Analýza CMT svarových spojů

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Analýza CMT svarových spojů Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petr Dostál, Ph.D. Vypracoval: Radek Doležel Brno 2016

2

3 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto práci: Analýza CMT svarových spojů vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů, a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 Autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity o tom, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne 31. května 2016

4 Dovoluji si tímto poděkovat panu Ing. Petru Dostálovi, Ph.D. za jeho odborné vedení při vypracování bakalářské práce na téma Analýza CMT svarových spojů, za poskytnutí cenných rad a odborných informací k mojí práci. Dále Ing. Miroslavu Fruhwirtovi a panu Jaroslavu Ryškovi za cenné praktické rady v oblasti CMT svařování.

5 Abstrakt Bakalářská práce na téma Analýza CMT svarových spojů stručně popisuje svařovací proces a svařovací metody CMT. Jednotlivé kapitoly se zabývají vadami vznikajícími ve svařovaných materiálech a seznamují čtenáře s vybranými nedestruktivními metodami. Důležitou kapitolou je CMT svařovací proces u zvolených tří dvojic materiálu metodou CMT a zhodnocení výhod CMT svařování u heterogenních materiálů (hliníku a oceli). Klíčová slova Svařování, CMT, vady (degradace), nedestruktivní metody testování, akustická emise, heterogenní materiály, hliník, ocel. Abstract Thesis on Analysis CMT welded joints simply describes welding process and CMT welding methods. Individual chapters deal with the emerging defects in the welded materials and inform readers with selected non-destructive methods. An important chapter is the CMT welding process at the selected three pairs of material CMT and CMT welding evaluate the advantages for heterogeneous materials (aluminium and steel). Keywords Welding, defects (degradation), non-destructive testing methods, acoustic emission, heterogeneous materials, aluminium, steel.

6 Obsah 6 Obsah 1 Úvod 10 2 Cíle bakalářské práce Cíle teoretické části práce Cíle praktické části práce Materiál a metodika zpracování Materiál a metodika zpracování teoretické části práce Materiál a metodika zpracování praktické části práce Svařování Svařování MIG/MAG Svařovací zdroj Podávací zařízení Svařovací hořák Ochranné plyny Přídavné materiály Přenos kovu v oblouku Svařovací přípravky Cold metal transfer (CMT) Další technologie CMT Přístrojová technika Aplikace a přednosti Použití Možné vady svarových spojů Vznik svarového spoje Metalurgické reakce při svařování Svařitelnost... 41

7 Obsah Pórovitost Křehký lom Stárnutí Vytvrzování Segregace Anizotropie Vměstky Další vady Defekty ve svarech Trhliny za horka Trhliny za studena Opožděné trhliny Zkřehnutí svarového kovu spoje Teplem ovlivněné oblasti svaru Teplotní vliv na korozi ve svarových spojích Vybrané nedestruktivní metody pro detekci svarových spojů Kontrola svarů Vizuální zkoušky Princip metody Kapilární zkoušky Princip metody Kapilární metody Magnetická prášková metoda Princip metody Metoda vířivých proudů Princip metody Výhody a nevýhody Zkoušky těsnosti... 53

8 Obsah Zkušební metody Infračervené zkoušky Princip metody Ultrazvuková kontrola Princip metody Zkoušky prozařováním Princip metody Metoda akustické emise Princip metody Využití nedestruktivních metod Svařované materiály Hliník (Al) Základní vlastnosti hliníku Hlavní důvody použití metody CMT při svařování hliníku Ocel S253JR Základní vlastnosti oceli S Hlavní důvody použití metody CMT při svařování oceli Použití CMT při svařování vybraných vzorků Hliníkový plech hliníkový plech (svařováno CMT + PULS) Ocelový plech ocelový plech (svařováno CMT) Ocelový plech S235 hliníkový plech (svařováno CMT) Problematika svařování hliníku a oceli Základní princip Požadavky při spojování hliníku a oceli Výsledky Diskuze 78 9 Závěr 81

9 Obsah 9 10 Seznam použité literatury Seznam obrázků Seznam tabulek a grafů 91

10 10 1 Úvod Svařovaní patří mezi nejrozšířenější technologie strojírenské výroby. Pokud budeme uvažovat proces svařování z hlediska podílu ve strojírenské výrobě, zahrnuje asi 6 až 8%. Svařování se tedy významně podílí na procesech výroby ve strojírenském průmyslu. Stálým zdokonalováním svařovacích metod se jejich možnosti rozšiřují a podíl na celkovém výrobním procesu roste. Vývoj a rozvoj nových technologií při svařování vedou k minimalizaci přenosu tepla do svarového spoje, deformaci svařenců a zbytkového napětí po svařování. Snižují se i změny vlastností svařovaných materiálů a množství svarového kovu potřebného pro vznik svarového spoje. Dochází k automatizaci celých svařovacích procesů, která dělá svařovací proces rychlejším a cenově dostupnějším. Cold metal transfer (dále jen CMT ) je moderní svařovací metodou patřící k novému a stále využívanějšímu způsobu pro svařování dvou různých (heterogenních) materiálů, jejich požadované vlastnosti tak lze kombinovat. K hlavním přednostem patří vysoká stabilita svařovacího procesu, jeho vyšší toleranci k chybně opracovaným přípravkům a nižší ekonomická náročnost. Takto vzniklé termické pevné spoje dvou různých materiálů se mohou využívat a využívají především v automobilovém a leteckém průmyslu. Metodou CMT můžeme svařovat materiály s různými chemickými a fyzikálními vlastnostmi a následně je použít právě tam, kde je kladen důraz na jejich specifické materiálové vlastnosti. Při svařování dvou odlišných materiálů mohou a vznikají různé defekty na těchto spojích, jenž je potřeba detekovat a případně se jim zcela vyvarovat vhodnou volbou svařovací metody nebo základní a přídavného materiálu.

11 11 2 Cíle bakalářské práce Hlavním cílem této bakalářské práce je uvedení do procesu svařování, hlavní pozornost je věnována nové svařovací metodě Cold metal transfer (CMT) a možnostem jejího požití při svařování heterogenních materiálů, popis těchto materiálů a nastínění možných vzniku nežádoucích jevů při jejich svařování. Součástí je i stručné seznámení s častými vadami vznikajícími při svařování a nedestruktivními metodami pro detekci svarových spojů. 2.1 Cíle teoretické části práce Shrnout základní poznatky a informace o svařovací metodě CMT. Popsat hlavní výhody v praktickém využití při svařování dvou různorodých kovových materiálů, nastínit možné vady vzniklé při procesu svařování a možnosti jejich detekce za pomoci nedestruktivních metod. 2.2 Cíle praktické části práce Za pomoci CMT metody svařit dvojice běžně svařovaných kovů (hliník a ocel). Svařování proběhne podle předem zvolených svařovacích parametrů na svařovacím přístroji CMT ve společnosti European Data Project s.r.o. Výsledky svařených spojů fotograficky zaznamenat.

12 12 3 Materiál a metodika zpracování 3.1 Materiál a metodika zpracování teoretické části práce Pro vypracování práce jsem využil dostupných zdrojů: odborné literatury, propagačních materiálů soukromých firem, především společnosti FRONIUS Česká republika s.r.o. Z části jsem využil internetových zdrojů, zabývající se problematikou CMT svařování. Využil jsem soukromého archivu pana Jaroslava Ryšky a s jeho svolením použil několik fotografií. V práci se zaměřuji na základní pojmy v oblasti obloukového svařování, především u metody CMT. Další kapitoly seznamují čtenáře s možnými vadami při svařování a následně i s nedestruktivními metodami jejich zjišťování. 3.2 Materiál a metodika zpracování praktické části práce Při svařování zvolených kovových materiálů byl použit přístroj TransPuls Synergic 3200 ABB s rozdílně nastavenými svařovacími parametry, které odpovídají zvoleným materiálům. Údaje o nastavení svařovacích parametrů, použité svařovací metodě byly zaznamenány a jsou uvedena v příslušných tabulkách. Rovněž jsou uvedeny data o základním a přídavném materiálu, zvoleném ochranném plynu a typu svaru. Po svaření byla pořízena fotodokumentace.

13 13 4 Svařování Pojem svařování (někdy označované jako sváření) je proces, sloužící k vytvoření trvalého tedy nerozebíratelného spoje dvou a více částí. Toto spojení nastane, působí-li meziatomární síly a adhezní vazby. Tyto procesy probíhají na teplem nebo tlakem svařováním zasažených plochách. Abychom mohli vytvořit pevný spoj svařovacím procesem, je nutné změnit termodynamický stav materiálů změnou, respektive zvýšením teploty, tlaku nebo obojího. Při této změně dojde k poruše meziatomárních vazeb a jednotlivé atomy jedné látky mohu difundovat mezi atomy druhé látky nebo tvořit vzájemné vazby. Za běžných atmosférických (okolních) podmínek jsou materiály stabilní. Platí zde nepřímá závislost čím více tepla přivedeme, tím nižší tlak musíme vyvinout a naopak. Pro tuto práci je rozhodující svařování tzv. tavné, což znamená přívod tepla během celého procesu svařování a ztrátu tepla během procesu tuhnutí či ochlazování. Pevné materiály mohou mít různé typy vazeb, odpovídající rozložení elektronů a iontů. Uspořádání iontů v atomech funguje na principu nejnižší potencionální energie krystalu. Základem předpokladem vazby je mrak valenčních elektronů volně přecházejících mezi jednotlivými sousedními atomy. V případě svařování se nejčastěji setkáme s kovovou vazbou. Způsob vytvoření kovové vazby je založen na představě kationtů, které obsazují uzlové body strukturní mřížky, jejichž valenční elektrony se volně pohybují strukturou ve formě tzv. elektronového mraku. Tento jev nám také vysvětluje tepelnou, ale i elektrickou vodivost jednotlivých kovů a jejich sloučenin. Při samotné svařování dojde k aktivaci kontaktních ploch, dodání energie pro překonání potenciální energie atomů ve valenční vrstvě. Moderními svařovacími metodami a postupy je možné svařovat kovové (čisté kovy a dnes častěji jejich slitiny), ale i nekovové materiály. Velký důraz ve svařování je kladen na materiály s rozdílnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi (materiály heterogenní). Z výše uvedeného vyplývá důležitost vhodné volby technologie svařování pro typy spojů a materiálů. Během svařovacího procesu vždy dojde ke změně fyzikálněchemických a mechanických vlastností základního materiálu v místě svařováním ovlivněném (svarový spoj). Dodanou energií svařovacím procesem rozumíme dodané teplo (elektrický oblouk, plamen a plasma), plastickou deformaci (tření, výbuch a kování) nebo radiace (elektronové, iontové a fotonové záření). Během svařování se setkáváme s interakcemi více vlivů současně (deformace, difúze atomů a iontů, rekrystalizace původních mate-

