STUDIJNÍ MATERIÁLY. Svařovací materiály

Transkript

1 STUDIJNÍ MATERIÁLY Svařovací materiály Autor: Ing. Marie Rytířová Seminář je realizován v rámci projektu Správná praxe ve strojírenské výrobě, registrační číslo CZ.1.07/3.2.05/

2 Vzdělávací modul: Svářeč ve strojírenské výrobě Školení: Svařovací materiály 2/62

3 Obsah: 1. ÚVOD ZÁKLADY METALOGRAFIE VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ ROVNOVÁŽNÉ STAVY SYSTÉMŮ OHŘEV A OCHLAZOVÁNÍ ČISTÉHO KOVU SLITINY KOVŮ ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY SLITIN ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY TECHNICKÉHO ŽELEZA METASTABILNÍ SOUSTAVA ŽELEZO CEMENTIT ZÁKLADY ŽÍHÁNÍ VLIV NĚKTERÝCH PRVKŮ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI UHLÍKOVÝCH OCELÍ UHLÍKOVÝ EKVIVALENT PŘEHLED VHODNÝCH MATERIÁLŮ PRO SVAŘOVÁNÍ JEMNOZRNNÉ OCELI VÝBĚR OCELÍ PRO SVAŘOVANÉ KONSTRUKCE ZUŠLECHTĚNÉ JEMNOZRNNÉ OCELI SVAŘITELNOST JEMNOZRNNÝCH OCELÍ ŽÁRUPEVNÉ OCELI ŽÁRUVZDORNÉ OCELI KOROZIVZDORNÉ OCELI SVAŘITELNOST KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN SVAŘOVÁNÍ MĚDI A JEJÍCH SLITIN SOUČASNÉ TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ SVAŘOVÁNÍ METODOU TIG SVAŘOVÁNÍ V OCHRANNÉM PROUDU PLYNU MIG, MAG SVAŘOVÁNÍ POD TAVIDLEM /62

4 10.4 TŘECÍ SVAŘOVÁNÍ PROMÍŠENÍM ( FSW) LASEROVÉ SVAŘOVÁNÍ SVAŘOVÁNÍ PLAZMOU POMOCNÁ ZAŘÍZENÍ PRO SVAŘOVÁNÍ...40 PŘÍLOHA 1. VYBRANÉ OCELI - VLASTNOSTI A POUŽITÍ /62

5 1. ÚVOD Svařování je dlouhodobě jedna z nejvýznamnějších strojírenských technologií. Má rozhodující vliv na jakost řady výrobků a na výrobní náklady, proto má klíčové postavení mezi výrobními technologiemi. Patří také mezi technologie zpracovávající největší objem kovových materiálů (cca 25%). Svařování má mezi ostatními výrobními technologiemi výjimečné postavení i proto, že žádná jiná technologie nemá tak zásadní vliv na vlastnosti materiálu. Velký význam svařování tkví právě i v tom, že pro strojírenskou výrobu nejsou nutná investičně velmi náročná výrobní zařízení velkých rozměrů, která jsou potřeba pro ostatní klasické výrobní technologie, jako jsou např. odlévání a tváření. Svařování představuje průřezový obor, jeho postupy se používají prakticky ve všech oblastech průmyslu a služeb a je to obor v podstatě absolutně zcela nenahraditelný. Svařování se vyvinulo ve vysoce produktivní technologii s neustále stoupajícím významem. Zavedením svařování do výrobního procesu se značně zvyšuje produktivita práce, snižuje se hmotnost strojů a zařízení, snižují se nároky na pracovní síly. Svařováním lze spojovat nejen velké tloušťky materiálů, ale spojují se i mikroskopické díly v elektrotechnice. Svařování zásadně změnilo většinu průmyslové výroby a některá odvětví (např. využití atomové energie nebo výrobu dopravních prostředků) si nelze bez něj už ani představit. Praktické příklady použití nových řešení při svařování materiálů představuje svařování vysoce pevných plechů ve výrobě automobilů, svařování oceli s hliníkem, svařování tlakového potrubí z vysoce pevných ocelí, použití třecích svařovacích procesů pro velké průřezy, FSW (třecí svařování promíšením) oceli, hliníku a ocelí odolných proti tečení s 9-12 % Cr pro energetická zařízení. Svařování také ovlivňuje bezpečnost, provozní spolehlivost a životnost mnoha konstrukcí, zařízení a spotřebních výrobků. Kvalita svarových spojů však nezávisí jen na volbě materiálu a na konstrukci, ale zejména na podmínkách, za kterých se tvorba svaru uskutečňuje, také na zkušenostech, schopnostech a morální odpovědnosti svářečů. Rostoucí požadavky na výkon při svařování a na kvalitu svarových spojů budou ve velmi krátké době narážet na nedostatek kvalifikovaných svářečů. Je to problém hlavně vyspělých zemí. Např. studie Americké svářečské společnosti (AWS) uvádí, že po roce 2014 v souvislosti s odchodem silných poválečných ročníků bude jen ve Spojených státech chybět asi svářečů. Se stejným problémem se potýká většina zemí EU Tradiční technologie svařování elektrickým obloukem a odporem budou i nadále hlavními technologiemi svařování pro zajištění masové průmyslové výroby. Z hlediska objemu se očekává další snížení technologie MMA (ruční svařování el. obloukem obalenou elektrodou) na úkor technologií využívajících plynové ochrany MIG, MAG, TIG. Technologie SAW (svařování pod tavidlem) bude stagnovat a stejně tak i odporové svařování. Stále větší objem budou zaujímat nové technologie. Předpokládá se, že u technologie SAW budou plné dráty postupně nahrazovány plněnými elektrodami, pro navařování se budou používat výhradně páskové elektrody a vzroste i význam elektrostruskového navařování. Rovněž poroste podíl technologie FSW (friction stir welding třecí svařování promíšením). Mezi nové technologie svařování a tepelného dělení materiálů řadí IIW (mezinárodní svářečský institut) zejména FSW, magnetické pulzní svařování, laserové svařování, hybridní svařování, A-TIG svařování a novou metodu tepelného dělení LASOX (Laser assisted oxygen cutting). Mimořádný důraz bude kladen na automatizaci svařování a automatizaci kontroly svařování. Přitom se předpokládá, že automatizace svařování bude usnadněna snížením tolerancí 5/62

6 jednotlivých dílů moderními technologiemi dělení materiálů a přípravy dílů, dále konstrukcí výrobků a dílů pomocí počítačové simulace i dokonalejšími metodami kontroly dílů. 2. ZÁKLADY METALOGRAFIE Metalografie je nauka o makrostruktuře kovů a jejich vlastnostech. Makrostruktura a vnější vlastnosti kovových materiálů jsou ovšem projevem jejich mikrostruktury. Proto je pro pochopení základů metalografie nutný úvod do vnitřní stavby kovů pro všechny způsoby zpracování kovů, ovlivňující materiál zvýšenou teplotou VNITŘNÍ STAVBA KOVŮ Pro kovy je charakteristická kovová chemická vazba s volně pohyblivými elektrony ve valenční sféře, tvořícími tzv. elektronový mrak. Tento druh vazby dává kovům jejich typické fyzikální, mechanické a technologické vlastnosti: velkou tepelnou a elektrickou vodivost, plasticitu a houževnatost. Atomy kovů jsou uspořádány v krystalové mřížce, složené z elementárních buněk. Nejčastěji se u kovů vyskytují buňky krychlové, čtverečné, kosočtverečné a šesterečné. Rozměry buněk jsou řádově 10-7 mm. Mřížky a buňky jsou znázorňovány geometrickými tvary složenými z úseček spojujících základní polohy atomů. Je třeba si uvědomit, že atomy jsou ve skutečnosti v pohybu a kolem své základní polohy kmitají. Velikost výkmitu ze základní polohy závisí na teplotě kovu. Přiváděním tepla se zvyšuje kinetická energie atomů, v okamžiku tavení se atomy ze své základní polohy zcela uvolňují. Skutečný tvar mřížky a buňky ovšem idealizovanému znázornění neodpovídá. Nepravidelnosti mřížek se nazývají mřížkovými poruchami. Mohou být bodové, kdy v některém místě atom chybí nebo naopak přebývá, nebo čárové (tzv. dislokace), kdy v mřížce chybí nebo přebývá část vrstvy atomů. Některé kovy, například železo, vykazují schopnost krystalizovat ve více tzv. alotropických modifikacích (podobách). Modifikace se navzájem odlišují rozdílnou krystalickou stavbou a z toho vyplývajícími rozdílnými fyzikálními vlastnostmi. Označují se indexy, ke kterým se užívá písmen řecké abecedy. Krychlovou prostorově středěnou, jinak kubickou stereocentrickou buňku mají například: Fe,, (železo s modifikací,, ), Cr (chrom), Li (lithium), K (draslík), Mo (molybden), Na (sodík), Ta (tantal), W (wolfram), V (vanad), Rb (rubidium), Cs (cesium), Ba (baryum), Nb (niob). Navenek se tyto kovy jeví jako málo plastické látky. Krychlovou plošně středěnou, jinak kubickou planicentrickou buňku mají například Fe (železo modifikace ), vápník Ca (vápník modifikace ), Sr (stroncium), Al (hliník), Rh (rhodium), Ir (iridium), Pd (palladium), Pt (platina), Cu (měď), Ag (stříbro), Au (zlato), Pb (olovo). Navenek se tyto kovy jeví jako velmi tvárné (plastické). 6/62

7 Šesterečnou buňku mají například Zn (zinek), Cd (kadmium), Mg (hořčík), Be (beryllium), Ti (titan), Zr (zirkonium), Co (kobalt), Ru (ruthenium) ROVNOVÁŽNÉ STAVY SYSTÉMŮ Pod termínem kov se může rozumět jak určitý kovový prvek, tak slitina několika kovových prvků nebo dokonce slitina některého kovu s nekovem. Slitiny mohou být složeny z různého počtu složek. V tomto smyslu se složkou rozumí chemicky čistá látka, prvek nebo sloučenina. V závislosti na teplotě se látky mohou vyskytovat v různém stavu pevném, kapalném nebo tuhém. V krystalickém stavu se látky mohou vyskytovat v různých modifikacích. Každý homogenní útvar, který je v heterogenní soustavě (systému) fyzikálně oddělen od jiných útvarů, se nazývá fází (komponentou). Fáze mohou být tvořeny jednou nebo více složkami. Kritériem pro posuzování rovnováhy systémů všeobecně (nejen kovů) je Gibbsův zákon fází. [ Josiah Willard Gibbs , byl americký fyzik.] Je-li soustava v rovnováze, musí platit: v n f 2 kde v udává počet stupňů volnosti. Stupněm volnosti se rozumí počet vnitřních proměnných, které je možno měnit při zachování počtu fází. Vnitřními proměnnými soustavy jsou teplota, tlak a u soustav s větším počtem složek složení (koncentrace) OHŘEV A OCHLAZOVÁNÍ ČISTÉHO KOVU Přiváděním tepla se zvyšuje vnitřní energie kovu. Teplo se mění na kinetickou energii jeho částic. Pohyb atomů kolem jejich základních poloh se teplota urychluje, výkmit se zvětšuje. Při dosažení určité teploty dochází k přerušení vnitřních vazeb mezi částicemi prodlev prodleva uvnitř materiálu, jednotlivé atomy se uvolňují a pohybují a se volně ve vymezeném prostoru. Navenek kov ztrácí pevný tvar, dochází k jeho tavení. Během změny skupenství, jak je známo z fyziky, se po určitou dobu ohřev chladnutí přes stálý přívod tepla teplota nezvyšuje. Přivedená teplo nebo čas tepelná energie se mění na kinetickou energii částic, hovoří se o tzv. latentním (skrytém) teple. V okamžiku, kdy se poslední pevná částice roztaví, se teplota taveniny opět začne zvyšovat. Průběh ohřevu kovu včetně prodlevy je naznačen v obrázku. Při chladnutí roztaveného kovu probíhá děj opačně. Odváděním tepla se snižuje kinetická energie částic, jejich pohyb se zpomaluje, vzájemným silovým působením atomy zaujímají určitá základní postavení, kov krystalizuje. Latentní teplo, které se uvolňuje přeměnou kinetické energie atomů, způsobuje, že i přes vnější odvádění tepla se teplota kovu během krystalizace nemění. 7/62

