Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Metody svařování těžko svařitelných kovů Diplomová práce
Brno 2008
Vedoucí diplomové práce:
doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.
Vypracoval:
Bc. Jan Šebek
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Metody svařování těžko svařitelných kovů“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům.
V Brně, dne Podpis diplomanta
Poděkování
Děkuji doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za ochotné vedení a cenné rady, které mi poskytl při zpracování této práce, Dále chci poděkovat panu Ing. Petru Šabackému za pomoc a cenné rady při experimentální části práce.
Anotace
Předložená diplomová práce se zabývá metodami a možnostmi svařování se zaměřením na metody svařování těžko svařitelných kovů. Jsou zde stručně uvedeny různá druhy svařování, od klasického svařování el. obloukem, přes metody svařování v ochranných atmosférách, plazmové svařování, odporové svařování, svařování laserem, až po svařování třením a svařovaní elektronovým svazkem. Jsou zde rozepsány některé důležité parametry pro různé druhy svařování. V experimentální části diplomové práce jsou testovány zkušební vzorky, což jsou svarky hřídele a turbínového kola které jsou svařeny metodou svařování třením a metodou svařování elektronovým paprskem. Na těchto vzorcích byla udělána metalografie a zkoušky mikrotvrdosti. Klíčová slova: Svařování, Těžko svařitelné kovy, Metalografie, Metody
Annotation
This reffered thesis be concered with methods and possibilities of wedling with externalization of methods of welding hard-welded metals. There are shortly introduced the other kinds of welding. In my thesis is included clasic welding by electric bend, methods of welding in protective atmosphere, plasmig welding, welding by resistance, welding by laser, welding by chafing and welding by electronic bend. There is writen some interesting parametres for different kinds of welding. In Experimental part of the thesis there is test samples, which is weldment of shaft and turbine cycle, which is welded by method of welding by chaffing ant the method od welding by electron flash. I made metalografie on these samples and i made the try of microhardness.
Obsah Obsah .................................................................................................................... 6 1.
ÚVOD........................................................................................................... 8
2.
CÍL PRÁCE .................................................................................................. 9
3.
DEFINICE SVAŘOVÁNÍ............................................................................ 9 3.1
Vznik svarového spoje........................................................................ 10
3.2 Označení svařovacích metod..................................................................... 10 4.
SVAŘOVÁNÍ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM........................................ 12 4.1
Definice............................................................................................... 12
4.2
Tepelná energie elektrického oblouku ................................................ 13
4.3.1
Svařování obalenou elektrodou ...................................................... 14
4.3.2
Svařování v ochranné atmosféře .................................................... 15
4.3.3
Svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu ................... 15
5.1
Princip svařování el. odporem ............................................................ 16
5.2
Parametry svařování ........................................................................... 17
5.3
Bodové svařování ............................................................................... 18
6.
LASEROVÉ SVAŘOVÁNÍ ....................................................................... 19 6.1
Vývoj .................................................................................................. 20
6.2
Princip plynového laseru .................................................................... 21
6.3
Vytváření svarových spojů ................................................................. 22
6.4
Reakce laserového svazku s materiálem............................................. 23
7.
SVAŘOVÁNÍ PLAZMOU......................................................................... 25 7.1
Svařitelnost materiálů plazmovým svařováním.................................. 26
7.2
Úprava svarových ploch ..................................................................... 26
7.3
Mikroplazmové svařování .................................................................. 26
7.4
Výhody plazmového svařování .......................................................... 27
8.
SVAŘOVÁNÍ SVAZKEM ELEKTRONŮ................................................ 27 8.1
Princip................................................................................................. 27
8.2
Svařitelnost materiálů elektronovým svazkem .................................. 28
9.
SVAŘOVÁNÍ TŘENÍM............................................................................. 30 9.1
Svařitelnost materiálů při svařování třením........................................ 31
10.
DIFUZNÍ SVAŘOVÁNÍ........................................................................ 32
11.
SVAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKEM ......................................................... 33
11.1
Svařitelnost materiálů ultrazvukem .................................................... 33
11.2
Použití svařování ultrazvukem............................................................ 34
12.
MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ ........................................... 35
13.
VÝSLEDKY........................................................................................... 36
13.1
POROVNÁNÍ MIKROTVRDOSTI SVARŮ .................................... 36 VYHODNOCENÍ
13.2
KVALITY
SVARŮ
TŘENÍM
POMOCÍ METALOGRAFIE ..................................................................................... 40 13.2.1
Makrostruktura svaru třením ........................................................ 40
13.2.2
Mikrostruktura svaru třením......................................................... 41
13.3.
VYHODNOCENÍ
KVALITY
SVARŮ
ELEKTRONOVÝM
SVAZKEM POMOCÍ METALOGRAFIE............................................................... 49 13.3.1 Makrostruktura svaru elektronovým svazkem ................................. 50 13.3.2
Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem.............................. 51
14.
ZÁVĚR ................................................................................................... 53
15.
SEZNAM OBRÁZKŮ............................................................................ 55
16.
POUŽITÁ LITERATURA ..................................................................... 56
1.
ÚVOD
Svařování má mezi strojírenskými technologiemi zvláštní postavení, neboť řadu konstrukcí není možno bez svařování buď vůbec realizovat. Svařování dále významně přispívá k realizaci úspor materiálu a energie, ke snižování hmotnosti výrobků, zlepšení jejich užitných vlastností a zvyšování produktivity práce. Odhaduje se, že představuje-li pracnost svařování asi 4% celkové pracnosti výroby, podílí se na zvýšení produktivity 20%. Musíme si nejprve říct co jsou to těžko svařitelné materiály. Pod tímto pojmem si můžeme představit velké množství materiálů od vysoce legovaných ocelí, přes různé inconely až po svařovaní například kovů s keramikou nebo sklem. Pro současné období vědecko-technického pokroku je charakteristické intenzivní studium všech jevů provázejících svařování a aplikace těchto teoretických poznatků, jak při vývoji nových technologických zařízení, tak při návrhu optimálních technologických postupů. Většina nových konstrukčních materiálů širokého použití se proto vyvíjí se zřetelem na svařitelnost a souběžně také s ohledem na korozní vlastnosti materiálů
a dalších možných vlivů ovlivňujících jejich následnou kvalitu po
svaření . Některé metody svařování byly vyvinuty pro velmi konkrétní aplikace, zatímco jiné jsou flexibilní a pokrývají široký sortiment svářečských prací. Ačkoliv se svařování užívá zásadně pro spojování stejnorodých nebo nestejnorodých kovových částí, užívá se stále více k opravám a renovacím opotřebovaných nebo poškozených součástek. Roste také počet aplikací pro "navařování" nových součástek, jejichž výsledkem je povrch odolný proti korozi, otěru, nárazu a opotřebení. V těchto případech se pomocí svařování ukládá vrstva vhodného materiálu na levnější nebo houževnatější základní kov. Dostáváme tak díly a komponenty, které mají vlastnosti na výrazně vyšší úrovni co se týká požadovaných parametrů.
8
2.
CÍL PRÁCE
1.
Stručný přehled svařovacích metod se zaměřením na metody svařování těžko svařitelných kovů.
2.
Ověření vybraných metod a zhodnocení metalografických výsledků svarů.
3.
DEFINICE SVAŘOVÁNÍ
Svařováním vznikají nerozebíratelná spojení pomocí soustředěného tepla a tlaku. Spojení nastane působením meziatomových sil, vazeb na teplem nebo tlakem aktivovaných plochách. Spojované materiály označujeme jako základní materiál. Pevné látky mohou mít různý typ vazby, která odpovídá různým typům rozložení elektronů a iontů.
Obrázek 1:Uspořádání iontů v kryst. mřížce kovové vazby a rozdělení potenciální energie
9
3.1
Vznik svarového spoje
V současnosti neexistuje metoda mechanického opracování povrchů kovových materiálů, která by mohla zajistit takovou přesnost umožňující při vzájemném styku dvou opracovaných povrchů přiblížení všech míst povrchů na meziatomovou vzdálenost tj. cca 5.10-8 mm. Nejvyšší přesností opracování lze docílit rovinnosti povrchu v rozmezí 10-5 až
10-4 mm.
Aby se na povrchu dvou částí monokrystalů nebo polykrystalů mohly uskutečnit vzájemné vazby na celém povrchu je nutno použít dostatečně vysoký tlak ke stlačení výstupků a uskutečnit tak lokální plastickou deformaci. Ke vzniku svarového spoje však bez dodání potřebné energie samovolně nemůže dojít a je zapotřebí dodat aktivační energii nutnou pro překonání bariéry potenciální energie soustavy atomů povrchových vrstev.
3.2 Označení svařovacích metod Obecně uznávané zkratky svařovacích metod:
MMA
- Manual Metal Arc Welding, SMAW - Shielded Metal Arc Weldin (je nejstarší a nejuniverzálnější metoda z obloukového svařování – ruční svařování obalenou elektrodou).
