Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. et Ing. Petr Dostál, Ph.D. Vypracoval: Vojtěch Polák Brno 2013

2 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů 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 autora...

3 PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce panu Ing. et Ing. Petru Dostálovi, Ph.D. a konzultantovi panu doc. Ing. Vlastimilu Chrástovi, CSc. za ochotu, cenné rady, věcné připomínky a metodické vedení při zpracování práce. Děkuji rovněž své sestře Mgr. Ludmile Polákové za jazykové korektury a bratrovi Ing. Josefu Polákovi za anglický překlad anotace. Poděkování patří také rodičům za podporu během studia.

4 ANOTACE Bakalářská práce je zaměřena na charakteristiku současných metod v technologii svařování. Nejprve jsou zpracovány základní z nich, které využívají tepelnou energii pro svařování materiálů. Zde je analyzován elektrický oblouk jako hlavní zdroj tepla při tavném svařování. Dále je pozornost věnována speciálním metodám s vysokou koncentrací energie na plochu, které se svým principem výrazně odlišují od předchozích. Patří sem zejména svařování plazmou, svazkem elektronů a laserem. K moderním metodám je dále zařazen zvláštní svařovací proces CMT umožňující spojovat různorodé materiály elektrickým obloukem. Tímto postupem byl úspěšně vyřešen dlouhodobý problém spojování oceli a hliníku v automobilovém průmyslu. Následně je popsána metoda CMT Twin vycházející ze stejného principu. Závěrečnou částí práce je schematický přehled všech nejznámějších způsobů svařování. Klíčová slova svařování, elektrický oblouk, plazma, laser, CMT proces ANNOTATION This bachelor s thesis is focused on the characteristics of current methods in welding technology. First, the basic techniques that use thermal energy for joining materials are processed. Electric arc is analyzed here, as the main source of heat for fusion welding. In the next part, attention is given to special methods with high density of energy per area, which are in principle significantly different from the previous ones. In particular, this includes plasma welding, electron beam and laser. The modern methods also include the CMT welding process that allows joining dissimilar materials using the electric arc. This procedure successfully resolved the long-term problem of joining steel and aluminum in the automotive industry. Subsequently, the CMT Twin method, based on the same principle, is described. The final part is a schematic overview of the most popular methods of welding. Keywords welding, electric arc, plasma, laser, CMT process

5 OBSAH ÚVOD CÍL PRÁCE ZÁKLADNÍ METODY TAVNÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ Plamenové svařování Plyny používané pro svařování Charakteristika kyslíko-acetylenového plamene Svařovací zařízení Způsoby svařování plamenem Oblasti použití plamenového svařování Svařování elektrickým obloukem Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou (metoda MMA) Automatizované obloukové svařování pod tavidlem Obloukové svařování v ochranném plynu MIG/MAG Obloukové svařování v ochranném plynu WIG (TIG) METODY TLAKOVÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ Svařování elektrickým odporem Zdroje svařovacího proudu Způsoby odporového svařování Oblasti využití odporového svařování Třecí svařování Konvenční způsob třecího svařování Setrvačníkové (inerční) třecí svařování Využití třecího svařování Difuzní svařování Uplatnění difuzního svařování Svařování tlakem za studena Příprava svarových ploch Svařovací tlak Výhody, aplikace a využití svařování tlakem za studena Ultrazvukové svařování... 34

6 3.5.1 Hlavní parametry svařování Svařitelnost materiálů Využití v technické praxi Výbuchové svařování Svařitelnost materiálů Použití a výhody technologie spojování materiálů výbuchem SPECIÁLNÍ METODY V MODERNÍ TECHNOLOGII SVAŘOVÁNÍ TECHNICKÝCH MATERIÁLŮ Plazmové svařování Druhy plynů pro plazmové svařování Typy hořáků a jejich způsoby zapojení Mikroplazmové svařování Systém Plazma MIG (Gas Metal Plasma Arc) Porovnání plazmového svařování a oblasti využití Svařování svazkem elektronů Interakce elektronů se svařovaným materiálem Využití elektronového svařování v praxi, výhody a nevýhody Laserové svařování Druhy laserů používaných ve svařování Interakce laserového svazku se svařovaným materiálem Možnosti uplatnění svařování laserem Metoda CMT spojování krátkým zkratovým obloukem Princip CMT procesu Svařovací systém CMT Spojování ocelových a hliníkových částí Další možnosti využití procesu CMT Metoda CMT Twin PŘEHLED METOD SVAŘOVÁNÍ KOVŮ ZÁVĚR POUŽITÁ A DOPORUČENÁ LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK SEZNAM ZKRATEK... 55

7 ÚVOD Svařování patří mezi nerozebíratelné druhy spojení dvou nebo více dílů. Ke spojování dochází pomocí tepla při teplotě tavení materiálů nebo tlaku vyvolávající deformaci kontaktních ploch. Bylo postupně vyvinuto více způsobů svařování, neboť je více možností přívodu tepla nebo kinetické energie do místa svaru. Celá dlouhá staletí bylo jedinou metodou kovářské svařování. Teprve koncem minulého století byly rozvinuty tři metody: svařování elektrickým obloukem, plamenové a odporové svařování. Za počátek historie svařování elektrickým obloukem lze považovat rok 1801 a práce angličana sira Humpree Davyho. Již v roce 1803 píše ruský fyzik V. V. Petrov o této možnosti na druhém konci světa. V bývalém Československu se datuje rozvoj svařování elektrickým obloukem rokem 1927, kdy v tehdejších Škodových závodech byl postaven zásluhou prof. Františka Faltuse první celosvařovaný most s rozpětím 49,6 m svařovaný holými elektrodami. Na tehdejší dobu to byl největší most na světě. V roce 1933 staví v Plzni první svařovaný most přes řeku Radbuzu s obloukem 50,6 m již svařeným obalenými elektrodami. [1] Další způsoby svařování se dostávají do technické praxe relativně rychle, a to v pořadí: Svařování pod tavidlem a metodou WIG (r. 1935), MIG (1942), třecí svařování (1949), ultrazvukové (1950), plazmové a elektronovým paprskem (1956), difúzní (1960) a laserové (1965). [13] Svařování se s výhodou uplatňuje ve strojírenské výrobě, u silničních a železničních vozidel, při stavbě lodí, v ocelových konstrukcích (např. jeřáby, mosty, dálkovody), u tlakových nádob pro chemii a energetiku, v elektrotechnice, při výrobě zařízení a strojů pro potravinářský průmysl aj. [13] 1 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce na téma Moderní trendy v technologii svařování technických materiálů je vytvořit ucelený přehled metod, které se v současnosti nejvíce používají. Nejprve se chci zabývat konvenčními způsoby svařování, přiblížit jejich princip, složení a popis jednotlivých komponentů svařovací soupravy. Dále zdůraznit jejich výhody, nevýhody a to, v jaké oblasti se nejvíce uplatňují. Velkou pozornost bych rád věnoval speciálním metodám, které jsou v dnešní době vrcholem technologického vývoje, zvláště pak svařování plazmou, svazkem elektronů, laserem a CMT procesu spojování. 9