14 14 riálů, precipitace atd.). Působení těchto a jiných interakcí závisí na použitých materiálech a metodě svařování. Výsledek kvalitního svarů je pouze destruktivně rozebíratelný spoj. Označení svařovacích metod je uvedeno v normě ČSN EN Tavné svařování. Svařování rozdělujeme na dvě velké skupiny, první skupinou je tavné svařování a druhou skupinou je tlakové svařování. U tavného svařování přivádíme během svařovacího procesu tepelnou energii, která natavuje základní a přídavný materiál a vzniká pevný spoj. 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. (Kubíček 2006). Dochází ke vzniku a růstu zrn, jejichž orientace je proti směru odvodu tepla. Graficky znázorněné jsou kolmo na izotermy. Množství přivedeného tepla během svařovacího procesu ovlivňuje velikost vznikajících dendritů a označujeme tento jev dendritickou krystalizací. Tlakové metody svařování jsou založeny na působení mechanické energie. Aktivací povrchových atomů a makro nebo mikro deformací se přiblíží spojované povrchy na vzdálenost působení meziatomových sil, přičemž vznikne vlastní spoj. (Kubíček 2006). Jak již bylo zmíněno, platí zde přímá úměrnost mezi působením tepla a tlakové síly. Přivedeme-li více tepla, potřebujeme nižší tlak pro vytvoření spoje. U tavných metod svařování se vznikají teplem ovlivněné (roztavené) části. V těchto místech dosahuje teplota rekrystalizačních hodnot, dochází tedy k proměně původního materiálu na materiál svaru. Jeho vlastnosti ovlivňuje základní i přídavný materiál a především jejich chemické, ale i fyzikální vlastnosti. V následující kapitole si stručně představíme metodu MIG/MAG, která dala vzniknout nejen CMT, ale i metodě Laserhybrid. (Kolektiv autorů 2001, Kubíček, J. 2006, Svařování MIG/MAG Svařování MIG/MAG řadíme mezi tavné obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního (MIG) nebo aktivního plynu (MAG). Svařovací technika MIG/MAG znamenala poslední roky skutečný kvantový skok. Svařovací zdroje i procesy doznaly základních zlepšení, v některých oblastech bylo dosaženo zcela nových standardů, technologických principů a nových metod. Iniciátorem těchto inovačních kroků jsou na jedné straně nové materiály a nové aplikace a na druhé straně rostoucí využívání možností mikroelektroniky a digitální techniky. Výsledkem jsou lehčí svařovací zdroje, rychleji reagující řídicí obvody a rovněž zlepšení zapalovacího procesu. Metoda MIG/MAG se hojně používá ve všech průmyslových odvětvích, od hromad-

15 15 né (sériové) výroby nejrůznějších součástí až po svařování rozměrných svarů velkých konstrukcí. Hojně se používá při svařování různých tlouštěk materiálů ve všech polohách. Dosahuje se vysoké produktivity a je velmi vhodná k automatizaci a robotizaci prací. Metodu rozdělujeme na poloautomatické (vedení hořáku) a mechanizované (robotické plně automatizované). Mezi hlavní důvody masového rozšíření metody MIG/MAG patří: široký výběr vhodných přídavných materiálů a stejně tak ochranných plynů, možnost mechanizace a robotizace, především u podávání holého drátu, široký sortiment vyráběných a cenově dostupných svařovacích zařízení, především však významné výhody a charakteristiky uvedené metody svařování. Nejširší uplatnění nachází při ručním, ale i mechanizovaném svařování nízkouhlíkových, nelegovaných a nízkolegovaných ocelí, při použití směsného plynu argonu s oxidem uhličitým nebo v čistém CO 2, kterému se v posledních letech dostává na významu především pro jeho cenovou dostupnost. Svařování metodou MIG/MAG je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou v podobě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře inertního nebo aktivního plynu. Elektrické napájení drátu zajištuje třecí kontakt v ústí hořáku (elektrickým proudem zatížená délka drátu je co nejkratší). Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači, samotným hořákem, nebo kombinací obou systémů z cívky. Ve výrobě se běžně používají cívky o hmotnosti 15 kg. Proudová hustota je u svařování MAG nejvyšší ze všech obloukových metod a dosahuje až 600 A.mm -2. U tenkých plechů se svařovací proudy se pohybují od 30 A, drát dosahuje průměru 0,6 0,8 mm. U mechanizovaných (robotizovaných) metod dosahují svařovací proudy až 800A. Charakter přenosu kovu obloukem závisí na zvolených parametrech svařování vhodných pro konkrétní způsob a zvoleném ochranném plynu. Zkratový je běžný pro tenké svařované materiály, sprchový pro větší tloušťku svařovaného materiálu. U vysokých proudů se dosahuje rotujícího oblouku vlivem působení elektromagnetických sil. Teplota kapek se při MAG svařování pohybuje v rozmezí od 1700 do 2500 C. Přičemž teplota tavné lázně se nachází mezi 1600 až 2100 C. Teplotu ovlivňuje několik významných faktorů jako zvolená technologie, hodnoty nastavených parametrů při svařování, chemickém složení a fyzikálních vlastnostech základního i přídavného. Vysoké proudy umožňují svařovací rychlost až 25 mm.s -1. Rychlost kapek přenášených obloukem může přesáhnout hodnotu 130 m.s -1. Plyn pro ochrannou atmosféru volíme podle druhu svařovaného materiálu a jeho vlastností. Jeho volba však ovlivňuje přenos kapek v oblouku, množství rozstřiku, rozsah a vliv chemických reakcí a teplotní poměry

16 16 v oblouku (Jisrka, M. 2014, Mášová, P. 2009, Ondrejček, P. 2003, Kubíček, J. 2006). MAG (Metall Active Gas) označuje poloautomatické svařování kovů v ochranné atmosféře aktivního plynu. Úkolem plynu je chránit svarovou lázeň proti účinkům okolní atmosféry a ovlivňovat chemickou reakci, která zde probíhá. Plyn je tedy aktivním činitelem svařovacího procesu a reakcí probíhajících v roztaveném kovu (Technologie I. 2010, MIG (Metall Inert Gas) označuje poloautomatické svařování kovů v ochranné atmosféře inertního (netečného) plynu. Netečný plyn tedy nemá žádnou jinou funkci než ochrannou. Nezasahuje do žádné z chemických reakcí, pouze izoluje svarovou lázeň od vlivů okolní atmosféry. V celosvětovém měřítku patří k nejpoužívanějším metodám svařování u nelegovaných nebo nízkolegovaných ocelí (Technologie I. 2010, Kubíček, J. 2006). Princip metody vyplývá z obr. 1 a 2 kovová elektroda ve formě drátu (2) je plynule podávána do svařovacího hořáku (7). Proud se přivádí do elektrody kontaktní špičkou (9) našroubovanou do hořáku, která je spojena s kladným pólem proudu zdroje. Nekonečná elektroda ve formě drátu se posouvá do místa svaru konstantní rychlostí mechanizovaným podávacím zařízením (4). Mezi elektrodou a základním materiálem hoří oblouk (1), ve kterém se elektroda taví a kov se přenáší do svarové lázně (12). Ochranný plyn (10) se přivádí do místa svaru plynovou hubicí (11), vytváří soustřednou plynovou obálku oblouku, která chrání svarovou lázeň před nežádoucími účinky okolní atmosféry (Kolektiv autorů 2001, Jiskra, M. 2014). Obr. 1Základní schéma svařování metodou MIG/MAG Zdroj: Kolektiv autorů (2001)

17 17 1 elektrický oblouk, 2 drátová elektroda, 3 zásobník drátu, 4 podávací kladky, 5 rychloupínací spojka, 6 hořákový kabel, 7 svařovací hořák, 8 zdroj svařovacího proudu, 9 kontaktní svařovací průvlak, 10 ochranný plyn, 11 plynová tryska, 12 svarová lázeň (Kolektiv autorů 2001) Obr. 2 Schéma svařování metodou MIG/MAG Zdroj: Křivošík, M. (2006) Svařovací zdroj Jako svařovací zdroj se často používají: 1) Jednofázové nebo třífázové usměrňovače s plochou statickou charakteristikou Vhodné pro opravárenské a zámečnické práce. Jednoduchá regulace napětí, nastavení posuvu drátu a průběhu svařování (plynulé, bodové, intervalové) se provádí pomocí ovládacích prvků. Dalším ovládacím prvkem je přepínač dvoutaktu (sepnutí spínače na hořáku zahájí svařování a vypnutí spínače proces zastaví) a čtyřtaktu (první sepnutí spínače zahájí svařování, druhé proces ukončí). Dražší typy usměrňovačů mohou být navíc doplněny o digitální ampérmetr a voltmetr, předfuk, dofuk apod. 2) Středofrekvenční tyristorové nebo vysokofrekvenční tranzistorové střídače invertory Podstatně menší a lehčí než klasické usměrňovače a navíc umožňují pulzní svařování. Invertory řízené mikroprocesorem řadíme do skupiny tzv. synergických zdrojů. Mikroprocesor je schopen po zadání průměru drátu, druhu plynu, typu svařovaného materiálu a jednoho parametru (hodnota proudu, tloušťky svařovaného materiálu nebo

18 18 velikosti koutového svaru) automaticky nastaví zbývající svařovací parametry. Umožňuje nastavit a uložit několik svařovacích programů. Výhodou je až o 10% efektivnější využití elektrické energie. Připojením k počítači získáme záznamové médium, umožňující vyhotovit technickou dokumentaci (Jiskra, M. 2011) Podávací zařízení Je elektromotor s převody, posouvající drát za pomoci dvojic kladek. Minimálně jedna kladka musí být poháněná motorem, na ní je za pomocí pružiny přitlačována tzv. přítlačná kladka. Drát prochází mezi kladkami a díky přítlaku a adhezi je posouván vpřed. Podavače drátu mohou být buď pevně integrované do zdroje, nebo mohou být snímatelné. Důležitým rozhodovacím faktorem volby podavače drátu či samostatného svařovacího zdroje je počet kladek, které podávají svařovací drát. Svařovací zdroje mohou být vybaveny buď dvou-kladkovým (nejběžnější) nebo čtyř-kladkovým podavačem jsou vyobrazeny na obr. 3 a 4. Dvou-kladkové podavače nejsou vhodné pro měkké dráty (např. Al a bronz) a plněné elektrody. Zvýšením počtu kladek je zajištěno optimální dodávání drátu během procesu svařování, zvýší se adheze, omezí se prokluz drátu. Je tedy možné podávat drát vyšší rychlostí a tedy svařovat většími proudy. Speciálním případem je metoda Push-Pull. Kladky v podavači drát tlačí a kladky, které jsou součástí svařovacího hořáku, drát táhnou. Touto metodou lze drát podávat až na vzdálenost 10m. Zásobník je součástí podavače. Při změně průměru drátu je nutné kladky vyměnit či kladku otočit. Často bývají na jedné kladce drážky pro dva průměry drátu. Obr. 3 Podavače drátu - Klasický dvou-kladkový podavač (s odklopeným přítlakem) Zdroj: (2008)

19 těleso podavače, které nese motor a další díly, 2 - elektromotor se šnekovou převodovkou, 3 - odklápěcí raménko přítlaku, 4 - hladká přítlačná kladka s pohonným ozubením, 5 - motorem poháněná kladka s drážkou a ozubením pro pohon přítlačné kladky, 6 - regulační šroub s pružinou uvnitř pro nastavení přítlačné síly. Obr. 4 Podavače drátu - Klasický čtyř-kladkový podavač Zdroj: (2008) Svařovací hořák Svařovací hořáky (obr. 5) zabezpečují při svařování: přívod svařovacího proudu na tavící se elektrodu (drát) přes kontaktní špičku, dodávku ochranného plynu do místa svaru přes dýzu hubici, dodávku drátu do místa oblouku a průtok chladicí kapaliny ke špičce a dýze (pro hořáky chlazené vodou). Polohy hořáku při svařování ukazuje obr. 6. Ruční svařovací hořáky dělíme podle způsobu jejich chlazení: a) plynem, b) kapalinou (vodou). Chlazení vodou se využívá při svařování vyššími svařovacími parametry v dlouhých provozech. Tyto hořáky mohou být vybaveny dálkovým ovládáním, případně i jednoduchým displejem. Další skupinou jsou hořáky se systémem podávání Push-Pull, hořáky zajišťující odsávání zplodin z místa svařování, nebo hořáky určené speciálně pro robotizované svařování. Svařovací hořáky pro robotizované svařování se vyrábí v provedení pro svařování jednou drátovou elektrodou nebo dvěma drátovými elektrodami tzv. tandemový hořák (Barták, J. 2002,