8 Ve skutečnosti je děj ovšem poněkud složitější, materiál při ohřevu i ochlazování vykazuje určitou setrvačnost. Polymorfní kovy prodělávají v tuhém stavu změny modifikací, které se projevují časovými C A r4 tavenina aaaaaaa A c4 A r3 898 teplotní hystereze hystereze 910 A c3 A r2 769 A c2 ča prodlevami podobně jako při tavení nebo krystalizaci. Pro zobecnění s je zvykem prodlevy označovat písmenem A, indexem c pro ohřev nebo r pro ochlazování a dalším číselným indexem označujícím pořadí prodlevy (zdola nahoru). Jako příklad je uveden diagram ochlazování a ohřevu čistého železa. Teploty zde uvedené se mohou lišit od teplot uváděných v jiných odborných materiálech, protože jejich zjišťování je velmi obtížné. Je zřejmé, že u většiny prodlev jsou teploty při ohřevu a ochlazování shodné. Proto u nich zpravidla nebývají indexy r a c uváděny. U prodlev A r3 a A c3 se teploty liší, jejich rozdíl se nazývá teplotní hystereze. Při teplotě 769 C dochází pouze ke změně magnetických vlastností železa, nikoli ke změně typu krystalické mřížky. Železo je feromagnetické, železo je paramagnetické SLITINY KOVŮ Slitinou kovů se rozumí kovový materiál složený z více složek, v němž převládají kovy. Slitina totiž může obsahovat i složky nekovové. Například v technickém železe je nejčastější nekovovou složkou uhlík. Podle počtu složek jsou slitiny označovány jako podvojné neboli binární, potrojné neboli ternární, počtverné neboli kvaternární a komplexní, obsahující více než čtyři složky. V tekutém i tuhém stavu mohou být složky slitiny vzájemně dokonale (absolutně) rozpustné, dokonale (absolutně) nerozpustné nebo částečně rozpustné. V tuhém stavu mohou mít slitiny tři formy: - chemické sloučeniny, kdy je poměr atomů v buňce jednoznačně určen chemickým vzorcem, - tuhé roztoky, kdy jsou v buňkách jednotlivé složky zastoupeny v proměnlivých poměrech, - mechanické směsi, kdy jednotlivé složky ve struktuře tvoří samostatné krystaly. Slitiny ve formě chemické sloučeniny nebo tuhého roztoku jsou homogenní (stejnorodé), ve formě mechanické směsi jsou heterogenní (různorodé). 8/62

9 Tuhé roztoky jsou dvojího typu: - substituční, u kterých se přibližně stejně velké atomy složek vzájemně zaměňují (substituce = náhrada) - intersticiální čili mezerové, u kterých do kompletní buňky jedné složky jsou vmíseny relativně menší atomy jiné složky (intersticiální = vmezeřený). teplota začátek konec krystaliza ce konec krystalizac e začátek teplo nebo čas Ochlazování a ohřev slitin se odlišuje od stejných dějů u čistých kovů. Ve většině případů tavení a krystalizace neprobíhají za konstantní teploty, ale v určitém teplotním intervalu. Výjimkou jsou tak zvané eutektické slitiny, které se chovají podobně jako čisté kovy. Průběh obou dějů u slitin je naznačen v obrázku. Totéž platí také při překrystalizaci, probíhající v tuhém stavu. Další výklad bude zaměřen pouze na binární slitiny s absolutní vzájemnou rozpustností v tekutém stavu. Výklad chování slitin s větším počtem složek je náročný, slitiny v tuhém stavu vzájemně nerozpustné nebo částečně rozpustné nemají praktický význam, protože během tuhnutí u nich dochází k oddělení jednotlivých složek ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY SLITIN Rovnovážné diagramy jsou grafickým znázorněním závislosti teploty začátku a teploty konce tavení při ohřevu a teploty začátku a teploty konce krystalizace při chladnutí slitin v závislosti na jejich složení. Konstruují se z výsledků měření prováděných při zkouškách tavení a krystalizace vhodně zvolených poměrů jednotlivých složek ve slitině. Označení rovnovážné udává, že tyto závislosti jsou zjištěny za podmínek, při kterých je slitina v rovnováze, tedy při kterých je splněn Gibbsův zákon fází. Prakticky jsou podmínky rovnováhy splněny pro velmi pomalé změny. U binárních slitin je možno rovnovážný diagram znázornit jednoduchým rovinným grafickým záznamem. Proto bude další výklad zaměřen pouze k binárním slitinám. Pro obecnost nebudou uváděny konkrétní kovy, ale blíže neurčené složky, označené A a B. 9/62

10 ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM BINÁRNÍ SLITINY S ABSOLUTNÍ ROZPUSTNOSTÍ V TUHÉM STAVU: Konstrukce rovnovážného diagramu bude vysvětlena na příkladu binární slitiny složek A a B. Bude sledována krystalizace pěti vzorků s různým složením: vzorek složení 100% A 75% A, 25 % B 50 % A, 50 % B 25 % A, 75 % B 100 % B Během krystalizace je u vzorků měřena a zaznamenávána teplota v závislosti na čase. Ze získaných záznamů jsou pak zakresleny časové průběhy krystalizace (levá část obrázku, na vodorovné ose je vynášen čas). Z časových záznamů jsou přeneseny do diagramu závislosti teploty začátků a konců krystalizace, tedy do rovnovážného diagramu, pouze teploty zlomových míst časových záznamů k příslušnému složení vzorku (pravá část obrázku, na vodorovné ose je vynášeno složení). Složení slitin je na vodorovné ose diagramu vynášeno tak, že levý okraj diagramu přísluší čisté složce A, pravý okraj čisté složce B. C C likvidus solidus čas % A %% B A B Následně jsou teploty začátků krystalizace spojeny čarou nazvanou likvidus, teploty konců krystalizace čarou nazvanou solidus. Průsečík likvidu se svislicí náležející libovolnému složení, které nebylo předmětem zkoušky, udává teplotu začátku krystalizace této slitiny. Obdobně průsečík solidu s touto svislicí udává teplotu konce krystalizace. Při ohřevu slitin spojuje solidus teploty konců tavení, likvidus teploty počátků tavení. Nad likvidem je tavenina, pod solidem pevná krystalická struktura, mezi oběma čarami je tavenina spolu s již vzniklými krystaly. Výsledná struktura je tuhým roztokem obou složek. 10/62

11 C b likvidus a d c f krystaly e tavenina g tavenina a krystaly solidus A X B Složení krystalů vznikajících během krystalizace není stálé, mění se. Okamžité složení právě vznikajících krystalů je možno odečíst z rovnovážného diagramu v průsečíku horizontální přímky příslušející uvažované okamžité teplotě se solidem. Například obecně vybraná roztavená slitina se složením X začíná krystalizovat při teplotě odpovídající bodu a. Složení právě vznikajících krystalů je dáno bodem b. Tyto krystaly tedy obsahují více složky A než měla tavenina. Při teplotě odpovídající bodu c vznikají krystaly se složením bodu d. Složení zbývající taveniny je dáno průsečíkem horizontální přímky příslušející uvažované okamžité teplotě s likvidem, tedy odpovídá složení bodu e. Z diagramu je možno také odečíst relativní množství již vzniklých krystalů vůči zbývající tavenině. Tento poměr, nazývaný pákové pravidlo, má tvar: množství krystalů / množství taveniny = ce / dc Z toho také vyplývá, že při teplotě bodu a vznikají krystaly složení b, ale je jich zatím nulové množství. Při teplotě bodu f dosáhla zbývající tavenina složení bodu g, ale je jí již nulové množství. Pochopení pákového pravidla má význam pro pochopení dějů probíhajících ve složitějších typech slitin. ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM SLITINY S ABSOLUTNÍ NEROZPUSTNOSTÍ V TUHÉM STAVU: C likvidus a tavenina tavenina a krystaly A b e krystaly A + eutektikum A E tavenina a krystaly B solidus krystaly B + eutektikum B c d U tohoto typu slitin se obě složky v tekutém stavu vzájemně dokonale rozpouštějí, ale v tuhém stavu tvoří každá složka vlastní krystaly. Pro tvar rovnovážného diagramu jsou v tomto případě charakteristické dvě větve likvidu protínající se na čáře solidu (bod e). Protože čisté složky mají totožné teploty začátku a konce krystalizace, patří k solidu také úsečky ab a cd. Složení E je zvláštní tím, že teploty začátku a konce jeho krystalizace jsou, podobně jako u čistých složek (kovů), totožné. Nazývá se eutektické složení. Vodorovná část solidu se nazývá eutektikála, průsečík obou větví likvidu se solidem (e) eutektický bod, vzniklá struktura eutektikum. Je mechanickou směsí krystalů obou složek. 11/62

12 3. ROVNOVÁŽNÉ DIAGRAMY TECHNICKÉHO ŽELEZA Pojmem technické železo se rozumějí slitiny železa s dalšími složkami, používané v technické praxi. Další složky se do železa dostávají při výrobě z rud nebo jsou úmyslně přidávány (přísady čili legury). Hlavní složkou technického železa je uhlík (C), který se dostává do technického železa při jeho výrobě redukcí kysličníkových rud ve vysokých pecích. Další výklad bude zaměřen pouze na binární slitinu železa s uhlíkem. Ve skutečnosti každé technické železo obsahuje kromě železa a uhlíku ještě další složky, takže dokonalá soustava Fe-C v praxi neexistuje. Protože další složky ovlivňují průběh krystalizace a překrystalizace, setkáváme se v technické literatuře s rozdílnými hodnotami teplot a složení charakterizujícími rovnovážný diagram. Uhlík se v technickém železe může vyskytovat ve dvou podobách: jako grafit nebo ve sloučenině s částí železa jako karbid Fe 3 C. Tato sloučenina se nazývá cementit. Podle formy uhlíku obsaženého ve slitině existují dvě soustavy: stabilní Fe + grafit a metastabilní Fe + cementit. Název metastabilní vyjadřuje skutečnost, že tato soustava není v dokonalé rovnováze. Forma krystalizace technického železa závisí na obsahu uhlíku, obsahu příměsí, rychlosti ochlazování a dalších faktorech. Protože podle metastabilní soustavy krystalizují oceli, které jsou nejčastěji používaným materiálem ve strojírenství, bude nejdříve popsána tato soustava METASTABILNÍ SOUSTAVA ŽELEZO CEMENTIT 12/62

