Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Svařování hliníkových slitin wolframovou elektrodou Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: Tomáš Hartman
Brno 2014
Zadání
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci: Svařování hliníkových slitin wolframovou elektrodou vypracoval/a samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb.,o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací.
Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše.
V Brně dne:………………………..
…………………………………………………….. podpis
PODĚKOVÁNÍ Rád bych zde poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za cenné rady, pomoc s experimentální částí, odborné konzultace a ochotu během psaní mé bakalářské práce. A také bych rád poděkoval firmě ANTICO za možnost přichystání vzorků pro experimentální část.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na vytváření nerozebíratelného spojení svařením hliníku a jeho slitin metodou TIG. Je zde podrobně popsána svařovací metoda TIG a její využití. V druhé části jsou podrobně popsány hliník a hliníkové slitiny a problémy při svařování dílu z těchto materiálu. Metody, jimiž lze vytvářet nerozebíratelné spojení svařením a podmínky pro vytvoření spojení dvou dílů. V experimentální části se bakalářská práce zabývá porovnáváním kvality svaru nových dílů a dílů renovovaných. Svary podrobujeme tahové zkoušce, metalografickému zkoumání, popsání vad a vyhodnocení kvality svaru. Ve třetí části je popsána bezpečnost a hrozí nebezpečí při svařování. Klíčová slova: Svařování, wolframová elektroda, inertní plyn, hliník a jeho slitiny, svar bezpečnost. ABSTRACT This thesis focuses on undetachable endless connection by aluminum welding and its alloys by TIG methods. Detailed description of TGI welding method is included in the thesis. The second part deals with a detailed description of aluminum, aluminum alloys, problems that can occur in the process of welding, methods used for creating of undetachable endless connection by welding and conditions for creating of the connection of two parts. Theoretical part of the thesis focuses on comparing of the quality of new links between parts and renovated parts. Links undergo tensile test, metallographic examination, description of defects and evaluation of the quality of the link. The third part of the thesis focuses on safety and possible dangers from welding. Key words: Welding, tungsten electrode, inert gas, aluminum and his alloys, link security.
Obsah 1.
ÚVOD ....................................................................................................................... 8
2.
CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 9
3.
POPIŠTE SVAŘOVACÍ PROCES NETAVÍCÍ SE WOLFRAMOVOU
ELEKTRODOU................................................................................................................ 9 3.1
Technologie svařování netavící se elektrodou ................................................... 9
3.1.2 Princip svařování ........................................................................................... 10 3.1.3 Svařovací elektrický oblouk TIG ................................................................... 10 3.1.2 Zápal oblouku ................................................................................................ 11 3.2
Ruční svařování ................................................................................................ 12
3.3
Svařování automatem ....................................................................................... 13
3.4
Svařovací plyny ................................................................................................ 14
3.5
Přídavný materiál ............................................................................................. 15
3.6 Wolframové netavící se elektrody ........................................................................ 16
4.
3.6
Svařovací hořák pro netavící se wolframové elektrody ................................... 16
3.7
Výhody a nevýhody oproti ostatním svařovacím metodám ............................. 17
SVAŘITELNOST HLINÍKOVÍCH SLITIN.......................................................... 18 4.1
Hliník a jeho slitiny .......................................................................................... 18
4.1.2 Hliníkové slitiny ................................................................................................ 18 4.2
Svařitelnost hliníkových slitin.......................................................................... 19
4.3
Metody svařování hliníku a jeho slitin ............................................................. 20
4.4 Přídavné materiály pro svařování hliníku a jeho slitin metodou TIG ................... 23 4.4
Vady svarů hliníku a jeho slitin ....................................................................... 25
5. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ...................................................................................... 26 5.1 Příprava vzorků ..................................................................................................... 26 5.2 Ověření pevnosti svaru trhací zkouškou ............................................................... 27
5.3 Metalografické hodnocení kvality svaru ............................................................... 29 6. BEZPEČNOSTNÍ ZÁSADY PŘI SVAŘOVÁNÍ ...................................................... 31 6.1
Rizika při svařování ......................................................................................... 31
6.2
Svařování v otevřených prostorách a pracovištích ........................................... 32
6.2.1 6.3
Pracoviště svářeče ..................................................................................... 32
Svařovaní v uzavřených prostorách ................................................................. 33
6.4 Nebezpečí při svařování ........................................................................................ 33 6.5 Osobní ochranné pomůcky ................................................................................... 33 6.6 Zvýšené nebezpečí při svařování .......................................................................... 34 7. ZÁVĚR ....................................................................................................................... 35 8. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ........................................................................ 36 9. SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................ 37 10. Přílohy ....................................................................................................................... 37
1. ÚVOD Svařováním vytváříme nerozebíratelné spojení, které je známo zhruba od roku 1840. Samotný svařovací proces proběhne při dodání určitého množství energie do místa spojení dílů. Pro svařování se využívá několik metod od svařování plamenem, tavící se či netavící se elektrodou, svařování plasmou, laserem, odporem až po nejběžnější svařování obalenou elektrodou. Každá z těchto metod se hodí pro některé materiály více nebo méně. Nejvíce všestranná je však metoda TIG. (Balej Z. a kol., 2009) Obloukové svařování netavící se wolframovou elektrodou v inertním plynu (TIG), se poprvé objevilo ve 30 letech 20. stol. s využitím stejnosměrného proudu a inertního plynu helia. Nejprve byla wolframová elektroda zapojena na plus pól, ale u tohoto řešení docházelo k častému zničení elektrody. Zapojení na plus pól s využitím agonu, dovolovalo úspěšné svařování nerezových materiálu ale, bylo nevhodné pro hliník a jeho slitiny s hořčíkem. Tento nedostatek byl eliminován zavedením střídavého proudu pro svařování hliníku a jeho slitin. V součastné době se svařování wolframovou elektrodou uplatňuje v mnoha oborech výroby a opravě dílů a konstrukcí. Podíl metody (TIG) mezi metodami neustále roste zejména díky těmto výhodám: možnost svářet ve všech polohách, ochrana svarové lázně před nepříznivými vlivy okolní atmosféry a velké zapojení automatizace a robotizace a zvýšení produktivity. Netavící se wolframovou elektrodou jdou svařovat neželezné kovy, korozivzdorné a vysoce či nízko legované oceli a má velké využití v náročném svařování v jaderné energetice, leteckém průmyslu a kosmické technice a to jak automaticky tak ručně. (Minařík V., 2009) Svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu se označuje dle české normy ČSN EN 24 063: v anglosaských zemích TIG (TungstenInert-Gas), WIG (Wolfram-Inert-Gas) v německých zemích a GTAW (Gas-TungstenArc-Welding) v amerických zemích. V souladu s evropskými normami používá ČSN 05 0705 pro označení této metody 141. (Balej Z. a kol., 2000)
2. CÍL PRÁCE Cílem práce je zaměřit se na problematiku svařování hliníkových slitin netavící se wolframovou elektrodou (TIG). Práce je rozdělena do třech hlavních částí, kde se v první části zabývá svařovací metodou netavící se wolframovou elektrodou. V další části se zabývá hliníkovými slitinami a jejich svařitelností. V experimentální části je svařeno několik duralových součástí, na kterých by se měla demonstrovat pevnost a kvalita svaru při svaření nového dílu a dílu který se již někde používal a byl pouze opraven svařením. Získané poznatky jsou vyhodnoceny v závěru. A ve třetí části se práce zabývá bezpečností práce a bezpečnostním opatřením při svařování.