8 2 ZÁKLADNÍ METODY TAVNÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ Při tavném svařování je vytvoření spoje dosaženo přívodem tepelné energie do oblasti svaru, kdy dochází k natavení základního, případně přídavného materiálu. Tekutá fáze je vázána na povrch tuhé fáze adhezními silami a při tuhnutí taveniny se slabé adhezní síly mění na chemickou vazbu ve formě krystalové mřížky. [14] 2.1 Plamenové svařování Zdrojem tepla při plamenovém svařování je chemická energie hoření plamene, která vznikne hořením směsi oxidujícího a hořlavého plynu. Parametry zdroje tepla plamene se řídí použitými plyny. U kyslíko-acetylenového plamene je maximální teplota plamene 3150 C. [1] 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. [1] Plyny používané pro svařování Pro svařování plamenem jsou používány dvě skupiny plynů: plyny oxidující a hořlavé. Mezi plyny oxidující patří kyslík a vzduch. Hořlavých plynů používaných v technické praxi pro plamenové svařování je celá řada. Pro svařování má však největší význam acetylen pro jeho velmi dobré vlastnosti. [1] Charakteristika kyslíko-acetylenového plamene Tento plamen jako hlavní představitel pro technologické využití se podle různých hledisek dělí na následující plameny. Podle výstupní rychlosti plynů (podle nastavených tlaků) [13]: měkký v = 80 až 100 m s -1 střední v = 100 až 130 m s -1 ostrý v = 120 až 150 (i více) m s -1 Podle poměru kyslíku a acetylenu ve směsi [13]: O 2 neutrální plamen (obr. 1a) 1,0 až 1,2 (1) C H Plamen je používán pro řezání a běžné svařování ocelí, protože výrazně neovlivňuje vlastnosti základního materiálu

9 O 2 nauhličující plamen (obr. 1b) 1 (2) C H Tento plamen má přebytek acetylenu, a tím dochází k nauhličení svarové lázně. Používá se především při navařování tvrdých vrstev, zejména na bázi kobaltu, ale také při svařování litiny, slitin hořčíku, hliníku, korozivzdorných ocelí, mosazí a bronzů. O 2 oxidační plamen (obr. 1c) 1,2 (3) C H Vlivem přebytku kyslíku dochází k intenzivnímu okysličování tavné lázně, a tím k vypalování legujících prvků. Tento druh plamene se používá pro svařování nerezi nebo bronzů. Pro lehké kovy, kde dochází ke vzniku oxidů, je nevhodný Obr. 1 Rozdělení kyslíko-acetylenového plamene podle poměru kyslíku a acetylenu [14] Popis obrázku 1: 1 svařovací kužel ostře ohraničený, oslnivě bílý, 2 redukční oblast plamene, 3 svařovací plamen oslnivě bílý, překrytý bělavým závojem, 4 bělavý závoj, 5 svařovací plamen krácený, modrofialový, 6 vnější oxidační plamen, 7 svařovací hubice. [14] Svařovací zařízení Zařízení pro svařování se skládá z těchto následujících komponentů. Tlakové lahve jsou kované s tloušťkou stěny 8 mm pro tlak 200 barů (kyslík a další stlačitelné plyny) a minimálně 3 mm pro acetylen. Vodní objem lahví je 10, 20 a dnes nejčastěji 50 l. Lahve musí být zajištěné proti pádu a minimální vzdálenost od otevřeného ohně je 3 m. U acetylenové lahve je povolen maximální odběr 1000 l h -1. Redukční ventily jsou připojeny k lahvovým ventilům třmenem u acetylenu a šroubením u kyslíku. Slouží ke snížení vysokého tlaku z lahve na pracovní tlak vhodný pro svařování a zajištění konstantního průtoku v průběhu svařování. 11

10 Suchá předloha je významná součást svařovací soupravy a připojuje se za redukční ventil na oba svařovací plyny. Obsahuje čtyři bezpečnostní prvky: zpětný ventil, zhášecí vložku, tepelný uzavírací ventil a tlakový uzavírací ventil. Hadice se používají vysokotlaké barevně odlišené s textilní vložkou, které mají různý vnitřní průměr (acetylen 8 mm a kyslík 6,3 mm). Jejich délka je minimálně 5 m a podle normy ČSN se zkouší nejvyšším pracovním přetlakem 0,15 MPa u acetylenu, u kyslíku v rozmezí 0,8 MPa až 1,5 MPa. Svařovací hořák se skládá z rukojeti s regulačními ventily a vyměnitelného nástavce hořáku. Hořáky se používají injektorové a rovnotlaké. V injektorovém je acetylen nasáván kyslíkem proudícím pod vysokým tlakem a u rovnotlakého se mísí oba plyny při stejném tlaku ve směšovací komoře. [15] Obr. 2 Injektorový svařovací hořák [15] Jako přídavný materiál se používá drát podobného nebo stejného chemického složení a mechanických vlastností jako základní materiál. Dráty jsou leskle tažené, nebo i poměděné s označením na prolisu u jednoho konce a dodávají se v délkách 1 m Způsoby svařování plamenem Při plamenovém svařování se využívá dvou základních způsobů pracovní techniky: Svařování vpřed (doleva). Drát postupuje před hořákem zprava doleva. Sklon hořáku je do 45, menší u neželezných kovů. Svar a hlavně jeho kořen je málo chráněn před přístupem vzduchu, tím má svar horší mechanické vlastnosti. [20] Svařování vzad (doprava). Hořák postupuje ve směru svařování zleva doprava a drát za ním. Sklon hořáku je 30 až 75. Při tomto způsobu je svarová lázeň chráněna redukční oblastí plamene před oxidací, vytvořená housenka se zároveň vyžíhá. [20] 12

11 2.1.5 Oblasti použití plamenového svařování Svoji dominantní úlohu si plamenové svařování stále zachovává v řemeslech, jako jsou topenář, instalatér, potrubář, klempíř, automechanik a další. Hlavní oblast použití svařování plamenem je pro svařování slabých plechů do tloušťky 4 mm. [14] 2.2 Svařování elektrickým obloukem Obloukové svařování je v současné době nejpoužívanějším způsobem svařování. Zdrojem tepla je elektrický oblouk, který hoří mezi elektrodou a základním materiálem zapojenými na vhodný elektrický zdroj. [19] Elektrický oblouk Jedná se o nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj, který hoří v prostředí ionizovaného plynu. Stabilně hoří za předpokladu napětí dostatečného pro ionizaci daného prostředí a proudu udržujícího plazma oblouku v ionizovaném stavu. [1] Zapálení oblouku Zapálení probíhá při napětí naprázdno zdroje, které bývá vyšší než při ustáleném hoření oblouku. Velikost zápalného napětí (U = 60 V až 70 V) závisí na materiálu elektrod a ionizační schopnosti plynného prostředí. Pro běžné metody svařování je typické napětí 10 V až 50 V na oblouku a svařovací proud v rozmezí 10 A až 2000 A. [1] Části elektrického oblouku Nejlépe lze jednotlivé části popsat na stejnosměrném oblouku hořícím mezi wolframovou elektrodou a základním materiálem, poněvadž při stejnosměrném proudu a konstantní délce hoří oblouk velmi stabilně, bez změny napětí i proudu. [1] 1. Katodová skvrna je ostře ohraničená oblast, která termickou emisí emituje prvotní elektrony důležité pro zapálení oblouku a ionizaci plynného prostředí. Vlivem ochlazovaného efektu termoemise elektronů (tj. spotřebovaná práce při uvolnění elektronů) dosahuje teplota katodové skvrny 2400 C až 3000 C. Na katodovou skvrnu elektrody dopadají kladné ionty, které se pohybují ve směru záporného pólu vlivem elektrostatických sil. 13