13 Jednou složkou metastabilní soustavy je železo, druhou složkou cementit Fe 3 C. Výpočtem známým z chemie je možno zjistit, že cementit Fe 3 C obsahuje přibližně 6,67 % C. Protože se u ocelí neuvádí obsah cementitu, ale obsah uhlíku, je u pravého konce vodorovné osy diagramu zapsána hodnota 6,67 %. Protože železo v sobě cementit v omezené míře rozpouští, ale cementit (chemická sloučenina) v sobě železo rozpouštět nemůže, odpovídá levá strana rovnovážného diagramu metastabilní soustavy diagramům s částečnou rozpustností, pravá strana diagramům s absolutní nerozpustností. Na levé teplotní ose jsou uvedeny teploty přeměn čistého železa: teplota tavení 1539 C, přeměna Fe na Fe při 1401 C, přeměna Fe na Fe při 910 C. Není vyznačena přeměna Fe na Fe při 769 C (Curieho bod), která nemá pro sledování průběhu krystalizace a tavení význam (dochází pouze ke změně magnetických vlastností). Teplotu tavení cementitu nelze pokusně určit přesně. Hodnota uvedená na pravé svislé ose (1380 C) byla určena termodynamickým výpočtem a je pouze přibližná. Likvidus je tvořen čarami ABCD, solidus čarami AHJECF. V průsečíku obou větví likvidu se solidem je eutektický bod C. Přídavkem uhlíku vznikají tuhé roztoky uhlíku v železe a železe (respektive ). Uhlík v nich je vystupuje ve formě karbidu Fe 3 C, cementitu. Roztok Fe + Fe 3 C se nazývá austenit (podle anglického badatele v oboru hutnictví Robertse Austena, který sestavil rovnovážný diagram slitiny železa s uhlíkem), roztok Fe + Fe 3 C se nazývá ferit (podle mezinárodního názvu železa - ferrum). Teplota eutektikály je 1130 C. Eutektická slitina obsahuje 4,3 % uhlíku. Nazývá se ledeburit (podle německého mineraloga A. Ledebura). Čára ES udává maximální rozpustnost uhlíku (ve formě cementitu) v železe. Je zřejmé, že tato rozpustnost je závislá na teplotě. Nejvíce uhlíku, 2,14 %, v sobě rozpouští železo při eutektické teplotě 1130 C. Se snižováním teploty rozpustnost klesá až na 0,8 % při 723 C. 13/62

14 Obsahuje-li austenit více uhlíku než 0,8 %, začne se z něho při ochlazování pod čáru ES odměšovat (segregovat) uhlík ve formě cementitu. Cementit, který vznikl z taveniny během jejího tuhnutí podle čáry CD, se nazývá primární (prvotní). Cementit, který vznikne z austenitu segregací podle čáry ES, se pro odlišení nazývá sekundární (druhotný). U technického železa, to jest slitiny železa s uhlíkem a dalšími prvky, se při nižších teplotách objevuje další prodleva. Obecně je označována A 1 (proto je přeměna železa na nebo naopak označována A 2 ). U čistě uhlíkového technického železa (bez významného množství dalších prvků) se objevuje při teplotě 723 C. Tak jako u čistého železa dochází v tuhém stavu k překrystalizaci modifikace na modifikaci (přesněji ), dochází k překrystalizaci slitiny železa s uhlíkem: austenit se mění na ferit. Zatím co změna čistého železa na proběhne za konstantní teploty 910 C, změna austenitu na ferit proběhne v určitém intervalu teplot (podobně jako krystalizace taveniny na austenit). Začátek této přeměny je v diagramu dán čarou GS, konec čarou GPS. Protože ferit obsahuje maximálně 0,02 % uhlíku (odborná literatura uvádí i jiné hodnoty rozpustnosti uhlíku v železe ), je prakticky čistým železem. Poloha bodu P zakreslená v rovnovážném diagramu příslušnému složení neodpovídá, při přesném zakreslení by tento bod prakticky splynul s pravou svislou osou. U austenitu s obsahem 0,8 % C by při ochlazení na A 1, tj. 723 C, měly začít probíhat dvě přeměny: překrystalizace na ferit a současně segregace sekundárního cementitu. Tento jev je podobný krystalizaci taveniny s obsahem 4,3 % C. Oba zmíněné děje budou probíhat za konstantní teploty střídavě. Vznikne heterogenní struktura, mechanická směs feritu a sekundárního cementitu. Podle jejího perleťového vzhledu byla nazvána perlit. Z podobnosti významu bodu S s eutektickým bodem C je bod S nazván eutektoidním bodem, teplota A 1 eutektoidní teplotou, slitina obsahující 0,8 % C eutektoidní slitinou, čára PSK eutektoidálou, perlit eutektoidem metastabilní soustavy. Na detailním obrázku pravé dolní části rovnovážného diagramu představuje čára PQ maximální rozpustnost uhlíku (ve formě cementitu) v železe. I zde se rozpustnost snižuje s klesající teplotou. Čára PQ má podobný význam jako čára ES. Při jejím dosažení během ochlazování feritu začne segregace cementitu. Protože se v tomto případě jedná již o třetí možnost vzniku cementitu, je tento cementit nazýván terciárním. Vlastnosti strukturálních složek technického železa Austenit jako tuhý roztok uhlíku v železe je měkký, velmi dobře tvárný (železo má kubickou, planicentrickou mřížku). Ferit, prakticky čisté železo, je měkký a tvárný. Cementit je velmi tvrdý a křehký, je vůbec nejtvrdší složkou technického železa. Ledeburit obsahuje velké množství cementitu a proto je také velmi tvrdý a křehký. Perlit je pevný a houževnatý. 4. ZÁKLADY ŽÍHÁNÍ Žíhání je ohřev na žíhací teplotu, setrvání na této teplotě určitou dobu a pak velmi pomalé ochlazování. Jeho účelem je odstranit vliv jiných operací na strukturu např. po tváření nebo svařování, zmenšení tvrdosti, zlepšení obrobitelnosti, zmenšení vnitřního pnutí apod. Je to způsob tepelného zpracování, kterým chceme u součásti dosáhnout zpravidla stavu blízkého stavu rovnovážného. Při této operaci se mění jen struktura ocelí, aniž dochází ke změnám chemického složení. Základy žíhání úzce souvisí s rovnovážným diagramem Fe - Fe 3 C. 14/62

15 Žíhání se v zásadě dělí na dvě skupiny: žíhání bez překrystalizace žíhání s překrystalizací Přehled způsobů žíhání a rozmezí žíhacích teplot: Způsob žíhání Jednotlivé metody Rozmezí žíhacích teplot ve C Bez překrystalizace S překrystalizací naměkko rekrystalizační protivločkové ke snížení pnutí pro odstranění křehkosti homogenizační normalizační základní izotermické rozpouštěcí nad /62

16 Žíhání normalizační Přehled teplotních rozmezí některých způsobů žíhání Je obvykle základem tepelného zpracování. Tímto druhem žíhání se rozumí ohřev nad teplotu horní přeměny Ac 3 nebo Ac m, po němž následuje chladnutí na klidném vzduchu. Materiál se vsazuje do pece ohřáté asi na 400 C a nechává se prohřívat na každých 25 mm tloušťky 1 hodinu. Normalizační teplotu volíme raději o 50 C výše nad horní přeměnou. Po prohřátí se ihned kusy z pece vytáhnou a nechávají se na volném vzduchu chladnout. Normalizační teplota se nevolí zbytečně vysoko nad předepsanou teplotu, neboť může zhrubnout zrno a součásti při rychlém chladnutí dostanou zbytečně nové pnutí. Doporučuje se normalizovat všechny výkovky a vůbec oceli uhlíkové s obsahem uhlíku do 0,8 % uhlíku. Důležité je normalizační žíhání svařených součástí. Dále se také normalizuje surový materiál, který má být zpracován zastudena ohýbáním nebo lisováním. Doporučuje se normalizovat složitější kusy před kalením. Normalizování je často nezbytné u odlitků z ocelolitiny. Odlitky, stejně jako složitější kusy, nenecháváme vychladnout přímo na vzduchu, postačí, když chladnutí rychle proběhne přes obě teploty přeměn asi na 650 C. Pak je možno ponechat kusy zvolna chladnout. Použití normalizování je omezeno rozměry a složením oceli. Nenormalizují se příliš tenké průřezy a oceli legované, protože by se při tomto postupu již kalily. Je-li po normalizaci velká pevnost, následuje popouštění, čímž se zvýší houževnatost a odstraní se značná část vnitřních pnutí. 16/62

17 Žíhání základní Základním žíháním se nazývá ohřev nad teplotu Ac 3, u ocelí nadeutektoidních na teplotu Ac m, výdrž na této teplotě 1-2 hodiny a pomalé ochlazování v peci. Při tomto způsobu žíhání dojde k úplné překrystalizaci, vyrovnání chemického složení, homogenizaci austenitu a pomalým ochlazováním se zamezí vzniku vnitřního pnutí. Tohoto způsobu žíhání se používá hlavně u ocelových odlitků nebo u svařenců. Někdy se používá jako náhrada za normalizaci a žíhání naměkko u legovaných ocelí. Žíhání na měkko Tímto žíháním se rozumí dlouhodobé ohřívání oceli v okolí teploty perlitické přeměny s následujícím pozvolným chladnutím. Odstraní se tvrdost, způsobená částečným zakalením při kování, dosáhne se nejvyšší měkkosti a houževnatosti, ale nedosáhne se překrystalizace a zjemnění struktury. Pnutí se odstraní ještě lépe než normalizačním žíháním. U ocelí s menším obsahem uhlíku vystačíme s normalizačním žíháním. Měkké žíhání je nutné u ocelí s vyšším obsahem uhlíku a slitinových ocelí, chceme-li dosáhnout dobré opracovatelnosti řeznými nástroji. Měkké žíhání se provádí tak, že se ocel zahřeje málo nad teplotu Ac1 a na této teplotě se prohřívá po dobu 2-4 hod. U namáhaných polotovarů se žíhání naměkko zařazuje až za normalizační žíhání. Po žíháni naměkko se materiál ochlazuje v peci až do teploty asi 300 C a teprve potom následuje ochlazování na volném vzduchu. Oceli s vyšším obsahem uhlíku, hlavně slitinové, žíhají se naměkko tak, že teplota kolísá kolem teploty Ac 1 (723 C). U těchto ocelí se žíháním na měkko dosáhne jak nízké tvrdosti, tak dobré obrobitelnosti. Žíhání rekrystalizační Tohoto žíhání se používá při tváření za studena jako mezioperace. Při tváření za studena stoupá tvrdost a pevnost vlivem zdeformovaného zrna. Zároveň však klesá tažnost, a tím se snižuje schopnost dalšího tváření. Proto se mezi jednotlivé tvářecí operace zařazuje rekrystalizační žíhání při teplotě C po dobu asi min. Součásti se chladí pomalu v peci. Po rekrystalizačním žíhání tvářených součástí klesne tvrdost a pevnost na původní hodnoty a schopnost k dalšímu tváření se obnoví. Žíhání na odstranění vnitřního pnutí Vnitřní pnutí vzniklé v součástech deformací zastudena místním ohřátím nebo rychlým chladnutím, lze odstranit krátkým ohřevem na teplotu C u ocelových součástí, rychlost ochlazování kolem 20 C/hod. Odlitky za šedé litiny se žíhají při C 4-8 hod. Rychlost ohřevu C/hod. Chladí se rychlostí C/hod. do teploty C a pak na vzduchu. Takto se žíhají především odlitky a svařence. Někdy se žíhá mezi hrubováním a opracováním na čisto. 17/62

