Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy. Svařování neželezných kovů Bakalářská práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Svařování neželezných kovů Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D. Vypracoval: Petr Hlaváček Brno 2013

2

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Svařování neželezných kovů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis bakaláře..

4 PODĚKOVÁNÍ Rád bych zde poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za cenné rady, odborné konzultace, pomoc při praktické části a vstřícný přístup během zpracování mé bakalářské práce.

5 ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na nejběžnější technologie nerozebíratelného spojení neželezných kovových materiálů. Metody svařování, na které se zaměřuje, jsou seřazeny postupně podle působení tepla a tlaku. Jsou zde popsány jednotlivé způsoby svařování a jejich důležité specifikace. V další části jsou zde shrnuty vlastnosti a problémy při svařování hliníku a jeho slitin. Včetně metod a specifických podmínek pro jeho svařování. V experimentální části se bakalářská práce zabývá postupem při rozboru svarové housenky koutového a přeplátovaného svaru duralových plechů. Svary následně podrobuje metalografickému zkoumání, jejich popsání a vyhodnocení kvality. Klíčová slova: svařování, elektroda, svar, oblouk, plyn, neželezné kovy ABSTRACT This bachelor thesis deals with the most common technologies of un-disassemblable welding of non-ferrous metals. Mentioned methods of welding are described in order by heat and pressure influence. Different methods of welding and their most important specifications are described as well. In next part, characteristics and troubles of welding aluminium and its alloys are discussed, as well as methods and specific conditions for welding. In experimental part, the thesis focuses on process of analysis of the welding worm of the corner weld and overlap weld of Duralumin metal sheets. Subsequently, welds are brought to the metalograpfical examination, they are described and the level quality is being evaluated. Key words: welding, electrode, weld joint, welding arc, gas, non-ferrous metals

6 OBSAH 1 Úvod Cíl práce Tavné svařování Elektrickým obloukem Gravitační obloukové svařování obalenou elektrodou Svařování tavící se elektrodou v inertním plynu (MIG) Svařování netavící se elektrodou v inertním plynu (TIG) Obloukové svařování pod tavidlem Plazmové svařování (Systém Plazma-TIG) Plamenové svařování Svazkem elektronů Laserem LaserHybrid Metody tlakového svařování Svařování třením Třecí svařování s promíšením Odporové svařování Bodové Švové Výstupkové Odtavovací stykové svařování Stlačovací stykové svařování Svařování výbuchem Svařování tlakem za studena Difúzní svařování Hliník a jeho slitiny... 36

7 5.1 Svařitelnost hliníku a jeho slitin Metody svařování hliníku a jeho slitin Experimentální část Metalografické hodnocení kvality svarů Zadání praktického rozboru svaru Svařovací zařízení Příprava metalografického preparátu Řezání Zalévání Broušení Leštění Optické zkoumání kvality svarů Závěr Seznam použité literatury Seznam obrázků... 53

8 1 ÚVOD Svařování patří svým charakterem mezi nerozebíratelné druhy spojení dvou nebo více dílů. Ke spojení dojde v důsledku dodání určitého množství energie do místa styku dílů. Doposud bylo vyvinuto více způsobů a technologií svařování, neboť je kvalitativně více možností přívodu tepla nebo kinetické energie do místa svaru. Různé způsoby svařování si dále vynutila potřeba svařovat velké množství materiálů při ještě větší potřebě různého konstrukčního uspořádání svařovaného uzlu. (Kovařík R., Černý F., 2000) Dějiny svařování jsou proti jiným oborům lidské činnosti krátké. Pouze kovářské svařování bylo používáno již před 4000 lety, jak to dosvědčují archeologické nálezy. Plamenové svařování s použitím plamene vodíko-vzduchového využil v r de Richemont pro spojování olova, plamen vodíko-kyslíkový Ernest Wiss v r a konečně stále používaný plamen acetyleno-kyslíkový zavedl do výroby Le Chatelier v roce Svařování elektrickým obloukem vynalezli ruští inženýři Benardos (r uhlíková elektroda) a Slavjanov (r kovová holá elektroda). Obalenou elektrodu zavedl v r Švéd Kjellberg. Podstatou elektrického odporového svařování objevil J. Joule v r. 1856, první stykovou svářečku postavil r Thompson a první bodovku r Benardos. Produktivitu práce i kvalitu svarů zvýšila metoda svařování pod tavidlem (ing. Dulčevskij v r. 1927) a svařování v ochranných atmosférách hélia a argonu (USA před 2. světovou válkou). V padesátých letech 20. století se realizovalo svařování tlakem za studena, svařování třecí a difúzní. Začaly se objevovat zprávy o elektrostruskovém svařování v Kyjevě a o francouzském návrhu elektronového svařování. Další novinkou je svařování laserem a výbuchem v šedesátých letech. V naší republice má svařování dlouhou průmyslovou tradici. Již koncem 19. století předváděl Slavjanov obloukové svařování ve Vítkovicích.(Bernas J., Novák R., 2002) Pro pozorování kvality provedeného svaru se využívá metalografického výbrusu. Metalografie je nauka, která pojednává o vnitřní stavbě kovů a slitin. Jejím cílem je zviditelnění struktury materiálu a následné studium pomocí optického či elektronového mikroskopu. Postup přípravy vzorku pro pozorování (tzv. metalografického výbrusu) se skládá z několika na sebe navazujících kroků. Nejdříve se 8

9 odebere vzorek, který musí plně charakterizovat studovaný materiál. Následuje preparace vzorků, nejčastěji v určitém druhu epoxidové pryskyřice. Dalším krokem je broušení a leštění pro dosažení dokonalého rovinného povrchu pro bezproblémové pozorování. Posledním krokem před pozorováním mikroskopem je leptání. Díky tomu dojde ke zviditelnění jednotlivých strukturních částí. Po pozorování vzorku pod mikroskopem může být vyhodnoceno provedení svaru, popřípadě určení vhodnost metody, kterou byl svařen nebo přídavného materiálu. ( 2008) 9

10 2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je popsat problematiku svařování neželezných kovů, jak po teoretické stránce, tak i prakticky na konkrétním vzorku. Práce je rozdělena na tři hlavní části, kde se v první části zaměřuje zejména na technologie používané pro svařování neželezných kovů. V další části rozebírá hliník a jeho slitiny. Ten je po oceli druhým nejpoužívanějším kovem. Popisovány jsou hlavní problémy při jeho svařování. Dále také konkrétní podmínky pro technologie, které jsou používané pro jeho svařování. V experimentální části jsou provedeny dva svary, pro spojení duralových plechů. Následně jsou podrobeny metalografické analýze pro zjištění případných vad a vlastností svaru. Získané poznatky jsou vyhodnoceny v závěru pro určení vhodnosti zvolené technologie, případně provedení. 10

