MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2008
PAVEL ROSENBERG
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Metody svařování legovaných ocelí Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Vlastimil Chrást, CSc.
Vypracoval: Pavel Rosenberg
Brno 2008 2
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji že jsem bakalářskou práci na téma METODY SVAŘOVÁNÍ LEGOVANÝCH OCELÍ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.
Dne...…………………………….. Podpis studenta…………………..
3
Poděkování: Rád bych touto cestou poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc, za pomoc při zpracování daného tématu. A paní Metodě Kosové za pomoc při překladu abstraktu.
4
Abstrakt: Tato práce pojednává o metodách svařování legovaných ocelí. Nejdříve se zabývám legovanými ocelemi jako konstrukčním materiálem, jejich rozdělením, hlavními důvody proč se oceli legují a také legujícími prvky, které mají vliv na svařitelnost. Ke svařování legovaných ocelí se používají metody tavného svařování. Věnuji se metodě MIG/MAG, použitím ochranných plynů při svařování a volbou přídavných materiálů. U metody WIG(TIG) zmiňuji také ochranné plyny a přídavné materiály. Používají se také speciální metody tavného svařování jako plazmové svařování a laserové svařování. U hodnocení kvality svaru je třeba si prvně specifikovat vadu a poté se rozhodnout buď pro metodu zkoušení nedestruktivní nebo destruktivní.
Klíčová slova: svařování, legovaná ocel, legující prvky, metoda MIG/MAG, metoda WIG(TIG), laser, plazma, destruktivní zkoušky materiálů, nedestruktivní zkoušky materiálů
Abstract: This work deals with methods of welding of alloyed steels. First I am concerned with alloyed steel as a constructional material, its diversification and the main reasons, why steels are alloyed as well as alloying components, which influence the welding. For welding of alloyed steel the fusion welding method is used. I apply the MIG/MAG method by using of preventive gasses and supplemental material. By the WIG (TIG) method I also advert the preventive gasses and supplemental material. Also special methods of fusion welding as plasmic and laser welding are used. By the quality valuation, it is necessary to specify the defect first and than decide whether to use a destructive or non-destructive method.
Key words: welding, alloyed steel, alloying components, method MIG/MAG, method WIG (TIG), laser, plasm, destructive material tests, non-destructive material tests
5
OBSAH: 1
ÚVOD:...................................................................................................................................................... 7
2
LEGOVANÉ OCELI:............................................................................................................................. 7 2.1 Hlavní skupiny jakostních legovaných ocelí podle ČSN EN 10020: .......................................... 8 2.1.1 Legované jakostní oceli: ............................................................................................................. 8 2.1.2 Legované ušlechtilé oceli:........................................................................................................... 8 2.2 Hlavní důvody legování slitin železa: ........................................................................................... 8 2.3 Legující prvky:............................................................................................................................... 9
3
SVAŘOVÁNÍ LEGOVANÝCH OCELÍ:............................................................................................ 13 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.2
4
Svařování metodou MIG/MAG:................................................................................................. 13 Ochranné plyny MIG/MAG:..................................................................................................... 15 Přídavné materiály: ................................................................................................................... 16 Plazmové svařování: .................................................................................................................... 17 Svařitelnost materiálu plazmovým svařováním: ....................................................................... 19 Úprava svarových ploch: .......................................................................................................... 21 Laserové svařování:..................................................................................................................... 21 Příprava svarových ploch:......................................................................................................... 22 Svařování laserem:.................................................................................................................... 22 Svařování metodou WIG(TIG): ................................................................................................. 23 Ochranné plyny:........................................................................................................................ 25 Přídavné materiály: ................................................................................................................... 28
METODY HODNOCENÍ KVALITY SVARU: ................................................................................. 29 4.1 Typy vad:...................................................................................................................................... 29 4.2 Kontrola svarů:............................................................................................................................ 31 4.2.1 Nedestruktivní zkoušky: ........................................................................................................... 32 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.1.4 4.2.1.5 4.2.1.6
4.2.2
Vizuální zkouška: ...................................................................................................................................32 Zkouška penetrační – kapilární: ...........................................................................................................32 Zkouška magnetická prášková:.............................................................................................................33 Zkouška ultrazvuková:...........................................................................................................................33 Zkouška prozářením (RTG): .................................................................................................................34 Další zkoušky: ........................................................................................................................................34
Destruktivní zkoušky: ............................................................................................................... 35
5
ZÁVĚR: ................................................................................................................................................. 35
6
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY: ................................................................................................ 36
6
1
ÚVOD:
V této bakalářské práci se snažím osvětlit problematiku metod, používaných v současnosti, ke svařování legovaných ocelí, což je materiál s obtížnou svařitelností, vyžadující speciální metody a postupy svařování. Svařitelnost těchto ocelí nelze obecně popsat, většinou je potřeba předehřátí, zpomalené chladnutí, případně tepelné zpracování po svaření jako žíhání k odstranění vnitřního pnutí, nebo normalizační žíhání. Obtížná svařitelnost musí také být brána v úvahu již při navrhování svarového spoje, aby byla zachována schopnost plastické deformace oceli. A také při volbě vhodného pracovního postupu při svařování.
2
LEGOVANÉ OCELI:
Jsou takové oceli, jejichž obsahy jednotlivých prvků, minimálně jednoho dosahují nebo překračují mezní obsahy uvedené v obrázku. (Obr. 1 Mezní obsahy legovacích prvků)
Obr. 1 Mezní obsahy legovacích prvků [1]
7
2.1 Hlavní skupiny jakostních legovaných ocelí podle ČSN EN 10020: 2.1.1
Legované jakostní oceli:
a) Svařitelné jemnozrnné oceli pro ocelové konstrukce včetně tlakových nádob a potrubí, které vyhovují následujícím požadavkům: -