GMAW
- Gas Metal Arc Welding (svařování v ochranné atmosféře plynu)
FCAW
- Flux Cored Arc Welding (svařování plněnou trubičkovou elektrodou)
MOG
- Metal One Gas (svařování trubičkovou elektrodou bez ochranného plynu) 10
GTAW
- Gas Tunsten Arc Welding (svařování wolframovou elektrodou)
TIG
-
Tungsten
Inert
Gas
Welding
(svařování
wolframovou
elektrodou)
WIG
- Wolfram Inert Gas (svařování v ochraně inertního plynu netavící se wolframovou elektrodou).
MAG
- Metal Aktiv Gas (svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu tavící se elektrodou), např. CO2
MIG
- Metal Inert Gas (svařování v ochranné atmosféře inertního plynu tavící se elektrodou), např. argon
SAW
- Submarged Arc Welding (svařování pod tavidlem)
ESW
- Electro-slag Welding (elektrostruskové svařování)
FSW
- Friction Stir Welding (svařování třením)
PAW
- Plasma Aktiv Welding (svařování plasmou)
EBW
- Electron Beam Welding (svařování elektronovým paprskem)
LBW
- Laser Beam Welding (svařování laserovým paprskem)
11
4.
SVAŘOVÁNÍ ELEKTRICKÝM OBLOUKEM
Metoda svařování obloukem, poprvé zavedená koncem 19. století, zůstává nejvýznamnější a nejvíce používanou technikou. Zdrojem tepla je elektrický oblouk vytvořený nejčastěji mezi svařovaným dílem a elektrodou nebo svařovacím drátem. Elektrická energie přeměněná na teplo vytváří oblouk o teplotě až
6 000°C ve středu
oblouku. Na anodě je teplota cca 3 600 °C a na katodě cca 3 200°C. Takto vytvořené teplo roztaví základní a přídavný materiál a dojde k pevnému metalografickému spoji. Uvedená data zdánlivě patří do oblasti teorie sloupce elektrického oblouku, ale v praxi tyto hodnoty využíváme, aniž bychom si to uvědomovali. Zapojení elektrody na + pól, nepřímá polarita ( např.basický obal), poskytuje hustě tekoucí svarový kov. Zapojení na – pól, přímá polarita (např. kyselý obal) poskytuje řídce tekoucí svarový kov. Tyto možnosti a vlastnosti elektrického oblouku se úspěšně aplikují jak při svařování, tak také při navařování. Proto je třeba u obalených elektrod a trubičkových drátů dodržovat polaritu, kterou uvádí v materiálovém listu výrobce. Zařízení pro svařování se mohou lišit co do velikosti a komplexnosti, ale hlavní rozdíl spočívá ve zvolené technologii svařování. Do obloukového svařování patří od ručního svařování obalenou elektrodou, svařování pod tavidlem, přes svařování v ochranných atmosférách, kam patří metody MIG, MAG, TIG, plasma ( PAW ) až po svařování, resp. navařování MOG.
4.1
Definice
Elektrický oblouk je výboj v plynech. Fyzikální a metalurgické děje probíhají za vysokých teplot, velmi rychle a jsou ovlivňovány: •
chemickým složením plazmatu, okolní atmosféry a elektrod
•
tepelnou vodivostí plazmatu, elektrod a základního materiálu
•
geometrickým uspořádáním systému katoda-anoda
12
Charakteristické znaky el.oblouku jsou: •
malý anodový úbytek napětí
•
malý potenciální rozdíl na elektrodách
•
proud řádově jednotky až tisíce ampér
•
velká proudová hustota katodové skvrny
•
intenzivní vyzařování světelného záření z elektrod i sloupce oblouku
•
intenzivní vyzařování UV záření
4.2
Tepelná energie elektrického oblouku
Celková tepelná energie Qc:
Qc = Qi + Qp + Qr + Qm [ J ]
(4.1)
kde: Qi – je energie přímého vybavení tepla na katodě nebo anodě dopadem částic. Množství tepla předaného anodě a katodě není totožné s teplem vybaveným v jejich okolí, především z důvodu ochlazování katody termoemisí elektronů a ohřev anody jejich dopadem [J], Qp – energie přenášená tokem plazmatu je důležitá pro tepelné i mechanické účinky oblouku. U MIG/MAG svařování se v proudu plazmatu projeví velkou měrou také páry kovu tryskající z přehřátého konce elektrody [J], Qr – energie radiačního záření je závislá na polaritě, ploše elektrody a svarové lázně [J], Qm – část tepla, která je přenášena do svarového kovu entalpií kapek přehřátého kovu a kinetickou energií kapek [J]. Celková tepelná účinnost ηt:
ηt =
energie vnesená do s var ového spoje celková energie oblouku
(Šoch 2006)
13
4.3
Způsoby svařování
4.3.1 Svařování obalenou elektrodou
Elektrický oblouk vzniká mezi koncem obalené kovové elektrody a svařencem. Roztavené kapky kovu z elektrody se přenášejí obloukem do svarové lázně a jsou chráněny plyny vznikajícími z rozkladu obalu, který je tvořen danými struskotvornými látkami. Roztavená struska se dostává na povrch svarové lázně, kde během tuhnutí chrání svarový kov před přístupem atmosféry a zároveň formuje výsledný svár. Od klasických konstrukčních materiálů až po vysokolegované materiály, neželezné a barevné kovové slitiny. Kromě klasického provedení elektrody jsou k dispozici návarové elektrody jako jsou trubičkové elektrody s vloženými karbidy nebo zrny wolfram karbidu. Nejrozšířenější jsou elektrody s obalem bázickým, rutilovým, kyselým nebo v kombinaci uvedených struskotvorných látek. Používají se i speciální obaly, jako např. celulózový pro svařování shora dolů (spádové elektrody ), grafit-bazický obal pro svařování všech druhů litin, nebo obal na bázi halových solí pro svařování hliníkových slitin, kde je v obalu indikátor vlhkosti (např. suchá elektroda má obal modrý a při nabrání vzdušné vlhkosti obal zezelená a elektrodu je nutno přesušit). Toto je obecně platné pro všechny obalené elektrody, tedy hlídat přesušení elektrod před svařováním, aby jsme se vyvarovali vyššímu obsahu difůzního vodíku ve svarovém spoji. Proto se také objevují elektrody ve vakuovém balení, které garantují suchý obal elektrody. Další „využití“ obalu je pro dosazení kovových prášků, které zvyšují výtěžnost elektrod (poměr elektroda-svarový kov), nebo legují svarový kov, případně eliminují propal legujících prvků. Tato metoda se nejčastěji používá při běžném svařování všech druhů svařitelných ocelí i neželezných kovů a pro navařování. I když je to metoda relativně pomalá z důvodu výměny elektrod a odstraňování strusky, zůstává jednou z nejflexibilnějších a její výhody vynikají v obtížně přístupných oblastech.(Šoch 2006)
14
4.3.2 Svařování v ochranné atmosféře
Při svařování v ochranné atmosféře plynu vzniká oblouk mezi kontinuálně podávaným svařovacím drátem a svařencem. Oblouk a svarová lázeň jsou chráněny proudem inertního nebo aktivního plynu Svařování MIG/MAG je produktivnější než MMA, kde se produktivita ztrácí pokaždé, když svářeč zastaví, aby vyměnil spotřebovanou elektrodu. Při MMA vznikají také materiální ztráty při vyhazování nedopalků. Z každého kilogramu prodané obalené elektrody se asi jen 65 % stane součástí svaru a zbytek se vyhodí (struska a technologický nedopalek elektrody ). Metody MIG a MAG jsou nejvíce používané technologie obloukového svařování, mimo jiné na úkor svařování obalenou elektrodou. Metoda MAG využívá aktivního plynu ( CO2, O2 ) a to i v tzv. argon-mixových směsích. Snižuje povrchové napětí lázně a umožňuje lepší zabíravost lázně. Zároveň ale oxiduje nebo nauhličuje svarovou lázeň. Pro některé kovové slitiny je tato ochranná atmosféra nepřípustná a používá se metoda MIG, kde je plyn inertní a kryje svarovou lázeň, ale neúčastní se chemicky na probíhajícím procesu. Jako plyny se používá Argon, Hélium, nebo kombinace těchto plynů. Svařování MIG/MAG je univerzální metoda, kterou je možno ukládat svarový kov ve větším množství a ve všech svařovacích polohách. Používá se pro svařování tenkých materiálů i pro těžké ocelové konstrukce a tlakové nádoby. Od klasických konstrukčních materiálů až po vysokolegované materiály, neželezné a barevné kovové slitiny. Tedy tam, kde se vyžaduje vysoký podíl ruční práce svářeče.