12 2. Sloupec oblouku je zářivě svítící oblast disociovaného a ionizovaného plynu ve formě plazmy mezi elektrodami, která dosahuje vysokých teplot. Maximální teploty oblouku jsou ve středu a k okraji klesají, přičemž nejvyšší teplota je těsně pod katodovou skvrnou, kde dosahuje až C. Při ručním svařování obalenou elektrodou se teplota oblouku pohybuje mezi 4200 C až 6400 C, při svařování pod tavidlem 6200 C až 7800 C, metodou WIG 6500 C až 9000 C a u svařování MIG/MAG se teploty pohybují v rozmezí 8000 C až C. 3. Anodovou skvrnou jsou neutralizovány a odváděny dopadající záporné částice. Kinetická energie částic se mění na tepelnou a zčásti i na elektromagnetické záření. Teplota anodové skvrny se pohybuje v rozmezí 2700 C až 3600 C a většinou dosahuje teploty varu svařovaných materiálů. [1] Obr. 3 Části elektrického oblouku a oblouk při stejnosměrném proudu [14, 26] Popis obrázku 3: 1 katoda, 7, 9 sekundární elektrony, 2 katodová skvrna, 8 sloupec oblouku, 3 prostorový náboj iontů, 10 prostorový náboj elektronů, 4 primární elektrony, 11 anodová skvrna, 5 atomy plynu (Ar), 12 anoda, 6 kladné ionty plynu (Ar), 13 neutralizace elektronů. [14, 26] Voltampérová charakteristika oblouku Statická voltampérová charakteristika vyjadřuje závislost proudu na napětí oblouku při konstantní délce oblouku. Na vlastní tvar a polohu charakteristiky oblouku má značný 14

13 vliv chemické složení elektrody, geometrie hrotu elektrody, složení plazmy oblouku i průměr elektrody. Z těchto důvodů se někdy používá tzv. standardní statická charakteristika oblouku: metoda MMA (111) metoda MAG (135) metoda WIG (141) U 20 0,04 I [V] (4) U 15 0,035 I [V] (5) U 10 0,04 I [V] (6) Sloupec oblouku je spotřebič s konstantním elektrickým odporem. V anodové a katodové oblasti má charakter spotřebiče s klesajícím odporem. Jednotlivé technologie se projevují různými statickými charakteristikami závislými na parametrech prostředí, ve kterém oblouk hoří. [14] Zdroje svařovacího proudu pro obloukové svařování Chceme-li dosáhnout rovnoměrného a stabilního hoření oblouku, je třeba změnit hodnoty síťového napětí a proudu na hodnoty potřebné pro stabilní hoření oblouku. K tomu nám slouží zdroje svařovacího proudu, které rozdělujeme na: 1. Zdroje střídavého proudu transformátory 2. Zdroje stejnosměrného proudu točivé (dynama), netočivé (usměrňovače a měniče neboli invertory) Transformátory se používají většinou jako jednofázové s vysokými rozptylovými hodnotami. Výhodami svařovacích transformátorů jsou zejména nízký příkon při běhu naprázdno, dobrá regulovatelnost a ve spojení s elektrodami, které mají vhodný obal i velmi dobré svařovací vlastnosti. Nevýhodami je poměrně vysoká hmotnost a neklidné hoření oblouku s velkým rozstřikem, což je způsobeno průběhem střídavého proudu, tj. změnou polarity a zhasínáním oblouku. [13] Dynama jsou točivé stroje, které se používají ve spojení s třífázovým elektromotorem, a ten je připojen na síť. Motor je na společném hřídeli s dynamem, které pohání, a celek je většinou pojízdný. Dynama bývají dvoupólová s vlastním i cizím buzením. Regulace se provádí pomocí reostatu. Výhodou jsou velmi dobré svařovací vlastnosti a nízké nároky na údržbu. Nevýhodou je vysoký příkon při běhu naprázdno a velká hmotnost. [13] U nás jsou známé tyto stroje firmy TRIODYN Brumov. [17] 15

14 Usměrňovače slouží k přeměně a k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný. Skládají se v podstatě ze čtyř základních částí: vstupní transformátor, tyristorový (tranzistorový) usměrňovací můstek, vyhlazovací tlumivka, řídicí a regulační část. Tyto zdroje mají velmi dobré svařovací vlastnosti, které je možné v určitých mezích měnit, proto jsou tyto zdroje variabilnější a mohou se používat pro různé technologie. Předností je i tichý chod, nízký příkon naprázdno a poměrně nízká hmotnost. [17] Měniče (invertory) jsou zdroje svařovacího proudu, které pracují na principu změny frekvence. Skládají se z těchto hlavních částí: vstupní transformátor mění potřebné vstupní parametry, invertor mění frekvenci střídavého proudu (50 Hz) na frekvenci podstatně vyšší (16 khz až 20 khz), transformátor mění parametry, řídicí a regulační blok většinou na bázi integrovaných obvodů a mikroprocesorů. Tato zařízení mají velmi dobré výkonové parametry, velkou spolehlivost a podstatně nízkou hmotnost. Jsou proto velice mobilní při zajištěných vysokých výkonech. Mohou pracovat jak se střídavým, tak se stejnosměrným proudem. [13] Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou (metoda MMA) Elektrický oblouk hoří mezi elektrodou a základním materiálem, přičemž je velmi často používána elektroda obalená. Jedná se o poměrně jednoduchou metodu svařování jak z hlediska parametrů, tak i z hlediska poloh svařování. [14] OBAL OBLOUK SVAŘOVACÍ LÁZEŇ STRUSKA ELEKTRODA JÁDRO ELEKTRODY PLYNOVÁ OCHRANA ZÁKLADNÍ MATERIÁL Obr. 4 Princip ručního svařování obalenou elektrodou [14] Elektrody pro ruční svařování elektrickým obloukem Obalené elektrody se skládají z jádra a z obalu elektrody. Jádro elektrody tvoří drát průměru 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0 a 6,0 mm. [14] 16