pro tloušťky do 16 mm je předepsána mez kluzu Re = 380 MPa
-
minimální hodnota nárazové práce KV při -50°C
b) oceli legované pouze křemíkem nebo křemíkem a hliníkem se zvláštními požadavky na magnetické a elektrické vlastnosti c) oceli určené na výrobu kolejnic, štětovnic a důlních výztuží d) oceli pro ploché výrobku válcované za tepla nebo za studena, které jsou určeny pro náročnější tváření za studena e) oceli legované pouze mědí [5] 2.1.2
Legované ušlechtilé oceli:
Jde o oceli, u nichž se dosáhne požadovaných zpracovatelských a užitných vlastností přesným stanovením chemického složení a zvláštními podmínkami výroby a zkoušení. Patří sem všechny legované oceli kromě legovaných jakostních ocelí. a) Nerezavějící oceli s obsahem uhlíku menší nebo rovným 1,2 % a obsahem chrómu větším nebo rovným 10,5 % b) Rychlořezné oceli s obsahem uhlíku větším nebo rovným 0,60 % a obsahem chrómu 3 až 6 %, které dále obsahují minimálně dva z následujících tří prvků: Mo, W, V s celkovým obsahem větším nebo rovným 7 % c) ostatní legované ušlechtilé legované oceli [5]
2.2 Hlavní důvody legování slitin železa: •
zvýšení mechanických vlastností, zejména pevnosti a tvrdosti při zachování vyhovující houževnatosti. Nejčastější legující prvky jsou Mn, Si, Ni, Mo, V, W, Cr
•
zvýšení prokalitelnosti prvky snižující kritickou rychlost rozpadu austenitu zejména Cr, Mn, Mo, V, Ni, B
8
•
ke zmenšení sklonu oceli k růstu austenitického zrna a dosažení jemnozrnné struktury vyloučením disperzních částic karbidů nebo nitridů se leguje Al, Ti, Nb, Ta, V
•
dosažení některých fyzikálních vlastností u ocelí, např. elektrických nebo magnetických ( přísada Si ), dosažení určité tepelné roztažnosti
•
vytvoření tvrdých a opotřebení odolných karbidů, případně karbidů stabilních i za vysokých teplot ( Cr, Mo, W, V )
•
zvýšení žárupevnosti oceli vytvořením vhodně dispergovaných karbidů ve struktuře přísadou Cr, Mo, W, V
•
zvýšení korozivzdornosti ( Cr, Ni, Mo, Si, Cu )
Legující prvky působí na vlastnosti oceli dále: •
změnou termodynamické stability tuhých roztoků ve slitinách železa
•
změnou fyzikálních vlastností a chemické odolnosti
•
vznikem nových fází
•
změnou mechanismu a kinetiky fázových přeměn v tuhém stavu [1]
2.3 Legující prvky: Vliv základních a legujících prvků na metalurgickou svařitelnost oceli je následující: Uhlík – je nejdůležitější prvek, který negativně ovlivňuje svařitelnosttím, že zvyšuje prokalitelnost ocelí. Při obsahu C ≥ 0,22% je nutno díl před svařováním předehřát, aby se zpomalila rychlost ochlazování svarového spoje a tím se zabránilo vzniku struktury zákalného charakteru v TOO svarového spoje. [2] Křemík - Podobně jako mangan je i křemík dezoxidačním prvkem i prvkem přísadovým. Křemík zhoršuje ( zejména při obsahu vyšším než 1 % ) svařitelnost ocelí, podporuje růst zrna při vyšších teplotách a zmenšuje kritickou rychlost ochlazování. [6] Až do obsahu 0,5 % se křemík nepovažuje za legovací prvek, ale pouze za dezoxidační přísadu. U ocelí na zušlechťování se kombinuje obyčejně přísada křemíku s přísadou manganu nebo chromu. Váže na sebe kyslík rozpuštěný ve svarové lázni, čímž zabraňuje tvorbě CO při tuhnutí svaru a tím tvorbě pórů ve svarovém kovu. Je – li součastně přítomen
9
mangan, stává se struska snáze tekutou, dobře se odděluje od kovu a klesá její obsah ve svarové lázni. Zvýší se tím houževnatost svarového kovu. [2] Mangan – je ve svařování vítanou přísadou. Zvyšuje pevnost, která je provázena menším poklesem tažnosti, nežli způsobuje uhlík. Zmenšuje náchylnost ke tvorbě trhlin za horka zapříčiněnou vyšším obsahem síry ve svarovém kovu. Má podobně jako křemík desoxidační účinek na svarovou lázeň. Při obsahu Mn ≥ 0,8 působí zvětšování zrna, nutno proto provést dolegování vanadem nebo hliníkem, které brání růstu zrna. Mangan jako legovací prvek nemá výraznější vliv na odolnost proti korozi v elektrolytech a v plynném prostředí. Teprve při vyšším obsahu, kdy vzniká austenitická struktura a zvláště pak za současného přidání chromu je odolnost proti korozi výrazně zlepšována. [2] Hliník – je nejsilnější, velmi často používaný dezoxidační prostředek. V malých dávkách napomáhá ke zjemňování zrna. Protože s dusíkem vytváří velmi tvrdé nitridy, je nejčastěji legujícím prvkem v nitridačních ocelí. Zvyšuje odolnost proti tvorbě okují. [6] Chrom - Patří do skupiny feritotvorných prvků, tvoří karbidy, jež zvyšují odolnost proti opotřebení. V ternárních slitinách Fe-Cr-C se část chromu rozpustí v základní kovové matrici a část tvoří s uhlíkem karbidy. Typ karbidů tvořících se v chromových ocelích závisí na obsahu chromu a uhlíku. Chromové oceli jsou kalitelné na vzduchu i v oleji. U nízkolegovaných ocelí na zušlechťování se obyčejně využívá vlivu chromu na zvýšení prokalitelnosti. Pevnost stoupá pomaleji než při přísadě manganu nebo křemíku. Při zvyšování podílu chromu v chromových ocelích se snižuje svařitelnost. Výhodné je, že plastické vlastnosti klesají až do 2 % chromu pomalu. Pevnost v tahu se zvyšuje o 80 až 100 MPa na každé 1 % chromu. Chromové oceli jsou odolnější proti popouštění. Pevnost za vysokých teplot se zlepšuje při vyšším obsahu chromu. Vyšší obsah chromu snižuje tvoření okují. Pro korozní odolnost se vyžaduje více než 13 % chromu. Snižuje tepelnou a elektrickou vodivost. Snížená je též tepelná roztažnost. Podporuje též vznik popouštěcí křehkosti. Chrom je nejčastější přísadou konstrukčních nízkolegovaných ocelí na zušlechťování, protože je relativně laciný a ovlivňuje mnoho vlastností. [6] Nikl - Způsobuje značné zvýšení vrubové houževnatosti i při nízkých teplotách (-200 °C) a přidává se do cementačních a zušlechťovaných ocelí. V ternární soustavě Fe-C-Ni netvoří nikl samostatný karbid, takže je úplně rozpuštěn
10
v základní matrici. Austenit zůstává zachován i při normální teplotě při obsahu niklu nad 30 %. Nikl způsobuje odolnost proti korozi. Austenitické Cr-Ni oceli odolávají oxidačnímu prostředí především vlivem Cr. Austenitické oceli mají při teplotách nad 600 °C větší pevnost vzhledem k vyšším teplotám rekrystalizace a jsou prakticky nemagnetické. Při tepelném zpracování zvyšuje nikl prokalitelnost (avšak podstatně méně než Mn a Cr). V normalizačně žíhaných ocelích zjemňuje perlit. Vysoký obsah Ni obsahují oceli, které mají mít vysokou houževnatost, zejména při záporných teplotách. [6] Molybden - Je to feritotvorný prvek a při 3 % úplně uzavírá v binární soustavě Fe-Mo oblast γ. Část molybdenu se rozpouští ve feritu, jehož tvrdost zvyšuje a část tvoří karbidy. Používá se ve spojení s ostatními legujícími prvky. Zvyšuje prokalitelnost. Výrazně snižuje popouštěcí křehkost, zlepšuje jemnost zrna a zlepšuje svařitelnost. Při vyšším obsahu molybdenu se snižuje tvářitelnost. Ovlivňuje tvorbu karbidů a proto se používá u rychlořezných nástrojových ocelí. Patří také k prvkům, které zvyšují odolnost proti korozi. Vysoký obsah zvyšuje odolnost proti vytváření důlkové koroze. [6] Wolfram - Patří mezi feritotvorné prvky. Tvoří v oceli podvojné karbidy i při zvýšených teplotách ( asi do 600 °C ) a tím podporuje velmi účinně odolnost proti popouštění a vznik druhotné tvrdosti. U nízkolegovaných ocelí je rozpuštěn v cementitu, při vyšším obsahu wolframu se tvoří speciální karbidy. Snižuje difúzní rychlost uhlíku ve feritu a austenitu, takže zpomaluje difúzní transformaci. Rychlost přeměn probíhajících kluzovým mechanismem ovlivňuje jen málo. Malé množství wolframu zvyšuje relativně více prokalitelnost než množství velké. Větší množství podporuje tvorbu přechodných struktur a zbytkového austenitu. Kromě toho snižuje odolnost proti tvorbě trhlinek při tepelné únavě. Při větším obsahu snižuje houževnatost a plastické vlastnosti oceli. V nízkolegovaných ocelích zjemňuje wolfram lamely perlitu, takže zvyšuje pevnost. Wolfram zvyšuje odolnost proti otěru a řezivost oceli při zvýšených teplotách a proto je nejběžnějším prvkem u rychlořezných ocelí, u ocelí pro práci za tepla a u ocelí s vysokou tvrdostí. [6] Vanad - Patří mezi silně feritotvorné prvky. Oblast γ uzavírá při (1,2 – 1,83) %. Při obsahu (43 až 53) % vanadu se tvoří v binární soustavě fáze σ, která je stabilní až do 1 234 °C. Zjemňuje primární zrnitost a v důsledku toho i strukturu odlitků. Tvoří velmi stabilní karbidy s vysokou tvrdostí ( až 2500 HV ) a proto zvyšuje odolnost proti opotřebení.
