Technologie I. Obloukové technologie s ochranou tavidla. (elektroda, svařování pod tavidlem)

Technologie I. Obloukové technologie s ochranou tavidla (elektroda, svařování pod tavidlem)

Svařování elektrickým oblouk TU v Liberci  MMA: Klasické ruční obloukové svařování obalenou elektrodou. Nejstarší a nejuniverzálnější metoda z obloukového svařování.

 Elektrický oblouk vzniká mezi koncem obalené kovové elektrody a svařencem. Roztavené kapky kovu z elektrody se přenášejí obloukem do svarové lázně a jsou chráněny plyny vznikajícími z rozkladu obalu, který je tvořen tavidly. Roztavená struska se dostává na povrch svarové lázně, kde během tuhnutí chrání svarový kov před přístupem atmosféry. Po svaření každé housenky je nutno strusku odstranit. Vyrábí se řada elektrod, často jsou legované, aby se prodloužila trvanlivost, pevnost a tažnost svaru. Tato metoda se nejčastěji používá při běžném svařování všech druhů svařitelných ocelí i neželezných kovů a pro navařování.

Elektrický svařovací obvod

TU v Liberci

 Přímá polarita u stejnosměrného zdroje proudu: mínus pól na elektrodě, plus pól na základním materiálu  Nepřímá polarita u stejnosměrného zdroje proudu: mínus pól na základním materiálu,plus pól na elektrodě

1… zdroj, 2…svařovací kabel,

3…elektroda, 4…svarová lázeň, 5…základní materiál, 6…zemnící kabel

Technologie I.

Elektrický oblouk

TU v Liberci

 Elektrický oblouk využitelný ve svařování je nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj, který hoří v prostředí ionizovaného plynu. Stabilně hoří za předpokladu napětí dostatečného pro ionizaci daného prostředí a proudu udržujícího plazma oblouku v ionizovaném stavu.  Při výboji dochází k vylétávání elektronů z katody na anodu a z anody na katodu přestupují ionty.  Obloukový výboj může vzniknout při stejnosměrném i střídavém proudu  Charakteristické znaky oblouku:  malý anodový úbytek napětí  malý potenciální rozdíl na elektrodách  proud řádově ampéry až tisíce ampér  velká proudová hustota  intenzivní vyzařování UV záření  intenzivní vyzařování světelného záření z elektrod i sloupce oblouku

Způsoby zapálení oblouku

TU v Liberci

 Pro zapálení oblouku při svařování elektrodou je nutný zkrat základního a přídavného materiálu (buď se ťukne a oddálí na požadovanou vzdálenost při které oblouk rovnoměrně hoří nebo se škrtne a pak oddálí). Krátkým spojením vznikne odporové teplo, které ohřeje kov na bod varu a vyvolá na katodě emisi elektronů.

Pohyb elektrody při zapalování elektrického oblouku: 1… pomalu, 2 … rychle

 Krátkodobým dotykem elektrody a základního materiálu

 Vysokonapěťovým vysokofrekvenčním ionizátorem  Dotykové zapálení tzv. startovacím proudem Technologie I.

Části oblouku K

d él k a

TU v Liberci

LK LS LA

A +

0

UK

US

LK … délka katodové oblasti LA …délka anodové oblasti LS…délka sloupce oblouku

UA

napětí

UK - napětí na katodě US - napětí sloupce UA - napětí na anodě

 Elektrický oblouk není teplotně homogenní útvar, je vněm několik základních oblastí. Sloupec el. oblouku mezi dvěma elektrodami je tvořen plazmatem (ionizovaný elektricky vodivý plyn-cca 6000°C). Aktivní plošky elektrod se nazývají katodová a anodová skvrna, jejich rozměr závisí nejvíce na velikosti proudu oblouku a intenzitě odvodu tepla. Katodová skvrna stabilizuje oblouk, je-li malá s dostatečnou teplotou, tak hoří oblouk klidně (proto se připojuje elektroda na záporný pól). Na katodě vzniká teplo od nárazů kladných iontů a na anodě vlivem dopadajících elektronů (K-2400°C, A-2600°C).

Vliv oblouku TU v Liberci

 Tepelné účinky

 Tavící mechanizmy  Mechanické účinky oblouku

Technologie I.

