Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí n. L. Fakulta výrobních technologií a managementu
Semestrální práce
Technologie svařování
Vypracoval: Petr Sádovský Akademický rok: 2013/2014 1
Obsah
Úvod …………………………………………………………………………… 1 1.1. Historie svařování ………………………………………………… 1 1.2. Průlom svařování v Československu …………………….. 3 2. Technologie svařování…………………………………………… .. 4 2.1. Tavné svařování …………………………………………………… 4 2.2. Tlakové svařování ………………………………………………… 7 3. Svařitelnost kovů …………………………………………………… 10 Závěr …………………………………………………………………………. 12 Literatura …………………………………………………………………. 12 1. Úvod Technologii svařování lze zařadit mezi ty nejrozšířenější ve strojírenské výrobě. Její podíl představuje okolo 6 až 8% celkové práce ve strojírenské výrobě a svým významem je na úrovni stěžejních strojírenských technologií, jakými jsou obrábění a tváření.
1.1. Historie svařování Historie svařování začíná už od starověku a to v době železné, kde lidé z východního středomoří začali svařovat železo. Ve středověku, kdy se dále rozvinulo kovářství, bylo vyrobeno mnoho předmětů tzv. kovářským svařováním, kdy se oba spojované předměty do žhava zahřejí a skovají dohromady. Svařování, tak jak je známe dnes, bylo objeveno až v 18. století. Nejprve to bylo svařování a řezání plynem. To bylo podmíněno objevem acetylenu v roce 1836. Svařování elektrickým obloukem zase bylo podmíněno vynálezem elektrického generátoru. První, kdo použil teplo elektrického oblouku ke svařování, byl zřejmě Auguste De Meritens ve Francii při svařování olovněných desek pro akumulátory. První patent na svařování získal jeho žák, Rus Nikolaj Nikolajevič Benardos. Ten se svým přítelem Stanislavem Olsewským obdržel britský patent roku 1885 a americký roku 1887. Bylo to svařování uhlíkovými elektrodami, které se rozšířilo koncem 19. století a začátkem století 20. Dokázal rovněž možnost svařování pod vodou. Ještě před koncem 19. století C. L. Coffin z Detroitu obdržel první americký patent pro svařování elektrickým obloukem za použití kovové elektrody. Rus Nikolaj Gavrilovič Slavjanov předváděl tentýž nápad už roku 1888. Kolem roku 1900 představil první obalenou kovovou elektrodu v Británii Strohmenger. Tato elektroda byla silně obalena jílem nebo vápnem a měla tu výhodu, že oblouk byl stabilnější. O několik let později Švéd Oscar Kjellberg vynalezl obalenou elektrodu podobnou té dnešní. Krátké tyčky namáčel ve směsi oxidů a křemičitanů, které později vysušil. Mezitím bylo také objeveno Thompsonem odporové svařování: bodové, švové, výstupkové a svařování natupo. Patenty obdržel v letech 1885 – 1890. V roce 1903 vynalezl Němec Godschmidt svařování termitem. To bylo poprvé použito na spojování železničních kolejí. V tomto období bylo také zdokonaleno svařování a řezání plynem. Bylo to podmíněno lepšením svařovacího hořáku. V roce 1920 bylo představeno automatické 2
svařování. Vynalezl ho P. O. Nobel ze společnosti General Electric. Používalo se k navařování opotřebených hřídelí motorů, k navařování opotřebených kol jeřábů a v automobilovém průmyslu. V téže době se konaly různé více nebo méně úspěšné pokusy se svařováním v plynu. Vyzkoušel se dusík, vodík, uhlíkové i wolframové elektrody. V roce 1926 obdrželi patent H. M. Hobard a P. K. Devers na svařování v ochranné atmosféře argonu a hélia. Tento způsob svařování byl dopracován ve 40. letech 20. století a používán pro svařování hořčíkových a hliníkových slitin a nerezové oceli. V roce 1948 byl podobný způsob odzkoušen s ocelovou tenkou elektrodou ve formě drátu. K význačnému objevu došlo v roce 1953, když Ljubavskij a Novošilov oznámili použití ocelových elektrod v atmosféře CO2. Metoda se velmi rychle ujala, protože představovala velice výhodný kompromis mezi kvalitou a cenou. Další vylepšení přišlo na přelomu let 1958 a 1959. Tento proces umožňoval mj. svařovat ve všech polohách. Proto se krátkém období stal velmi populární. V roce 1957 Gage vynalezl plazmové svařování, které má tu výhodu, že dosahovaná teplota je vyšší než u wolframu. Téhož roku bylo předvedeno svařování elektronovým paprskem ve vakuu. Vyvinul J. A. Stohr ve Francii. Aby výčet všech svařovacích metod byl úplný, je ještě zapotřebí uvést svařování třením, velmi rozšířené v bývalém Sovětském svazu a Británii. Svařování ultrazvukem a nejnověji svařování laserem.