4.3.3 Svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu
Je to metoda, při které oblouk hoří mezi základním materiálem a wolframovou elektrodou v ochraně inertního plynu, přídavný materiál je do oblouku dodáván samostatně. Svařování TIG zajišťuje výjimečně čisté a vysoce kvalitní svary. Nevzniká žádná struska, je minimální riziko vměstků ve svarovém kovu a hotové svary nevyžadují žádné čištění. Metodu TIG lze použít téměř pro všechny kovy a hodí se jak pro ruční, tak pro automatizované svařování. 15
Svařování metodou TIG lze rozdělit podle typu svařovacího proudu na DC – stejnosměrný proud, který má využití pro většinu kovů a slitin. Druhým typem je AC – střídavý proud pro svařování hliníkových slitin, ale také např. pro hliníkovou bronz (CuAl 8 apod.). Využívá se zde vlastností kladné a záporné vlny na elektrickém oblouku. Většinou se na zdrojích dají měnit hodnoty frekvence a poměr obou vln.(Šoch 2006) Nejvíce se užívá na svařování hliníku a nerezových ocelí, kde je nejdůležitější celistvost svaru. Této metody se široce používá k vysoce kvalitním spojům v atomovém, leteckém, chemickém a potravinářském průmyslu.
5.
ODPOROVÉ SVAŘOVÁNÍ
Průtokem elektrického proudu svařovaným místem se materiál svařovaných součástí ohřeje odporovým teplem,stane tvárným, nebo se roztaví, načež se materiály stlačí a tím se spojí. Zdrojem tepla je elektrický odpor v místě styku svařovaných materiálů (přechodový odpor).
5.1
Princip svařování el. odporem
Množství vznikajícího odporového tepla lze stanovit podle Joule- Lenzova zákona: Q = 0,24.R.I2.t
(5.1)
kde - Q je množství tepla v J R – elektrický odpor (ΣR) v Ω(skládá se z několika složek odporu) I - proud v A t - doba průchodu proudu v sec.
16
5.2
Parametry svařování
Velký význam při všech způsobech odporového svařování mají parametry svařování. Při bodovém odporovém svařování jsou to např. - svařovací proud IS = 103 až 105 A
- přítlačná síla PS = 500 až 10 000 N
- svařovací čas tS = 0,04 až 2s
Při jiných metodách odporového svařování to mohou být jiné parametry svařování, např, při švovém odporovém svařování to může být rychlost svařování, příp. modulace(přerušování) svařovacího proudu. Stejné množství tepla dodaného do svaru můžeme dosáhnout vysokým proudem a krátkým časem nebo nižším svařovacím proudem dodaným v delším čase. Prvá kombinace parametrů svařování se nazývá tvrdým režimem a vyžaduje současně i vyšší přítlačnou sílu.Druhá kombinace se pak nazývá režimem měkkým a pracuje se s nižší přítlačnou silou. Výhody měkkého režimu:
a) nevyžaduje stroje velkého příkonu, b) umožňuje používat menší průřezy elektrických vodičů, c) je méně citlivý na odchylky odporové svařitelnosti svařovaných materiálů. Nevýhody měkkého režimu:
a) vyžaduje delší strojové časy (nižší produktivita), b) vznikají větší deformace a napětí ve svarových spojích, c) je doprovázen hrubozrnnou (méně pevnou) strukturou, d) vyžaduje častější úpravu svařovacích elektrod.
17
Výhody tvrdého režimu: a) vyžaduje krátké strojní časy, b) krátkodobé působení svařovací teploty(rychlé chladnutí svaru) vede k jemnozrnné struktuře svarového kovu, c) dává minimální napětí a deformace, d) snižuje spotřebu elektrické energie a elektrod
Nevýhody tvrdého režimu: a) vyžaduje stroje velkých příkonů a silnějších konstrukcí(např.závěsné odporové stroje musí mít vyvažovače), b) vyžaduje dobrou energetickou situaci v podniku.
Obrázek 2:Druhy odporového svařování(Kubíček 2002)
5.3
a) bodové odporové svařování;
b) švové odporové svařování;
c) výstupkové odporové svařování;
d ) stykové odporové svařování
Bodové svařování
Při bodovém svařování se materiál vkládá přeplátovaně mezi elektrody, k bodovému svaru dojde po dosednutí a zapnutí elektrod. Svařovací špičky - elektrody jsou napájeny proudem ze sekundárního vinutí svařovacího transformátoru, jehož primární vinutí je připojeno na sít'. Jedna z elektrod je pevná a druhá, zpravidla horní, se pohybuje a umožňuje správný stisk jak spojovaných materiálů mezi sebou, tak i obou elektrod na svařované plechy. Principem bodového svařování je mít co nejmenší stykové plochy, elektrodové špičky jsou chlazeny vodou, čímž je teplota udržována v přijatelných mezích. 18
Nesprávné rozdělení tepla při vzniku vyššího odporu na nevhodném místě a při špatném chlazení vzniká nedokonalý svar a mohou vznikat vtisky a deformace v okolí svaru. Kvalitu svaru ovlivňují hlavně čistota materiálu, tlak a svařovací proud.Zdrojem tepla pro vytvoření svaru je odpor styku mezi svařovanými plochami.
Svařovací cyklus je buď jednoduchý nebo programový. Při jednoduchém elektrody stisknou plným tlakem materiál a poté je zapnut proud, který protéká místem svaru a zahřeje materiál na teplotu potřebnou k vytvoření svaru. Poté je proud vypnut a elektrody ještě vyvíjejí tlak na materiál. Tím je svár vlastně vykován. Tento způsob se používá pro svařování menších tlouštěk.(Kubíček 2002) Pro svařování ocelových plechů větších tlouštěk a legovaných ocelí menších tlouštěk se musí použít programový cyklus. Po dosednutí elektrod a dosažení plného tlaku je zapnut proud, nižší než svařovací. Při tomto proudu se materiály nahřejí na tvárnou teplotu a působením tlaku dokonale dosednou. Poté je proud zvýšen na svařovací a tlak naopak zmenšíme aby se zvětšil přechodový odpor a tím se urychlil proces svařování. Po vzniku svaru se tlak opět zvedne na plnou hodnotu a proud poklesne. Tím se svar žíhá. Po vypnutí proudu je stále ponechán plný tlak aby se svar vykoval a poté také klesne a proces je ukončen.
6.
LASEROVÉ SVAŘOVÁNÍ LASER=Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – zesílení
světla stimulovanou emisí záření. Laserové
svařování
se
vyznačuje
vysokými
svařovacími
rychlostmi,
minimálními deformacemi spojovaných dílů a velmi úzkou tepelně ovlivněnou oblastí. Umožňuje řešit řadu svařovacích operací s možností automatizace a robotizace. Jednou z mála nevýhod jsou zatím vysoké investiční náklady spojené s instalací laserového systému, které tuto technologii předurčují pro sériovou výrobu. Hlavní oblasti využití jsou automobilový průmysl, výroba svařovaných profilů, tepelných výměníků, ozubených kol a hřídelí.
19
6.1
Vývoj
První využití laserového svařování v průmyslovém kontextu se datuje do počátku 80. let 20. století. Od té doby se zdroje značně vyvinuly. Pevnolátkové pulzní Nd:YAG lasery dosahující výkonu několika stovek wattů byly postupně nahrazeny kontinuálními zdroji o maximálních výkonech v řádu 5 kW. Dalším stupněm jsou YAG lasery využívající pro čerpání rezonátoru polovodičové diody místo výbojek. Toto řešení umožňuje zvýšení energetické účinnosti zdrojů a kvality svazků a v důsledku i dosažení efektivnějších provozních podmínek. S ohledem na to, že energetický svazek o vlnové délce 1,064 µm, produkovaný YAG lasery, lze transportovat optickými vlákny (přínos pro robotizaci), stejně jako ve srovnání s jinými vlnovými délkami dobrá schopnost absorpce kovovými materiály (hliník, měď…), získává tento typ postupně na oblibě.(Rubíček 2006) Pulzní YAG lasery s malým výkonem jsou používány pro vytváření svarů malých rozměrů a pro spojování dílů s extrémní přesností (mikrosvařování). YAG lasery s vysokým výkonem vystupují jako konkurent pro ostatní svářecí postupy s potřebou vysokých rychlostí svařování, hlubokých závarů, malých deformací a podobně. Dalším typem svařovacích průmyslových laserů, využívaným dnes takřka masově také pro tepelné dělení materiálů, jsou CO2 lasery. Ty, pracující na vlnové délce 10,6 µm, obecně zahrnují relativně široké rozmezí výkonů – řádově do 45 kW. Běžné průmyslové výkony CO2 se pohybují od 6 do 8 kW, v některých případech 12 kW. Existují tři základní, v praxi používané konstrukční typy: •
s příčným prouděním aktivního prostředí (TEA)
•
SLAB lasery s deskovým aktivním prostředím
•
s rychlým axiálním prouděním aktivního prostředí
Aktivní prostředí je ve všech těchto případech tvořeno třemi základními komponenty: oxidem uhličitým, dusíkem a heliem a případně dalšími složkami. Nejčastější poměr plynů je
82(He):13,5(N2):4,5(CO2). Vzhledem k plynné formě
aktivního prostředí a možnosti jeho kontinuální obměny při činnosti laseru lze i při velmi nízké účinnosti CO2 laserů (10-20 %) dosáhnout velkých výkonů snáze než u pevnolátkového aktivního prostředí. Svazek nelze vzhledem k vlnové délce
20
transportovat optickým vláknem, využívá se odrazných zrcadel. Další vývoj v oblasti laserových zdrojů směřuje k polovodičovým laserům, které vykazují vyšší účinnost, vhodné vlnové délky, ale velmi špatnou kvalitu svazku, která neumožňuje dosahovat vysokých hustot energie. To polovodičové lasery předurčuje k zpracovávání materiálů s nízkou teplotou tavení (plasty) a tam, kde není nutný hluboký průvar, ale naopak široká stopa dopadu (navařování). Novou kapitolu dnes začínají psát vláknové lasery, které dosahují velkých hustot energie a vhodné vlnové délky, na své průmyslové rozšíření však ještě čekají. Samostatnou skupinu technologických operací pak tvoří tzv. hybridní procesy, které spojují přednosti laserového svařování s metodami MIG, TIG nebo plazmovým svařováním.
