Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů Bakalářská práce

Vedoucí práce: Ing. et Ing. Petr Dostál, Ph.D.

Vypracoval: Vojtěch Polák

Brno 2013

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů 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 Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Dne ............................................................... Podpis autora ................................................

PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce panu Ing. et Ing. Petru Dostálovi, Ph.D. a konzultantovi panu doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za ochotu, cenné rady, věcné připomínky a metodické vedení při zpracování práce. Děkuji rovněž své sestře Mgr. Ludmile Polákové za jazykové korektury a bratrovi Ing. Josefu Polákovi za anglický překlad anotace. Poděkování patří také rodičům za podporu během studia.

ANOTACE Bakalářská práce je zaměřena na charakteristiku současných metod v technologii svařování. Nejprve jsou zpracovány základní z nich, které využívají tepelnou energii pro svařování materiálů. Zde je analyzován elektrický oblouk jako hlavní zdroj tepla při tavném svařování. Dále je pozornost věnována speciálním metodám s vysokou koncentrací energie na plochu, které se svým principem výrazně odlišují od předchozích. Patří sem zejména svařování plazmou, svazkem elektronů a laserem. K moderním metodám je dále zařazen zvláštní svařovací proces CMT umožňující spojovat různorodé materiály elektrickým obloukem. Tímto postupem byl úspěšně vyřešen dlouhodobý problém spojování oceli a hliníku v automobilovém průmyslu. Následně je popsána metoda CMT Twin vycházející ze stejného principu. Závěrečnou částí práce je schematický přehled všech nejznámějších způsobů svařování.

Klíčová slova svařování, elektrický oblouk, plazma, laser, CMT proces

ANNOTATION This bachelor´s thesis is focused on the characteristics of current methods in welding technology. First, the basic techniques that use thermal energy for joining materials are processed. Electric arc is analyzed here, as the main source of heat for fusion welding. In the next part, attention is given to special methods with high density of energy per area, which are in principle significantly different from the previous ones. In particular, this includes plasma welding, electron beam and laser. The modern methods also include the CMT welding process that allows joining dissimilar materials using the electric arc. This procedure successfully resolved the long-term problem of joining steel and aluminum in the automotive industry. Subsequently, the CMT Twin method, based on the same principle, is described. The final part is a schematic overview of the most popular methods of welding.

Keywords welding, electric arc, plasma, laser, CMT process

OBSAH ÚVOD .................................................................................................................... 9 1 CÍL PRÁCE...................................................................................................... 9 2 ZÁKLADNÍ METODY TAVNÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ..................... 10 2.1 Plamenové svařování ....................................................................................... 10 2.1.1 Plyny používané pro svařování ................................................................. 10 2.1.2 Charakteristika kyslíko-acetylenového plamene ....................................... 10 2.1.3 Svařovací zařízení ..................................................................................... 11 2.1.4 Způsoby svařování plamenem ................................................................... 12 2.1.5 Oblasti použití plamenového svařování .................................................... 13 2.2 Svařování elektrickým obloukem................................................................... 13 2.2.1 Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou (metoda MMA) ........... 16 2.2.2 Automatizované obloukové svařování pod tavidlem ................................ 19 2.2.3 Obloukové svařování v ochranném plynu – MIG/MAG ........................... 21 2.2.4 Obloukové svařování v ochranném plynu – WIG (TIG)........................... 25

3 METODY TLAKOVÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ...................................... 28 3.1 Svařování elektrickým odporem .................................................................... 28 3.1.1 Zdroje svařovacího proudu ........................................................................ 29 3.1.2 Způsoby odporového svařování ................................................................ 29 3.1.3 Oblasti využití odporového svařování ....................................................... 30 3.2 Třecí svařování ................................................................................................ 30 3.2.1 Konvenční způsob třecího svařování......................................................... 31 3.2.2 Setrvačníkové (inerční) třecí svařování ..................................................... 32 3.2.3 Využití třecího svařování .......................................................................... 32 3.3 Difuzní svařování ............................................................................................. 32 3.3.1 Uplatnění difuzního svařování .................................................................. 33 3.4 Svařování tlakem za studena .......................................................................... 33 3.4.1 Příprava svarových ploch .......................................................................... 33 3.4.2 Svařovací tlak ............................................................................................ 34 3.4.3 Výhody, aplikace a využití svařování tlakem za studena .......................... 34 3.5 Ultrazvukové svařování .................................................................................. 34

3.5.1 Hlavní parametry svařování ...................................................................... 35 3.5.2 Svařitelnost materiálů ................................................................................ 35 3.5.3 Využití v technické praxi........................................................................... 35 3.6 Výbuchové svařování ...................................................................................... 35 3.6.1 Svařitelnost materiálů ................................................................................ 36 3.6.2 Použití a výhody technologie spojování materiálů výbuchem .................. 36

4 SPECIÁLNÍ METODY V MODERNÍ TECHNOLOGII SVAŘOVÁNÍ TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ ................................................................. 37 4.1 Plazmové svařování ......................................................................................... 37 4.1.1 Druhy plynů pro plazmové svařování ....................................................... 37 4.1.2 Typy hořáků a jejich způsoby zapojení ..................................................... 39 4.1.3 Mikroplazmové svařování ......................................................................... 39 4.1.4 Systém Plazma – MIG (Gas Metal Plasma Arc) ....................................... 39 4.1.5 Porovnání plazmového svařování a oblasti využití ................................... 39 4.2 Svařování svazkem elektronů ......................................................................... 40 4.2.1 Interakce elektronů se svařovaným materiálem ........................................ 41 4.2.2 Využití elektronového svařování v praxi, výhody a nevýhody ................. 42 4.3 Laserové svařování .......................................................................................... 42 4.3.1 Druhy laserů používaných ve svařování .................................................... 43 4.3.2 Interakce laserového svazku se svařovaným materiálem .......................... 43 4.3.3 Možnosti uplatnění svařování laserem ...................................................... 44 4.4 Metoda CMT – spojování krátkým zkratovým obloukem .......................... 44 4.4.1 Princip CMT procesu ................................................................................ 45 4.4.2 Svařovací systém CMT ............................................................................. 45 4.4.3 Spojování ocelových a hliníkových částí .................................................. 46 4.4.4 Další možnosti využití procesu CMT ........................................................ 47 4.4.5 Metoda CMT Twin .................................................................................... 48

5 PŘEHLED METOD SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ................................................ 49 ZÁVĚR ................................................................................................................ 50 POUŽITÁ A DOPORUČENÁ LITERATURA .............................................. 51 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK ............................................................... 54 SEZNAM ZKRATEK ............................................................................................... 55

ÚVOD Svařování patří mezi nerozebíratelné druhy spojení dvou nebo více dílů. Ke spojování dochází pomocí tepla při teplotě tavení materiálů nebo tlaku vyvolávající deformaci kontaktních ploch. Bylo postupně vyvinuto více způsobů svařování, neboť je více možností přívodu tepla nebo kinetické energie do místa svaru. Celá dlouhá staletí bylo jedinou metodou kovářské svařování. Teprve koncem minulého století byly rozvinuty tři metody: svařování elektrickým obloukem, plamenové a odporové svařování. Za počátek historie svařování elektrickým obloukem lze považovat rok 1801 a práce angličana sira Humpree Davyho. Již v roce 1803 píše ruský fyzik V. V. Petrov o této možnosti na druhém konci světa. V bývalém Československu se datuje rozvoj svařování elektrickým obloukem rokem 1927, kdy v tehdejších Škodových závodech byl postaven zásluhou prof. Františka Faltuse první celosvařovaný most s rozpětím 49,6 m svařovaný holými elektrodami. Na tehdejší dobu to byl největší most na světě. V roce 1933 staví v Plzni první svařovaný most přes řeku Radbuzu s obloukem 50,6 m již svařeným obalenými elektrodami. [1] Další způsoby svařování se dostávají do technické praxe relativně rychle, a to v pořadí: Svařování pod tavidlem a metodou WIG (r. 1935), MIG (1942), třecí svařování (1949), ultrazvukové (1950), plazmové a elektronovým paprskem (1956), difúzní (1960) a laserové (1965). [13] Svařování se s výhodou uplatňuje ve strojírenské výrobě, u silničních a železničních vozidel, při stavbě lodí, v ocelových konstrukcích (např. jeřáby, mosty, dálkovody), u tlakových nádob pro chemii a energetiku, v elektrotechnice, při výrobě zařízení a strojů pro potravinářský průmysl aj. [13]

1 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce na téma „Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů“ je vytvořit ucelený přehled metod, které se v současnosti nejvíce používají. Nejprve se chci zabývat konvenčními způsoby svařování, přiblížit jejich princip, složení a popis jednotlivých komponentů svařovací soupravy. Dále zdůraznit jejich výhody, nevýhody a to, v jaké oblasti se nejvíce uplatňují. Velkou pozornost bych rád věnoval speciálním metodám, které jsou v dnešní době vrcholem technologického vývoje, zvláště pak svařování plazmou, svazkem elektronů, laserem a CMT procesu spojování.

9

2 ZÁKLADNÍ METODY TAVNÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ Při tavném svařování je vytvoření spoje dosaženo přívodem tepelné energie do oblasti svaru, kdy dochází k natavení základního, případně přídavného materiálu. Tekutá fáze je vázána na povrch tuhé fáze adhezními silami a při tuhnutí taveniny se slabé adhezní síly mění na chemickou vazbu ve formě krystalové mřížky. [14]

2.1 Plamenové svařování Zdrojem tepla při plamenovém svařování je chemická energie hoření plamene, která vznikne hořením směsi oxidujícího a hořlavého plynu. Parametry zdroje tepla plamene se řídí použitými plyny. U kyslíko-acetylenového plamene je maximální teplota plamene 3150 °C. [1] Oxidující a hořlavý plyn se přivádí z jejich zdroje do hořáku. Po smíšení obou plynů vzniká směs, která se u výstupu z hořáku zapálí a vznikne plamen. [1] 2.1.1 Plyny používané pro svařování Pro svařování plamenem jsou používány dvě skupiny plynů: plyny oxidující a hořlavé. Mezi plyny oxidující patří kyslík a vzduch. Hořlavých plynů používaných v technické praxi pro plamenové svařování je celá řada. Pro svařování má však největší význam acetylen pro jeho velmi dobré vlastnosti. [1] 2.1.2 Charakteristika kyslíko-acetylenového plamene Tento plamen jako hlavní představitel pro technologické využití se podle různých hledisek dělí na následující plameny. Podle výstupní rychlosti plynů (podle nastavených tlaků) [13]:  měkký

v = 80 až 100 m · s-1

 střední

v = 100 až 130 m · s-1

 ostrý

v = 120 až 150 (i více) m · s-1

Podle poměru kyslíku a acetylenu ve směsi [13]: O2  1,0 až 1,2 C2H 2

 neutrální plamen (obr. 1a)

(1)

Plamen je používán pro řezání a běžné svařování ocelí, protože výrazně neovlivňuje vlastnosti základního materiálu.

10

O2 1 C2H 2

 nauhličující plamen (obr. 1b)

(2)

Tento plamen má přebytek acetylenu, a tím dochází k nauhličení svarové lázně. Používá se především při navařování tvrdých vrstev, zejména na bázi kobaltu, ale také při svařování litiny, slitin hořčíku, hliníku, korozivzdorných ocelí, mosazí a bronzů. O2  1,2 C2H2

 oxidační plamen (obr. 1c)

(3)

Vlivem přebytku kyslíku dochází k intenzivnímu okysličování tavné lázně, a tím k vypalování legujících prvků. Tento druh plamene se používá pro svařování nerezi nebo bronzů. Pro lehké kovy, kde dochází ke vzniku oxidů, je nevhodný.