11
Podporuje však křehnutí ocelí za tepla a zvyšuje odolnost proti stlačenému vzduchu. Vanad zvyšuje pevnost, mez kluzu, houževnatost, tepelnou odolnost, mez únavy, žíhací teplotu u tepelného zpracování. Snižuje citlivost proti přehřátí u tepelného zpracování. [6] Kobalt - Nevytváří karbidy. Při vyšších teplotách zabraňuje růstu zrnitosti a zvyšuje pevnost za tepla. Zvyšuje tepelnou vodivost. Používá se pro výrobu kvalitních permanentních magnetů. Kobalt zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení, teplu a korozi, elektrickou vodivost a magnetické vlastnosti. [6] Titan - Jde o feritotvorný prvek. Následkem své silné afinity ke kyslíku, dusíku, síře a uhlíku působí silně dezoxidačně, váže síru a tvoří karbidy. Používá se pro zjemnění zrna a v ocelích odolných proti korozi. Za účelem dosažení vyšší koercitivní síly je přidáván do slitin na výrobu trvalých magnetů. [6] Měď - Dostává se do oceli z některých druhů rud či přetavováním odpadu a nelze ji hutnickými pochody odstranit. Zpomaluje rekrystalizaci a nepatrně zvyšuje pevnost oceli. Malé množství Cu zvyšuje odolnost C-ocelí proti rezivění, vlivu povětrnosti a vlhku.Větší obsah však způsobuje výrobní obtíže, povrchové praskání při zpracování nad 1000°C. [6] Bór – Snižuje svařitelnost. Používá se na legování ocelí určených pro regulátory a clony zařízení na atomovou energii. Bor zlepšuje pevnostní vlastnosti austenitických ocelí odolných vysokým teplotám v oblasti zvýšených teplot. V konstrukčních ocelích zlepšuje tento prvek prokalitelnost a to v množství o dva řady menším (0,001 %) než uhlík, tím tedy u cementačních ocelí způsobuje zvýšení pevnosti v jádře. Ovšem velmi malé množství boru v materiálu je nezjistitelné a muže dojít k samozakalení, což způsobí problémy při následném obrábění. [6] Fosfor – při obsahu ≥ 0,06 % nepříznivě ovlivňuje svařitelnost a zvyšuje sklon k tvorbě trhlin. Je považován za nečistotu ve svarovém kovu. Obsah fosforu by neměl překročit 0 030 %. [2] Síra – je rovněž nečistotou. Způsobuje vznik trhlin za horka a póry ve svarovém kovu. Maximální obsah síry v oceli pro svařování by měl být 0,030 %. [2]
12
3
SVAŘOVÁNÍ LEGOVANÝCH OCELÍ:
Svařování je definováno jako nerozebíratelné spojování dvou částí kovů pomocí tepla při teplotě tavení obou materiálů nebo tlaku vyvolávající deformaci kontaktních ploch. Při tavném svařování může nebo nemusí být použitý přídavný materiál s tavící teplotou stejnou nebo blízkou teplotě tavení základních materiálů. [3] Pro neznámé druhy ocelí lze svařitelnost určit pomocí tzv. ekvivalentního obsahu uhlíku Ce.
Ce = C +
Mn Cr Ni Mo Cu V P + + + + + + + 0,0024t 6 5 15 4 13 4 2
Kde značky prvků znamenají jejich obsah v %, a t je tloušťka materiálu. Jestliže je potom pro daný materiál Ce ≤ 0,50 % a současně je C ≤ 0,22 % je potom materiál dobře svařitelný. Překročí – li se některá mez je nutné součást předehřívat, řídit její ochlazování nebo tepelně zpracovat po svaření.
3.1 Svařování metodou MIG/MAG: Svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu MAG patří vedle svařování obalenou elektrodou v celosvětovém měřítku k nejrozšířenějším metodám pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Svařování MIG v inertním plynu získává na důležitosti vlivem růstu objemu konstrukcí, staveb, lodí a dopravních prostředků vyráběných z hliníkových slitin. Hlavními důvody rozšíření metody MIG/MAG jsou: široký výběr přídavných materiálů a ochranných plynů, snadná možnost mechanizace a robotizace, velký sortiment vyráběných svařovacích zařízení a především významné výhody a charakteristiky uvedené metody svařování. 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. Napájení drátu elektrickým proudem je zajištěno třecím kontaktem v ústí hořáku tak, aby elektricky zatížená délka drátu byla co nejkratší. Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači, vlastním hořáku, nebo kombinací obou systémů z cívky o běžné hmotnosti 15 kg. Proudová hustota je u svařování MAG nejvyšší ze všech obloukových metod a dosahuje až 600 A.mm-2 a svařovací proudy se pohybují od 30 A u svařování tenkých plechů drátem o průměru 0,6 – 0,8 mm, až do 800A u vysokovýkonných
13
mechanizovaných metod. Charakter přenosu kovu obloukem závisí na parametrech svařování a ochranném plynu, přičemž běžný je zkratový pro tenké plechy a sprchový pro větší tloušťky plechů. U vysokých proudů se mění charakter přenosu kovu obloukem a vlivem elektromagnetických sil se dosahuje rotujícího oblouku. Teplota kapek se při MAG svařování pohybuje v rozmezí 1700 až 2500 °C a teplota tavné lázně se v závislosti na technologii, parametrech svařování, chemickém složení a vlastnostech materiálu pohybuje mezi 1600 až 2100 °C. Díky vysokým proudům se svařovací rychlosti blíží hranici 150 cm.min-1 a rychlost kapek přenášených obloukem přesahuje 130 m.s-1. Ochranná atmosféra se volí podle druhu svařovaného materiálu, ovlivňuje však také přenos kapek v oblouku, rozstřik, rozsah chemických reakcí a teplotní poměry v oblouku. Nejširší uplatnění je v současnosti při ručním a mechanizovaném svařování nelegovaných, nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí, při použití směsného plynu argonu s oxidem uhličitým. [3]
Obr. 2 Princip svařování MIG/MAG [3]
1. Svařovaný materiál 14
2. Elektrický oblouk 3. Svar 4. Plynová hubice 5. Ochranný plyn 6. Kontaktní průvlak 7. Přídavný drát 8. Podávací kladky 9. Zdroj proudu
Tato metoda svařování se vyznačuje těmito výhodami: •
svařování ve všech polohách od tloušťky materiálu 0,8 mm,
•
minimální tvorba strusky,
•
.přímá vizuální kontrola oblouku a svarové lázně,
•
vysoká efektivita, úspory nedopalků tzv. nekonečným drátem,
•
snadný start oblouku bez nárazu svařovacího drátu do svařence,
•
velmi dobrý profil svaru a hluboký závar,
•
malá tepelně ovlivněná oblast především u vysokých rychlostí svařování,
•
vysoká proudová hustota,
•
vysoký výkon odtavení,
•
široký proudový rozsah pro jeden průměr drátu,
•
stabilní plynová ochrana v různých variantách umožňující diferencované typy přenosu kovu v oblouku a ovlivnění mechanických vlastností svarů,
•
nízká pórovitost,
•
malý nebo žádný rozstřik kovu elektrody,
•
snadná aplikace metody u robotizovaných a mechanizovaných systémů svařování.
