Pálení materiálu plazmou, svařování v ochranné atmosféře MIG, TIG, obalenou elektrodou

Transkript

1 Projekt: Téma: Pálení materiálu plazmou, svařování v ochranné atmosféře MIG, TIG, obalenou elektrodou Obor: Zámečník Ročník: 2. Zpracoval(a): Pavel Urbánek Střední průmyslová škola Uherský Brod,

2 Obsah: Obsah: Obloukové svařování Svařování obalenou elektrodou Zdroje svařovacího proudu Obalené elektrody Označování obalených elektrod Pravidla pro svařování obalenou elektrodou Svařování v ochranném plynu Svařování MIG/MAG Ochranné plyny Nastavení svářečky Svařování TIG, WIG Ochranný plyn Stejnosměrné obloukové svařování WIG Střídavé obloukové svařování WIG Postup při svařování Využití metody TIG, WIG Pálení plazmou Použití Princip pálení Ochranné plyny Plazmové řezací stroje Použitá literatura :

3 1.Svařování Svařování je spojování materiálu podobných vlastností, kdy dochází k natavení základního materiálu. Existuje řada způsobů svařování. Liší se podle svařovaného materiálu a použité technologie. Podle příslušné normy se dělí svařování do těchto hlavních skupin: Metody svařování Ruční obloukové Obloukové svařování v ochranné atmosféře v aktivní atmosféře Odporové svařování pod tavidlem Tlakové svařování Ultrazvukové Svařování třením Plamenové svařování Paprskové svařování Elektronové Laserové Ostatní způsoby Tab. 1: Metody svařování Bodové Výstupkové Švové Odtavovací stykové Kyslík acetylénové Kyslík propanové Aluminotermické Indukční 1.1 Obloukové svařování Mezi obloukové svařování patří ruční obloukové svařování, svařování v ochranném plynu, plazmové svařování a svařování pod tavidlem. 2. Svařování obalenou elektrodou Ruční obloukové svařování je nejflexibilnější, nejstarší metoda svařování elektrickým obloukem. Její nevýhodou je nutnost často měnit elektrody a odstraňování strusky ze svářeného materiálu. Při svařování se oblouk po zapálení udržuje mezi obalenou elektrodou a svařovaným materiálem. Teplo oblouku taví jádro elektrody a základní materiál. Současně vytváří obal elektrody plynový zvon a vrstvu strusky na ochranu rozžhaveného povrchu obrobku před chemickými reakcemi s okolním vzduchem V důsledku toho zůstává zachovaná pevnost i houževnatost svarového kovu. Elektrický oblouk uzavírá elektrický obvod tvořený zdrojem (svářečky), kabely, materiálem a elektrodou. Proud je nastaven tak, aby se tavila elektroda. Aby se materiál natavoval, musí být elektroda slabší než materiál. Obr. 1: Přenos materiálu v oblouku 3

4 2.1 Zdroje svařovacího proudu Jsou to většinou síťové zdroje, které převádějí jednofázový proud 230 V nebo trojfázový proud V na stejnosměrný nebo střídavý proud menšího napětí. Proud je stabilizován na nastavené hodnotě (např. v rozsahu 60 až 350 A pro elektrody průměru 2 a 6 mm). Druhy a oblasti použití zdrojů svařovacích proudů Druh zdroje Druh proudu Hlavní oblasti použití Svařovací transformátor střídavý (AC) malé svářečky pro stavby a domácí dílny Svařovací usměrňovač stejnosměrný (DC) pro speciální elektrody Svařovací generátor stejnosměrný (DC) stavby bez elektrické přípojky, pohon spalovacím motorem Univerzální zdroje AC nebo DC univerzální svářečky Tab. 2: Volba typu proudového svařovacího zdroje Obr. 2: Svařovací transformátor Obr. 3: Svařovací usměrňovač 2.2 Obalené elektrody Obalené elektrody se skládají z jádra elektrody (drátu) a z obalu. Svařovací drát vytváří při svařování svarovou housenku. Obal uvolňuje při tavení plyny, které stabilizují el. oblouk a chrání materiál před přístupem vzduchu. Roztavené zbytky obalu se vyplavují na povrch svaru jako struska, který chrání rozžhavený materiál před vznikem okují a před rychlým ochlazením, které by mohlo způsobit zakalení a zkřehnutí materiálu. Obal většinou obsahuje také legující přísady, zlepšující pevnost a houževnatost svaru. 4

