Úvod do obloukového svařování v ochranném plynu (inertní, aktivní)

Transkript

1 KURZY SVÁŘEČSKÝCH TECHNOLOGŮ A INŽENÝRŮ IWT / IWE Úvod do obloukového svařování v ochranném plynu (inertní, aktivní) doc. Ing. Jaromír MORAVEC, Ph.D., EWE

2 Obloukové metody svařování v ochranném plynu - Úvod Myšlenka na použití plynové ochrany svarové lázně při obloukových metodách svařování se objevila již na počátku 20. století. K jejímu prvnímu průmyslovému nasazení ale dochází v roce 1930 u metody svařování obalenou elektrodou. Do obalu elektrod jsou kromě látek podporující ionizaci přidány také plynotvorné látky, jako je například vápenec CaCO 3. Při vysokých teplotách v elektrickém oblouku dochází k rozkladu vápence za vzniku oxidu uhličitého CO 2 který vytlačuje z oblasti svařovacího oblouku nežádoucí okolní atmosféru. CaCO 3 CaO + CO 2 Snaha o zvýšení plynové ochrany svarové lázně při svařování hliníku vyústila až k záměru přivést ochranný plyn přímo do prostoru oblouku přes svařovací hořák. První přímá ochrana byla realizována v roce 1940 při svařování netavící se elektrodou v inertním plynu. Je označována zkratkami WIG/TIG/GTAW a ve shodě s normou ISO 4063 číslem 141.

3 Obloukové metody svařování v ochranném plynu - Úvod Další vývoj na sebe nedal dlouho čekat. V období okolo roku 1950 byla odzkoušena další varianta obloukového svařování s přímou plynovou ochranou. Byla nazvána obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním plynu. Je zpravidla označována zkratkou MIG, případně GMAW a v době objevení byla využívána především ke svařování hliníku a jeho slitin. Poté již bylo pouze otázkou času, kdy budou drahé inertní plyny nahrazeny cenově dostupnější variantou. Už v roce 1955 se při svařování tavící se elektrodou u nelegovaných ocelí začal používat oxid uhličitý CO 2. Tento plyn až do teploty 700 C vykazuje téměř inertní chování. Teprve při teplotě nad 700 C dochází k rozkladu CO 2, díky čemuž dochází k aktivní oxidaci svarové lázně. 2CO 2 O 2 + 2CO Proto byla tato metoda nazvána jako svařování v aktivním atmosféře (plynu) a označena zkratkou MAG. Je využívána zejména při svařování nelegovaných ocelí, u kterých není vliv působení kyslíku a CO 2 na materiálové změny tak výrazný.

4 Obloukové metody svařování v ochranném plynu - Rozdělení Mezinárodní norma ČSN EN ISO 4063 definuje celkem: 6 metod svařování patřících do skupiny 13 Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu. 6 metod patřících do skupiny 14 Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranném plynu. 5 metod svařování patřící do skupiny 15 Plazmové svařování. Pro skupinu 13 se jedná o: Metodu 131 Obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním plynu (MIG). Metodu 132 Obloukové svařování tavící se plněnou elektrodou v inertním plynu. Metodu 133 Obloukové svařování tavící se plněnou elektrodou s kovovým práškem v inertním plynu. Metodu 135 Obloukové svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu (MAG). Metodu 136 Obloukové svařování tavící se plněnou elektrodou v aktivním plynu. Metodu 138 Obloukové svařování tavící se plněnou elektrodou s kovovým práškem v inertním plynu.

5 Obloukové metody svařování v ochranném plynu - Rozdělení Mezinárodní norma ČSN EN ISO 4063 definuje celkem: 6 metod svařování patřících do skupiny 13 Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu. 6 metod patřících do skupiny 14 Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranném plynu. 5 metod svařování patřící do skupiny 15 Plazmové svařování. Pro skupinu 14 se jedná o: Metodu 141 Obloukové svařování wolframovou (netavící se) elektrodou v inertním plynu (WIG, TIG). Metodu 142 Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu bez přídavného materiálu. Metodu 143 Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu s plněnou elektrodou, nebo tyčí. Metodu 145 Obloukové svařování wolframovou elektrodou s redukčním podílem plynu v jinak inertním plynu s plným drátem, nebo tyčí. Metodu 146 Obloukové svařování wolframovou elektrodou s redukčním podílem plynu v jinak inertním plynu s plněnou elektrodou, nebo tyčí. Metodu 147 Obloukové svařování wolframovou elektrodou s aktivním podílem plynu v jinak inertním plynu.