Obrázek 3:Princip laserového svařování(Roubíček 2006)
Druhy pevnolátkových laserů používaných na svařování.
vlnová
Název
Aktivní prostředí
rubín
Cr3+
Al2O3
0,694
Nd3+
sklo
1,060
Nd3+
Y3Al5O12
1,065
Neodýmové sklo Nd:YAG
6.2
délka
Princip plynového laseru
Celý proces zesílení začíná excitací molekuly dusíku na vibrační hladinu E4. Při srážkách molekul dusíku s molekulami oxidu uhličitého dochází k rezonančnímu 21
přenosu energie a excitaci CO2 na hladinu E3. Vyzáření fotonu je realizováno při přechodu molekuly CO2 z hladiny E3 na hladinu E2 . Aby nedošlo při kontinuálním vyzařování ke snížení inverze, je nutné zajisti návrat molekul CO2 z hladiny E2 na základní hladinu E0. U výkonových plynových laserů se pro návrat molekuly CO2 do základního stavu používá helium které odnímá oxidu uhličitému excitační energii a díky vysoké tepelné vodivosti ochlazuje aktivní prostředí laseru
Obrázek 4:Princip plynového laseru(Kubíček 2002)
6.3
Vytváření svarových spojů
Spoj lze vytvořit dvěma způsoby: a) Pulzním svařováním s nízkou opakovací frekvencí, přičemž mezi jednotlivými pulzy ztuhne(úplně nebo částečně) svarová lázeň. Svarovou housenku pak tvoří mnoho za sebou jdoucích a vzájemně se překrývajících bodů. Tak se vytváří svarové spoje zejména na menších tloušťkách materiálu, v malosériové a kusové výrobě, při spojování obtížně svařitelných materiálů a tam, kde nelze kvůli konstrukčnímu uspořádání svařovaných dílů efektivně použít jinou metodu.
b) Druhá možnost je založena na využití vysoké hustoty výkonu v dopadové ploše pro vznik tzv. klíčové dírky (key hole). Jde o kapiláru naplněnou ionizovanými kovovými výpary o vysoké teplotě (obr. 3). Stěny kapiláry tvoří roztavený kov. Kapilára hraje důležitou úlohu, neboť umožňuje přenášet energii přímo dovnitř 22
materiálu podél svarových ploch. Jamka je přesouvána mezi díly určenými ke spojení rychlostí svařování. Při posuvu svazku ve směru svařování dochází vlivem povrchového napětí roztaveného kovu k opětnému spojení svarového kovu za „klíčovou dírkou“. Tento efekt umožňuje svařování tupých svarů různých tlouštěk bez úpravy svarových ploch, bez přídavného materiálu a na jeden průchod – a to s plným, nebo částečným průvarem.
Obrázek 5:Vznik klíčové dírky(Roubíček 2006)
Ekonomický přínos této metody je zřejmý. Snadná kontrola průvaru společně s úzkou tepelně ovlivněnou oblastí zajišťují vysokou kvalitu svarového spoje. Tento způsob svařování umožňuje automatizace svařovacího procesu. Tavná lázeň je v obou případech chráněna před nepříznivými účinky okolí ochrannou atmosférou.
6.4
Reakce laserového svazku s materiálem
Po dopadu energetického laserového svazku na materiál se část energie odrazí a část materiál absorbuje. Absorbovaná energie způsobí jeho intenzivní zahřívání, přičemž koeficient absorpce s rostoucí teplotou narůstá. Skokových nárůstů pak dosáhne při překročení teplot tavení a odpařování (varu). Jak ukazuje obr. 5, laserový svazek postupně proniká do materiálu, který je taven a odpařován za vzniku kapiláry – klíčové dírky. Vytvoření kapiláry doprovází ionizace kovových výparů – vznik plazmatu. Plazma je ionizovaným skupenstvím hmoty, elektricky neutrálním, dosahujícím vysokých teplot. Tento typ plazmatu, který je při laserovém svařování vždy přítomen,
pohlcuje
pouze
malé
množství
23
energie
laserového
svazku
a
nevyvolává
tak
znatelné
změny
šířky
a
hloubky
závaru.
Laserový svazek, zaostřený optickým systémem, dopadá na materiál, přičemž poloha ohniska může být nad povrchem svařovaného dílu, na jeho povrchu nebo pod povrchem materiálu. Čím menší je průměr dopadajícího svazku (nejmenší je v ohnisku) a čím větší je jeho výkon, tím vyšší hustoty energie dosáhneme. Při určité hodnotě hustoty energie dochází k ionizaci ochranné atmosféry nad povrchem materiálu a vzniku plazmatu ochranného plynu (obr. 6). Tato plazma pohlcuje podstatnou část energie laserového svazku v závislosti na hustotě energie, typu ochranného plynu a jeho množství (průtoku). Energie, potřebná na vznik plazmatu a spotřebovaná absorpcí plazmatem, se pak nedostane do materiálu a chybí při tvorbě klíčové dírky. V takovém případě je závar širší na povrchu, ale mnohem méně proniklý do hloubky materiálu. Jeli tedy cílem získat maximální hloubku závaru při dané svařovací rychlosti, je přítomnost plazmatu ochranného plynu negativní. V některých (výjimečných) případech však není hlavním kritériem hloubka závaru (vytvrzování povrchu, navařování, velké tolerance vzájemné polohy spojovaných dílů…). Tehdy lze proces doprovázet řízením množství vzniklého plazmatu ochranného plynu. Problematika tvorby plazmatu je tedy jedním ze základních faktorů, které se na laserovém svařování podílejí.
Obrázek 6:Tvorba plazmatu(Roubíček 2006)
Aby plyn mohl být uveden do plazmatického stavu, je jeho nejdůležitější vlastností ionizační potenciál (energie potřebná ke vzniku iontu daného prvku). Čím vyšší je hodnota ionizačního potenciálu, tím méně plazmatu vzniká. Nízké hodnoty ionizačního potenciálu znamenají snadný vznik plazmatického stavu a velké množství plazmatu.
24
Nejméně
plazmatu
vzniká
při
použití
ochranné
atmosféry
helia.
V průmyslové praxi se také potvrzuje, že helium nejúčinněji brání vytváření negativního plazmatu – proto lze dosáhnout nejhlubších průvarů při dané rychlosti svařování nebo naopak nejvyšších svařovacích rychlostí při současném splnění požadované hloubky průvaru. Využití helia je tedy nejčastější. Jeho nevýhodou však je vysoká cena a relativně malá specifická hmotnost. Nízká hustota ochranného plynu vyžaduje po
mnohem
opuštění
větší
průtoková
přívodní
množství,
trysky
intenzivně
neboť
helium
stoupá
ihned vzhůru.
Vhodným kompromisem je použití ochranných směsných plynů na bázi He/N2 nebo He/Ar. Směsné plyny využívají nízké schopnosti ionizace helia, což kombinují s nižšími náklady na argon nebo dusík – s tím, že lze zároveň snížit průtokové množství ochranné atmosféry. Pro každý případ svařování (materiál, výkon a hustota energie…) lze nalézt optimální složení směsi. Pro danou hustotu výkonu vždy existuje hranice minimálního množství helia ve směsi, kdy ještě nedochází k intenzivní tvorbě plazmatu ochranného plynu, ale přidání argonu nebo dusíku ještě podstatně zlepší výslednou ekonomickou bilanci.(Roubíček 2006)
7.