Obr. Patent pro svařování elektrickým obloukem Nikolaje Benardose a Stanislase Olszewskeho udělený roku 1887 - Wiki
1.2. Průlom svařování v Československu Technologie ručního svařování elektrickým obloukem byla uznána teprve v roce 1927 zásluhou tehdejších velkých podniků: Českomoravské Kolben – Daněk a především Škodových závodů v Plzni. Zasloužil se o to především prof. Ing. Dr. František Faltus, DrSc. Podle jeho návrhu byl svařovaný tehdy most na světě Škodovými závody v Plzni v roce 1927 3
vyroben první celosvařovaný most v Československu o rozpětí 49,6m, tehdy nevětší svařovaný most na světě. Byl svařován ještě elektrodami s duší. Klasickými obalenými elektrodami byl svařen až most přes řeku Radbuzu v Plzni s rozpětím oblouku 50,6 m, postavený v roce 1933. Ve stejné době se začala v předválečném Československu průmyslově používat technologie plamenového svařování. Ve Vítkovických železárnách byl v roce 1929 vyroben jako první na světě celosvařovaný vysokotlaký kotel na přehřátou páru o teplotě 500° C při provozním tlaku 12,5 MPa.
2. Technologie svařování Základní rozdělení metod svařování: a) tavné b) tlakové
2.1. Tavné metody svařování Za pomoci tepelné energie dochází k natavení svarových ploch a případně přídavného materiálu a tak vzniká svarová tavná lázeň. Svarový spoj vzniká při jejím zatuhnutí. Mezi způsoby tavného svařování patří zejména: a) svařování plamenem, b) svařování elektrickým obloukem: - ruční, - poloautomatické v ochranných atmosférách, - automatické pod tavidlem, c) svařování elektrostruskové, d) svařování termitem, e) svařování svazkem elektronů, f) svařování světelným paprskem – laserem, g) svařovací pistole na přivařování svorníků, h) svařování elektrovibrační (navařování). Svařování plamenem využívá k tavení základního materiálu, popřípadě i materiálu přídavného, teplo, které vniká spalováním hořlavého plynu (acetylén, vodík, propan-butan apod.) s plynem podporujícím hoření (kyslík, vzduch). Svařování elektrickým obloukem je nejrozšířenější způsob svařování, Svařované kovy se při tomto způsobu svařování taví teplem elektrického oblouku hořícího mezi elektrodou (uhlíkovou, wolframovou nebo častěji kovou, tavící se elektrodou) a základním materiálem. Odtavující se elektroda se musí do svaru posouvat, aby elektrický oblouk měl stálou délku, a současně se musí posunovat podél svaru. Koná-li oba tyto pohyby svářeč, hovoříme o ručním svařování. Přivádí-li se elektroda do svaru strojně, automaticky, jde o svařování poloautomatické. Řídí-li se oba pohyby elektrody strojně, je to svařování automatické. Poloautomatické svařování využívá k ochraně svarového kovu před vzduchem zvláštní ochranné atmosféry tvořené chemicky netečným (inertním) plynem, který je převážně argon. 4
Elektrický oblou hoří mezi elektrodou a základním materiálem a tryskou kolem elektrody proudí mírným přetlakem argon. Elektroda může být wolframová (pak se netaví); jde o ruční svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře argonu (často používaná zkratka WIG nebo TIG)
Obr. Svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře - Wiki