[3]
3.1.1
Ochranné plyny MIG/MAG:
Korozivzdorné a kyselinovzdorné oceli mají díky svým legujícím prvkům (především Cr) značně hustou tavnou lázeň, která vytváří nežádoucí převýšení svaru a ostrý přechod svarové housenky do základního materiálu. Z těchto důvodů se doporučuje použít ochranný plyn obsahující malé procento kyslíku. Kyslík výrazně snižuje povrchové napětí a tím 15
vytváří příznivější průřez svarové housenky, zlepšuje odplynění svarové lázně a přechod na základní materiál. Plyny doporučené pro svařování vysokolegovaných ocelí: [3] Argon + 2% oxidu uhličitého: Směs doporučená pro všechny druhy vysokolegovaných ocelí, kromě zvlášť nízkouhlíkových. Vhodný plyn pro krátký zkratový oblouk s nízkým propalem, dobrým smáčením svarového úkosu a malým rozstřikem. [3] Argon + 2% kyslíku: Doporučuje se z hlediska propalu svařovat zkratovým přenosem malými kapkami a plyn je vhodný i pro sprchový nebo impulsní přenos kovu. [3] Ar + 30 až 50% He +1 až 2% 02: Směs vhodná pro mechanizované a robotizované svařování. Plyn umožňuje stabilní hoření oblouku při zkratovém i sprchovém přenosu, velmi příznivý profil svaru a vysoký odtavovací výkon bez nebezpečí nauhličení svarové lázně. Při svařování se hořák vede vpřed pod úhlem cca 10° a doporučuje se využít především impulsního způsobu svařování. Svařovat se dá také zkratovým a sprchovým přenosem. Na rozdíl od nelegovaných ocelí začíná oblouk se sprchovým přenosem již při proudu o přibližně 20% nižším. Při svařování vysokolegovaných ocelí a niklu je nutné omezit množství vneseného tepla do svaru. Elektrický oblouk musí být veden zcela vpředu u tavné lázně. Předbíhání svarového kovu má za následek výraznou tvorbu rozstřiku – především u materiálů obsahující nikl. [3]
3.1.2
Přídavné materiály:
Pro svařování vysokolegovaných ocelí lze použít jen elektrod obalených. Elektrody se dělí na stabilizované a nestabilizované. Titan se pro stabilizaci svařovacích elektrod nehodí, protože skoro zcela vyhoří. Stabilizace u elektrod se dá dosáhnout jen přísadou niobu. Tento kovový prvek vyhořívá v oblouku jen v malé míře, takže umožňuje účinnou stabilizaci svarového kovu. Pokud se svařují plechy nestabilizované, mohla by vadit ta okolnost, že stabilizovaný svar nelze vyleštit na vysoký lesk, svar by se pak odlišoval vzhledově od základního materiálu. [1]
16
3.2 Plazmové svařování: Výhody plazmového svařování: •
jednoduchá úprava svarových ploch středních tloušťek
•
svařování bez podložení kořene
•
velmi dobrý průvar i tvar svaru
•
možnost mechanizace
•
vysoká čistota svaru bez pórů a bublin
•
dobré mechanické vlastnosti svarového spoje
•
možnost svařování střídavým i impulsním proudem
[4] Fyzikální pojem plazma zavedl v roce 1923 I.Langmuir pro speciální stav plynů, někdy označovaný jako čtvrtý stav hmoty. Ke vzniku plazmy je nutná ionizace plynu (mechanická nebo tepelná), při které dochází k vyražení nebo uvolnění elektronů z vnějších valenčních orbitů atomů. Uvolněné elektrony mají záporný náboj a vedou v plazmě elektrický proud. Ionizované jádro atomu – iont se zbývajícími elektrony má kladný náboj. Navenek se však plazma chová jako elektricky neutrální. Na ionizaci plynů je potřeba značná energie. V technické praxi se často jako zdroj tepla používá elektrický oblouk, který je kontrahován a zvýšením teploty se dosáhne vyššího stupně ionizace. Princip svařování plazmou je tedy 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 ionizace je závislý na teplotě a úplná ionizace se dosahuje při teplotách kolem 100 000 K. V oblasti svařování jsou dosahovány teploty podstatně nižší, plazma je částečně ionizována a pro jednotlivé plyny jsou teploty disociace a ionizace v závislosti na entalpii znázorněné na obrázku. Část plynu, která není ionizována a je chladnější stabilizuje plazmový paprsek v ose hořáku tak, aby se plazma nedotýkala stěn trysky. [4]
Pro používaná prostředí platí tyto přibližné průměrné teploty plazmy: dusíková plazma do vodíková plazma
9 000 K 10 000 K
17
argonová plazma
16 000 K
heliová plazma
20 000 K
plazma stabilizovaná vodou až 35 000 K Obecně se pro plazmové svařování používají tři druhy plynů: a) plazmový: Ar, Ar + H2, Ar + He, s průtokem 0,5 až 9 l.min-1 b) fokusační pro zúžení plazmového paprsku a průtokem 3 až 18 l.min-1 c) ochranný pro ochranu svarové lázně proti oxidaci s průtokem 2 až 20 l.min-1, u aktivních materiálů Ti, Zr,Ta se průtok zvyšuje na 20 až 30 I. min-1. [4] Běžná technická plazma se vyznačuje těmito vlastnostmi: •
Současně s pružnými srážkami molekul (atomů) se v podstatné míře vyskytují i nepružné, které vedou k disociaci a ionizace plynu.
•
Chemicky stejnorodý plyn se mění na směs atomů, iontů,elektronů, fotonů atd.
•
Směs částic v plazmě je kvazineutrální, tzn. počet kladných a záporných částic je přibližně stejný.
•
Elektrická vodivost plazmy je závislá na pohyblivosti elektronů (100x vyšší než iontů).
•
Na plazmu silně působí elektrické a magnetické pole.
[4] Vlastní princip je odvozený od svařování metodou WIG, kde keramická hubice je nahrazena kovovou tryskou chlazenou vodou nebo plynem. V principu existuje dvojí elektrické zapojení hořáku. Zapojení závislé ( přenesený oblouk ) u kterého je záporný pól připojen na wolframovou elektrodu a kladný pól na materiálu. 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 i na relativně dlouhou vzdálenost. Závislé zapojení se používá především u svařování, navařování a řezání. Připojení pólů zdroje pouze na elektrodu a kovovou trysku se nazývá nezávislé zapojení ( nepřenesený oblouk ) a používá se především u žárových nástřiků nebo povrchového kalení. Plazmový hořák má zúženou výstupní trysku, která přispívá ke kontrakci plazmového paprsku. Kontrakce je podporována také fokusačním plynem přiváděným k plazmovému
18
paprsku. Jako fokusační plyny se používají směsi argonu s vodíkem nebo dusíkem. Dvouatomové plyny s vysokou spotřebou energie na disociaci a velkou tepelnou kapacitou odebírají teplo z vnějších vrstev plazmatu a vysokou tepelnou vodivostí vodíku je tento efekt ještě zesílen. Plazma se tím zužuje a protože musí přenést výkon odpovídající nastaveným hodnotám zvýší se její teplota a tím i stupeň ionizace a následně elektrická vodivost. Ochlazení plazmy při kontaktu se svařovaným materiálem vede k opačnému pochodu tzv. rekombinaci, kdy dochází ke slučování elektronů s ionty na atomy. Při rekombinaci se disociací a ionizací akumulované teplo uvolňuje a přenáší do materiálu. Účinnost přenosu tepla se pohybuje kolem 70 – 80 % . Při ohřevu plynu obloukem se mnohonásobně zvyšuje jeho objem a tím výstupní rychlost plazmy dosahuje vysokých hodnot. Dynamická účinnost dopadající plazmy spolu s vysokou teplotou umožňuje proniknutí paprsku v celém průřezu materiálu. Při svařování musí být dosažena rovnováha mezi tímto dynamickým účinkem a povrchovým napětím taveniny tak, aby nedošlo k vyfouknutí taveniny ze spáry. Výstupní rychlost plazmy při svařování a navařování se pohybuje mezi 200 až 500 m.s-1. [4]
3.2.1
Svařitelnost materiálu 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 WIG podstatně vyšší a pro uvedené parametry se pohybují mezi 85 až 20 cm.min-1 Materiály náchylné na přehřátí se svařují s použitím impulsního proudu. [4]
19
Obr. 3 Řez plazmovým hořákem [4]
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
20
12) základní svařovaný materiál 13) plazmový paprsek 14) provedený svar
3.2.2
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. [4]
3.3 Laserové svařování: Se zvyšujícími se nároky na technické parametry různých zařízení jsou zaváděny a využívány stále nové konstrukční materiály. Pro tyto materiály již nevyhovují běžné technologie svařování, proto byly vyvinuty nové technologie, které umožňují svařování a dělení materiálů speciálních vlastností. Společným jmenovatelem těchto technologií je minimální tenzotermické ovlivnění materiálu a tím eliminováno vnitřní pnutí a následné deformace. [2] Základní typy laserů a jejich charakteristika: Pevnolátkové lasery: Jejich aktivní prostředí tvoří pevné krystalické, případně amorfní látky dopování příměsí vhodných iontů. K vlastnímu optickému zesílení dochází ne elektronových přechodech iontů příměsí. Krystaly musí být pevně orientované z důvodů jejich anizotropie. Jako příměsí se nejčastěji používá iontů vzácných zemin. Ozáření se provádí xenonovou výbojkou. [2] Plynové lasery: U těchto laserů je aktivní prostředí tvořeno plynem, nebo směsí plynů. Jako buzení je nejčastěji používán doutnavý výboj, elektronový paprsek nebo adiabatická expanze. Plynové lasery dělíme na: •
helium neonový laser – nejběžnější systém vyzáření 21
•
argonový iontový laser
•
helium – kadmiový laser – pracuje s parami kovů
•
dusíkový laser – nejjednodušší z plynových laserů
•
CO2 laser – v součastné době nejvýkonnější
Výhody svařování laserem: •
Lasery jsou adaptabilní s rychlou změnou technologie.
