Technologie I. Technologie s vyšší koncentrací tepla. (odpor, plazma, elektronový paprsek, laser)

Technologie I. Technologie s vyšší koncentrací tepla (odpor, plazma, elektronový paprsek, laser)

Odporové svařování  Odporové svařování patří mezi metody tlakového svařování, kromě metody pod TU v Liberci roztavenou struskou (ta patří mezi metody tavné). Potřebné teplo vzniká přímo ve svařovaném předmětu. Je dosahována vysoká produktivita.  Charakteristika:  Vysoká rychlost svařování  Možnost svařování ve všech polohách

 Možnost svařovat většiny kovových materiálů (nelegované a legované oceli, Ni, Al, Cu a jejich slitin)  Vhodné pro malosériovou a hromadnou výrobu  Rozsah svařovaných tloušťek: 0,4-4mm  Velikost proudu: 103-105A  Druh proudu: střídavý  Sekundární napětí: 0,5-10V

 Svařovací čas: 0,04-2s  Přítlačná síla: 500-104N  Průměr elektrody: 2-3mm

Princip  V místě svaru prochází elektrický proud. Materiály se ohřejí, stanou se TU v Liberci tvárnými nebo se roztaví a pak následuje stlačení, tím se vytvoření požadovaný svar.  Zdrojem tepla je elektrický odpor v místě styku svařovaných materiálů (přechodový odpor)  Množství vznikajícího tepla se stanovuje podle Joule-Lenzova zákona: Q = R . I2. t ( J )  I … protékající proud (A)  R … elektrický odpor (Ω)  t … doba průtoku proudu (s) dQ = R(t) . I2 (t) . Dt Q = ∫ I2 . Σ R . dt

 R a I jsou časově závislé  Celkový odpor je dán součtem přechodových odporů a odporů svařovaných materiálů R = RM + RP  RM … elektrický odpor svařovaných materiálů (Rm1, Rm2)  RP … elektrický odpor styku (RP1, RP2, RP3)

Druhy metod  Bodové odporové svařování  Švové odporové svařování

TU v Liberci

 Výstupkové odporové svařování  Stykové odporové svařování

Odpory  Přechodový odpor měděných elektrod a svařovaného materiálu: je nežádoucí R1 = R1´ . 100 / p

 R1´ … konstanta (µΩ)  P … měrný tlak (kPa)

 Vlastní odpor svařovaných materiálů: R2, R4  Přechodový odpor mezi svařovanými materiály: R3 Σ R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5

TU v Liberci

Σ R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5

Parametry svařování  Na svařovací proces mají velký vliv  Jsou to:

TU v Liberci

 Svařovací proud IS  Přítlačná síla PS  Svařovací čas tS  Rychlost svařování vS

 Přerušování svařovaného proudu (u švového svařování)  Potřebné teplo vytvoření svaru lze dosáhnout 2 svařovacími režimy:  Tvrdý režim: Výhody:

 Krátké strojní časy  Krátkodobé působení svařovací teploty (rychlé chladnutí svaru) vede k jemnozrnné struktuře svarového kovu  Minimální napětí a deformace  Menší spotřeba elektrické energie a elektrod

Svařovací režimy Nevýhody:

 Vyžaduje stroje velkých příkonů a silnějších konstrukcí TU v Liberci  Velká spotřeba energie

 Měkký režim: Výhody:

 Nevyžaduje stroje velkého příkonu  Umožňuje používat menší průřezy elektrických vodičů  Je méně citlivý na odchylky odporové svařitelnosti svařovaných materiálů

Nevýhody:

 Vyžaduje delší strojové časy (nižší produktivita)  Vznikají větší deformace a napětí ve svarových spojích  Vzniká hrubozrnná struktura  Častější úprava svařovacích elektrod

Svařovací režimy TU v Liberci

Svařovací programy TU v Liberci

Tepelná rovnováha

Typy elektrod  Materiál elektrod musí mít tyto vlastnosti:

TU v Liberci

 Vysokou elektrickou a tepelnou vodivost za normálních i vyšších teplot  Dostatečnou mechanickou pevnost  Co nejvyšší teplotu měknutí  Co nejmenší sklon k legování svařovaným materiálem

 Vysokou odolnost proti oxidaci  Dobrou odolnost vůči otěru za vyšších teplot  Dobrou obrobitelnost  Nízké výrobní náklady  Používané materiály na bázi:  Cu-Cr  Cu-Ni-P  Cu-Ni-Si  Cu-Be-Co

Typy elektrod TU v Liberci

Svařovací stroje  Zdrojem proudu jsou odporové svářečky, které se skládají z části elektrické a mechanické.  Elektrickou část tvoří nejčastěji jednofázový transformátor, který má primární a sekundární vinutí. - primární vinutí má více závitů - sekundární vinutí má jeden závit tím se na sekundárním vinutí docílí poměrně malého napětí (U=2-20V) a vysoké intenzity střídavého svařovacího proudu (I=10 000-150 000A) podle velikosti a účelu stroje.