Pokud je pro vytvoření svaru nutný přídavný materiál, musíme jej dodávat ve tvaru drátu, který odtavujeme v elektrickém oblouku. Pro větší průřezy je proto vhodnější použít elektrodu ve tvaru drátu navinutého na cívce. Drát se přivádí do svaru automaticky, odtavuje se a tvoří svarový kov. Pak jde o poloautomatické svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře argonu (MIG = metal inert gas). Svařování v ochranné atmosféře argonu je velmi vhodné pro svařování vysokolegovaných ocelí nerezavějících, pro svařování hliníku, mědi a titanu. Technické i ekonomické přednosti tohoto způsobu svařování vedly ke snaze zavést je i pro svařování ocelí obvyklých jakostí a ocelí nízkolegovaných. Použití argonu by však bylo příliš drahé, a proto se uplatnil jako ochranný plyn CO2 nebo ve směsích plynů, v nichž tvoří CO2 hlavní složku (MAG = metal active gas). Směsi plynů (tzv. směsný plyn) zlepšují stabilitu elektrického oblouku, snižují rozstřik a příznivě ovlivňují tvar svaru. Aktivní atmosféra samotné CO2 však ovlivňuje tavnou lázeň, neboť tento plyn následkem vysoké teploty disociuje, z molekuly CO2 se uvolňuje kyslík, který nepříznivě ovlivňuje jakost svaru. Aby se tento škodlivý vliv kyslíku odstranil, musí mít svařovací drát zvýšený obsah dezoxidačních přísad manganu a křemíku.
5
Obr. Poloautomat pro svařování v kysličníku uhličitém - arcraftplasma.com
Automatické svařování pod tavidlem používá jako zdroj tepla elektrický oblouk hořící mezi základním a přídavným materiálem, a to pod vrstvou práškového tavidla. Tavidlo se přivádí trubkou před holý přídavný drát, který se kladkami automaticky posouvá do svaru. Elektrický oblouk zakrytý vrstvou tavidla hoří v dutině vytvořené plyny, které vznikly při tavení tavidla. Tímto uspořádáním se podstatně sníží ztráty tepla elektrického oblouku. Většina tepla se využije pro tavení materiálů, což výrazně zvýší výkon svařování. Elektrický proud se do drátu přivádí kladkami blízko před elektrický oblouk, což umožňuje použít svařovací proud o vysoké intenzitě, což zase přispívá k velkému výkonu svařování. Tento způsob svařování vyžaduje dobrou přípravu svařovaných dílů, přesné sestavení svařence. Kvalita svarů je velmi dobrá, protože tavidlo dokonale chrání svarový kov před vzduchem a působí příznivě na chemické složení svarového kovu. Svařování elektrostruskové je v podstatě tavné svařování elektrickým odporem. V průběhu svařování zde nehoří žádný elektrický oblouk. Teplo pro tavení základního i přídavného materiálu se získává preje na vysokou teplotu a průchodem svařovacího proudu o velké intenzitě roztavenou a elektricky vodivou struskou. Tím se struska ohřeje na vysokou teplotu a přídavný materiál do ní přiváděný se taví. Tvoří tak svarovou lázeň, která tuhne zespoda ve svarový kov. Svařování automaticky postupuje vždy v poloze svislé, zespoda vzhůru po svařovaném předmětu. Mezi svařovanými plochami je mezera asi 30 mm; ze stran se svarový kov formuje měděnými příložkami. Elektrostruskové svařování je mimořádně výkonné, vhodné zvláště pro svařování velkých průřezů (100-752 mm). Vyvíjí se Svařování svazkem elektronů – zdrojem tepla pro tavení materiálu je proud elektronů soustředěných na malou plochu. Elektrony se pohybuji velkou rychlostí, takže dopadem způsobují rychlý ohřev na vysokou teplotu (až 10 000°C), která stačí na roztavení, a tedy svaření všech kovů, i látek nekovových – keramika, sklo. Nevýhodou je, že svařovaný předmět musí být v komoře, ve které je vysoké vakuum. Proto byla vyvinuta zařízení, která umožňují pracovat s nižším vakuem nebo dokonce umístit svařované díly i mimo komoru se zdrojem elektronů. 6