SVAŘOVÁNÍ PLAZMOU Princip svařování plazmou je založen na ionizaci plynu při průchodu
elektrickým obloukem. U dvouatomových plynů ( dusík, vodík a kyslík ) musí nejprve proběhnout disociace plynu, při které dochází k rozložení molekul plynu na atomy. Stupeň následné ionizace je závislý na teplotě a ta dosahuje u svařování plazmou až 16 000 °C. Disociace a ionizace dusíku: N2 + Edis. → 2 N +
(7.1) -
N + Eion → N + e
(7.2)
Kde Edis je potřebná energie na disociaci a Eion je ionizační energie
25
7.1
Svařitelnost materiálů plazmovým svařováním
Svařitelnost materiálů i parametry svařování jsou u plazmového svařování podobná jako u metody WIG. Plazmové svařování však dosahuje vysokých svařovacích rychlostí, výhodnější poměr šířky k hloubce (1:1,5 až 1 : 2,5) a spolehlivé provaření kořene. Svařují se všechny druhy ocelí, měď, hliník, titan, nikl, molybden a jejich slitiny. Parametry svařování vysokolegovaných ocelí se pro tloušťky 2 až 10 mm pohybují v těchto rozmezích: napětí mezi 28 až 40 V a svařovací proud mezi 110 až 300 A. Podobné parametry se používají i pro svařování niklu a jeho slitin a pro svařování titanu jsou přibližně o 15 až 20 % nižší. Svařovací rychlosti jsou ve srovnání s metodou -1
WIG podstatně vyšší a pro uvedené parametry se pohybují mezi 85 až 20 cm.min
7.2
Úprava svarových ploch
Vzhledem k vysokému dynamickému účinku plazmového paprsku je možné svařovat tupé svary typu I se spolehlivým provařením kořene do větších tloušťek bez úpravy svarového úkosu. Nerezavějící austenitická ocel se svařuje bez úpravy úkosu do tloušťky 10 až 12 mm s mezerou 0,5 – 1 mm a s plynovou ochranou kořene formovacím plynem. Pro nelegované a středně legované oceli se neupravují hrany do tloušťky cca 6 mm.(Roubíček 2002)
7.3
Mikroplazmové svařování
Vysoká stabilita hoření plazmového oblouku i při nízkých proudech je využita při mikroplazmovém svařování. Intenzita proudu se zde pohybuje v rozsahu 0,05 až 20 A. Mikroplazmovým svařováním lze svařovat kovové folie tl. 0,01 mm i plech tl. 2 mm. Značným problémem při spojování tenkých folií je příprava svarové mezery, která se má pohybovat mezi 10 až 20 % tloušťky folie. Nutností je použití upínacích přípravků pro odvod tepla a zajištění polohy během svařování. Mikroplazmové 26
svařování se používá v leteckém a kosmickém průmyslu, mikroelektronice, přístrojové technice, chemickém a potravinářském průmyslu.
7.4
8.
Výhody plazmového svařování •
Jednoduchá úprava svarových ploch.
•
Svařování bez podložení kořene.
•
Velmi dobrý průvar i tvar svaru.
•
Možnost mechanizace.
•
Vysoká čistota svaru bez pórů a bublin.
•
Dobré mechanické vlastnosti.
•
Možnost svařování střídavým i impulsním proudem.
SVAŘOVÁNÍ SVAZKEM ELEKTRONŮ
8.1
Princip
Zdrojem elektronů je válcová vakuová nádoba, na jednom konci opatřená žhavenou emisní elektrodou, na druhém konci opatřená oddělovacím uzávěrem, který je kombinovaný s hranolem pozorovací optiky. Zdroj elektronů je nazýván elektronové dělo nebo elektronová tryska a je pomocí rotační a difusní čerpán na vysoké vakuum až -4
5.10
Pa. Některé zdroje používají pro rychlejší získání vakua turbomolekulární
vývěvu. Vakuum je nezbytné z důvodu zajištění termoemise elektronů, tepelné a
27
chemické izolace katody, zamezení vzniku oblouku mezi elektrodami a zamezení srážkám elektronů s molekulami vzduchu, které způsobují zbrzdění elektronů a jejich vychýlení z přímého směru. Vlastní svařování probíhá v pracovní vakuové komoře, kde svařovací pohyb je zajištěn programovatelným polohovadlem s několika stupni volnosti Elektrony jsou termoemisí uvolněny ze žhavené záporné elektrody a urychlení elektronů se dosahuje vysokým napětím jenž mezi katodou a anodou vytváří potenciál 30 až 200 kV. Při průchodu elektronu homogenním elektrickým polem získá kinetickou energii: Wk = 1/2 me. ve2 = e .U
(8.1)
Elektrony dopadají na povrch materiálu a jejich kinetická energie se mění na tepelnou. Během několika µs dosáhne materiál teploty tavení, posléze teploty varu kovu a vytvoří se úzká kapilára vyplněná parami kovů o nízkém tlaku. Tento tlak je však dostatečně vysoký, aby spolu s reakční silou udržel taveninu na stěně kapiláry.
8.2
Svařitelnost materiálů elektronovým svazkem
Svarové spoje vyhovují i velmi náročným podmínkám současné technické praxe ve špičkových oborech letecké i kosmické techniky. Svařování ve vakuu umožňuje spojovat i chemicky velmi aktivní kovy - Ti, Zr, Mo, Nb, Hf, W aj., které mají vysokou afinitu ke kyslíku, dusíku a vodíku. Je možné svařovat i vysokotavitené a žárupevné slitiny typu Inconel, Nimonic. V poslední době se elektronovým svařováním spojují materiály tavným způsobem nesvařitelné z důvodu vzniku křehkých intermetalických fází. Intermetalické fáze způsobují výrazné snížení plastických a pevnostních vlastností svarového kovu a způsobují praskání spoje. Při svařování urychlenými elektrony je úzkou svarovou lázní omezena tvorba těchto křehkých fází a přesným zaostřením můžeme dosáhnout požadované vzájemné rozpustnosti kovů a získání tuhého roztoku s vhodnými plastickými vlastnostmi.
Tímto způsobem lze svařovat tyto vzájemné kombinace materiálů: Ti – Al, CrNi ocel – Al, Cu – Al, Cu – ocel, Al – Ni, atd.
28
Při svařování nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí je nutná vysoká čistota materiálu, především obsah fosforu a síry nesmí překročit 0,015% (způsobují výrazný pokles plasticity s možností vzniku trhlin). Velmi dobře lze svařovat vysokolegované austenitické korozivzdorné oceli u nichž je mez pevnosti nižší o 8 – 10 % a mez kluzu dokonce vyšší než u základního materiálu.
Výhody svařování SE: •
Velmi dobrý vzhled svaru s jemnou povrchovou kresbou.
•
Možnost svařovat tloušťky 0,1-200 mm.
•
Úzká natavená a tepelně ovlivněná oblast svaru.
•
Minimální deformace.
•
Možnost svařovat v nedostupných místech pro klasické technologie.
•
Dokonalá ochrana svaru před vlivem atmosféry.
•
Rafinační účinky vakua
•
Možnost přenosu energie i na vzdálenost větší než 500 mm.
•
Snadná programovatelná regulace výkonu paprsku.
•
Svařování na jeden průchod paprsku.
•
Svařitelnost širokého sortimentu materiálů a jejich kombinací.
Využití elektronového svařování v technické praxi
V současnosti je uvedená metoda spojování využívána téměř ve všech strojních oborech. Svařují se tenké plechy řádově v desetinách mm v oblasti přístrojové techniky, oblast vakuové techniky, trubkové systémy a trubkovnice u výměníků tepla, kontrolní a měřící sondy v oblasti jaderné i klasické energetiky, tlustostěnné svařence při výrobě rotorů parních turbín, svařování hřídelí a turbínových kol.
29
9.
SVAŘOVÁNÍ TŘENÍM Základní princip svařování třením je založen na vzájemném pohybu dvou
součástí při působení přítlačné síly. Nejčastěji se svařují rotační součásti, kdy jeden souose vystředěný díl svařované součásti rotuje a druhý stojí, nebo vykonává opačný pohyb. Na jeden z dílů působí přítlačná síla, která dává vzniknout třecím silám. Přiváděná mechanická energie se mění na tepelnou při značně vysoké účinnosti. Vysokým měrným tlakem se oba povrchy nejprve zarovnávají, deformují a posléze nastane hluboké vytrhávání povrchu při vzniku a zániku mikrosvarů, silný ohřev ( až 90% všeho uvolněného tepla ) a výrazná délková deformace. Současně dochází k tvorbě charakteristického výronku.