•
Provoz laseru je čistý, bez potřeby přídavných materiálů a odpadů. Zplodiny lze snadno a účinně odsávat.
•
Vysoká přesnost oblasti ovlivněné laserem.
•
Provoz laseru je tichý, hluboko pod hranicí hluku konvenčních technologií.
•
Laserový svazek lze dělit na různá pracovní místa soustavou zrcadel a hranolů
•
Snadná automatizace procesu.
•
Možnost svařovat tloušťky od několika mikrometrů do 15 mm.
•
Možnost úpravy ohniskové vzdálenost až na 1,6 m.
•
Svařování tenkých plechů v automobilovém průmyslu bez ochranné atmosféry
[4]
3.3.1
Příprava svarových ploch:
Vzhledem k vysoké hustotě energie nejsou na čistotu povrchu svařovaných materiálů kladeny zvláštní požadavky, poněvadž veškeré tuky a nečistoty jsou před natavením svarové lázně odpařeny. Optimální mezera mezi svařovanými materiály je přibližně stejná jako u svazku elektronů a pohybuje se mezi 0,05 až 0,2mm.U tenkých plechů v tisícinách mm. V případě větších mezer lze použít přídavný materiál ve formě drátu a překlenout širší mezery. [4]
3.3.2
Svařování laserem:
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
22
část záření svazku a snižuje hloubku průniku fotonů. Tato plazma se běžně vychyluje ofukováním ochranným plynem Ar, Ar + CO2, N2 a nejlepší výsledky vykazuje He. Ochranný plyn současně chrání tavnou lázeň a tuhnoucí svarový kov před oxidací vzdušným kyslíkem. Vliv indukované plazmy se dá také ovlivnit pomocí nastavených parametrů svařování. Parametry musí být nastavené tak, aby se materiál neodpařoval dokud se neprohřeje do oblasti tavení v podpovrchové vrstvě. Tímto způsobem se vytvoří svarový kráter s příhodným rozložením taveniny. Naopak u řezání při vyšší hustotě energie se podpovrchové vrstvy ohřejí jen minimálně. Většinou se svařuje bez přídavných materiálů, ale vývoj směřuje i k využití drátových přídavných materiálů. Obecně je svařitelnost materiálů podobná jako u metody WIG. Rychlost ochlazování je díky malému vnesenému teplu vysoká a proto u ocelí nesmí překročit obsah uhlíku hodnotu 0,2%. Výborné výsledky svařování se dosahují u vysokolegovaných ocelí, niklu, molybdenu.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 atd. [4]
3.4 Svařování metodou WIG(TIG): Při svařování metodou WIG hoří oblouk mezi netavící se elektrodou a základním matriálem. Ochranu elektrody i tavné lázně před okolní atmosférou zajišťuje netečný plyn o vysoké čistotě minimálně 99.995%. Používá se argonu, helia nebo jejich směsí. Svařování lze realizovat s přídavným materiálem ve formě drátu ručním způsobem, nebo automatické svařování s podavačem drátu s proměnnou rychlostí jeho podávání dle postupu svařování. Obecně lze svařování rozdělit dle druhu proudu na svařování střídavým proudem pro hliník, hořčík a jejich slitiny a svařování stejnosměrným proudem pro středně a vysokolegovanou ocel, měď, nikl, titan,zirkon, molybden a další. Pro svařování uhlíkové oceli se metoda WIG používá méně z důvodu nebezpečí vzniku pórů ve svaru a z ekonomického hlediska. Svařování wolframovou elektrodou se používá i pro spojování obtížně svařitelných materiálů s vysokou afinitou ke kyslíku např. titan a zirkon . Lze svařovat i různorodé materiály – ocel s mědí, bronzem nebo niklovými slitinami a návary v oblasti renovací např. nástrojové oceli, niklové a kobaltové tvrdonávary.
23
Svařování WIG má výrazný růst objemu svářečských aplikací což se připisuje vysoké kvalitě spojů, operativností řízení procesu svařování a vysokému stupni automatizace a robotizace. [3]
Obr. 4 Svařování metodou WIG/TIG [3]
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
24
Svařování WIG má proti jiným metodám tavného svařování tyto metalurgické a technologické výhody: a) inertní plyn zabezpečuje efektivní ochranu svarové lázně a přehřáté oblasti základního materiálu před účinky vzdušného kyslíku, b) inertní plyn zabraňuje propalu prvků a tím i vzniku strusky - výsledkem je čistý povrch svaru, c) vytváří velmi příznivé formování svarové housenky na straně povrchu i kořenové části svaru, d) nevyžaduje použití tavidel, ale lze je použít, e) vytváří elektrický oblouk vysoké stability v širokém rozsahu svařovacích proudů, f) zajišťuje vysokou operativnost při svařování v polohách, g) zabezpečuje svary vysoké celistvosti i na materiálech náchylných na naplynění a oxidaci při zvýšených teplotách, h) jednoduchá obsluha a přesná regulace parametrů svařování, i) svary mají malou tepelně ovlivněnou oblast a minimální deformace, j) svarová lázeň je viditelná a snadno ovladatelná, k) možnost velmi přesného dávkování množství tepla vneseného do svaru, l) svařovací oblouk je velmi flexibilní – jeho tvar a směr lze snadno ovládat magnetickým polem. [3] Z důvodu výše uvedené charakteristiky se svařování WIG používá v těchto oblastech: •
svařované konstrukce z vysokolegovaných ocelí pro chemický, farmaceutický a potravinářský průmysl, klasickou i jadernou energetiku
•
žárupevné a žáruvzdorné oceli pro stavbu kotlů, tepelných výměníků a pecí
•
titanové a speciální slitiny v oblasti výroby letadel a kosmické techniky
•
svařování hliníkových slitin v oblasti dopravní techniky i všeobecného strojírenství.