Obr. 1 Rozdělení kyslíko-acetylenového plamene podle poměru kyslíku a acetylenu [14] Popis obrázku 1: 1 – svařovací kužel ostře ohraničený, oslnivě bílý, 2 – redukční oblast plamene, 3 – svařovací plamen oslnivě bílý, překrytý bělavým závojem, 4 – bělavý závoj, 5 – svařovací plamen krácený, modrofialový, 6 – vnější oxidační plamen, 7 – svařovací hubice. [14] 2.1.3 Svařovací zařízení Zařízení pro svařování se skládá z těchto následujících komponentů. Tlakové lahve jsou kované s tloušťkou stěny 8 mm pro tlak 200 barů (kyslík a další stlačitelné plyny) a minimálně 3 mm pro acetylen. Vodní objem lahví je 10, 20 a dnes nejčastěji 50 l. Lahve musí být zajištěné proti pádu a minimální vzdálenost od otevřeného ohně je 3 m. U acetylenové lahve je povolen maximální odběr 1000 l · h-1. Redukční ventily jsou připojeny k lahvovým ventilům třmenem u acetylenu a šroubením u kyslíku. Slouží ke snížení vysokého tlaku z lahve na pracovní tlak vhodný pro svařování a zajištění konstantního průtoku v průběhu svařování.

11

Suchá předloha je významná součást svařovací soupravy a připojuje se za redukční ventil na oba svařovací plyny. Obsahuje čtyři bezpečnostní prvky: zpětný ventil, zhášecí vložku, tepelný uzavírací ventil a tlakový uzavírací ventil. Hadice se používají vysokotlaké barevně odlišené s textilní vložkou, které mají různý vnitřní průměr (acetylen 8 mm a kyslík 6,3 mm). Jejich délka je minimálně 5 m a podle normy ČSN 05 0610 se zkouší nejvyšším pracovním přetlakem 0,15 MPa u acetylenu, u kyslíku v rozmezí 0,8 MPa až 1,5 MPa. Svařovací hořák se skládá z rukojeti s regulačními ventily a vyměnitelného nástavce hořáku. Hořáky se používají injektorové a rovnotlaké. V injektorovém je acetylen nasáván kyslíkem proudícím pod vysokým tlakem a u rovnotlakého se mísí oba plyny při stejném tlaku ve směšovací komoře. [15]

Obr. 2 Injektorový svařovací hořák [15] Jako přídavný materiál se používá drát podobného nebo stejného chemického složení a mechanických vlastností jako základní materiál. Dráty jsou leskle tažené, nebo i poměděné s označením na prolisu u jednoho konce a dodávají se v délkách 1 m. 2.1.4 Způsoby svařování plamenem Při plamenovém svařování se využívá dvou základních způsobů pracovní techniky:  Svařování vpřed (doleva). Drát postupuje před hořákem zprava doleva. Sklon hořáku je do 45 °, menší u neželezných kovů. Svar a hlavně jeho kořen je málo chráněn před přístupem vzduchu, tím má svar horší mechanické vlastnosti. [20]  Svařování vzad (doprava). Hořák postupuje ve směru svařování zleva doprava a drát za ním. Sklon hořáku je 30 ° až 75 °. Při tomto způsobu je svarová lázeň chráněna redukční oblastí plamene před oxidací, vytvořená housenka se zároveň vyžíhá. [20]

12

2.1.5 Oblasti použití plamenového svařování Svoji dominantní úlohu si plamenové svařování stále zachovává v řemeslech, jako jsou topenář, instalatér, potrubář, klempíř, automechanik a další. Hlavní oblast použití svařování plamenem je pro svařování slabých plechů do tloušťky 4 mm. [14]

2.2 Svařování elektrickým obloukem Obloukové svařování je v současné době nejpoužívanějším způsobem svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který hoří mezi elektrodou a základním materiálem zapojenými na vhodný elektrický zdroj. [19] Elektrický oblouk Jedná se o nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj, který hoří v prostředí ionizovaného plynu. Stabilně hoří za předpokladu napětí dostatečného pro ionizaci daného prostředí a proudu udržujícího plazma oblouku v ionizovaném stavu. [1] Zapálení oblouku Zapálení probíhá při napětí naprázdno zdroje, které bývá vyšší než při ustáleném hoření oblouku. Velikost zápalného napětí (U = 60 V až 70 V) závisí na materiálu elektrod a ionizační schopnosti plynného prostředí. Pro běžné metody svařování je typické napětí 10 V až 50 V na oblouku a svařovací proud v rozmezí 10 A až 2000 A. [1] Části elektrického oblouku Nejlépe lze jednotlivé části popsat na stejnosměrném oblouku hořícím mezi wolframovou elektrodou a základním materiálem, poněvadž při stejnosměrném proudu a konstantní délce hoří oblouk velmi stabilně, bez změny napětí i proudu. [1] 1. Katodová skvrna je ostře ohraničená oblast, která termickou emisí emituje prvotní elektrony důležité pro zapálení oblouku a ionizaci plynného prostředí. Vlivem ochlazovaného efektu termoemise elektronů (tj. spotřebovaná práce při uvolnění elektronů) dosahuje teplota katodové skvrny 2400 °C až 3000 °C. Na katodovou skvrnu elektrody dopadají kladné ionty, které se pohybují ve směru záporného pólu vlivem elektrostatických sil.

13

2. Sloupec oblouku je zářivě svítící oblast disociovaného a ionizovaného plynu ve formě plazmy mezi elektrodami, která dosahuje vysokých teplot. Maximální teploty oblouku jsou ve středu a k okraji klesají, přičemž nejvyšší teplota je těsně pod katodovou skvrnou, kde dosahuje až 16 000 °C. Při ručním svařování obalenou elektrodou se teplota oblouku pohybuje mezi 4200 °C až 6400 °C, při svařování pod tavidlem 6200 °C až 7800 °C, metodou WIG 6500 °C až 9000 °C a u svařování MIG/MAG se teploty pohybují v rozmezí 8000 °C až 15 000 °C. 3. Anodovou skvrnou jsou neutralizovány a odváděny dopadající záporné částice. Kinetická energie částic se mění na tepelnou a zčásti i na elektromagnetické záření. Teplota anodové skvrny se pohybuje v rozmezí 2700 °C až 3600 °C a většinou dosahuje teploty varu svařovaných materiálů. [1]

Obr. 3 Části elektrického oblouku a oblouk při stejnosměrném proudu [14, 26] Popis obrázku 3: 1 – katoda, 2 – katodová skvrna, 3 – prostorový náboj iontů, 4 – primární elektrony, 5 – atomy plynu (Ar), 6 – kladné ionty plynu (Ar),

7, 9 – sekundární elektrony, 8 – sloupec oblouku, 10 – prostorový náboj elektronů, 11 – anodová skvrna, 12 – anoda, 13 – neutralizace elektronů. [14, 26]

Voltampérová charakteristika oblouku Statická voltampérová charakteristika vyjadřuje závislost proudu na napětí oblouku při konstantní délce oblouku. Na vlastní tvar a polohu charakteristiky oblouku má značný

14

vliv chemické složení elektrody, geometrie hrotu elektrody, složení plazmy oblouku i průměr elektrody. Z těchto důvodů se někdy používá tzv. standardní statická charakteristika oblouku:  metoda MMA (111)

U  20  0,04  I

[V]

(4)

 metoda MAG (135)

U  15  0,035 I

[V]

(5)

 metoda WIG (141)

U  10  0,04  I

[V]

(6)

Sloupec oblouku je spotřebič s konstantním elektrickým odporem. V anodové a katodové oblasti má charakter spotřebiče s klesajícím odporem. Jednotlivé technologie se projevují různými statickými charakteristikami závislými na parametrech prostředí, ve kterém oblouk hoří. [14]

Zdroje svařovacího proudu pro obloukové svařování Chceme-li dosáhnout rovnoměrného a stabilního hoření oblouku, je třeba změnit hodnoty síťového napětí a proudu na hodnoty potřebné pro stabilní hoření oblouku. K tomu nám slouží zdroje svařovacího proudu, které rozdělujeme na: 1. Zdroje střídavého proudu – transformátory 2. Zdroje stejnosměrného proudu – točivé (dynama), netočivé (usměrňovače a měniče neboli invertory) Transformátory se používají většinou jako jednofázové s vysokými rozptylovými hodnotami. Výhodami svařovacích transformátorů jsou zejména nízký příkon při běhu naprázdno, dobrá regulovatelnost a ve spojení s elektrodami, které mají vhodný obal i velmi dobré svařovací vlastnosti. Nevýhodami je poměrně vysoká hmotnost a neklidné hoření oblouku s velkým rozstřikem, což je způsobeno průběhem střídavého proudu, tj. změnou polarity a zhasínáním oblouku. [13] Dynama jsou točivé stroje, které se používají ve spojení s třífázovým elektromotorem, a ten je připojen na síť. Motor je na společném hřídeli s dynamem, které pohání, a celek je většinou pojízdný. Dynama bývají dvoupólová s vlastním i cizím buzením. Regulace se provádí pomocí reostatu. Výhodou jsou velmi dobré svařovací vlastnosti a nízké nároky na údržbu. Nevýhodou je vysoký příkon při běhu naprázdno a velká hmotnost. [13] U nás jsou známé tyto stroje firmy TRIODYN Brumov. [17]

15

Usměrňovače slouží k přeměně a k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný. Skládají se v podstatě ze čtyř základních částí: vstupní transformátor, tyristorový (tranzistorový) usměrňovací můstek, vyhlazovací tlumivka, řídicí a regulační část. Tyto zdroje mají velmi dobré svařovací vlastnosti, které je možné v určitých mezích měnit, proto jsou tyto zdroje variabilnější a mohou se používat pro různé technologie. Předností je i tichý chod, nízký příkon naprázdno a poměrně nízká hmotnost. [17] Měniče (invertory) jsou zdroje svařovacího proudu, které pracují na principu změny frekvence. Skládají se z těchto hlavních částí: vstupní transformátor – mění potřebné vstupní parametry, invertor – mění frekvenci střídavého proudu (50 Hz) na frekvenci podstatně vyšší (16 kHz až 20 kHz), transformátor – mění parametry, řídicí a regulační blok – většinou na bázi integrovaných obvodů a mikroprocesorů. Tato zařízení mají velmi dobré výkonové parametry, velkou spolehlivost a podstatně nízkou hmotnost. Jsou proto velice mobilní při zajištěných vysokých výkonech. Mohou pracovat jak se střídavým, tak se stejnosměrným proudem. [13]

2.2.1 Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou (metoda MMA) Elektrický oblouk hoří mezi elektrodou a základním materiálem, přičemž je velmi často používána elektroda obalená. Jedná se o poměrně jednoduchou metodu svařování jak z hlediska parametrů, tak i z hlediska poloh svařování. [14] ELEKTRODA OBAL

JÁDRO ELEKTRODY

OBLOUK SVAŘOVACÍ LÁZEŇ STRUSKA

PLYNOVÁ OCHRANA ZÁKLADNÍ MATERIÁL

Obr. 4 Princip ručního svařování obalenou elektrodou [14] Elektrody pro ruční svařování elektrickým obloukem Obalené elektrody se skládají z jádra a z obalu elektrody. Jádro elektrody tvoří drát průměru 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0 a 6,0 mm. [14]