 Foukání oblouku  Elektrický oblouk je pružný vodič, na který může působit elektrické a magnetické TU v Liberci pole nebo jiné vnější síly. Pokud jsou síly v rovnováze (rovnoměrně působí ze všech stran)-výsledek působení se neprojeví. V případě porušení rovnováhy dochází k vychýlení oblouku-foukání oblouku. Způsoby jak změnit foukání:  změna sklonu elektrody  přemístit uzemňovací svěrku proti směru foukání

 provést hustší stehování kořenové části (svařovat vratným krokem) a … při nevhodném umístění přípoje uzemňovacího kabelu b …při svařování v blízkosti žebra c … při naklápění elektrody

 zabránit zmagnetování svarových ploch

 svařovat střídavým proudem

a … rozdílná polarita elektrod b … stejná polarita elektrod c … oblouk se stejnosměrným a střídavým proudem

 Síly působící kapky roztaveného kovu TU v Liberci

Síly působící na kapku tavící se elektrody při různých proudových hustotách: a, b … při nízkém proudu c, d …při vysokém proudu

Oddělení kapky kovu od elektrody: P … povrchové napětí Q …síla způsobená elektromagnetickým polem G … zemská tíže F … silový účinek vypařování

 Síla povrchového napětí snaží se udržet kapku na konci elektrody

 Síla vyvolaná tlakem kovových par působí proti oddělení kapky (od odpařovaného kovu)  Gravitační síla má vliv jen při svařování v polohách  Elektromagnetická síla nejvyšší vliv na přenos kovu (v radiálním i axiálním směru)  Hydrodynamická síla napomáhá oddělení kapek z elektrody a urychluje je (při vysokých proudových hustotách)

Přenos kovu    

TU v Liberci

Roztavený kov z elektrody se přenáší obloukem do svarové lázně (ta vzniká natavením svařovaného materiálu a elektrody) a je chráněn plyny vznikajícími rozkladem obalu, který je tvořen tavidly Na povrch svarové lázně se dostává během krystalizace (tuhnutí) roztavená struska která chrání svarový kov před přístupem okolní atmosféry Ztuhlá svarová lázeň vytváří tzv. svarovou housenku Po svaření z každé housenky je nutno strusku odstranit.

Technologie I.

Způsoby přenosu

TU v Liberci

 Při svařování je velmi důležitý způsob přenosu kovu z odtavující se elektrody do svarové lázně. Tento způsob ovlivňuje svařovací proces, tj. stabilitu hoření oblouku, ztráty rozstřikem a hloubku závaru.  Přenos volným letem: kapky různé velikosti a množství se odtavují z konce elektrody a volně letí přes elektrický oblouk do svarové lázně. Menší teplotaoddělují se větší kapky, větší teplota-oddělují se kapky menší(vzniká sprchový přenos)  Kapkový přenos  Sprchový přenos  Zkratový přenos: konec narůstající kapky se dotkne svarové lázně ještě před oddělením. Tím dojde k zkratu. Po odtrhnutí se proces opakuje. Účinnost se mění s frekvencí zkratů a s svařovacími parametry.

Technologie I.

 Způsoby přenosu  Zkratový přenos

 Kapkový přenos

TU v Liberci

 Sprchový přenos

 Pohyb v průběhu svařování Provádějí se tři základní pohyby: pohyb ve směru svařování, pohyb směrem do svarové lázně daný rychlostí odtavování se elektrody a příp. příčný výkyv (nemá být větší než dvojnásobek až trojnásobek průměru elektrody, nepoužívá se při svařování tenkých plechů a při svařování kořene svaru)

Příčně kývavý pohyb elektrody Technologie I.

 Sklon elektrody TU v Liberci Je dán hlavně polohou svaru v prostoru. Má být takový, aby se struska nikdy nedostala před svarový kov. Úhel odklonu elektrody od kolmice má být 20°-30°, v rovině kolmé na osu svaru má být 90°.

 Stehování Zajišťuje správnou polohu jednotlivých součástí svařence vůči sobě (dílce se spojují krátkými svary o délce 10-50mm, výška stehu u jednovrstvého spoje se rovná průřezu předepsaného svaru u vícevrstvých svarů nemá přesáhnout více než 2/3 výšky nosného svaru)

 Začínání přerušování a ukončování procesu Zapaluje se oblouk před začátkem housenky, příp. před kráterem (při napojování housenek) potom se vrátí k začátku příp. nad kráter, který se vyplní a pokračuje se v nanášení housenky. Při přerušování a ukončování se provede vratný pohyb elektrodou a následné oddělení elektrody od svařovaného materiálu až oblouk zhasne (náhlé oddělení způsobuje vznik příliš velkého koncového kráteru s možností vzniku trhlin) Technologie I.