15 Elektrody lze obecně rozdělit podle základního materiálu do následujících skupin: elektrody pro svařování nelegovaných nízkouhlíkových ocelí, elektrody pro svařování nízkolegovaných ocelí, elektrody pro svařování nízkolegovaných žáropevných ocelí, elektrody pro svařování vysokolegovaných ocelí, elektrody pro navařování vrstev se zvláštními vlastnostmi, elektrody pro svařování barevných kovů, elektrody pro svařování šedé litiny, elektrody pro jadernou energetiku, elektrody pro zvláštní účely. [1] Obaly elektrod se podle chemického složení a reakcí vytvořené strusky rozdělují na obaly stabilizační, rutilové (označení R), rutil-celulosové (RC), rutil-kyselé (RA), rutilbazické (RB), tlustostěnné rutilové (RR), kyselé (A), bazické (B), celulosové (C). Obaly kyselé, obsahující oxidy železa, jsou tavitelné vyššími proudy. Dezoxidace se provádí feromanganem. Vyznačují se velkou pracovní výkonností, velkým závarem, oblouk je velmi teplý a stabilní. Kov i struska jsou tekuté, a proto nejsou vhodné pro svařování v polohách (struska předbíhá svar). Struska je snadno odstranitelná. Lze jimi svařovat při stejnosměrném (minus pól) i při střídavém proudu. Obaly bazické jsou bez oxidů železa. Základ obalových směsí tvoří převážně uhličitany (vápenec, mramor, křída). Dezoxidace se provádí ferosiliciem a ferotitanem. Oblouk těchto elektrod je méně teplý než u elektrod s obalem kyselým. Elektroda se odtavuje ve velkých kapkách, tavná lázeň rychle tuhne. Svařovat je možno s nimi ve všech polohách, nejlépe při stejnosměrném proudu (plus pól). Jsou náchylné na vlhnutí, a tím ke vzniku pórů při svařování, proto je nutné je před použitím přesoušet při teplotě 150 C až 300 C po dobu alespoň 1 hodiny. Obaly rutilové obsahují oxid titaničitý (rutil), který za spolupůsobení přítomných silikátů, uhličitanů a jiných vhodných přísad dává strusku s velmi dobrými redukčními a fyzikálními vlastnostmi. Mají dobré operativní vlastnosti ve všech polohách při snadno ovladatelné tavné lázni. Struska je snadno odstranitelná. Svarový kov teče hustě, rychle tuhne a umožňuje tím překlenutí větších mezer při nedokonalé přípravě. Závar je poměrně malý. Elektrody nejsou citlivé na přetížení. Lze jimi svařovat stejnosměrným (minus pól) i střídavým proudem. Jsou vhodné pro svařování tenkých plechů. [3, 20] 17

16 Funkce obalu elektrod Funkce plynotvorná při hoření oblouku vznikají z obalu kouře a plyny, které vytvářejí druh ochranného plynu a brání přístupu vzdušného kyslíku a dusíku ke svarové lázni, což má za následek zvýšení plastických vlastností svarového kovu, např. celulosa. Funkce ionizační slouží v obalu pro usnadnění zapalování a hoření oblouku, např. soli alkalických kovů. Funkce metalurgická nutná k ochraně před vypálením (propalem) některých prvků při jejich průchodem elektrickým obloukem, zejména mangan, chrom, křemík apod. [1, 17] Volba svařovacího zdroje pro ruční svařování obalenou elektrodou Podle potřeby svařování je vyžadován stejnosměrný nebo střídavý svařovací proud. Pro ruční svařování je nutno použít zdroj svařovacího proudu se statickou charakteristikou s klesající tendencí. To znamená, že napětí naprázdno U 0 je nejvyšším napětím a s přibývajícím proudem toto napětí klesá. Průsečík statické charakteristiky s vodorovnou osou I k udává zkratový proud, to je nejvyšší proud svařovacího zdroje. [1] Technologie svařování Svařovací proud může svářeč nastavit podle údajů výrobce elektrod. Nemá-li k dispozici tyto údaje o velikosti svařovacího proudu, může použít následujících empirických údajů [14]: pro elektrody s kyselým a rutilovým obalem I 40až 55 d pro elektrody s bazickým obalem I 35až 50 d d průměr jádra elektrody [mm] [A] (7) [A] (8) Napětí na elektrickém oblouku nemusí svářeč nastavovat, jeho hodnota je dána strmou statickou charakteristikou elektrického oblouku. Délka elektrického oblouku má být přibližně rovna průměru jádra elektrody. Při vedení elektrického oblouku a elektrody je třeba postupovat tak, že elektroda je mírně skloněna proti svarové housence, aby roztavená struska nepředbíhala elektrický oblouk a nezpůsobovala struskové vměstky ve svarovém kovu. [14] 18

17 2.2.2 Automatizované obloukové svařování pod tavidlem Jedná se o svařování elektrickým obloukem holou elektrodou neomezené délky pod ochrannou vrstvou tavidla. Rozlišujeme poloautomatické nebo automatické svařování pod tavidlem. [1] SVAŘOVACÍ DRÁT SVAŘOVACÍ HLAVA PROUDOVÝ KABEL KONTAKTNÍ TRYSKA TAVIDLOVÁ HUBICE ZÁKLADNÍ MATERIÁL TAVIDLO SVAR ROZTAVENÝ KOV ZBYLÉ TAVIDLO STRUSKA POVRCH SVARU ZEMNÍCÍ KABEL Obr. 5 Schematické znázornění svařování elektrickým obloukem pod tavidlem [14] Vlivem rozměrné tavné lázně jsou difúzní pochody mezi natavenou struskou a svarovou lázní velmi intenzivní, což vede ke vzniku čistého svarového kovu s dobrými mechanickými vlastnostmi. Na probíhající metalurgické reakce má vliv i vysoká teplota tavné lázně 1800 C a teplota kapek kovu odtavující se elektrody kolem 2300 C. [14] Zařízení pro svařování elektrickým obloukem pod tavidlem Každé zařízení pro svařování pod tavidlem se skládá za tří základních částí: 1. Vlastní svařovací zařízení 2. Řídicí skříň 3. Zdroj svařovacího proudu Zařízení pro svařování pod tavidlem musí splňovat základní podmínky pohybu přídavného materiálu (svařovacího drátu). Jedná se o pohyb drátu směrem do místa svaru rychlostí rovnající se rychlosti odtavování (v d ) a druhý je pohyb drátu ve směru svařování (v s ). [1] Při automatickém svařování je podávání svařovacího drátu (elektrody) i pohyb svařovacího zařízení mechanizovaný. Tyto stroje označujeme jako svařovací automaty. Při poloautomatickém svařování je mechanizovaný pouze pohyb svařovacího drátu. Vedle svařovacích automatů a poloautomatů se používají také svařovací hlavy. 19