11 3 TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ 3.1 Elektrickým obloukem Elektrický oblouk jako zdroj vysokých teplot se začal využívat o tři čtvrtě století později, než byl v roce 1808 Angličanem Humphry Davym objeven. Téměř současně s jeho použitím v osvětlovací technice byly vypracovány metody jeho využití ve svařování nejprve uhlíkovou a posléze kovovou elektrodou.(ambrož O. a kol., 2001) Elektrický oblouk je výboj v plynech. Při svařování vzniká obvykle mezi elektrodou a základním materiálem. Jeho výkon, geometrický tvar a teplotu je možno podle technologických požadavků v širokých mezích měnit. Tato velká variabilita dala vzniknout řadě způsobů svařování jako je ruční svařování obalenými elektrodami, pod tavidlem, anebo svařování v ochranných atmosférách. (Kruncipál J., 1986) Svařovací zdroje Chceme-li dosáhnout rovnoměrného a stabilního hoření oblouku, je třeba hodnoty síťového napětí a proudu změnit na hodnoty potřebné pro stabilní hoření oblouku. K tomu nám slouží zdroje svařovacího proudu. (Kovařík R., Černý F., 2000) Svářečky se rozdělují podle druhu na: -svářečky na proud střídavý, což jsou svařovací transformátory (příkon nad 8,5 kva) a menší svařovací transformátory (příkon do 8,5 kva) -svářečky na proud stejnosměrný, což jsou točivé svářečky (svařovací dynama) a netočivé svářečky (svařovací usměrňovače, středofrekvenční usměrňovače invertorové zdroje proudu). (Bernas J., Novák R., 2002) Obr. 1 Svařovací zdroj pro svařování obalenou elektrodou ( 11

12 Při svařování se využívá elektrický oblouk k přeměně elektrické energie na energii tepelnou. Elektrický oblouk u svařování vzniká při poměrně značné intenzitě proudu a za relativně nízkého napětí. V závislosti na proudové hustotě, výkonu oblouku a použitých ochranných plynech je možno nastavit různé způsoby přenosu kovu přídavného materiálu, pro něž jsou charakteristické různé typy oblouku. (Ambrož O. a kol., 2001) Zkratkový přenos Při tomto typu přenosu kapka roztaveného kovu z elektrody při dotyku s tavnou lázní vytvoří zkrat mezi elektrodou a tavnou lázní. Po přerušení zkratu se opět zapálí oblouk. K tomu dojde v důsledku rostoucího proudu a přerušení tzv. krčku mezi elektrodou a kapkou. (Minařík V., 2003) Obr. 2 Zkratkový přenos (Barták J. a kol., 2002) Kapkový přenos Při kapkovém přenosu kovu obloukem se odtavují menší kapky s frekvencí 20 až 50 kapek za sekundu. Nedochází ke zkratům. Pokud se používá pulzující proud, odpovídá frekvence přenosu kapek frekvenci pulzace proudu. Kapkový přenos je charakteristický pro obloukové svařování v ochranné atmosféře CO 2. (Minařík V., 2003) 12

13 Obr. 3 Kapkový přenos (Barták J. a kol., 2002) Sprchový přenos Je to bezzkratkový druh přenosu. Kapky tekutého kovu jsou jemně rozptýleny (tvoří sprchu ) a pohybují se ve směru osy elektrody. Sprchový přenos vzniká při vyšším proudu (nadkritické proudové hustotě) a delším oblouku (vyšším napětí). Je typický pro obloukové svařování v ochranné atmosféře bohaté na argon. Při tomto typu přenosu kovu se dosahuje vysoký výkon odtavení. (Minařík V., 2003) Obr. 4 Sprchový přenos (Barták J. a kol., 2002) Magnetické foukání oblouku Neželezné kovy jsou nemagnetické, tudíž nevychylují elektrický oblouk při svařování a nehrozí tzv. foukání oblouku, známé ze svařování uhlíkových ocelí. (Koutný J., 1998) 13

14 3.1.1 Gravitační obloukové svařování obalenou elektrodou Ruční svařování elektrickým obloukem obalenou elektrodou bylo poprvé použito v roce 1908, kdy byla obalená elektroda vynalezena. Tato metoda si stále zachovává svou důležitost mezi ostatními metodami svařování pro univerzálnost, jednoduchost, široký sortiment vyráběných elektrod a možnost použití při montážích. V sériové výrobě je nahrazována novějšími a produktivnějšími mechanizovanými metodami svařování.(bernas J., Novák R., 2002) Při obloukovém svařování je jako zdroj tepla využíván elektrický oblouk hořící mezi elektrodou a svařovaným materiálem, který taví kov elektrody a roztavuje povrch základního materiálu. Roztavený kov elektrody přechází sloupcem oblouku do tavné lázně, slitím tohoto přídavného materiálu a nataveného základního materiálu vzniká svar.(minařík V., 2003) Obr. 5 Ukázka svařování obalenou elektrodou (Gscheidle R., 2002) Oblouk je inicializován v momentě dotyku mezi obalenou elektrodou a základním materiálem (svařencem). Při vzniku oblouku dojde k vytvoření svarové lázně. Jádro elektrody pak tvoří nezbytnou složku přídavného materiálu. Další funkční složkou je obalový materiál elektrody, který zabezpečuje ochranu svarové lázně a vytváří tak ochranou atmosféru a strusku. Při procesu chladnutí je svar chráněn povrchovou struskou. Po procesu chladnutí je doporučené strusku odstranit. Obloukové svařování 14

15 obalenou elektrodou je typický proces pro ruční svařování. Obalená elektroda disponuje omezenou délkou (obvykle mm), to znamená, že proces je často přerušován z důvodu výměny elektrody. Z hlediska produktivity je tato metoda označována právě pro častou výměnu elektrody jako proces s nízkou produktivitou. V poměru je pak produktivita hoření oblouku vyjádřena pouze mezi 20 až 60% z celkového pracovního fondu.( 2012) Druhy základních materiálů, které je možno svařovat touto metodou jsou nelegované, nízkolegované, vysokolegované oceli, oceli na odlitky, Ni, Cu, Al a jejich slitiny. Tloušťka základního materiálů obvykle bývá od 2 do 100 mm. Polohy, ve kterých lze touto metodou svařovat jsou obecně všechny, záleží na druhu elektrody. Výjimkou je poloha shora dolů (PG), pro kterou jsou vhodné jen některé druhy obalu (např. celulózový). Využívá se buď stejnosměrného nebo střídavého svařovacího proudu. Průměr elektrody se pohybuje v rozmezí 1,6 5 mm (výjimečně 6,3 mm). (Bernas J., Novák R., 2002) Elektrody Pro ruční svařování elektrickým obloukem se používají obalené elektrody skládající se z jádra (drátu) a obalu elektrody. Jádro elektrody tvoří kov, který se v oblouku taví. Ten je přenášen obloukem do svaru a po smísení s nataveným základním materiálem tvoří svarový spoj. Obal elektrody se při svařování vypařuje a má vliv na vlastnosti elektrody i na výslednou jakost svaru. (Minařík V., 2003) Obr. 6 Obalené elektrody ( Hlavní funkce obalu elektrody je chránit svarovou lázeň před vzduchem a upravovat složení svarového kovu (mikrometalurgické a rafinační vlastnosti). Dále 15