16

Elektrody lze obecně rozdělit podle základního materiálu do následujících skupin:  elektrody pro svařování nelegovaných nízkouhlíkových ocelí,  elektrody pro svařování nízkolegovaných ocelí,  elektrody pro svařování nízkolegovaných žáropevných ocelí,  elektrody pro svařování vysokolegovaných ocelí,  elektrody pro navařování vrstev se zvláštními vlastnostmi,  elektrody pro svařování barevných kovů,  elektrody pro svařování šedé litiny,  elektrody pro jadernou energetiku,  elektrody pro zvláštní účely. [1] Obaly elektrod se podle chemického složení a reakcí vytvořené strusky rozdělují na obaly stabilizační, rutilové (označení R), rutil-celulosové (RC), rutil-kyselé (RA), rutilbazické (RB), tlustostěnné rutilové (RR), kyselé (A), bazické (B), celulosové (C). Obaly kyselé, obsahující oxidy železa, jsou tavitelné vyššími proudy. Dezoxidace se provádí feromanganem. Vyznačují se velkou pracovní výkonností, velkým závarem, oblouk je velmi teplý a stabilní. Kov i struska jsou tekuté, a proto nejsou vhodné pro svařování v polohách (struska předbíhá svar). Struska je snadno odstranitelná. Lze jimi svařovat při stejnosměrném (minus pól) i při střídavém proudu. Obaly bazické jsou bez oxidů železa. Základ obalových směsí tvoří převážně uhličitany (vápenec, mramor, křída). Dezoxidace se provádí ferosiliciem a ferotitanem. Oblouk těchto elektrod je méně teplý než u elektrod s obalem kyselým. Elektroda se odtavuje ve velkých kapkách, tavná lázeň rychle tuhne. Svařovat je možno s nimi ve všech polohách, nejlépe při stejnosměrném proudu (plus pól). Jsou náchylné na vlhnutí, a tím ke vzniku pórů při svařování, proto je nutné je před použitím přesoušet při teplotě 150 °C až 300 °C po dobu alespoň 1 hodiny. Obaly rutilové obsahují oxid titaničitý (rutil), který za spolupůsobení přítomných silikátů, uhličitanů a jiných vhodných přísad dává strusku s velmi dobrými redukčními a fyzikálními vlastnostmi. Mají dobré operativní vlastnosti ve všech polohách při snadno ovladatelné tavné lázni. Struska je snadno odstranitelná. Svarový kov teče hustě, rychle tuhne a umožňuje tím překlenutí větších mezer při nedokonalé přípravě. Závar je poměrně malý. Elektrody nejsou citlivé na přetížení. Lze jimi svařovat stejnosměrným (minus pól) i střídavým proudem. Jsou vhodné pro svařování tenkých plechů. [3, 20]

17

Funkce obalu elektrod  Funkce plynotvorná – při hoření oblouku vznikají z obalu kouře a plyny, které vytvářejí druh ochranného plynu a brání přístupu vzdušného kyslíku a dusíku ke svarové lázni, což má za následek zvýšení plastických vlastností svarového kovu, např. celulosa.  Funkce ionizační – slouží v obalu pro usnadnění zapalování a hoření oblouku, např. soli alkalických kovů.  Funkce metalurgická – nutná k ochraně před vypálením (propalem) některých prvků při jejich průchodem elektrickým obloukem, zejména mangan, chrom, křemík apod. [1, 17] Volba svařovacího zdroje pro ruční svařování obalenou elektrodou Podle potřeby svařování je vyžadován stejnosměrný nebo střídavý svařovací proud. Pro ruční svařování je nutno použít zdroj svařovacího proudu se statickou charakteristikou s klesající tendencí. To znamená, že napětí naprázdno U0 je nejvyšším napětím a s přibývajícím proudem toto napětí klesá. Průsečík statické charakteristiky s vodorovnou osou Ik udává zkratový proud, to je nejvyšší proud svařovacího zdroje. [1] Technologie svařování Svařovací proud může svářeč nastavit podle údajů výrobce elektrod. Nemá-li k dispozici tyto údaje o velikosti svařovacího proudu, může použít následujících empirických údajů [14]:  pro elektrody s kyselým a rutilovým obalem

I  40 až 55  d

[A]

(7)

 pro elektrody s bazickým obalem

I  35 až 50  d

[A]

(8)

d – průměr jádra elektrody [mm] Napětí na elektrickém oblouku nemusí svářeč nastavovat, jeho hodnota je dána strmou statickou charakteristikou elektrického oblouku. Délka elektrického oblouku má být přibližně rovna průměru jádra elektrody. Při vedení elektrického oblouku a elektrody je třeba postupovat tak, že elektroda je mírně skloněna proti svarové housence, aby roztavená struska nepředbíhala elektrický oblouk a nezpůsobovala struskové vměstky ve svarovém kovu. [14]

18

2.2.2 Automatizované obloukové svařování pod tavidlem Jedná se o svařování elektrickým obloukem holou elektrodou neomezené délky pod ochrannou vrstvou tavidla. Rozlišujeme poloautomatické nebo automatické svařování pod tavidlem. [1] SVAŘOVACÍ HLAVA PROUDOVÝ KABEL

SVAŘOVACÍ DRÁT KONTAKTNÍ TRYSKA

ZBYLÉ TAVIDLO

TAVIDLOVÁ HUBICE

STRUSKA POVRCH SVARU

ZÁKLADNÍ MATERIÁL SVAR ROZTAVENÝ KOV

TAVIDLO

ZEMNÍCÍ KABEL

Obr. 5 Schematické znázornění svařování elektrickým obloukem pod tavidlem [14] Vlivem rozměrné tavné lázně jsou difúzní pochody mezi natavenou struskou a svarovou lázní velmi intenzivní, což vede ke vzniku čistého svarového kovu s dobrými mechanickými vlastnostmi. Na probíhající metalurgické reakce má vliv i vysoká teplota tavné lázně 1800 C a teplota kapek kovu odtavující se elektrody kolem 2300 C. [14] Zařízení pro svařování elektrickým obloukem pod tavidlem Každé zařízení pro svařování pod tavidlem se skládá za tří základních částí: 1. Vlastní svařovací zařízení 2. Řídicí skříň 3. Zdroj svařovacího proudu Zařízení pro svařování pod tavidlem musí splňovat základní podmínky pohybu přídavného materiálu (svařovacího drátu). Jedná se o pohyb drátu směrem do místa svaru rychlostí rovnající se rychlosti odtavování (vd) a druhý je pohyb drátu ve směru svařování (vs). [1] Při automatickém svařování je podávání svařovacího drátu (elektrody) i pohyb svařovacího zařízení mechanizovaný. Tyto stroje označujeme jako svařovací automaty. Při poloautomatickém svařování je mechanizovaný pouze pohyb svařovacího drátu. Vedle svařovacích automatů a poloautomatů se používají také svařovací hlavy.

19

Svařovací hlavy mají pohyb svařovacího drátu do místa svaru mechanizovaný, ale nemají mechanizovaný pohyb ve směru svařování. Svařovací zařízení pro svařování pod tavidlem proto rozdělujeme na:  svařovací automaty,  svařovací hlavy,  speciální svařovací zařízení. [1]

Obr. 6 Svařovací automat (svařovací traktor) firmy ESAB Vamberk [5] Pro svařování elektrickým obloukem pod tavidlem lze používat střídavého i stejnosměrného proudu. Pouze zřídka se využívají zdroje pro ruční svařování, u nichž lze využít možnosti změny statické charakteristiky. Jako zdroje svařovacího proudu je možné využít rotační svářečky, usměrňovače nebo transformátory. [1] Přídavné materiály pro svařování Jako přídavných materiálů se používá drátů, plněných elektrod, pásek a vhodného druhu tavidla. Kombinace jsou voleny tak, abychom dosáhli optimálního složení svarového kovu, které se bude co nejvíce blížit složení základního materiálu. [13] Elektrody  Plné dráty dle ČSN EN 756 pro nelegované a jemnozrnné oceli, nejčastější průměry jsou od 2 mm do 5 mm, použití pro spojovací svary ocelových konstrukcí.  Plněné dráty dle ČSN EN 12 073 pro korozivzdorné návary.  Páskové elektrody dle ČSN EN 12 072 pro korozivzdorné návary, rozměr elektrody je (0,5 × 60) mm.  Plněné pásky pro tvrdé návary, rozměr pásků: (2 až 3 × 40) mm. [14]

20

Tavidla  Tavidlo je zrnitá, krystalická hmota, která prakticky nahrazuje funkci obalu u obalené elektrody. Zajišťuje dezoxidaci, rafinaci, stabilitu hoření a metalurgické procesy. V některých případech může také doplňovat legující prvky. [13] Výhody a nevýhody svařování pod tavidlem  Vysoká produktivita svařování oproti svařování obalenou elektrodou,  velký průvar do základního materiálu,  široká tepelně ovlivněná oblast,  zvýšená kvalita svarů. Mezi nevýhody lze zařadit:  zvýšené nároky na přípravu svarových ploch a jejich čistotu,  zakrytý svařovací proces a obtížnost jeho kontroly,  možnost svařování pouze v polohách PA nebo PB podle ČSN EN ISO 6947. [1] Oblasti použití svařování elektrickým obloukem pod tavidlem Svařování pod tavidlem se využívá od tloušťky materiálu 3 mm. Ekonomicky výhodné je především u tloušťek nad 50 mm, kdy se svařuje do tzv. úzkého úkosu s úhlem rozevření 0 ° až 8 . Jedná se o svařování tlustostěnných tlakových nádob, rotorů turbín nebo chemických zařízení. Technologie je používána také při výrobě lodních, mostních, stavebních a jeřábových konstrukcí. Navařování vysokolegovaných ocelí v chemickém průmyslu je realizováno páskovou elektrodou. [14]

2.2.3 Obloukové svařování v ochranném plynu – MIG/MAG Svařování metodou MIG/MAG je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu. Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači, vlastním hořáku nebo kombinací obou systémů z cívky o běžné hmotnosti 15 kg. Ochranná atmosféra se volí podle druhu svařovaného materiálu. [14]

21

Podle složení ochranného plynu pak tuto metodu dělíme na:  MIG (Metal Inert Gas) – ochranný plyn inertní, který chemicky nereaguje s roztavenou lázní (Ar, He),  MAG (Metal Active Gas) – ochranný plyn aktivní, který chemicky reaguje s roztavenou lázní (O2, CO2 apod.). [14]

Obr. 7 Princip svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu – metoda MIG/MAG [14] Popis obrázku 7: 1 – svařovaný materiál, 2 – elektrický oblouk, 3 – svar, 4 – plynová hubice, 5 – ochranný plyn, 6 – kontaktní průvlak, 7 – přídavný drát, 8 – podávací kladky, 9 – zdroj proudu. [14] Zařízení pro svařování metodou MIG/MAG Základní nutné vybavení pro svařování zahrnuje tyto jednotlivé komponenty:  zdroj svařovacího proudu s řídicí jednotkou,  podavač drátové elektrody,  svařovací hořák,  multifunkční kabel hořáku s rychlospojkou,  uzemňovací kabel se svorkou,  zásobník ochranného plynu s redukčním ventilem. [1]

22

Zdroje svařovacího proudu Pro svařování se používá zdrojů se stejnosměrným výstupem proudu, kde je kladný pól zdroje připojen na drátovou elektrodu. Používají se usměrňovače a v dnešní době převážně invertory různých výkonových vlastností. Zdroje pro svařování 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. [14]