5 2.2.1 Označování obalených elektrod Alfanumerický kód udává jejich vlastnosti a druh použití. Význam písmen a čísel je pro každý druh elektrod jiný a lze je najít ve strojnických tabulkách nebo v technických normách. Obalené elektrody se vyrábějí v délkách od 300 do 450 mm a v průměrech od 2 do 6 mm. Obr. 4: Příklad označení svařovací elektrody Označení druhu obalu elektrody podle ČSN EN 499 Označení Druh obalu, vlastnosti, použití A kyselý, jemný přenos, plochý šev, není vhodný pro nevýhodné polohy (pozice) R rutilový, pro tenké plechy a všechny polohy včetně svislé RR rutilový tlustý, univerzální, jemná struktura svaru RA rutil kyselý rutil bazický, dobrá vrubová pevnost, nepraská, pro všechny polohy kromě RB svislé shora dolů. B bazický Tab. 3: Označení druhu obalu elektrody Rutilové elektrody se svařují většinou na záporném pólu, zatímco bazické elektrody nacházejí uplatnění převážně na kladném pólu. Rutilové elektrody se omezeně hodí také ke svařování pomocí jednoduchých svařovacích transformátorů bez usměrnění proudu. Dalšími charakteristickými vlastnostmi rutilových elektrod jsou snadná svařitelnost, rovnoměrný svar a přenos materiálu v drobných kapkách. Bazické elektrody se naproti tomu, vedle přenosu materiálu ve velkých kapkách, vyznačují chováním vázat vlhkost a tím vytvářet v nevysušeném stavu ve svarovém kovu póry. Mezi přednostmi musíme jmenovat svařitelnost ve více polohách a velmi dobré mechanické vlastnosti svarového kovu. Dalším druhem elektrod jsou elektrody celulózové. Tyto disponují, vedle přenosu materiálu v jemných kapkách, velmi hlubokým závarem, dobrou mechanickou pevností a vhodností pro všechny polohy, včetně klesavého svaru. Jako nevýhoda se ukazuje obtížná svařitelnost a značný vývin kouře. Mimo to nejsou tyto elektrody vhodné pro všechny typy svařovacích zdrojů. 5

6 2.3 Pravidla pro svařování obalenou elektrodou Při svařování je nutné používat ochranné rukavice a ochranný oděv, který chrání kůži proti spálení podobně jako od slunce a UV záření. Je třeba chránit i obličej a hlavně zrak ochranným štítem. Svářečské pracoviště musí být kryté tak, aby záření z elektrického oblouku neohrožovalo jiné pracovníky, a to hlavně jejich zrak. Ochranný štít musí chránit oči i z boku před UV zářením. Struska může být odstraňována až po vychladnutí svaru a jeho okolí. Pro tuto práci může být používán průhledný ochranný štít. Poznámka: Elektrický proud je uspořádaný pohyb nositelů elektrického náboje. Stejnojmenná fyzikální veličina, obvykle značená I, vyjadřuje množství náboje prošlého za jednotku času. Hlavní jednotkou v soustavě SI je 1 ampér, mezinárodní značka "A". Elektrické napětí je určeno jako práce vykonaná elektrickými silami při přemísťování kladného jednotkového elektrického náboje mezi dvěma body prostoru. Jednotka je odvozena z jednotek soustavy SI: značka jednotky V(volt). 6

7 3. Svařování v ochranném plynu Ochranná atmosféra (ochranný plyn) zabraňuje vzduchu v přístupu k elektrickému oblouku a k roztavenému kovu, proto není nutné používat obalenou elektrodu a používají se dráty pro obloukové svařování. Rozlišují se postupy tavící se elektrodou (drátem) a postupy netavící se wolframovou elektrodou. Volba ochranného plynu se řídí podle svařovacích materiálů a podle metody. Používají se inertní plyny (netečný - argon, helium), redukující plyn H² (vodík), oxidující plyn CO ² (oxid uhličitý). Vzácné inertní (netečné) plyny se používají především pro svařování neželezných kovů (např. hliníku), levnější aktivní plyny se používají pro svařování oceli. Aktivní plyny nejsou zcela inertní, ale s taveninou téměř nereagují a chrání ji před atmosférickým dusíkem, který způsobuje nitridování a tím ztvrdnutí, ale také zkřehnutí uhlíkové oceli. Svařování kovovou elektrodou v ochranné atmosféře (tavící se elektroda) Svařování wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře (netavící se elektroda) Tab. 4: Druhy svařování v ochranné atmosféře Druhy svařování v ochranné atmosféře kovová elektroda (M) aktivní plyn (AG), MAG kovová elektroda, inertní plyn (IG), MIG wolframová elektroda (W) inertní plyn, WIG wolframová elektroda plazma, WP 3.1 Svařování MIG/MAG Při svařování MIG/MAG je kovový drát posunován přes svařovací hořák do hořícího elektrického oblouku, kde je roztaven a přenesen do svarové lázně. Energie potřebná pro hoření oblouku je dodávána ze svařovacího zdroje. Elektrický oblouk a svarová lázeň jsou chráněny ochranným plynem, který je přiváděn dýzou hořáku Ochranné plyny Ochranný plyn může být buď inertního (MIG), nebo aktivního (MAG) charakteru. Inertní plyn nereaguje s roztaveným materiálem. Typickými inertními plyny pro MIG svařování jsou argon (Ar) a helium (He). Aktivní plyny se naproti tomu na procesech probíhajících mezi elektrickým obloukem a roztaveným kovem podílejí. Charakteristickým plynem využívaným při svařování MAG je směs argonu (Ar) s malým množstvím oxidu uhličitého (CO 2 ). Při svařování MIG je svar chráněn před vzduchem inertním plynem argonem nebo heliem. Toto svařování se používá při svařování neželezných kovů, hliníkových slitin a vysoce legovaných ocelí. Při svařování MAG je svar chráněn před vzduchem aktivním plynem, např. CO 2 (svařování MAGC), nebo směsí argonu, CO 2 a O² (MAGM). Tyto plyny zlepšují přenos materiálu v oblouku, zvětšují hloubku průvaru a tvar housenky. Nedostatkem těchto levných plynů je oxidace legujících prvků a snížení pevnosti svaru. Svařování MAG se používá ke svařování nelegovaných ocelí při velkém tavícím výkonu. 7