16 usnadňuje zapálení a hoření oblouku ionizací vzduchové mezery. Struska, která vzniká při svařování chrání svar před rychlým ochlazením. (Bernas J., Novák R., 2002) Tab. 1 Typy obalů elektrod (Minařík V., 2003) stabilizační rutilové -rutil-celulózové -rutil-kyselé -rutil-bazické -rutilové tlustostěnné kyselé bazické organické (např. celulózový obal) se solí halových prvků zvláštní (např. grafitový obal) označení R RC RA RB RR A B C Svařování tavící se elektrodou v inertním plynu (MIG) Zkratka MIG pochází z anglického Metall Inert Gas a jedná se o svařování kovovou tavící se elektrodou (drát) v inertním plynu, nejčastěji argonu (Ar) nebo heliu (He) či jejich směsi. Oblouk hoří mezi drátem a základním materiálem a je zcela obklopen inertním plynem. Drát je na cívce a podávacím mechanismem je podáván do svařovacího hořáku. Povrch tavné lázně je chráněn též inertním plynem. Plyn nereaguje s materiálem, a proto je metoda MIG používána často pro svařování hliníku, mědi, titanu a dalších neželezných kovů. (Minařík V., 2003) 16

17 Obr. 7 Svařovací zařízení MIG ( Před začátkem svařování se nastavuje svařovací napětí a rychlost posuvu svařovacího drátu. Nastavené hodnoty musí být vzájemně sladěny a závisí na materiálu a jeho tloušťce, na průměru drátu (tlačeného bowdenem do hořáku) a na ochranném plynu. Moderní svářečky s elektronickým řízením mají v paměti uložené svařovací programy, které zjednodušují nastavení.(dillinger J., 2007) V porovnání s ručním obloukovým svařováním jsou tolerance při vedení svařovacího pistolového hořáku při ručním mechanizovaném obloukovém svařování mnohem volnější. Rozšiřující se kužel ochranného plynu umožňuje vést svařovací drát v širokých mezích libovolným způsobem. Svařování vpřed se definuje jako obloukové svařování, při němž osa svařovacího pistolového hořáku svírá se směrem svařování tupý úhel. Svařování vzad je obloukové svařování, při němž osa svařovacího pistolového hořáku svírá se směrem svařování ostrý úhel. (Malina Z., 2000) Impulzní svařování Metodou MIG lze s výhodou svařovat pulzním obloukem (pulzním proudem), čímž dostáváme definovaný přenos kapek kovu obloukem. (Minařík V., 2003) 17

18 Obr. 8 Pulzní zdroj ( Impulzní svařování je založeno na principu řízeného přechodu odtavujících se kapek přídavného svařovacího drátu do svarové lázně. Elektrický oblouk je napájen impulzně modulovaným proudem podle stanoveného programu. Impulzní svařovací technika příznivě omezuje rozstřik, snižuje spotřebu energie a tepla. (Malina Z., 2000) Dnes jsou obvykle nastavitelné frekvence pulzace u tyristorových zdrojů 25, 33, 50 až 100 impulzů za sekundu, u tranzistorových zdrojů jsou plynule nastavitelné frekvence pulzů 10 až 400 impulzů za sekundu. (Minařík V., 2003) V porovnání s běžným obloukovým svařováním způsobuje daleko menší deformace svarků. Při impulzním svařování je možno použít drát většího průměru, čímž se zvýší produktivita práce. Vedle použitelnosti svařovacích drátů o větším průměru, lze tuto metodu optimálně využít pro koutové svary tenkých plechů. Získáme tak vyhovující koutové svary bez okrajových zápalů. (Malina Z., 2000) Svařování netavící se elektrodou v inertním plynu (TIG) Svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu se označuje dle ČSN EN : TIG (Tungsten-Inert-Gas) v anglosaských zemích, WIG (Wolfram-Inert-Gas) v německých zemích a GTAW (Gas-Tungsten-Arc-Welding) v amerických zemích. Podle revize ČSN se v souladu s evropskými normami používá pro označení této metody 141. (Balej Z. a kol., 2000) Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu se uplatňuje v současné době ve všech oborech svařovaných konstrukcí a technických zařízení. Jeho podíl využití se neustále zvětšuje, neboť proti jiným technologiím svařování má následující výhody: svarová lázeň je chráněna proti nepříznivým účinkům okolní atmosféry, zlepšení hygieny prostředí, možnost svařovat ve všech polohách, možnost automatizace i robotizace svařování a tím vyšší produktivita. Tato metoda se s výhodou 18

19 používá při svařování neželezných kovů, korozivzdorných a jiných vysokolegovaných, legovaných, nízkolegovaných i nelegovaných ocelí a to jak pro automatické svařování nejnáročnějších svarů v jaderné energetice, letecké a kosmické technice, tak pro automatové i ruční svařování v malosériové výrobě a při montážních pracích. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Obr. 9 Kompletní zařízení pro svařování TIG ( Princip obloukového svařování metodou 141 (TIG) spočívá ve vzniku a hoření elektrického oblouku mezi netavící se elektrodou a základním materiálem, přičemž je svarová lázeň, elektroda a nejbližší okolí svaru chráněno inertním plynem před účinky okolní atmosféry (hlavně kyslíku a dusíku ze vzduchu). Elektroda je vyrobena z wolframu a dalších legujících prvků, jako ochranný inertní (netečný) plyn se používá argon, helium, případně jejich směsi. (Balej Z. a kol., 2000) Stejně jako pro svařování obalenými elektrodami můžeme i pro TIG svařování použít jak zdroj stejnosměrného proudu (DC), tak zdroj střídavého proudu (AC). Zdroj stejnosměrného proudu je nejčastěji svařovací usměrňovač, který musí mít strmou statickou charakteristiku. Napětí naprázdno zdroje stejnosměrného proudu nesmí být vyšší než 75V. Při svařování stejnosměrným proudem lze použít tzv. přímou nebo nepřímou polaritu. Zdroj střídavého proudu je nejčastěji svařovací transformátor upravený na svařování TIG. Vhodnou úpravou jeho jádra pomocí magnetického 19