18 Svařovací hlavy mají pohyb svařovacího drátu do místa svaru mechanizovaný, ale nemají mechanizovaný pohyb ve směru svařování. Svařovací zařízení pro svařování pod tavidlem proto rozdělujeme na: svařovací automaty, svařovací hlavy, speciální svařovací zařízení. [1] Obr. 6 Svařovací automat (svařovací traktor) firmy ESAB Vamberk [5] Pro svařování elektrickým obloukem pod tavidlem lze používat střídavého i stejnosměrného proudu. Pouze zřídka se využívají zdroje pro ruční svařování, u nichž lze využít možnosti změny statické charakteristiky. Jako zdroje svařovacího proudu je možné využít rotační svářečky, usměrňovače nebo transformátory. [1] Přídavné materiály pro svařování Jako přídavných materiálů se používá drátů, plněných elektrod, pásek a vhodného druhu tavidla. Kombinace jsou voleny tak, abychom dosáhli optimálního složení svarového kovu, které se bude co nejvíce blížit složení základního materiálu. [13] Elektrody Plné dráty dle ČSN EN 756 pro nelegované a jemnozrnné oceli, nejčastější průměry jsou od 2 mm do 5 mm, použití pro spojovací svary ocelových konstrukcí. Plněné dráty dle ČSN EN pro korozivzdorné návary. Páskové elektrody dle ČSN EN pro korozivzdorné návary, rozměr elektrody je (0,5 60) mm. Plněné pásky pro tvrdé návary, rozměr pásků: (2 až 3 40) mm. [14] 20

19 Tavidla Tavidlo je zrnitá, krystalická hmota, která prakticky nahrazuje funkci obalu u obalené elektrody. Zajišťuje dezoxidaci, rafinaci, stabilitu hoření a metalurgické procesy. V některých případech může také doplňovat legující prvky. [13] Výhody a nevýhody svařování pod tavidlem Vysoká produktivita svařování oproti svařování obalenou elektrodou, velký průvar do základního materiálu, široká tepelně ovlivněná oblast, zvýšená kvalita svarů. Mezi nevýhody lze zařadit: zvýšené nároky na přípravu svarových ploch a jejich čistotu, zakrytý svařovací proces a obtížnost jeho kontroly, možnost svařování pouze v polohách PA nebo PB podle ČSN EN ISO [1] Oblasti použití svařování elektrickým obloukem pod tavidlem Svařování pod tavidlem se využívá od tloušťky materiálu 3 mm. Ekonomicky výhodné je především u tloušťek nad 50 mm, kdy se svařuje do tzv. úzkého úkosu s úhlem rozevření 0 až 8. Jedná se o svařování tlustostěnných tlakových nádob, rotorů turbín nebo chemických zařízení. Technologie je používána také při výrobě lodních, mostních, stavebních a jeřábových konstrukcí. Navařování vysokolegovaných ocelí v chemickém průmyslu je realizováno páskovou elektrodou. [14] Obloukové svařování v ochranném plynu MIG/MAG Svařování metodou MIG/MAG je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu. Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači, vlastním hořáku nebo kombinací obou systémů z cívky o běžné hmotnosti 15 kg. Ochranná atmosféra se volí podle druhu svařovaného materiálu. [14] 21

20 Podle složení ochranného plynu pak tuto metodu dělíme na: MIG (Metal Inert Gas) ochranný plyn inertní, který chemicky nereaguje s roztavenou lázní (Ar, He), MAG (Metal Active Gas) ochranný plyn aktivní, který chemicky reaguje s roztavenou lázní (O 2, CO 2 apod.). [14] Obr. 7 Princip svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu metoda MIG/MAG [14] Popis obrázku 7: 1 svařovaný materiál, 2 elektrický oblouk, 3 svar, 4 plynová hubice, 5 ochranný plyn, 6 kontaktní průvlak, 7 přídavný drát, 8 podávací kladky, 9 zdroj proudu. [14] Zařízení pro svařování metodou MIG/MAG Základní nutné vybavení pro svařování zahrnuje tyto jednotlivé komponenty: zdroj svařovacího proudu s řídicí jednotkou, podavač drátové elektrody, svařovací hořák, multifunkční kabel hořáku s rychlospojkou, uzemňovací kabel se svorkou, zásobník ochranného plynu s redukčním ventilem. [1] 22

21 Zdroje svařovacího proudu Pro svařování se používá zdrojů se stejnosměrným výstupem proudu, kde je kladný pól zdroje připojen na drátovou elektrodu. Používají se usměrňovače a v dnešní době převážně invertory různých výkonových vlastností. Zdroje pro svařování mají plochou statickou charakteristiku s tzv. konstantním napětím se samoregulační schopností udržování konstantní délky oblouku. Tato regulace je založena na výrazné změně proudu při relativně malé změně délky oblouku, a tím i napětí na oblouku. [14] Obr. 8 Moderní zdroj pro svařování MIG/MAG [8] Podavače drátu K hladkému průběhu svařovacího procesu patří především plynulý posuv drátu s konstantní rychlostí. Tato funkce je zajištěna podávacím mechanismem s pohonem drátu jednokladkovým, dvoukladkovým, čtyřkladkovým nebo s mimoběžnými osami. Pro pohon posuvu se používají stejnosměrné derivační motory, motory s permanentními magnety nebo vysoce kvalitní motory s diskovým rotorem. [1, 17] Svařovací hořáky Zajišťují přívod drátu do místa svařování, jeho napájení elektrickým proudem a laminární proudění ochranného plynu kolem přídavného drátu. Hořáky se rozdělují na strojní s válcovou upínací částí, a ruční s rukojetí pro vedení hořáku svářečem. [1] Ochranné plyny Úkolem ochranných plynů je zamezit přístupu vzduchu do oblasti svařování. Především je nutné chránit elektrodu, oblouk i tavnou lázeň, její okolí a kořen svaru před účinky vzdušného kyslíku, který způsobuje oxidaci, naplynění, pórovitost a propal prvků. [1] 23

22 Jednosložkové ochranné plyny Směsné ochranné plyny Tab. 1 Rozdělení ochranných plynů podle složení [17] Inertní ochranné plyny (MIG) Aktivní ochranné plyny (MAG) Argon (Ar) Oxid uhličitý (CO 2 ) Argon + Helium (He) Argon + oxid uhličitý Argon + kyslík (O 2 ) Argon + oxid uhličitý + kyslík Vhodné materiály Svařování neželezných kovů Svařování ocelí Přídavné materiály Pro metody obloukového svařování MIG/MAG se používají přídavné materiály ve formě plného drátu nebo plněného drátu (trubičkové elektrody) vhodného chemického složení a operativních svařovacích vlastností. Drátové elektrody plného kruhového průřezu pro svařování ocelí se vyrábí v průměrech 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6 mm, nejpoužívanější jsou od 0,8 mm do 1,6 mm. Podle použití se trubičkové elektrody dělí na elektrody pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí (s kovovou, rutilovou nebo bazickou náplní), a na elektrody pro svařování vysokolegovaných ocelí (s rutilovou náplní). Vyrábí se v průměrech 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,4 mm. Dodávají se na drátěných cívkách, na plastových cívkách nebo ve svitcích. [14] Výhody MIG/MAG svařování Svařování ve všech svařovacích polohách, vysoká svařovací rychlost, široký proudový rozsah pro jeden průměr drátu, vysoká efektivita, úspora nedopalků tzv. nekonečným drátem, oblouk i svarová lázeň je jasně viditelná, nižší vnesené teplo do svařovaného materiálu při zkratovém přenosu, aplikace metody u robotizovaných a mechanizovaných systémů svařování. [1] Oblasti použití Při ručním vedení hořáku směrem vzad krycí vrstvy tupých svarů, větší tloušťky materiálu. Při ručním vedení hořáku směrem vpřed svařování tenkých plechů, svařování kořenů svarů, běžné svářečské práce. [1] 24