3. POPIŠTE SVAŘOVACÍ PROCES NETAVÍCÍ SE WOLFRAMOVOU ELEKTRODOU 3.1 Technologie svařování netavící se elektrodou Obloukové svařování netavící se wolframovou elektrodou v inertním plynu (TIG) spočívá ve vzniku elektrického oblouku a jeho následného hoření mezi netavící se wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem, přičemž je svarová lázeň, elektroda a její nejbližší okolí ochráněno před účinky okolní atmosféry inertním plynem. Netavící se elektroda je vyrobena buď z čistého wolframu, nebo také z různých aktivujících přísad přísad především oxidu: Thoria, lantanu, ceru, zirkonu nebo ytria. Všechny tyto prvky snižují ohřev, zvyšují životnost a zlepšují vytváření oblouku netavící se elektrody. Technologie svařování netavící se elektrodou využívá stejnosměrného i střídavého proudu. Zda použijeme střídaví či stejnosměrný proud závisí na svařovaném materiálu. Střídavého proudu využíváme u sváření hliníku, hořčíku a jejich slitin. U metody TIG je možno také svařovat přímou nebo nepřímou polaritou. Netavící se elektroda svařovaný materiál nejprve roztaví a až potom je přidán přídavný materiál. To způsobuje lepší prohřátí základního materiálu a dokonalejší provaření dílů a následné spojení svařovaných dílů. (Malina Z., Néma M., 2004)
3
Obr. 1 Svařovací zařízení TIG (www.automig.cz)
3.1.2 Princip svařování Svařování funguje na principu
vytvoření termodynamických podmínek,
při kterých vznikají nové meziatomové vazby. Samotný svařovací proces probíhá tak, že do místa svaru přivedeme velké množství tepelné energie (elektrický oblouk, plasma, laser, plamen), které nám svařovaný materiál roztaví a vznikne svarková lázeň. Zde proběhne jeho spojení slitím svařovaného materiálu. Do svarkové lázně je většinou přidáván přídavný materiál, který po smísení se základním materiálem vytvoří svarový kov spoje. Roztavený kov má tendenci reagovat s některými prvky atmosféry (dusík, kyslík). Reakce těchto plynů ve sváru je nežádoucí, a proto se jí snažíme zamezit použitím ochranných plynů strusek a tavidel. Druh ochrany volíme podle použité technologie svařovaní.(Kovařík R., Černý F., 2000) 3.1.3 Svařovací elektrický oblouk TIG Elektrický oblouk je trvalý elektrický výboj ve vodivém prostředí mezi katodou (- pól) a anodou (+ pól) podmínkou vzniku tohoto oblouku je proud vyšší jak 0,3 A. Typickou charakteristikou je teplota 6-10 tisíc ℃ a intenzivní tepelné 4
a světelné záření. Elektrický oblouk se vyznačuje oblastí plazmy a rekombinační oblastí. Působením vysoké teploty plazmy dochází k naražení kladných iontů a elektronů na záporné a vzniká ionizace. Na tavení kovů metodou TIG se podílí teplota základního materiálu, která závisí na polaritě. Hovoříme o polaritě přímé nebo nepřímé, která závisí na zapojení hořáku na plus nebo mínus pól. Zapojíme li hořák s elektrodou na (-) pól je to polarita přímá, pokud ho zapojíme na (+) pól mluvíme o polaritě nepřímé.
Polarita nám ovlivňuje šířku svaru a hloubku
průvaru. Použijeme-li střídavý proud, bude svár průměrných hodnot polarity přímé a nepřímé. Důležitou základní vlastností proč se vůbec metoda netavící se elektrody v inertním plynu používá, je schopnost obloku odstraňovat povrchové oxidy na svařovaném materiálu. Tento děj se nazývá čistící účinek oblouku a dochází k němu pří zapojení na nepřímou střídavou polaritu. Čistící účinek má hlavní využití při svařování hliníku, hořčíku a jejich slitin tyto materiály vytvářejí na povrchu vrstvu tavitelných oxidů. (Balej Z. a kol., 2009)
Obr. 2 Vliv přímé a nepřímé polarity na svár (Balej Z. a kol., 2009)
3.1.2 Zápal oblouku Elektrický oblouk u metody TIG se může zapalovat dotykově a bezdotykově. Dotykové takzvané zkratové spočívá v dotyku elektrody s povrchem svařovaného materiálu a následného rychlého odtržení na malou vzdálenost. Bezdotykové zapalování (HF) probíhá při vysoké frekvenci a napětí při ionizaci plynu. Zdrojem zápalu je 5
vysokofrekvenční ionizátor. U této metody nedojde oproti dotykové k žádnému styku elektrody s materiálem. Při zapalování obloku nejvíce využíváme bezdotykového zapalování, které nám zaručuje nepoškození wolframové elektrody. (Balej Z. a kol., 2000) U moderních svářecích strojů je možno nastavit zda chceme dotykové či bezdotykové zapalování. U starších strojů bylo využíváno především zkratového zapalování.
Obr. 3 Zapalování oblouku odtrhem a vysokofrekvenčním zapalováním (www.svarbazar.cz)
3.2 Ruční svařování Metodou TIG lze svařovat ve všech polohách. Postup posouvání hořáku bývá dopředu. Tento způsob posouvání má výhodu v předehřívání základního materiálu, který bude svařen a lépe se aplikuje přidávaný materiál. Je nutné udržovat dokonalou inertní ochranu sváru i elektrody plynem a plynulý posuv hořáku. Důležité je také udržet krátký oblouk a zamezit styku elektrody s lázní či přídavným materiálem. Wolframová elektroda by měla být nabroušena do špičky a vysunuta z hořáku o délku 1 až 1,5 násobku průměru elektrody. Po svaření by měl být svár celistvý na povrchu čistý a lesklý. Základem pro dosažení kvalitního svarového spoje je příprava materiálu před svařením. Materiál by měl být očištěn, odmaštěn a odstraněna povrchová vrstva oxidů a to buď mechanicky, nebo chemicky. Očištění provádíme co nejdříve před samotným svařováním. (Hromádko V., 1991) Výhodou ručního svařování je jeho mobilnost a univerzálnost nízká pořizovací cena minimální časové požadavky na nastavení stroje. Nevýhodou může být při delších svarech nerovnoměrnost přidávání svařovacího drátu a vzhled svaru. 6
Obr. 4 Princip svařovaní metodou TIG (www.svarecky-elektrody.cz)
3.3 Svařování automatem Svařování za pomocí automatu může být plně automatické nebo poloautomatické. Automatické svařovací roboty pracují zcela samostatně a jsou řízeny CNC řídícím systémem, který řídí stroj dle naprogramování obsluhou. Obsluha nastaví do počítače požadované údaje a ten pak udává sílu proudu, rychlost přidávání svařovacího drátu směr posuvu svařovacího hořáku a rychlost posuvu. Tyto svařovací automaty jsou vhodné pro sériovou výrobu. Poloautomaty pracují s pomocným podáváním drátu, které je automatické a obsluha pak jen řídí dráhu a rychlost posuvu svařovacího hořáku. Výhodami svařování automatem jsou rovnoměrné sváry, lepší vzhled a vyšší rychlost svařování. Nevýhodou je vyšší pořizovací cena, menší mobilita a delší seřízení stroje.