20 20 Obr. 5 Svařovací hořák s vodním chlazením Zdroj: (2016) Obr. 6 Polohy svařování Zdroj: (2016) Ochranné plyny Funkce ochranných plynů je zabezpečit ochranu netavící se elektrody, svarové lázně a blízkého okolí v průběhu svařovacího procesu proti vlivům okolní atmosféry, především proti oxidaci způsobenou volným kyslíkem (zamezit přístupu vzduchu do místa svařování), nahromadění plynů, pórovitosti a propal prvků. Současně ochranný plyn vytváří příznivé podmínky pro zapálení oblouku a také zajištuje jeho vyšší stabilitu, přenos tepla do svaru i jeho tvarování. Ochranné plyny se liší svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Ochranný plyn může kladně, ale i negativně ovlivnit výsledek celého svařovacího procesu a to jednak vizuálně, ale i tvorbou nežádoucích defektů ve svarech. Zvolení vhodného ochranného plynu a jeho množství ovlivňuje charakteristiku svařování:

21 21 Vytvořením ionizovaného prostředí (důležité pro zapálení oblouku a jeho hoření), Ovlivňuje metalurgické děje v celém průběhu svařování (tvoření kapky, při přenosu kapky obloukem a ve svarové lázni, Působí na síly v oblouku (ovlivňuje tvar a rozměry oblouku), Charakterizuje přenosu kovu v oblouku, tvar a rozměry a rychlost přenášení kapek v oblouku, Vizuální podobu sváru (tvar a rozměry průřezu sváru, barvu svaru), Přechodnou mezi svarem a základním materiálem (drsnost), Mechanické (fyzikální) vlastnosti, výslednou kvalitu a celistvost. Vývoj použití ochranných plynů při svařování metodou MAG vede přes jednoprvkové (CO 2 ) k dvouprvkovým (CO 2 + Ar) a nakonec ke tříprvkovým (CO 2 + Ar + He) a čtyř-prvkovým (CO 2 + Ar + He + O 2 ). Jedná se o aktivní plyny (Activ gas) ovlivňují chemické složení svarového kovu. Při svařování metodou MIG se většinou používá čistý plyn Ar nebo He nebo jejich směs. Inertní plyny (Inert gas) - Ar, He a jejich směsi chemicky nereagují se svarovou lázní a propal prvků je minimální. Používají se především pro svařování sloučenin hliníku, niklu a mědi (Kubíček, J. 2006). Argon (Ar) je jednoatomový plyn, bezbarvý, bez chuti a zápachu, který je inertní a nevytváří se žádným prvkem chemické sloučeniny. Vyrábí se destilací zkapalněného vzduchu, kde teplota varu argonu při atmosférickém tlaku je 185,8 C. Ve vzduchu je argonu 0,934%. Argon má malou tepelnou vodivost (obr. 6) a relativně nízký ionizační potenciál 15,8 ev. Z těchto důvodů se oblouk v argonu dobře zapaluje, má vysokou stabilitu i při relativně velké délce, umožňuje vysokou proudovou zatížitelnost a sloupec oblouku dosahuje vysokých teplot. Hustota argonu je 1,784 kg.m -3 je tedy asi 1.4 krát těžší než vzduch a to přispívá k efektivnosti a velmi dobré schopnosti plynové ochrany především v poloze PA. Má nízkou citlivost na proudění vzduchu. Dnes vyráběná a běžně nabízená čistota plynu je označována 4.5 tj. 99,995 %. Materiály s vysokou afinitou ke kyslíku jako je titan, tantal a zirkon však vyžadují ochranu plynem vyšší čistoty např ,998 %, nebo ,999 %. 0chranu argonu lze použít pro všechny svařitelné materiály a jeho použití je nejběžnější i z cenových důvodů. (Kubíček, J. 2006).

22 22 Helium (He) je stejně jako Ar jednoatomový inertní plyn, bez barvy a zápachu. Vyrábí se separací z některých druhů zemního plynu, kde se He vyskytuje v množství kolem 1%. Helium je velmi lehký plyn s hustotou 0,178 kg.m -3 a tato skutečnost snižuje efektivitu plynové ochrany a proto vyžaduje pro dokonalou ochranu svaru vyšší průtok plynu. Helium se vyrábí s velmi vysokou čistotou min. 99,996 % s limitovaným obsahem nečistot kyslíku, dusíku a vodní páry od 5 do 20 ppm (ppm je desetitisícina procenta). Helium má podstatně vyšší tepelnou vodivost než argon obr. 7 Ionizační potenciál helia 24,6 ev je také vyšší než u argonu a proto se oblouk obtížně zapaluje a je nestabilní při větší délce oblouku. Prakticky se uplatňuje při procesu MIG/MAG směs Ar + He při svařování Al, Ni, Cu a jejich slitin. (Kubíček, J. 2006). Obr. 7 Tepelná vodivost komponentů ochranných plynů Zdroj: Kubíček, J. (2006) Přenos tepla v oblouku velmi vysoký (dobrý tepelná vodivost), proto se směsi s He používají pro svařování materiálů s vysokou tepelnou vodivostí a větších tloušťek především Al a Cu a jejich slitin. Použitím helia ve směsi s argonem se zvýší hloubka závaru a zvýší rychlost svařovaní. Svařování v čistém heliu vyžaduje také zdroje s vysokým napětím naprázdno až 100V a zapalování oblouku se provádí pod ochranou atmosférou Ar. He je velmi vhodné také pro mechanizované způsoby svařování. (Kubíček, J. 2006). Směsi argonu a helia tvoří samostatnou skupinu inertních plynů. Ve směsi jsou spojeny výhodné vlastnosti obou plynů a pro svařování WIG se nejčastěji požívají tyto kombinace 70% Ar + 30% He, Ar-He 50/50, 30%Ar + 70% He. Se stoupajícím obsahem helia se zvyšuje napětí na oblouku a tepelný výkon oblouku, což se pozitivně projevuje na tvaru a rozměrech svaru. Při svařování v uvedených směsích se zvyšuje rychlost svařování, hloubka závaru, nebo lze snížit předehřev kovů s vysokou tepelnou vodivostí. V dnešní době jsou směsi namíchány již v tlakových lahvích a směšovací zařízení se používá vyjímečně. Směsi argonu a helia se používají především pro svařování mědi a hliní-

23 23 ku ručním nebo strojním způsobem a pro ostatní kovy se doporučují pro mechanizované svařování větších tloušťek. Např. rychlost svařování slitiny hliníku ve směsi Ar-He (50/50) se zvýšila o 100% oproti čistému argonu. (Kubíček, J. 2006). Směsi argonu a vodíku podobné vlastnosti jako argon s heliem má i směs argonu s vodíkem, který zlepšuje díky velmi vysoké tepelné vodivosti energetickou bilanci oblouku. Přídavkem vodíku 5 až 10% se zlepšuje také čistota povrchu svaru díky redukci oxidů. Vodík se však může používat jen pro svařování vysoce legovaných austenitických a austeniticko-feritických Cr-Ni oceli, nebo niklu a jeho slitin. Podílem až 10 % vodíku se zlepšuje tvar a hloubka závaru i rychlost svařování o %. Směs s vodíkem se nesmí použít pro svařování martenzitických i feritických Cr-Ni ocelí, poněvadž způsobuje praskavost za studena a pro svařování hliníku a mědi z důvodu nebezpečí vysoké pórovitosti svaru. Díky redukčnímu charakteru vodíku je povrch svaru bez oxidů a nečistot. (Kubíček, J. 2006). Směsi argonu s dusíkem, N dvouatomový plyn s vyšší tepelnou vodivost. Přenáší do svarové lázně větší podíl tepla. Běžný obsah dusíku se pohybuje kolem 10% a používá se především pro svařování mědi a její slitin (Kubíček, J. 2006). Formovací plyny pro ochranu kořene svaru se používají proti oxidaci kořene svaru a vysokovyhřáté oblasti okolního základního materiálu. Používají se plyny inertní, redukční nebo nereagující se svařovaným materiálem. Pro svařování vysokolegovaných austenitických ocelí a niklových slitin můžeme jako formovacího plynu použít směs Ar s 2 až 10 % H nebo N s 5 až 20 % H. Tyto slitiny nejsou náchylné na vodíkovou křehkost. Všechny ostatní materiály Ti, Zr, martenzitické a feritické oceli atd. z důvodů nebezpečí vzniku trhlin nebo pórovitosti vlivem vodíku musíme chránit inertními plyny He, Ar. Při svařování trubek nebo dutých těles ve svislé poloze se musí formovací plyn těžší než vzduch Ar přivádět do spodní části svařovaného úseku, aby tvořící se plynový válec vytěsnil vzduch bez promísení směrem nahoru. Ze stejného důvodu se v případě lehčího plynu - dusík + vodík, nebo helium přivádí plyn do horní části a vytlačuje vzduch spodem (Kubíček, J. 2006). Oxid uhličitý (CO 2) se používá pro jeho metalurgické účinky na svarovou lázeň a vysokou tepelnou vodivost. Tato vlastnost rozšiřuje a prohlubuje závar. Svařování v čistém CO2 se používá hlavně v oblasti zkratového procesu nižšími proudy při svařování nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí. Nedá se aplikovat při svařování sprchovým přenosem.

24 24 Kyslík (O 2 ) přidávaný do moderních třísložkových směsí zajišťuje snížení povrchového napětí taveniny a lepší stabilitu elektrického oblouku. Dosahuje se tím dokonalého přechodu svaru do základního materiálu a hladké kresby svarové housenky. Důsledkem sníženého povrchového napětí je tvorba jemného rozstřiku, který neulpívá na svařenci a šetří tak náklady na dokončovací operace. Přídavek kyslíku též příznivě působí na přechod do sprchového režimu přenosu svarového kovu (Ondřejek, P. 2003, Jiskra, M. 2011, Kolektiv autorů 2001, Rohan, P. 2009, Dvořák, M. 2004) Přídavné materiály Při svařování různých kovových materiálů metodou MIG/MAG se používají přídavné materiály ve formě plného drátu nebo plněného drátu (trubičkového drátu). Trubičkový drát je tvořen páskou svinutou do kruhového průřezu nebo tenkostěnnou trubičkou, s vnitřní náplní tavidla (rutilovou nebo bazickou) či kovového prášku, případně i s potřebnými legurami. Při svařování plní přídavné materiály tyto funkce: doplňují objem svarové lázně a zajišťují tak svary požadovaného tvaru a průřezu, nahrazují prvky, které při svařování snížily svoji koncentraci ve svaru, zabezpečují dodávku legujících prvků, dezoxidačních přísad do svaru s cílem zlepšit vlastnosti svarového kovu. Pro zabezpečení těchto funkcí musí mít přídavné materiály následující vlastnosti: vhodné chemické složení, vhodný průřez (průměr) drátu, vysokou čistotu a hladkost povrchu, přiměřenou tvrdost a tuhost, požadované rozměrové a tvarové tolerance. Dráty plného průřezu pro svařování ocelí se vyrábí v průměrech: 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,6 mm a pro svařování neželezných kovů: 0,8; 1,0; 1,2; 1,6; 2,4 mm. Pro zlepšení vedení proudu z kontaktní špičky svařovacího hořáku a pro zabránění korozi při transportu a skladování se povrch přídavného drátu pokrývá tenkou vrstvičkou.