23 2.2.4 Obloukové svařování v ochranném plynu WIG (TIG) Princip metody WIG (Wolfram Inert Gas) spočívá ve vzniku a hoření elektrického oblouku mezi netavící se wolframovou elektrodou a základním materiálem, přičemž je svarová lázeň, elektroda a nejbližší okolí svaru chráněno inertním plynem před účinky okolní atmosféry. Netavící elektroda je čistě wolframová nebo s aktivující přísadou a jako ochranný inertní (netečný) plyn se používá argon, helium nebo jejich směsi. [2] Obr. 9 Princip svařování netavící se elektrodou v inertním plynu metoda WIG [14] Popis obrázku 9: 1 svařovaný materiál, 6 ochranný plyn, 2 elektrický oblouk, 7 kontaktní kleštiny, 3 svar, 8 wolframová elektroda, 4 přídavný materiál, 9 zdroj proudu. [14] 5 plynová hubice, Svařovací proud Při svařování se používá stejnosměrný proud konstantní velikosti, pulzující svařovací proud s přímou nebo nepřímou polaritou a střídavý proud. Stejnosměrný proud s přímou polaritou se používá nejčastěji, neboť zajišťuje stabilní oblouk a dobré vlastnosti svarových spojů. Stejnosměrný proud s nepřímou polaritou je využíván jen ojediněle. Při svařování kovů, které vytvářejí na povrchu vrstvu vysokotavitelných oxidů, např. u hliníku, hořčíku a jejich slitin, se používá střídavý proud. [2] Elektrický oblouk je možné zapalovat dvojím způsobem [14]: dotykově dotykem wolframové elektrody s povrchem svařovaného materiálu, bezdotykově při vysokém napětí s vysokou frekvencí dojde k ionizaci plynu a k nastartování a zapálení oblouku. 25

24 Tab. 2 Volba druhu svařovacího proudu v závislosti na druhu materiálu [2] Základní materiál Legované a nelegované oceli, měď a slitiny mědi, nikl a jeho slitiny, titan a jeho slitiny, zirkon, tantal a wolfram Hliník a slitiny hliníku Druh proudu, polarita = ( ) * ~ = ( ) * s heliem Magnesium a slitiny magnesia ~ * údaj = ( ) znamená u stejnosměrného proudu připojení hořáku na minusový pól Svařovací hořáky Svařovací hořáky jsou nejzatíženější částí svařovacích zařízení. Zajišťují přívod elektrického proudu k elektrodě, přívod a usměrnění ochranného plynu, fixování polohy wolframové elektrody, přívod a odvod chladící vody. Rozdělujeme je na chlazené procházejícím plynem (do 150 A) a na vodou chlazené hořáky (do 350 A až 500 A) pro ruční, ale především strojní svařování. Hořáky mají vyměnitelné kleštiny, které zajišťují pevné upnutí a proudové napájení wolframových elektrod. Další tepelně zatíženou částí je plynová tryska. Keramické trysky se používají pro ruční hořáky chlazené procházejícím plynem. Kovové, nejčastěji měděné a pochromované, jsou vhodné pro strojní hořáky chlazené vodou. [14] Netavící se elektrody Netavící se elektrody jsou tyčky kruhového průřezu vyrobené z čistého wolframu nebo z wolframu, který je obohacený oxidy thoria (Th), lanthanu (La), ceru (Ce), zirkonu (Zr), nebo ytria (Y). Wolfram je vhodný z důvodu jeho vysoké teploty tavení 3400 C a velké emisní schopnosti. [2] Volba typu elektrody závisí na druhu použitého proudu, oblasti použití a na požadované kvalitě svarového spoje. Elektrody se dodávají v následujících průměrech: 0,5; 1,0; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 3,2; 4,0; 4,8; 5,0; 6,0; 6,4; 8,0 a 10 mm. Vyráběné délky elektrod jsou: 50; 75; 150 a 175 mm. Konce elektrod se brousí, ve zvláštních případech leptají. Wolframová elektroda musí být na jednom konci označena barevným páskem odpovídajícího barevného odstínu. [14] Ochranné plyny Ochranné plyny zabezpečují při svařování metodou WIG ochranu wolframové elektrody, tavné lázně a přilehlého základního materiálu před účinky okolní atmosféry. 26

25 Pro svařování vysokolegovaných ocelí se dnes používají inertní ochranné plyny, jako je argon (Ar), helium (He) nebo jejich směsi (argon a helium, argon a vodík, atd.). Argon obsahuje nečistoty jako dusík, kyslík, vodík a vlhkost, což má nepříznivý vliv na kvalitu svarového spoje. Pro svařování metodou WIG se používá ve vysoké čistotě, a to v rozmezí od 99,7 % do 99,999 %. [2] Přídavné materiály Přídavné materiály se rozdělují na svařovací tyčky (pro ruční svařování), a svařovací dráty (pro strojní metody). Svařovací tyčky jsou kruhového průřezu o průměrech 1 mm až 8 mm a délce od 600 mm do 1000 mm. Používají se tyčky plného průřezu nebo plněné legujícími případně karbidickými přísadami pro navařování. Svařovací dráty pro mechanizované metody svařovaní jsou dráty přesného kruhového průřezu navinuté na cívkách. Dodávají se od průměru 0,6 mm až 2,4 mm, pro navařování do 5 mm. Dráty z mědi, hliníku a jejich slitin musí mít střední stupeň tvrdosti po deformačním zpevnění. [14] Výhody svařování WIG oproti jiným metodám tavného svařování Inertní plyn zabraňuje propalu prvků a tím i vzniku strusky čistý povrch svaru. Vytváří velmi příznivé formování svarové housenky na povrchu i kořenu svaru. Svary mají malou tepelně ovlivněnou oblast a minimální deformace. Zabezpečuje svary vysoké celistvosti i na materiálech náchylných na naplynění a oxidaci při zvýšených teplotách. [15] Oblasti využití svařování metodou WIG Svařované konstrukce z vysokolegovaných ocelí pro chemický, farmaceutický a potravinářský průmysl, pro klasickou i jadernou energetiku. Žáruvzdorné a žáropevné oceli pro stavbu kotlů, tepelných výměníků a pecí. Titanové a různé speciální slitiny v oblasti výroby letadel a kosmické techniky. Svařování hliníkových slitin v dopravní technice a všeobecném strojírenství. [14] 27