Vliv plynů

 Vliv kyslíku  Vliv dusíku  vliv vodíku

Technologie I.

TU v Liberci

Svařovací zdroje Zdroje musí splňovat:         

Dobré zapalování oblouku a stabilní hořeni oblouku Stálý výkon a vysoká účinnost Napětí naprázdno musí odpovídat druhu proudu a způsobu svařování a nesmí být vyšší než přípustné hodnoty Statická charakteristika musí odpovídat způsobu svařování Musí být odolný vůči krátkodobým zkratům při zkratovém přenosu kovu Dynamická charakteristika musí zabezpečit po zkratu rychlý nárůst svařovacího napětí Konstrukce musí zajistit bezpečnost a splnit normy Jednoduchá nenáročná obsluha, vysoká provozní spolehlivost Přiměřené pořizovací a provozní náklady

Technologie I.

TU v Liberci

Dělení: 

Podle způsobu přeměny:

 

Zdroje rotační (svařovací dynama) Zdroje statické netočivé (transformátory, usměrňovače, měniče)



Podle druhu dodávaného proudu:

  

Zdroje stejnosměrného proudu (svařovací dynama, usměrňovače) Zdroje usměrněného zdroje Zdroje střídavého proudu (svařovací transformátory)

TU v Liberci

Svařovací zdroje

TU v Liberci

Zdroje svařovacího proudu na výrobu střídavého svařovacího proudu Svařovací transformátory-kolem železného jádra složeného z transformátorových plechů jsou navinuta primární a sekundární vinutí. Protéká-li primárním vinutím střídavý proud odebíraný ze sítě,vzniká v železném jádře střídavé elektromagnetické pole, které indukuje střídavé napětí v sekundárním vinutí.

1) Primární vinutí 2) Elektromagnetický obvod 3) Sekundární vinutí 4) Jádro

Svařovací transformátory a)volná elektromagnetická vazba, b)pevná elektromagnetická vazba

Svařovací zdroje TU v Liberci

Zdroje svařovacího proudu na výrobu stejnosměrného svařovacího proudu Svařovací agregáty(rotační svářečky)

Výhody: nedochází ke kolísání svařovacího proudu,při krátkodobých změnách napětí v síti,nízká cena Nevýhody: velká hmotnost,hlučnost,velká spotřeba proudu

Svařovací zdroje TU v Liberci

Zdroje svařovacího proudu na výrobu stejnosměrného svařovacího proudu Svařovací usměrňovače

Výhody: menší hmotnost oproti točivým zdrojům,menší hlučnost,nižší příkon,snadná regulace svařovacího proudu Nevýhody: vysoká pořizovací cena

Svařovací zdroje TU v Liberci

Zdroje svařovacího proudu na výrobu stejnosměrného svařovacího proudu Invertory Pracují na principu transformace střídavého proudu mnohem větší frekvence než je síťová až 20 kHz,střídavý proud se získá v měniči z usměrněného proudu ze sítě

Schéma invertoru

Výhody: malé rozměry,malá hmotnost Nevýhody: vysoká pořizovací cena

20

Základní pomůcky pro svařování     

TU v Liberci

zdroj svařovacího proudu držák elektrody při svařování (svařovací kleště) zemnící svorka (připojuje se na svařovaný materiál, resp. na svařovací stůl) pomůcky pro očištění svaru - kladívka pro porušení strusky přívodní kabel

Výstupní a vstupní parametry zdrojů:  Vstupní: podmínky pro připojení k síti      

TU v Liberci

Jmenovité vstupní (napájecí) napětí Jmenovitý kmitočet Příkon zdroje Maximální příkon zdroje Jištění sítě účiník

 Výstupní: svařovací vlastnosti zdroje  napětí naprázdno: je napětí na výstupních svorkách svářečky při běhu naprázdno (tj. když nehoří oblouk a svařovacím obvodem neprochází proud). Jeho hodnota je při použití stejnosměrného proudu je 100 [V] a u střídavého proudu 80 [V]. Pro bezpečnost je lepší nižší napětí, avšak pro zapalování a stabilitu hoření oblouku napětí vyšší;  Svařovací proud: výstupní proud zdroje, který prochází svařovacím obvodem  jmenovitý svařovací proud: proud, který je možno odebírat ze svářečky při poměrné době zatěžování DZ = 60%  trvalý svařovací proud: to je proud, který je možno odebírat ze svářečky trvale (DZ = 100%);

Charakteristiky TU v Liberci



Statická charakteristika elektrického oblouku: Je odpor, který klade prostředí, ve kterém elektrický oblouk hoří vůči průchodu elektrického proudu. V oblasti charakteristiky do proudu cca 10 [A] svařování nepracuje. Teprve proudy od 10 [A] jsou pro svařování elektrickým obloukem již použitelné. Pak tuto část statické charakteristiky lze nahradit přímkou, která se dá pro ruční svařování obalenou elektrodou napsat ve tvaru: U = 20 + 0,04I (20 je konstanta pro svařování obalenou elektrodou).