20 bočníku se získá mírně klesající statická charakteristika potřebná pro svařování touto metodou. Přidáním některých elektronických prvků je možné zvětšit strmost statické charakteristiky svařovacího transformátoru a tím dál vylepšit jeho svařovací vlastnosti. Pro dokonalejší svařování lze využít pulzního svařování, zejména u tenkých materiálů. (Országh V., Országh P., 1998) Základní vlastností svařovacího oblouku TIG je jeho schopnost odstraňovat povrchové oxidy na svařovaném materiálu. Je to fyzikální děj, který se nazývá čistící účinek oblouku a dochází k němu jen při zapojení na nepřímou nebo střídavou polaritu. Čistícího účinku se výhodně používá při svařování materiálů, které vytvářejí na svém povrchu vrstvu vysokoteplotně tavitelných oxidů, např. hliníku, hořčíku a jejich slitin. (Balej Z. a kol., 2000) Hořáky pro svařování TIG jsou používány buď vzduchem chlazené, anebo pro větší výkony chlazené vodou. Pro využití v automatech se vyrábějí strojní hořáky a v těžko přístupných místech se používají hořáky s krátkým tělem. (Minařík V., 2003) Kromě ručního svařování, kdy svářeč vede rukou svařovací držák i přídavný materiál, se ještě používá poloautomatický a automatický způsob. V prvním případě je k svařovacímu hořáku, který ručně vede a ovládá svářeč, přiváděn automaticky bowdenem přídavný svařovací drát. Při automatickém způsobu svařování je svařovací hořák s wolframovou elektrodou uchycen na vozíku, který projíždí podél svařované součásti a svařovací drát je automaticky přiváděn do oblasti mezi wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem. (Kuncipál J., 1980) Obr. 10 Ruční a strojní svařování metodou TIG ( 20

21 Lze svařovat bez přídavného materiálu nebo se přídavný materiál ve formě drátu přivádí do oblouku ručně (obdobně jako při plamenovém svařování) nebo podavačem drátu. Při svařování se udržuje krátký oblouk, aby se dosáhlo úzké tepelně ovlivněné zóny. Vzhledem k nízké proudové hustotě nevznikají velké průvary. (Minařík V., 2003) Obloukové svařování pod tavidlem V zahraničí se tato metoda označuje SAW (Submarged Arc Welding). Je to elektrický obloukový proces, při kterém elektrický oblouk hoří pod vrstvou tavidla a postupným tuhnutím roztavené kovové lázně dochází ke spojení svařovaných dílů. Obloukové svařování pod tavidlem představuje jednu z nejrozšířenějších metod využívanou pro mechanizované způsoby svařování. Výrobky zhotovené touto technologií pracují ve velmi náročných podmínkách. Obloukové svařování pod tavidlem se využívá především pro větší svařované tloušťky, pro svařování dlouhých a nepřerušovaných svarů a dále pak při svařování obvodových svarů u větších průměrů. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Obr. 11 Svařování dvěma dráty metodou TWIN ( Jako přídavný materiál pro tento druh svařování se používá drát, leskle tažený za studena. Pro navařování je určen přídavný materiál ve formě pásky nebo trubičkové elektrody. Dráty pro svařování pod tavidlem mají malý obsah fosforu a síry a zpravidla vysoký obsah manganu. Drát nemá obsahovat více jak 0,15% fosforu. (Ambrož O. a kol., 2001) 21

22 Obr. 12 Svařovací traktor ( Pro svařování pod tavidlem se využívá taveného nebo aglomerovaného tavidla. Svařování touto metodou probíhá zásadně na mechanizovaném svařovacím zařízení. Pro zvýšení produktivity je možné uspořádání i s několika elektrodami. Vzhledem k vysoké výtěžnosti je tato metoda zvláště vhodná ke zhotovení dlouhých rovných spojů v normální poloze. Používá se hlavně ke svařování tlakových nádob, chemických zařízení, v těžkém strojírenství a při opravách a stavbách lodí. ( 2006) Plazmové svařování (Systém Plazma-TIG) Vlastní princip svařování plazmou (PAW Plasma Arc Welding) je odvozený od svařování metodou TIG, kde je keramická hubice nahrazena kovovou tryskou chlazenou vodou nebo plynem. V principu existuje dvojí elektrické zapojení hořáku, závislé a nezávislé. Zapojení závislé (přenesený oblouk), u kterého je záporný pól připojen na wolframovou elektrodu a kladný pól na materiál. Pro nastartování a zapálení pomocného oblouku se používá VF ionizátor připojený ke kovové trysce. Pomocný (pilotní) oblouk vytvoří dostatečně vodivé prostředí pro zapálení hlavního oblouku i na relativně dlouhou vzdálenost. Závislé zapojení se používá především u svařování, navařování a řezání. Připojení pólů zdroje pouze na elektrodu a kovovou trysku se nazývá nezávislé zapojení (nepřenesený oblouk) a používá se především u žárových nástřiků nebo povrchového kalení. (Ambrož O. a kol., 2001) 22

23 Obr. 13 Princip svařování plazmou (Dillinger J., 2007) V technické praxi se využívá plazmy nižších teplot do K. Jedná se tedy o plazmu z částečně ionizovaného plynu. (Moravec J., 2009) Svařování plazmou využívá koncentrace tepla a dynamického účinku plazmy, což je výsledkem zúžení elektrického oblouku, který se tvoří mezi wolframovou elektrodou a svařencem. Plazmový plyn, který proudí okolo elektrody, se vlivem tepla oblouku prudce roztahuje, mění se v plazmu a proudí otvorem velmi vysokou rychlostí. Sekundární plyn se využívá k vlastní ochraně tavné lázně (Ar, Ar+H 2 ). ( 2006) PAW se používá třemi způsoby: 1. Mikroplazmové svařování se svařovacím proudem 0,1 A 20 A. 2. Středněplazmové svařování se svařovacím proudem 20 A 100A. 3. Svařování klíčovou dírkou (keyhole welding), nad 100A, kde plazmový oblouk proniká tloušťkou stěny a při posuvu svařovací trubice dochází vlivem povrchového napětí ke slévání roztaveného kovu v místě za klíčovou dírkou Používá se pro náročné spoje v leteckém, kosmickém, obráběcím, chemickém a ropném průmyslu. ( 2006) 23

24 Systém Plazma-MIG 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: s pomocnou elektrodou a s hubicí ve formě elektrody. V obou případech hlavní oblouk hoří mezi drátovou elektrodou a základním materiálem. (Moravec J., 2009) 3.2 Plamenové svařování Obr. 14 Systém sestavy Plazma-MIG ( Svařování plamenem je po kovářském svařování jednou z nejstarších metod. Předpoklady pro výkonné plamenové svařování byly vytvořeny roku 1892, kdy R. Hoisaan vynalezl metodu průmyslové výroby karbidu vápníku a následně roku 1895 H. Le Chatalier provedl výzkum kyslíko-acetylénového plamene. Největší rozvoj plamenového svařování spadá do období mezi dvěma světovými válkami. (Minařík V., 1997) 24

25 Obr. 15 Zařízení pro svařování plamenem (Gscheidle R., 2002) Zdrojem tepla při plamenovém svařování je chemická energie hoření plamene, který vznikne hořením směsí oxidujícího a hořlavého plynu. Parametry zdroje tepla plamene se řídí použitými plyny (u kyslíko-acetylenového plamene je maximální teplota plamene zhruba 3150 C, nejmenší plocha ohřevu cm 2 a hustota energie ve W.cm -2 ( ), případně v J.mm -2 ). Oxidující a hořlavý plyn se přivádí z jejich zdroje do hořáku. Po smíšení obou plynů vzniká směs, která se u výstupu z hořáku zapálí a vznikne plamen. Pro svařování se nejvíce využívá plamen kyslíko-acetylenový. Pro další příbuzné metody lze využít i jiné hořlavé plyny jako např. Vodík, Propanbutan, Ethylen a další. (Ambrož O. a kol., 2001) Tab. 2 Typy plamene u kyslíko-acetylenového svařování (Minařík V., 1997) Podle poměru mísení složek na plamen Podle intenzity na plamen neutrální, poměr O 2 : C 2 H 2 = 1 až 1,1 : 1 měkký, výstupní rychlost 70 až 100 m.s -1 redukční, poměr O 2 : C 2 H 2 < 1 střední, výstupní rychlost 100 až 120 m.s -1 oxidační, poměr O 2 : C 2 H 2 = 1,2 : 1 ostrý, výstupní rychlost 120 m.s -1 25