6 Obloukové metody svařování v ochranném plynu - Rozdělení Mezinárodní norma ČSN EN ISO 4063 definuje celkem: 6 metod svařování patřících do skupiny 13 Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu. 6 metod patřících do skupiny 14 Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranném plynu. 5 metod svařování patřící do skupiny 15 Plazmové svařování. Pro skupinu 15 se jedná o: Metodu 151 Plazmové MIG svařování. Metodu 152 Plazmové svařování s přídavkem prášku. Metodu 153 Plazmové svařování s přeneseným plazmovým obloukem. Metodu 154 Plazmové svařování s nepřeneseným plazmovým obloukem. Metodu 155 Plazmové svařování s polopřeneseným plazmovým obloukem. Kromě svařování se technické plyny používají také k dělení materiálu a pájení: Metoda 83 Plazmové řezání; 831 S oxidačním plamenem; 832 Bez oxidačního plamene. Metoda 84 Laserové řezání. Metoda 972 Obloukové pájení do úkosu.

7 Obloukové metody svařování druhy používaných plynů Kromě čistých jednosložkových plynů jsou stále častěji využívány nové druhy směsných plynů, zejména v kombinaci s argonem (Ar+O2), (Ar+CO 2 ), případně (Ar+O2+CO 2 ). Použitím směsných plynů se podařilo značně vylepšit formování svaru, zvýšit stabilitu procesu a snížit rozstřik. Stabilní proces MAG svařování se zkratovým režimem tak bylo možné použít i při svařování tenkých plechů. Proto se MAG svařování začalo používat i v mechanizované a robotizované podobě. Ochranný plyn svým složením a množstvím ovlivňuje následující charakteristiky: Vylepšení ionizačního prostředí pro dobrý start a hoření oblouku. Metalurgické děje v době tvoření kapky, při přenosu kovu obloukem a ve svarové lázni. Síly působící v oblouku. Tvar a rozměry oblouku. Charakter přenosu kovu v oblouku, tvar a rozměry kapek a rychlost jejich přenášení obloukem. Tvar a geometrický průřez svaru. Hladkost povrchu svaru a jeho přechod do základního materiálu. Kvalitu, celistvost a mechanické vlastnosti svarového spoje.

8 Chemické účinky ochranných plynů Základní rozdělení technických plynů využívaných při obloukových metodách svařování je v souladu s normou ČSN EN ISO děleno na: a) Inertní plyny a jejich směsi (Ar, He). b) Oxidační plyny a jejich směsi (CO 2, O 2 ). c) Redukční plyny a jejich směsi (H 2 ). d) Málo reaktivní plyny a jejich směsi (N 2 ). Kromě uvedených plynů se při svařování a pájení ještě používají tzv. hořlavé plyny (plamenovém svařování a pájení) mezi něž patří zejména acetylen C 2 H 2, propan C 3 H 8. Inertní plyny označované písmenem I (argon, helium a jejich směsi) nereagují se svarovou lázní a propal prvků ve svarovém kovu je tak minimální. Nemají proto vliv na výsledné chemické složení svarového kovu. Používají se při svařování všech materiálů metodou TIG a také zejména při svařování slitin hliníku, mědi a niklu pomocí metody MIG.