25 25 Trubičkové dráty plněné vhodnými přísadami se dělí podle chemického složení náplně na elektrody s náplní: rutilovou, bazickou, kovovou, fluoriovou, struskotvornou, dezoxidační a ionizační. Trubičkové dráty se běžně dodávají na cívkách o hmotnosti 5 až 16 kg podle druhu a průměru. Přídavné materiály pro svařování musí vyhovovat svými mechanickými, metalurgickými, korozními a operativními vlastnostmi požadavkům na kvalitní svarový spoj. Volba přídavných materiálů se řídí: použitým základním materiálem, zvolenou metodou svařování, schválenou specifikací postupu svařování WPS, požadovaným stupněm jakosti, konstrukčním uspořádáním svarku. (Barták, J. 2002, katalog přídavných materiálů, Jiskra, M. 2014, Technologie I 2010, Přenos kovu v oblouku Způsob přenosu kovu z elektrody přes oblouk do svarové lázně ovlivňuje jeho stabilitu, rozstřik, schopnost svařovat v polohách, tvar a kvalitu povrchu nanesené housenky, ale i mechanické vlastnosti svarového kovu. Nejčastěji používané způsoby: Krátký oblouk se zkratovým přenosem kovu - oblouk se přerušuje zkratem, díky kterému dochází k přerušování oblouku a oddělení části kovu elektrody. Drát se přiblíží do zkratu dříve, než vznikne kapka kovu. Při nízkých proudech a vysokém napětí je frekvence kapek malá a rozstřik velký. Zvolený vysoký proud způsobuje nepravidelné prskání. Zkratový proud můžeme používat ve všech ochranných plynech. Při některých plynech stačí upravit napětí, je rozdíl například mezi oxidem uhličitým a směsí Ar+CO 2.

26 26 Zkratový přenos kovu do lázně probíhá při nižších hodnotách svařovacího proudu (50 až 200 A), napětí se pohybuje v rozsahu (14 až 22 V). Konec drátu se přiblíží ke svařovanému materiálu, přičemž dojde ke zkratu. Rostoucím odporem se drát zahřívá a vlivem elektromagnetických sil dojde k vytvoření kapky. Zkratový přenos provází výrazný rozstřik svarového kovu. Stabilita procesu závisí na správném nastavení napětí a rychlosti podávání drátu. Zkratový přenos je vhodný pro svařování tenkých materiálů (plechů). Krátký oblouk se zkratovým přenosem umožňuje svařovat tenké plechy od 1 mm s vysokým výkonem a vysokou rychlostí. Drát je tlačen pod velkým úhlem při vysoké podávací rychlosti. Čas na tvorbu velké kapky je ještě menší než u předchozího přenosu. Je doporučeno zvýšit průtok plynu kvůli vzdálenosti plynové trysky od materiálu. Svařování se provádí ve směsi Ar + 8% CO 2. Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem se používá pro výplňové housenky svarů středních a velkých tloušťek při vyšších hodnotách proudu (nad 300 A). Povrch svarové housenky je hladký s plynulým přechodem. Umožňuje svařování ve více polohách. Přenos tepla je vysoký, proto jej můžeme rozeznat velkou hloubkou závaru. Při svařování CO 2 se nedoporučuje. Lze jej provádět při směsích s Ar + CO 2, Ar, O 2. Zvukově ho můžeme rozeznat podle syčení, které je občas přerušené. V pásmu mezi zkratovým a bezzkratovým přenosem kovu se nachází tzv. přechodová oblast přenosu kovu, která se vyznačuje tvorbou velkých kapek, které se do svarové lázně uvolňují vlivem gravitační síly. V této oblasti probíhají nepravidelné zkraty a nestabilní hoření oblouku. Hodnoty proudu jsou v rozmezí od 190 do 300 A a napětí v rozmezí 22 až 28 V. Díky výraznému rozstřiku se tento přenos nedoporučuje používat. Pulzní bezzkratový přenos jehož průběh je řízen elektronicky. Základní proud je nízký kolem 30A a udržuje ionizaci sloupce oblouku. Průběh se tvaruje v závislosti na druhu materiálu. Obsahuje nízkou frekvenci impulzů pro dosažení optimální velikosti kapky kovu. Proces se vyjadřuje minimálním přenosem tepla a minimálním rozstřikem. Při svařování hliníku a jeho slitin je možné svařovat plechy až 0,8 mm. Na obr. 8 Je zakreslena poloha oblouku při CMT svařování, který se nachází v blízkosti zkratového oblouku. Jak je vidět svařovací parametry proudu a napětí CMT oblouku jsou blízké klasickému zkratovému oblouku. Ovšem chování oblouku je naprosto od-

27 27 lišné díky aplikování moderního invertorového zdroje s technologií zpětného pohybu drátu ( Mohyla, P. 2006, Jiskra, M. 2011, Kubíček, J. 2006, Obr. 8 Vyznačení jednotlivých typů oblouků. Zdroj: (2016) Svařovací přípravky Opomíjenou a přesto stále více důležitou součástí automatizovaného (robotického) svařování jsou svařovací přípravky zohledňující dostupnost všech svarů na jedno upnutí při svařování. Přípravky jsou vhodné pro robotické svařování (Obr. 9), pro kontrolu vyrobených kusů a pro obrábění. Nároky na robotické přípravky jsou zejména: rychlá výměna přípravků na polohovadle robota, vyvážení přípravku při ruční manipulaci, redukce hmotnosti, přesné, pevné a nezaměnitelné upnutí všech dílů budoucí sestavy do přípravku, dostupnost svarů v optimálních svařovacích polohách pro hořák svařovacího robota, navržení a zpracování přípravku s ohledem na jeho opotřebení, možné propojení s řídícím mechanismem robota, rozebiratelnost přípravku a jiné využití pro komponenty, ergonomie, dostupnost ovládacích prvků pro obsluhu, definované měrné body a body work-object = snadný převod programů na jiná robotický přístroj (

28 28 Obr. 9 Robotický přípravek Zdroj: (2016) 4.2 Cold metal transfer (CMT) CMT je moderní spojovací technikou uspokojující prudce narůstající nároky na proces svařování stejných, ale i různých materiálů, jehož vývoj trval několik let a stále se zdokonaluje. Začátek CMT svařování spadá do roku 1991, kdy Rakouská firma Fronius zdokonalila metodu MIG/MAG. Rozhodnou roli hrají důležitá kritéria jako stabilita, reprodukovatelnost a hospodárnost. V současnosti slibuje zajímavé perspektivy svařování kombinující specifické vlastnosti dvou a více různých materiálů. Kombinace materiálů propůjčují příslušnému dílu nebo výrobku požadované vlastnosti více materiálů a využívají tak jejich výhod. Realizace těchto spojů byla do nedávna možná pouze mechanickými prostředky nebo jako lepené spoje. Velkou pozornost dnes budí termické spojování materiálů s různými vlastnostmi. Veledůležité jsou spoje hliníku a oceli, které především uplatňují ve výrobě motorových vozidel a vytvářejí předpoklady pro dosud netušené inovace. Metoda CMT je výsledkem postupného zdokonalování a přizpůsobování metody MIG/MAG potřebám spojování hliníku a oceli. CMT umožňuje dobře řízený, téměř bezproudový přenos materiálu do svaru. Jako příklad uvedu, použití základního hliníkového materiálu, který se taví společně s hliníkovým přídavným materiálem, přičemž smá-

29 29 čí pozinkovaný ocelový materiál. Svařovací drát se přitom pohybuje ve velmi rychlých intervalech proti směru svého posuvu. Důsledkem zpětného posuvu je kontrolované uvolnění kapky během zkratu. Mechanismus pohybu drátu znázorňuje obr. 10. Zkrat je kontrolován a proud udržován na nízké hodnotě. Dochází tedy k velmi rychlým změnám délky oblouku a tím i napětí na oblouku. Tepelný příkon je tedy možné ovládat délkou trvání oblouku. Oblouk do materiálu teplo jen po krátkou dobu, kdy hoří. Výsledkem je tedy čistý a bez-rozstřikový přechod materiálu. Tyto pohyby drátu probíhají při vysoké frekvenci (90 až 130 x za sekundu), vyžadují rychlý bezpřevodový pohon drátu přímo na hořáku (hlavní podavač drátu nedokáže tuto rychlost vyvinout). Hadice je tedy součástí zajišťující transport drátu je proto opatřená tzv. pufrem (vyrovnávacím členem - absorbérem). Pufr vyrovnává (absorbuje) přídavné pohyby drátu v jednom i druhém směru ( Pickin, C.G. 2011). Obr. 10 Princip CMT - pohyb drátu Zdroj: (2016) Studený svařovací proces jak je CMT často označován, dosahuje nejlepší pracovní výsledky u všech materiálů. Těchto výsledků dosahuje pro nejstabilnější oblouk na světě a pro exaktní řízení svařovacího procesu. Aby se toho dosáhlo, proces CMT využívá skutečný studený proces. Přesněji řečeno dochází k neustálému střídání vysokoteplotní a studené fáze. To je v důsledku cesta k perfektním pracovním výsledkům a téměř neomezeným možnostem, k nimž patří svarové a pájené spoje beze stop rozstřiku, svarové spojování ocele s hliníkem, svařování tenkých plechů od síly 0,3 mm. Proces svařování CMT tavící se elektrodou v ochranné atmosféře střídá horkou fázi hoření oblouku (taví se drát i základní materiál) a studenou část procesu (po kontaktu nataveného drátu s tavnou lázní se snižuje intenzita proudu a drát se vrací do hubice) znázorněno na obr. 11. Během tohoto cyklu se odděluje kapka prakticky bez rozstřiku za nízké hodnoty vneseného tepla do svaru. U některých materiálů může být

30 30 přenos tepla snížen až o 30% proti procesu MIG/MAG. Dochází tak k mnohem menší deformaci svařovaného materiálu. Celý proces je digitálně řízený a zpětný pohyb drátu je velice rychlý. Je docíleno konstantní vzdálenost při svařování a stejný rozměr housenky bez ohledu na podmínky svařování (měnící se rychlost svařování, proměnlivý výlet drátu zapříčený lidským faktorem. Obr. 11 Průběh svařování u CMT oblouku Zdroj: (2016) CMT svařovací proces umožnuje dosáhnout nízkého tepelného zatížení, výbornou přemostitelnost spáry i nad 2,5 mm a velmi malou tepelné deformace (zejména při spojování hliníku a ocelí), tak aby se co nejvíce snížila potřeba následného opracování. Důležitosti i významu nabývají konstrukce z různých materiálů především v automobilovém a leteckém průmyslu. Požadavky jednotlivých průmyslových odvětví na spojovací technologie jsou stále sofistikovanější. Rostoucí nároky v obloukového svařování jsou kladeny především na oblast svařování tenkých plechů (< 2mm). Proces CMT umožňuje spojovat automatizovaným procesem, bez podložky tupým svárem tenké hliníkové plechy (0,8 mm) svařovacími rychlostmi kolem 33 mm.s-1. Z praxe mám informace, že jsou svářeči schopni svařit v ruce hliníkové plechy o tloušťce 0,6 mm. CMT proces je hojně využívaný v mechanizovaného nebo robotizovaného spojování plechů z ušlechtilých ocelí o tloušťkách do 1,5 mm. Nabízí značné možnosti v automatizaci díky nízkému tepelnému zatížení z hlediska metalurgie a v důsledku výborné stability oblouku. Velkou úlohu má i spolehlivosti celého pracovního procesu. Při svařování Al je možné dosahovat mnohem vyšších rychlostí až nad 150 mm.s-1. Řízením svařovacího procesu se minimalizuje promísení výplňového materiálu drátu se základním materiálem a tím se snižuje dopad koroze ve svaru (Kubíček. J, 2006, Vaculka. J, 2014,