26 Přídavné materiály Pro plamenové svařování se používá přídavný materiál ve formě drátu, který se podle ČSN EN 759 se nazývá tyčinka. Povrch tyčinky musí být prostý nečistot a povrchových vad, které by nepříznivě působily při svařování. Připouští se jakákoliv úprava povrchu, která neovlivní nepříznivě průběh svařování a vlastnosti svarového kovu. Tyčinky pro plamenové svařování mohou být také plněné tavidlem (trubičkový drát). Nejčastěji u nás používané dráty (tyčinky) jsou z produkce ESAB. (Minařík V., 2001) V hořáku se vždy směšují dva plyny. Směšovací zařízení jsou: injektorový směšovač a směšovač bez injekčního účinku. (Minařík V., 2001) Pojistka proti zpětnému šlehnutí plamene Pojistka proti zpětnému šlehnutí plamene je zhášeč plamene, tj. zařízení, které zabrání šíření plamene (při zpětném šlehnutí plamene nebo při rozkladu plynu). V závislosti na konstrukčním provedení působí v jednom nebo obou směrech. Dobrá tepelná vodivost, malá pórovitost a malý průřez pórů (větší povrch pórů) prvků ze spékaného kovu způsobují zhasnutí plamene. (Minařík V., 2001) 3.3 Svazkem elektronů Svařování elektronovým svazkem je jedním z tavných způsobů svařování, který využívá pro ohřev spojovaných materiálů fokusovaný svazek elektronů s vysokou energií. Při dopadu se kinetická energie elektronů přemění v teplo, které je využito k ohřevu svařovaných součástí. Svařování probíhá zpravidla bez přídavného materiálu. Díky tzv. hloubkovému efektu lze, v závislosti na parametrech svářečky, svařovat značné tloušťky materiálu na jeden průchod. ( 2010) 26

27 Obr. 16 Zařízení pro svařování elektronovým paprskem (Dillinger J., 2007) Vlastní zdroj elektronů je válcová vakuovaná nádoba, na jednom konci je opatřená přímo nebo nepřímo žhavenou emisní elektrodou a na druhém konci vybavená oddělovacím uzávěrem, který je kombinovaný s hranolem pozorovací optiky. Zdroj elektronů bývá nazýván elektronové dělo nebo elektronová tryska a je pomocí rotační a difúzní vývěvy čerpán na vysoké vakuum až Pa. Vakuum je nezbytné z důvodu zajištění termoemise elektronů, tepelné a chemické izolace katody, zamezení vzniku oblouku mezi elektrodami a zamezení srážkám elektronů s molekulami vzduchu, které způsobují zbrzděni elektronů a jejich vychýlení z přímého směru. Vlastní svařování probíhá v pracovní vakuové komoře, kde svařovací pohyb je zajištěn programovatelným polohovadlem s několika stupni volnosti. (Ambrož O. a kol., 2001) Výhody svařování svazkem elektronů Mezi výhody patří velmi pěkný vzhled svaru, úzká natavená a tepelně ovlivnitelná oblast svaru, malé deformace, velmi vysoká kvalita svarů, opakovatelnost, dokonalá ochrana svaru před vzdušnou atmosférou a dobré rafinační účinky vakua, možnost svařovat i větší tloušťky na jeden průchod elektronového paprsku, možnost vysokého stupně automatizace svařovacího procesu a možnost použití pro rozsáhlý sortiment materiálů. (Moravec J., 2009) Nevýhody svařování svazkem elektronů Nevýhody této metody jsou, že se 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 27

28 ploch, nároky na přesnost vedení paprsku a poměrně vysoké investiční náklady na svařovací zařízení. (Moravec J., 2009) 3.4 Laserem Název LASER vznikl ze začátečních písmen anglického popisu samotné podstaty jeho principu činnosti Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation zesílení světla stimulovanou emisí záření. (Ambrož O. a kol., 2001) Svařování laserem (LBW- Laser Beam Welding) využívá soustředěného laserového paprsku ke vzniku tepla. Toto obvykle dodává intenzitu energie přesahující 10 kw na jeden čtvereční centimetr, ale s nízkým vstupním teplem-0,1 až 10J. (Geary D., Miller R., 2011) Při svařování laserem vzniká kapilára vyplněná parami kovu pod vysokým tlakem. Páry kovů jsou vysokou teplotou ionizovány a tato laserem indukovaná plazma tryská vysokou rychlostí z místa svaru. Plazma brání pronikání fotonů do svarové spáry, pohlcuje velkou část záření svazku a snižuje hloubku průniku fotonů. Tato plazma se běžně vychyluje ofukováním ochranným plynem Ar, Ar+CO 2, N 2 a nejlepší výsledky vykazuje He. Ochranný plyn současně chrání tavnou lázeň a tuhnoucí svarový kov před oxidací vzdušným kyslíkem. Svařitelnost materiálů je podobná jako u metody TIG. (Moravec J., 2009) Obr. 17 Princip laserového svařování ( Svarový spoj pomocí laseru lze vytvořit dvěma způsoby. Pulzním svařováním s nízkou opakovací frekvencí, přičemž mezi jednotlivými pulzy dojde ke ztuhnutí (úplnému nebo částečnému) svarové lázně. Svarová housenka je pak vytvořena mnoha 28