18 Žíhání k odstranění vodíkové křehkosti Žíhání na odstranění vodíkové křehkosti se dělí na dva druhy. Jednoho se používá v hutní výrobě k zabránění vzniku vloček a druhého k odstranění vodíku difundovaného do mořených nebo galvanicky zpracovaných strojních součástí. Kalené a popouštěné součásti jsou zvlášť náchylné k vodíkové křehkosti, Ohřívají se většinou v olejové nebo vodní lázni při teplotě C po dobu až 12 hod. Vyšší teploty se nepoužívají, protože by tvrdost kalených součástí klesla. Zušlechtěné polotovary se žíhají k odstranění vodíku po tvrdém chromování při teplotě asi o 100 C nižší, než byla teplota popouštění, použitá při jejich zušlechťování. Teplota žíhání bývá až 450 C, výdrž 6-10 hod. na této teplotě až do ukončení přeměny austenitu v perlit a následující ochlazování. Izotermické žíhání využívá znalostí diagramů izotermické přeměny austenitu tzv. S křivek. Používá se u ocelí, které mají žíhací cykly příliš dlouhé. Protože je nutné rychlé ochlazování na teplotu perlitické přeměny, nepoužívá se tohoto způsobu žíhání u velkých vsázek a také u součástí velkých průřezů. Žíhání homogenizační (rozpouštěcí) Homogenizační žíhání se skládá z ohřevu nad Ac 1 (Ac m ) na teplotu 1000 až 1250 C a následující výdrže na teplotě a ochlazování na vzduchu nebo v otevřené peci. Při tomto způsobu žíhání se vyrovnají difuzní rozdíly v chemickém složení vzniklé po odlití a dosáhne se rovnoměrných vlastností pro další tepelné zpracování. Ponecháním slitiny při této teplotě po dostatečně dlouhou dobu dojde k rozpuštění jedné či více fází do tuhého roztoku a následným dostatečně rychlým zchlazením zůstanou tyto fáze rozpuštěny v tuhém roztoku matrice. Jak u feritických, ta k i u austenitických ocelí je pro dosažení dobrých technologických vlastností nezbytná jemnozrnná struktura. Jako konečné tepelné zpracování se provádí rozpouštěcí žíhání při teplotách mezi 1000 a 1150 C, kdy se rozpustí všechny karbidy a vznikne homogenní austenit. Následuje velmi rychlé ochlazení dusíkem nadkritickou rychlostí. Při ochlazování nesmí vzniknout žádné karbidy, pak má ocel největší korozivzdornost. Žíhání izotermické Izotermickým žíháním se nazývají ohřevy na teplotu Ac 3, výdrž na této teplotě, ochlazení na teplotu perlitické přeměny, vydrž na této teplotě až do ukončení přeměny austenitu v perlit a následující ochlazování. Izotermické žíhání využívá znalostí diagramů izotermické přeměny austenitu tzv. S křivek. Používá se u ocelí, které mají žíhací cykly příliš dlouhé. Protože je nutné rychlé ochlazování na teplotu perlitické přeměny, nepoužívá se tohoto způsobu žíhání u velkých vsázek a u součástí velkých průřezů. Dále pak existují různé druhy zvláštních žíhání jako je žíhání k odstranění křehkosti po moření, žíhání protivločkové, žíhání ke zvětšení austenitového zrna, žíhání rozpouštěcí, umělé stárnutí. 18/62

19 5. VLIV NĚKTERÝCH PRVKŮ NA MECHANICKÉ VLASTNOSTI UHLÍKOVÝCH OCELÍ KŘEMÍK V nelegovaných ocelích má nepodstatný vliv na zvýšení pevnosti. Působí silně desoxidačně, používá se k výrobě uklidněných oceli (0,1 0,45 hm.% Si). MANGAN Zvyšuje mez kluzu i mez pevnosti a činí tak bez vlivu na plasticitu. V nelegovaných ocelích je obsah manganu v rozmezí 0,3 0,9 hm.% Mn. Mangan má rovněž desoxidační účinek a používá se pro výrobu uklidněných ocelí. FOSFOR Zvyšuje mez kluzu i pevnosti, ve spojení s mědí zvyšuje odolnost proti atmosférické korozi. Jeho negativní vliv se projevuje křehkými lomy v oblasti Fe α. U nelegovaných oceli je jeho obsah limitován na max. 0,03 hm.%. SÍRA Někdy se do nelegovaných ocelí přidává úmyslně, protože zlepšuje obrobitelnost (automatová ocel), naopak při tváření za tepla a při svařování podporuje vznik mezikrystalických trhlin. Proto je i obsah síry u nelegovaných ocelí limitován do 0,03 hm.%. DUSÍK Dusík je podobně jako uhlík austenitotvorný prvek, proto jeho přítomnost v uhlíkové oceli způsobuje rozšíření pole γ. Vznikající nitridy mají kladný vliv na vlastnosti oceli, zvyšují mez kluzu i pevnosti a tvrdost oceli. Vylučování nitridů má za následek ale i stárnutí uhlíkových ocelí. Zvlášť nebezpečné je vylučování nitridů v úzkém pásmu okolo svaru, které může způsobit i úplně rozrušení konstrukce. VODÍK Vodík je ve všech slitinách železa nežádoucím prvkem. Důsledkem přítomnosti vodíku ve svarovém kovu je vznik pórů, oduhličení svarového kovu a zkřehnutí svarového spoje. Zdrojů vodíku při tavném svařování je mnoho: vlhkost obalu elektrod a tavidel, vlhkost na povrchu materiálu základního i přídavného, zbytky maziva na základním kovu apod. HLINÍK Hliník působí silně desoxidačně a denitridačně. Oxidy a nitridy hliníku působí jako krystalizační zárodky při tuhnutí oceli. Minimální obsah hliníku v uklidněných ocelích má být 0,02 hm. %. MĚĎ Obsah mědi do 0,26 hm. % v oceli se pokládá za neškodný. Vyšší obsah mědi do 0,5 hm. % snižuje rychlost atmosférické koroze. 19/62

20 6. UHLÍKOVÝ EKVIVALENT Při výběru oceli pro svařování se musí počítat se změnou vlastností v místě svarového spoje právě následkem obsahu prvků a legur v oceli obsažených. Jedna z možností posouzení vhodnosti oceli pro svařování je určení tzv. ekvivalentního obsahu uhlíku C e. Pro oceli s obsahem uhlíku 0,22 hm. % nejsou při svařování nutná žádná zvláštní opatření. V tomto případě se ekvivalentní obsah uhlíku C e 0,5 počítá podle rovnice: C e = C + Mn + Cr + Ni + Mo Cu 13 + P 2 + 0,0024 s kde s je tloušťka plechu (mm). Tato rovnice platí pro materiály do obsahu prvků: C do 0,22 hm. %, Mn do 1,6 hm. %, Cr do 1 hm. %, Ni do 3,0 hm. %, V do 0,14 hm. %, Cu do 0,3 hm. %. Pro výpočet uhlíkového ekvivalentu existuje mnoho dalších výpočtových vztahů, které vychází ze zkušeností svářečů s různými skupinami svařovaných ocelí. Pro otěruvzdorné oceli je uhlíkový ekvivalent pravděpodobně nejdůležitější technologický parametr. Většina těchto ocelí se vyrábí s větším nebo menším počtem svarů. Svarový spoj je téměř vždy potenciálním zdrojem trhlin (únavových nebo vodíkových). Čím méně legujících prvků ocel obsahuje a čím menší má obsah uhlíku, tím je lépe svařitelná a pravděpodobnost vzniku trhlin je menší. Množství legujících prvků a obsah uhlíku zohledňují i další vzorce, používané pro otěruvzdorné oceli, ve kterých parametr tloušťky svařovaného materiálu zohledněn není. Jsou to následující vztahy: CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15 CET = C (Mn + Mo)/10 + (Cr + Cu)/20 + Ni/40 Je zřejmé, že uhlíkový ekvivalent CEV klade větší důraz na obsah legujících prvků, CET pak na obsah uhlíku. Důsledek toho je, že při stejném chemickém složení oceli dávají tyto ekvivalenty rozdílný výsledek. Hodnoty CEV u nejkvalitnějších ocelí se pohybují do cca 0,60 (CET do 0,42). Tyto oceli lze ještě bezpečně svařovat i když při větších tloušťkách plechu, nad cca 12 mm, již může být nutný předehřev. Hodnoty CEV nad 0,70 (CET nad 0,42) vyžadují velmi pečlivou přípravu i průběh svařování. Riziko výskytu trhlin je v těchto případech větší.. 20/62

21 7. PŘEHLED VHODNÝCH MATERIÁLŮ PRO SVAŘOVÁNÍ Současný trend při výrobě svařovaných konstrukcí klade nové nároky na volbu základního materiálu. Tyto konstrukce musí vyhovovat konstruktérem stanovenému zatížení při minimalizaci hmotnosti konstrukce a tím redukci nákladů jak při výrobě, tak i při provozu vlastního zařízení. Mechanické vlastnosti u nelegovaných konstrukčních uhlíkových ocelí jsou určovány především obsahem uhlíku a manganu. Obecně můžeme říci, že jsou zpevněny především substitučním a intersticiálním mechanismem. Je i jiná možnost jak zvýšit mez kluzu a mez pevnosti nelegovaných ocelí při zachování jejich houževnatosti a přitom potlačit nepříznivý vliv uhlíku na jejich svařitelnost. Jde o dolegování materiálu malým obsahem prvků jako Al, Ti, Nb a V (jejich celkové množství nepřesahuje 0,15 hm.%). Tyto prvky vytváří v oceli karbidy (C), nitridy (N) a karbonitridy (CN), které příznivě ovlivňují velikost zrn a navíc svou vazbou na uhlík a dusík snižují jejich obsah v oceli a tím zlepšují svařitelnost, resp.snižují náchylnost na deformační stárnutí. 7.1 JEMNOZRNNÉ OCELI Polotovary z jemnozrnných ocelí se vyrábějí nejčastěji řízeným válcováním v kombinaci s tepelným zpracováním, které zvyšuje vliv mikrolegur (Al, Ti, Nb a V) na vlastnosti materiálu. Proto také někdy jsou označovány materiály tohoto typu jako mikrolegované jemnozrnné oceli. Obsahy mikrolegujicích prvků jsou obvykle limitovány - Al min. 0,015 hm.%, Ti max. 0,15hm.%, V max. 0,1hm.% a Nb max. 0,04hm.%. Všechny uvedené prvky tvoří s uhlíkem a dusíkem karbidy, nitridy nebo karbonitridy. V případě hliníku to je nitrid AIN. Titan tvoří karbid TiC, nebo karbonitrid Ti (C,N) a nitrid TiN. Niob vytváří karbid NbC, nebo karbonitrid Nb (C,N) a vanad karbid V4C3 nebo karbonitrid V (C,N). Rozdělení jemnozrnných ocelí: normalizačně žíhané jemnozrnné oceli (A) zušlechtěné jemnozrnné oceli (Q) termomechanicky zpracované jemnozrnné oceli (M) Pro svařování vysokopevných jemnozrnných ocelí se v první řadě používají následující metody svařování: ručně - obalenými elektrodami svařování el. obloukem v ochranné atmosféře - MAG pod tavidlem Normalizačně žíhané jemnozrnné oceli Mají základ ve výrobě jemnozrnných normalizačně žíhaných oceli s hodnotou meze kluzu od 255 do 500 MPa, ze kterých jsou vyráběny plechy o následujících obsazích prvků: 1,70 21/62