Soustředěný svazek světelných paprsků – laser je zdrojem mimořádně koncetrované energie, která se může používat pro tavné svařování. Tento svazek paprsků má průměr 0,02 až 0,1 mm. Použití laserových paprsků je mimořádně rozsáhlé ve všech oborech. Ve svařování se ověřují přístroje pro svařování zvláště v mikrotechnice. Elektrovibrační navařování se uplatňuje při renovaci opotřebených dílů (hřídelů apod.) Přídavný drát se přivádí kolmo k povrchu součásti hubicí, která kmitá. Tím se vytváří oblouk, jimiž se přídavný materiál odtavuje a přenáší na povrch svařované součásti. Vzhledem k značnému rozstřiku se používá ochranný plyn CO2. Výhodou je malé ovlivnění základního materiálu. Svařovací pistole na přivařování svorníků umožňuje rychlé přivařování svorníů o pr. 3 až 25 mm na kovové stěny. Po vložení svorníku se zapne proud; elektromagnetickými silami se svorník poněkud nazdvihne, takže vznikne elektrický oblouk. V žáru oblouku se konec svorníku i základní materiál nataví. Svařovací proud se automaticky po nastavené době (desetiny sekundy) vypne a svorník se pružinou přitlačí na základní materiál do místa svaru. Keramický kroužek kolem svaru pomáhá formovat svar a chrání svářeče před oslňujícím zářením elektrického oblouku.
2.2. Svařování tlakem Do této skupiny můžeme zařadit: a) svařování kovářské, b) elektrické svařování odporové c) svařování termitem, d) pěchovací svařování plamenem (plamenotlakové svařování) e) fyzikální metod svařování, jako např. svařování třením, tlakem zastudena, indukční svařování, ultrazvukem, svařování explozí, svařování difúzní. Svařování kovářské neboli svařování v ohni je nejstarší způsob svařování kovů. Materiál se ve výhni ohřeje na svarnou teplotu (do plastického stavu) a pak se ručně nebo strojně (bucharem nebo lisem) tlakem svaří. Dobře se tak svařují měkké oceli (s velmi malým obsahem uhlíku) a měď. Rozsah použití je dán možností dobrého prokování, které je ručního kování si do 25 mm. Průmyslový význam toto svažování nemá a používá se velmi omezeně v opravnách nářadí, pro svažování článků řetězů apod. Elektrické svařování odporové je velmi výkonné a bez jeho širokého uplatnění je moderní hromadná a sériová výroba nemyslitelná. Svařované části se ohřívají na svarnou teplotu průchodem elektrického proudu. Pro množství tepla, které takto vzniká, platí Jouleův vztah, podle něhož je ohřev přímo úměrný elektrickému odporu svařovaných materiálů, intenzitě proudu a době, po kterou proud působí. Zdrojem proudu je u naprosté většiny odporových svářeček jednofázový transformátor, který dává sekundární svařovací proud o napětí 2 až 20
7
V a o intenzitě 1000 až 150 000 A. Sekundární vinutí transformátoru tvoří obvykle jeden závit z mědi chlazený vodou. Podle konstrukce svářečky rozlišujeme odporové svařování: a) stykové (natupo) – stlačením nebo odtavením, b) přeplátováním – bodové, - švové, - výstupkové Stykové odporové sváření se díky metalurgicky kvalitnějšímu svaru provedenému odtavením se uplatnilo pro náročné odporové svary kotlových trubek, betonářských ocelí, kolejnic apod. Bodové svářečky jsou ve výrobě velmi rozšířeny. Používají se mikrobodové svářečky ke svařování tenkých drátků v elektronice, střední univerzální bodové svářečky, mnohobodové svářečky a rychlobodové svářečky s kadencí až 600 bodových svarů za minutu. Pro práci na rozměrných konstrukcích se používají svařovací kleště zavěšené na zdvihacím zařízení. Švové svářečky jsou obdobou, svářeček bodových. Do kotoučových elektrod se přivádí přerušovaný proud, takže vzniká řada bodových svarů. Toto odporové svařování se uplatňuje při svařování nádrží, topných těles, konzervových krabic apod. Výstupkové svařování se provádí na svařovacích lisech při použití vhodných přípravků, které zajišťují správnou polohu svařovaných dílů.