Obr. 5 Svařovací automat (www.kskct.cz), Poloautomatické svařování (www.automig.cz)
7
3.4 Svařovací plyny Ochranný plyn při svařování metodou TIG zabezpečuje ochranu wolframové elektrody, roztavené lázně a základního materiálu před účinky okolní atmosféry. Mají také velký vliv na zapálení a stabilitu oblouku po celý svařovací proces. Největší využití při svařování v ochranné atmosféře mají argon a helium nebo jejich směsi. Ceny těchto plynů jsou vysoké, proto je zapotřebí zvážit jaký plyn použijeme a v jakém množství. Ochranné plyny jsou uchovávány a přepravovány v plynových lahvích různých velikostí. Tyto lahve jsou barevně označeny dle plynu, který obsahují. (Ambrož O., 2005) Argon Je inertní plyn tzn., že nereaguje s jinými chemickými prvky. Tento plyn nemá barvu, chuť ani zápach a je těžší jak vzduch. Jeho malá tepelná vodivost a nízká ionizační energie usnadňuje zapalování a stabilizaci oblouku. Vyrábí se destilací zkapalněného vzduchu, proto se v něm vyskytují nečistoty jako: dusík, kyslík, vlhkost a vodík. Tyto nečistoty mají nepříznivý vliv na kvalitu svarového spoje. Pro vytvoření co nejkvalitnějšího spoje se používá argon o vysoké čistotě od 99,7% až do 99,999%. Podle čistoty plynu se odvozuje jeho označení. Např. Argon o čistotě 99,9 má označení 2N7 a argon o čistotě 99,996 má značku Ar 4.6. (Balej Z. a kol., 2000) Helium Helium stejně jako argon patří mezi inertní plyny. Tento inertní plyn je lehčí než vzduch a nemá chuť, barvu ani zápach. Vyrábí se štěpením zemního plynu nebo destilací vzduchu. Helium má nízkou ionizační schopnost, ale vyžaduje dvakrát vyšší napětí svařovacího proudu než při využití argonu. Poskytuje vysoký tepelný výkon a díky tomu i vyšší rychlost svařování avšak oblouk se hůře zapaluje a obtížněji hoří. Čistota helia pro svařování se pohybuje od 99.996% do 99.999%. Podobně jako se označuje argon, označujeme i helium. Helium o čistotě 99,996% má značku He 4.6 a helium o čistotě 99.999% má označení He 5.0. (Balej Z. a kol., 2000)
8
Směsi argon + helium Směs plynů argonu a helia se používá pro využití různých vlastností obou těchto plynů zároveň. Množství obsahu helia v argonu se pohybuje od 1 do 95%. Se zvětšujícím obsahem helia se zvyšuje napětí na oblouku a také tepelný výkon což zvyšuje produktivitu práce. Vlastnosti směsí těchto plynů se využívají především při svařování materiálů s velkou tepelnou vodivostí a při větších tloušťkách svařovaného materiálu. Směs těchto plynů se nejčastěji využívá v poměru Ar+He: (70%Ar+30%He), (50%Ar+50%He), (95%Ar+5%He), (80%Ar+20%He). Směsi plynů mají dobré svařovací vlastnosti a využívají se především v automatizovaném svařování. (Malina Z., Néma M., 2004)
3.5 Přídavný materiál Při svařování v ochranné atmosféře volíme přídavný materiál podle druhu základního materiálu, jeho mechanických vlastností a typu svárového spoje. Při výběru přídavného materiálu se vychází z požadavku, aby byl svařovaný spoj stejně kvalitní nebo ještě o třídu kvalitnější jak základní materiál. U dynamicky namáhaných konstrukcí je nutné volit takový přídavný materiál, který vytvoří o třídu pevnější svarový kov než je materiál základní. Přídavný materiál u svařování netavící se wolframovou elektrodou nazýváme svařovací drát. Účelem přidáním svařovacího drátu do svaru je legovat svarový kov a snížit tak riziko vzniku trhlin a dutin, zlepšit formátování svaru, nahradit vypařené prvky a dosáhnout požadovaného tvaru spoje. Svařovací dráty jsou kruhového průřezu vyráběny dle potřebné délky průměru a požadované jakosti. Nejčastěji jsou vyráběny o délce 1 metr a průměrech: 1,2, 1,6, 2,0, 2,4, 3,2, 4,0 mm. Rozměry přídavných materiálu stanovuje norma ČSN EN ISO 544. Označování drátu pro svařování netavící se elektrodou probíhá dle výrobce nebo podle uvedené normy. (Balej Z. a kol., 2009)
Obr. 6 Svařovací drát (www.esab.com)
9
Tab. 1 Označovaní materiálu podle výrobce nebo podle normy. (Balej Z. a kol., 2009) Označení přídavného materiálu podle výrobce Základní materiál ESAB Vamberk BÖHLER Praha LINCOLT Pardubice OERLIKON Tetčice 17 240 OK Tigrod 16.10 EAS 2-IG LNT 304 L NICROTIG 19 9 LC Označení přídavného meteriálu podle normy DIN AWS/ASME EN ČSN EN 10027-2 SGX2 CrNi 19 9 ER 308 L W 19 9 L 1.4316
3.6 Wolframové netavící se elektrody Wolframové elektrody jsou tyčky kruhového průřezu, které mají za úkol přivést elektrický proud do svaru a koncentrovat elektrický oblouk do místa svařování. Netavící se elektrody jsou vyráběny z čistého wolframu nebo wolframu s přísadami legovacích prvků ZrO2 , CeO2 , ThO2 , LaO2 . Na výrobu elektrod se využívá wolfram z důvodu jeho vysoké teploty tavení 3410 ℃. S využitím legur se blíží teplota tavení až k 4200℃. Výroba elektrod je normována dle ČSN EN 26848 a jsou vyráběny v průměrech od 0,5, 1, 1,6, 2.5, 3,2, 4, 5, 6,3, 8, až do 10 mm a v délkách od 50, 75, 150 do175 mm. Průměr elektrody pro svařování odvodíme od velikosti a druhu použitého proudu, polaritě, složení ochranného plynu a druhu základního materiálu. Nelegované elektrody jsou nejvíce využívány při svařování hliníku a hořčíku. Konce hrotu wolframových elektrod jsou broušeny do určitého tvaru, nejčastěji do špičky. Touto úpravou zabráníme proudovému přetížení hrotu a jeho odtavení. (Minařík V., 2007)
3.6 Svařovací hořák pro netavící se wolframové elektrody Svařovací hořák je zařízení, které nám slouží k přívodu elektrického proudu na elektrodu a také přívodu a umístění inertního plynu do prostoru svaru. Velikost hořáků a konstrukce pro svařování metodou TIG je odvozena od zatížení svařovacím proudem. Svařovací hořáky mohou být chlazené vzduchem nebo pro vyšší hodnoty proudu jak 90 A vodou. U vzduchem chlazených hořáku se využívá plynová keramická tryska, tyto trysky jsou nevodivé, mají dobré tepelně izolační vlastnosti jejich nevýhodou je malá životnost. Hořák chlazený vodou využívá trysky kovové, ale je možno používat i keramické. Důležitou součástí hořáku je kleština wolframové elektrody, která fixuje polohu elektrody v hořáku a zabezpečuje přívod svařovacího proudu. Další část hořáku 10
tvoří dýzy (hubice), které usměrňují výtok inertního plynu a tím vytváří kvalitní krytí svarové lázně plynem. Jsou vyráběny v různých délkách a průměrech. Jejich velikost je volena v závislosti na velikosti svařovacího proudu. Svařovací hořáky by měli splňovat tyto požadavky: dokonalé chlazení hořáku, okamžité nastartování elektrického oblouku, snadnou výměnu wolframové elektrody a dokonalou těsnost všech spojů. (Minařík V., 2007)