 Mechanická část zabezpečuje polohu svařovaných součástí.  Zatěžování :

DZ = tS / (tS + tP) . 100  DZ … zatěžovatel (%)  tS … čas průchod proudu (s)  tP … čas přestávky (s)

Svařovací stroje

Znázornění svařovacího cyklu a zatěžovatele

 NK … krátkodobý výkon svařovacího stroje  Nt … trvalý výkon, který vyrobí za čas tS + tP stejné teplo jako NK za čas tS

 Odporové svářečky se dělí podle účelu a způsobu svařování:  přeplátováním: bodové, švové, výstupkové a bradavkové  stykové (natupo): stlačením bez odtavení nebo odtavením

Svařovací stroje

Zatěžovatele:    

a) lisy, stykové svářečky bez předehřívání b) automatické bodovky c) mechanické bodovky d) švovky

A) Stroje pro bodové svařování  Závěsné bodovky  Stabilní bodové svářečky  Speciální bodové svářečky

Pneumatická bodovka: 1 … vzduchový válec 2 … horní rameno 3 … dolní rameno 4 … elektrodové špičky 5 … sekundární přívod 6 … elektropneumatický ventil 7 … kohout pro pomocný zdvih 8 … časové relé 9 … vodní chlazení 10 … zvedací zařízení

B) Stroje pro švové svařování

1 … vzduchový válec 2 … svařovací hlava 3 … dolní rameno 4 … elektrodové kladka 5 … horní rameno 6 … sekundární pás 7 … hnací hřídel 8 … řídící skříň 9 … rozvodová skříň 10 … vodní chlazení 11 … odpadní vana 12 … přívod tlakového vzduchu

C) Stroje pro výstupkové svařování 1 … horní rameno 2 … dolní rameno 3 … horní čelist 4 … dolní čelist 5 … spouštěcí páky 6 … přívodní pás 7 … vodní chlazení 8 … zvedací ústrojí

Výroba výstupků: a) Lisováním b) Strojním opracováním c) Mezi vložkami

D) Stroje pro stykové odporové svařování tlakem 1 … pojistky 2 … vypínač 3 … primární vinutí transformátoru 4 … upínací čelisti 5 … svařované součásti 6 … spínač 7 … stykač 8 … koncový vypínač 9 … přepojovač

E) Stroje pro stykové odporové svařování odtavením

Metody  Bodové svařování:

 pod elektrody se vloží přeplátované plechy, které se sevřou přitlačením elektrod  spustí se odporová svářečka  mezi elektrodou a materiálem vzniká přechodový odpor, na styku obou materiálů vzniká značný odpor, v důsledku průchodu proudu vzniká Jouleovo teplo, které natavuje stykové plochy obou materiálů  pak následuje stlačení elektrod, čímž se natavený materiál spěchuje  jakmile je svár hotov svařovací proud se automaticky vypne  svár tuhne dále pod tlakem vyvozeným stlačením elektrod.  na stykové ploše svařovaných materiálů se vytvoří tzv. čočka

 Pracovní cyklus (průběh proudu a přítlačné síly na čase)  Jednoduchý pracovní cyklus bodovky  Složitější pracovní cyklus bodovky

 Švové svařování:  Princip je stejný jako u bodového svařování, akorát v tomto případě jsou k sobě materiály stlačovány 2 měděnými kladkami. Kladky slouží k pohyb materiálu a také přívodu proudu.

 Svařování na lisech: výstupkové svařování  Princip je stejný jako u bodového svařování.Měděné odporové elektrody jsou upraveny dle tvaru svařovaného materiálu

drobné výstupky na svařovaném materiálu

velké výstupky na svařovaném materiálu

 Stroje pro stykové odporové svařování tlakem  Princip vzniku tepla je stejný jako u bodování. Používá se speciální zařízení, které má dvě měděné čelisti do kterých se upíná svařovaný materiál, který se stýká čelně, po sepnutí proudu vzniká na čelních plochách tepelný přechodový odpor (Jouleovo teplo), pak oba materiály přitlačíme k sobě.

