Úvod do svařování Průmyslový design Ing. Karel Kovanda, Ph.D.

Transkript

1 Úvod do svařování Průmyslový design Ing. Karel Kovanda, Ph.D. ČVUT v Praze, Fakulta strojní Ústav strojírenské technologie

2 Metody spojování materiálů Rozebíratelná a) mechanické spoje, b) šroubová spojení, c) samosvorná spojení apod. Aligator, mmspektrum,studentcar, eshopameco, exportpages.

3 Metody spojování materiálů Nerozebíratelná a) nýtování, b) svařování a navařování, c) pájení, d) lepení apod. Digital.guide, kovárna, bawnboy.com, allmetalshaping.com,

4 Definice svařování Svařování je pracovní postup, kterým se spojují materiály za působení tepla nebo tlaku (případně kombinace těchto vlivů). Cíl Svařování: Vyrobit vyhovující spojení určitých částí povrchů dvou nebo více dílů, tak aby vzniklý spoj vykazoval vlastnosti, které jsou požadovány nebo vyhovují provozním podmínkám.

5 Navařování Navařování je obdoba svařování, kdy v omezeném prostoru dané součásti se nanáší přídavný materiál za účelem doplnění nebo zvětšení objemu součásti. Weldmasters, kolařik@

6 Navařování Oblasti použití energetický průmysl korozivzdorné a žárupevné povrchy těžební průmysl - stroje, zuby rypadel mlýny na zpracování sutě, betonu zemědělská technika ESAB, ČVUT Pavel Rohan@

7 Pájení Pájení je způsob metalurgického spojení kovových nebo nekovových materiálů pomocí přídavného materiálu, bez natavení základního materiálu. Přídavný materiál = pájka musí mít teplotu tavení nižší než ZM Akaonline, medenerozvody, vezas

8 Lepení Lepení je proces spojování materiálů, při kterém se dosahuje trvalé (nerozebíratelné) spojení stejných, popřípadě rozdílných materiálů, prostřednictvím lepidel (adheziv). = Spojení dvou různých ploch prostřednictvím lepidla, které má dobrou přilnavost k oběma plochám. Henkel,loctaid

9 Lepení ksp.tul.cz, Scania.cz průmyslové aplikace (automobily, lepení bočnic autobusů, dřevozpracující průmysl ) funkční spoje těsnící, tlumení vibrací, nezvyšují hmotnost součásti hobby

10 Základní pojmy názvosloví ČSN Základní materiál (ZM): materiál, který je svařován Přídavný materiál (PM): je přidáván během svařovacího procesu (elektrody, dráty, tyčinky, pásky, tavidla) Oerlikon, ESAB Svarová lázeň: materiál roztavený při svařování vzniká tavením základního a přídavného materiálu Svarový kov: roztavený základní materiál a přídavný materiál přivedený do tavné lázně - po ztuhnutí svarové lázně

11 Základní pojmy názvosloví ČSN Svarové plochy : část plochy základního materiálu, které při svařování jsou nataveny až po hranice závaru a účastní se procesu svařování 1) Úhel zkosení: úhel mezi úkosem a plochou čela 2) Úhel otevření: úhel mezi úkosy 3) Styková mezera: mezera mezi svařovanými díly 4) Otupení: nezkosená část svarové plochy

12 Základní pojmy názvosloví ČSN Svarová housenka: svarový kov navařený nebo přetavený při jednom chodu elektrody nebo svařovacího hořáku Vrstva svaru: část svarového kovu, která se skládá z jedné nebo několika housenek umístěných na stejné úrovni příčného řezu svaru 1) Kořenová vrstva: první vrstva svaru tvořící kořen svaru 2) Výplňové vrstvy: svarové vrstvy mezi kořenovou a krycí vrstvou 3) Krycí vrstva: poslední svarová vrstva tvořící povrch svaru

13 Druhy svarů Rozdělení podle hledisek: 1) Polohy průřezu svaru vzhledem k zátěžným silám (čelní, boční a šikmé) 2) Účelu použití stehový (u velkých průměrů potrubí), těsnící ( u nádrží apod.), nosné (konstrukce) a kombinované (např. tlakové nádoby) 3) Tvaru svaru tupé (I,V,U,X ), koutové (T, rohové, přeplátované), lemové, děrové, žlábkové, bodové, švové

14 Tupé svary Nejvhodnější typ spoje pro konstrukce a součásti, namáhané opakovaným zatížením (dynamickým) Je zachován plynulý silový tok (průběh siločar) Příprava stykových ploch je dána materiálem, tloušťkou a způsobem svařování Svar typu I Svar typu V Svar typu X