Obr. 7 Popis TIG hořáku (www.carcraft.com)
3.7 Výhody a nevýhody oproti ostatním svařovacím metodám Výhodou
svařovací
metody
TIG
je
její
možnost
použití
střídavého
i stejnosměrného proudu zapojení na přímou nebo nepřímou polaritu. Velkým plus oproti metodě MAG a svařování obalenou elektrodou je čistota svaru a jeho okolí, zlepšení hygieny prostředí, možnost svařovat ve všech polohách, možnost automatizace i robotizace a tím i vyšší produktivita svařování. Nadále možnost svařování vysoce legovaných a korozivzdorných ocelí a díky čistícímu účinku také hliník a jeho slitiny. Nevýhodami pak jsou vyšší pořizovací ceny svařovacích strojů, nutnost ochranného plynu a tím i vyšší náklady na provoz, vyšší nároky na zručnost svářeče. (Balej Z. a kol., 2009)
11
4. SVAŘITELNOST HLINÍKOVÍCH SLITIN 4.1 Hliník a jeho slitiny Hliník se v přírodě vyskytuje v rudách Bauxit ve formě Al2 O3 s obsahem 50 % až 60%. Nejprve se z rudy vytvoří čistý Al2 O3 a pak elektrolýzou z taveniny Al2 O3 čistý hliník o čistotě 99,3 % až 99,8 %. Čistota vyrobeného hliníku závisí na podmínkách elektrolýzy a čistotě základní suroviny. Nečistoty obsažené v technickém hliníku jsou převážně železo a hořčík jsou to pozůstatky z bauxitu a nepříznivě ovlivňují některé vlastnosti jako svařitelnost a mechanické vlastnosti. Čistý hliník je stříbrolesklý kov krystalizuje v krychlové soustavě s plošně středěnou mřížkou. Teplotu tavení má 658 ℃ a má malou měrnou hmotnost 2,7 kg.dm3. Hliník má velmi dobrou korozní odolnost. Tato odolnost je dána existencí oxidického filmu Al2 O3 o tloušťce 0,01 mikrometru. Oxid má vysokou teplotní stabilitu o teplotě 2050 ℃ a nerozpouští se v roztaveném kovu a z tohoto důvodu se musí při svařování z povrchu svařovaného dílu odstranit. (Koukal J. a kol., 2009) Pevnost čistého hliníku je okolo 70 MPa lze ji zvýšit legováním nebo tvářením za studena či tepelným zpracováním legovaného hliníku. Z hliníku jdou vytvořit vytvrditelné slitiny a slitiny hliníku legované. Hlavními legujícími prvky u hliníku jsou (Mn, Mg, Cu, Zn, Si). Za slitinu považujeme hliník s obsahem legujících prvků nad 1 %. (Országh V., Országh P., 1998)
4.1.2 Hliníkové slitiny Slitinu hliníku vytvoříme přísadami různých prvků, tyto slitiny se pak vyznačují odlišnými vlastnostmi oproti čistému hliníku. Výhodou jsou zlepšené hodnoty mechanických vlastností. Zmenšená elektrická vodivost a u některých slitin zlepšená nebo naopak zhoršená odolnost proti korozi. Z hliníkových slitin jsou vyráběny materiály pro následné opracovávání a výrobu dílu. Nebo přímo vyráběno zboží. Velké uplatnění mají v dnešní době v leteckém a automobilním průmyslu, ale také v konstrukcích výrobních hal.
12
Tab. 2 Základní materiál z technického hliníku a jeho slitin (Koukal J. a kol., 2009) Označení Chemické složení Hutnické ČSN Technický hliník Fe Nečistoty (Fe + Si) Al 99,85 42 4023 99,85 max. 0,15 Al 99,7 42 4003 99,7 max. 03 Al 99,5 42 4005 99,5 max. 0,5 Tepelně Legury nezpracovatelné Al Mg Mn slitiny 0,15 AlMg2 424412 zbytek 2,0 - 2,8 0,35 AlMg3 42 4413 zbytek 2,5 - 4,0 max. 0,5 AlMg5 42 4415 zbytek 4,0 - 6,0 0,5 - 0,8 AlMn 42 4432 zbytek 1,0 - 1,6
Pevnost v tahu min. Žíhaný 50 60 70
Tvrdý 100 110 130
Žíhaný
Tvrdý
180
270
200 250 110
300 350 190
Cu
Žíhaný
Vytvrzený
3,8 - 4,8 3,8 - 4,9 Si 0,7 - 1,2 Zn 4,0 - 5,0 Mn
180 - 240 180 - 240 110
380 - 400 430 - 450 200 - 280
180 - 200
300 - 360
Si Lité 11,0 AlSi13 42 4330 zbytek 0,3 - 4,45 170 - 220 13,5 AlSi10Mg 42 4331 zbytek 9,0 - 10,0 180 Mg 0,3 - 0,45 AlMg5 42 4515 zbytek 0, - 1,5 4,6 - 5,6 160 - 200
Vytvrzené
Tepelně Al Mg zpracované slitiny AlCu4Mg 42 4201 zbytek 0,4 - 0,8 AlCuMg1 42 4203 zbytek 1,2 - 1,8 AlMgSi 42 4400 zbytek 0,7 - 1,2 AlZnMg1 42 4441 zbytek 1,0 - 1,4 Slévarenské slitiny
Al
240 -
4.2 Svařitelnost hliníkových slitin Největším problémem u svařování hliníku a jeho slitin je povrchová vrstva Al2 O3 . Tento oxid má teplotu tání 2053 ℃ a proto je důležité jeho odstranění před svařováním. Svařitelnost technického hliníku a jeho slitin je velmi dobrá. Za předpokladu využití svařování střídavým proudem v ochranném plynu. Ochranný plyn zaručuje rozrušení oxidační vrstvy. Problémem je také výskyt vodíku ve svaru, který je vázán v okolním vzduchu a způsobuje pórovitost. Hliníkové slitiny jsou také náchylné na vznik horkých 13
trhlin ve svarových spojích. Hliník a jeho slitiny je možno svařovat odporovým svařováním, difúzně, tlakem, plamenem, obloukovými metodami i laserovým paprskem. Nejvíce se v praxi uplatňuje svařování netavící se elektrodou v inertním plynu TIG, nebo tavící se elektrodou v inertním plynu MIG. Využitím těchto metod lze dosáhnout svaru dobré kvality, protože je za použití střídavého proudu odstraněna oxidační vrstva. U svařování hliníkových slitin se využívá inertních plynů argonu a helia. U některých slitin hliníku je zapotřebí využití předehřevu. Na kvalitu a pevnost svaru má velký vliv použitý svařovací drát. Důležitým procesem před svařováním je důkladné očištění a odmaštění svarových ploch. Materiály vhodné pro svařování jsou hliníky, slitiny AlMn, AlMg a AlSi jsou dobře svařitelné a to i bez využití předehřevu. Naopak obtížně svařitelné slitiny jsou AlCuMg, AlMgSi a AlZnMg.(Malina Z., Néma M., 2004)
4.3 Metody svařování hliníku a jeho slitin Hliník a jeho slitiny je možno svařovat odporovým svařováním, difúzně, plamenem, plazmou, výbuchem, třením, ultrazvukem, tlakem za studena, obloukovými metodami i laserovým paprskem. Při svařování tenkých plechů není zapotřebí využití předehřevu. Předehřev zvyšuje šířku tepelně ovlivněné oblasti ale u svařování větších tloušťek je využití předehřevu nevyhnutelné, teplota předehřevu není vyšší jak 200 ℃. Předehřevem snižujeme měrný výkon svařování.(Koukal J. a kol., 2009) Plamenem Plamenem jsou dnes svařovány pouze tenké plechy z technického hliníku a ze slitin Al-Mg a Al-Mn. Přídavný materiál je složením podobný jako základní materiál. Při svařování je nezbytně nutné použití tavidel na bázi chloridů a fluoridů. Kyslíkocetylenový plamen by měl být neutrální nebo minimálním přebytkem acetylenu. Po svaření součástí je nutné odstranit zbytky tavidla za pomoci vody a rýžového kartáče. Po očištění svaru následuje neutralizace sodou. Tato metoda svařování není vhodná pro koutové svary a přeplátované spoje.