29 za sebou jdoucími a vzájemně se překrývajícími body. Druhá metoda je založena na využití vysoké hustoty výkonu v dopadové ploše pro vznik tzv. klíčové dírky ( key hole ). Klíčová dírka je kapilára naplněná ionizovanými kovovými výpary o vysoké teplotě. Stěny kapiláry jsou tvořeny roztaveným kovem. Kapilára hraje důležitou úlohu, neboť umožňuje přenášet energii přímo dovnitř materiálu podél svarových ploch. Jamka je přesunována mezi díly určenými ke spojení rychlostí svařování. Při posuvu svazku ve směru svařování dochází vlivem povrchového napětí roztaveného kovu k opětnému spojení svarového kovu za klíčovou dírkou. ( 2007) Výhody svařování laserem Laserové svařování má oproti jiným metodám celou řadu předností. Hlavně lehce dosažitelný úzký a hluboký svar u širokého spektra materiálů. Efektivní hluboké svary mohou být provedené u materiálů o tloušťce až 12 mm. Laserové svařování probíhá s velmi malým vstupem energie na jednotku délky, výsledkem čehož jsou malé deformace a malé zbytkové vnitřní pnutí vzniklé svařováním a malé tepelně ovlivněné pásmo. Další výhodou je vysoká produktivita práce technologického procesu. Setrvačnost laserového paprsku je velmi malá, laserové svařování je proto vhodné pro automatizaci. Laserový paprsek může lokálně svařovat i na místech těžko dostupných, kde by to bylo jinými způsoby svařování obtížné. ( 2007) LaserHybrid U svařování systémem LaserHybrid se jedná o spojení konvenční technologie laserového paprsku se svařováním MIG. Přitom je využito předností obou technologií pro dosažení nových špičkových výsledků. V systému působí laserový paprsek a elektrický oblouk společně v jedné svařovací zóně a vzájemně se ovlivňují, resp. podporují. Laserový paprsek zajišťuje dodatečný přísun tepla ke svařovanému materiálu, a to přímo do tavné lázně. Takto vzniklé vzájemné působení může mít různou intenzitu i různý charakter. V porovnání s odděleným svařovacím postupem se v této kombinaci zvýší závar, případně rychlost. (Moravec J., 2009) 29

30 Obr. 18 Princip metody Laserhybrid ( 4 METODY TLAKOVÉHO SVAŘOVÁNÍ 4.1 Svařování třením Třecí svařování je charakterizované tím, že spojení nastává v důsledku plastické deformace za tepla svařovaných materiálů v tuhém stavu. Teplo vzniká přeměnou mechanické energie na energii tepelnou. (Moravec J., 2009) Základní princip je založen na vzájemném pohybu dvou součástí při působení přítlačné síly. Nejčastěji se svařují rotační součásti, kdy jeden souose vystředěný díl svařované součásti rotuje a druhý stojí nebo vykonává opačný pohyb. Kvalitu spoje výrazně ovlivňují metalurgické podmínky na stykové ploše, pěchovací tlaky a velikost spěchování. (Ambrož O. a kol., 2001) Třecí svařování s promíšením Metoda třecího svařování s promíšením (FSW Friction Stir Welding) patří v současné době mezi nejperspektivnější a nejrychleji se rozvíjející svařovací technologie. Její princip byl vynalezen a patentován v roce 1991 institutem TWI ve Velké Británii. Při svařování touto metodou se rotační nástroj s profilovanou sondou otáčí a pomalu ponořuje do místa spoje. Třecí teplo vzniklé těsným kontaktem rotujícího nástroje a svařence způsobuje, že materiál spojovaných částí může změknout, aniž by dosáhl bodu tavení. Po dosažení potřebné teploty se nástroj postupně pohybuje podél spoje a vytváří svar. Během svařovacího procesu dochází ve své podstatě 30

31 k mechanickému překování a promísení materiálů dvou spojovaných částí. ( 2009) 4.2 Odporové svařování Obr. 19 Základní princip svařování metodou FSW ( Při odporovém svařování spoj vzniká při průchodu proudu přes stlačené svařované části. Vlivem el. odporu v místě styku se materiál roztaví a vytvoří se metalurgický spoj. Teplo tedy vzniká přímo ve svařovaných materiálech a není přiváděno zvenčí. Důležitým parametrem vedle el. proudu je tlak. Bez spolupůsobení tlaku spoj nevznikne. Zdrojem proudu je většinou jednofázový transformátor o sekundárním napětí několika voltů a proudech až 150 ka. Do spoje se proud přivádí elektrodami zpravidla ze speciálních slitin Cu. Známé jsou např. slitiny pod ochr. známkou Malory. (Barták J., Pilous V., Kovařík R., a kol., 2002) Bodové Bodové svařování je nejvíce používaný druh odporového svařování. Vytvářejí se při něm přeplátované spoje, které jsou v podobě čoček. Nejběžnější způsob je svařování se dvěma protilehlými elektrodami. Vedle tohoto uspořádání existuje řada dalších, které umožňují svařit více bodů současně (svařování mnohobodové). Jde o nejpoužívanější spojovací technologii v automobilové výrobě. (Barták J., Pilous V., Kovařík R., a kol., 2002) 31

32 Obr. 20 Bodové svařování ( Švové Švové svařování je průběžný proces využívající otáčejících se elektrod na překrývajících se plochách. Tento způsob je určen hlavně pro svařování nepropustných plechů pomocí elektrod ve tvaru kotoučů, které slouží k pohybu materiálů a přívodu svařovacího proudu. I když se tato metoda tak často nepoužívá oproti bodovému svařování, má přesto v některých oblastech nezastupitelné místo, např. při výrobě plechových obalů. Plechy tloušťky 1 mm se svařují nepřerušovaným střídavým proudem (za sekundu vznikne 100 proudových impulzů 100 svarů), plechy větších tloušťek se svařují přerušovaným proudem. ( 2013) Obr. 21 Schéma švového svařování ( Výstupkové Výstupkové svařování je v podstatě několikabodové svařování, při němž je rozložení bodů určeno výstupky. Aby se svařovaný proud i tlak rovnoměrně rozdělily mezi všechny současně svařované výstupky, je nutno, aby součásti přesně lícovaly 32

33 ihned na začátku svařování. K tomu je ovšem potřeba, aby všechny dílce byly přesně vylisovány z hlubokotažných, kovově čistých a měkkých ocelových plechů. ( 2012) Obr. 22 Svařování výstupkové ( Odtavovací stykové svařování Svařování stykové odtavením se značně liší od ostatních způsobů odporového svařování tím, že při něm svařovací proud prochází při nedokonalém kontaktu dílů, kdy je jejich vzájemné stlačení malé. Podmínkou je, aby stykové průřezy byly stejné co do tvaru i velikosti. Může se svařovat s předehřevem nebo bez něj. Při svařování odtavením se vytvoří jakostní svar, protože se nečistoty povrchu odstříknou spolu se zoxidovaným kovem. Páry roztaveného kovu vytváří při svařování ochrannou atmosféru, která zabrání přístupu dusíku a kyslíku ze vzduchu do svarového kovu. (Kovařík R., Černý F., 2000) Stlačovací stykové svařování Při tomto způsobu svařování se dva svařované díly upnout do proudových čelistí a vystupujícími čely se k sobě přitlačí silou F sv. Po sepnutí svařovacího proudu I sv dojde v místě styku, kde je největší přechodový odpor k ohřátí. Část materiálu se z místa svaru vytlačí a vytvoří výronek. Poté se proud vypne. (Barták J.,Pilous V., Kovařík R., a kol., 2002) 33