 Stroje pro stykové odporové svařování odtavením

 Svařování pod roztavenou struskou  používá se pro svařování velkých tloušťek materiálu (obvykle od 50 mm a výše)  svařování se provádí ve svislé poloze ze zdola nahoru s nuceným formováním svaru z obou stran základního materiálu pomocí chlazených Cu příložek  svařované součásti jsou rovnoběžné, s mezerou asi 30 mm.  zdrojem tepla k natavení základního a přídavného materiálu je zde odporové teplo, které vzniká průchodem elektrického proudu roztavenou a elektricky vodivou struskou  tato struska je ohřátá na teplotu vyšší než je teplota tání oceli, takže elektrody se v této lázni taví a kapky klesají do lázně svarového kovu;  svarový kov i roztavenou strusku udržují v místě svaru dvě měděné, vodou intenzivně chlazené příložky (formovací příložky). 1 … základní materiál 2 … svar 3 … formovací podložka 4 … hubice 5 … příčný rozkyv hubice 6 … ztuhlý svarový kov spoje 7 … svarová lázeň 8 … roztavená struska 9 … přídavný materiál

Zvláštní způsoby svařování  Svařování plazmou  Svařování elektronovým paprskem  Svařování laserem

 Výhody:  Koncentrovaný zdroj tepla o velkém výkonu, umožňuje rychlý ohřev i velkou rychlost svařování, tím se zmenšuje tepelně ovlivněná plocha a dochází k snížení napětí i deformací  Možnost svařovat materiály s konečnou úpravou (opracováním)  Nové typy svarů umožňují tvořit nové konstrukce

 Charakteristika:  Snížení spotřeby tepelné energie na jednotkovou délku svaru, kterého se dosahuje vysokou hustotou energie v dopadové ploše  Pokud je energie vyšší než 105 W/cm2, tak dojde k rychlému ohřevu kovu na teplotu varu a vytvoření dutiny ve tvaru kapiláry (ta proniká celou tloušťkou nebo vzniká pod povrchem)  Při pohybu zdroje je proudění v kapiláře řízeno povrchovým napětím (závisí na teplotě)  S poklesem teploty tavné lázně za zdrojem roste povrchové napětí, tavenina se přemísťuje za kapiláru a dochází ke krystalizaci

Svařování plazmou  Plazma je kvazineutrální soubor částic s volnými nosiči nábojů, který vykazuje kolektivní chování.

 Charakteristika:  Plazma je plyn ohřátý na vysokou teplotu (cca 20 000°C), tvořený atomy, elektrony a ionty, plyn je elektricky neutrální  princip svařování plazmou je založen na ionizaci plynu při průchodu elektrickým obloukem (podle stupně ionizace může být plazma úplně nebo částečně ionizovaná)  u dvouatomových plynů (dusík, vodík a kyslík) musí nejprve proběhnout rozklad molekul na atomy  stupeň následné ionizace je závislý na teplotě a ta dosahuje u svařování plazmou cca 16 000 až 20 000 °C  po technologické stránce je svařování plazmou je podobné metodě WIG, avšak se liší jiným uspořádáním hořáku a fyzikálními zvláštnostmi procesu.  pro svařování se používá plazmový hořák s wolframovou elektrodou, která je připojená na (-) pól (pro svařování hliníku na (+) pól) a základní materiál na (+) pól stejnosměrného svařovacího proudu  elektrický oblouk hoří mezi wolframovou elektrodou a základním materiálem a prochází měděnou tryskou, která zaškrcuje oblouk, zvyšuje se tak hustota energie, teplota a vzniká plazma  jako plazmový plyn se používá argon, okolo měděné trysky proudí směs plynů (např. Ar + H2), které zužují proud plazmového plynu vycházející z měděné trysky

 plazmové svařování však dosahuje vysokých svařovacích rychlostí 0,85 až 0,20 m.min-1  svařují se všechny druhy ocelí, měď, hliník, titan, nikl molybden a jejich slitiny  parametry svařování vysokolegovaných ocelí se pro tloušťky 2 až 10 mm: napětí mezi 28 až 40 V  svařovací proud mezi 110 až 300 A

 Druhy plynů:  Plazmový: Ar, Ar + H2, Ar + He, s průtokem 0,5-9 l/min  Fokusační plyn pro zúžení plazmového paprsku a průtokem 3-18 l/min  Ochranný plyn pro ochranu svarové lázně proti oxidaci s průtokem 2-20 l/min, u aktivních materiálů Ti, Zr, Ta se průtok zvyšuje na 20-30 l/min