14
Obalenou elektrodou Svařování obalenou elektrodou má největší uplatnění v opravárenství. Obaly elektrod jsou na bázi chloridů, fluoridů a kryolitu a jádro je tvořeno hliníkem o 95,5% hm. a slitin AlSi5 a AlSi12. Elektrodu je zapotřebí zapojit na kladný pól, což je obrácená polarita oproti svařování ocelí. Renovujeme-li větší součásti, je vhodné využít předehřev na 150 až 200 ℃. Po svařování je nutné důkladně očistit strusku. Touto metodou není doporučováno opravovat a renovovat mechanicky namáhané spoje. Svařování netavící se elektrodou v ochranném plynu TIG Metoda TIG je nejčastěji využívána pro svařování všech typů technického hliníku a jeho slitin v tloušťkách od 1 do 10 mm a s využitím předehřevu i nad 10 mm. Přídavný materiál je použit dle druhu slitiny, kterou budeme svařovat. Jako ochranný plyn využíváme především argon o čistotě 99,9% výjimečně také a helium. U této metody svařování se využívá střídavého proudu, který má čistící účinek jestliže je elektroda zapojena na plus pól. Výjimku tvoří čisté helium, které umožňuje svařovat stejnosměrným proudem tenké plechy. Čistící účinek spočívá v průchodu iontů povlakem Al2 O3 , dochází zde k jeho rozrušování za jeho součastné disociace vysokou teplotou a k přechodu Al do tuhého roztoku.
Obr. 8 Svařování hliníku metodou TIG (www.rolizo.cz)
15
Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu MIG Metoda WIG je využívána pro svařování hliníku a jeho slitin o tloušťkách materiálu nad 3 mm. Přídavný materiál je drát o síle od 0,8 až do 6 mm, který je
namotán v cívkách. Pro svařování je využita polarita nepřímá s proudem
stejnosměrným nebo pulzním. Jako ochranný plyn je využit argon o čistotě 99,9% nebo směs Ar50 hm. % + He 50 hm. %. Svařování třením Je spojení bez použití ochranného plynu a přídavného drátu. Lze jej využít při svařování hlinkového materiálu a jeho slitin o síle 1,6 až 30 mm a to bez pórů a vnitřních dutin. Touto metodou lze svařovat i některé materiály, které lze obtížně svařovat tavnou metodou.
Obr. 9 Svařování třením (www.controlengcesko.com)
Svařování laserem Svařování hliníku a jeho slitin laserem má problém s vysokou odrazivostí. Z tohoto důvodu je zapotřebí použít laseru s vysokou energii, provádět zdrsnění svařovaného povrchu a v případě nutnosti nanést matný lak. 16
Odporové svařování U použití této technologie je také možno svařovat hliník a jeho slitiny avšak tato technologie vyžaduje dokonalé očištění stykových ploch. Očištěním povrchu získáme minimální přechodový odpor. Při svařování dochází k nalegování povrchu elektrod a to může způsobit zhoršení kvality svaru. Z tohoto důvodu je lepší využít bodové svařování. U bodové metody je styk elektrod s materiálem co nejkratší. Tím dojde k malému tepelnému ovlivnění, proto se využívá k svařování vytvrzených hliníkových slitin. Svařování tlakem za studena Svařování tlakem za studena je metoda, která nachází uplatnění právě při svařování hliníku a jeho slitin. Ke vzniku svarového spoje je zapotřebí síla vyvolávající potřebnou plastickou deformaci. K získání svarového spoje u hliníku potřebujeme minimálně 70% deformaci. Tato metoda nachází využití v elektrotechnice. Pro tupé svary hliníkových vodičů je zapotřebí tlak od 700 MPa. Ostatní metody Metody svařování hliníku a jeho slitin plasmou, difúzně, ultrazvukem, výbuchem a elektronovým paprskem jsou používány jen velmi zřídka v úzkém okruhu výrobků. (Koukal J. a kol., 2009)
4.4 Přídavné materiály pro svařování hliníku a jeho slitin metodou TIG Přídavný materiál by měl být co nejvíce podobný materiálu svařovanému. Materiál by měl být do svaru přidán, aby zlepšil vlastnost svarového kovu a zlepšil mechanické vlastnosti svaru. Svařovat lze i bez přidávaného materiálu, ale spoj nemusí být celistvý a mohou se v něm objevovat propadliny.