Obrázek 7:Vzorek svaru s typickými výronky-hřídel:turbínové kolo
V současnosti jsou známy dva základní způsoby svařování třením:
a) svařování s přímým pohonem – konvenční, při kterém jsou otáčky po celou dobu svařovaní konstantní a po zastavení se měrný tlak zvyšuje na tlak kovací kdy vzniká vlastní svar. Doba svařování se pohybuje mezi 10 až 20 sec. b) svařování s akumulovanou energií – setrvačníkové, kdy svařování začíná po roztočení setrvačníku a svar vzniká po spotřebování akumulované energie za 1 až 3 sec. 30
Vysoká kvalita svaru je dána jemnozrnnou strukturou, krátkou dobou svařování a vysokými tlaky a teplotami díky nímž je v oblasti svaru rozbourána struktura materiálu čímž je snížena možnost vzniku trhlinek díky vyrušení karbidů a nečistot.
9.1
Svařitelnost materiálů při svařování třením
Svařitelnost kovů při třecím svařování má relativně nízkou citlivost na chemickém složení, což umožňuje svařovat i kombinace kovů tavným způsobem nesvařitelných. Třením lze svařovat většinu druhů ocelí, hliník, měď, nikl, molybden, titan, monel, nimonic at. Velmi dobou svařitelnost má hliník s řadou kovů Zr, W, Ti, Ni, Mg, Cu, mosaz a uhlíková ocel.
Pro oceli je svařitelnost limitována uhlíkovým ekvivalentem Ce (3):
Ce = C + 0,04 Si + 0,02 Ni + 0,2 Cr + 0,25 Mo + 0,17 Mn (%)
(9.1)
Při uhlíkovém ekvivalentu: 0,2 – 0,4 % není třeba tepelné zpracování ( TZ ), 0,4 – 0,5 % TZ se provádí pro zvýšení tažnosti a vrubové houževnatosti, 0,5 – 0,8 % TZ je nutné vždy provést, nad 0,8 % TZ je nutné provést ihned bez ochlazení na teplotu okolí.
Mechanické vlastnosti spojů jsou velmi dobré a reprodukovatelné. Spoj má výrazně zjemnělé zrno ( 10 až 30 krát proti základnímu materiálu ) ve spoji nevzniká propal, trhliny za tepla a plynové dutiny. Charakteristickou vadou bývá studený spoj případně trhliny za studena. Stykové plochy je vhodné očistit od oxidů a tuků. Kromě kovů se dá třecí svařování využít i pro spojování keramiky a skla s kovy.
31
10. DIFUZNÍ SVAŘOVÁNÍ V oblasti strojírenské výroby tvoří největší podíl rotační součásti typu hřídelí, čepů, trubek, válců atd. Lze spojovat i profily např. čtvercového nebo šestihranného tvaru, a součásti s přesně definovaným tvarem, protože mikroprocesorem řízené svařovací zařízení kontroluje a nastavuje požadovaný úhel natočení. Aplikací třecího svařování je velmi mnoho např. v automobilovém průmyslu – kardanové hřídele, řídící tyče, pastorky, ventily spalovacích motorů, hnací hřídele, tlumičů, hřídelí turbodmychadel, vačkových hřídelí, komplety náprav atd. V oblasti těžebního průmyslu svařování vrtných tyčí, uzavíracích ventilů a trubkových systémů.
Tabulka 1:Příklady parametrů difuzního svařování(Kubíček 2002)
Difuzním svařováním lze spojovat kovy různých vzájemných kombinací a také kovy s keramikou, sklem,a grafitem. Svařování se uplatňuje v oblasti nástrojů, přístrojové techniky, kosmické a letecké techniky.
32
11. SVAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKEM Tento způsob svařování využívá ultrazvuk, tj. mechanické kmitání o vysoké frekvenci, pro vytvoření svarového spoje. Zdroj kmitání se skládá z ultrazvukového měniče, jehož vinutí je napájeno elektronickým vysokofrekvenčním generátorem proudu o frekvenci 4 – 100 kHz. Vlastní kmitač se skládá z magnetostrikčního měniče (Slitina Fe + Ni, Fe + Co + V) , nebo piezoelektrického měniče (titanát baria, zirkontitanát olova) na který je připojen trychtýřovitý vlnovod zesilující amplitudu kmitání. Vlnovod je ukončen tzv. sonotrodou, která přenáší kmitání na svařovaný materiál. Sonotrody jsou přitlačovány silou, která zajišťuje přenos ultrazvukových kmitů do místa spoje. Kmitání je přenášeno na rozhraní dvou spojovaných materiálů , kde dochází k plastické deformaci kovů a relativně malému zvýšení teploty. Výhodně se svařují materiály s kubickou, plošně centrovanou mřížkou – Al, Cu, Ni, Co atd., které se vyznačují velmi dobrou plastičností. Optimální amplituda svařování se pohybuje mezi 5 – 35 µm. Frekvenci kmitů v zásadě určuje typ ultrazvukového zařízení a pohybuje se v intervalu mezi 10 až 100 kHz. Svařovací časy jsou velmi krátké a dosahují obvykle 3 až 6 vteřin s maximem do 10 vteřin. Přítlačná síla zajišťuje přenos ultrazvukových kmitů na materiál a optimální hodnota měrného tlaku se pohybuje v rozmezí 0,4 až 1,2 MPa.
11.1 Svařitelnost materiálů ultrazvukem Při volbě kombinací jsme omezení velikostí průměrů atomů, které se mohou lišit do 18 %, což odpovídá možnosti vzniku substitučního tuhého roztoku. Při rozdílech průměrů atomů 19 až 44% se ultrazvukový spoj nevytvoří. Obecně jsou čisté kovy lépe svařitelné než jejich slitiny. S růstem tloušťky materiálu vzrůstá útlum mechanického vlnění.
33
Maximální tloušťky svařovaných materiálů:
a) hliník 3,17 mm b) měď 2 mm c) ostatní materiály–Ni,Mo,Fe,Co,Ta atd. se svařují v rozsahu 0,5–0,7 mm. -3
d) folie zlata, stříbra a platiny se dají svařovat do tloušťek 4. 10 mm.
Svařitelnost materiálů je velmi široká a kromě stejných kovů, lze spojovat i celou řadu různorodých materiálů: hliník a jeho slitiny jsou svařitelné s téměř všemi kovy.
11.2 Použití svařování ultrazvukem Ultrazvukové svařování je s výhodou použitelné tam, kde jiné technologie jsou nevyhovující a ultrazvukové spojování je jedinou možnou metodou. Nejčastější použití je v oblasti elektrotechniky, elektroniky, letecké a kosmické techniky. Například lze spojovat hliníkové a stříbrné drátky s napařenou tenkou vrstvou kovu, torzní svařování ve tvaru prstence a švové svařování se používá pro hermetické uzavírání obalů chemikálií, léčiv, výbušnin a radioaktivních látek. Velmi rozšířené je také svařování plastů v oblasti všeobecného strojírenství a potravinářství.
34
12. MATERIÁL A METODY ZPRACOVÁNÍ Experimentální část diplomové práce jsem prováděl na třech vzorcích svaru. První svar byl svar elektronovým svazkem, bylo svařováno turbínové kolo z materiálu INC 713 LC s hřídelí 15230.7. Druhý svar byl proveden třením a také bylo svařované turbínové kolo z materiálu INC 713 LC s hřídelí z materiálu 15230.7. Třetí svar byl také proveden třením se stejnými materiály pouze s tím rozdílem že materiál INC 713 LC byl před svařováním tepelně upraven
Metalografie byla zkoumána pod mikroskopem NEOPHOT 2, snímky mikro a makrostruktur byly pořízeny fotoaparátem OLYMPUS 4040ZOOM. Byla provedena zkouška mikrotvrdosti.
35
13. VÝSLEDKY
13.1 Porovnání mikrotvrdosti svarů V následujících dvou grafech je znázorněna mikrotvrdost základních materiálů, svaru a přechodové oblasti. Jedná se o dva vzorky svařované rozdílnými metodami, třením a elektronovým svazkem.