15 Koutové svary Nejvýhodnější z ekonomického hlediska (nevyžadují úpravu svarových ploch - úkosů) Nemají tak příznivý silový tok (mají menší únosnost) Vhodné svařovat dvěma koutovými svary, kdy eliminujeme účinek vliv ohybového momentu na svar (deformace) Spoj typu T Přeplátovaný spoj Rohový spoj Křížový spoj

16 Další typy svarů Lemový svar Děrový svar Žlábkový svar Bodový svar Švový svar

17 Značení svarů na výkrese

19 Značení svarů na výkrese Označení svaru tvoří: základní značka svaru doplňková značka svaru údaj o rozměru spoje doplňující údaje (metoda, druh elektrody, ochranný plyn, stupeň kvality svarového spoje, apod.) Svarové a pájené spoje - označování na výkresech ČSN EN ISO 2553

22 Rozdělení metod svařování Podle způsobu vzniku 1) působení tepla spojení materiálů se dosahuje přes roztavený svarový kov 2) působení tepla a tlaku spojení je dosaženo plastickou deformací a částečným natavením spojovaných materiálů 3) působení tlaku přivádí se pouze tlak a ke spojení dochází v tuhém stavu První skupinu metod označujeme za metody tavného svařování, druhé dvě za metody tlakového svařování.

23 Rozdělení metod svařování 1) Ruční 2) Strojní 1) Mechanizované 2) Automatizované 3) Robotizované Migatronic, AirLiquide. Linde

24 Rozdělení metod svařování TAVNÉ Obloukové sv. MMA MIG/MAG, TIG SAW Plamenové sv. Plazmové sv. Laserové sv. Elektronové sv. TLAKOVÉ Odporové sv. Bodové, švové Výstupkové Stykové Tlakové za studena Třením Kovářské sv. Výbuchové sv. Difúzní, ultrazvukové OSTATNÍ METODY Elektrostruskové sv. Aluminotermické sv. Sv. světelným zářením Indukční sv. Přivařování svorníků Indukční sv. Sv. el. výbojem/rázem

25 Výhody svařování trvanlivost spojení, jeho pevnost a těsnost možnost náhrady výkovků a odlitků (levnější výroba) svařování tvarově složitých dílců snížení hmotnosti konstrukcí - vhodnou volbou materiálů zvýšení produktivity uplatněním mechanizace a automatizace svařovacích pochodů snížení spotřeby materiálu snížení výrobních nákladů vysoká rychlost spojování Video MAG trubka

26 Nevýhody svařování nerozebíratelné spoje potřeba kvalifikovaných dělníků (operátoři, svářeči, sv. dozor) kvalifikované postupy svařování (WPQR, WPS ) změna struktury i mechanických vlastností svarového spoje vznik deformací a vnitřních pnutí vznik vnitřních i povrchových vad kovandak@

27 Příklady svařovaných konstrukcí Žižkovská věž Vykupto, travelguide, ceskatelevi

28 Příklady svařovaných konstrukcí Trojský most přes Vltavu Metrostav, eurozpravy

29 Kovářské svařování TLAKOVÉ používáno od starověku celá staletí (až do konce 19 století) bylo jedinou používanou metodou svařování = spojování materiálu v ohni tlakem drátěné košile, zbraně, šperky, užitné předměty

30 Kovářské svařování TLAKOVÉ Princip metody : před svařováním napěchování konců vznik šikmých stejně velkých styčných ploch oba díly očistit od okují tavidlem (boraxem) ohřát na svařovací teplotu (nad 1300 C) přitisknout velkým tlakem k sobě

31 Svařování třením TLAKOVÉ Ohřev stykových ploch třením Pevné uložení + rotace = teplota svařování + osový tlak = svar Video - tření

32 Svařování třením TLAKOVÉ Výhody : nízká spotřeba energie, bezpečná práce, kvalita svarů, vysoká produktivita práce, možnost spojování různých materiálů, možnost automatizovat proces.

33 Odporové svařování TLAKOVÉ Průtokem elektrického proudu svařovaným místem se materiál svařovaných součástí ohřeje odporovým teplem roztaví se materiály se stlačí = vznik spoje Ohmův zákon U = I R V Odpor. teplo Joulův zákon Q = R I 2 t J El. odpor R = R p + R m Ω Rm - materiálový odpor (el. vodivost, jakost, tloušťka, teplota) Rp - přechodový odpor (čistota a drsnost povrchů, tlak elektrod 1/P) P- přítlačná síla [N]

34 Odporové svařování TLAKOVÉ nejvyšší teplota - místo dotyku plechů značné množství tepla uniká vedením do materiálu a sáláním do okolního prostředí.