22 hm.% Mn, 0,30 hm.% Cr, 0,10 hm.% Mo, do 1hm.% Ni, do 0,22 V s tím, že součet niobu, titanu a vanadu nepřesáhne 0,22hm.%. Oceli jsou normalizačně žíhané v rozsahu teplot 880 až 960 C. Žíhání na odstranění zbytkového napětí je uskutečněno za teplot 530 až 600 C. Průběh tepelného zpracování mikrolegovaných jemnozrnných ocelí po válcování je na následujícím obr. Mikrolegované oceli po válcování tepelně zpracované: a) normalizačním žíháním - N b) zušlechtěním - Q VÝBĚR OCELÍ PRO SVAŘOVANÉ KONSTRUKCE Oceli pro svařování, které jsou k dispozici v rámci konstrukčních ocelí ve skupinách 1, 2 a 3 (ČSN ), lze rozdělit do skupin: hliníkové konstrukční normalizačně žíhané oceli pro konstrukce pracující za normálních teplot - EN A1 (revidované vydání EN ), uhlíkové konstrukční jemnozrnné normalizačně žíhané oceli pro pracovní teploty normální i snížené EN (nové vydání EN a ), oceli s vyšší hodnotou meze kluzu EN a (nové vydání EN ), oceli pro tlakové nádoby a zařízení EN a 3 a pro výkovky EN , oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi (nové vydání EN ). V rámci nového vydání ČSN EN se nemění: 22/62

23 oceli pro tlakové nádoby a zařízení EN a 3, oceli s vyšší hodnotou meze kluzu EN Jak již bylo uvedeno, hliník zabraňuje podstatně náchylnosti oceli a ovlivněných oblastí svarových spojů ke stárnutí, způsobnému precipitací nestabilních nitridů železa, vedoucí k vázání dusíku na stabilní nitridy hliníku AlN. Citlivost ke stárnutí je u oceli do hodnoty meze kluzu 315 MPa kontrolována zkouškou deformačního stárnutí (deformace 10% a stárnutí 250 C 0,5 hod.) s požadavkem min. 27J v příčném směru a 41J v podélném směru. U oceli s hodnotou meze kluzu do 500MPa po deformaci 5% a stárnutí 250 C 0,5 hod. musí být splněn požadavek 31J v příčném směru a 41J v podélném směru ZUŠLECHTĚNÉ JEMNOZRNNÉ OCELI Novodobé vysokopevné oceli jsou vyráběny v zušlechtěném stavu (kalením a popouštěním). Zušlechtění lze dosáhnout u oceli s nízkým obsahem uhlíku (obdobné chemické složení, jako je tomu u normalizačně žíhaných ocelí) vznikem nízkouhlíkového martenzitu - po kalení nastávají vysoké hodnoty meze kluzu. V závislosti na hodnotě meze kluzu jsou oceli legovány slitinovými prvky jako: Ni, Cr, Mo a V. Podobné chemické složení a podobný způsob tepelného zpracování dělají z vysokopevných konstrukčních ocelí obdobu ocelí otěruvzdorných. V obou případech se většinou jedná o kalené ocelové plechy s nízkým obsahem uhlíku a legujících prvků, tak aby při vysokých hodnotách pevnosti (respektive tvrdosti) byla zajištěna jejich technologičnost, zejména svařitelnost. Hlavní rozdíl při výrobě těchto dvou skupin ocelí je v závěrečné fázi tepelného zpracování popouštění. Zatímco se otěruvzdorné oceli po kalení nepopouštějí nebo se popouštějí jen na nízké teploty (cca 200 C), vysokopevné konstrukční oceli se popouštějí na vysoké teploty (cca 600 C). Vyšší popouštěcí teplotou vznikne ve vysokopevných konstrukčních ocelích jiná rovnováha mezi pevností a houževnatostí úroveň houževnatosti je povýšena na úkor pevnosti. V současné době můžeme rozdělit vysokopevnostní konstrukční oceli do dvou hlavních skupin: Do úrovně meze kluzu Re = 500 MPa včetně, jsou tyto oceli nekalené, jsou zahrnuty v EN V označení SSAB Oxelösund jde pak o ocelové plechy WELDOX 420, WELDOX 460 a WELDOX 500 (uvedené číslo znamená zaručovanou hodnotu meze kluzu). Kalené - pravé vysokopevnostní oceli pak mají mez pevnosti Rm od 690 MPa a jsou zahrnuty v EN V označení WELDOX jsou to pak stupně 700, 900 a 960. Nejpevnější konstrukční ocelí je v současné době ocel WELDOX 1100 s mezí kluzu Re=1100 MPa, která není ještě zahrnuta v evropských normách. Zásadní rozdíl v mechanických vlastnostech mezi klasickou konstrukční ocelí (S) a vysokopevnými ocelemi je zejména v mezi kluzu a mezi pevnosti. Ostatní zaručované mechanické vlastnosti (tažnost a vrubová houževnatost) zůstávají na přibližně stejné úrovni. Z hlediska ekonomického nelze při náhradě běžných ocelí vysokopevnými počítat s nižšími náklady z toho důvodu, že vysokopevná ocel je 2 až 3x dražší než např. ocel S355. V reálných konstrukcích pak úspora tloušťky plechu při použití oceli s dvojnásobnou hodnotou meze kluzu není 50%, ale většinou je to méně než 30%. Úspora nákladů na materiál není tedy hlavním důvodem k aplikaci vysokopevné oceli. V současné době je převládajícím důvodem aplikací vysokopevných ocelí potřeba snížit hmotnost s jiných důvodů než je úspora nákladů na materiál. Tyto důvody jsou v zásadě dva: 23/62

24 První důvod, že existuje omezení hmotnosti výrobku z hlediska jeho manipulace, dopravy, legislativních předpisů, těžiště, přičemž jsou na tyto výrobky současně kladeny i značné nároky na nosnost, bezpečnost, odolnost proti zatížení, aj. Do této skupiny patří mobilní jeřáby, důlní výztuže, některé součásti zdvihacích zařízení a konstrukcí ropných plošin. Druhým důvodem je, že snížením hmotnosti dosáhneme zvýšení kapacity (nosnosti) zařízení. Zde se jedná opět o mobilní jeřáby, dále o podvalníky, části podvozků některých nákladních automobilů, hydraulické ruky, aj SVAŘITELNOST JEMNOZRNNÝCH OCELÍ Při svařování jemnozrnných mikrolegujicích ocelí můžeme očekávat růst zrn v tepelně ovlivněné oblasti svarových spojů (dále jen TOO) a tím i pokles plastických vlastností v této oblasti. Svařujeme pokud možno bez předehřevu a s omezeným tepelným příkonem při svařování. V případě nutnosti použití předehřevu postačí obvykle teploty v rozmezí 100 až 150 C. Svařitelnost termomechanicky zpracovaných ocelí je podobná jako svařitelnost konvenčně tepelně zpracovaných ocelí stejného chemického složení. Pracovní postup musí být při svařování jemnozrnných zvláště termomechanicky zpracovaných ocelí veden tak, aby nedošlo procesem svařování k nepříznivému snížení vlastností spoje v tepelně ovlivněné oblasti (TOO). Doporučuje se svařovat přídavnými materiály s nejmenším průvarem, menšími průměry elektrod (elektrodovými dráty), menšími proudy a větší postupovou rychlostí s tepelným příkonem do 10 kj/cm. Při stehování se svařuje housenkami delšími než 50 mm, které se znovu převaří, z důvodu vzájemného vyžíhání TOO a již navařené housenky, za současného snížení obsahu difúzního vodíku na minimum. K zajištění vysoké kvality svarových spojů jemnozrnných ocelí je nutné věnovat pozornost vlivu: - Chemického složení základního materiálu - Svařované tloušťky - Obsahu vodíku ve svarovém kovu - Tepelného příkonu při svařování - Stavů napjatosti, tvořící se při svařování Přídavné materiály Složení legur přídavného materiálu a typu obalu, ochranný plyn, popřípadě tavidlo určují vlastnosti svarového kovu. V zásadě musí být splněny dvě podmínky pro dosažení kvalitativně hodnotných svarových spojů jemnozrnných ocelí: a) dosažení minimální hodnoty pevnosti a tažnosti základního materiálu ve spoji b) svarové spoje musí být provedeny bezchybně Přídavné materiály se volí s ohledem na požadované hodnoty svarového kovu, musí odpovídat podmínkám svařování (vnesené teplo, přechodová teplota) a eventuálnímu tepelnému zpracování. Proto musí tyto materiály zajistit, aby se při daných podmínkách svařování, které jsou určeny základním materiálem, konstrukcí a výrobními podmínkami, 24/62

25 zamezilo vzniku vad typu studených trhlin a trhlin za horka. Příklad: svařujeme jemnozrnnou mikrolegovanou ocel s mezí kluzu Re 350 MPa, pak do tloušťky svarového spoje cca 30 mm předehřev nepožadujeme, jiná situace nastane, použijeme-li přídavný materiál s obsahem 2,5 hm. % Ni, tak tady je předehřev na teplotu C nutný již od tloušťky 16 mm. Správný postup závisí na mnoha okolnostech a je výsledkem zkušeností technologů. Studené trhliny Studené trhliny jsou defekty, které vznikají při nízkých teplotách asi pod 200 C. Vyskytují se nejčastěji v podhousenkové oblasti svarových spojů ocelí. Mohou se ale i vyskytovat v kořenové oblasti, koncových oblastech spojů, tak i ve svarovém kovu. Orientací mohou být podélné, příčné, přes všechny oblasti svarového spoje. Studené trhliny jsou transkrystalického charakteru, povrch je lesklý, neoxidovaný, na rozdíl od trhlin za horka. Hlavní příčinou vzniku studených trhlin je vzájemné působení tří faktorů: - přítomnost vodíku ve svarovém spoji; - přítomnost struktury citlivé na účinek vodíku; - přítomnost tahových (kontrakčních) zbytkových napětí; "[1] Zdrojem vodíku ve svaru je nejčastěji atmosférická vlhkost, vlhkost z obalu elektrod příp. tavidel, svařovací dráty po povrchové úpravě. Rozpustnost a rozložení vodíku ve svarovém kovu závislé na teplotě, konstrukci a typu vměstků, mikropórů a dislokací. Obsah vodíku ve svarovém kovu měříme obvykle rtuťovou a glycerinovou zkouškou. Náchylnost oceli na vzniku studených trhlin úzce souvisí s prokalitelností, resp. transformačním zkřehnutím. Souhrnný vliv chemického složení na náchylnost oceli na zakalení v TOO, a tím i na náchylnost vzniku trhlin za studena lze vyjádřit uhlíkovým ekvivalentem. Průběh svařovacího cyklu lze ovlivnit změnou technologie svařování, změnou svařovacích parametrů, především použitím předehřevu a dohřevu. Po svaření obvykle následuje pouze žíhání na odstranění vnitřních pnutí. U těchto ocelí se doporučují nižší žíhací teploty, než u běžných nelegovaných uhlíkových konstrukčních ocelí, obvyklé rozmezí bývá C. Obvyklé postupy obsahuje norma ČSN Oceli této skupiny jsou například oceli , , , , , , v německé normě je nalezneme pod názvem DIN /62