31 31 Shrnutí hlavních výhod CMT procesu: Vysoce stabilní oblouk, Minimální rozstřik až o 99% u oceli, Vysoká přemostitelnost bez nutnosti použít svarové podložky (Obr. 12, 13), u hliníku až 2,5mm, Až o 50% nižší promísení základního a přídavného materiálu, šetření nákladů, Minimální deformace svařence díky nízkému vnesenému teplu, až 90% u svařování hliníku metodou TIG, Robotické svařování - bez odborné obsluhy, Reprodukovatelnost spoje tolerance technologie spojování vůči nepřesnostem výrobních polotovarů). Vyšší svařovací rychlost, až 10x rychlejší při zachování stejné kvality svaru, Minimum dokončovacích prací (méně broušení, leštění, rovnání a další). (Dvořák, M. 2004, Weld+vision 2005, 2006, 2008, Kolektiv autorů 2001, Pickin, C.G. 2011, Obr. 12 Vysoká přemostitelnost Zdroj: Obr. 13 CMT Advanced pulse (AlSi5 1,2mm), AlMg3, 100% Ar, mezera 2,6mm Zdroj: (2016)

32 32 Oblast použití CMT Svařování tenkých plechů již od tloušťky 0,3 mm (ocel, AL, Cr-Ni atd.), Pájení elektrolyticky nebo žárově pozinkovaných plechů, Svařování plechů s rozdílnými tloušťkami, Plátování při nízkém smísení se základním materiálem, Překlenutí mezery, spáry (Obr. 14), Spojování pozinkované oceli (pájený spoj) s Al (svarový spoj) s požadavkem na zinkovou vrstvu > 10 μm. (Obr. 15, 16). Obr. 14 Tenký ocelový plech (S235) před a po svaření CMT Zdroj: Archiv Jaroslav Ryška (2014) Obr. 15 Spojení ocel - hliník Zdroj: (2016)

33 33 Obr. 16 Spojení oceli hliník (makro fotografie) Zdroj: (2016) Další technologie CMT U CMT svařování se setkáváme s tzv. CMT pulsem což je proces kombinace pulzního cyklu s CMT cyklem (Obr. 17). Následkem toho vnáší větší množství tepla. Cíleně nastavitelný podíl pulzů umožňuje enormní šíři výkonů a zajišťuje flexibilitu procesu. S navyšováním počtu pulsů roste pórovitost svaru, většina z nich vyplave na povrch. Jelikož se větší póry se neshlukují v natavované hraně, svarová oblast není tolik náchylná na trhliny. Charakteristickou vlastností procesu je optimalizované chování návaru při současně maximální stabilitě procesu a pro CMT typické optimalizované vnesení tepla ( Obr. 17 Kombinace cyklů CMT a pulzních cyklů Zdroj: (2016) CMT Advanced představuje ještě studenější proces než je samotné CMT. Zde je do řízení pracovního procesu se zapojuje i polarita svařovacího proudu. Změna polarity probíhá ve fázi zkratu, což zajišťuje osvědčenou stabilitu CMT oblouku. Kombinaci negativní a pozitivní CMT průběh zachycuje obr. 18. Výsledkem střídání je cílené řízení tepelného zatížení, maximální přemostitelnost svarové spáry a až o 60% vyšší odtavný

34 34 výkon, malá deformace a vysoká plasticita spojů ocel - hliník. Umožňuje tak svařovat ještě tenčí plechy s větší šířkou mezery ( Eder, T. 2010, Kubíček, J. 2006). Ukázka přemostitelnosti na obr. 19. Obr. 18 Kombinace negativního CMT a pozitivního CMT Zdroj: (2016) Obr. 19 Překlenutí mezery Zdroj: (2016) CMT Advanced Pulse kombinuje negativní polaritu CMT cyklu a pozitivní polaritu pulsní fáze (pulsního oblouku) na obr. 20, čímž dosahuje absolutní přesnosti a dokonalého ovládání oblouku. V průběhu negativní fáze CMT je dosahováno vyššího odtavného výkonu při nízkém přínosu tepla. Během změny polarity na pozitivní pulzní cyklus dochází ke zkratu. S pulzní fází dosahuje uživatel kromě vyššího tepla také bezezkratového přechodu kapky (bezezkratový přenos kovu). Poměr mezi pozitivním a negativním cyklem procesu je i zde volně volitelný. Takto je možno provádět spojování vysoce pevných ocelí s dostatečným odtavným výkonem a nízkým přínosem tepla (

35 35 Obr. 20 Kombinace negativního CMT a pulzních cyklů Zdroj: (2016) CMT Pin díky dokonalému řízení oblouku CMT byla objevena další oblast možného použití této technologie. Výsledkem mohou být tři tvary konců pinů: válcový, kónický či kulovitý. CMT Pin se hodí pro spojování kovů s jinými kovovými či nekovovými materiály (Obr. 21). Spojení se provádí natlačením, zalitím nebo nástřikem z kovů nebo plastických hmot na předmět pokrytý piny. Za použití této technologie je možné vytvářet i různé obrazce nebo nápisy. Takto vzniklý spoj vykazuje vyšší pevnost ve střihu oproti adhezivnímu lepení. Ukázka svařování je na obr. 22. Piny mohou vytvářet pevné spoje (vstřikování odlitku) nebo rozebíratelné spoje s použitím elastomerů, plstí či izolačních tkanin (Obr. 23). Obr. 21 CMT Pin spojování kovů a plastů Zdroj: Týn. Z, (2013) Obr. 22 Ukázka postupu svařování Zdroj: (2016)

36 36 Obr. 23 Rozebíratelné spojení Zdroj: CMT TWIN je novou metodou kombinující výhody CMT a postupu TimeTwin. Jde o tandemovou svařovací metodu se dvěma dráty, nákres (Obr. 24), kdy je možné použít dva CMT procesy nebo kombinaci CMT a procesu impulzního svařování v ochranné atmosféře. Elektroda se kontrolovaně pohybuje sem tam, a tím se mechanicky podporuje uvolnění kapky. Jednotlivé kapky kovu z přidružené elektrody CMT jsou vtahovány do již tekuté lázně od vedoucí elektrody. Vedoucí elektroda se nachází v pulzním režimu, podřízená elektroda (CMT režim) vyplňuje tavnou lázeň na požadovaný rozměr (Obr. 25). Obr. 24 Zapálení oblouku dvěma dráty Zdroj:

37 37 Obr. 25 Tavná lázeň svařovací proces CMT Twin Zdroj: (2016) Řízeným uvolňováním kapek nedochází téměř k žádným rozstřikům a přínos tepla je podstatně nižší. Proces je stabilnější, protože délka oblouku nezávisí na vlivech povrchu svařence a na rychlosti svařování. Metoda CMT Twin ve srovnání s jinými tandemovými metodami není příliš náchylná na tzv. foukání oblouku, kdy jeden oblouk ovlivňuje druhý a naopak. Vzhledem k navzájem nezávisle nastavitelným rychlostem posuvu drátu lze podle požadavků nastavit různě vysoké odtavné výkony. Její přednosti jsou zřejmé na první pohled: hluboký závar, optimalizované roztékání svaru a svařování s minimálním rozstřikem. Perfektně nastavené charakteristiky a koncept s vodicí a vedenou elektrodou umožňují snadné řízení procesu CMT Twin. Díky těmto vlastnostem je metoda vhodná především pro svařování tenkých plechů vysokou rychlostí (CMT Twin Speed) a pro polohové svařování s vysokým odtavným výkonem (Heavy Duty), aniž by vnesené teplo překročilo optimální hranici. CMT Twin se využívá především v automobilovém průmyslu, pro výrobu lodí a pracovních strojů a pro stavbu elektráren ( Jiskra, M. 2014, Pickin, C.G. 2011). CMT Universal, CMT Dynamic ještě vyšší rychlost pohybu drátu (130 Hz) s hlubším závarem a menším rozstřikem. CMT universal je zdokonalenou verzí CMT svařování s výborným výkonem při přemostění spár a menším rozstřikem až o 80%. CMT dynamik se vyznačuje vysokými svařovacími rychlostmi a používá se tam, kde je kladen důraz na rychlost svařování a hloubku závaru Přístrojová technika Svařování CMT se provádí za použití plně digitalizovaných invertorových svařovacích zdrojů s vysokou mírou automatizace celého procesu. Přístrojový svařovací systém CMT odpovídá hardwarové sestavě systému MIG/MAG nejnovější technické úrovni, respektuje však specifické požadavky (např. vysokodynamický posuv drátu, který je namontovaný přímo na svařovacím hořáku). Princip zpětného pohybu drátu se součas-

38 38 ným poklesem svařovacího proudu spustí zkrat na svařovacím zdroji. Dojde k exaktně probíhajícímu uvolnění kapky bez nejmenších známek rozstřiku. Následně se rozběhne drát dopředu a cyklus se opakuje ( Svařovací oblouk během fáze hoření generuje teplo jen velmi krátce. Hlavním předpokladem pro kontrolovatelný přechod materiálu je vysoká frekvence pohybů drátu a také mimořádná preciznost. Posuv drátu na hořáku je navržený pouze na rychlost. Přísun drátu proto zajišťuje silnější, pomaleji reagující (setrvačností zatížený), hlavní podavač. Pro vyrovnání superponovaných vysokofrekvenčních pohybů drátu a jejich přechod na lineární posuv slouží pufrovací (vyrovnávací) vložka v hadici pro transport drátu ( Aplikace a přednosti Nejčastěji je CMT postup využíván při spojování oceli s hliníkem. Přestože se při tomto svarovém pájení základní ocelový materiál netaví, ale pouze smáčí základním a přídavným hliníkovým materiálem. Při četných tahových zkouškách dochází vždy k porušení materiálu hliníku a nikoliv svarového švu. Vedle spojů ocel-hliník se CMT postup ukázal jako velice vhodný i pro řadu dalších aplikací. Velmi žádané je bez pochyby také prakticky bezrozstřikové pájení žárově nebo elektrolyticky zinkovaných plechů pomocí svařovacího drátu ze slitiny Cu-Si. Konkrétní zkoušky se zabývaly spojováním pozinkovaných plechů (0,8 mm) s černým materiálem (5 mm) při mimořádně nízké deformaci pozinkovaného plechu. Také svařování tenkých hliníkových plechů (0,3 0,8 mm)je bez dalších omezení možné. Přitom dovoluje nízké tepelné zatížení CMT postupu upustit od použití svarové podložky, aniž by se svar protavil. Stejně přesvědčivě probíhá svařování ušlechtilých ocelí a hořčíku ( Použití Svařovací proces CMT představuje snadno aplikovatelný postup při spojování oceli s hliníkem. Mimoto disponuje více než uspokojivými mechanicko-technologickými vlastnostmi. V centru zájmu není pouze spojování ocele s hliníkem, ale řada dalších zajímavých aplikací u jiných materiálů. Řadíme k nim například bezrozstřikové pájení povlakovaných plechů, stejně tak jako spojování tenkých hliníkových plechů nebo svařování hořčíku. V současné době jsou v chodu četné pokusy a soustavně se pracuje na vývoji a zdokonalení technologie CMT. Časem se ukáže, které další aplikace se použitím CMT postupu ještě umožní.