9 Inertní ochranné plyny Argon (Ar) je jednoatomový plyn bez chuti, zápachu, který za běžných podmínek nevytváří s žádným prvkem sloučeniny. Má malou tepelnou vodivost (17, W m 1 K 1 ) a relativně nízký ionizační potenciál 15,8 ev (1520,6 kj/mol). Proto se oblouk v argonu dobře zapaluje a má vysokou stabilitu i při relativně velké délce. Umožňuje vysokou proudovou zatížitelnost a sloupec oblouku dosahuje vysokých teplot. Hustota Ar je 1,784 kg.m 3 a je tedy cca 1,4 krát těžší než vzduch. To přispívá k efektivnosti a velmi dobré plynové ochraně zejména v poloze PA. Má nízkou citlivost na proudění vzduchu. Ochranu argonu lze použít pro všechny svařitelné materiály a jeho použití je (oproti He) nejběžnější i z cenových důvodů. Argon je hojně zastoupen v zemské atmosféře je proto poměrně snadno získáván frakční destilací zkapalněného vzduchu.

10 Inertní ochranné plyny Helium He je jednoatomový plyn bez chuti, zápachu. Má přibližně 8,5 násobně vyšší tepelnou vodivost než Ar (151, W m 1 K 1 ) a proto se směsi s He využívají zejména pro materiály s vysokou tepelnou vodivostí (Al, Cu) a většími tloušťkami. Použitím hélia se zvyšuje hloubka závaru a zvyšuje se rychlost svařování. Hélium má ale 1,6 násobně vyšší ionizační potenciál 24,6 ev (2372,3 kj/mol) než Ar a proto se oblouk špatně zapaluje a je nestabilní při větší délce hoření. Napětí na oblouku je v He mnohem vyšší než v Ar. Hustota He je 0,178 kg.m 3 a je tedy cca 7 krát lehčí než vzduch. Tato skutečnost snižuje efektivitu plynové ochrany, a proto jsou pro dobrou ochranu využívány vyšší průtoky plynu. Helium je na Zemi přítomno jen velmi vzácně. Od roku 1917 se He získává z ložisek zemního plynu. Od metanu a ostatních plynů se odděluje frakční destilací.

11 Inertní ochranné plyny Směsi He + Ar tvoří samostatnou skupinu inertních plynů. Ve směsi jsou spojeny výhodné vlastnosti obou plynů. Se stoupajícím obsahem He roste napětí na oblouku a tepelný výkon oblouku, což se příznivě projevuje na hloubce průvaru a tvaru svaru. Při použití směsi roste rychlost svařování, nebo lze snížit předehřev u kovů s vysokou tepelnou vodivostí. Směsi se využívají zejména při svařování slitin Cu a Al při ručním i strojním svařování a pro ostatní kovy jsou doporučovány pro mechanizované svařování. Například použití směsi Ar/He 50/50 při svařování hliníku umožnilo dvojnásobně zvýšit rychlost svařování oproti čistému argonu.

12 Oxidační (aktivní) ochranné plyny M1; M2; M3 a C Aktivní plyny ovlivňují v menší nebo větší míře chemické složení svarového kovu. 1% kyslíku ve směsi s Ar způsobí stejný propal prvků (C, Mn, Si) jako 10% CO 2 ve směsi s Ar a podle obsahu O 2 ve svarovém kovu odpovídá směsi 20% CO 2 ve směsi s Ar. Aktivní ochranné plyny se rozdělují podle indexu oxidačního účinku (0 až 10) a intenzity nauhličení svarového kovu. Směsi Ar s 1-2% O2 patřící do skupiny M1 mají nejmenší oxidační účinek (index 1 až 2) a nenauhličují. Používají se na svařování vysokolegovaných austenitických ocelí. Při svařování v této směsi se obsah C se nemění nebo vykazuje propal (cca 30%). Směsi Ar + 3-5% O2 mají vyšší oxidační účinek (index 3 až 5), ale nenauhličují. Používají se na svařování feritických ocelí. Směsi ve skupině M2 jsou nejpoužívanějšími plyny při svařování metodou MAG. Směsi Ar + 20% CO2 mají obdobný účinek jako Ar + O2 (index 2) má však nauhličující účinek. Používá se na svařování uhlíkových a nízkolegovaných ocelí. Trojsložkové směsi Ar+ 5% O2 + 15% CO2 mají ještě větší oxidační účinek (index 6,5). Nejvyšší oxidační účinek (index 10) má čistý CO2, ovšem s výrazným nauhličujícím účinkem. Probíhají v něm chemické reakce v širokém rozmezí podmínek, až se rovnovážný stav C ve svarovém kovu ustálí v rozmezí 0,1 až 0,15% bez ohledu na obsah C ve svařovacím drátu.