Graf 1:Průběh mikrotvrdosti u svařování elektronovým svazkem
INC-inconel 713LC (turbínové kolo) PP-Přechodové pásmo ZM-Základní materiál 15230.7-ocel 15230.7 (hřídel)
36
V grafu 1 vidíme průběh mikrotvrdosti při svařování elektronovým svazkem, jde vidět že v místě svaru tvrdost značně poklesla, v přechodovém pásmu opět stoupla a poté se vrátila k normálu v základním materiálu. Tabulka 2:Průběh mikrotvrdosti svaru elektronovým svazkem Tvrdost HV 0,1
Měření
Materiál INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC
Měření
Tvrdost HV 0,1
Materiál
Měření
Tvrdost HV 0,1
Materiál
23
276 Svar
45
328 15230.7
24
285 Svar
46
318 15230.7
25
271 Svar
47
335 15230.7
26
282 Svar
48
318 15230.7
27
276 Svar
49
321 15230.7
28
276 Svar
50
325 15230.7
29
261 Svar
51
327 15230.7
30
311 Svar
52
321 15230.7
31
366 Svar
53
314 15230.7
32
370 PP
54
318 15230.7
33
358 PP
55
308 15230.7
34
342 PP
56
308 15230.7
35
339 PP
57
308 15230.7
36
287 PP
37
315 15230.7
38
321 15230.7
39
335 15230.7
40
322 15230.7
41
322 15230.7
332 Svar
42
320 15230.7
21
266 Svar
43
332 15230.7
22
277 Svar
44
328 15230.7
1
374
2
383
3
374
4
367
5
366
6
374
7
376
8
362
9
359
10
366
11
364
12
362
13
364
14
374
15
383
16
383
17
362
18
358
19
396
20
Průměrná tvrdost je 332,7 HV 0,1. Směrodatná odchylka je 35,1.
37
Graf 2:Průběh mikrotvrdosti u svařování třením
INC-inconel 713LC (turbínové kolo) 15230.7-ocel 15230.7 (hřídel)
V grafu 2 vidíme průběh mikrotvrdosti při svařování elektronovým svazkem. Na první pohled je patrné že se značně liší od mikrotvrdosti při svařování třením. Tvrdost odpovídá oceli. Až v místě svaru se zvýší na tvrdost inconelu. V grafu nevidíme žádné přechodové pásmo, protože materiál INC 713LC plynule přechází do materiálu 15230.
38
Tabulka 3:Průběh mikrotvrdosti svaru třením(hodnoty od měření 55-109) Měření č.
Tvrdost HV 0,1
Materiál
Měření č.
Tvrdost HV 0,1
Materiál
Měření č.
Tvrdost HV 0,1
55
307 15230.7
77
289 15230.7
99
462
56
298 15230.7
78
301 15230.7
100
492
57
292 15230.7
79
307 15230.7
101
489
58
283 15230.7
80
301 15230.7
102
434
59
304 15230.7
81
292 15230.7
103
426
60
317 15230.7
82
272 15230.7
104
468
61
301 15230.7
83
286 Svar
105
481
62
294 15230.7
84
386 Svar
106
429
63
315 15230.7
85
440 Svar
107
445
64
317 15230.7
86
456 Svar
108
424
65
323 15230.7
87
109
429
66
323 15230.7
88
67
310 15230.7
89
68
295 15230.7
90
69
289 15230.7
91
70
313 15230.7
92
71
295 15230.7
93
72
307 15230.7
94
73
307 15230.7
95
74
313 15230.7
96
75
317 15230.7
97
76
310 15230.7
98
480 Svar INC 713 480 LC INC 713 456 LC INC 713 468 LC INC 713 445 LC INC 713 456 LC INC 713 462 LC INC 713 468 LC INC 713 462 LC INC 713 445 LC INC 713 474 LC INC 713 474 LC
Průměrná tvrdost je 356 HV 0,1. Směrodatná odchylka je 82,7.
39
Materiál INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC INC 713 LC
13.2 Vyhodnocení kvality svarů třením pomocí metalografie
Metalografii jsem provedl na jednom vzorku svaru. Jednalo se o turbínové kolo které bylo přivařeno na hřídel. Turbínové kolo je z materiálu INC 713LC, hřídel je z oceli 15230. Vzorek byl rozříznut v ose a plochy byly následně vyleštěny.
Na mikrostrukturu se použila leptadla: - Nital [5% roztok HNO3 v etanolu (C2H5OH)]– pro materiál hřídele 15230.7 - Kallings [CuCl2-2g, HCL-40 ml, etanol-60 ml (C2H5OH)] pro materiál INC 713LC
Na makrostrukturu se použilo leptadlo: -HCl+H2O+H2O2 50 ml + 50 ml + 10 ml
13.2.1
Makrostruktura svaru třením
Obrázek 8:Makrostruktura materiálu INC 713LC
40
Obrázek 9:Makrostruktura materiálu 15230.7
13.2.2
Mikrostruktura svaru třením
Mikrostrukturu svaru jsem dělal na dvou různých vzorcích. První vzorek byl svarek turbínového kola (INC 713LC) s hřídelí (15230.7), přičemž materiál INC 713LC byl před svařováním tepelně zpracován, čímž se zmírnila dendritická stavba a dosáhlo se vytvoření drobných globulárních karbidů rozptýlených v základní matrici. Druhý vzorek byl taktéž svarek turbínového kola
(INC 713LC) a hřídele
(15230.7), ale před svařením nebyl materiál INC 713LC tepelně upravován, tudíž byla zachována původní struktůra.
41
13.2.2.1
Mikrostruktura svaru třením s tepelně upraveným
materiálem INC 713LC
Obrázek 10:Mikrostruktura svaru třením-celkový pohled na svar a oba materiály. Materiál INC 713LC byl tepelně upraven.
Na obrázku 10 vidíme celkovou mikrostrukturu svaru třením, materiál INC 713LC byl před svařením tepelně upraven čímž se dosáhlo zborcení základní struktury. Horní materiál je ocel 15230.7.
42
Obrázek 11:Mikrostruktura svaru třením, výřez oblasti svaru. Materiál INC 713LC byl tepelně upraven.
Na obrázku 11 vidíme makrostrukturu svaru třením s výřezem oblasti svaru a přechodových pásem. Spodní materiál je INC713LC. který byl před svařováním tepelně upraven. Struktura materiálu INC 713LC je tvořena austenitickými zrny bez výrazné dendritické stavby a velmi drobnými globulárními karbidy volně rozptýlen v základní matrici. Struktura materiálu 15230.7 je tvořena jemným sorbitem s patrnou pruhovitostí (pozůstatek po provedeném tváření, jedná se o taženou tyč). Přechodové pásmo je
43
tvořeno směsí martenziu a sorbitu, velikost přechodového pásma se pohybuje mezi 1,82,3 mm.
Obrázek 12:Mikrostruktura materiálu INC 713LC který byl před svařením tepelně upraven.
Na obrázku 12 je mikrostruktura pouze materiálu IN 713LC. Je vidět že s narůstající vzdáleností od svaru je původní struktura zřetelnější, i přes předchozí tepelnou úpravu při které byla původní struktura rozbourána.
44
13.2.2.2
Mikrostruktura svaru třením, materiál INC 713LC nebyl
tepelně upraven.
Obrázek 13:Mikrostruktura svaru třením-celkový pohled na svar a oba materiály.
Na obrázku 13 vidíme mikrostrukturu svaru třením materiálu INC 713LC. Ten nebyl před svařením tepelně upraven a je zachována jeho původní struktura.
45
Obrázek 14:Mikrostruktura svaru třením, výřez oblasti svaru.
Na obrázku 14 je detailní pohled na mikrostrukturu svaru třením v oblasti svaru a přechodových pásem. Vidíme že čím blíže je materiál k místu svaru tím má jemnější strukturu. To je dáno vysokými teplotami a hlavně vysokým tlakem při svařování třením díky čemuž je původní struktura materiálu rozbourána a je zde menší riziko trhlinek. Přechodové pásmo u materiálu INC 713LC je shodné s tepelně upraveným
46
materiálem INC 713LC, protože vlivem deformace je odstraněna licí i tepelně zpracovaná struktura.
Obrázek 15:Mikrostruktura materiálu INC 713LC
Na obrázku 15 je patrná základní struktura materiálu INC 713LC. Struktura je tvořena austenitickými zrny s výraznou dendritickou stavbou a karbidy a nitridy rozmístněnými v mezidendritických prostorech. Čím blíže se dostáváme k místu svaru tím je struktura jemnější U samotného svaru již není původní struktura patrná díky vysokým tlakům a deformacím. Při svařování je tato struktura naprosto rozbourána což 47
je velice žádoucí, protože se tím výrazně snižuje možnost vzniku mikro trhlinek, které by mohly mít za následek zničení svarového spoje a tím i celého výrobku.
Obrázek 16:Mikrostruktura materiálu 15230.7
Na obrázku 16 je detailní pohled na mikrostrukturu oceli 15230.7 je tvořena jemným sorbitem s patrnou pruhovitostí, což je pozůstatek po tváření. Přechodové pásmo je tvořeno směsí martenzitu a sorbitu. Velikost přechodového pásma je v rozmezí 1,8-2,3 mm. Samotný svar je na spodní straně obrázku, můžeme pozorovat jak postupem k místu svaru se vlákna materiálu rozchází do stran vlivem tlaku při svařování. 48
13.3. Vyhodnocení kvality svarů elektronovým svazkem pomocí metalografie Metalografii jsem provedl na jednom vzorku svaru. Jednalo se o turbínové kolo která bylo přivařeno na hřídel. Turbínové kolo je z materiálu INC 713LC, hřídel je z oceli 15230. Vzorek byl rozříznut v ose a plochy byly následně vyleštěny.