26 7.2 ŽÁRUPEVNÉ OCELI Jde o skupinu materiálů, určených k použití za vyšších a vysokých teplot. Většinou jde o součásti tepelných zařízení, jako jsou parovody, součásti parních a spalovacích turbín, zařízení pro tepelnou energetiku a chemické provozy s vyššími nároky. Jde o materiály, které pracují v oblasti tzv. creepového namáhání (tečení). V této oblasti se lépe uplatňují materiály, které mají proti tomuto jevu zvýšenou odolnost. Např. oceli s austenitickou strukturou ( Cr Ni) jsou výrazně odolnější proti creepu, než oceli se strukturou feritickou. Další možností je substituční zpevnění pomocí atomů legujícího prvku s velkým atomovým poloměrem, který deformuje mřížku a následně brání dislokacím. Také přítomnost částic jemného precipitátu ve struktuře oceli, jako jsou karbidy, nitridy a karbonitridy legujících prvků (Cr, Mo, V, Nb), má podobný protidislokační vliv. V následující tabulce je uveden přehled těchto ocelí: Druh oceli Teplotní oblast použití ve C Uhlíkové kotlové oceli tř. 11 a 12 ( do 0,2 % C) Nízkolegované oceli tř Feritické chromové oceli tř. 17 (leg. Mo, V, Nb, N) Austenitické Cr Ni 650 Legované vytvrditelné oceli až 750 Nízkolegované žárupevné oceli jsou poměrně dobře svařitelné, při dodržení přesných svařovacích postupů. U feritických ocelí je svařování obtížnější a je zde nebezpečí vzniku pnutí. Proto zde platí přísná pravidla pro režimy předehřevu, dohřevu, rychlosti svařování atp. Tepelné zpracování po svařování je podmínkou, může se jednat o popouštění nebo zušlechtění svarových spojů. U austenitických žárupevných ocelí je průběh svařování ovlivněn malou tepelnou vodivostí a velkou tepelnou roztažností, což má za následek vznik vysokých tepelných pnutí. Svařují se obvykle bez předehřevu, s přídavným materiálem totožným s materiálem základním, někdy se používá jako přídavný materiál čistý Ni. 7.3 ŽÁRUVZDORNÉ OCELI Jedná se o oceli, které odolávají chemické korozi při teplotách nad 600 C. Součásti z těchto ocelí vyrobené se používají v energetice, raketové technice, jako součásti spalovacích turbín, součásti zařízení pro těžkou chemii, sklářství atp. U těchto ocelí se pohybuje obsah chromu mezi hm. %. U tohoto typu ocelí máme dva základní typy: chromové feritické oceli austenitické žáruvzdorné oceli Chromové feritické oceli obsahují hm. % Cr a při nízkém obsahu uhlíku jsou čistě feritické. Zvyšování pevnosti a tvrdosti se dá dosáhnout pouze tvářením za studena. Odolávají korozi až do teplot 1100 C. Vyznačují se náchylností ke křehkým lomům i za normální teploty. V poslední době se tato špatná vlastnost odstraňuje vakuovým přetavením, jímž se minimalizují obsahy nežádoucích prvků, jako jsou N a O a stabilizuje se obsah C. Při svařování je nejvýš nezbytné dodržovat stanovené postupy a doporučené přídavné materiály s vysokou metalurgickou čistotou (vadí stopová množství nečistot, plynů a vyšší 26/62

27 obsah uhlíku). Po svařování, ale i po tváření se tyto oceli žíhají při teplotě C. Do této skupiny patří např. oceli: , , Austenitické žáruvzdorné oceli mají na rozdíl od první skupiny ocelí ve své struktuře přísadu Ni, která je vyšší než 8 hm. %. Základ těchto ocelí je zástupce s 18 hm. % Cr a 9 hm. % Ni. Tato ocel má výborné mechanické vlastnosti, vysokou plasticitu, tažnost i vrubovou houževnatost. Z hlediska svařování představuje problém vylučování karbidů chromu v okolí svarového spoje na hranicích zrn a také snížená tepelná vodivost těchto ocelí. Oceli této skupiny se svařují bez předehřevu. Důležitá je volba přídavných materiálů, které by měly umožnit vytvoření svarového kovu s podobným složením, jako základní svařovaný materiál. V některých případech se používá jako přídavný drát čistý nikl. Po svařování se doporučuje tzv. rozpouštěcí žíhání při teplotách C a následující rychlé ochlazení ve vodě. Do této skupiny ocelí patří např. ocel , KOROZIVZDORNÉ OCELI Jedná se o vysokolegované oceli, které obsahují více než 10 hm. % celkového obsahu legur a jde opět o oceli třídy 17. ( dle ČSN). Hlavní legující prvky se podle svého vlivu dělí do dvou skupin: 1. Prvky austenitotvorné, které rozšiřují v rovnovážném diagramu oblast γ. Patří sem C, Ni, Mn, Cu, N. 2. Prvky feritotvorné, které tuto oblast naopak zužují. Mezi ně patří Cr, Mo, Al, Si, W, Ti, V, Nb. Podle struktury a převažujícího složení legujících prvků se dělí tyto oceli na čtyři skupiny: 1. Feritické chromové oceli 2. Martenzitické chromové oceli 3. Austenitické Cr Ni oceli nebo Cr Ni Mo oceli 4. Austeniticko- feritické oceli, a to buď Cr Ni nebo Cr Ni Mo oceli Chromové oceli s obsahem Cr nad 5 hm.% jsou samokalitelné. Chrom výrazně snižuje kritickou rychlost ochlazování pro vznik martenzitu a posouvá křivky v ARA diagramu výrazně doprava. Výsledkem tohoto vlivu je skutečnost, že i při ochlazování na vzduchu vzniká u těchto chromových ocelí martenzitická struktura SVAŘITELNOST KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ Chromové feritické oceli klasické svařujeme zásadně s předehřevem. Tím snížíme rychlost ochlazování ve svarovém kovu a v TOO. S ohledem na možné hrubnutí zrna svařujeme s limitovaným tepelným příkonem do svaru a používáme přídavné materiály s nízkým obsahem difuzního vodíku. Vhodné technologie svařování jsou MIG, TIG, laser i elektrický odpor, protože se ve velké většině jedná o materiály tenkostěnné. Velmi důležitá je čistota svarových ploch. Používáme přídavné materiály stejného složení, jako má základní kov nebo dolegované cca. 4 hm. % Ni, poslední možností je použití slitin niklu. 27/62

28 Tepelné zpracování po svařování není nutné, pouze se někdy zařazuje žíhání 800 C/ 1hod. pro zlepšení odolnosti svarových spojů proti mezikrystalické korozi, na kterou je tato ocel náchylná. Martenzitické chromové oceli obsahují 11,5 18 hm. % Cr. Při svařování používáme předehřev zásadně, důležitá je kontrola teploty v průběhu svařování a také dohřev.teplota předehřevu je cca. 250 C, při této teplotě zůstává ve struktuře jdostatečné množství austenitu, ve kterém se rozpouští difuzní vodík. Doporučuje se svařovat elektrodami menších průměrů. Svařujeme přídavnými materiály stejného složení, jako má základní kov. Doporučené metody svařování jsou obdobné, jako v předchozím případě. Austenitické oceli mají asi o 50% větší tepelnou roztažnost a cca. o 30% menší tepelnou vodivost než oceli feritické. Problémy svařování jsou pro obě skupiny těchto ocelí obdobné. Tyto oceli jsou náchylné k tvorbě teplých trhlin a dalším problémem je precipitace karbidů chromu na hranicích zrn, jejímž důsledkem je mezikrystalická koroze. Svařování těchto ocelí vyžaduje přídavné materiály, které svým chemickým složením odpovídají materiálu základnímu, ale mají zvýšený obsah Ni. Tepelné zpracování svarových spojů se obvykle nezařazuje, pouze v některých případech se používá rozpouštěcí žíhání s následným rychlým ochlazením. Důležitý je ve všech případech limitovaný tepelný příkon do svaru. 8. SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN Hliník je kov, který má vysokou odolnost proti korozi. Tato odolnost je způsobena vrstvičkou Al 2 O 3, která se vytvoří na povrchu plochy. Tento oxid má vysokou teplotu tání (2050 C) a působí problémy při svařování, protože se v roztaveném kovu nerozpouští. Při svařování se musí ze svařovaného povrchu odstranit. Hliníkové slitiny dělíme do dvou skupin: vytvrditelné zpevněné tvářením (pro zpevnění se hliník obohacuje legujícími prvky Mg, Mn, Si, Fe). Svařitelnost technického hliníku je velmi dobrá, použijeme-li vhodnou technologii. Vhodnými technologiemi jsou metody WIG, MIG nebo i svařování pod tavidlem s použitím tavidla, které odstraní povrchovou vrstvu oxidu. Pro hliník a jeho slitiny jsou vhodné i další technologie, které už nejsou tak běžně používané, jako elektronový paprsek, plazma, tlak za studena, ultrazvuk i elektrický odpor. Problém svařování hliníku představuje rekrystalizace v průběhu svařování, která má za následek růst zrn a tím výrazné snížení mechanických vlastností svarového kovu oproti kovu základnímu. Tento problém se vyskytuje u hlavně u vytvrditelných slitin hliníku. Další problém při svařování hliníkových materiálů je pórovitost svarů a náchylnost na vznik horkých trhlin. Při krystalizaci hliníkového svarového kovu prudce klesá rozpustnost vodíku v hliníku a část vodíku zůstává ve svaru, a k jeho vyloučení dojde až pod teplotou solidu. Vyvolává tak vylučující se póry a bubliny. Při svařování tenkých plechů není nutný předehřev, u větších tlouštěk je naopak předehřev nutný. Teplota předehřevu se pohybuje většinou do 200 C. Přídavné materiály pro WIG svařování jsou pro každou hliníkovou slitinu dány normou. Ochranným plynem je většinou argon s maximální čistotou 99,9 hm. % Ar. Výjimečně se používá i helium nebo padesátiprocentní směs helium- argon. Čistým heliem jako ochranným plynem se svařují 28/62