39 Studený svařovací proces CMT zajišťuje nejlepší výsledky u všech materiálů, CMT disponuje nejstabilnějším obloukem na světě a přesnou regulací procesu, a to díky integrovanému dopřednému a zpětnému pohybu drátu. To vede k dokonalým výsledkům a neomezeným možnostem na poli svařování, jako jsou bezrozstřikové svárové a pájené švy, svarová spojení oceli a hliníku, svařování nejtenčích plechů. Pro co nejmasovější a nejlepší využití CMT procesu je snaha vyvinout nové materiály (AlLi), které bylo možné v co nejširším měřítku použít ( 39

40 40 5 Možné vady svarových spojů 5.1 Vznik svarového spoje Svařováním označujeme proces vzniku nerozebíratelného spojení kovů nebo jejich slitin za pomoci soustředěného tepla a tlaku s použitím nebo bez použití přídavného materiálu. Přídavný materiál má stejné nebo podobné chemické složení. Spojení se děje působením meziatomových sil působením tepla a tlaku. Látky mají různé vazby (kovalentní, koordinačně- kovalentní, iontová, kovová a tzv. kolmé pragmatické vazby), odpovídající rozložení elektronů a iontů v atomech. Vazebná energie vyjadřuje energii, která se uvolňuje při vzniku vazby. Čím je hodnota vyšší, tím pevněji jsou atomy k sobě vázány. Potenciální energie krystalu se snaží dosáhnout uspořádání s co nejnižší vazebnou energií. Vzniku svarového spoje předchází dodání množství energie k překonání potenciální energie povrchovým vrstev soustavy. Při svařování dochází k dodání potřebného množství tepla natavující základní a přídavný materiál (CMT obloukové svařování). Průběh šíření tepla základním materiálem probíhá ve třech teplotních fázích. S narůstající teplotou dochází k tepelnému sycení materiálu, poté dochází k teplotní rovnováze, kdy jsou všechna místa ve stejné vzdálenosti od osy svaru v teplotní rovnováze. Závěrečnou fází je vyrovnání teplot v celém objemu základního materiálu (ochlazování na okolní teplotu). Důležitým bodem je zabránění atmosférické oxidaci během samotného procesu svařování, kdy dochází k rychlým teplem ovlivněným reakcím s (O 2, N 2 a H 2 ). Tyto reakce mohou ovlivnit pevnost, tažnost, nebo vizuální vady jako pórovitost v místě svaru (Šoch, Z. 2006, Mášová, P. 2009). 5.2 Metalurgické reakce při svařování O tom zda a v jakém množství přechází prvky do kovů při svařování, rozhoduje především jeho afinita k O 2, respektive stabilita jeho oxidů a teplota. Prvky s nižší afinitou ke kyslíku ne železo jsou například W, Mo, Cd, Co, Cu a Ni. Vyšší afinitu mají například Si, Mn a Cr.

41 Svařitelnost Je schopnost kovu nebo slitin zachovat si stejné nebo podobné vlastnosti jako před svařováním. Neboť při svařování dochází ke strukturálním změnám základního nebo základních materiálů a svarového kovu působením teplotního pole. Objevují se pojmy jako metalurgická, zaručená, zaručená podmíněná, dobrá a obtížná svařitelnost (Šoch, Z. 2006) Pórovitost Pórovitost je zcela nebo zčásti uzavřená dutina ve ztuhlém svarovém kovu, která je vyplněná plynem. Rozlišování a popis pórů je uveden v normě EN ISO a rozlišuje pór (plynová dutina převážně kulovitého tvaru), rovnoměrnou pórovitost, shluk pórů, řádek pórů, protáhlý pór, červovitý pór a povrchový pór (Heto, J. 2016). Reakcí FeO (reakce s atmosférickým kyslíkem) s uhlíkem vzniká CO způsobující pórovitost (Obr. 26) a bublinatost svarů. Přidáním prvků s vyšší afinitou ke kyslíku (Mn, Si za vzniku MnO a SiO 2 ) než má uhlík, můžeme tyto defekty zmírnit nebo zcela odstranit. Při desoxidační reakci na svařovacím oblouku vzniká z CO 2 - CO + O. Tyto vzniklé produkty se vyloučí na povrch svarové lázně. Disociací vody ze rzi vznikají plyny (H 2,O 2 ), následkem čehož molekuly O 2 a N 2 reagují s FeO za vzniku plynného CO, SO 2 a vody za vzniku pórů. Je důležité zachovat svarové plochy čisté, zajistit dostatečný průtok ochranného plynu a zamezit přistup O 2 a N 2 během procesu tuhnutí. Při svařování je závěrečný proces chládnutí tedy tuhnutí jedním z nejkritičtějších úseků celého svařovacího procesu. Obr. 26 Póry ve svaru Zdroj: Jaroslav Ryška (2013) Rozlišují se dvě základní příčiny vzniku pórů při metalurgických procesech a to při svařování nebo mechanicky. Póry a bubliny nebývají časté u svarů ocelí, kdy jsou způ-

42 42 sobeny spíše špatným technologickým postupem, přirozeně se vyskytují pouze při svařování oceli s povlakem zinku. Typické jsou pro materiály s vysokou afinitou ke kyslíku, tedy hliník a jeho slitiny, měď, ale i titan a jeho slitiny (Šoch, Z. 2006, Hato, J. 2016) Křehký lom Vzniká i při působení nízké energie na lomové plochy, při napětí blízkém hranici pružnosti bez zřetelné plastické deformace. Při svařování volíme postup, kdy se může svařovaný materiál smršťovat, materiál popouštíme nebo žíháme. Odstraníme konstrukční i strukturní vruby a omezíme manipulaci za nízkých teplot ( Stárnutí Projevuje se nárůstem pevnosti a tvrdosti kovů za současného zhoršení tvářitelnosti. Snižuje se houževnatost a tažnost materiálu. Tvářitelnost neboli plastičnost definujeme jako schopnost trvalé deformace. Normalizačním žíháním nebo uklidněním ocelí zvýšíme odolnost proti stárnutí (Šoch, Z. 2006) Vytvrzování Pro zpomalení procesu tuhnutí (ochlazování) svařovaný materiál předehříváme nebo udržujeme rovnoměrný přísun tepla. Prvky podporující vytvrzování kovů jsou Cu, Mg, Ni a Zn (Roučka, J. 2004) Segregace Vznikají v částech obohacených legurami vyloučenými při tuhnutí (ochlazování) materiálu po svařování. Při svařování ocelí udržujeme nízkou hladinu průvaru Anizotropie Označuje závislost mechanických a technologických vlastností kovů na směru. Plošná definuje nestejnoměrnost mechanických a fyzikálních vlastností ve směru válcování plechů. Plastická udává nerovnoměrnosti mechanických vlastností v rovině plechu vzhledem k mechanickým vlastnostem kolmým k rovině plechu (Dvořák, M. 1999, Šoch, T. 2006).

43 Vměstky Zpravidla jemné nekovové částice, přivedené do svaru zaválcováním, nedokonalým očištěním svarových ploch a poškozují homogenitu a zhoršují mechanické vlastnosti (Kolektiv autorů 2001) Další vady Zápaly, studené spoje, neprůvary a koncové krátery patří mezi typické vady způsobené svářečem (Obr. 27). Jejich výskyt v namáhaných konstrukcích není žádaný, mohou vést ke vzniku a šíření únavové trhliny (Kolektiv autorů 2001, Šoch, Z. 2006, Mášová, P. 2009, Franc, A. 2013). Obr. 27 Nekvalitní svar trubek se zápaly a studenými spoji Zdroj: Kolektiv autorů (2000) Nákresy s popisem vad ve svarech (Obr. 28, 29). Obr. 28 Vady venkovní viditelné Zdroj: Jaroslav Ryška

44 44 Obr. 29 Vady vnitřní Zdroj: Jaroslav Ryška 5.3 Defekty ve svarech V oblasti tepelně ovlivněné svařováním se mohou často vyskytnout defekty, které snižují kvalitu svarového spoje. Existuje celá řada poruch a defektů snižujících kvalitu svarového spoje Trhliny za horka Vyskytují se především ve středu svarového kovu. V této oblasti se kov nejpozději ochlazuje (tuhne). Důvodem jejich vzniku je nedostatečná plasticita, nízká pevnost svarového kovu po ztuhnutí. Často je způsobena segregací nečistot. Vliv základního materiálu na vznik trhlin se projevuje při svařování bez přídavného materiálu, plazmovým obloukem, laserem nebo svazkem elektronů. Trhliny za horka se dělí na krystalizační, likvační a polygonizační (Šoch, Z. 2006, Nejedlý, T. 2014). Nové způsoby svařování s vyšší rychlostí svařování a vysoké proudové hustotě přinášejí vyšší riziko vzniku trhlin. U oceli se tato kritické teplota pohybuje nad 850 C. Nízkotavitelné fáze se soustřeďují uprostřed svaru, kde mají dendrity nevhodnou orientaci. Při krátkém s varu a nevhodném kladení housenky jsou vysoké nároky na plasticitu svarového kovu. U dlouhého svaru se v lázni postupně hromadí nečistoty až ke kritické hranici (Nejedlý, T. 2014, Kubíček, J. 2006, Šoch, Z. 2006) Trhliny za studena Jde se o vodíkem indukované trhliny za studena. Vznikají především u feritických a martenzitických ocelí za přítomnosti difúzního vodíku ve svaru, který se dostal do svarové lázně buď z okolní atmosféry při nedokonalé plynové ochraně anebo ze znečiště-

45 45 ných svarových ploch anebo z vlhkých obalů elektrod. Impulsem často bývá i vysoká hladina reziduálních pnutí, přítomnost vodíku, nebo struktur citlivých na vodík. Jedná se o zbrzděné lomy a trhliny, které vznikají při teplotách pod 200 C. Tyto trhliny se zjišťují po vychladnutí svaru nebo delším časovém období 24 hodin ((Nejedlý, T. 2014, Kubíček, J. 2006, Šoch, Z. 2006) Opožděné trhliny Nejvíce problémové jsou pro oceli vyšších pevností v oblasti ovlivněné teplem a způsobují křehké porušení nebo únavový lom. Podílí se na nich zkřehnutí, vnitřní pnutí v materiálu a vodík. 5.4 Zkřehnutí svarového kovu spoje Může se projevit vznikem příčných trhlin za studena ve svarové housence. Nedostatkem plasticity a výskytu podélného tepelného pnutí způsobených během chladnutí, mohou trhliny zasahovat do základního materiálu. Zkřehnutí může být způsobeno srážením karbidů a karbonitridů při pomalém tuhnutí nebo žíháním. Dále nevhodnou strukturou svarového kovu (primární dendrity a sekundární zrno) a nižší hodnota vneseného tepla. Přítomnost intersticiálních prvků (vodíku a dusíku) má negativní vliv a vede k pórovitosti. Křehnutí způsobuje usazení atomů vodíku a dusíku v deformacích během chládnutí a smršťování což vede k deformačnímů stárnutí. 5.5 Teplem ovlivněné oblasti svaru Ovlivňuje strukturní a substrukturní změny v oblasti svaru, která je teplotně zasažena při svařovacím procesu. Při zvýšené teplotě a tlaku dochází k hrubnutí zrna, které způsobuje většinu vad jako pokles pevnosti u ocelí válcovaných nebo zušlechtěných, pokles tažnosti, kdy se deformace soustředí pouze do teplem ovlivněné oblasti. Nízkou vrubovou houževnatost způsobuje deformační stárnutí oceli s vyšším obsahem dusíku. 5.6 Teplotní vliv na korozi ve svarových spojích Koroze vzniká v důsledku volby základního nebo přídavného materiálu a způsobu svařování. Po obou stranách švu jsou oblasti teplotně ovlivněné, zde dojde k vylučování karbidů a karbonitridů na rozhraní zrn přesyceného austenitu. Díky tomuto jevu se