17
Tab. 3 Typ přídavných materiálů pro hliník a jeho slitiny (Koukal J. a kol., 2009) ZÁKLADNÍ MATERIÁL Druh Stav Al 99,85 žíhaný Al 99,5 žíhaný AlMn tvrdý AlMn AlMg3 AlMg5 AlMgSi AlZn4Mg1 AlCu4Mg
Přádavný materiál
Mez pevnosti spoje (orientační) Rm [MPa]
Al 99,85 Al 99,5 Al 99,5Ti Al 99,5 Al 99,5Ti AlMn AlMn AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg5 AlMg5, AlSi5 AlMg5 AlMg5 AlSi5
50 - 60 70
žíhaný tvrdý žíhaný tvrdý žíhaný tvrdý žíhaný vytvrzený vytvrzený vytvrzený
70-80 100 100 - 120 180 190 240 250 110 110 - 120 250 - 280 170 - 180
Tab.4 Vrstvení a průměr přídavného materiálu (Koukal J. a kol., 2009)
Přídavný materiál ∅ [mm]
Spotřeba argonu [l. min−1]
1
2
2
1
3
Tloušťka materiálu [MPa]
Počet vrstev
1
Svařovací proud pro polohu svařování [A]
Předehřev
PA
PC
PE
7
60
50
40
-
2-3
7
80
80
75
-
1
3
8
140
135
130
-
4
1-2
3-4
9
180
170
160
-
5
1-2
3-4
10
200
190
170
-
6
2
3-4
10
280
240
230
-
7
2
4-5
12
320
270
260
150
8
2-3
5
14
360
280
270
200
12
3
5
16
420
330
280
200
20
7
5
20 - 25
450
-
-
-
18
4.4 Vady svarů hliníku a jeho slitin Kriterium svarového spoje je celistvost svaru, struktura vnějšího povrchu a požadované mechanické vlastnosti. Pro různé druhy konstrukcí jsou vypracované normy jakosti dle ČSN EN ISO ve kterých je definována přípustnost jednotlivých vad v konkrétních stupních jakostí svarového spoje. Pro hliník je to norma ČSN EN ISO 10040. Stupeň jakosti svaru předepisuje konstruktér. Klasifikace vad zhotovených tavným svařováním udává norma ČSN ENISO 6520-1 vady jsou zde rozděleny do šesti skupin. Sk.1 – trhliny, sk.2 – dutiny, sk.3 – pevné vměstky, sk.4 – studené spoje a neprůvary, sk.5 – vady tvaru a rozměru, sk.6 – jiné vady. (Balej Z. a kol., 2009) Vadami při svařování hliníku a jeho slitin je pórovitost svarů, vznik horkých trhlin a přítomnost oxidické vrstvy Al2 O3 . Pórovitost svárů Pórovitost svarů v hliníkových svarových spojích způsobuje především vodík. Přímý účinek vodíku na vznik bublin a pórů se projevuje ve svarovém kovu. Tento nepříznivý účinek je dán jeho rozpustností v hliníku v závislosti na teplotě. Jakmile začne svarový kov hliníkové slitiny krystalizovat, klesá prudce rozpustnost vodíku, přičemž nedojde k úplnému vyloučení vodíku ze svarového kovu. Hliníkové svary rychle krystalizují a část vodíku zůstává uvnitř svaru a začne se vylučovat, až pod teplotou solidu což zapříčiní vznik bublin a pórů. Snížit pórovitost svaru lze: zkrácením času přímého tavení, minimalizovat zdroje vodíku a použitím vhodné plynové či struskové ochrany lázně. Trhliny ve svarových spojích slitin hliníku Možnost výskytu horkých trhlin je jak ve svarovém kovu tak i v tepelně ovlivněné oblasti. Svary se širším intervalem tuhnutí jsou na horké trhliny náchylnější. Trhliny vzniklé za tepla vznikají, pokud objem eutektika je malý nedostatečným způsobem vyplňuje prostor mezi dendrity. Náchylné na trhliny jsou slitiny s kritickým obsahem legujících prvků. Slitiny AlSi nad 0,6 hm. % Si, Al-Mg nad 1,5 hm. % Mg, AlCu nad 1,7 hm. % Cu. S rostoucí koncentrací leg. prvků náchylnost na vznik trhlin klesá. Snížení náchylnosti na vznik horkých trhlin je použití vhodného přídavného materiálu. 19
Vznik horkých trhlin může také ovlivnit použitá technologie, parametry svařovaní a hlavně předehřev. Oxidace slitin hliníku Výskyt oxidu Al2 O3 na povrchu hliníku a jeho slitin ovlivňuje negativně jeho svařitelnost. Po chemickém či mechanickém odstranění lidické vrstvy vzniká na povrchu okamžitě vrstva nová. K zajištění dobrého metalurgického spojení je zapotřebí vrstvu neustále odstraňovat. Při svařování nejlépe čistícím účinkem argonu. Použitím této technologie docílíme čistšího sváru a tím i jeho vyšší pevnosti. (Koukal J. a kol., 2009)
5. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST V této části bude popsáno svaření dvou dílu z hliníkové slitiny AlMgSi0,5. Jeden díl bude svařen z čistého nového materiálu. Druhý díl bude svařen z materiálu, na kterém bylo simulováno použití dílu v provozu: nanesením mastnoty, následným odmaštěním a svařením. Tento díl bude brán jako renovace poškozeného dílu použitého v provozu. Oba díly se následně podrobí trhací zkoušce v tahu a metalografickému výbrusu svaru. Vyhodnocení výsledku experimentu má přinést objasnění, zda je možno používat poškozené díly z hliníku a jeho slitin, které byly opraveny svařením a opět použity v běžném provozu.
5.1 Příprava vzorků Vzorky bylo nejprve nutné nařezat. Materiálem byla tyč plochá 30×5 mm o délce jeden metr. Z této tyče bylo nařezáno dvacet kusů dílů o délce 30 mm. První polovina byla mechanicky i chemicky očištěna a svařena. Druhá polovina byla namočena do oleje a zahřátá na 60 ℃ a nechána takto po dobu 24 hodin. Následovalo 48 hodin za pokojové teploty. Tento proces se opakoval celkem dvakrát. Tímto procesem byla snaha o simulováno užití v provozu. Následovalo důkladné chemické i mechanické očištění a následné svaření. Vzorky namočeny v oleji byly označeny důlčíkem, aby byly rozlišeny.
20
Obr.10 Řezání základního materiálu
Svaření dílů K zhotovení svaru bylo použito metody TIG. Za pomoci svařovacího invertorového zdroje značky Alfa IN: Alfin 180 AC/DC. Ochranný plyn byl Argon Ar 4.6. Přídavný materiál byl: ER 4043 (AlSi5) je to nejpoužívanější drát pro svařování hliníkových slitin. Svar není náchylný na tvorbu trhlin. Přídavek křemíku umožňuje lepší tavitelnost. (www.esab.cz)
Obr. 11 Svařovací zdroj
5.2 Ověření pevnosti svaru trhací zkouškou Pevnost svaru byla ověřena statickou zkouškou v tahu za pokojové teploty dle ČSN EN ISO 6892-1. Tato zkouška je nejrozšířenější statickou zkouškou a získáme z ní
21
základní parametry meze pevnosti materiálu a prodloužení materiálu. (Strojírenský zkušební ústav, s.p. 2014) Při zkoušce tahem je zkoušený materiál upnut do čelistí trhacího stroje. Jakmile je trhací stroj spuštěn čelisti se od sebe oddalují a materiál je namáhán, až do té doby dokud není přetržen. Moderní trhací stroje nám zaznamenávají celkový průběh zkoušky do datového souboru, kde můžeme sledovat chování materiálu.
Obr. 12 Trhaný materiál. Horní díl nový, dole díl použitý
Podrobení vzorků trhací zkoušce Trhací zkoušce bylo podrobeno celkem 6 svařených dílů. Tři díly nové a tři, které považujeme jako použité. Zkouška byla prováděna trhacím strojem na Mendlově univerzitě v Brně. U všech dílů byla plocha základního materiálu 150 mm2 . Plocha svaru se nedá přesně určit, protože svar má výstupky a propadliny. Dá se však předpokládat, že plocha svaru bude o něco vyšší jak plocha základního materiálu. Všechny díly byly svařeny stejnou technologií a použit stejný přídavný materiál. Proto, výsledky trhací zkoušky byly zprůměrovány a zaneseny do grafu.
22
Nový díl
Renovovaný díl
0 0.299 0.586 0.874 1.165 1.45 1.726 1.911 2.167 2.44 2.72 3 3.283 3.567 3.849 4.135 4.422 4.709 5.001
9000 8000 7000 6000 5000 Síla F [N] 4000 3000 2000 1000 0
Prodloužení [mm]
Obr. 13 Výsledky statické zkoušky tahem
5.3 Metalografické hodnocení kvality svaru K vyhodnocení kvality svaru bylo použito metalografického výbrusu. Tato metoda pojednává o vnitřní stavbě kovů a slitin. Jejím principem je zviditelnění struktury kovu či slitiny a její zkoumání pod metalografickým mikroskopem. Kovy jsou neprůhledné, proto používáme mikroskopy v režimu odrazu. Jelikož vysokou odrazivost mají kovy hladké a lesklé musíme si pozorovaný vzorek řádně připravit. (Kol. autorů VŠCHT., 2.12.2008: Metalografie I. - příprava vzorku pro pozorování mikroskopem. Dostupné na: www.vscht.cz)
Obr. 14 Schéma postupu přípravy vzorků na pozorování
Po důkladné a náročné přípravě jsou vzorky vloženy pod mikroskop a pořízeny fotografie. Snímky podrobíme zkoumání vad. 23
Optické zkoumání vad svaru U všech dílu byl použit jako základní materiál AlMgSi0,5. Z metalografického výbrusu na obr. 15 je viditelné složení základního materiálu. Jsou zde jasně viditelné zrna tuhého roztoku ∝, na hranicích zrn jsou fáze Mg2Si.