Obr. 8 Moderní zdroj pro svařování MIG/MAG [8] Podavače drátu K hladkému průběhu svařovacího procesu patří především plynulý posuv drátu s konstantní rychlostí. Tato funkce je zajištěna podávacím mechanismem s pohonem drátu jednokladkovým, dvoukladkovým, čtyřkladkovým nebo s mimoběžnými osami. Pro pohon posuvu se používají stejnosměrné derivační motory, motory s permanentními magnety nebo vysoce kvalitní motory s diskovým rotorem. [1, 17] Svařovací hořáky Zajišťují přívod drátu do místa svařování, jeho napájení elektrickým proudem a laminární proudění ochranného plynu kolem přídavného drátu. Hořáky se rozdělují na strojní – s válcovou upínací částí, a ruční – s rukojetí pro vedení hořáku svářečem. [1] Ochranné plyny Úkolem ochranných plynů je zamezit přístupu vzduchu do oblasti svařování. Především je nutné chránit elektrodu, oblouk i tavnou lázeň, její okolí a kořen svaru před účinky vzdušného kyslíku, který způsobuje oxidaci, naplynění, pórovitost a propal prvků. [1]

23

Tab. 1 Rozdělení ochranných plynů podle složení [17] Inertní ochranné plyny (MIG)

Aktivní ochranné plyny (MAG)

Argon (Ar)

Oxid uhličitý (CO2)

Směsné ochranné plyny

Argon + Helium (He)

Argon + oxid uhličitý Argon + kyslík (O2) Argon + oxid uhličitý + kyslík

Vhodné materiály

Svařování neželezných kovů

Svařování ocelí

Jednosložkové ochranné plyny

Přídavné materiály Pro metody obloukového svařování MIG/MAG se používají přídavné materiály ve formě plného drátu nebo plněného drátu (trubičkové elektrody) vhodného chemického složení a operativních svařovacích vlastností. Drátové elektrody plného kruhového průřezu pro svařování ocelí se vyrábí v průměrech 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6 mm, nejpoužívanější jsou od 0,8 mm do 1,6 mm. Podle použití se trubičkové elektrody dělí na elektrody pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí (s kovovou, rutilovou nebo bazickou náplní), a na elektrody pro svařování vysokolegovaných ocelí (s rutilovou náplní). Vyrábí se v průměrech 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,4 mm. Dodávají se na drátěných cívkách, na plastových cívkách nebo ve svitcích. [14] Výhody MIG/MAG svařování  Svařování ve všech svařovacích polohách,  vysoká svařovací rychlost,  široký proudový rozsah pro jeden průměr drátu,  vysoká efektivita, úspora nedopalků tzv. nekonečným drátem,  oblouk i svarová lázeň je jasně viditelná,  nižší vnesené teplo do svařovaného materiálu při zkratovém přenosu,  aplikace metody u robotizovaných a mechanizovaných systémů svařování. [1] Oblasti použití  Při ručním vedení hořáku směrem vzad – krycí vrstvy tupých svarů, větší tloušťky materiálu.  Při ručním vedení hořáku směrem vpřed – svařování tenkých plechů, svařování kořenů svarů, běžné svářečské práce. [1]

24

2.2.4 Obloukové svařování v ochranném plynu – WIG (TIG) Princip metody WIG (Wolfram Inert Gas) spočívá ve vzniku a hoření elektrického oblouku mezi netavící se wolframovou elektrodou a základním materiálem, přičemž je svarová lázeň, elektroda a nejbližší okolí svaru chráněno inertním plynem před účinky okolní atmosféry. Netavící elektroda je čistě wolframová nebo s aktivující přísadou a jako ochranný inertní (netečný) plyn se používá argon, helium nebo jejich směsi. [2]

Obr. 9 Princip svařování netavící se elektrodou v inertním plynu – metoda WIG [14] Popis obrázku 9: 1 – svařovaný materiál, 2 – elektrický oblouk, 3 – svar, 4 – přídavný materiál, 5 – plynová hubice,

6 – ochranný plyn, 7 – kontaktní kleštiny, 8 – wolframová elektroda, 9 – zdroj proudu. [14]

Svařovací proud Při svařování se používá stejnosměrný proud konstantní velikosti, pulzující svařovací proud s přímou nebo nepřímou polaritou a střídavý proud. Stejnosměrný proud s přímou polaritou se používá nejčastěji, neboť zajišťuje stabilní oblouk a dobré vlastnosti svarových spojů. Stejnosměrný proud s nepřímou polaritou je využíván jen ojediněle. Při svařování kovů, které vytvářejí na povrchu vrstvu vysokotavitelných oxidů, např. u hliníku, hořčíku a jejich slitin, se používá střídavý proud. [2] Elektrický oblouk je možné zapalovat dvojím způsobem [14]:  dotykově – dotykem wolframové elektrody s povrchem svařovaného materiálu,  bezdotykově – při vysokém napětí s vysokou frekvencí dojde k ionizaci plynu a k nastartování a zapálení oblouku.

25

Tab. 2 Volba druhu svařovacího proudu v závislosti na druhu materiálu [2] Základní materiál Legované a nelegované oceli, měď a slitiny mědi, nikl a jeho slitiny, titan a jeho slitiny, zirkon, tantal a wolfram Hliník a slitiny hliníku Magnesium a slitiny magnesia

Druh proudu, polarita =(−)* ~ = ( − ) * s heliem

~ * údaj = ( − ) znamená u stejnosměrného proudu připojení hořáku na minusový pól

Svařovací hořáky Svařovací hořáky jsou nejzatíženější částí svařovacích zařízení. Zajišťují přívod elektrického proudu k elektrodě, přívod a usměrnění ochranného plynu, fixování polohy wolframové elektrody, přívod a odvod chladící vody. Rozdělujeme je na chlazené procházejícím plynem (do 150 A) a na vodou chlazené hořáky (do 350 A až 500 A) pro ruční, ale především strojní svařování. Hořáky mají vyměnitelné kleštiny, které zajišťují pevné upnutí a proudové napájení wolframových elektrod. Další tepelně zatíženou částí je plynová tryska. Keramické trysky se používají pro ruční hořáky chlazené procházejícím plynem. Kovové, nejčastěji měděné a pochromované, jsou vhodné pro strojní hořáky chlazené vodou. [14] Netavící se elektrody Netavící se elektrody jsou tyčky kruhového průřezu vyrobené z čistého wolframu nebo z wolframu, který je obohacený oxidy thoria (Th), lanthanu (La), ceru (Ce), zirkonu (Zr), nebo ytria (Y). Wolfram je vhodný z důvodu jeho vysoké teploty tavení 3400 °C a velké emisní schopnosti. [2] Volba typu elektrody závisí na druhu použitého proudu, oblasti použití a na požadované kvalitě svarového spoje. Elektrody se dodávají v následujících průměrech: 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 3,2; 4,0; 4,8; 5,0; 6,0; 6,4; 8,0 a 10 mm. Vyráběné délky elektrod jsou: 50; 75; 150 a 175 mm. Konce elektrod se brousí, ve zvláštních případech leptají. Wolframová elektroda musí být na jednom konci označena barevným páskem odpovídajícího barevného odstínu. [14] Ochranné plyny Ochranné plyny zabezpečují při svařování metodou WIG ochranu wolframové elektrody, tavné lázně a přilehlého základního materiálu před účinky okolní atmosféry.

26

Pro svařování vysokolegovaných ocelí se dnes používají inertní ochranné plyny, jako je argon (Ar), helium (He) nebo jejich směsi (argon a helium, argon a vodík, atd.). Argon obsahuje nečistoty jako dusík, kyslík, vodík a vlhkost, což má nepříznivý vliv na kvalitu svarového spoje. Pro svařování metodou WIG se používá ve vysoké čistotě, a to v rozmezí od 99,7 % do 99,999 %. [2] Přídavné materiály Přídavné materiály se rozdělují na svařovací tyčky (pro ruční svařování), a svařovací dráty (pro strojní metody). Svařovací tyčky jsou kruhového průřezu o průměrech 1 mm až 8 mm a délce od 600 mm do 1000 mm. Používají se tyčky plného průřezu nebo plněné legujícími případně karbidickými přísadami pro navařování. Svařovací dráty pro mechanizované metody svařovaní jsou dráty přesného kruhového průřezu navinuté na cívkách. Dodávají se od průměru 0,6 mm až 2,4 mm, pro navařování do 5 mm. Dráty z mědi, hliníku a jejich slitin musí mít střední stupeň tvrdosti po deformačním zpevnění. [14] Výhody svařování WIG oproti jiným metodám tavného svařování  Inertní plyn zabraňuje propalu prvků a tím i vzniku strusky – čistý povrch svaru.  Vytváří velmi příznivé formování svarové housenky na povrchu i kořenu svaru.  Svary mají malou tepelně ovlivněnou oblast a minimální deformace.  Zabezpečuje svary vysoké celistvosti i na materiálech náchylných na naplynění a oxidaci při zvýšených teplotách. [15] Oblasti využití svařování metodou WIG  Svařované konstrukce z vysokolegovaných ocelí pro chemický, farmaceutický a potravinářský průmysl, pro klasickou i jadernou energetiku.  Žáruvzdorné a žáropevné oceli pro stavbu kotlů, tepelných výměníků a pecí.  Titanové a různé speciální slitiny v oblasti výroby letadel a kosmické techniky.  Svařování hliníkových slitin v dopravní technice a všeobecném strojírenství. [14]

27

3 METODY TLAKOVÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ U všech způsobů tlakového svařování vzniká spoj v důsledku silového působení při přiblížení kontaktních ploch na vzdálenost působení meziatomových sil, to znamená téměř na parametr atomové mřížky. Ke spojení dochází v tuhém nebo plastickém stavu bez vnějšího přívodu tepelné energie (kromě difuzního a indukčního svařování). [1]

3.1 Svařování elektrickým odporem Teplo potřebné k natavení materiálu na svařovací teplotu (tzv. odporové teplo) vzniká průchodem proudu vysoké intenzity (až 100 000 A) a nízkého napětí (5 V až 15 V) stykovými plochami spojovaných částí. Stlačení a následné svaření je provedeno tlakem elektrod přivádějících do místa spoje svařovací proud. Celkové množství tepla je dáno Joule-Lenzovým zákonem: Q  R  I2  t

[J]

Q – množství vzniklého tepla [J] R – celkový odpor svarového spoje [Ω] I – svařovací proud [A] t – doba průchodu svařovacího proudu [s] [19]

Obr. 10 Princip svařování elektrickým odporem [12] Popis obrázku 10: 1 – svařovací elektrody, 2 – přítlačná ramena, 3 – svařovaný materiál, 4 – místo vytvoření svaru, 5 – transformátor, 6 – spínač zdroje. [12]

28

(9)

Celkový odpor svarového spoje je dán součtem přechodových odporů a odporů svařovaných materiálů. V místě, kde je největší přechodový odpor (v místě styku materiálů), se vyvine největší množství tepla. Natavením materiálu a působením tlaku vznikne svarový spoj. [19] 3.1.1 Zdroje svařovacího proudu Nejčastěji používaným zdrojem proudu u odporových svařovacích strojů je jednofázový transformátor. Většinou je zapojen mezi dvě fáze sítě, tedy na 400 V. Jelikož jedna fáze zůstává nezatížena, dochází k nepříjemnému nesymetrickému zatížení sítě zvláště, jde-li o svářečku s velkým příkonem. Tento problém řeší svařovací stroje s třífázovým napájením, a to buď s usměrněním proudu, nebo bez usměrnění. Sekundární vinutí odporových svářeček tvoří zpravidla jeden závit. U svářeček vyšších výkonů je vodič dutý a intenzivně chlazený protékající vodou. Vodou jsou chlazena i ramena (bodové, švové svařování) a rovněž elektrody a upínací čelisti. [2] 3.1.2 Způsoby odporového svařování Podle konstrukčního uspořádání elektrod a podle tvaru spojovaných dílů se rozlišují tyto způsoby odporového svařování:  svařování bodové,  svařování švové – vysokofrekvenční odporové,  svařování na lisu výstupkové (bradavkové),  svařování stykové (natupo) – pěchovací nebo odtavením. [2]

a)

b)

c)