1 … normální délka oblouku 2 … větší délka oblouku

Charakteristiky

TU v Liberci

 Statická charakteristika svářečky: Je závislost mezi napětím a proudem na výstupních svorkách svářečky v ustáleném stavu. Při ručním způsobu svařování obalenou elektrodou je na schopnostech svářeče jak vede elektrodu nad svařovaným materiálem a to ovlivňuje délku oblouku, která způsobuje změnu napětí na oblouku (zvětší-li se délka oblouku, vzroste napětí a naopak). Pro ruční svařování vyhovuje strmá charakteristika svářečky, neboť velká změna napětí vyvolá jen malou změnu svařovacího proudu, která se neprojeví na špatné kvalitě svařovacího procesu. U[V]

U

I[A]

Průsečík charakteristiky oblouku a zdroje

TU v Liberci

 Průsečík obou křivek se nazývá pracovní bod svařování, který odpovídá konkrétní hodnotě svařovacího proudu (I) a hodnotě svařovacího napětí (US). Obě hodnoty (napětí a proudu) jsou základními parametry svařování. U [V]

Ruční svařování Usvař

P

Isvař

Svářecí stroje

I [A]

TU v Liberci

Charakteristiky  Dynamická charakteristika zdroje: Udává přechodové hodnoty napětí a proudu při rychlých změnách v průběhu svařování (při zapalování oblouku, při zkratu, přerušení zkratu…). Jednotlivé změny jsou zaznamenávány oscilografem a podle záznamu jsou tvořeny charakteristiky.

Elektrody pro ruční obloukové svařování TU v Liberci

 Pro ruční svařování elektrickým obloukem se jako přídavné materiály používají obalené elektrody. Ty se skládají z jádra a z obalu elektrody. 

elektroda při svařování elektrickým obloukem má dvě funkce:

 funkci elektrody při hoření elektrického oblouku  funkci přídavného materiálu, který se taví a tavenina se promíchává s taveninou základního kovu.  schéma obalené elektrody:  kovové jádro příslušné jakosti (délka cca 300 mm)  obal příslušného typu  upínací a zapalovací konec elektrody

Elektrody pro ruční obloukové svařování

Elektrody pro ruční obloukové svařování

TU v Liberci

 Materiál jádra elektrod  elektrody mají odstupňované průřezy jádra:  2; 2,5; 3,25; 4; 5; 6,3 a 8 mm.  materiál elektrod by se měl vyznačovat nízkým množstvím nečistot.

 Materiál obalu  obal elektrody je různého složení z látek keramických, organických nebo i kovových  obsahuje látky plynotvorné: vytvářejí clonu ochranných plynů, která chrání tekutý kov před přístupem vzduchu  obsahuje látky stabilizující hoření oblouku: obsahují ionizační látky (soli draslíku, sodíku, lithia, atd.). Tyto látky usnadňují zapalování a klidné hoření oblouku

TU v Liberci

Funkce obalu  chrání tekutý kov před přístupem vzduchu

 stabilizuje hoření oblouku: obsahuje ionizační látky  Obal obsahuje struskotvorné látky(rafinace)a kovy: Si, Mn, chrání před vlivem okolní atmosféry a zpomalují ochlazování svaru Ochranný plyn Struska