35 Odporové svařování TLAKOVÉ Měkký svařovací režim nízký svařovací proud - proudová hustota do 200 A mm -2 dlouhý svařovací čas - asi 25 period střídavého proudu 0,5 s do 1,5 s nižší svařovací síla (do N) tlak do 60 N mm -2 svařování ocelí s vyšším obsahem uhlíku, opravy, znečištěný povrch tepelné ztráty sáláním, zahřívání elektrod, otlaky, malý průměr čočky Tvrdý svařovací režim vysoký svařovací proud - proudová hustota A mm -2 krátký svařovací čas - 3 až 8 period 0,16 s vyšší svařovací síla (cca N) tlak více než 80 N mm -2 svařování legované oceli, neželezné kovy a jejich slitiny vyšší živostnost elektrod, menší deformace, vyšší napětí ve sv. spojích

36 Odporové svařování TLAKOVÉ Bodové svařování nejvíce používaný způsob svařování plechů tloušťky od 0,01 do 10 mm (lze však svařovat i větší tloušťky) při bodovém svařování se vytvářejí především přeplátované spoje automobilový průmysl 80 % svarů Portablewelders, Entroncontrols, Ogsindustries

37 Odporové svařování TLAKOVÉ Švové svařování obdobný proces bodovému svařování svařovací elektrody jsou otočné tvar kotouče (kladek) odvalování svařovaných dílů překrývající se bodové svary dlouhé svary plechů, profilů apod. materiály elektrod: báze mědi, žárupevné slitiny Mo, W Shinkmann, Marinenotes.blogspot

38 Indukční svařování TLAKOVÉ Vysokofrekvenční svařování teplo vzniklého elmag. indukcí ve svarových plochách tupého svaru plechů průchod střídavého proudu střední nebo vysoké frekvence ( khz) výroba trubek a uzavřených profilů způsob se zařazuje jako švové svařování, ale ve skutečnosti jde o stykové pěchovací svařování Shinkmann, Marinenotes.blogspot Shinkmann,

39 Odporové svařování TLAKOVÉ Výstupkové svarové spoje se vytvářejí na místech přirozených a záměrně vytvořených výstupků (odporové svařování na lisu) šrouby, matice, montážní prvky Ogsindustries.com

40 Odporové svařování TLAKOVÉ Stykové svarové spoje se vytvářejí v celé styčné ploše využití nebo bez využití odtavení (tj. svařování s odtavením a pěchovací) plné profily, tyče, kolejnice Regena.cz, Tratovestroje.net

41 Odporové svařování TLAKOVÉ BMW, Avio

42 TAVNÉ METODY

43 Ruční svařování obalenou elektrodou TAVNÉ zdroj tepla = elektrický oblouk (vysokotlaký nízkonapěťový výboj) el. oblouk hoří mezi elektrodou a základním materiálem Youtube, Messer Eutectic Castolin

44 Ruční svařování obalenou elektrodou TAVNÉ Polohy svařování : všechny polohy (omezení druh elektrod) Druh základního materiálu : nelegované, nízkolegované vysokolegované oceli, Ni, Cu, Al jejich slitiny (případně i další materiály) Tloušťka základního materiálu : 2 až 100 mm (ekonom.) Svařovací proud : 50 až 450 A Napětí na oblouku : 15 až 40 V Druh svařovacího proudu : stejnosměrný, střídavý Průměr elektrod : 1,6 až 8 mm (obvykle 2 6,3 mm) Statická charakteristika zdroje : strmá (zdroj konstantního proudu) Metoda na ústupu opravárenství, montáže

45 Ruční svařování obalenou elektrodou TAVNÉ Litina Hliníková slitina Titanová slitina

46 Ruční svařování obalenou elektrodou TAVNÉ Svařování plechu v poloze PF Messer Eutectic Castolin

47 Svařování elektrickým obloukem TAVNÉ Pinch efekt = radiální tlak magnetického pole oblouku možno svařovat i v nucených (montážních) polohách. 1- elektroda, 2 hranice natavené oblasti, 3 kapka taveniny, 4 katodová skvrna, 5 sloupec oblouku, 6 anodová skvrna, 7- zmenšení průřezu, a působení gravitace, b směr radiálního působení magnetického pole (pinch efekt), c povrchové napětí, d směr elektrostatických sil, e síly odpařujícího se kovu, f viskozita taveniny, g dynamický účinek proudícího plazmatu