[3]
3.4.1
Ochranné plyny:
Ochranné plyny zabezpečují ochranu netavící se elektrody, svarové lázně a její okolí proti vlivům okolního vzduchu, především proti oxidaci a naplynění. Současně vytvářejí příznivé podmínky pro zapálení oblouku a jeho stabilitu, přenos tepla do svaru i jeho tvarování. [3]
25
Argon: Argon (Ar ) je jednoatomový plyn, bezbarvý, bez chuti a zápachu, který je inertní a nevytváří se žádným prvkem chemické sloučeniny. Vyrábí se destilací zkapalněného vzduchu, kde teplota varu argonu při atmosférickém tlaku je – 185,8 C. Ve vzduchu je argonu 0,934%. Argon má malou tepelnou vodivost (obr.7.5)a relativně nízký ionizační potenciál 15,8 eV. Z těchto důvodů se oblouk v argonu dobře zapaluje, má vysokou stabilitu i při relativně velké délce, umožňuje vysokou proudovou zatížitelnost a sloupec oblouku dosahuje vysokých teplot. Hustota argonu je 1,784 kg.m-3 je tedy asi 1.4 krát těžší než vzduch a to přispívá k efektivnosti a velmi dobré schopnosti plynové ochrany především v poloze PA. Má nízkou citlivost na proudění vzduchu. Dnes vyráběná a běžně nabízená čistota plynu je označována 4.5 tj. 99,995 %. Materiály s vysokou afinitou ke kyslíku jako je titan, tantal a zirkon však vyžadují ochranu plynem vyšší čistoty např. 4.8 – 99,998 %, nebo 5.0 – 99,999 %. 0chranu argonu lze použít pro všechny svařitelné materiály a jeho použití je nejběžnější i z cenových důvodů. [3]
Helium: Helium ( He ) je jednoatomový inertní plyn, bez barvy a zápachu. Vyrábí se separací z některých druhů zemního plynu, kde se He vyskytuje v množství kolem 1%. Helium je velmi lehký plyn s hustotou 0,178 kg.m-3 a tato skutečnost snižuje efektivitu plynové ochrany a proto vyžaduje pro dokonalou ochranu svaru vyšší průtok plynu. Helium se vyrábí s velmi vysokou čistotou min. 99,996 % ( 4.6 ) s limitovaným obsahem nečistot kyslíku, dusíku a vodní páry od 5 do 20 ppm.( ppm je desetitisícina procenta ) Helium má podstatně vyšší tepelnou vodivost než argon obr.7.5. Ionizační potenciál helia 24,6 eV je také vyšší než u argonu a proto se oblouk špatně zapaluje a je nestabilní při větší délce oblouku. Diky vysoké tepelné vodivosti je přenos tepla v oblouku velmi vysoký a proto se směsi s heliem používají pro svařování materiálů s vysokou tepelnou vodivostí větších tloušťek především hliníku a mědi včetně jejich slitin. Použitím helia ve směsi s argonem se zvýší
26
hloubka závaru a zvýší rychlost svařovaní. Svařování v čistém heliu vyžaduje také zdroje s vysokým napětím naprázdno až 100V a zapalování oblouku se provádí pod ochranou atmosférou argonu. He je velmi vhodné také pro mechanizované způsoby svařování. [3]
Směsi argonu a helia: Směsi argonu a helia tvoří samostatnou skupinu inertních plynů.Ve směsi jsou spojeny výhodné vlastnosti obou plynů a pro svařování WIG se nejčastěji požívají tyto kombinace 70% Ar + 30% He, Ar-He 50/50, 30%Ar + 70% He. Se stoupajícím obsahem helia se zvyšuje napětí na oblouku a tepelný výkon oblouku, což se pozitivně projevuje na tvaru a rozměrech svaru. Při svařování v uvedených směsích se zvyšuje rychlost svařování, hloubka závaru, nebo lze snížit předehřev kovů s vysokou tepelnou vodivostí. V dnešní době jsou směsi namíchány již v tlakových lahvích a směšovací zařízení se používá vyjímečně. Směsi argonu a helia se používají především pro svařování mědi a hliníku ručním nebo strojním způsobem a pro ostatní kovy se doporučují pro mechanizované svařování větších tloušťek. Např. rychlost svařování slitiny hliníku ve směsi ArHe 50/50 se zvýšila o 100% oproti čistému argonu. [3]
Směsi argonu a vodíku: Podobné vlastnosti jako argon s heliem má i směs argonu s vodíkem, který zlepšuje díky velmi vysoké tepelné vodivosti energetickou bilanci oblouku. Přídavkem vodíku 5 až 10% se zlepšuje také čistota povrchu svaru díky redukci oxidů. Vodík se však může používat jen pro svařování vysoce legovaných austenitických a austeniticko-feritických CrNi oceli , nebo niklu a jeho slitin. Podílem až 10 % vodíku se zlepšuje tvar a hloubka závaru i rychlost svařování o 30 – 50 %. Směs s vodíkem se nesmí použít pro svařování martenzitických i feritických CrNi ocelí, poněvadž způsobuje praskavost za studena a pro svařování hliníku a mědi z důvodu nebezpečí vysoké pórovitosti svaru. Díky redukčnímu charakteru vodíku je povrch svaru bez oxidů a nečistot. [3]
27
Směsi argonu s dusíkem: Dusík podobně jako vodík je dvouatomový plyn, který má vyšší tepelnou vodivost a přenáší do svarové lázně větší podíl tepla. Běžný obsah dusíku se pohybuje kolem 10% a používá se především pro svařování mědi a její slitin. [3]
Formovací plyny pro ochranu kořene svaru: Formovací plyny se používají proti oxidaci kořene svaru a vysokovyhřáté oblasti okolního základního materiálu. Používají se inertní, redukční nebo nereagující se svařovaným materiálem. Pro svařování vysokolegovaných austenitických ocelí a niklových slitin můžeme jako formovacího plynu použít směs argonu s 2 až 10 % vodíku a nebo dusíku s 5 až 20 % vodíku. Tyto slitiny nejsou náchylné na vodíkovou křehkost. Všechny ostatní materiály Ti, Zr, martenzitické a feritické oceli atd. z důvodů nebezpečí vzniku trhlin nebo pórovitosti vlivem vodíku musíme chránit inertními plyny He, Ar. Při svařování trubek nebo dutých těles ve svislé poloze se musí formovací plyn těžší než vzduch – Ar přivádět do spodní části svařovaného úseku, aby tvořící se plynový válec vytěsnil vzduch bez promísení směrem nahoru. Ze stejného důvodu se v případě lehčího plynu - dusík + vodík, nebo helium přivádí plyn do horní části a vytlačuje vzduch spodem. [3]
3.4.2
Přídavné materiály:
plní při svařování metodou WIG několik funkcí: a) doplnit objem svarového kovu a vytvořit svar požadovaného tvaru a průřezu, b) legovat svarový kov přísadami, které zlepšují užitné vlastnosti svaru, c) dodat do svarového kovu přísady, které zajišťují desoxidaci, odplynění a příznivě ovlivňují metalurgické děje ve svarovém kovu, d) zlepšit formování svaru, smáčení svarových ploch a operativnost při svařování v polohách. [3] Přídavné materiály se rozdělují na svařovací tyčky, pro ruční svařování a svařovací dráty pro strojní metody. Mají vhodné chemické složení a kvalitní jakost povrchu.