34 4.3 Svařování výbuchem Jedná se o svařování vysokým dynamickým tlakem. Metoda výbuchového svařování umožňuje vytvářet celoplošné svary mezi prakticky libovolnými kombinacemi kovů, bez ohledu na jejich případnou nesvařitelnost klasickými tavnými metodami. Zásadní podmínkou pro výbuchové plošné svary je tažnost obou spojovaných materiálů. Takto vyráběné polotovary se používají hlavně v chemickém a potravinářském průmyslu v kombinaci materiálu železo-nerez, železo-měď, železotitan a podobně. Takovéto plošné svary vykazují vysokou mechanickou pevnost. ( 2010) Tato metoda se používá zejména pro navařování, tzv. plátování. Dvě desky se na sebe položí, na horní povrch horní desky se rozprostře výbušnina, která se přivede k explozi. Rázová vlna, která kovem prostupuje, způsobí tlak 10 až 100 GPa, který je mnohonásobně větší než mez kluzu spojovaných materiálů. Tlaková energie se tak přemění na deformační, oba materiály na kontaktní ploše zplastizují. ( 2013) 1 - navařovaný materiál, 2 - svar, 3 - základní materiál, 4 - exploze, 5 - trhavina, 6 - trysk 4.4 Svařování tlakem za studena Obr. 23 Průběh výbuchu ( Svařování tlakem za studena patří mezi nejstarší technologie spojování kovů. Principem svařování je přiblížení povrchů svařovaných materiálů na vzdálenost řádově parametrů mřížky, kdy dochází k interakci mezi jednotlivými atomy kovu za vzniku pevné vazby. (Ambrož O., 2001) 34

35 Svařování za studena je možno rozdělit podle způsobu práce na svařování bodové, švové, stykové, smykové a protlačováním (většina způsobů je velmi podobná s odporovým svařováním). Pro každý uvedený způsob svařování za studena se používají speciální nástroje, přípravky a svařovací lisy. (Kovařík R., Černý F., 2000) Metodika Svařované součásti se přiloží k sobě plochami zbavenými oxidů a čelistmi se stlačí tak, aby byl ve stykových plochách tlak vyšší, než je mez plasticity základního materiálu. Tlak závisí hlavně na druhu materiálu, bývá v rozmezí 300 až 3800Mpa. Tohoto způsobu se používá při výrobě konzervových krabic, nádrží, trubek aj. Tloušťka svařovaných plechů nepřesahuje 5mm. (Hluchý M., Beneš J., 1981) 4.5 Difúzní svařování Difuzní svařování je proces, při kterém jsou součásti v těsném kontaktu za kontrolovaného tlaku a v určeném čase se ohřívají na danou teplotu. Tyto podmínky umožní při místní plastické deformaci a maximálním přiblížení povrchů difúzi atomů mezi dvěma spojovanými částmi součástí a tudíž stejnou pevnost spoje a základního materiálu. (Kazakov N. F., 1983) Difúzní svařování má oproti ostatním způsobům svařování a pájení řadu výhod. Především se jedná o vysokou kvalitu získaného spoje, přičemž jeho základní vlastnosti odpovídají vlastnostem spojovaných kovů nebo slitin. Při správně zvolených svařovacích podmínkách má materiál svaru a příslušných oblastí, které k němu patří, vysokou pevnost, případně i tvárnost. Tato metoda umožňuje získání pevných spojení nejen stejnorodých, ale i různorodých kovů a slitin, jejichž tepelné a fyzikální vlastnosti se velmi liší. (Moravec J., 2009) Svařování se provádí ve speciálních svařovacích zařízeních. Oba díly, které se mají svařit, se současně umístí do vakuové komory. Při svařování se komora ochlazuje protékající vodou. Na ochranu součástí před intenzivní oxidací při ohřevu a pro svařování stykových povrchů se v pracovní komoře vytváří podtlak. Zdrojem ohřevu svařovaných součástí je induktor vysokofrekvenčního generátoru. Přítlačná síla je vytvářena hydraulickým systémem. Po svařování se součásti ochlazují na požadovanou teplotu ve vakuové komoře. (Kazakov N. F., 1983) 35

36 Obr. 24 Zařízení pro difúzní svařování ( Zřejmě je tato metoda zatím jediným spolehlivým způsobem spojování málo tvárných, těžce tavitelných a vzájemně nerozpustných materiálů, nebo materiálů, které při tavném svařování vytvoří křehké intermetalické spojení. (Moravec J., 2009) 5 HLINÍK A JEHO SLITINY Hliník je v přírodě jedním z nejrozšířenějších kovů. V přírodě se ale vyskytuje pouze ve sloučeninách. Nejznámější a ekonomicky nejlépe využitelnou rudou k jeho výrobě je Bauxit. Laboratorně hliník poprvé získal v roce 1825 Dán Christian Oersted chemickou redukcí draslíkem. Hustota hliníku je 2700 kg.m -3, krystalickou mřížku má hliník kubickou plošně centrovanou, teplota tání 660 C a teplota vypařování 2520 C. (Roučka J., 2004) Technický hliník obsahuje některé nečistoty pocházející z rudy (bauxitu), jedná se hlavně o železo a křemík. Tyto nečistoty mají nepříznivý vliv na svařitelnost a také mechanické vlastnosti. Čím je hliník čistější, tím má lepší elektrickou vodivost a chemickou stálost. Hliníkové slitiny jsou převážně nízkolegované slitiny. Leguje se za účelem zlepšení mechanických, fyzikálních, metalurgických, nebo technických vlastností. Mezi hlavní legující prvky slitin hliníku patří mangan, hořčík, měď, zinek a křemík (Mn, Mg, Cu, Zn, Si). (Országh P., Országh V., 2000) 36

37 Podle chemického složeni se hliníkové slitiny dělí do těchto skupin: 1. slitiny Al-Mn (1,5 2,5 % Mn) 2. slitiny Al-Mg (2,0 9,0 % Mg) 3. slitiny Al-Mg-Si (do 1 % Mg a do 1 % Si) 4. slitiny Al-Cu-Mg (3 5 % Cu a cca 1 % Si) 5. slitiny Al-Zn-Mg (3 5 % Zn a 1 2 % Mg) 6. slitiny Al-Si (5 13 % Si) (Országh P., Országh V., 2000) 5.1 Svařitelnost hliníku a jeho slitin Hlavím problémem u svařování hliníku je jeho povrchová vrstva oxidu (Al 2 O 3 ), který má teplotu tání 2050 C, a proto musí být před svařováním odstraněn. Velkým problémem je také výskyt vodíku ve svaru. Vodík se dostává do svarů z atmosférického vzduchu, z nedostatečně vysušených obalů elektrod, tavidel, ze znečištěného povrchu základního materiálu. Vodík je příčinou řady negativních jevů vedoucích k zhoršení kvality svarových spojů, neboť ve svarovém spoji v důsledku změny své modifikace podmiňuje vznik vysoké hladiny mikronapětí, respektive vznik trhlin za studena. Nezanedbatelnou vlastností je to, že hliník při ohřevu nemění svoji barvu. Tato vlastnost způsobuje při svařování problémy s určením bodu tavení a se sledováním tavné lázně. (Kuncipál J. a kol., 1986) Ve srovnání se svařováním ocelí je metalurgie svařování hliníku a jeho slitin relativně jednoduchá, protože u nich s výjimkou precipitačního vytvrzování nedochází k fázovým změnám při teplotách pod teplotou solidu. V praxi je proto hlavním požadavkem při výběru přídavného materiálu dosáhnout u svarového kovu odpovídající pevnost v tahu a zabránit vzniku trhlin za horka při tuhnutí svarového kovu. Běžně se používají tři typy přídavných materiálů: čistý Al, Al+5% Si, Al+5%Mg (někdy ještě navíc Mn nebo Cr ke zvýšení pevnosti, nebo Ti či Zr ke zjemnění zrna). Obecným pravidlem je, že ve stavu po svaření má být pevnost v tahu svarového kovu stejná jako základního vyžíhaného materiálu. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) 37