8 Ochranné plyny a jejich použití Označení Skupina plynů Složení Použití R redukční směs plynů Ar + H² WIG, WP I inertní plyny Ar, He MIG, WIG, WP inertní směsi Ar + He M1 mírně oxidační směsi plynů Ar + O² MAG Ar + CO² M2 Ar + CO² Ar + O² M3 Ar + CO² + O² C silně oxidační směsi plynů CO² + O² Tab. 5: Ochranné plyny a jejich použití Nastavení svářečky 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 a na ochranném plynu. Moderní svářečky s elektronickým řízením mají v paměti uložené svařovací programy, které zjednodušují nastavení. Obr. 5: Svářečka MIG/MAG 8

9 4. Svařování TIG, WIG Technologie svařování Tungsten Inert Gas (TIG, popř. nazývána také WIG, nebo GTAW) byla vyvinuta pro svařování hliníkových a hořčíkových slitin. Kromě hliníkových a hořčíkových slitin je v současné době tato technologie používána pro svařování vysocelegovaných, popř. nízkolegovaných, či uhlíkových ocelí. Základní oblast využití této metody je při svařování menších tlouštěk, do cca 6 mm. Při svařování TIG je jako zdroj energie pro tavení materiálu využíván elektrický oblouk, který hoří mezi netavící se wolframovou elektrodou a základním materiálem. Elektrický oblouk a svarová lázeň jsou chráněny ochranným plynem, který je přiváděn dýzou (úzká trubice ke zvyšování výtokové rychlosti tekutin, tryska) hořáku. Obr. 6: Svařovací hořák WIG 4.1 Ochranný plyn Základní úlohou ochranného plynu při svařování TIG je chránit roztavené, či ohřáté části základního, přídavného materiálu a netavící se elektrodu před škodlivým účinkem okolního vzduchu. Ochranný plyn také ovlivňuje charakteristiky hořícího oblouku (napětí, stabilitu apod.) a svaru (povrch, závar aj.). Standardním ochranným plynem pro tuto metodu svařování je argon, helium, nebo jejich směs. V určitých případech je výhodné použít i příměs vodíku, či dusíku. 4.2 Stejnosměrné obloukové svařování WIG se záporně pólovanou wolframovou elektrodou se používá hlavně ke svařování legovaných ocelí a neželezných kovů a jejich slitin. Elektroda má ostrý hrot zaručující stabilní oblouk a přesné vedení. Průvar se svarovou lázní je úzký a hluboký. Hořáky WIG mají chlazení kapalinou nebo plynem. 9