28
Svářecí tyčky jsou dráty kruhového průřezu s dostatečnou tuhostí o průměrech 1 až 8 mm a délce 600 až 1000 mm. Při svařování se používají tyčky plného průřezu, nebo plněné legujícími, případně karbidickými přísadami pro navařování. Svařecí dráty pro mechanizované metody svařovaní jsou dráty přesného kruhového průřezu navinuté rovnoměrně na cívkách. Svářecí dráty se dodávají od průměru 0,6 až 2,4 mm, pro navařování do 5mm. Dráty z mědi , hliníku a jejich slitin musí mít střední stupeň tvrdosti po deformačním zpevnění, které zajišťuje tuhost při mechanizovaném podávání do místa svaru. [3]
Přídavné materiály se navrhují podle těchto zásad: a) chemické složení přídavných materiálů má být stejní nebo podobné jako základní materiál, b) pro dynamicky zatížené konstrukce z oceli je nutno volit přídavné materiály svarový kov s lepšími mechanickými vlastnostmi než základní materiál, c) pro svařování materiálů s citlivostí na horké trhliny je nutno použít přídavné materiály snižující tuto praskavost, d) na svařování materiálů s vysokou odolností proti korozi je třeba použít přídavné materiály stejného chemického složení a stejné čistoty jako základní materiál, e) pro svařování nerezavějících ocelí stabilizovaných titanem je nutno použít přídavné materiály stabilizovány niobem z důvodu nižšího propalu při průchodu elektrickým obloukem. [3]
4
METODY HODNOCENÍ KVALITY SVARU:
4.1 Typy vad: Ve skutečnosti není žádný kovový materiál zhotovený běžnými technickými postupy bez vad. V každém kovovém materiálu je již od výroby veliké množství submikroskopických vad (na úrovni krystalových mřížek, atomů a zrn), které zcela zásadně ovlivňují vlastnosti každého kovového materiálu. Takovéto vady obsahují ale všechny technicky vyrobené materiály a proto si to mnohdy ani neuvědomujeme a zaměřujeme se hlavně na vady
29
makroskopické, které jsou snadněji zjistitelné a jsou pochopitelnější. Dále se proto budu zabývat již jen vadami makroskopickými, které jsou mnohem snáze zjistitelné běžnými technickými prostředky (vizuálně, ultrazvukem atp.) a které podstatně určují tu část užitných vlastností, kterou můžeme technicky ovlivnit, například správnou technologii svařování. Vadou výrobku se obecně rozumí každá odchylka od vlastností předepsaných technickými normami, technickými podmínkami případně smluvním vzorkem. Vady výrobku mohou být zjevné, které lze zjistit při prohlídce výrobku pouhým okem nebo jednoduchými pomůckami nebo skryté, které obvykle zjistíme pomocí přístrojů nebo laboratorními zkouškami. Podle ustanovení příslušných předpisů, mohou být vady přípustné nebo nepřípustné. Vady přípustné jsou takové, které normy, technické podmínky nebo smluvní vzorek dovolují a jejich odstranění není nutné. Vady nepřípustné jsou takové, které neodpovídají povoleným hodnotám. Tyto vady mohou být buď opravitelné nebo neopravitelné. Problémy vznikající u všech procesů svařování se převážně týkají necelistvostí. Defekty vyskytující se ve svarových spojích a návarech můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin. Jsou to vady plošné a objemové. Do první skupiny zařazujeme vady typu trhlin, neprůvarů a studených spojů, do druhé potom především vady typu pórů, bublin, kovových i nekovových vměstků, ale také zápaly vruby, nedodržení rozměrů a nepravidelnost povrchu svarů. [7] Rozdělení vad svarů: Vady svarů se rozdělují podle polohy vady ve svaru na : •
vady povrchové, které se nacházejí na povrchu svaru (líc i rub, neboli kořen svaru)
•
vady vnitřní, které se vyskytují pod povrchem svaru a nevystupují vůbec na povrch svaru
Podle charakteru se rozdělují a číselně označují podle normy ČSN EN ISO 6520-1 na : •
trhliny (ty se dále dělí např. na podélné, příčné, kráterové, nespojité, rozvětvené …)
•
dutiny (např. póry, bubliny, staženiny – vyskytují se jako jednotlivé nebo ve shlucích a řádcích)
•
vměstky (např. struskové, tavidlové, oxidické, kovové)
30
•
studený spoj (není zde kovová vazba, materiál nebyl nataven a je pouze „nalepený“)
•
neprůvar, neprovařený kořen (když jedna nebo obě strany svarové plochy kořene nejsou nataveny)
•
vady tvaru a rozměru (zápaly, vruby v kořeni, vruby mezi jednotlivými housenkami, nadměrné převýšení svaru, přetečení krycí nebo kořenové vrstvy, lineární přesazení, neúplné vyplnění svaru, nepravidelná šířka, vadné napojení )
•
různé vady (např. stopa po hoření oblouku, rozstřik, vytržený povrch, vada stehu, brusné stopy )
[7]
4.2 Kontrola svarů: Kontrolu svarů (zkoušky svarů) rozdělujeme podle vlivu, který mají na svarový spoj na •
nedestruktivní (nedochází k porušení svaru)
•
destruktivní ( s porušením svaru, například jeho rozlomením)
Nedestruktivní zkoušky svarů jsou nejrozšířenější skupina zkoušek svarových spojů, protože výrobky se po zkoušce dají bez problémů dále používat. Vycházejí z jednoduchého (ale i velmi zjednodušeného názoru), že pokud se ve svarovém spoji nevyskytují vady (nebo jenom malé, málo četné nebo málo závažné vady), tak bude svarový spoj dobře sloužit v provozu. Toto tvrzení je jen částečně platné, ale v praxi většinou nemáme možnost ověřovat zcela prokazatelně všechny užitné vlastnosti svarových spojů. Např. pevnost svarového spoje, plastické vlastnosti, odolnost proti cyklickému namáhání a podobně nelze vůbec spolehlivě určit z nedestruktivních zkoušek. Proto je nutné přijmout fakt, že nedestruktivní zkoušky prokáží pouze částečně dosažené užitné vlastnosti svarového spoje. Zbytek užitných vlastností buď neprokazujeme vůbec (nejde to a nejistotu zohledníme například různými bezpečnostními koeficienty při návrhu a výpočtu svarového spoje), nebo prokazujeme zkouškami destruktivními na zvláštních kusech (zkušebních výrobcích, kontrolních svarových spojích) určených pouze ke zkouškám a pak k likvidaci. Vycházíme pak z předpokladu, že pokud všechny zkoušky zkušebního kusu vyhoví požadavkům, tak tato technologie svařování bude dávat dobré výsledky i u dalších vyrobených kusů. To ale platí za předpokladu, že budeme dostatečně přesně opakovat všechny technologické podmínky použité (zjištěné a zaznamenané) při svařování zkušebního kusu. [7]
31
4.2.1
Nedestruktivní zkoušky:
•
vizuální
•
penetrační (kapilární)
•
magnetická prášková
Vnitřní vady se zjišťují metodami: •
prozářením
•
ultrazvukem
4.2.1.1 Vizuální zkouška: Provádění vizuální kontroly se řídí normou ČSN EN 970. •
nejjednodušší, nejdostupnější a zároveň nejlevnější defektoskopická metoda
•
vizuální kontrola přímá - prováděnou pouhým okem nebo při použití jednoduchých optických pomůcek – lupy
•
nepřímá - prováděnou pomocí optických přístrojů
•
vizuální hodnocení by mělo následovat po každé dílčí části svařovacího procesu
•
vizuální zkouška je jediná metoda u které se hodnotí přímo samotné vady, u všech ostatních zkoušek se posuzuje pouze indikace
4.2.1.2 Zkouška penetrační – kapilární: Kapilární zkouška se provádí podle normy ČSN EN 579-1 a svary se vyhodnocují podle normy ČSN EN 1289 •
vady musí souviset s povrchem, založena na vzlínavosti některých kapalin např. petrolej
•
první fáze - dokonalá příprava povrchu, umytím a odmaštěním zkoušeného povrchu.