13 Oxidační (aktivní) ochranné plyny M1; M2; M3 a C Aktivní plyny ovlivňují v menší nebo větší míře chemické složení svarového kovu. 1% kyslíku ve směsi s Ar způsobí stejný propal prvků (C, Mn, Si) jako 10% CO 2 ve směsi s Ar a podle obsahu O 2 ve svarovém kovu odpovídá směsi 20% CO 2 ve směsi s Ar. Chemické složení % Chemické složení C Si Mn Ni Cr Nb Nb/C Svařovací drát 0,06 0,62 0,7 8,3 18,6 0,83 13,8 Složení ochranného plynu Chemické složení svarového kovu CO 2 0,13 0,46 0,51 8,3 18,3 0,63 4,8 Ar + 1% O 2 0,06 0,60 0,65 8,3 18,6 0,79 13,2 Ar + 15% CO 2 + 5% O 2 0,08 0,57 0,60 8,3 18,5 0,83 10,2 Ar + 20% CO 2 0,1 0,56 0,62 8,3 18,5 0,79 7,9 Poznámka: Poměr Nb/C > 8 je kritériem odolnosti vůči mezikrystalové korozi

14 Aktivní (oxidační) ochranné plyny Oxid uhličitý (CO 2 ) je nehořlavý, bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Není jedovatý, ale při překročení 15% koncentrace CO 2 ve vzduchu může dojít k udušení. Jeho hustota je 1,976 kg.m 3 a je tedy 1,5 krát těžší než vzduch, což příznivě ovlivňuje funkci plynové ochrany zejména v polohách PA, PB a PC. Má vysokou tepelnou vodivost, s vysokou účinností přenosu tepla do svarové lázně. Přenos tepla spolu s teplem vzniklým exotermickými oxidačními reakcemi zajišťuje velmi dobré natavení svarových hran, hluboký průvar s oválným profilem a dobré odplynění svarové lázně. Optimální pracovní oblast CO 2 je ve srovnání se směsným plynem užší. Oxid uhličitý způsobuje vysoké povrchové napětí na roztaveném konci elektrody, které se snaží udržet kapku na elektrodě. Vznikají tak kapky s velkým objemem a průměrem přesahujícím 1,6 mm. To způsobuje značný a obtížně odstranitelný rozstřik. Povrch svarové housenky je nerovnoměrný s větším převýšením a přechod svarového kovu do základního materiálu je ostrý, se značným vrubovým účinkem. Obsah oxidů ve svaru je vysoký, stejně jako množství strusky na povrchu.

15 Aktivní (oxidační) ochranné plyny Kyslík O2 je nehořlavý plyn, ale oxidační hoření podporuje. Má hustotu 1,429 kg.m 3 a je tedy 1,1 krát těžší než okolní vzduch. Vyrábí se stejně jako Ar a N destilací tekutého vzduchu. Výrazně zvyšuje tekutost svarové lázně a snižuje povrchové napětí roztaveného kovu. Tím zlepšuje odplynění svarové lázně, zlepšuje profil svarové housenky a přechod svaru do základního materiálu. Používá se ve směsích s Ar v rozmezí 0,03 až 3% a ve směsi Ar (Ar+He) + CO2 v rozmezí 1 až 8%. Směsný plyn Ar + 8% CO 2 Jde o směsný plyn optimální pro impulsní a sprchový přenos kovu a je doporučovaný pro vysokovýkonné metody svařování s vysokými hodnotami proudu. Vyznačuje se vysokou rychlostí svařování, plochým svarem, nízkým rozstřikem a minimální tvorbou strusky. Je vhodný pro ruční i mechanizované způsoby svařování. Je použitelný pro všechny tloušťky plechů. Směsný plyn Ar + (15 až 25)% CO 2 Jde o univerzální směsný plyn využívaný pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí metodou MAG. Vyznačuje se velmi dobrými svařovacími vlastnostmi, stabilním el. obloukem a hlubokým závarem. Umožňuje svařovat se zkratovým i bezzkratovým přenosem kovu a malým rozstřikem, který neulpívá na povrchu. Poskytuje hladký povrch svaru s dobrým přechodem do ZM. Je použitelný pro všechny tloušťky plechů.