29 tenké plechy stejnosměrným proudem, jinak se používá střídavý proud, který má navíc čistící účinek na povrch svarového kovu. 9. SVAŘOVÁNÍ MĚDI A JEJÍCH SLITIN Technická měď Při svařování technické mědi vznikají technologické problémy, které souvisí s fyzikálními vlastnostmi mědi a se snadnou tvorbou oxidů. Právě přítomnost kyslíku výrazně ovlivňuje svařitelnost mědi. Měď vytváří s kyslíkem dva oxidy Cu 2 O oxid měďný a CuO oxid měďnatý. Oxid měďný je v lité oceli téměř nerozpustný a vylučuje se na hranicích zrn v podobě křehkého eutektika (Cu + Cu 2 O). Právě toto eutektikum může být příčinou krystalizačních a likvačních trhlin a zhoršuje mechanické vlastnosti svarového spoje. Také přítomnost vodíku může vyvolat pórovitost svarů, bublin a někdy i trhlin. Reakce vodíku na hranicích zrn s Cu 2 O může být příčinou vzniku vodní páry. Vady, které v tomto případě vznikají na rozhraní základní kov svarový kov, způsobují lámavost svarů. Při dosažení kritické hodnoty tlaku vodní páry vznikají v popsané oblasti trhliny. Je to tzv. vodíková nemoc svarových spojů mědi. Velká tepelná vodivost mědi také ovlivňuje podmínky natavení při svařování, do svaru je nutné dodávat větší množství tepla. Rovněž tepelná roztažnost se projeví vyšším růstem vnitřních pnutí po svařování. Technickou měď svařujeme téměř všemi metodami tavného svařování. Nejčastěji používáme svařování plamenem a metody WIG A MIG. U technické mědi s vysokým obsahem kyslíku můžeme použít i tvrdé pájení Při svařování je vždy nutný předehřev ( C podle tloušťky materiálu), měli bychom omezit koutové svary a svařovat přednostně v poloze vodorovné shora. Po svařování musí svarky pomalu chladnout v peci. Při svařování plamenem používáme plamen neutrální nebo jen s nepatrným přebytkem kyslíku, přídavný materiál je ve formě tyček z velmi čisté mědi Cu 99,75 nebo CuAg1. Vhodná tavidla na bázi boraxu a kyseliny borité jsou ve formě pasty. Při svařování metodou WIG se používá stejnosměrný proud, při svařování tlouštěk do 2 mm stejnosměrný pulzující. Tavidlo stejné, jako v předchozím případě, předehřev rovněž a jako přídavný materiál se používá nízkolegovaná cínová bronz s antioxidačními přísadami (Si, Mn,B). Ochranný plyn pro menší tloušťky argon, pro větší tloušťky 50 hm. % Ar + 50 hm. % He. Metoda MIG je výhodná při svařování větších tlouštěk plechů, jinak jsou podmínky stejné jako u metody WIG. Slitiny mědi Mosazi jsou slitiny mědi a zinku. Svařitelnost mosazi je rozdílná od svařitelnosti technické mědi. Vliv kyslíku je zanedbatelný, ale vliv vodíku je obdobný, jako u technické mědi. Způsoby svařování závisí na složení každé dané slitiny. Pro svařování jsou nejvhodnější niklové mosazi (slitina Cu-Zn-Ni). Bronzy jsou slitiny mědi s různými kovy. Názvy jednotlivých bronzů záleží na hlavní leguře, podle toho rozlišujeme bronzy cínové, hliníkové, křemíkové, beryliové, olověné atp. Kyslíko acetylenový plamen oxidační lze doporučit pro svařování hliníkových bronzů. Pokud svařujeme materiály s větší tloušťkou než 4 mm, doporučuje se předehřev a rovněž tavidlo. Jako přídavný materiál se používají mosazné pájky. Niklové bronzy se nejlépe svařují metodou WIG, bez předehřevu. Používá se stejnosměrný svařovací proud. Jako přídavný materiál použijeme materiál stejného složení, jako základní kov. Ochranný plyn v tomto případě argon s vysokou čistotou 99,95 hm.%. 29/62

30 Slitiny mědi je možné svařovat i plazmou s ochrannou atmosférou argonu nebo elektronovým paprskem. Tepelné zpracování před a po svařování Při svařování vytvrditelných slitin mědi je vhodné je svařovat ve změkčeném (homogenizovaném) stavu. Přehled homogenizačních teplot pro některé slitiny mědi: Fosforem dezoxidovaná měď C Mosaz C Hliníková bronz C Fosforová bronz C Beryliová bronz C Doba setrvání na žíhacích i homogenizačních teplotách je kolem 1 hodiny. Tepelné zpracování po svařování předepisuje technolog v následujících případech: pro zvýšení pevnosti svarového spoje (u vytvrditelných slitin) pro zvýšení odolnosti svarového spoje proti koroznímu praskání (u mosazi) na snížení vnitřního pnutí Při žíhání na snížení vnitřního pnutí jsou žíhací teploty pod teplotou rekrystalizace: pro mosazi C pro bronzy kolem 350 C pro slitiny Cu-Ni 550 C 10. SOUČASNÉ TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ 10.1 SVAŘOVÁNÍ METODOU TIG Jedná se o metodu obloukového svařování netavící se wolframovou elektrodou v ochranném inertním plynu TIG ( Tungsten Inert Gas ), nebo často také nazývané WIG ( Wolfram Inert Gas - německy) či GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), která nabízí velmi kvalitní sváry. Při svařování metodou TIG hoří oblouk mezi netavící se elektrodou a základním materiálem. Přídavný materiál ve formě tyčí se přivádí ručně, nebo automaticky do oblasti oblouku. Elektroda a tavná lázeň je chráněna před okolní atmosférou inertním plynem o vysoké čistotě, minimálně 99,995% Jako inertní plyn se používá argon, helium nebo jejich směs. TIG svařovací metoda se stala velmi populární tam, kde je potřeba velmi kvalitních svárů, operativnost použití, automatizace svařovacího procesu, robotizace atd. TIG metoda umožňuje svařování celé řady materiálů jako uhlíkové a nerezové oceli, titan, měď, mosazi, hliník a jeho slitiny, hořčík a jeho slitiny. Metoda a svářečky TIG se rozlišují použitým svařovacím proudem na dva druhy TIG DC a TIG AC. DC - stejnosměrným proudem se svařují oceli, nerezové oceli a barevné kovy mimo hliníku. AC - střídavým proudem, který má obdélníkový průběh se svařuje hliník a slitiny hliníku. 30/62

31 V současnosti se pro svařování metodou TIG používají invertní zdroje proudu řízené mikroprocesorem. Jejich přednosti jsou malá váha, vysoký výkon a především velmi kvalitní a stabilní svařovací proud. Pro příležitostné svařování metodou TIG DC je možné používat také svařovací usměrňovače. Svářečky TIG DC pracují se stejnosměrným svařovacím proudem, který může být konstantní, nebo impulsní. Impulsní proud mění svojí velikost (pulsuje) mezi maximální a minimální hodnotou (Amp) ve zvolené frekvenci (Hz). Používá se z důvodu větší stability hoření oblouku při svařování slabých materiálů velmi malým proudem. U svářeček TIG AC/DC (střídavý a stejnosměrný proud) má střídavý svařovací proud obdélníkový průběh "Square Wave",u kterého dochází ke změně polarity oblouku bez kolísání nastavené hodnoty proudu. Oblouk stabilně hoří a změnou symetrie proudu je možné měnit hloubku průvaru a vyplavování nečistot. Wolframová elektroda výběr a její příprava Protože má wolfram nejvyšší teplotu tavení mezi kovy (3.420 C) jsou elektrody používané pro svařování metodou TIG vyráběny z wolframu čisté, bez příměsí, o čistotě 99,9 %W, nebo legované oxidy kovu thoria - (Th), lanthanu (La), ceru (Ce), zirkonu (Zr) nebo ytria (Y), které jsou v elektrodě rovnoměrně rozptýleny. Přísada oxidů snižuje teplotu ohřevu elektrody o 1000 C, zvyšuje životnost, zlepšuje zapalování oblouku a jeho stabilitu. Wolframová elektroda není spotřebovávaná během svařovacího procesu, ačkoliv se vyskytuje vypalování, eroze a ubývání elektrody tzv. Burn-off efekt. Elektrody jsou chemicky čištěné, broušená na optimální rozměr a následně leštěné z důvodu optimálního tepelného vedení. Průměry elektrod jsou od 0,5mm do 6,4mm. Nejběžněji jsou používány průměry od 2 mm do 3,2 mm dle potřeby. Délka elektrod je od 75 mm do 610 mm, nicméně nejčastěji jsou používány délky 50, 75, 150 a 175mm. Rovněž způsob broušení je velmi důležitým faktorem úspěšného TIG svařování: Wolframové elektrody je nutné před použitím připravit, přesněji - zbrousit do špičky. Hlavním prvkem určujícím úhel zbroušení je svařovací proud, kterým budeme svařovat. 31/62

32 10.2 SVAŘOVÁNÍ V OCHRANNÉM PROUDU PLYNU MIG, MAG. MIG (metal inert gas) je svařování odtavující se elektrodou v ochranném proudu inertních plynů Ar, He. Tato metoda se používá pro vysocelegované a kozozivzdorné oceli a pro neželezné kovy. Ochranná atmosféra chrání rozžhavený kov před nežádoucím vlivem atmosféry, ovlivňuje zapálení oblouku, geometrii svařování i energetickou bilanci. Holá elektroda je současně přídavným materiálem. Teplota v oblouku je vysoká až C a využití tepla až 90 %. Při vysoké proudové hustotě je i vysoká rychlost odtavování, což má za následek hluboký závar při vysoké svařovací rychlosti. Pokud je tavící se elektroda připojena na kladný pól zdroje dostáváme vyšší stabilitu oblouku a nižší ztráty rozstřikem. Díky nízkému obsahu kovů má svařovaný materiál dobré pevnostní vlastnosti SVAŘOVÁNÍ POD TAVIDLEM Zásadní rozdíl je ale v ochraně svarové lázně před oxidací, tedy před přístupem vzduchu. Zatímco u předchozích metod je ochrana zajištěna ochranným plynem, u svařování pod tavidlem zajišťuje ochranu práškové tavidlo. Svarová lázeň je během svařování neustále zasypávána vrstvou tavidla a pod touto vrstvou dokonce hoří i elektrický oblouk. Oblouk tedy vůbec není viditelný, je schován pod vrstvou tavidla a z toho pramení minimální emise škodlivých dýmů a záření. 32/62

33 Část práškového tavidla se působením vysoké teploty taví a posléze tuhne a vytváří ochranný struskový kryt nad tavnou lázní a tuhnoucím svarovým kovem. Zároveň na sebe váže vyplavené nečistoty, může dolegovávat svarový kov a pozitivně působí i na formování svaru. Z roztaveného tavidla se také uvolňují plyny, které vytvářejí ochrannou atmosféru. Oblouk tedy nehoří přímo v tavidle, ale v dutině naplněné plynem, který se z tavidla uvolní. Tavidlo tedy plní podobnou funkci jako obal klasické elektrody. Zbylá, neroztavená, část tavidla se odsává pro další použití. Při této metodě svařování je téměř vyloučeno ruční vedení hořáku svářečem. Vzhledem k tomu, že svářeč nevidí do místa svařování, není schopen korigovat vedení hořáku tak, aby celý proces byl stabilní. Proto se svařování pod tavidlem provádí zcela automatizovaně, a proto také mluvíme a automatickém svařování pod tavidlem (dříve byla u nás běžná zkratka APT). Celá automatizace spočívá v tom, že hořák je umístěn na motoricky poháněném vozíku, pro který se vžilo označení "svařovací traktor" a dále je zajištěna stabilizace oblouku. Svařovací traktor, kromě vlastního hořáku, nese i cívku s drátem a podavač. Dále na něm naleznete násypku na tavidlo a u moderních typů i "vysavač" přebytečného tavidla TŘECÍ SVAŘOVÁNÍ PROMÍŠENÍM ( FSW) Princip třecího svařování s promíšením resp. třecího svařování promíšením resp. třecího svařování s rotujícím nástrojem (Friction stir welding ve zkratce FSW) byl vynalezen a patentován v roce 1991 institutem TWI v Cambridge. Při svařování je využíván rotační nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem (sondou), který se otáčí a pomalu zanořuje do místa spoje. Vzhledem k relativně velkým silám je zapotřebí pevné upnutí spojovaných dílů. Teplo vzniklé třením mezi svařovacím nástrojem a svařencem způsobuje, že materiál svařence může změknout, aniž by dosáhl bodu tavení. Změklý materiál je přenesen na vlečný okraj nástroje a mechanicky překován těsným kontaktem s ramenem nástroje a profilem sondy. Výsledkem třecího svařování s promíšením je nerozebíratelný spoj s nesymetrickými vlastnostmi. Tato skutečnost je dána rotací nástroje v jednom smyslu a má za následek rovněž nesymetrickou podobu vnitřní mikrostruktury 33/62