•
druhá fáze je nanesení zkušební kapaliny (penetrantu) na zkoušený povrch
•
třetí fáze je odstranění přebytku penetrantu umytím povrchu (většinou proudem vody) od zkušební kapaliny, nesmí dojít k vyplavení penetrantu
32
•
následuje osušení povrchu a vyvolání indikace, nanesením „vývojky“ (tzn. vytvoření kontrastního a nasákavého podkladu pro kapalinu vzlínající z dutin vady a zajišťuje lepší viditelnost [7]
•
poslední fází je prohlídka zkoušeného povrchu, posouzení a vyhodnocení vad
•
výhodou je nenáročnost, nízká cena, snadná indikace vad a poměrně velká citlivost.
•
nevýhodou je odhalení pouze vad spojených s povrchem
4.2.1.3 Zkouška magnetická prášková: Provádění magnetických zkoušek se řídí normami ČSN EN 1290 a ČSN EN 1291 •
princip je založen na zviditelnění magnetických siločar na povrchu feromagnetických materiálů
•
vystupující siločáry lze zviditelnit například jemným železným prachem, který může být rozptýlený ve vhodné kapalině (např. petrolej) – tzv. polévací zkouška [7]
•
v místě kde vycházejí siločáry z povrchu zkoušeného svaru dojde k ulpění železného prachu a tím ke zviditelnění vady. V neporušených místech železný prach neulpí a steče dolů [7]
•
pro lepší kontrast a zvýšení citlivosti metody natíráme například zkoušený povrch bílou barvou, nebo železný prach značkujeme fluoreskující barvou, která po osvětlení ultrafialovým světlem intenzivně září [7]
•
výhodou magnetické zkoušky je rychlost, malé náklady na zařízení, snadná obsluha a schopnost odhalit i podpovrchové vady [7]
•
nevýhodou je práce se špinavou kapalinou, možnost opálení povrchu při magnetizaci průchodem proudu, obtížná zjistitelnost malých a oblých vad [7]
4.2.1.4 Zkouška ultrazvuková: Pro zkoušení ultrazvukem platí norma ČSN EN 1714 a pro vyhodnocení platí ČSN EN 1712 •
princip je založen na odrazu vlnění na rozhraní dvou odlišných prostředí
•
nejjednodušší metodou zkoušení ultrazvukem je metoda průchodová. Vady v materiálu jsou překážkou, za níž se vytvoří ultrazvukový stín, tj. akustický tlak procházející ultrazvukové vlny se sníží. Na dvou protilehlých površích se souose
33
umístí vysílací a přijímací sonda. Základem metody je měření hodnoty ultrazvukové energie, která projde zkoušeným předmětem. Pokud je mezi vysílačem vada, akustický tlak poklesne a tím zjistíme, že je v materiálu vada. Tato metoda je vhodná pro zkoušení výrobků menších tlouštěk s rovnoběžnými povrchy přístupnými z obou stran. Nevýhodou je nemožnost odlišit, zda pokles akustického tlaku je v důsledku vady nebo nedokonalým akustickým navázáním. Další nevýhodou je, že se musí použít dvě oddělené ultrazvukové sondy, které musí být umístěny souose. [7] •
nejrozšířenější je metoda odrazová – impulsová. Princip metody spočívá ve vysílání krátkého ultrazvukového impulsu, který se odráží od všech rozhraní (vad i povrchů), vrací se zpět do sondy a časový průběh je zobrazován na obrazovce. Výhodou této metody je možnost vysílat i přijímat jednou sondou a lze tedy kontrolovat i výrobky přístupné pouze z jedné strany. [7]
•
obtížně jsou však zjistitelné objemové vady (bubliny, póry) a plošné vady umístěné rovnoběžně se směrem vlnění. Nelze téměř vůbec usuzovat typ vady (nelze zjistit zdaly jde o bublinu, pór či trhlinu). [7]
4.2.1.5 Zkouška prozářením (RTG): Pro zkoušku prozářením platí norma ČSN EN 1435 a pro vyhodnocení radiogramů pak
ČSN EN 12517 a ČSN EN 25817 •
nejstarší metoda
•
princip spočívá v pohlcování záření a v následném zviditelnění, kde se na místech vad objeví tmavší místa
•
jako zdroje záření se používají rentgenové lampy
•
velmi drahá zkouška, vyžaduje speciální zařízení a vyškolený personál
•
nebezpečné lidskému zdraví
4.2.1.6 Další zkoušky: Existují i další nedestruktivní zkoušky, jako je např. zkouška těsnosti, používaná u nádob nebo potrubních systémů, kdy se zkouší buď tlakem kapaliny nebo plynu tak, že se tlak zvyšuje až na předepsanou hodnotu a pak se po určitou dobu nezvyšuje, ale sleduje se a
34
měří jeho pokles. U ultrazvukové zkoušky existují např. metody impedační, odrazovérezonanční nebo akustická emise. [7]
4.2.2
5
Destruktivní zkoušky:
•
příčná zkouška tahem (ČSN EN 895)
•
zkouška lámavosti (ČSN EN 910)
•
zkouška rázem v ohybu (ČSN EN 875)
•
zkouška rozlomením (ČSN EN 1320)
•
zkouška mikro a makro struktury (ČSN EN 1321)
•
zkouška tvrdosti (ČSN EN 1043-1)
ZÁVĚR:
V bakalářské práci jsem se zbýval metodami svařování legovaných ocelí. Legovaná ocel je materiál s obtížnou svařitelností. Nejčastěji se používají následující metody svařování: •
metoda MIG/MAG. Tato metoda je založena na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou a základním materiálem v ochranné atmosféře aktivního plynu.
•
metoda WIG v dnešní době označované jako TIG. Při této metodě hoří oblouk mezi netavící elektrodou a základním materiálem. Ochranu elektrody i tavné lázně před okolní atmosférou zajišťuje netečný plyn.
A dále se používají také speciální metody tavného svařování jako: •
svařování laserem – jehož nejčastější použití je v sériové a hromadné výrobě při udržení vysoké kvality svarového spoje, kterého by se běžnými konvenčními metodami nedosáhlo
•
svařování plazmou – jejíž předností je stabilní svařovací proces, umožnění svařování bez podložení kořene až do 10 mm a vysoká kvalita a produktivita procesu při minimálním tepelném ovlivnění svařovaného materiálu
K hodnocení kvality svarového spoje se používá metod nedestruktivních – metody vizuální, penetrační, magnetická, prozářením a ultrazvukem. A metod destruktivních jako například zkouška lámavosti, příčná zkouška tahem, zkouška rázem v ohybu, zkouška rozlomením, zkouška mikro a makro struktury a zkouška tvrdosti. Destruktivní zkoušky jsou obdobou zkoušek mechanických vlastností materiálu.
35
6
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY:
Citace: 1. Němec, J.: Svařování korozivzdorných a žárovzdorných ocelí, SNTL, Praha, 1975, 168 s, 2 vydání 2. Kovařík, R., Černý, F.: Technologie svařování, Západočeská univerzita Plzeň, 2000, 186 s, 1 vydání, ISBN 80-227-2490-4 3. Kubíček, J.: Technologie II – část svařování, díl 1 základní metody tavného svařování, sylabus přednášek, VUT, 2006, http://ust.fme.vutbr.cz/svarovani/opory_soubory/technologie_2__svarovani/technologie_2_ _svarovani_tavne.doc 4. Kubíček, J.: Technologie II – část svařování, díl 2 speciální metody tavného, tlakového svařování, sylabus přednášek, VUT, 2006, http://ust.fme.vutbr.cz/svarovani/opory_soubory/technologie_2__svarovani/technologie_2_ _specialni_metody_svarovani.doc 5. Hluchý, M., Kolouch, J.: Strojírenská technologie 1 – 1 díl, nauka o materiálu, SCIENTA spol. s.r.o, Praha, 1999, 216 s, ISBN 80-7183-150-6 Internetové stránky: 6. http://www.kmt.vslib.cz/stare/predm-zs/nm1-d/vliv-leg.ppt 7. u12123.fsid.cvut.cz/podklady/TE1/def_kontrola_sv.pdf
36
37