16 Aktivní ochranné plyny Směsný plyn Ar + (5 až 13)% CO 2 + 5% O 2 Tento typ trojsložkového plynu poskytuje klidný svařovací proces s měkkým elektrickým obloukem, jehož výsledkem jsou hladké a čisté svary. Vysoký obsah kyslíku zajišťuje velmi dobrou tekutost a výborné odplynění. Sprchový přenos kovu obloukem je možný i při nižších hodnotách proudu. Přednostně se využívá při mechanizovaných a robotizovaných způsobech svařování u malých a středních tlouštěk. Směsný plyn Ar + H 2 Směsi argonu s vodíkem mají podobné vlastnosti jako směsi Ar+He. Vodík zlepšuje, díky velmi vysoké tepelné vodivosti, energetickou bilanci oblouku. Přídavkem 5 až 10% vodíku se zlepšuje, díky redukci oxidů, také čistota povrchu. Přidáním vodíku (až 10%) se zlepšuje hloubka závaru a tvar svaru a roste i rychlost svařování o 30 až 50%. Směsi s vodíkem lze ale použít pouze pro svařování vysokolegovaných austenitických a austeniticko-feritických CrNi ocelí, případně niklu a jeho slitin. Nelze je použít pro svařování feritických a martenzitických ocelí, kde vodík způsobuje praskavost za studena. Směsi nelze použít také pro svařování Al a Cu z důvodu nebezpečí vysoké pórovitosti. Směsný plyn Ar + N 2 Dusík má také vyšší tepelnou vodivost a přenáší do svarové lázně větší podíl tepla. Běžně se obsah dusíku ve směsi pohybuje okolo 10%. Používá se především ke svařování mědi a jejích slitin.

17 Vliv plynu na stabilitu elektrického oblouku Při svařování tavící se elektrodou musí být zabezpečeno stabilní hoření oblouku při všech typech přenosu kovu. Čistý Ar má dobrou ionizační schopnost, ale není vhodný pro svařování běžných konstrukčních ocelí (oblouk přeskakuje a kvality svaru je nízká). Pro kvalitní svařování konstrukčních ocelí jsou nutné oxidické reakce, které zajistí čistý svarový kov s dobrými mechanickými vlastnostmi bez pórů, dostatečný průvar a pravidelnou kresbu housenky. Malá příměs CO 2 nebo O 2 je proto nutná i při svařování korozivzdorných Cr-Ni ocelí. Inertní plyny jsou používány pouze pro neželezné kovy, kde je i minimální oxidace nepřípustná. Oxid uhličitý má obtížnější ionizační schopnost a horší zapalování oblouku. Vyžaduje vyšší ionizační napětí než Ar. Proto jsou Ar a CO2 ve směsích, kde oblouk hoří s vysokou stabilitou. Druh plynu Disociační energie ev/molekula Ionizační energie ev/molekula (první ionizační stupeň) Vodík H 2 4,5 13,6 Kyslík O 2 5,1 13,6 Oxid uhličitý CO 2 4,3 14,4 Dusík N 2 9,8 14,5 Helium 24,6 Argon 15,8