Obr. 11 Hlavní druhy odporového svařování [6]

29

d)

Při odporovém svařování bodovém (obr. 11a) se svařované díly navzájem přeplátují a stlačí tyčovými elektrodami, které jsou připojeny na svařovací transformátor. Průchodem proudu se stlačené plochy v místě styku roztaví v důsledku vzniklého vysokého přechodového odporu. Přitlačování se provádí mechanicky, pneumaticky nebo hydraulicky. Švové svařování (obr. 11b) je obdobou svařování bodového. Tyčové elektrody jsou nahrazeny dvěma otáčejícími se kotouči. [13] O svařování bradavkové se jedná v případě, kdy se u plechu předem vytvoří vylisováním na jedné straně povrchu bradavky. Vytvoří-li se před svařováním různé výstupky, např. soustružením nebo frézováním u profilových předmětů, hovoří se o výstupkovém svařování (obr. 11c). Stlačení obou svařovaných plechů se provádí mezi čelistmi svařovacího lisu, což jsou ploché deskové elektrody ze slitin mědi. Při stykovém svařování pěchovacím se dva svařované díly upnou do proudových čelistí a vystupujícími čely se k sobě přitlačí určitou silou. Poté dojde k sepnutí svařovacího proudu a v místě styku k následnému ohřátí. Při svařování stykovém odtavením (obr. 11d) se konce materiálů střídavě přivádějí do elektrického styku. Proces se opakuje, až se na čelech svařovaných dílů vytvoří vrstva roztaveného kovu. Následuje prudké stlačení a s malým zpožděním vypnutí proudu. [13] 3.1.3 Oblasti využití odporového svařování Nejvýznamnější aplikací je nasazení odporového svařování v automobilovém průmyslu při svařování karoserií. Další využití je v oblasti vzduchotechniky, krytování strojních zařízení a výroby kovového nábytku. Pro svařování plechových radiátorů a nádrží se využívá těsnicí švové svařování. Svařování na lisech se používá pro výrobu strojních součástí, sít, pletiva, mříží. Z domácností je významná aplikace pro kuchyňské a koupelnové vybavení. [14]

3.2 Třecí svařování Základní princip svařování třením je založen na vzájemném pohybu dvou součástí při působení přítlačné síly. Nejčastěji se svařují rotační součásti, kdy jeden vystředěný díl svařované součásti rotuje a druhý stojí nebo vykonává opačný pohyb. Kvalitu spoje výrazně ovlivňují metalurgické podmínky na stykové ploše, pěchovací tlak a velikost napěchování. [1]

30

Dnes jsou známy dva způsoby svařování třením: s přímým pohonem – konvenční, a s akumulovanou energií – setrvačníkové. [1] Tab. 3 Základní parametry třecího svařování [13] Materiál

Třecí tlak [MPa]

Pěchovací tlak [MPa]

Doba tření [s]

Otáčky [min-1]

Lehké kovy

10 – 80

20 – 160

0,1 – 6

1500

Nelegovaná ocel

20 – 80

60 – 250

1 – 10

1500

Vysokolegovaná ocel

40 – 100

120 – 400

3 – 15

1500

Na jeden z dílů působí přítlačná síla, která dává vzniknout třecím silám. Vysokým měrným tlakem se oba povrchy nejprve zarovnávají, deformují a posléze nastane hluboké vytrhávání povrchu při vzniku a zániku mikrobarů, silný ohřev a výrazná délková deformace. Současně dochází k tvorbě charakteristického výronku. [14] Fáze vzniku svaru při třecím svařování 1. Začátek svařování – jedna součást je pevně upnuta a druhá rotuje (obr. 12a). 2. Počáteční dotyk svarových ploch při zatížení axiální silou (obr. 12b). 3. Dosažení svařovacího tlaku (obr. 12c). 4. Výrazný nárůst tepla na kontaktních plochách (obr. 12d), teplota kontaktní plochy dosahuje až 75 % teploty tavení (obr. 12e). 5. Zastavení rotace se zvýšením měrného tlaku na kovací teplotu (obr. 12f). [14]

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Obr. 12 Jednotlivé fáze vzniku svaru [14] 3.2.1 Konvenční způsob třecího svařování Rotace svařované součásti je zajištěna přímým pohonem od motoru přes převodovku a spojku. Hlavním znakem jsou konstantní otáčky po celou dobu ohřívacího cyklu a dvě úrovně měrného tlaku. Rozsah otáček je v rozmezí 500 min-1 až 5000 min-1. [1]

31

3.2.2 Setrvačníkové (inerční) třecí svařování Na rozdíl od konvenčního svařování se otáčky snižují z maxima na nulu. Kinetická energie akumulovaná v setrvačníku je zde přeměněna na teplo při téměř konstantním měrném tlaku 40 MPa až 280 MPa. Otáčky se pohybují od 500 min-1 do 40 000 min-1. [1] 3.2.3 Využití třecího svařování Aplikací třecího svařování je mnoho, např. v automobilovém průmyslu – pastorky, kardanové hřídele, ventily spalovacích motorů, hnací hřídele, vačkové hřídele atd. [1]

3.3 Difuzní svařování Při tomto způsobu svařování vzniká vlastní spojení kovů za působení teploty a odpovídajícího měrného tlaku na kontaktních plochách. Spoj je tvořen přiblížením kontaktních ploch v důsledku lokální plastické deformace, která zaručuje vzájemnou difuzi v povrchových vrstvách spojovaných materiálů. Proces difuzního svařování je možné rozdělit na tři stadia [14]:  Počáteční kontakt povrchu, kde nastává deformace povrchových nerovností.  Druhé stadium je charakterizováno přemísťováním vakancí a dislokací při počátku vzájemné difuze atomu.  Ve třetím stadiu dochází k intenzivním difuzním pochodům, kdy v příhodných kombinacích dochází k vymizení původního rozhraní mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury. Při difuzních jevech jde o objemovou difuzi, difuzi po hranicích zrn a v menší míře o povrchovou difuzi. Hlavními parametry difuzního svařování jsou teplota, tlak a čas. Teplota svařování závisí na tavicí teplotě svařovaných materiálů. Vhodný tlak je 10 MPa až 20 MPa pro svařování oceli, svařovací čas se pohybuje v rozmezí od 3 minut do 60 minut. [14]

32

Obr. 13 Stadia vytváření difuzního spoje [14] Popis obrázku 13: a) b) c) d)

počáteční kontakt migrace atomů a tvorba můstků plastické zarovnání mikronerovností intenzivní difuze a mikrodeformace dokonalý difuzní spoj [14]

3.3.1 Uplatnění difuzního svařování Difuzní svařování se používá hlavně pro spojování obtížně svařitelných materiálů – pro vysokotavitelné kovy, materiály s vysokou tvrdostí a kovy s vysokou afinitou ke kyslíku. Difuzní svařování je také jediná metoda, která umožňuje svařovat i kovy s keramikou, grafitem nebo sklem. [1]

3.4 Svařování tlakem za studena Principem svařování je přiblížení povrchů svařovaných materiálů na vzdálenost řádově parametrů mřížky, kdy dochází ke vzájemnému působení mezi jednotlivými atomy kovu za vzniku pevné vazby. K dosažení požadovaného přiblížení je nutná výrazná plastická deformace, která musí být minimálně 60 %. Tlakovým způsobem lze svařovat různorodé materiály tavně nesvařitelné. [1] 3.4.1 Příprava svarových ploch Svarové plochy musí být dokonale očištěné, zarovnané stříháním nebo jiným opracováním, odmaštěné, případně kartáčované na rotujících kartáčích.

33

Provedení spojů může být různé:  tupé svařování pro spojování kruhových profilů;  svařování přeplátovaných spojů, které může být bodové nebo švové a může být realizováno do tloušťky až 6 mm. [1] 3.4.2 Svařovací tlak Svařovací tlak závisí na druhu materiálu, jeho stavu, typu svarového spoje, tvaru a velikosti profilu. Běžně se svařovací tlaky pohybují mezi 500 MPa až 4 GPa. Doporučované hodnoty měrného tlaku pro různé materiály:  hliník + hliník → do 1000 MPa  hliník + měď → do 2500 MPa  měď + měď → do 3500 MPa Svařování probíhá za pomoci hydraulických lisů v přípravcích nebo speciálních svařovacích strojích pomocí upínacích čelistí na jeden nebo více pěchovacích zdvihů. [1] 3.4.3 Výhody, aplikace a využití svařování tlakem za studena  Nenastává tepelné ovlivnění materiálu a vznik taveniny.  Spojovat lze i velmi rozdílné kovy, které nejsou vzájemně rozpustné.  Nevznikají exhalace, tepelné, viditelné a ultrafialové záření. Typickým příkladem je svařování hliníkových a měděných vodičů, měděných trolejí až do průřezu 150 mm2, spojování mědi a hliníku při výrobě tlumivek, v obalové technice – balení léčiv, potravin, radioaktivních, chemických a výbušných látek. [1]

3.5 Ultrazvukové svařování Svařování využívá mechanického kmitání o vysoké frekvenci – ultrazvuku pro vytvoření spoje. Zdroj kmitání tvoří ultrazvukový měnič, jehož vinutí je napájeno elektronickým vysokofrekvenčním generátorem proudu o frekvenci 4 kHz až 100 kHz. Vlastní kmitač se skládá z magnetostrikčního měniče nebo piezoelektrického měniče, na který je připojen trychtýřovitý vlnovod zesilující amplitudu kmitání. Vlnovod je ukončen tzv. sonotrodou, což je svařovací hrot, který přenáší kmitání na svařovaný materiál. Sonotrody jsou zároveň přitlačovány silou, a tím vznikne spoj. [14] Při svařování se vlivem přenášené energie zvyšuje na kontaktních plochách teplota.

34

3.5.1 Hlavní parametry svařování Parametry při ultrazvukovém svařování jsou především: 1. amplituda výchylky svařovacího hrotu (sonotrody) [mm], 2. přítlačná síla [N], 3. frekvence ultrazvukových kmitů [Hz], 4. svařovací čas [s]. [13] 3.5.2 Svařitelnost materiálů Svařitelnost je velmi široká a kromě stejných kovů lze spojovat i celou řadu různorodých materiálů. Hliník a jeho slitiny jsou svařitelné téměř se všemi kovy, měď, molybden, železo a stříbro mají také velmi rozsáhlou svařitelnost. S růstem tloušťky materiálu roste i útlum mechanického vlnění a maximální tloušťky materiálů dosahují:  hliník – 3,17 mm,  měď – 2 mm,  ostatní materiály (Ni, Mo, Fe, Co, Ta atd.) – 0,5 mm až 0,7 mm,  folie zlata, stříbra a platiny – do 4 · 10-3 mm. [14] 3.5.3 Využití v technické praxi Ultrazvukové svařování nachází uplatnění v elektronickém a elektrotechnickém průmyslu, ve vakuové technice a ve výrobě jemných přístrojů. Příkladem dílů svařených ultrazvukem jsou například části kondenzátorů, přídavné drátky k polovodičům, pouzdra tranzistorů. Tato metoda se využívá i při výrobě zařízení z termoplastů. [14]

3.6 Výbuchové svařování Spojení materiálů se vytvoří působením tlaku vzniklého při detonaci vhodné výbušniny. Používá se trhavin s krátkou reakční dobou 10-3 s až 10-6 s a s výkonem až 108 kW · kg-1. Těmto podmínkám nejlépe vyhovuje trhavina s relativně pomalou detonační rychlostí (2500 m · s-1) typu SEMTEX, která je rovnoměrně rozmístěna na svařovaném plechu. Při svařování dochází ke srázu desek, kdy rázová vlna dosahuje silového impulsu až 100 GPa mnohonásobně převyšující pevnost materiálu. Při této plastické deformaci se kov chová jako ideální kapalina. [4]