Na mikrostrukturu byla použita leptadla: - Nital [5% roztok HNO3 v etanolu (C2H5OH)]– pro materiál hřídele 15230.7 - Kallings [CuCl2-2g, HCL-40 ml, etanol-60 ml (C2H5OH)] pro materiál IN 713LC Na makrostrukturu bylo použito leptadlo: -HCl+H2O+H2O2 50 ml + 50 ml + 10 ml
49
13.3.1 Makrostruktura svaru elektronovým svazkem
Obrázek
17:Makrostruktura
svaru
elektronovým
svazkem
se
zaměřením
na
svaru
elektronovým
svazkem
se
zaměřením
na
makrostrukturu materiálu INC 713LC.
Obrázek
18:Makrostruktura
makrostrukturu materiálu 15230.7
50
13.3.2
Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem
Obrázek 19:Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem.
Na obrázku 19 je patrná mikrostruktura svaru elektronovým paprskem. Směrem od spodního okraje obrázku struktura základního materiálu 15230.7, dále je přechodové pásmo tohoto materiálu, které jak vidíme je velice malé, dále je svar. Dále pokračuje matriál INC 713LC v němž není přechodové pásmo patrné. 51
Obrázek 20:Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem s detailem na přechodové pásma a svar.
Na obrázku 20 je detail svaru a přechodových pásem. Můžeme zde vidět velice dobře trhlinu kopírující okraj svaru a materiálu INC 713LC, jsou zde patrny sekundární trhliny jak v materiálu svaru tak i v materiálu INC 713LC kde se trhlinky šíří v mezidendritických prostorech. Struktury základního materiálu 15230 a INC 713LC jsou shodné jako u předchozích vzorků použitých při metalografii svaru třením. Jediným rozdílem proti předchozím vzorkům je velikost přechodových pásem u materiálu 15230 je to max 1 mm a u materiálu INC 713LC je to max 0,8 mm.
Jak je patrné z obrázku 20, tak velkým problémem u svařování elektronovým svazkem je výskyt trhlin, který je dán výskytem mikrostaženin a přítomností karbidů a nitridů v základním materiálu INC 713LC, což pro tento typ materiálu charakteristické a průvodní. Výskyt těchto jevů lze omezit, ale ne zcela odstranit respektive odstranit lze, ale na úkor někdy i výrazného snížení mechanických vlastností . Při svařování třením tyto problémy odpadají, protože teplota a hlavně tlak, který vzniká při vlastním svařování tyto defekty mikrostruktury odstraní.
52
14. ZÁVĚR V dnešní době jsou kladeny na veškeré výrobky čím dál vyšší nároky, což v oblasti svařování platí dvojnásob. U všech konstrukcí jsou kladeny vysoké požadavky jak na kvalitu svaru, tak na samotné materiály, nejlépe pokud může výrobce poskytnout záruku na celou dobu životnosti toho určitého výrobku. Metody svařování třením , elektronovým svazkem nebo laserem jsou metody vysoce efektivní, kvalitní a výkonné. Na druhou stranu jsou finančně a technologicky velice náročné. Na zajištění jejich využití je třeba používat je ve velkosériové výrobě protože při malých sériích se svary těmito metodami prodražují. Můžeme s jejich pomocí svařovat i materiály které dříve nebylo možno svařováním spojit. Svary dosahují vysoké kvality a jsou testovány na velice přísná kritéria. Vzorky s kterými jsem pracoval a prováděl na nich metalografii a zkoušel mikrotvrdost jsou svary hřídelí a turbínových kol Tyto součásti se nachází na velice namáhaném místě turbodmychadel používaných k přeplňování motorů aut, lodí nebo lokomotiv. Jsou testovány při 1,5 násobku svých maximálních otáček daného typu rotoru. Metalografie u vzorku svařeném elektronovým svazkem nám ukázala trhlinu která kopírovala kraj svaru a materiálu INC 713LC. U svařování elektronovým paprskem je toto charakteristická vada, protože ovlivněná oblast je velice úzká, tudíž se teplo ze svaru velice rychle odvádí do okolního materiálu a může dojít k prasklině. Tomuto se zabraňuje ohřevem součásti před samotným svařováním na teplotu okolo 200°C aby se zabránilo příliš rychlému chladnutí svaru. Metalografie u vzorku svařeného třením nevykazuje žádnou vadu a na fotkách je patrná deformace struktury základního materiálu v okolí svaru, což je zapříčiněno vysokým tlakem při svařování.(Dalo by se říci že materiál je skován.) Tato deformace je velice vhodná protože díky tomu se zbortí původní struktura materiálu INC 713LC, která je tvořena austenitickými zrny s výraznou dendritickou stavbou a karbidy a nitridy rozmístněnými v mezidendritické oblasti. Metoda svařování třením je při porovnání s metodou svařování elektronovým svazkem bezpečnější. Je to dáno tím že při svařování elektronovým
53
svazkem musí být dosaženo hlubokého vakua. Svařované dílce musí být perfektně vyrobeny a očištěny od všech nečistot a musí probíhat neustálá kontrola procesu. Pokud se použije metoda svařování tření tak je celý proces urychlen. Postačí odladit tlaky a otáčky dílů u prvních kusů a odzkoušet kvalitu svaru rázovou zkouškou. Ekonomicky je svařování třením také lepší než svařování elektronovým paprskem. Jeden svar u metody třením vychází na cca 900Kč. U metody svařování elektronovým paprskem vychází jeden svar na 1550Kč. Tyto ceny jsou vztaženy na svaření hřídele a turbínového kola, z kterých jsem měl vzorky. Závěrem mohu doporučí metodu svařování třením, protože je rychlejší, efektivnější a levnější.
54
15. SEZNAM OBRÁZKŮ
Obrázek 1:Uspořádání iontů v kryst. mřížce kovové vazby a rozdělení potenciální energie......................................................................................................................9 Obrázek 2:Druhy odporového svařování ......................................................................18 Obrázek 3:Princip laserového svařování(Roubíček 2006)............................................21 Obrázek 4:Princip plynového laseru(Kubíček 2002)....................................................22 Obrázek 5:Vznik klíčové dírky(Roubíček 2006) ..........................................................23 Obrázek 6:Tvorba plazmatu(Roubíček 2006)...............................................................24 Obrázek 7:Vzorek svaru s typickými výronky-hřídel:turbínové kolo ..........................30 Obrázek 8:Makrostruktura materiálu IN 713LC...........................................................40 Obrázek 9:Makrostruktura materiálu 15230.7 ..............................................................41 Obrázek 10:Mikrostruktura svaru třením-celkový pohled na svar a oba materiály. Materiál IN 713LC byl tepelně upraven. .................................................................42 Obrázek 11:Mikrostruktura svaru třením, výřez oblasti svaru. Materiál IN 713LC byl tepelně upraven.......................................................................................................43 Obrázek 12:Mikrostruktura materiálu IN 713LC který byl
před svařením
tepelně upraven. ........................................................................................................................44 Obrázek 13:Mikrostruktura svaru třením-celkový pohled na svar a oba materiály. ..................................................................................................................................45 Obrázek 14:Mikrostruktura svaru třením, výřez oblasti svaru. ....................................46 Obrázek 15:Mikrostruktura materiálu IN 713LC .........................................................47 Obrázek 16:Mikrostruktura materiálu 15230.7.............................................................48 Obrázek 17:Makrostruktura svaru elektronovým svazkem se zaměřením na makrostrukturu materiálu IN 713LC. .......................................................................................50 Obrázek 18:Makrostruktura svaru elektronovým svazkem se zaměřením na makrostrukturu materiálu 15230.7............................................................................................50 Obrázek 19:Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem...........................................51 Obrázek 20:Mikrostruktura svaru elektronovým svazkem s detailem na přechodové pásma a svar. .........................................................................................................52
55
16. POUŽITÁ LITERATURA
[1]
KUBÍČEK, J.:Technické aspekty svařování laserem. VUT Brno 2008
[2]
KUBÍČEK, J.:Technologie svařování. VUT Brno 2002
[3]
KUNCIPÁL, J., PILOUS,V., DUNKOVSKÝ, J.: Nové technologie svařování. SNTL Praha 1984.
[4]
MINAŘÍK, V.: Plamenové svařování. Ostrava : ZEROSS, 2001. 130 s. ISBN 80-85771-83-7
[5]
ŠOCH, Z.:Ochrana svarů proti korozní degradaci. MZLU Brno 2006, Diplomová práce
[6]
Interní materiály firmy PBS Turbo, Velká Bíteš, Vlkovská 56
[7]
http://www.konstrukce.cz
[8]
www.svarak.cz
[9]
http://welding.cz/
[10]
www.wikipedia.cz
56