46 sníží mechanická i korozní odolnost. Přidáním legujících prvků (titan, niob, tantal) do oceli nebo oceli s nízkým obsahem uhlíku jsou díky nízkému vylučování karbidů vhodné pro svařování a celkem dobře odolávají korozi. Přestože přítomnost feritu delta ve svarovém kovu, významně snižuje praskavost při svařování, negativně ovlivňuje odolnost proti korozi (Kolektiv autorů 2000, Šoch,Z. 2006, Čmakal, J. 2003, Z. 2006, Franc, A. 2013).. 46

47 47 6 Vybrané nedestruktivní metody pro detekci svarových spojů Detekce pomáhá odhalit nedodržení zvoleného postupu svařování pomocí zjišťovacích metod a zobrazení odchylky od tzv. vorového svaru. V následující kapitole si stručně popíšeme některé nedestruktivní metody testování (dále jen NDT ) svarových spojů. Mezi základní defektoskopické používané metody patří prozařovací metoda, zkoušení ultrazvukem, kapilární metoda, metoda vířivých proudů a metoda akustické emise. Každá z těchto metod má svoje určité výhody a používá se pro různé součásti s charakteristickými vadami. V praxi se tedy často používají kombinace více metod. Zkoušením se zaručuje jakost, bezproblémové používání, či bezpečnost daného produktu. Zkouší se však nejen nově vyrobené součásti, ale ve stejné míře i již fungující součásti, u kterých hrozí defekty způsobené například vlivem únavových poruch. Tím lze předcházet nečekaným haváriím strojů, objektů, a co je nejdůležitější, můžeme zabránit i tragédiím spojených se ztrátami lidských životů. 6.1 Kontrola svarů Každý svarový spoj musí být podroben kontrole. Rozsah a druh kontroly svarů musí být uveden v technologickém postupu nebo na výrobním výkrese. Svarový spoj se kontroluje a zkouší těmito způsoby: vizuální prohlídkou, zkouška celistvosti svarového spoje bez porušení, mechanickými a technologickými zkouškami, tlakovými a těsnostními zkouškami, zvláštními zkouškami. Svary nebo části svarů, u kterých se zjistí nepřípustné vady, musí být odborně opraveny a znovu zkoušeny. Odchylky od předepsaného rozsahu kontroly svarů popř. změny klasifikace povoluje v některých případech technolog svařování. V odůvodněných případech může být z rozhodnutí technologa svařování a u vyhrazených technických zařízení příslušného revizního technika na základě nedestruktivních zkoušek požadováno vyříznutí hotového svaru k provedení mechanických zkoušek (

48 Vizuální zkoušky Vizuální zkoušení (dále jen VT visual testing) je nejrozšířenější metodou patřících do skupiny nedestruktivního zkoušení materiálu (NDT). Metoda zjišťuje a hodnotí stav (jednotlivé vlastnosti) povrchu výrobků nebo součástí pouhým okem (přímá), nebo pomocí speciálních přístrojů či zařízení (nepřímá). Metod VT se využívá při klasické NDT kontrole při níž hledáme vady (trhliny, zápaly, povrchové póry). Zjišťují se tvarové odchylky, měříme a hodnotíme lineární přesazení, převýšení kořene svaru, přesazení forem u odlitku. Důležitá je také kontrola stavu povrchu. Jedná se o NDT metodu, která je plnohodnotná ve srovnání s ostatními NDT metodami. V některých případech je ve svém rozsahu dokonce překračuje rámec použití ostatních NDT metod, je považována za základní NDT metodou, která by měla být provedena před každou další NDT metodou ( Princip metody Abychom provedli kvalitní vizuální kontrolu, musí být prováděna na připraveném (očištěném, odmaštěném a vysušeném) povrchu součásti. Kvalita této přípravy v důsledku ovlivňuje dosažitelnou citlivost zkoušky, míru identifikovatelnosti vad. Úspěšnost zkoušky je závislá na splnění základních tří atributů: zrakové způsobilosti pracovníka provádějícího zkoušky, podmínka dostatečného osvětlení zkoušeného povrchu, odborná způsobilost, znalosti a praktické dovednosti pracovníka provádějícího VT zkoušky, zkoumaný povrch musí být řádně očištěn. Vizuální kontrola může být prováděna přímo zrakem bez pomůcek nebo s jejich použitím (zrcadla, měrky, měřidla, lupy, a mnohé další). Mezi speciální přístroje, které se používají, patří: endoskopy (boroskopů, fibroskopů, videoskopů) a další speciální přístroje. Velmi často se tyto přístroje objevují zejména v oblasti letectví (při provozních inspekcích), v energetice (kontrola zásobníků, výměníků, potrubí), ale i při výrobě svařovacích rámů a uzavřených profilů ( Kníř, J. 2010, Kopec, B. 2008).

49 Kapilární zkoušky Patří k nejrozšířenější metodě zkoušení. Metoda využívá vzlínavosti a smáčivosti vhodných kapalin (penetrantů), jejich barevnosti a fluorescence. Metoda je vhodná pro zjišťování povrchových vad svařovaných materiálů. Hlavní použití nachází v automobilovém, leteckém, petrochemickém a energetickém průmyslu. Značného rozsahu a významu dosáhla kapilární metoda v oblasti zkoušení svarových spojů především u heterogenních materiálů. Metoda kapilárních zkoušek je jednoduchá, nenáročná a v základních aplikacích málo finančně nákladná. Touto metodou jsou zjišťovány povrchové vady typu trhlin, prasklin, pórů, vměstků, přeložek a zavalenin. Metoda se používá pro většinu běžně využívaných druhů materiálů (oceli, slitiny Al, Ni, Cu, Ti, sklo, keramika a plasty). Pro zkoušení a zjišťování povrchových vad u neferomagnetických materiálů, kde nelze využít magnetická prášková metoda, je tato metoda téměř nenahraditelná. U prostorově velkých vad (bubliny, póry) bývají výsledky neuspokojivé z důvodu vymytí penetrantu. Jsou využívány pro detekci povrchových defektů nebo strukturních poruch ve všech dílech letadla. Fosforeskující penetranty jsou používané na kritická místa pro lepší zviditelnění prasklin a ostatních povrchových vad Princip metody Na připravený (očištěný, odmaštěný a vysušený) testovaný povrch součásti naneseme kapalinu vhodných vlastností (penetrant). Určitou dobu necháme působit, kapalina vniká do případných necelistvostí a trhlin. Po skončení působení kapaliny (penetrační čas) se přebytek penetrantu ze zkoušeného povrchu odstraní. Následně se nanese vývojka. Vývojka působí opačně než penetrant a tedy jako absorbent, který nasává zbývající kapalinu, vniklou do necelistvostí a zároveň vytváří kontrastní pozadí (Obr. 30). Při kontrole posuzujeme dvojrozměrné indikace zjištěných vad (necelistvostí). Můžeme zjistit povrchové vady, které jsou pouhým zrakem neviditelné. Indikace se hodnotí podle vizuálního vjemu barevného nebo jasového kontrastu. Detekční schopnost metody začíná při šířce vady jednotek tisícin milimetru v závislosti na drsnosti povrchu, druhu přítomných vad a použité požadovaná citlivosti zkušebního procesu ( Kníř, J. 2010, Vítámvás, Z. 2009, Kopec, B. 2008).

50 50 Obr. 30 Princip kapilární zkoušky Zdroj Kapilární metody Metoda barevné indikace - přítomnost necelistvostí se projeví vznikem kontrastní barevné indikace (většinou červené na bílém podkladě). Tyto indikace se hodnotí v denním nebo umělém bílém světle, Metoda fluorescenční - přítomnost necelistvostí se projeví vznikem indikace, která v ultrafialovém záření (tzv. černé světlo) světélkuje, většinou žlutozeleně, Metoda dvojúčelová - přítomnost necelistvostí se projeví buď barevnou nebo fluorescenční indikací, podle toho jaký druh osvětlení zvolíme bílé nebo UV světlo (Vítámvás, Z. 2009). 6.4 Magnetická prášková metoda Magnetická prášková metoda (dále jen MT ) je jednou z nejpoužívanějších metod nedestruktivního zkoušení materiálu (NDT). Hlavní uplatnění nalézá v automobilovém a leteckém průmyslu, v energetice a dopravě. K tomu ji předurčuje její relativní jednoduchost a nenáročnost na provedení. Je také jednou z nejdůležitějších metod při servisu provozovaných zařízení. Touto metodou jsou zjišťovány povrchové a podpovrchové vady (trhliny, praskliny, póry, vměstky a další) feromagnetických materiálů. Pro jiné materiály než feromagnetické ji nelze použít. Tato metoda neklade takové nároky na čistotu povrchu.

51 51 Jednoduchá a snadno přenosná metoda. Je také rychlá a efektivní pro povrchové i podpovrchové vady dílů z feromagnetických materiálů jakéhokoli tvaru. Používá se ke kontrole motorů, čerpadel, podvozků, převodovek, hřídelů, vzpěr, šroubů atd Princip metody Při metodě MT zmagnetujeme feromagnetický materiál, dochází k jeho magnetickému nasycení. Možná vada v materiálu má jiné magnetické vlastnosti a ve většině případů bývá nemagnetická (vzduch v trhlině, struska, plyn v póru). V místě vady dochází k deformaci magnetického pole, jeho siločáry vystupují nad povrch. Vzniká tzv. rozptylový magnetický tok, který je nositelem informace o místní změně magnetických vlastností ( Na povrch materiálu se nanáší jemný feromagnetický prášek (čisté železo nebo oxidy železa (červený Fe 2 O 3 nebo černý Fe 3 O 4 )), který se magneticky přichytí na povrch. Tento feromagnetický prášek ulpí pouze v místech rozptylového toku. Prášek na povrchu vytvoří indikaci, zobrazující reliéf rozptylového toku způsobeného vzniklou vadou. Výsledek se hodnotí na základě vizuálního vjemu barevného nebo jasového kontrastu. Zachycovací schopnost práškové metody začíná při šířce vady jednotek tisícin milimetru ( Kníř, J. 2010, Kopec, B. 2008). 6.5 Metoda vířivých proudů Metoda vířivých proudů nachází uplatnění pro zkoušení elektricky vodivých materiálů a má různé oblasti použití. Setkáme se s ní při kontrole hutních polotovarů, při provozních kontrolách trubkových tepelných výměníků a v leteckém a automobilovém průmyslu. Metoda patří k povrchovým metodám testování, kterými se hledají povrchové vady. Lze však využít i pro detekci vad v určité hloubce pod povrchem. Měří tloušťku nevodivých povlaků, nebo lze s její pomocí třídit materiály na základě chemického složení nebo tepelného zpracování. Tímto testem se kontroluje koroze ve struktuře letadla, nýty a otvory pro šrouby. Povrchové defekty se detekují vysokými a podpovrchové nízkými frekvencemi Princip metody Při testování se používá snímač, který je nejčastěji složen ze dvou cívkových systémů (budícího a snímacího). Budící (primární) cívkou prochází střídavý magnetický

52 52 proud o vysoké frekvenci (khz až MHz). Vlivem proudu vzniká střídavé magnetické pole (primární), které vyvolá ve zkoušeném materiálu magnetický tok tzv. vířivých proudů (Obr. 31). Vířivé proudy vyvolají vznik tzv. sekundárního magnetického pole, které působí proti poli primárnímu. Magnetické pole způsobené střídavým proudem v budící cívce i magnetické pole způsobené vířivými proudy působí na měřící cívkový systém a v měřícím cívkovém systému se indukuje napětí ( Výsledkem je pole určené vektorovým součinem primárního a sekundárního pole. Změníme-li vlastnosti zkoušeného předmětu změna materiálu, výskyt vady nebo se změní vzdálenost snímače od zkoušeného povrchu materiálu, změní se i napětí v měřícím cívkovém systému (změna impedance cívky). Tato změna představuje indikaci, která je dále zpracovávána vyhodnocována ( Kopec, B. 2008, Kníř, J. 2010). Obr. 31 Princip metody vířivých proudů Zdroj: Kopec, B.(2008) Výhody a nevýhody Výhody metody vířivých proudů relativně levná kontrola, možnost konstrukce lehkých, přenosných měřících přístrojů, automatizace kontroly, netřeba upravovat povrch kontrolovaného objektu před zkouškou, bezkontaktní zkoušení, možnost kontrolovat objekty i při vysokých teplotách. Nevýhody metody vířivých proudů pouze pro povrchové vady, značná citlivost na rušivé vlivy, poměrně volný vztah mezi velikostí vady a velikostí naměřeného signálu. (Vítámvás, Z. 2009).