35

Obr. 14 Princip výbuchového svařování a ukázka vlnitého rozhraní dvou kovů [14] 3.6.1 Svařitelnost materiálů Vzhledem k tvorbě svaru při teplotách pod teplotou tavení můžeme svařovat mimo stejných materiálů i různorodé kombinace, např. uhlíkovou ocel + CrNi, ocel + měď, austenitickou ocel, titan, hliník, molybden, nikl, platinu a nástrojovou ocel. Tloušťka plátovaných plechů může být 0,1 mm až 30 mm. [1] 3.6.2 Použití a výhody technologie spojování materiálů výbuchem Technologie spojování materiálů výbuchem se využívá v těchto aplikacích:  navařování (plátování) bimetalů a vícesložkových kompozitů ze speciálních slitin, přístrojová a měřicí technika, plátování částí chemických, petrochemických a potravinářských zařízení nerezavějících ocelí,  výroba expandovaných voštin – letecký průmysl,  švové svařování, bodové svařování – elektrické kontakty, nástroje. Výbuchové svařování se oproti jiným metodám vyznačuje výhodami, jako jsou: krátký svařovací čas, minimální ohřev v úzké kontaktní zóně, svařování různých tloušťek, spojování různorodých materiálů a plátování jednostranné i oboustranné. [1]

36

4 SPECIÁLNÍ

METODY

V

MODERNÍ

TECHNOLOGII

SVAŘOVÁNÍ TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Vývoj některých průmyslových odvětví, například klasická a jaderná technika, dopravní technika, elektrotechnika, letecký a kosmický průmysl, se neobejde bez nutnosti spojovat obtížně svařitelné, různorodé nebo rozdílně tlusté materiály. V oblasti tavného svařování jsou pro uvedené aplikace vhodné metody s vysokou koncentrací tepelné energie na jednotku plochy. V naší literatuře se pro tyto níže uvedené metody někdy používá společný název: Svařování klíčovou dírkou nebo svařování průchozím paprskem (podle anglického označení KEY HOLE). [14]

4.1 Plazmové svařování Zdrojem tepla je plazmový paprsek, což je sloupec silně ionizovaného plynu. Ke vzniku plazmy je tedy nutná ionizace plynu (mechanická nebo tepelná), při které dochází k vyražení nebo uvolnění elektronů z vnějších valenčních orbitalů atomů. Uvolněné elektrony mají záporný náboj a vedou v plazmě elektrický proud. Ionizované jádro atomu – iont – má se zbývajícími elektrony kladný náboj. U dvouatomových plynů (dusík, vodík a kyslík) musí nejprve proběhnout disociace plynu, při které dochází k rozložení molekul plynu na atomy. Na ionizaci plynů je potřeba značná energie. Princip svařování plazmou je tedy založen na ionizaci plynu při průchodu elektrickým obloukem. [1] Tab. 4 Přibližné průměrné teploty plazmy pro používaná prostředí [1] Typ

Teplota T [K]

Dusíková plazma

9 000

Vodíková plazma

10 000

Argonová plazma

16 000

Heliová plazma

20 000

Plazma stabilizovaná vodou

až 35 000

4.1.1 Druhy plynů pro plazmové svařování Pro plazmové svařování se obecně používají tři druhy plynů: 1. Plazmový plyn slouží k vytvoření plazmového paprsku. Je používán většinou argon, helium, vodík nebo jejich směsi s průtokem 0,5 l · min-1 až 9 l · min-1. 2. Fokusační plyn pro zúžení plazmového paprsku (3 l · min-1 až 18 l · min-1).

37

3. Ochranný plyn chrání svarovou lázeň před účinky okolní atmosféry. Používá se argon, dusík, vodík a CO2 s průtokem 2 l · min-1 až 20 l · min-1, u aktivních materiálů (Ti, Zr, Ta) se průtok zvyšuje na 20 l · min-1 až 30 l · min-1. [1, 13]

Obr. 15 Princip plazmového hořáku a způsob zapojení [14] Popis obrázku 15: 1 – hubice pro přívod ochranného plynu, 2 – ochranný plyn, 3 – tryska hořáku, 4 – fokusační plyn, 5 – vodní chlazení, 6 – plazmový plyn, 7 – wolframová elektroda, 8 – vysokofrekvenční a vysokonapěťový ionizátor,

9 – zdroj pomocného oblouku (tzv. nezávislé zapojení), 10 – zdroj hlavního elektrického oblouku (tzv. závislé zapojení), 11 – spínač, 12 – základní svařovaný materiál, 13 – plazmový paprsek, 14 – provedený svar. [14]

Výstupní rychlost plazmy se pohybuje mezi 200 m · s-1 až 500 m · s-1 při svařování a navařování. Parametry jsou závislé na druhu materiálu, u vysokolegovaných ocelí se pro tloušťky 2 mm až 10 mm volí napětí mezi 28 V až 40 V a proud 110 A až 300 A. [14]

38

4.1.2 Typy hořáků a jejich způsoby zapojení V principu existuje dvojí elektrické zapojení hořáku (obr. 15):  Zapojení závislé (přenesený oblouk), u kterého je záporný pól připojen na wolframovou elektrodu a kladný pól na materiál. Pro nastartování a zapálení pomocného oblouku se používá VF ionizátor připojený ke kovové trysce. Pomocný (pilotní) oblouk vytvoří dostatečně vodivé prostředí pro zapálení hlavního oblouku. Toto zapojení se používá u svařování, navařování a řezání.  Zapojení nezávislé (nepřenesený oblouk), kdy jsou póly zdroje připojeny pouze na elektrodu a kovovou trysku, se používá především u žárových nástřiků nebo povrchového kalení. [1] 4.1.3 Mikroplazmové svařování Je zde využita vysoká stabilita hoření plazmového oblouku i při nízkých proudech. Intenzita proudu se zde pohybuje v rozsahu 0,05 A až 20 A. Mikroplazmovým svařováním lze spojovat kovové folie tloušťky 0,01 mm i plech tloušťky 2 mm. Používá se v leteckém, chemickém a potravinářském průmyslu, mikroelektronice, přístrojové technice. [1] 4.1.4 Systém Plazma – MIG (Gas Metal Plasma Arc) Jedná se o kombinaci plazmy a svařování metodou MIG. Tato metoda spojuje výhody plazmového oblouku (vysokou stabilitu hoření i při vysoké délce oblouku) s výhodami MIG svařování (automatické podávání tavící se drátové elektrody). Existují dvě základní alternativy: 1. Plazmový oblouk hoří mezi pomocnou wolframovou elektrodou a proud plazmatu je usměrňován hubicí. 2. Plazmový oblouk hoří mezi hubicí a základním materiálem. [1] 4.1.5 Porovnání plazmového svařování a oblasti využití V základních rysech se svařování plazmou podobá metodě WIG. Předností je však stabilní svařovací proces, charakteristický tvar svaru – zejména kořene, což umožňuje svařování bez podložení kořene až do tloušťky 10 mm. Na rozdíl od svařování metodou WIG se používá hořák s intenzivně chlazenou výstupní hubicí menšího průměru, která oblouk zužuje na poměrně malou plochu materiálu. Na zvýšení hustoty energie se podílí

39

fokusační plyn. Ve srovnání s laserovým paprskem má plazmový oblouk nižší koncentraci energie, avšak nesrovnatelně vyšší energetickou účinnost a nižší celkové provozní náklady. [22] Společným znakem použití je vysoká kvalita a produktivita procesu při minimálním tepelném ovlivnění základního materiálu. Zvláštní postavení má plazma při svařování tlakových nádob a potrubních systémů v chemickém a potravinářském průmyslu. Kombinací svařovacího procesu s vhodnými zařízeními lze docílit optimálních kvalitativních i ekonomických ukazatelů. [22]

4.2 Svařování svazkem elektronů Svařování svazkem elektronů je proces tavného svařování, při kterém se kinetická energie rychle letících elektronů mění na tepelnou při dopadu na povrch materiálu. Vysoká koncentrace energie až 5 · 108 W · cm-2 umožňuje vytvořit svar s minimální oblastí natavení a velmi malým množstvím vneseného specifického tepla. Zdroj elektronů bývá nazýván elektronové dělo nebo elektronová tryska a je pomocí rotační a difuzní vývěvy čerpán na vysoké vakuum až 5 · 10-4 Pa. Vakuum je nezbytné z důvodu zajištění termoemise elektronů, tepelné a chemické izolace katody, zamezení vzniku oblouku mezi elektrodami a zamezení srážkám elektronů s molekulami vzduchu, které způsobují zbrzdění elektronů. [14]

Obr. 16 Schéma zařízení a princip svařování svazkem elektronů [23] Termoemisí jsou elektrony uvolněny ze žhavené záporné elektrody a od elektrody jsou odtaženy tzv. zaostřovací elektrodou (Wehneltovou clonou), která má vůči katodě

40

záporné předpětí přibližně 100 V. Při výpočtu kinetické energie elektronů se vychází ze vztahu:

Wk 

m e  v e2  Wk  e  U 2

[eV]

(10)

Wk – kinetická energie elektronů v elektronvoltech (1 eV = 1,602 · 10-19 J) me – hmotnost elektronu (me = 9,109 · 10-31 kg) ve – rychlost elektronu, kterou můžeme ze vztahu vyjádřit jako: v e  600  U [km · s-1] e – elementární náboj elektronu (e = 1,602 · 10-19 C) U – urychlovací napětí [V] [1] Elektron je nejmenší elektricky nabitá částice s velmi nízkou hmotností a lze ho proto elektrickým polem urychlit na vysokou rychlost, u nejvýkonnějších zdrojů až na 75 % rychlosti světla. Urychlení elektronů se dosahuje vysokým napětím, které mezi katodou a anodou dosahuje 30 kV až 200 kV. [14]

Obr. 17 Elektronové svařovací zařízení (zdroj elektronů nad vakuovou komorou) [14] 4.2.1 Interakce elektronů se svařovaným materiálem Při dopadu elektronů na povrch materiálu dochází k jejich částečnému odrazu až 70 %. Dopadem svazku na materiál pronikají zbývající elektrony (cca 30 %) do hloubky několika desítek mikrometrů, přičemž dochází k vibračnímu přenosu energie, která urychluje kmitání atomové mřížky kovu. Tímto procesem se přemění kinetická energie elektronů na energii tepelnou. Přídavný materiál se u tohoto způsobu používá jen výjimečně (drát, pásek nebo prášek) a svar se tvoří metalurgickým natavením obou polovin svařované součásti. [1]

41

4.2.2 Využití elektronového svařování v praxi, výhody a nevýhody Svařování ve vakuu umožňuje spojovat i chemicky velmi aktivní kovy – Ti, Zr, Mo, Nb, Hf, W i vzájemné kombinace materiálů: Ti – Al, Cu – Al, Cu – ocel. Svařují se tenké plechy řádově v desetinách milimetrů v oblasti přístrojové techniky, vakuové techniky, trubkové systémy a trubkovnice u výměníků tepla, tlustostěnné materiály při výrobě rotorů parních turbín, rotory turbodmychadel atd. K výhodám patří velmi dobrý vzhled svaru s jemnou kresbou, úzká natavená a tepelně ovlivněná oblast, minimální deformace a ochrana svaru před vlivem atmosféry. Nevýhodou je omezení rozměrů svařovaných dílů tak, aby se mohly umístit do svařovací komory. Zařízení jsou velice drahá a rozměrná. [2, 15]