26 3 METODY TLAKOVÉHO SVAŘOVÁNÍ KOVŮ U všech způsobů tlakového svařování vzniká spoj v důsledku silového působení při přiblížení kontaktních ploch na vzdálenost působení meziatomových sil, to znamená téměř na parametr atomové mřížky. Ke spojení dochází v tuhém nebo plastickém stavu bez vnějšího přívodu tepelné energie (kromě difuzního a indukčního svařování). [1] 3.1 Svařování elektrickým odporem Teplo potřebné k natavení materiálu na svařovací teplotu (tzv. odporové teplo) vzniká průchodem proudu vysoké intenzity (až A) a nízkého napětí (5 V až 15 V) stykovými plochami spojovaných částí. Stlačení a následné svaření je provedeno tlakem elektrod přivádějících do místa spoje svařovací proud. Celkové množství tepla je dáno Joule-Lenzovým zákonem: Q R I 2 t [J] (9) Q množství vzniklého tepla [J] R celkový odpor svarového spoje [Ω] I svařovací proud [A] t doba průchodu svařovacího proudu [s] [19] Obr. 10 Princip svařování elektrickým odporem [12] Popis obrázku 10: 1 svařovací elektrody, 2 přítlačná ramena, 3 svařovaný materiál, 4 místo vytvoření svaru, 5 transformátor, 6 spínač zdroje. [12] 28

27 Celkový odpor svarového spoje je dán součtem přechodových odporů a odporů svařovaných materiálů. V místě, kde je největší přechodový odpor (v místě styku materiálů), se vyvine největší množství tepla. Natavením materiálu a působením tlaku vznikne svarový spoj. [19] Zdroje svařovacího proudu Nejčastěji používaným zdrojem proudu u odporových svařovacích strojů je jednofázový transformátor. Většinou je zapojen mezi dvě fáze sítě, tedy na 400 V. Jelikož jedna fáze zůstává nezatížena, dochází k nepříjemnému nesymetrickému zatížení sítě zvláště, jde-li o svářečku s velkým příkonem. Tento problém řeší svařovací stroje s třífázovým napájením, a to buď s usměrněním proudu, nebo bez usměrnění. Sekundární vinutí odporových svářeček tvoří zpravidla jeden závit. U svářeček vyšších výkonů je vodič dutý a intenzivně chlazený protékající vodou. Vodou jsou chlazena i ramena (bodové, švové svařování) a rovněž elektrody a upínací čelisti. [2] Způsoby odporového svařování Podle konstrukčního uspořádání elektrod a podle tvaru spojovaných dílů se rozlišují tyto způsoby odporového svařování: svařování bodové, svařování švové vysokofrekvenční odporové, svařování na lisu výstupkové (bradavkové), svařování stykové (natupo) pěchovací nebo odtavením. [2] a) b) c) d) Obr. 11 Hlavní druhy odporového svařování [6] 29

28 Při odporovém svařování bodovém (obr. 11a) se svařované díly navzájem přeplátují a stlačí tyčovými elektrodami, které jsou připojeny na svařovací transformátor. Průchodem proudu se stlačené plochy v místě styku roztaví v důsledku vzniklého vysokého přechodového odporu. Přitlačování se provádí mechanicky, pneumaticky nebo hydraulicky. Švové svařování (obr. 11b) je obdobou svařování bodového. Tyčové elektrody jsou nahrazeny dvěma otáčejícími se kotouči. [13] O svařování bradavkové se jedná v případě, kdy se u plechu předem vytvoří vylisováním na jedné straně povrchu bradavky. Vytvoří-li se před svařováním různé výstupky, např. soustružením nebo frézováním u profilových předmětů, hovoří se o výstupkovém svařování (obr. 11c). Stlačení obou svařovaných plechů se provádí mezi čelistmi svařovacího lisu, což jsou ploché deskové elektrody ze slitin mědi. Při stykovém svařování pěchovacím se dva svařované díly upnou do proudových čelistí a vystupujícími čely se k sobě přitlačí určitou silou. Poté dojde k sepnutí svařovacího proudu a v místě styku k následnému ohřátí. Při svařování stykovém odtavením (obr. 11d) se konce materiálů střídavě přivádějí do elektrického styku. Proces se opakuje, až se na čelech svařovaných dílů vytvoří vrstva roztaveného kovu. Následuje prudké stlačení a s malým zpožděním vypnutí proudu. [13] Oblasti využití odporového svařování Nejvýznamnější aplikací je nasazení odporového svařování v automobilovém průmyslu při svařování karoserií. Další využití je v oblasti vzduchotechniky, krytování strojních zařízení a výroby kovového nábytku. Pro svařování plechových radiátorů a nádrží se využívá těsnicí švové svařování. Svařování na lisech se používá pro výrobu strojních součástí, sít, pletiva, mříží. Z domácností je významná aplikace pro kuchyňské a koupelnové vybavení. [14] 3.2 Třecí svařování Základní princip svařování třením je založen na vzájemném pohybu dvou součástí při působení přítlačné síly. Nejčastěji se svařují rotační součásti, kdy jeden vystředěný díl svařované součásti rotuje a druhý stojí nebo vykonává opačný pohyb. Kvalitu spoje výrazně ovlivňují metalurgické podmínky na stykové ploše, pěchovací tlak a velikost napěchování. [1] 30

29 Dnes jsou známy dva způsoby svařování třením: s přímým pohonem konvenční, a s akumulovanou energií setrvačníkové. [1] Materiál Tab. 3 Základní parametry třecího svařování [13] Třecí tlak [MPa] Pěchovací tlak [MPa] Doba tření [s] Otáčky [min -1 ] Lehké kovy , Nelegovaná ocel Vysokolegovaná ocel Na jeden z dílů působí přítlačná síla, která dává vzniknout třecím silám. Vysokým měrným tlakem se oba povrchy nejprve zarovnávají, deformují a posléze nastane hluboké vytrhávání povrchu při vzniku a zániku mikrobarů, silný ohřev a výrazná délková deformace. Současně dochází k tvorbě charakteristického výronku. [14] Fáze vzniku svaru při třecím svařování 1. Začátek svařování jedna součást je pevně upnuta a druhá rotuje (obr. 12a). 2. Počáteční dotyk svarových ploch při zatížení axiální silou (obr. 12b). 3. Dosažení svařovacího tlaku (obr. 12c). 4. Výrazný nárůst tepla na kontaktních plochách (obr. 12d), teplota kontaktní plochy dosahuje až 75 % teploty tavení (obr. 12e). 5. Zastavení rotace se zvýšením měrného tlaku na kovací teplotu (obr. 12f). [14] a) b) c) d) e) f) Obr. 12 Jednotlivé fáze vzniku svaru [14] Konvenční způsob třecího svařování Rotace svařované součásti je zajištěna přímým pohonem od motoru přes převodovku a spojku. Hlavním znakem jsou konstantní otáčky po celou dobu ohřívacího cyklu a dvě úrovně měrného tlaku. Rozsah otáček je v rozmezí 500 min -1 až 5000 min -1. [1] 31