 Úprava svarových ploch:

 Mikroplazmové svařování:  Intenzita proudu se zde pohybuje v rozsahu 0,05-20A. Mikroplazmovým svařováním lze svařovat kovové fólie tloušťky 0,01mm i plech tloušťky 2mm.  Značným problémem při spojování tenkých fólií je příprava svarové mezery, která se má pohybovat mezi 10-20% tloušťky fólie. Nutností je použití upínacích přípravků pro odvod tepla a zajištění polohy během svařování.  Vhodné pro svařování slitin niklu, titanu, mědi  Mikroplazmové svařování se používá v leteckém a kosmickém průmyslu, mikroelektronice, přístrojové technice, chemickém a potravinářském průmyslu.

 Systém Plazma – MIG (GMPA – Gas Metal Plasma Arc):  Svařování kombinací plazmy a svařování metodou MIG spojuje výhody plazmového oblouku (vysokou stabilitu hoření i při velké délce oblouku), s výhodami MIG svařování (automatické podávání tavící se drátové elektrody).  Existují dvě základní alternativy: a) Plazmový oblouk hoří mezi pomocnou wolframovou elektrodou a proud plazmatu je usměrňován hubicí. b) Plazmový oblouk hoří mezi hubicí a základním materiálem  V obou případech hlavní oblouk hoří mezi drátovou elektrodou a základním materiálem.  Přenos kovu je u systému plazma – MIG klidný, bez rozstřiku a je usměrňován proudícím plazmatem.  Při nízkém svařovacím proudu je hlavní oblouk úzký a průvar hluboký.  Při vysokém svařovacím proudu se vlivem šikmé polohy pomocné elektrody a neaxiální složky magnetické síly oblouku vychýlí ohřátý konec drátu a začne rotovat kolem osy hořáku. Oblouk zasáhne větší šířkou základního materiálu a hloubka závaru se výrazně zmenší, což se využívá pro navařování.

a) s pomocnou elektrodou, b) s hubicí ve formě elektrody, c) hoření oblouku při nízkém proudu, d)hoření při vysokém proudu (rotující oblouk)

 Řezání plazmou:  Plazmové řezání využívá vysoké teploty a výstupní rychlosti plazmového paprsku.  Při zvýšení průtoku a tlaku plazmového plynu se zvýší dynamický účinek vystupující plazmy a dochází k vyfouknutí nataveného materiálu z řezné spáry.  Při řezání jsou výstupní rychlosti plazmy vyšší a dosahují hodnoty kolem 15002300m/s.  Vysoká teplota plazmového paprsku umožňuje řezat všechny kovové vodivé materiály bez ohledu na jejich řezatelnost kyslíkem (omezeně i nevodivé materiály). Max. tloušťka materiálů je 250mm.

 Zdroje pro řezání mají vysoké napětí naprázdno 250-300V a při řezání dosahuje hodnota napětí mezi 110-150V.  Na začátku řezání je pomocí VF ionizátoru zapálen tzv. pilotní oblouk, který hoří mezi elektrodou a kovovou hubicí po dobu 6-10S. Pilotním obloukem se zajistí ionizace prostoru mezi elektrodou a řezaným materiálem a tím se vytvoří podmínky pro zapálení hlavního řezacího oblouku.  Rychlost řezání tenkých plechů se pohybuje mezi 9-12m/min.

 Výhody plazmového řezání:  Vyšší rychlost řezání než u řezání kyslíkem pro tenké a střední tloušťky.  Snížení vneseného tepla do materiálu (menší TOO a deformace).  Možnost řezání všech kovových materiálů především vysokolegovaných ocelí, hliníku, niklu, mědi a jejich slitin.  Snadná automatizace a mechanizace.  Minimální vliv kvality povrchu řezaných materiálů.  Nevýhody plazmového řezání:      

Úhel řezné hrany je větší než u řezání kyslíkem. Horní hrana plechu je oblejší než u kyslíkového řezání. Velký vývin dýmů, ozónu a oxidů dusíku. Vysoká hladina hluku od 80 do 100 dB. Vysoké pořizovací náklady. Obtížné propalování otvorů u tloušťek nad 15 mm.