10 4.3 Střídavé obloukové svařování WIG Používá se k svařování lehkých kovů, a to hlavně hliníku, významného lehkého konstrukčního materiálu. Při kladné půlvlně střídavého proudu se pohybují elektrony od svařence k elektrodě a vytrhují částečky povrchového oxidu, který má mnohem vyšší bod tání (přes C) než samotný hliník (660 C). Při záporné půlvlně se pohybují elektrony ke svařenci a silně jej zahřívají. Wolfram má sice teplotu tání C, ale při vysoké teplotě oblouku se ostrý hrot postupně mění v zaoblenou kapku a oblouk přestává být stabilní. Oblouk se tím rozšiřuje, snižuje se hloubka průvaru a zhoršuje se přesnost vedení hořáku. Při použití impulzního proudu je možné vyplnit dobře svařovací spáru při obloukovém svařování ve všech polohách. Nejsou problémy na začátku a na konci svaru, např. svařování potrubí. Obr. 7: Elektrický oblouk při svařování WIG 4.4 Postup při svařování Při ručním vedení hořáku pravou rukou vedeme hořák nakloněný mírně doprava, zprava doleva a levou rukou vedeme drát z přídavného materiálu. Oblouk udržujeme 2-3 mm dlouhý. Při ukončování svaru je potřeba ovladačem na rukojeti hořáku snižovat proud, aby se na konci svaru nevypálila díra. Ještě po úplném vypnutí proudu je nutné držet hořák s proudícím ochranným plynem nad koncem svaru až do jeho vychladnutí. 4.5 Využití metody TIG, WIG Typickou oblastí využití metody TIG ve výrobě je svařování trubek, tlakových nádob, tepelných výměníků a tenkých plechů. Protože svařování TIG je především využíváno pro spojování malých tlouštěk a součástí, využívá se tato metoda v elektronickém průmyslu. Velkou předností svařování TIG je velmi vysoká kvalita sváru, absence strusky a minimální rozstřik. Metoda je velice přizpůsobivá a je s ní proto možné svařovat velké množství materiálů, mnohdy jinak komplikovaně svařitelných, pracovat v pozicích a vytvářet spoje různých konstrukčních provedení. 10

11 5. Pálení plazmou Technologie řezání plazmou byla vyvinuta v padesátých letech tohoto století, pro dělení takových materiálů, které není možné řezat technologií kyslík hořlavý plyn, mezi něž patří korozivzdorné oceli, hliník a měď. Díky schopnosti řezání neželezných kovů, vysoké rychlosti, malému tepelnému ovlivnění materiálu a ekonomické výhodnosti postupně vytlačuje řezání kyslíkem. 5.1 Použití Vývoj technologie řezání plazmou se věnuje dělení nerez oceli, hliníku, mědi, uhlíkových ocelí, nízkolegovaných ocelí a v neposlední řadě i dělení plazmou s vysokou přesností. 5.2 Princip pálení Princip plazmového řezání spočívá v úzkém stabilizovaném elektrickém oblouku, který je vysokou rychlostí tlačen hnacím plynem do tavícího se materiálu. Na materiál působí kombinace tepelného a dynamického účinku proudícího plazmatu. Tím vzniká úzký a přesný řez bez okují. Principiálně je plazmový plyn ionizován* (elektricky nabit) v plazmovém hořáku přívodem elektrické energie na wolframovou elektrodu oproti dělenému materiálu a fokusován (zaostřen) speciálně konstruovanou tryskou směrem k povrchu materiálu. Z trysky plazmového hořáku vychází plazmový oblouk o velmi vysoké teplotě (cca C) a velmi silném dynamickém účinku, kterým je materiál natavován a tavenina je vypuzována z řezné spáry. Pro zvýšení koncentrace energie plazmového oblouku se používají plazmové hořáky umožňující přívod fokusačního (vedlejšího) plynu zužujícího plazmový oblouk ochlazováním jeho vnějšího povrchu. Z důvodu zlepšení pracovního prostředí (vysoký hluk, UV záření, prašnost) je používána technologie řezání plazmou pod vodou, kde vlastní proces dělení probíhá pod vodní hladinou nádrže s ponorným stolem. 5.3 Ochranné plyny Mezi plazmové plyny, které se používají pro vytvoření plazmy, náleží argon, vodík, dusík a jejich směsi, dále i kyslík a vzduch. 5.4 Plazmové řezací stroje Plazmové řezací stroje dělíme na plynové a vzduchové. U plynových se využívá argon, vodík a dusík. Používají se především u automatizovaných pálících strojů. Výhodou je vyšší rychlost řezání, nevýhodou vyšší cena za plyn. Vzduchové plasmy jsou nejrozšířenější zařízení pro ruční řezání. Pro nejmenší tloušťky plechů do 5 mm se vyrábějí invertory s integrovaným kompresorem takže jsou velmi mobilní, stačí zásuvka 230V. 11

12 Obr. 8: Tryska plazmového řezacího stroje Legenda: 1. Hořák 2. Elektroda 3. Strart cartidgre 4. TIP 100A, TIP 40 A 5. Tělo hubice 6. DRAG SHIELD CAP 7. DEFLECTOR 8. KIT TORCH SL 100 CONF. 100 A Obr. 9: Plazmový hořák 12

13 Použitá literatura : 1. DILLINGER, Josef a kol., Moderní strojírenství pro školu i praxi, 1.vydání, Europa- Sobotáles cz., Praha 2007, str , ISBN