38 5.2 Metody svařování hliníku a jeho slitin Hliník a jeho slitiny lze svařovat všemi způsoby obloukového svařování, el. odporem, elektronovým paprskem, laserem, plazmou, difuzně, ultrazvukem, výbuchem a tlakem za studena. Za určitých předpokladů (odstranění Al 2 O 3 tavidlem) lze svařovat i plamenem. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Bezprostředně před svařování je nutno svarové plochy pečlivě očistit a odmastit acetonem nebo etylalkoholem, nářadí používat pouze pro hliník. U Al-slitin není nutno přesně řídit měrné svařovací teplo, z hlediska metalurgického nejsou požadovány předehřev a dohřev. Z důvodu stabilního hoření oblouku se přesto předehřev používá. Předehřívá se zejména při svařování větších tloušťek a při svařování odlitků. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Plamenem Při svařování hliníku plamenem je velmi důležitá příprava svarových ploch. Musí se provést jejich očištění a odmaštění a tím částečné rozrušení oxidů. Přídavný materiál (drát) volíme stejného složení jako materiál základní. Přídavný materiál je potřeba před použitím též očistit. Při svařování je nutné použít tavidlo. Tavidlo chemicky působí na oxidy a pomáhá je rozpouštět. Obvyklé složení tvoří chlorid sodný (NaCl), chlorid draselný (KCl), chlorid lithný (LiCl) a fluorid sodný (NaF). Tavidla se obvykle rozpouštějí v destilované vodě a nanášejí se těsně před svařováním. Po svařování je nutné zbytky tavidla dokonale odstranit neutralizačním roztokem, neboť by to mohlo být příčinou koroze svaru. Pro svařování se používá redukční plamen (přebytek acetylenu). Vždy je nutný předehřev asi na 300 C. (Minařík V., 1997) TIG Metodou TIG lze svařovat hliník a všechny hliníkové slitiny. Svařuje se střídavým proudem, u kterého se využívá jeho čistícího účinku. Princip je dán porušením oxidu Al 2 O 3 na povrchu svarové lázně ionty (elektrony) v okamžiku, kdy je na elektrodě plus pól. Průchodem iontů povlakem Al 2 O 3 dochází k jeho rozrušování za jeho současné disociace vysokou teplotou a k přechodu Al do tuhého roztoku. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) 38

39 MIG Při svařování metodou MIG se svařuje stejnosměrným proudem pulzně s nepřímou polaritou. Při svařování TIG a MIG se používá velice často čistého Ar, případně směsi Ar + He (50/50). (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Obalenou elektrodou Pokud se svařuje obalenou elektrodou, musí se pečlivě těsně před svařováním očistit povrch součásti. Používají se doporučené elektrody, které se připojují na kladný pól (obrácená polarita). Větší součásti se svařují s předehřevem 150 až 300 C, s použitím co největšího průměru elektrody. Svařuje se s velkou tavnou lázní, aby plyny měly čas vydifundovat do atmosféry. Slitiny hliníku se svařují elektrodami s obalem z chloridů a fluoridů alkálií (jádro obvykle Al-Si5). (Minařík V., 2003) Třením Svařování třením lze použít při spojování hliníkových plechů a desek bez přídavného drátu nebo ochranného plynu. Je možno svařovat materiál o tloušťce 1,6 až 30 mm při plném průniku a bez pórů a vnitřních dutin. Daří se dosáhnout svarů o vysoké celistvosti s nízkou deformací, převážně u slitin hliníku a dokonce i u materiálů, které jsou považovány za obtížně svařitelné z hlediska konvenčních tavných svařovacích metod. Materiály, které byly dodnes úspěšně svařeny třením, zahrnují různé slitiny hliníku (série 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx a 8xxx) a slitiny Al-Li. ( 2006) Odporové svařování Svařování odporové se provádí většinou jako bodové nebo švové a to u malých tloušťek plechů (do 3,5mm). Je nutno svařovat tvrdým režimem, tj. velkou intenzitou proudu a krátkým svařovacím časem. Dochází k relativně malému tepelnému ovlivnění v místě spoje. V některých případech se provádí odporové svařování stykové (např. spoje trubek, profilů okenních rámů) nebo tlakové s indukčním ohřevem. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) Ostatní metody Dalšími použitelnými metodami svařování Al-slitin jsou svařování plazmou, laserem, elektronovým paprskem, difúzní, ultrazvukové a tlakem za studena. Použití 39

40 těchto metod je prozatím omezeno na úzký okruh výrobků. (Barták J., Kovařík R., Pilous V. a kol., 2002) 6 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST V této části bude popsán postup metalografického rozboru a vyhodnocení kvality zhotovení daných svarů pomocí přesných postupů, které budou doplněny fotografickou dokumentací. 6.1 Metalografické hodnocení kvality svarů Pro rozbor jsou k dispozici 2 vzorky svarů. Jedná se o typ svaru koutový a přeplátovaný. Tloušťka plechu je 2,5 mm. Materiál, ze kterého jsou plechy vyrobeny je AlCu4MgSi(A), označení EN AW-2017A T4 dle EN Bez jakékoli tepelné či povrchové úpravy. Jako přídavného materiálu bylo použito holého drátu složení Al Mg 5. Označení ESAB OK Tigrod Zadání praktického rozboru svaru Proveďte reálné svary duralových plechů svařováním metodou TIG, netavící se wolframovou elektrodou v ochranném prostředí inertního plynu. Tyto svary podrobte metalografickému zkoumání, kde budete hodnotit kvalitu daného svaru (průvar) a spojení svarového kovu se základním materiálem. Zjištěnou kvalitu a provedení svaru vyhodnoťte. Přídavný materiál OK Tigrod 5356 (původní název OK Tigrod 18.15) je nejpoužívanější drát pro svařování hliníkových slitin. Obvykle je volen i pro svou relativně vysokou pevnost ve smyku. Základní materiály typu 5xxx s obsahem Mg větším než 3% svařované drátem OK Tigrod 5356 mohou být při pracovních teplotách vyšších než 65 C náchylné ke koroznímu praskání. Svarový kov se tepelně se nezpracovává. ( 2006) Svařovací zařízení Ke zhotovení svaru bylo použito metody TIG pomocí invertorového svařovacího zdroje TRITON 220 AC/DC. Jako ochranného plynu bylo použito plynu směsi argonu (80%) a helia (20%). Obchodní označení ARCAL