48 Přenos kovu v oblouku TAVNÉ Při obloukovém svařování tavící se elektrodou dochází ve sloupci oblouku k přenosu roztaveného kovu elektrody do svarové lázně Zkratový přenos Bezkratový (Kapkový) přenos Sprchový přenos Charakter přechodu svarového kovu v oblouku je určován hlavně : - proudovou hustotou - obalem elektrod - napětím (délkou oblouku) - polaritou a atmosférou

49 Svařování el. obloukem v ochranných atmosférách TAVNÉ Úkoly ochranné atmosféry: ochrana svarové tavné lázně, elektrody, el. oblouku a okolí svaru, sekundární ochrana kořene a líce svaru, ovlivňuje proces zapalování a stability hoření el. oblouku (vytvoření dostatečně ionizovaného prostředí), vliv na geometrii svaru (šířka, hloubka průvaru ) kovandak@ Kyslík reaguje s kovovými prvky, vznik oxidů s velkou teplotou tavení, snižuje mech. vlastnosti, od 0,23 % je ocel křehká Vodík vždy v plynné fázi, způsobuje pórovitost, vznik trhlin za studena Dusík nitridy (Al, Mn, Si, Ti, Fe), snižuje tažnost, vrubovou houževnatost

50 Svařování el. obloukem v ochranných atmosférách TAVNÉ Rozdělení ochranných atmosfér - podle chemické aktivity: 1) Inertní ( netečné ) nereagují se svarovou lázní inertní plyny (Ar, He, směsi Ar + He) 2) Aktivní účastní se reakcí ve svarové lázni oxidační plyny (CO 2, směsi na bázi Ar + CO 2, Ar+O 2...) Linde gas, Airproduct

51 Svařování el. obloukem v ochranných atmosférách TAVNÉ MAG (Metal active gas) 135 Odtavující se elektroda, kde ochranný plyn se aktivně podílí na tvorbě svarového kovu MIG (Metal inert gas) 131 Odtavující se elektroda, kde ochranný plyn nereaguje při tvorbě svarového kovu WIG, TIG (Wolfram inert gas - Tungsten inert gas) 141 Wolframová netavná elektroda, kde ochranný plyn nereaguje při tvorbě svarového kovu. Linde gas

52 Svařování metodou MAG/MIG TAVNÉ Zeross, Kolařík L.

53 Svařování metodou MAG/MIG TAVNÉ Polohy svařování: Druh základního materiálu : Tloušťka zákl. materiálu : Přenos kovu : všechny MAG : nelegované, nízkolegované a vysokolegované ocele MIG : Al, Cu, Ni a jejich slitiny 0.8 až 40 mm Zkratový : I S = A, U EO = V Sprchový : I S = A, U EO = V Druh svařovacího proudu : Stejnosměrný (polarita nepřímá =elektroda na + pólu svařovacího zdroje) Průměry svařovacích drátů : Poloautomatický proces : 0,6 do 1,6 mm drát-podavač Statická charakteristika zdroje plochá (zdroj konstantního napětí)

54 Svařování metodou MAG/MIG TAVNÉ EWM

55 Svařování metodou MAG/MIG TAVNÉ Atlaslokomotiv, Czloko, Technet.idnes

56 Svařování metodou TIG TAVNÉ Tavné svařování, při kterém se používá netavící se elektroda čistě wolframová nebo s aktivující přísadou. El. oblouk a oblast svaru je chráněna inertním plynem. Podle potřeby může být použit přídavný materiál. PLYNOVÁ HUBICE PŘÍDAVNÝ MATERIÁL OCHRANNÝ PLYN ZÁKLADNÍ MATERIÁL SVAROVÁ LÁZEŇ SVAROVÝ KOV Migatronic, Linde, Zeross

57 Svařování metodou TIG TAVNÉ Migatronic, Zeross

58 Svařování metodou TIG TAVNÉ Polohy svařování : Druh základního materiálu : Tloušťka základního materiálu : Druh svařovacího proudu : Rozsah svařovacího proudu : všechny všechny!!!: legované ocele, Al, Mg, Cu, Ni, Ti, Ag a jejich slitiny 0.5 až 10 mm Stejnosměrný (polarita přímá i nepřímá) i střídavý 10 až 500 A Průměry wolframových elektrod : 1 až 8 mm (obvykle od 2 do 4 mm) Průměr přídavného materiálu: Používané ochranné plyny : Vhodná statická cha. zdroje : 0,8 4 mm (délka 1m) plné, plněné 0,6 2,4 mm (cívky) inertní (Ar, He) strmá