Svar

Tavná lázeň

Typy obalů elektrody  stabilizační obal: obsahuje ionizační látky, které mají vliv na stabilní hoření TU v Liberci oblouku při zapojení elektrody jak na (+), tak na (-) pól  rutilový obal: je tvořen oxidem titaničitým (rutilem), který dává dobrou ovladatelnost elektrody při svařování v různých polohách. Používá se proud stejnosměrný, elektroda se připojuje na (-) pól a také proud střídavý  kyselý obal: obsahuje železné, manganové rudy, křemičitany, živce, rutil. Struska kyselých elektrod špatně váže škodlivé prvky P, S (též kyselého charakteru), proto lze svařovat oceli s nižším obsahem P a S. Svarový kov je teplý a svarová lázeň se vytváří v drobných kapičkách  bazický obal: je nejpoužívanější. Je tvořen vápencem. Svarový kov je méně teplý a přechází do svarové lázně ve velkých kapkách. Elektrody se připojují na (+) pól stejnosměrného proudu. Svařování vyžaduje krátký oblouk  organický obal: chrání svarovou lázeň proti vzduchu. Obsahuje organické látky. Vytváří se hustě tekutý svarový kov a hodí se ke svařování materiálů s větší mezerou  obal ze solí halových prvků: používá se ke svařování hliníku, k rozpouštění lehce vznikajícího Al2O3 s vysokou teplotu tání (2000°C). Elektroda se připojuje na (+) pól  zvláštní obal: např. grafitový pro svařování litiny s lupínkovým grafitem. Nebo elektrody z niklu, slitin železa a niklu, atd. Elektrody se připojují na (+) pól stejnosměrného proudu.

 Kyselé:

 Rutilové: TU v Liberci

Příklad od firmy ESAB

 Bazické

TU v Liberci

Příklad od firmy ESAB

Označování elektrod TU v Liberci

TU v Liberci

Skladování a sušení elektrod  Skladují se v suchých místnostech s dobrým větráním v původních obalech (nejnižší teplota má být 10°C a minimální relativní vlhkost 50%)  Navlhnuté elektrody je nutno vysušovat (vlhkost má negativní účinky na zhotovující svar)  Povrch elektrod musí být souvislý, rovnoměrný, bez vad (přípustné jsou pouze odřeniny, otlaky, rýhy, které jsou max. do hloubky ¼ tloušťky obalu)

Návrh svarového spoje

TU v Liberci

 Tvary svarových ploch pro svařování obalenými elektrodami jsou předepsány normou ČSN EN 29692, která zohledňuje tloušťku materiálu a geometrii svarů. Svarové spoje lze rozdělit na: tupé, koutové, přeplátované, rohové, křížové, lemové, děrové nebo žlábkové.

Vady ve svarovém spoji  Vady vznikající v průběhu svařování lze rozdělit na vady vnitřní a vnější. Vnější vznikají na povrchu svaru nebo svarového spoje (neprotavený kořen, krápníky, převýšení nebo prohloubení svaru, zápaly, krátery, trhliny). Vnitřní vznikají uvnitř svarových spojů (bubliny, póry, struskové vměstky, studené spoje, nadměrné nauhličení a oxidace, trhliny).

Svařování elektrickým obloukem pod tavidlem

Princip metody  El.oblouk hoří mezi odtavující se elektrodou (drát nebo pásek odvíjený z podavače) a základním materiálem pod vrstvou tavidla. 1) Svařovací drát 2) Tavidlo 3) Základní materiál 4) Podávací mechanismus drátu 5) Zdroj svařovacího proudu 6) Přívod proudu do elektrody 7) Roztavený svarový kov 8) Roztavená struska

Svařování elektrickým obloukem pod tavidlem  Výhody:

 vysoká produktivita svařování  vysoká rychlost svařování  velký průvar do základního materiálu  zvýšená kvalita svaru  oblouk hoří pod vrstvou tavidla-neoslňuje  Nevýhody:  zvýšené nároky na přípravu svarových ploch  zakrytý svařovací proces a tím obtížnost kontroly  možnost svařování pouze v polohách PA

Svařování elektrickým obloukem pod tavidlem  Charakterizování procesu  poloha …. Pa  minimální ekonomická délka …. nad 1000 mm

 rozsah tloušťek základního materiálu …. 3-100 mm  rozsah používaného proudu …. 200-2000 A  rozsah používaného napětí …. 20-50 V  rozsah používané rychlosti …. 15-120 m/h  druh proudu … stejnosměrný, střídavý  průměr drátu … 2-8 mm

Svařovací zařízení  Svařovací automat(traktor)  vlastní svařovací zařízení  řídící skříň

 zdroj proudu

Mechanické vedení

41

Přídavný materiál a tavidlo

 používané materiály jsou ve formě drátu kruhového průřezu průměru 2-5 mm navinutý na cívku, pásku, trubičkové elektrody  tavidla:

 tavná  keramická  sintronová

42

Přídavný materiál a tavidlo

Přídavný materiál firmy ESAB

43

Modifikace procesu  Svařování více dráty za sebou

 Svařování více dráty najednou

TU v Liberci

Děkuji za pozornost.