Svařování elektronovým paprskem  Charakteristika:  je to proces tavného svařování, při kterém se kinetická energie rychle letících elektronu mění na tepelnou při dopadu na povrch svařovaného materiálu  svařování se provádí ve vakuu  pro ohřev a tavení základního materiálu se využívá energie úzkého svazku elektronů emitovaných wolframovou elektrodou katodou ohřátou asi na 2300°C  soustředění a urychlení elektronů se děje elektrickým polem (urychlovací napětí je 30-180kV)

a) Princip svařování b) Srovnání hustoty energie c) Mechanizmus vzniku svaru

 Výhody:  přednostně ve směru dopadu elektronů a lze dosáhnout hlubokého průvaru  teplem ovlivněné oblasti jsou malé, což umožňuje svařovat slitiny i ve vytvrzeném stavu  velký teplotní gradient a malé množství nataveného materiálu umožňuje spolu svařovat i kovy s rozdílnými vlastnostmi (lze svařovat tloušťky materiálů až 200-500mm)  vysoká rychlost svařování  velmi dobrý vzhled svaru s jemnou povrchovou kresbou  dokonalá ochrana svaru před vzdušnou atmosférou  lze svařovat vysoce reaktivní kovy jako např. titan, wolfram, zirkonium, atd.  svařování na jeden průchod paprsku  vysoký stupeň automatizace  možnost přenosu energie i vzdálenosti větší jak 500mm  rafinační účinky vakua

 Nevýhody:       

Na svařování se využije pouze malé procento celkového času. Nároky na čistotu svařovaných materiálů. Potřeba vakua. Nepříznivý charakter primární krystalizace svarového kovu. Nároky na přesnost a čistotu svarových ploch. Nároky na přesnost vedení paprsku. Poměrně vysoké investiční náklady na svařovací zařízení.

 Princip:  Vlastní zdroj elektronů je válcová vakuovaná nádoba, na jednom konci opatřená přímo nebo nepřímo žhavenou emisní elektrodou a na druhém konci je oddělovací uzávěr s hranolem pozorovací techniky  Zdroj elektronů se nazývá elektronové dělo (elektronová tryska) a je pomocí rotační a difuzní vývěvy čerpáno vysoké vakuum až 5.10-4 Pa(některé zdroje mají turbomolekulární vývěvu), získávají se elektronové paprsky malého průměru s velkou hustotou energie  Vakuum je potřeba k zajištění termoemise elektronů, k tepelné a chemické izolaci katody, zamezení vzniku oblouku mezi elektrodami a k zamezení srážek elektronů s molekulami vzduchu(vzduch způsobuje zbrzdění elektronů a vychýlení z přímého směru)  Používají se vakuové komory, kde je proces svařování řízen programovatelným polohovadlem  Základem svařování je získání volných elektronů a udělit jim vysokou rychlost, aby se zvětšila jejich energie, která se přemění na teplo při brzdění elektronů ve svařovaném materiálu.  Volné elektrony se získají rozžhavením kovové katody, která emituje elektrony. Urychlení elektronů se zabezpečuje elektrickým polem s velkým rozdílem potenciálů mezi anodou a katodou  Fokusace elektronů se dosahuje pomocí magnetických polí (pro zvětšení hustoty paprsků)

1 … katoda 2 … zaostřovací elektroda 3 … urychlovací elektroda (anoda) 4 … zaostřování paprsku elektromagnetickou čočkou 5 … magnetický odkláněcí systém elektronového paprsku 6 … svařovaný materiál 7 … zdroj vysokého napětí

Svařování laserem  Charakteristika:  Lasery jsou zařízení: kvantové zesilovače světla s využitím stimulované emise záření  Pro natavení základního materiálu se používá soustředěný svazek fotonů  Základní podmínkou laseru je stimulovaná emise záření v aktivním prostředí  Stimulované záření je zesilováno v rezonátoru a dále soustředěno optikou laseru do místa použití  Paprsek laseru natavuje materiál, který současně svařuje  Děleni:  Podle aktivního prostředí: Pevnolátkové lasery. Plynové lasery. Kapalinové lasery. Polovodičové lasery. Plazmatické lasery.

 Podle vlnových délek optického záření, které vysílají: Infračervené lasery. Lasery viditelného pásma. Ultrafialové lasery. Rentgenové lasery.  Podle typu buzení - lasery buzené: Opticky. Elektronovým svazkem. Tepelnými změnami. Chemicky. Rekombinací. Injekcí nosičů náboje.  Podle režimu práce: Pulzní. S dlouhými impulsy. S krátkými impulsy. S velmi krátkými impulsy (pikosekundové, femtosekundové). Kontinuální (spojitý).

TU v Liberci

Děkuji za pozornost.