59 Svařování metodou TIG TAVNÉ Abicor Binzel, EWM, Dinse

60 Svařování metodou TIG TAVNÉ Elektrody jsou normalizovány dle ČSN EN ISO chemické složení, - rozměry a úchylky, - barevné značení Vyrábějí se v průměrech od 0,5 do 10 mm (obvykle používané průměry jsou 1,6 3,2 mm) a v délkách od 50 do 175 mm Migatronic, Svět svaru

61 Svařování metodou TIG TAVNÉ Značení elektrod se řídí následujícími zásadami : první písmeno značí základní prvek elektrod W (Wolfram) druhé písmeno charakterizuje přísadu oxidů P (čistě wolframová elektroda bez oxidů jako Pure = čistý) = 99, 9 % W T (oxid thoričitý ThO 2 ) - Tt = C Z (oxid zirkoničitý ZrO 2 ) - Tt = C L (oxid lantanitý La 2 O 3 ) - Tt = C C (oxid ceričitý CeO 2 ) - Tt = C číslo u základní značky udává desetinásobek koncentrace oxidů Např.: WL20 wolframová elektroda s 2% příměsi oxidu lantanitého Příměsi mají vliv na životnost elektrody, stabilní hoření oblouku, zapalování oblouku, stabilitu při vysokých teplotách

62 Svařování metodou TIG TAVNÉ Linde, Crontex,

63 Svařování metodou TIG TAVNÉ ESAB, Automobilrevue, Aluminum, Sop, pinterest

64 Svařování pod tavidlem TAVNÉ Zdroj tepla = elektrický oblouk hořící pod vrstvou práškového tavidla, část se taví a vytváří strusku. ESAB ESAB

65 Svařování pod tavidlem TAVNÉ Poloha svařování : PA (vodorovná shora), do úžlabí, PB Tloušťka základního materiálu: 3 až 100 mm, případně i více (úzký úkos) Rozsah svařovacího proudu : 200 až 2000 A (extrémně i 4000 A) Rozsah napětí na oblouku : 20 až 50 V Rozsah svařovacích rychlostí : 40 až 200 cm min -1 (výkon navaření kg/hod) Druh svařovacího proudu : střídavý i stejnosměrný Průměr přídavného materiálu : 2 až 8 mm (možno použít 1,6 mm, extrémně 13 mm), případně pásky Druh základního materiálu : všechny druhy konstrukčních ocelí, vysokolegované oceli, slitiny Ni, Al, Cu

66 Svařování pod tavidlem TAVNÉ Zařízení 1. Pojezd svařovací traktor 2. Ovládání 3. Svařovací hlava 4. Podavač drátu 5. Zásobník tavidla 6. Svařovací zdroj ESAB

67 Svařování pod tavidlem Tavidlo = zrnitá hmota (podobná roztavenému sklu) úkolem je zabezpečit dobré operativní, formovací vlastnosti a jakost svarového kovu požadavky na tavidla: stejné jako na obaly elektrod pro ruční svařování platí přísnější podmínky vliv tavidel na svar či návar je větší druhy tavená, aglomerovaná Charakteristické vlastnosti tavením nevznikají žádné plyny za normálních teplot je nevodivé Se stoupající teplotou elektrická vodivost tavidla stoupá. TAVNÉ ESAB

68 Svařování pod tavidlem TAVNÉ ESAB, Plzen.idnes, elogistika.info

69 Svařování pod tavidlem TAVNÉ Svařování pod tavidlem Ekonomika.idnes, ESAB, Temex, Kasperkovo, cz.depositphotos.com

70 Přivařování svorníků svorníky = šrouby, kolíky, matice, sponky, kotvy a kovové plátky různých tvarů doba hoření oblouku 0,5 až ms) vysoká rychlost ohřevu i ochlazení průměry svorníků od 3 do 25 mm

71 Přivařování svorníků 1) Přivařování svorníků elektrickým obloukem se zdvihovým zážehem 2) Přivařování svorníků kondenzátorovým výbojem s hrotovým zážehem

72 Doporučená literatura Technologie 1 skripta ČVUT (Bednář, Šanovec a kol.) Technologie svařování skripta ČVUT ( Dunovský a kolektiv)

73 Děkuji za pozornost Ing. Karel Kovanda, Ph.D.