Obr. 15 Základní materiál AlMgSi0,5
Nečistoty ve svaru jsou viditelné na obr. 16 kde je svar dílu simulujícího použití v praxi. Vlivem nečistot a vzdušné vlhkosti dochází k šíření trhlin napříč svarovým kovem. V základním materiálu svarového kovu Al jsou vyloučeny lobulární částice 2Si.
Obr. 16 Svar dílu simulující použití v praxi
24
Na obr. 17 je viditelný svarový kov a základní materiál. Vlivem tepelného gradientu dochází k šíření trhlin i v tepelně ovlivněné oblasti okolo svarové housenky.
Obr. 17 Přechod svaru do základního materiálu
6. BEZPEČNOSTNÍ ZÁSADY PŘI SVAŘOVÁNÍ 6.1Rizika při svařování U svařování rozlišujeme riziko základní a riziko specifické. Základní riziko může vést ke vzniku a šíření požáru či dokonce k výbuchu a to působením tepla. Především tepla (plamene, elektrického oblouku, rozstřik strusky, úkap žhavého kovu tepelným zářením). Specifické riziko pracoviště svářeče z hlediska požáru a výbuchu je takové, které není zcela zřejmé svářeči při vykonávání svařovacího procesu (izolace střech, potrubí, hořlavé barvy a látky podporující hoření). Základní a specifická rizika vedou k ohrožení zdraví pracovníka, ale dodržováním bezpečnostních předpisů, ustanovení a ochranných pomůcek jim lze předejít. (Minařík V., 2003) 25
Obr. 18 Ochranná svařovací kukla s výměnným sklíčkem v levo a v pravo samostmívací (www.svarovaci-potreby.cz)
6.2Svařování v otevřených prostorách a pracovištích Svařováním v otevřených prostorách se rozumí takové prostory, které nejsou uzavřené (potrubí, nádrže). Na každém svářečském pracovišti by mělo být prováděno větrání. A to buď přirozené, nebo nucené. Přirozené větrání se dá používat pouze tam, kde je svařovací prostor větší jak 100m3 a nevznikají zde při svařovaní jedovaté plyny a látky. Vyskytují li se, při svařování nebezpečné látky musí se z pracoviště odsávat. (Opletal J. a kol., 2011) 6.2.1
Pracoviště svářeče
Pracovní prostor svářečského pracoviště musí umožnit bezpečné svařovaní a bezpečnou manipulaci s plynovými lahvemi a jejich uchycení. Při trvalém svařování musí připadnout na jednoho svářeče 15m3 volného prostoru. Podlaha pracoviště by měla být pevná, nehořlavá a odolná mechanickým vlivům. Při svařování ve výškách musí být vymezeno bezpečnostní ochranné pásmo. Pracoviště by se mělo udržovat v pořádku a mělo by mít příslušné osvětlení. V okolí pracoviště by se neměli vyskytovat hořlaviny a výbušniny pokud nejsou součástí technologie. Pokud tyto látky nejdou odstranit, musí být překryty nehořlavým materiálem. Jestliže pracovník opouští pracoviště, musí neprodleně vypnout svařovací stroj a zkontrolovat svařovací prostor zda nemůže dojít k požáru. Každé pracoviště by mělo být vybaveno hasícím přístrojem. (Balej Z. a kol., 2009) 26
6.3 Svařovaní v uzavřených prostorách Při svařování v těsných nebo uzavřených prostorech nesmí svářeč mít na svém ochranném oděvu žádné kovové předměty, které by se dotýkali lidského těla a musí stát na elektricky nevodivé podložce. Před zahájením svařování je nezbytně nutné prohlédnout zařízení a vodiče zda jsou v pořádku. Probíhá-li svařování se zvýšeným nebezpečím, musíme zajistit odsávání a přívod vzduchu nikoliv čistého kyslíku. Při svařování v uzavřených prostorách by mělo být svářecí zařízení mimo svařovaný prostor. Není-li toto možné, musíme zařízení zapojit do sítě chráněné proudovým chráničem s kratším reakčním časem. (Opletal J. a kol., 2011)
6.4 Nebezpečí při svařování Největším nebezpečím při svařování je poranění elektrickým obloukem. Průchod elektrického proudu lidským tělem, může být životu nebezpečný i při dosáhnutí velmi nízkých hodnot. (Opletal J. a kol., 2011) Z tohoto důvodu je zapotřebí dbát zvýšené pozornosti technického stavu zařízení, přívodních a svařovacích kabelů a bezpodmínečně vyloučit styk svářeče s živou částí zařízení. Proto, svařování mohou provádět jen řádně kvalifikovaní pracovníci vlastnící svářečský průkaz, kteří jsou poučení o používání elektrických zařízení a znají zásady poskytnutí prví pomoci při poranění elektrickým obloukem.
6.5 Osobní ochranné pomůcky Při svařování vzniká infračervené, ultrafialové a světelné záření, které mohou být pro svářeče velmi nebezpečná, proto je zapotřebí se před těmito škodlivými vlivy chránit nejrůznějšími ochrannými pomůckami. Intenzita záření klesá s rostoucí vzdáleností od zdroje, přesto je svářeč povinen používat ochranný oblek, rukavice, odpovídající obuv a hlavně svařovací kuklu nebo štít. Svařovací kukla musí být vybavena sklíčkem se správnou hodnotou filtru, kterou nám udává norma EN 169. Intenzita záření u jednotlivých technologií svařování se liší proto je zapotřebí používat vhodná skla pro danou technologii.(Kol. autorů, TESYDO 2011) Svařovací kukla může být samostmívací nebo vybavena sklíčkem s určitou hodnotou filtru. Tyto sklíčka se dají libovolně měnit dle potřeby svářeče. 27
Obr. 19 Filtry skel pro svařování různými metodami (www.jak-se-kupuje-samostmivaci-kuklasvarovaci.cz/)
6.6 Zvýšené nebezpečí při svařování Svářečské práce se zvýšeným nebezpečím jsou ty, u nichž hrozí větší riziko poranění či poškození zdraví. Takovéto práce se musí provádět pouze na písemný příkaz, který obsahuje doplňující bezpečnostní ustanovení. Tento příkaz vydávají bezpečnostní pracovníci s odbornou příslušností v dané oblasti. Takovýto příkaz má určitou dobu platnosti a určený dohled dalších pracovníků. Lze jej nahradit pracovním postupem a to pouze v případě opakované činnosti a nesmí být v rozporu s ustanovením o bezpečnosti pro svařování kovů. (Opletal J. a kol., 2011) Zvýšené nebezpečí vzniká především při svařování v prostorách s nebezpečím výbuchu, požáru a prostorách, kde hrozí snížení elektrického odporu ochranných pomůcek a to hlavně ve vlhku či mokru. Nadále také na pracovišti s lasery IIIb, IV a na nádobách a potrubích pod tlakem.