4.3 Laserové svařování Slovo LASER vzniklo ze začátečních písmen anglického popisu samotné podstaty jeho principu činnosti Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (zesílení světla stimulovanou emisí záření). Fyzikálně je laser definován jako kvantový zesilovač světla, který využívá stimulovanou emisi záření zesilovanou v rezonátoru a dále zaostřovanou optikou do místa užití. [2]

Obr. 18 Základní princip rubínového laseru [16] Laserové zařízení se skládá z rezonátoru, kde dochází v aktivním prostředí k vyzařování fotonů a optické soustavy, která úzký paprsek dále fokusuje a zaměřuje na potřebné místo. V rezonátoru jsou vyzařované fotony bez vzájemné korelace, směru a fáze. K vázání fotonů se používá zrcadlo s téměř 100% odrazivostí. Podobné zrcadlo je umístěno na opačné straně aktivního prostředí. Tímto polopropustným zrcadlem bude část fotonů vrácena zpět do aktivního prostředí k dalšímu zesílení a část fotonů vystupuje do optické soustavy ve formě optického svazku s minimální rozbíhavostí. [13]

42

4.3.1 Druhy laserů používaných ve svařování Podle aktivního prostředí rozdělujeme lasery na pevné, kapalné, plynné a polovodičové. CO2 laser je plynový laser, jehož aktivní prostředí tvoří molekuly oxidu uhličitého buzené doutnavým elektrickým výbojem. Záření spadá do infračervené oblasti, generovaná vlnová délka je 10,6 μm. CO2 lasery se vyznačují relativně vysokou účinností (8 % až 10 %). V současné době pouze CO2 laser dosahuje požadovaného rozsahu výstupních výkonů (1 kW až 30 kW), a proto patří mezi nejrozšířenější lasery. Nd:YAG laser je pevnolátkový iontový laser, jehož aktivním prostředím je opticky čerpaný Nd:YAG krystal (ittrium-aluminium granát dopovaný neodymem Nd3+). Konstrukce je v porovnání s plynovými lasery podstatně kompaktnější. Nevýhodou je nižší účinnost (2 % až 3 %), značný elektrický příkon výkonových systémů (až 200 kW) a s tím spojená nutnost vodního chlazení. [24] Excimerové lasery jsou plynové pulzní lasery, jejichž pracovní náplň tvoří směs halogenidů a vzácných plynů (krypton-fluor, argon-fluor). Hlavním důvodem použití je velmi krátká vlnová délka. Účinnost je relativně dobrá – až 10 %. Vysokovýkonové laserové diody (HDL – High-power diode laser) se dnes zdají být velmi perspektivní. Tyto systémy vynikají elektrickou účinností (25 % až 30 %), neboť přeměňují elektrický proud přímo na světelné záření. Aktivní prostředí vláknových laserů tvoří křemenná vlákna dopovaná prvky vzácných zemin (ytterbium, erbium, neodym). Pro čerpání těchto laserů se s výhodou používají nízkovýkonové polovodičové laserové diody. Doposud jsou komerčně dostupné vláknové lasery s výkonem 2 kW až 4 kW. [24] 4.3.2 Interakce laserového svazku se svařovaným materiálem Na rozdíl od svařování svazkem elektronů zde nedochází k přeměně kinetické energie na tepelnou. Foton jako kvantum energie přímo zvyšuje frekvenci vibrací mřížky, a tím se zvyšuje teplota materiálu. Energie svazku záření dopadající na povrch se částečně odrazí, pouze část je pohlcena a využita pro ohřev materiálu a velmi malá část materiálem prochází. Teplota laseru dosahuje 15 000 °C. [13, 14] Při svařování laserem vzniká kapilára vyplněná parami kovu pod vysokým tlakem. Páry kovů jsou vysokou teplotou ionizovány a tato laserem indukovaná plazma tryská vysokou rychlostí z místa svaru. Plazma brání pronikání fotonů do svarové spáry, pohlcuje velkou část záření svazku a snižuje hloubku průniku fotonů. Tato plazma se

43

vychyluje ofukováním ochranným plynem Ar, Ar + CO2, N2 a nejlepší výsledky vykazuje helium. Většinou se svařuje bez přídavných materiálů, ale vývoj směřuje i k využití drátových přídavných materiálů. [14]

Obr. 19 Princip laserového svařování [21] 4.3.3 Možnosti uplatnění svařování laserem Nejširší využití je v automobilovém průmyslu, ve výrobě svařovaných profilů a trubek, tepelných výměníků, hřídelí a ozubených kol. S laserovým svařováním je možné se setkat i při výrobě chirurgických nástrojů, medicínských komponent a elektronických prvků. Lasery umožňují velmi rychlý ohřev a svařování materiálů s vysokou tepelnou vodivostí (Cu, Ag, Al) i materiály s vysokou teplotou tavení (W, Mo, Ta, Zr, Ti). Jednou z mála nevýhod jsou zatím vysoké investiční náklady spojené s instalací laserového systému, které tuto technologii předurčují pro sériovou výrobu. [21]

4.4 Metoda CMT – spojování krátkým zkratovým obloukem CMT je zkratka anglického označení Cold Metal Transfer (přenos studeného kovu). Jedná se v podstatě o proces MIG/MAG, který pracuje, na rozdíl od běžných jiných procesů, s velmi nízkým přísunem tepla. Počátky historie procesu CMT sahají až do roku 1991. Metoda vznikla v rakouské firmě Fronius jako výsledek postupného přizpůsobování metody MIG/MAG potřebám spojování oceli s hliníkem. V roce 2002 již byly známy možnosti i přednosti procesu CMT a započala poslední fáze jeho vývoje směrem k sériové využitelnosti. [25]

44

4.4.1 Princip CMT procesu Tato technika je založená na využití metody uvolňování kapky využívající střídavého dopředného a zpětného pohybu drátu. [9]

a)

b)

c)

d)

Obr. 20 Pohyb drátu při CMT procesu [7] Samotný spojovací proces probíhá v těchto fázích: 1. Během fáze hoření oblouku se přivádí přídavný materiál do tavné lázně (obr. 20a). 2. Při vnoření přídavného materiálu do tavné lázně zhasne oblouk, svařovací proud se sníží (obr. 20b). 3. Zpětný pohyb drátu podporuje během zkratu oddělení kapky, zkratový proud je udržován na nízké úrovni (obr. 20c). 4. Pohyb drátu se obrátí a proces začne znovu (obr. 20d). [9] Modifikace svařování CMT tavící se elektrodou v ochranné atmosféře tedy kombinuje horkou fázi hoření oblouku, kdy se taví drát i základní materiál, se studenou částí procesu, při kterém se po kontaktu nataveného drátu s tavnou lázní snižuje intenzita proudu a drát se vrací do hubice. Tím je podpořeno oddělení kapky bez rozstřiku s nízkou hodnotou vneseného tepla do svaru. Zpětný pohyb drátu probíhá až 70krát za sekundu. [14] 4.4.2 Svařovací systém CMT Svařování CMT se provádí výhradně za použití plně digitalizovaných invertorových svařovacích zdrojů. V principu odpovídá svařovací systém CMT hardwarové sestavě systému MIG/MAG na nejnovější technické úrovni. Protože se drát pohybuje směrem k materiálu a zpět, musí se motor v posuvové jednotce hořáku otáčet střídavě vpřed i zpět. Naproti tomu motor v podavači drátu se otáčí stále dopředu, protože má značnou setrvačnost a nedokázal by směr otáčení tak

45

rychle měnit. Z tohoto důvodu bylo nutné vložit mezi tyto motory tzv. absorbér, který krátkodobě vyrovnává (absorbuje) rozdíly v délce drátu mezi oběma posuvy. [25]

Obr. 21 Svařovací systém CMT vybavený pro automatizované aplikace [7] Druhou součástí CMT systému je mimo jiné pohonná jednotka, pro kterou byl použit střídavý servomotor bez převodovky, protože by zavedla do reverzačního pohonu pracujícího s frekvencí 70 Hz příliš velkou vůli a převody by podléhaly rychlému opotřebení. Vinutí motoru je vsazeno přímo do krytu hořáku. [25] 4.4.3 Spojování ocelových a hliníkových částí Obecně nelze obloukovým svařováním spojovat kovy, jejichž fyzikální vlastnosti, jako je teplota tání, koeficient roztažnosti nebo elektrochemický potenciál, se výrazně liší. Díky svařovací technologii CMT lze spojování oceli s hliníkem provádět pomocí elektrického oblouku. Její princip spočívá v tom, že na straně hliníku jde o svarový spoj, u ocelového plechu o spoj pájený. Předností tohoto způsobu, nazývaného také „spojování za studena“, je to, že probíhá při mnohem nižších teplotách než při klasickém svařování, nedochází k deformacím a výsledný spoj není nutné dopracovávat. Spojení uvedenou metodou lze provést za podmínek, že ocelové plechy jsou pozinkované, hliníkové plechy musí pocházet z materiálových řad AW5xxx nebo 6xxx a jako svařovací, případně pájecí materiál je předepsána slitina AlSi3Mn1. Zinková vrstva na ocelovém plechu působí jako tavidlo a smáčí ocel. Má být co nejtenčí, maximálně 10 µm. Pak je pevnost spoje tak vysoká, že svar při tahových zkouškách vydrží a dojde k přetržení hliníkového plechu. [18]

46

Obr. 22 Ukázka spoje hliníku s ocelí při CMT – plné natavení na straně hliníku, pájený spoj na straně oceli [7] 4.4.4 Další možnosti využití procesu CMT Pro CMT procesy existují tři hlavní aplikační oblasti [25]:  bezrozstřikové MIG-pájení,  práce s tenkými plechy (hliník, uhlíková i ušlechtilá ocel),  spojování oceli a hliníku elektrickým obloukem. Všechny základní i přídavné materiály známé ze svařování metodou MIG/MAG je možné také zpracovávat procesem CMT. Hlavní předností MIG-pájení pozinkovaných plechů je to, že se taví pouze přídavný a nikoliv základní materiál. [25] Běžné MIG-pájení je zatížené pouze slabým rozstřikem, avšak určité množství rozstřiků se může občas objevit. Kromě známých materiálů je možné téměř bezrozstřikově svařovat s využitím odpovídající charakteristiky také hořčík. V mnoha průmyslových oborech, kde se zpracovávají tenké plechy, má velký význam hmotnost svařovaných dílů. Příkladem může být automobilový průmysl, který se snaží stavět automobily pokud možno lehké, aby byly rychlejší a spotřebovaly méně paliva. Tepelné zatížení se musí udržovat na nízké úrovni speciálně při spojování plechů natupo proto, aby se spojily, nikoliv roztavily. Dosud se při svařování tenkých plechů natupo musela používat na druhé straně obrobku podložka, která bránila propálení svaru. V důsledku toho, že se proces CMT vyznačuje velice nízkým tepelným zatížením, je nyní možné s jeho využitím svařovat natupo hliníkové plechy do tloušťky až 0,4 mm bez použití podložky. Tím odpadají časové nároky i náklady na náročné přípravné i dokončovací práce. [25]

47

4.4.5 Metoda CMT Twin Nová technologie CMT Twin se vyznačuje vysokou produktivitou a hospodárností díky dvěma pozitivním efektům: Lepší chování závaru zajišťuje závar hlubší při stejném výkonu. Přední oblouk vytvoří v základním materiálu hlubší závar a následující oblouk druhé elektrody vyplní tavnou lázeň. [10]

Obr. 23 Nejnovější systém svařování CMT Twin [11] Svařovací systém CMT Twin se tedy skládá ze dvou svařovacích zdrojů, jednoho svařovacího hořáku a dvou navzájem izolovaných trubic, což zajišťuje rychlý proces s dvojím drátem a minimálním rozstřikem. [10]

