodných pro svařování [2, 12] ............................................ 43 Tab. 10 Výběr z ocelí třídy 12 vhodných pro svařování [2, 12] .......................................... 44 Tab. 11 Výběr z nízkolegovaných ocelí vhodných pro svařování [2, 12] ............................ 44 Tab. 12 Výběr z austenitických ocelí vhodných pro svařování [2, 12] ................................ 45
50