Obr. Elektrické odporové svařování – Novaček a Kol - Svařování
Svařování termitem je takový způsob svařování, při kterém je zdrojem tepla chemická reakce mezi kysličníky železa a hliníkem. Tato reakce probíhá při hoření termitové směsi (což je směs Fe2O3 + 2 Al = Al2O3 + 2 Fe + 757,8 J, výsledkem reakce je tedy kysličník hlinitý jako struska a vyredukované železo. Velké množství tepla, které při reakci vzniká, ohřeje obě látky na teplotu až 3000 °C, tedy do tekutého stavu. Kolem konců svařovaných dílů je žáruvzdorná 8
forma, do které se obsah kelímku po shoření termitu vypustí. Použije-li se pro ohřev svařovaných částí kysličník hlinitý, který je ohřeje do plastického stavu, musí se svar vytvořit stlačením svařovaných dílů (svařování tlakem). Je možné též ohřát díly tekutým železem, které vytvoří tavný svar, popřípadě použít kombinaci obou způsobů svařování. Svařování termitem se používá nejčastěji ke svařování železničních kolejnic. Velmi vhodně se uplatňuje při svařování betonářských ocelí. Výhodou je jeho jednoduchost a menší závislost na kvalifikaci pracovníků. Pěchovací svařování plamenem využívá jako zdroj tepla acetyleno-kyslíkový plamen, kterým se části ohřejí jen na svarný žár a pak stlačí. Pěchovací svařování je pro sovu jednoduchost vhodné pro svařování trubek, tyčí apod. Fyzikální metody svařování vycházejí z principu svařování tlakem a používají různé způsoby ohřevu svařovaných dílů. Při svařování třením se části ohřívají teplem, které vniká mezi troucími se svařovaným částmi, z nichž jedna se otáčí a druhá stojí. Po náležitém ohřevu se rotující číst rychle zastaví a obě části se stlačí.
Obr. Princip svařování třením 1, 2 – svařované díly, A – fáze ohřevu třením za rotace, B – fáze svařování a chladnutí – ksp.tul.cz
Svařování tlakem zastudena je typické svařování tlakem bez jakéhokoliv ohřevu. Svařované díly se stlačí tak, že začnou působit molekulární síly a vznikne kvalitní spoj. Tento způsob se používá pro svařování hliníku a mědi (potřebný tlak je asi 1500 MPa) Indukční svařování se používá pro výrobu svařovaných trubek. Kovový pás se kladkami zakroutí do tvaru trubky a pak prochází induktorem. Svařované okraje pásu se indukovaným vysokofrekvenčním proudem ohřejí, v kovacích kladkách stlačí, a tím svaří. Tloušťka stěny bývá 0,8 až 12 mm. Svařování pomocí ultrazvukového kmitání využívá přeměnu kinetické energie v teplo. Zdrojem kmitů je generátor. Kmity se přenášejí vibračním nástavcem na svařované plochy, které se po ohřevu stlačí.