34 spoje. Pro popis vlastností spoje a vnitřní mikrostruktury je proto velice důležité rozlišovat tzv. vzestupnou a sestupnou stranu spoje. Během svařování dochází v okolí nástroje k velmi složitému toku materiálu. Při pohybu nástroje nejprve dochází těsně před jeho náběžnou stranou k předehřevu materiálu. Ten postupně prochází fází počáteční deformace a následně extruzí. Nejsložitější a nejdůležitější fáze poté probíhá těsně za sondou nástroje v tzv. oblasti spojování, po které již následuje chladnutí. Parametry procesu jako jsou rychlost otáčení nástroje, rychlost posuvu, velikost přítlaku a velikost úhlu náklonu nástroje závisí na konkrétním druhu svařovaného materiálu, typu nástroje, typu a uspořádání spoje. Třecí svařování vysokopevnostní oceli USIBOR 1500 Struktura FSW svaru Schéma rozděluje zónu svaru do následujících oblastí: A neovlivněný základní materiál Oblast dostatečně vzdálená od osy svaru, v níž nebyl materiál svařovaných dílů ovlivněn mechanicky ani tepelně. B TOO-tepelně ovlivněná oblast (HAZ - Heat Affected Zone) Tento region leží zřetelně blíže ke středu svaru než základní materiál. Základním znakem této oblasti je, že není ovlivněna plastickou deformací, ale pouze zvýšenou teplotou. Tepelný proces v těchto místech modifikuje mikrostrukturu a tím i mechanické vlastnosti svaru. C TMOO-termomechanicky ovlivněná oblast (TMAZ - Thermo-Mechanically Affected Zone) Oblast svaru v níž je materiál ovlivněn působícím teplem a plastickými deformacemi. Svařovací nástroj v této oblasti materiál plasticky deformuje, avšak vlivem nízké rychlosti deformace nedochází k rekrystalizaci. D svarový nuget (DXZ - Dynamically Recrystallized Zone, častěji se uvádí weld nugget ) 34/62

35 Uprostřed svaru se vyskytuje zcela zrekrystalizovaná oblast, označovaná nejčastěji jako nugget. Ten se často skládá z jakýchsi vrstev, které se na výbrusu jeví jako řada soustředných oválů (tzv. onion rings, tj. cibulový kroužků). U některých slitin však tento rys nemusí být zřetelný. Tvar nuggetu závisí na použitém materiálu a svařovacích parametrech. Jeho průměr je obvykle o trochu větší než průměr sondy a naopak výrazně menší než průměr unášecího ramene nástroje. Mikrostruktura DXZ oblasti je velice jemná. Velikost zrna závisí na materiálu a svařovacím procesu, ale typicky je menší než 1 μm. SVAŘITELNOST MATERIÁLŮ A JEJICH TLOUŠŤKY Metoda může být použita pro svařování velkého množství materiálů a jejich kombinací. Základní podmínkou je existence optimalizovaného nástroje vyrobeného z materiálu schopného práce při teplotách kování spojovaných částí. V současné době jsou největší zkušenosti především se svařováním hliníku a jeho slitin. Dále jsou uvedeny hliníkové slitiny, jejichž svařitelnost je touto metodou zaručena: hliníkové slitiny třídy 2000 (Al-Cu) hliníkové slitiny třídy 5000 (Al-Mg) hliníkové slitiny třídy 6000 (Al-Mg-Si) hliníkové slitiny třídy 7000 (Al-Zn) hliníkové slitiny třídy 8000 (Al-Li) Výzkumné práce v zahraničí probíhaly především na tvářených materiálech. Přesto i zkoušky svařování součástí typu odlitek-odlitek, odlitek-tlačený profil ze stejných materiálů i jejich kombinací byly úspěšné, a lze je doporučit. Pokračující úspěšný vývoj v oblasti konstrukce a materiálů FSW nástrojů již nyní umožňuje také úspěšně svařovat: měď a její slitiny olovo titan a jeho slitiny hořčíkové slitiny, hořčík s hliníkem kompozitní materiály s kovovou matricí (především pak s hliníkovou matricí) ostatní typy hliníkových slitin třídy (Al-Mn), 4000 (Al-Si), plasty (PS, ABS, PMMA, PC, PPO/PA, PA) měkčí typy ocelí a niklových slitin V současné době je možné z jedné strany na tupo svařovat materiály o tloušťkách 0,8 50 mm (laboratorně 0,3 až 75 mm). V případě větších tlouštěk je nutné provést svařování z obou stran spojovaných součástí (lze pak svařit materiál až o tloušťce 150 mm). 35/62

36 Princip svařování v šesti krocích: (1) vnoření sondy do materiálu (2) prodleva při vnoření (3) pohybem sondy dochází k vytvoření svaru (4) ukončení svaru 5) vytahování sondy (6) úplně vytažená sonda LASEROVÉ SVAŘOVÁNÍ Laserové svařování patří mezi moderní technologie, vytvářející nerozebíratelná spojení součástí. Svary provedené laserem se vyznačují vysokou kvalitou, spolehlivostí a rovněž dobrým povrchovým vzhledem. Laserové svařování je vhodné pro široké spektrum materiálů (železné, neželezné kovy, plasty) vyjímaje keramiku, sklo a jiné materiály, v jejichž struktuře se vlivem vysokých teplotních gradientů tvoří trhliny. Hlavními výhodami laserového svařování oproti konvenčním metodám tavného svařování elektrickým obloukem (MIG/MAG, TIG) je: vyšší procesní rychlost nižší tepelné ovlivnění spojovaných materiálů vyšší ekonomičnost procesu možnost svařování i v polohách s omezeným přístupem k místu svařování snadná automatizace a precizní kontrola svařovacího procesu Proti laserovým svařovacím systémům hovoří především vyšší pořizovací náklady a nutnost zajištění vhodných rozměrových tolerancí polotovarů určených ke svaření. V případech sériové výroby se však vyšší pořizovací náklady laserového systému rychle navrátí, zejména díky značnému zrychlení svařovacího procesu a energetickým úsporám. Technologie svařování materiálů laserem je vhodná tam, kde je nutné zrealizovat velmi náročné precizní svary z hlediska kvalitativního a z hlediska sériové a hromadné výroby při požadavku automatizace tohoto procesu. Hlavními zónami aplikací jsou tedy automobilový průmysl, přesné strojírenství, zbrojní výroba, elektrotechnická výroba (výroba článků, konektory), výroba zdravotnické techniky (zubní technologie, výroba chirurgických nástrojů a medicínských komponent), obrábění tenkých kovových plechů, výroba svařovaných profilů a trubek, tepelných výměníků, hřídelí, 36/62

37 ozubených kol, apod. Lasery lze aplikovat vedle výrobních operací také v opravárenství (vytváření a opravy nástrojů a forem). Přednosti laserového svařování: lehce dosažitelný úzký a hluboký svar u širokého spektra materiálů laserové svařování probíhá s velmi malým vstupem energie na jednotku délky, výsledkem čehož jsou malé deformace, malé zbytkové vnitřní pnutí vzniklé svařováním a malé tepelně ovlivněné pásmo 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 bezkontaktní metoda svařování vysoká kvalita svaru vyšší hloubka průvaru cílené, malé a dobře lokalizované tepelné zatížení svařování při vysokých teplotách možnost zpracování 3D obrysu (vysoká flexibilita) svařovací linka není vidět výsledek je odolný proti opotřebení Materiál vhodný pro svařování: nerezavějící oceli nízkouhlíkaté oceli s obsahem uhlíku do 0,3% bez výrazných znečisťujících příměsí a s nízkým obsahem síry titanové, zirkonové a chromniklové slitiny plasty Většinu materiálů svařitelných běžnými metodami je možno svařovat i laserem, často mnohem rychleji a s lepšími vzhledovými výsledky SVAŘOVÁNÍ PLAZMOU Svařování plazmou (PAW Plasma Arc Welding) je metoda velmi podobna metodě TIG. Vznikla jejím vývojem a zaručuje vyšší produktivitu. Plazmové svařování patři mezi moderní, vysoce produktivní metody obloukového svařování v ochranné atmosféře. Je charakterizováno velmi vysokou koncentraci energie a vysokou pracovní teplotou. Zdrojem tepla pro nataveni vzájemně spojovaných součástí je úzký svazek vysokotlakého plazmatu o teplotě řadově až K, vystupující nadzvukovou rychlosti z trysky plazmového hořáku. Plazmové svařováni je řazeno podle ČSN EN ISO 4063 do skupiny metod obloukového svařování označené číslem /62

38 Princip metody Všechny metody využívající proudu plazmatu, ať na děleni materiálu nebo svařování, s přeneseným nebo přímým obloukem mají společnou vlastnost usměrněny elektricky oblouk. Pojem tepelná plazma byl zaveden fyzikem Langmuirem v roce Při hledáni tzv. čtvrtého skupenství hmoty našel stav, který má určité elektrické vlastnosti a pojmenoval ho plazmou. Tepelná plazma je složena ze směsi elektronů, iontů a neutrálních částic. Molekuly jsou za vysokých teplot disociovány, atomy jsou ionizovány. Energie při tom spotřebovaná se při dopadu na relativně studený povrch materiálu opět uvolni jako rekombinované teplo. Každý oblouk obsahuje uvnitř tepelnou plazmu. Při svařováni plazmou je tento stav hmoty dosažen ve větším rozsahu, větší kontrakci oblouku za vysokých teplot. Rozdíl mezi metodou svařováni WIG a plazmovým svařováním z hlediska hořeni oblouku a teplot v oblouku je patrný z následujícího obr.: Nahoře je plazmový hořák a vedle oblouk metody WIG (TIG). Plazma v tomto případě označuje určitou formu disociovaného a vysoce ionizovaného plynu, která umožňuje hoření elektrického oblouku. Koncentrovaný sloupec tohoto plazmového média vzniká stabilizací elektrického oblouku průchodem chlazenou tryskou. Na vnitřním povrchu stěn trysky pak dochází k rekombinaci ionizovaných částic. Tím se jádro sloupce silně přehřívá a vznikající úzký sloupec plazmového oblouku se projevuje svými specifickými vlastnostmi, jako vysoce zkoncentrovanou energii a axiální dynamickou složkou. Nejúspornějším plazmovým plynem a ochranným plynem je v řadě aplikaci argon. Kombinace Ar + 30 % He umožňuje použití nižší intenzity svařovacího proudu, což se příznivě projevuje na prodloužení životnosti hořáku a elektrody. Směsi plynů s vyšším než 30% podílem helia jsou vhodné pro svařování hliníkových součástí do tloušťky zhruba 8 mm - ve svislé poloze. Podle složeni plazmového plynu lze dosáhnout níže uvedené maximální teploty v plazmovém oblouku: Dusík N K Vodík H K Argon K Hélium K 38/62

39 Vodou stabilizovaná plazma K Přehled používaných plazmových plynů a jejich vlastnosti: Ochranné plyny u svařování vysokolegovaných ocelí, obsahující vodík se používají jen pro svařovaní austenitických ocelí. Pro oceli feritické, martenzitické a austeniticko-feritické se používá směs s dusíkem pro udrženi požadovaného podílu austenitu a feritu ve svaru. Je-li nutné použít přídavný materiál, pak se voli parametry tak, že paprsek plazmatu zaniká v tavné lázni. Přídavný materiál může být ve formě: prášku, drátu a plněných elektrod. Výhody svařování plazmovým obloukem vyšší rychlost svařování menši tepelně ovlivněna oblast, a tím i menši deformace menši převýšeni svaru, a tím i snížení pracnosti následného opracováni svaru svařování bez podloženi kořene 39/62