18 Porovnání vlastností ochranných plynů Porovnání vlastností ochranných plynů Vlastnosti Ar + CO 2 Ar + O 2 CO 2 Průvar poloha PA Dobrý Dobrý Dobrý Průvar ostatní polohy Tepelné zatížení hořáku Stupeň oxidace Porozita Přemostitelnost mezery Tvorba rozstřiku Vnášení tepla do svaru Typ přenosu kovu obloukem Spolehlivější s rostoucím CO 2 Vysoké, snižuje se s rostoucím CO 2 Nízký, stoupá s rostoucím % CO 2 Snižuje se s rostoucím % CO 2 Zlepšuje se s klesajícím % CO 2 Stoupá s rostoucím % CO 2 Stoupá s rostoucím % CO 2. Nižší rychlost ochlazování => menší nebezpečí vzniku trhlin Může být kritický z důvodu předbíhání svarové lázně Vysoké, výkon může být omezen, jestliže je hořák příliš horký Výrazně závisí na obsahu CO 2 (1-8%) Dobrá Dobrá Téměř bez rozstřiku Nejnižší. Vysoká rychlost ochlazování => nebezpečí vzniku trhlin Spolehlivý Nízké, díky dobré tepelné vodivosti Vysoký Horší než u směsných plynů Horší než u směsných plynů Vysoká, stoupá s rostoucím výkonem Vysoké. Malá rychlost ochlazování => malé nebezpečí vzniku trhlin Všechny typy Všechny typy Zkratový, kapkový

19 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Mezinárodní norma ČSN EN ISO stanovuje požadavky na klasifikaci plynů a jejich směsí používaných při tavném svařování a příbuzných procesech zahrnujících, ale neomezujících se pouze na: - Metodu Metody skupiny 13 - Plazmové svařování (metoda 15) - Plazmové řezání (metoda 83) - Laserové svařování (metoda 52) - Laserové řezání (metoda 84) - Obloukové pájení do úkosu (metoda 972) Účelem normy je klasifikovat a označit ochranné, formovací, pracovní a pomocné plyny podle jejich chemických vlastností a metalurgického chování. Plyny nebo směsi plynů mohou být dodány jak v kapalném, tak v plynném stavu. Použity však musí být vždy v plynném stavu. Tato norma nepokrývá hořlavé plyny jako acetylen, propan atd., a formovací plyny používané při laserovém svařování. výroby:

20 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Terminologie Základní plyn hlavní, nebo jediná složka čistého plynu nebo směsi plynu Složka plynná látka, která je zásadní pro technické parametry dané směsi plynů (příklad: ve směsi obsahující 8% CO2 v argonu je CO2 považován za složku, zatímco Ar je základní plyn) Označení klasifikace daná normou plus značky pro všechny chemické složky plus nominální složení v objemových procentech. Např: Směs Ar + 11% CO2 se označuje jako ISO M20-ArC-11. Nečistota plynná látka s odlišným chemickým složením než základní plyn a jeho složky Směs plyn skládající se ze dvou nebo více složek Jmenovitá hodnota procentuální hodnota složky uvedená výrobcem, která odpovídá rámcovému složení danému označením Značka hlavní skupina a podskupina směsi plynů

21 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Vlastnosti plynů

22 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Klasifikace, hlavní skupiny a podskupiny Plyny a směsi plynů musí být klasifikovány pomocí čísla této normy, za kterým následuje značka plynu podle tabulky. Pro hlavní skupiny se používají následující písmenné kódy a čísla: I inertní plyny a inertní směsi plynů. M1, M2, M3 oxidační směsi obsahující kyslík a/nebo oxid uhličitý. C vysoce oxidační plyn a vysoce oxidační směsi. R redukční směsi plynů. N plyn s malou reaktivitou nebo redukční plynů obsahující dusík. O kyslík. Z směsi plynů obsahující neuvedené složky nebo směsi se složením mimo rozsahy uvedené v tabulce. Hlavní skupiny, s výjimkou skupiny Z, jsou rozděleny do podskupin na základě přítomnosti a úrovně různých složek, které ovlivňují reaktivitu.

23 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Klasifikace, hlavní skupiny a podskupiny

25 ČSN EN ISO Plyny a jejich směsi Označování Plyny a směsi plynů se označují podle klasifikace a značkami jejich chemických složek viz níže, za kterými následuje odpovídající jmenovité složení v objem. %. Ar argon C oxid uhličitý H vodík N dusík O kyslík. He helium Za značkou základního plynu musí následovat značky dalších složek v sestupném pořadí podle procent, za kterými následují hodnoty složek v objemových procentech. Příklad pro směs plynů obsahujících 18% oxidu uhličitého v argonu. Klasifikace: ISO M21 Označení: ISO M21 ArC - 18