9
Obr. Princip ultrazvukového svařování - ksp.tul.cz
3. Svařitelnost kovů Je to komplexní charakteristika materiálů, která určuje technickou vhodnost materiálu pro vytvoření spoje předepsané jakosti daných podmínek svařování. Podmínky svařitelnosti jsou: a) podmínky metalurgické (chemické složení materiálu, tepelné zpracování, způsob svařování) b) podmínky konstrukční (druh spoje, tloušťka materiálu, tuhost konstrukce, rozmístění svarů, technologický postup) c) podmínky operativní – dodržení technologického postupu, pracovní podmínky, správné metody svařování Svařované materiály: Oceli: nelegované, uhlíkaté, legované Litiny: špatně svařitelné (díky vysokém obsahu uhlíku cca 3,2% a více), vyžadují zvláštní režim Neželezné kovy a jejich slitiny: obecně jsou hůře svařitelné Svařitelnost z hlediska materiálu je ovlivněna chemickým složením, technologií výroby a dalším tepelným zpracováním základního materiálu. Dále metalurgickým pochodem vlastního procesu svařování Vliv chemického složení: U ocelí nelegovaných, uhlíkových (třídy 10,11,12) ovlivňuje svařitelnost rozhodujícím způsobem obsah uhlíku. U ocelí s obsahem uhlíku od 0,3% výše velká tvrdost a nebezpečí zakalení pásma vedle svaru, tudíž nevětší rychlost ochlazování. Se zakalením je spojeno velké vnitřní pnutí a nebezpečí praskání ve svaru. Z tohoto hlediska můžeme říci, že oceli, které jsou kalitelné, nejsou svařitelné a naopak. S ohledem na další činitele ovlivňující svařitelnost se hranice uhlíku u svařitelných ocelí udává 0,22 až 0,25%. Na svařitelnost mají vliv i nečistoty. Například fosfor působí křehkost oceli zastudena, síra vyvolává křehkost oceli za červeného žáru, atd. Dále mají vliv plyny jako kyslík, dusík, vodí. Účinnost těchto prvků se vyjadřuje jejich poměrným účinkem tvz. uhlíkovým ekvivalentem Ce.
10
Výpočet pro max. obsah C = 0,22 hm. %, se zahrnutím vlivu tloušťky:
Pro Ce < 0,45 ….. ocel je dobře svařitelná Pro Ce > 0,45 ….. při svařování oceli je nutno použít předehřev Tp = (Ce - 0,45).(100 až 200 °C)
Výpočet dle IIW/IIS pro obsah C > 0,18 hm. %:
Svařitelnost z hlediska konstrukce je ovlivněna konstrukčním řešením. Tyto činitelé nezávisí na vlastnostech materiálů
Základní značky svarů
Svařitelnost z hlediska operativních podmínek je ovlivněna zejména pracovním postupem, metodou a režimem svařování ve výrobním procesu Svařitelnost se posuzuje zejména podle těchto kritérií: - chemické složení svařovaného materiálu - náchylnost na zkřehnutí v tepelně ovlivněné oblasti svarového spoje - náchylnost k trhlinám (praskavost) v oblasti svarového spoje – možnost vzniku trhlin ve svařovaném materiálu (trhliny za tepla, trhlina za studena (praskliny) 11
Praskavost svarů se projevuje tvořením trhlin v oblasti svarového spoje, má významný vliv na svařitelnost materiálu. Trhliny vznikají ve svarovém kovu a jejich vznik je ovlivněn jak jakostí přídavného materiálu, tak vnitřními vadami ve svaru, podmínkami ochlazování, strukturním změnami a vlastnostmi oceli za tepla.
Závěr Svařování je velice obsáhlá kapitola výrobní technologie. Ke kvalitně provedenému svarovému spoji vede dlouhá cesta. V této práci je zpracováno několik kapitol, které představují obecné informace vytvořené výtahem z dostupných materiálů a může sloužit jako studijní pomůcka.
Literatura: Nováček a Kol – Svařování Ladislav Plíva - ČS. Stroje a pomocná zařízení pro obloukové, elektgrostruskové a odporové svařování
Použité internetové zdroje: http://www.vsb.cz/cs/ http://www.konstrukce.cz http://www.ksp.tul.cz http://www.arcraftplasma.com http://www.svarbazar.cz http://www.generalweld.cz http://ust.fme.vutbr.cz
12