30 3.2.2 Setrvačníkové (inerční) třecí svařování Na rozdíl od konvenčního svařování se otáčky snižují z maxima na nulu. Kinetická energie akumulovaná v setrvačníku je zde přeměněna na teplo při téměř konstantním měrném tlaku 40 MPa až 280 MPa. Otáčky se pohybují od 500 min -1 do min -1.[1] Využití třecího svařování Aplikací třecího svařování je mnoho, např. v automobilovém průmyslu pastorky, kardanové hřídele, ventily spalovacích motorů, hnací hřídele, vačkové hřídele atd. [1] 3.3 Difuzní svařování Při tomto způsobu svařování vzniká vlastní spojení kovů za působení teploty a odpovídajícího měrného tlaku na kontaktních plochách. Spoj je tvořen přiblížením kontaktních ploch v důsledku lokální plastické deformace, která zaručuje vzájemnou difuzi v povrchových vrstvách spojovaných materiálů. Proces difuzního svařování je možné rozdělit na tři stadia [14]: Počáteční kontakt povrchu, kde nastává deformace povrchových nerovností. Druhé stadium je charakterizováno přemísťováním vakancí a dislokací při počátku vzájemné difuze atomu. Ve třetím stadiu dochází k intenzivním difuzním pochodům, kdy v příhodných kombinacích dochází k vymizení původního rozhraní mezi spojovanými povrchy ve snaze o vyrovnání energií rovnovážné struktury. Při difuzních jevech jde o objemovou difuzi, difuzi po hranicích zrn a v menší míře o povrchovou difuzi. Hlavními parametry difuzního svařování jsou teplota, tlak a čas. Teplota svařování závisí na tavicí teplotě svařovaných materiálů. Vhodný tlak je 10 MPa až 20 MPa pro svařování oceli, svařovací čas se pohybuje v rozmezí od 3 minut do 60 minut. [14] 32

31 Obr. 13 Stadia vytváření difuzního spoje [14] Popis obrázku 13: a) počáteční kontakt migrace atomů a tvorba můstků b) plastické zarovnání mikronerovností c) intenzivní difuze a mikrodeformace d) dokonalý difuzní spoj [14] Uplatnění difuzního svařování Difuzní svařování se používá hlavně pro spojování obtížně svařitelných materiálů pro vysokotavitelné kovy, materiály s vysokou tvrdostí a kovy s vysokou afinitou ke kyslíku. Difuzní svařování je také jediná metoda, která umožňuje svařovat i kovy s keramikou, grafitem nebo sklem. [1] 3.4 Svařování tlakem za studena Principem svařování je přiblížení povrchů svařovaných materiálů na vzdálenost řádově parametrů mřížky, kdy dochází ke vzájemnému působení mezi jednotlivými atomy kovu za vzniku pevné vazby. K dosažení požadovaného přiblížení je nutná výrazná plastická deformace, která musí být minimálně 60 %. Tlakovým způsobem lze svařovat různorodé materiály tavně nesvařitelné. [1] Příprava svarových ploch Svarové plochy musí být dokonale očištěné, zarovnané stříháním nebo jiným opracováním, odmaštěné, případně kartáčované na rotujících kartáčích. 33

32 Provedení spojů může být různé: tupé svařování pro spojování kruhových profilů; svařování přeplátovaných spojů, které může být bodové nebo švové a může být realizováno do tloušťky až 6 mm. [1] Svařovací tlak Svařovací tlak závisí na druhu materiálu, jeho stavu, typu svarového spoje, tvaru a velikosti profilu. Běžně se svařovací tlaky pohybují mezi 500 MPa až 4 GPa. Doporučované hodnoty měrného tlaku pro různé materiály: hliník + hliník do 1000 MPa hliník + měď do 2500 MPa měď + měď do 3500 MPa Svařování probíhá za pomoci hydraulických lisů v přípravcích nebo speciálních svařovacích strojích pomocí upínacích čelistí na jeden nebo více pěchovacích zdvihů. [1] Výhody, aplikace a využití svařování tlakem za studena Nenastává tepelné ovlivnění materiálu a vznik taveniny. Spojovat lze i velmi rozdílné kovy, které nejsou vzájemně rozpustné. Nevznikají exhalace, tepelné, viditelné a ultrafialové záření. Typickým příkladem je svařování hliníkových a měděných vodičů, měděných trolejí až do průřezu 150 mm 2, spojování mědi a hliníku při výrobě tlumivek, v obalové technice balení léčiv, potravin, radioaktivních, chemických a výbušných látek. [1] 3.5 Ultrazvukové svařování Svařování využívá mechanického kmitání o vysoké frekvenci ultrazvuku pro vytvoření spoje. Zdroj kmitání tvoří ultrazvukový měnič, jehož vinutí je napájeno elektronickým vysokofrekvenčním generátorem proudu o frekvenci 4 khz až 100 khz. Vlastní kmitač se skládá z magnetostrikčního měniče nebo piezoelektrického měniče, na který je připojen trychtýřovitý vlnovod zesilující amplitudu kmitání. Vlnovod je ukončen tzv. sonotrodou, což je svařovací hrot, který přenáší kmitání na svařovaný materiál. Sonotrody jsou zároveň přitlačovány silou, a tím vznikne spoj. [14] Při svařování se vlivem přenášené energie zvyšuje na kontaktních plochách teplota. 34

33 3.5.1 Hlavní parametry svařování Parametry při ultrazvukovém svařování jsou především: 1. amplituda výchylky svařovacího hrotu (sonotrody) [mm], 2. přítlačná síla [N], 3. frekvence ultrazvukových kmitů [Hz], 4. svařovací čas [s]. [13] Svařitelnost materiálů Svařitelnost je velmi široká a kromě stejných kovů lze spojovat i celou řadu různorodých materiálů. Hliník a jeho slitiny jsou svařitelné téměř se všemi kovy, měď, molybden, železo a stříbro mají také velmi rozsáhlou svařitelnost. S růstem tloušťky materiálu roste i útlum mechanického vlnění a maximální tloušťky materiálů dosahují: hliník 3,17 mm, měď 2 mm, ostatní materiály (Ni, Mo, Fe, Co, Ta atd.) 0,5 mm až 0,7 mm, folie zlata, stříbra a platiny do mm. [14] Využití v technické praxi Ultrazvukové svařování nachází uplatnění v elektronickém a elektrotechnickém průmyslu, ve vakuové technice a ve výrobě jemných přístrojů. Příkladem dílů svařených ultrazvukem jsou například části kondenzátorů, přídavné drátky k polovodičům, pouzdra tranzistorů. Tato metoda se využívá i při výrobě zařízení z termoplastů. [14] 3.6 Výbuchové svařování Spojení materiálů se vytvoří působením tlaku vzniklého při detonaci vhodné výbušniny. Používá se trhavin s krátkou reakční dobou 10-3 s až 10-6 s a s výkonem až 10 8 kw kg -1. Těmto podmínkám nejlépe vyhovuje trhavina s relativně pomalou detonační rychlostí (2500 m s -1 ) typu SEMTEX, která je rovnoměrně rozmístěna na svařovaném plechu. Při svařování dochází ke srázu desek, kdy rázová vlna dosahuje silového impulsu až 100 GPa mnohonásobně převyšující pevnost materiálu. Při této plastické deformaci se kov chová jako ideální kapalina. [4] 35