28
7. ZÁVĚR Svařování hliníkových slitin i jejich výroba je v současné době na špičkové úrovni a to jak po technické tak po technologické stránce. Dá se předpokládat, že odvětví hliníku jejich slitin neustále poroste a bude se vyvíjet. Nepochybně se objeví nové výrobní technologie, které přinesou nové slitiny. Hliníkové slitiny jsou dobře svařitelné v závislosti na složení slitiny a použité technologie svařování. Nejčastější technologie pro svařování hliníku a hliníkových slitin je metoda TIG. Oproti ostatním metodám má výhodu ruzrušení oxidické vrstvy na povrchu hliníkového materiálu a dosažení lepšího spojení svarového kovu a přídavného materiálu. Svařování je dnes zcela běžné a svařovací stroje i používané technologie jsou na vysoké úrovni. V praxi se užívají různé metody svařování. Pro každý materiál se však hodí více či méně jiná metoda. Ovšem metoda TIG svoji všestranností umožňuje svařovat skoro každý materiál, který je svařitelný. U svařování je zapotřebí dodržovat bezpečností a hygienické normy. Zanedbání předpisů může vést k poranění či dokonce usmrcení osoby svařující či jiné vyskytující se na stanovišti svářeče. Svařovat může pouze osoba mající absolvovaný svářečský kurz. Z výsledků trhací zkoušky a metalografických výbrusů experimentální části bakalářské práce je patrné že, nové díly jsou svařitelné velmi dobře za předpokladu užití správné technologie a materiálu. Jejich pevnost je zaručená naproti renovačním svarům opravovaných dílů z hliníkových slitin. Nižší pevnost svaru renovované součásti může být způsobena použitím špatné technologie svařováni při vytváření renovace, neznalostí složení renovovaného materiálu a hlavně nečistoty nanesené během provozu. Nečistoty mají vliv na celistvost svaru. Hliník a jeho sliti jsou pórovité, mastnota a nečistoty se v něm dobře drží, obtížně se odstraňuji a zůstávají v základním materiálu. Při svařování dochází k vyplavení těchto nečisto do svaru a to způsobuje pórovitost a nepravidelnou strukturu svaru. Pevnost těchto renovačních svaru není zaručena. Proto tam kde je zapotřebí zaručená pevnost dílu z hliníkových slitin je zapotřebí nahradit porušený díl novým nikoliv svařením dílu starého.
29
8. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. MALINA Z., NÉMA M. Základní kurz svařovaní ZK 141 W 21. 1. vyd. Ostrava: Zeross, 2004. 93 s. ISBN 80-86698-02-5. 2. OPLETAL J., KUDĚLKA V., BALEJ Z., ŠTĚRBÁČEK J. Bezpečností předpisy při svařování elektrickým obloukem. Brno: Tesydo, s.r.o, 2011. 46 s. ISBN 80-9033866-6 3. BALEJ Z., KUDĚLKA V., OPLETAL J. Základní kurz svařování metodou 141 se souborem testových otázek. 2. vyd. Ostrava: ZEROSS, 2009. 160 s. ISBN 80866698-12-2. 4. KOUKAL J., SCHWARZ D., HAJDÍK J. Materiály a jejich svařitelnost. 1. vyd. Ostrava: Český svářečský ústav s.r.o, 2009. 240 s. ISBN 978-80-248-2025-5. 5. MINAŘÍK V. Obloukové svařování. 3. vyd. Praha: Scientia, 2007. 240 s. ISBN 97880-86960-28-9. 6. DOUBRAVSKÝ M., MACÁŠEK I., MACHÁČEK Z. Technologie slévání, tváření a svařování. 2.vyd. Brno: VUT, 1985. 246 s. 7. ORSZÁGH V., ORSZÁGH P. Zváranie TIG ocelí a neželezných kovov. 1. vyd. Bratislava: Polygrafia SAV, 1998. 300 s. ISBN 80-88780-21-7. 8. KOVAŘÍK R. Technologie svařování. 1. vyd. Plzeň: ZČU, 2000. 185 s. ISBN 807082-697-5. 9. AMBROŽ O. Technologie svařování. 1. vyd. Ostrava: ZEROSS, 2005. 393 s. ISBN 80-85771-81-0. 10. GEARY D., MILLER R. Welding. 2nd ed. New York: McGraw-Hill, c2011. xvi, 328 s. ISBN 978-0-07-176387-5. 11. HROMÁDKO V. Ruční svařování střídavým proudem. 2. vyd. Praha: SNTL, 1991. 144 s. ISBN 80-03-00228-1. 12. ROUČKA J. Metalurgie neželezných slitin. 1. vyd. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2004. 148 s. ISBN 80-214-2790-6. 13. BALEJ Z., KUDĚLKA V., OPLETAL J. Svařování metodou 141. 1. vyd. Ostrava: ZEROSS, 2000. 96 s. ISBN 80-85771-80-2. 14. KOUKAL J., ZMYDLENÝ T. Svařování 1. 1. vyd. Ostrava: VŠB, 2005. 133 s. ISBN 80-248-0870-6.
30
INTERNETOVÉ ZDROJE 1. Vscht. Metalografie I. [online] [cit. 2. 2. 2013]. Dostupné na:
9. SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Svařovací zařízení TIG (www.automig.cz) ............................................................ 4 Obr. 2 Vliv přímé a nepřímé polarity na svár (Balej Z., Kudělka V., OpletalJ., 2009) .... 5 Obr. 3 Zapalování oblouku odtrhem a vysokofrekvenčním zapalováním (www.svarbazar.cz) .......................................................................................................... 6 Obr. 4 Princip svařovaní metodou TIG (www.svarecky-elektrody.cz) ............................. 7 Obr. 5 Svařovací automat (www.kskct.cz), Poloautomatické svařování (www.automig.cz) .......................................................................................................................................... 7 Obr. 6 Svařovací drát (www.esab.com) ............................................................................ 9 Obr. 7 Popis TIG hořáku (www.carcraft.com) ............................................................... 11 Obr. 8 Svařování hliníku metodou TIG (www.rolizo.cz) ................................................ 15 Obr. 9 Svařování třením (www.controlengcesko.com) ................................................... 16 Obr.10 Řezání základního materiálu .............................................................................. 21 Obr. 11 Svařovací zdroj .................................................................................................. 21 Obr. 12 Trhaný materiál. Horní díl nový, dole díl použitý ............................................. 22 Obr. 13 Výsledky statické zkoušky tahem...................................................................... 23 Obr. 14 Schéma postupu přípravy vzorků na pozorování .............................................. 23 Obr. 15 Základní materiál AlMgSi0,5 ............................................................................ 24 Obr. 16 Svar dílu simulující použití v praxi ................................................................... 24 Obrázek 17 Přechod svaru do základního materiálu ...................................................... 25 Obr. 18 Ochranná svařovací kukla s výměnným sklíčkem v levo a v pravo samostmívací (www.svarovaci-potreby.cz) .................................................................... 26 Obr. 19 Filtry skel pro svařování různými metodami (www.jak-se-kupuje-samostmivacikukla- svarovaci.cz/) ....................................................................................................... 28
10. Přílohy 1. Atest materiálu AlMgSi0,5 31