48

5 PŘEHLED METOD SVAŘOVÁNÍ KOVŮ

Obr 24 Celkový přehled metod svařování kovů

49

ZÁVĚR Se zvyšujícími se nároky na přesnost a kvalitu spojů dochází k neustálému vývoji svařovací techniky. Potřeba spojování mnohdy i velmi různorodých materiálů s sebou nese vznik nových i modifikaci tradičních metod svařování a pájení. Požadavky na vysokou produktivitu svařování nebo pájení a zároveň na vysokou jakost spojů vyvolávají snahu o omezování vlivu lidského faktoru. Možnost mechanizovaného a hlavně robotizovaného svařování umožňuje realizaci takových metod, které jsou pro ručního svářeče dlouhodobě obtížně proveditelné nebo i nemožné. Z tohoto důvodu jsou vyvíjeny i speciální nové způsoby svařování určené pouze robotům, například metoda LaserHybrid. Jedná se o kombinaci MIG/MAG a laserového svařování. Princip využívá výhod obou technologií. Na straně laseru je vysoká rychlost tavení a hluboká tavná lázeň, u MIG metody podávání drátové elektrody. Výsledkem je úspora přídavného materiálu i nižší výkon laseru snižující investiční náklady. Rychlost svařování metody LaserHybrid je dva až třikrát vyšší než v případě pouhého svařování v ochranné atmosféře. Pro vysoký výkon se dále používá tandemové svařování, kde se v tavné lázni v ochranné atmosféře taví dvě drátové elektrody současně. Mezi přední světové výrobce svařovací techniky patři bezpochyby již zmiňovaná rakouská firma Fronius, která od roku 1991 působí i v České republice. Svým neustálým inovováním určuje směr, kterým se bude svařovací technika dále vyvíjet. K dalším světovým výrobcům patří např. Kühtreiber s. r. o., Migatronic a. s. aj. Tato bakalářská práce poskytuje celkový přehled základních metod, které jsou již v provozu delší dobu, avšak stále moderní, až po nejnovější trendy v technologii svařování. Práce chce posloužit všem, kteří chtějí získat informace o podstatě a principu nejrozšířenějších způsobů svařování technických materiálů.

50

POUŽITÁ A DOPORUČENÁ LITERATURA 1. AMBROŽ, Oldřich, KANDUS, Bohumil a Jaroslav KUBÍČEK. Technologie svařování a zařízení: učební texty pro kurzy svářečských inženýrů a technologů. 1. vyd. Ostrava: Zeross, 2001, s. 395. ISBN 80-85771-81-0. 2. BARTÁK, Jiří, PILOUS, Václav a Rudolf KOVAŘÍK. Učební texty pro evropské svářečské specialisty, praktiky a inspektory. 1. vyd. Ostrava: Zeross, 2002, s. 417. ISBN 80-85771-97-7. 3. BENKO, Bernard. Technológia I Zváranie. 1. vyd. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 2004, s. 89. ISBN 80-227-2163-8. 4. DVOŘÁK, Milan. Technologie I. 1. vyd. Brno: PC-DIR, 1995, s. 237. ISBN 80214-0689-5. 5. ESAB: Česká republika. A2 Multitrac with A2/A6 process controller PEK [online]. 2009 [vid. 2013-02-10]. Dostupné z: http://products.esab.com/Templates/T041.asp?id=4234 6. ESAB: Česká republika. Odporové svařování [online]. 2011 [vid. 2013-02-10]. Dostupné z: http://www.esab.cz/cz/cz/education/processes-resistance-welding.cfm 7. FRONIUS. CMT-processen – en revolution inden for termisk sammenføjning [online]. 2004 [vid. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.loewener.dk/FileExplorer/FetchFile.aspx?id=1527 8. FRONIUS: Česká republika. TIME 5000 Digital [online]. 2009 [vid. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-F59E839C-54AE2B5 C/fronius_ceska_republika/hs.xsl/29_1059.htm 9. FRONIUS: Česká republika. Cold Metal Transfer [online]. 2011 [vid. 2013-0406]. Dostupné z: http://www.fronius.com/cps/rde/xbcr/SID-3A292F02 05415445/fronius_international/CS_leaflet_CMT_112_www_44540_snapshot.pdf 10. FRONIUS. CMT Twin: Nejrychlejší způsob svařování. weld+vision. Duben 2012, 27, s. 10-11. 11. FRONIUS: Česká republika. CMT Twin: To nejlepší, co může spojení dvou technologií nabídnout [online]. 2012 [vid. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.fronius.com/cps/rde/xchg/SID-684ABEF9 83C12B36/fronius_ceska_republika/hs.xsl/29_9714.htm

51

12. KOUTNÝ, Jiří. Svařování elektrickým odporem. Svarinfo: magazín praktického svařování [online]. 21. 6. 2008 [vid. 2013-02-10]. Dostupné z: http://www.svarbazar.cz/phprs/view.php?cisloclanku=2008033102 13. KOVAŘÍK, Rudolf a František ČERNÝ. Technologie svařování. 2. vyd. Plzeň: Západočeská univerzita, 2000, s. 186. ISBN 80-7082-697-5. 14. KUBÍČEK, Jaroslav. Sylabus přednášek: Technologie II – část svařování. Brno: VUT FSI, 2006, s. 187. videoklipů 36. 15. KUBÍČEK, Jaroslav. Technologie svařování: Studijní opory pro výuku v kurzech 5TE, ETV, ETV-K. Brno: VUT FSI, 2006, s. 42. 16. KUSALA, Jaroslav. Princip laseru. Lasery kolem nás [online]. 2004 [vid. 201304-04]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/laser/k22.htm. 17. MINAŘÍK, Václav. Obloukové svařování. 2. vyd. Praha: Scientia, pedagogické nakladatelství, 2003, s. 241. ISBN 80-7183-285-5. 18. MOTLOCH, Jan. Metalurgické obloukové spojování oceli s hliníkem [online]. 2011 [vid. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/metalurgicke-obloukove-spojovani-oceli-shlinikem.html 19. NĚMEC, Milan, SUCHÁNEK, Jan a Jan ŠANOVEC. Základy technologie I. 2. vyd. Praha: České vysoké učení technické, 2011, s. 159. ISBN 978-80-01-04867-2. 20. NOVOTNÝ, Jiljí. Technologie I: (slévání, tváření, svařování a povrchové úpravy). 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1996, s. 227. ISBN 80-01-01420-7. 21. ROUBÍČEK, Martin. Laserové svařování – ekonomika a kvalita. Konstrukce: odborný časopis pro stavebnictví a strojírenství [online]. 26. 12. 2008 [vid. 2013-0404]. Dostupné z: http://www.konstrukce.cz/clanek/laserove-svarovani-ekonomika-akvalita/ 22. SCHLIXBIER, Michal. Trendy vývoje svařování plazmou. Konstrukce: odborný časopis pro stavebnictví a strojírenství [online]. 25. 12. 2008 [vid. 2013-04-04]. Dostupné z: http://www.konstrukce.cz/clanek/trendy-vyvoje-svarovani-plazmou/ 23. SCHWARZ, Drahomír. Plazmové, elektronové a laserové svařování. Svět svaru [online]. 2010 [vid. 2013-04-04]. Dostupné z: http://www.hadyna.cz/svetsvaru/technology/2010-1%20Plazma-laserelektronov%C3%A9.pdf

52

24. ŠULC, Jan. Průmyslové aplikace laserových systémů [online]. 2004 [vid. 201304-05]. Dostupné z: http://www.plslaser.cz/pdf/prumysl.pdf 25. TECHNICKÝ TÝDENÍK. Nový standard ve svařovací technice Proces CMT (Cold Metal Transfer) [online]. 2006 [vid. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.technickytydenik.cz/rubriky/archiv/novy-standard-ve-svarovaci-techniceproces-cmt-cold-metal-transfer_10667.html 26. Obloukové svařování. Wikipedie: otevřená encyklopedie [online]. 12. 10. 2010 [vid. 2013-02-06]. Dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Welding-electricarc.svg

Použité normy ČSN ISO 690. Informace a dokumentace - Pravidla pro bibliografické odkazy a citace informačních zdrojů. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2011, 40 s. Třídící znak 01 0197.

53

SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Obrázky Obr. 1 Rozdělení kyslíko-acetylenového plamene podle poměru kyslíku a acetylenu .... 11 Obr. 2 Injektorový svařovací hořák ................................................................................ 12 Obr. 3 Části elektrického oblouku a oblouk při stejnosměrném proudu ........................ 14 Obr. 4 Princip ručního svařování obalenou elektrodou ................................................. 16 Obr. 5 Schematické znázornění svařování elektrickým obloukem pod tavidlem ............ 19 Obr. 6 Svařovací automat (svařovací traktor) firmy ESAB Vamberk ............................ 20 Obr. 7 Princip svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu – MIG/MAG ........... 22 Obr. 8 Moderní zdroj pro svařování MIG/MAG ............................................................ 23 Obr. 9 Princip svařování netavící se elektrodou v inertním plynu – metoda WIG......... 25 Obr. 10 Princip svařování elektrickým odporem............................................................ 28 Obr. 11 Hlavní druhy odporového svařování ................................................................. 29 Obr. 12 Jednotlivé fáze vzniku svaru .............................................................................. 31 Obr. 13 Stadia vytváření difuzního spoje........................................................................ 33 Obr. 14 Princip výbuchového svařování a ukázka vlnitého rozhraní dvou kovů ........... 36 Obr. 15 Princip plazmového hořáku a způsob zapojení ................................................. 38 Obr. 16 Schéma zařízení a princip svařování svazkem elektronů .................................. 40 Obr. 17 Elektronové svařovací zařízení (zdroj elektronů nad vakuovou komorou) ....... 41 Obr. 18 Základní princip rubínového laseru .................................................................. 42 Obr. 19 Princip laserového svařování ............................................................................ 44 Obr. 20 Pohyb drátu při CMT procesu........................................................................... 45 Obr. 21 Svařovací systém CMT vybavený pro automatizované aplikace ....................... 46 Obr. 22 Ukázka spoje hliníku s ocelí při CMT ............................................................... 47 Obr. 23 Nejnovější systém svařování CMT Twin ........................................................... 48 Obr. 24 Celkový přehled metod svařování kovů ............................................................. 49

Tabulky Tab. 1 Rozdělení ochranných plynů podle složení .......................................................... 24 Tab. 2 Volba druhu svařovacího proudu v závislosti na druhu materiálu ..................... 26 Tab. 3 Základní parametry třecího svařování ................................................................ 31 Tab. 4 Přibližné průměrné teploty plazmy pro používaná prostředí .............................. 37

54

SEZNAM ZKRATEK ČSN

Česká státní norma

R

označení pro elektrody s rutilovým obalem při ručním obloukovém svařování obalenou elektrodou

A

označení pro elektrody s kyselým obalem

B

označení pro elektrody s bazickým obalem

C

označení pro elektrody s celulosovým obalem

MMA

Manual Metal Arc – ruční obloukové svařování obalenou elektrodou

MIG

Metal Inert Gas – obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném inertním plynu

MAG

Metal Active Gas – obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném aktivním plynu

WIG (TIG)

Wolfram Inert Gas (Tungsten Inert Gas) – obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranném inertním plynu

KEY HOLE

svařování klíčovou dírkou neboli svařování průchozím paprskem

LASER

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesílení světla stimulovanou emisí záření

CMT

Cold Metal Transfer – přenos studeného kovu, proces spojování krátkým zkratovým obloukem

CMT Twin

Cold Metal Transfer Twin – modifikace CMT procesu s dvojitou tavící se elektrodou

LaserHybrid

kombinace MIG/MAG a laserového svařování

55