53 Zkoušky těsnosti Ověřování těsnosti respektive zkoušky netěsností (dále jen LT ) se používají na zjišťování nedokonalostí (netěsností) pevného rozhraní, které umožňuje za tlakového spádu mezi dvěma povrchy průnik tekutin. Můžeme zjišťovat vady materiálu, které vzniknou špatným zpracování během metalurgického nebo technologického procesu nebo vzniknou za provozu. Dále se zjišťují vady mechanických spojů a nerozebíratelných spojů (svary, lepené a pájené spoje). Velikost takto vzniklých netěsností je učena množstvím objemu látek proniklých netěsností za určenou jednotku času. Rozlišujeme dva základní typy zkoušek. Integrální pro určení celkové hodnoty velikosti netěsnosti a lokalizační, které určují polohu netěsnosti v testované části výrobku nebo celku Zkušební metody Volba vhodné zkušební metody a samotné techniky zkoušení závisí na požadované citlivosti zkoušky, na charakteru zkoušeného výrobku (tvar jeho konstrukce, velikost a objem) a požadavcích zákazníka. Některé způsoby měření a volba metody je dána legislativními požadavky ČR. Metodické požadavky na zkoušky netěsnosti předepisují normy, kódy a předpisy. Vlastní metodiku si vytvářejí i sami zákazníci. Metoda měřením mikro - průtoku (přetlaková/vakuová), Metoda změny tlaku (pokles/vzrůst tlaku, přetlak kapaliny, plynu), Bublinková metoda (přetlaková, podtlaková s vakuovou komůrkou), Kapilární metoda (průsak penetrantu skrze zkoušený objekt), Heliová metoda (zkušebním plynem - He, provedení - přetlaková, vakuová), A další (snímání ultrazvukem). ( Infračervené zkoušky Infračervené zkoušení se používá v případech, kdy se vada testovaného předmětu navenek projevuje změnou rozložení teploty na povrchu (Obr. 32). Nehomogenní rozložení teploty může mít několik příčin. Samotný předmět může být zdrojem tepla v místech nadměrného tření nebo zvýšeného elektrického odporu. Nerovnoměrná akumulace tepla vyvolá změnu měrné tepelné kapacity. To se může projevit v místech

54 54 dutin či vměstků. V místech vnitřních poruch dochází k nerovnoměrnému vedení tepla (tepelná kondukce). Touto metodou se velmi dobře zjišťuje obsah vody ve voštinových strukturách, častým využitím je kontrola elektrických rozvaděčů (kontrola vadných kontaktů). Využívá se v leteckém opravárenství, v hutním průmyslu slouží jako automatizovaná kontrola za tepla tvářených polotovarů (v místech vznikajících vad materiál chladne odlišnou rychlostí). Je velice účinným nástrojem kontroly rotačních strojů, umožňuje odhalit místa vyššího tření ( Obr. 32 Ukázka použití infračervené metody Zdroj: Princip metody Vlastností každého předmětu je vyzařování infračerveného záření po celém svém povrchu. Při pokojových teplotách vyzařují běžné předměty spektrum s maximem hodnot okolo 2 15 µm (nejsou lidským okem viditelné, patří do skupiny optického záření). S pomocí speciálních senzorů je lze zachytit. Termokamery umožňují v reálném čase sledovat, jak se mění intenzita infračerveného záření na povrchu zkoumaného předmětu. Předmět nesmí být v tepelné rovnováze (rovnoměrně ohřátý), jinak je výsledný obraz homogenní (jednobarevný). Pokud se hledaný defekt sám neprojevuje jako zdroj tepla, je obvykle materiál aktivně vyveden z tepelné rovnováhy tepelným pulsem a sleduje se, jak je absorbované teplo z povrchu odváděno do materiálu. Techniky záření rozdělujeme na aktivní a pasivní ( 6.8 Ultrazvuková kontrola Ultrazvukové testování patří mezi základní metody nedestruktivního zkoušení. Ultrazvuková metoda (dále jen UT ) umožňuje zjistit přítomnost vnitřních vad materiálu. Vlny jsou schopny proniknout do velké hloubky pod povrchem zkoumaného materiálu

55 55 a umožnují zkoumat i místa, kam se jiné NDT metody nedostanou. Využívá se především pro zkoušení tvářených polotovarů (plechy, výkovky, tyče), svarů a odlitků. Uplatňuje se i při zkoušení různých typů nekovových materiálů jako jsou plasty a kompozity. U UT je možné celý proces testování automatizovat, především u polotovarů jednoduchého tvaru (trubky, plechy, tyče). Kromě vnitřních vad typu trhlin, dvojitosti, dutin apod. je možno zjišťovat i vady povrchové. Velkou výhodou je okamžité zobrazení výsledků zkoušky. Při testování se využívá kmitání o frekvenci 0,5 až 25 MHz. Užívá se pro kontrolu svarů, výkovků, odlitků, motorových uchycení, šroubů v kritických místech, v kloubových mechanizmech letadel, ke kontrole kompozitních struktur, kvality dosednutí šroubových spojů často v místech pro jinou NDT metodu nedostupných ( Vítámvás, Z. 2009, Kníř, J. 2010, Kristek, M. 2015) Princip metody Ultrazvukové vlny se šíří prostředím určitou rychlostí a energií. Pevné materiály (kovové i nekovové) jsou dobrými vodiči zvukových vln. Ultrazvukové vlny vyslané do materiálu se odrážejí od každého rozhraní, a tedy i od vnitřních vad (nehomogenit). Čím vyšší je frekvence vlnění, tím menší vady je možno detekovat. Pro zkoušení se využívají frekvence od 0,5 MHz do 25 MHz. Rozlišujeme dva způsoby, pasivní je v použití vlnění s nízkou intenzitou a má nedestruktivní charakter. Využívá se v diagnostice a měření. Aktivní způsob využívá vlnění s vysokou intenzitou, které má vliv na prostředí, v němž se pohybuje. Tento způsob je využívaný ve výrobě při obrábění, svařování nebo při čištění v elektrotechnice. Metody se stále zdokonalují a vylepšují, například použití digitálních přístrojů, propojování zkušebního přístroje přímo s počítačem a následné vyhodnocení, nebo použití speciálních ultrazvukových sond. Takovou technikou je i PHASED ARRAY, metoda je založena na použití sady měničů a elektronice, která "tvaruje" svazek. Sonda phased array je složena ze soustavy miniaturních piezo-elektrických měničů, přičemž řídící elektronikou je ovládán každý měnič zvlášť, takže je možno formovat tvar svazku. Výstupem z řídící elektroniky je standardní signál ekvivalentní k A-zobrazení. Mezi výhody této techniky patří možnost vygenerovat měnitelný úhel svazku pouze jednou sondou a tím pokrýt mnohem větší oblast zkoušeného předmětu bez posuvu sondy. Tím se zlepšuje prostorové rozlišení a hodnocení vad je přesnější. ( K ultrazvukovým metodám patří přechodová metoda, kdy se umístí dvě sondy proti sobě, jedna sonda vysílá a druhá pouze přijímá. Vyžaduje dostupnost obou stran. Další je odrazová metoda, která zjišťuje defekty pomocí odražených vln, používá se

56 56 stejný měnič na vysílání i přijímání vlnění. ( Kopec, B. 2008, Kristek, M. 2015). 6.9 Zkoušky prozařováním Přestože jde o finančně i časově náročnou metodu je hojně využívána. Záření obecně lze definovat jako šíření energie prostorem a to i ve vakuu. V tomto textu se zaměříme na rentgenové a gama záření. Metoda radiografie nám umožňuje získat trvalý obraz vnitřních vad materiálu zejména vad v objemných tělesech. V případě vhodné směrové orientace i v tělesech plošných. Nejčastěji se tato metoda používá pro kontrolu svarů, odlitků. Uplatnění nachází i v elektrotechnickém a stavebním průmyslu. Vzhledem ke své průkaznosti a trvalému záznamu je jednou z nejdůležitějších metod při kontrole zařízení s vysokou mírou nebezpečnosti (například tlakových nádob), v leteckém a petrochemickém průmyslu ( V některých případech se používají příbuzné metody jako radioskopie a počítačová radiografie. Jde o krátkovlnné fotonové záření, které vzniká při přechodech elektronů z energeticky vyšší hladiny do hladiny energeticky nižší. Rentgenové záření (dále jen RTG ) se vyvolává rentgenkou. Rozžhavená wolframová spirála katody produkuje termoemisně elektrony. Elektrony jsou urychlovány vysokým napětím, které je přivedeno na katodu a anodu. Elektrony dopadají na wolframový terčík umístěný na anodě. Z kinetické energie dopadajících elektronů se 99 % přemění na teplo a jen jedno 1 % na rentgenové záření. S ohledem na průnikové a absorpční schopnosti (RTG) se tato metoda používá pro kontrolu svarů, odlitků a kovaných výrobků. Detekují se s ním trhliny, koroze, volné kování, nýty, tloušťka materiálu. Gama záření se obvykle používá pro detekci vnitřních vad částí konstrukce letadla (například z oceli nebo titanu) a součástí motorů, které vyžadují vyšší energetické hladiny, nebo pro místa těžce dostupná ( Kopec, B. 2008, Kolář, J. 2012) Princip metody Je založený na rozdílné hodnotě absorbování záření při průchodu hmotou. Různé materiály mají rozdílnou propustnost záření, proto se na speciálních fóliích zobrazí s rozdílnou barevnou intenzitou. Tmavší místa označují nižší propustnost, světlejší místa

57 57 vyšší propustnost). Tato metoda se dá využít pro jakýkoli typ materiálu. Limitující je pouze hloubka prozáření (Kníř, J. 2010). Při průchodu materiálem dochází k zeslabování procházejícího ionizujícího záření ( Zeslabení závisí na tloušťce materiálu. Je-li v matriálu defekt s vhodnou orientací vůči směru dopadajícího záření, je záření v tomto místě méně nebo více zeslabeno, míra závisí na materiálu v diskontinuitě. Za předmětem se vytváří neviditelný reliéf primárního záření. Tento reliéf se převádí na viditelný obraz vhodným detektorem. U klasické radiografické (filmové) metody RT se jedná o radiografický film. Každý film má svou charakteristickou křivku, která určuje, jakého obrazového kontrastu se při dané aplikaci dosáhne ( V praxi je účelné a doporučené pracovat v lineární části charakteristické křivky, pracujeme tedy se zčernáním (optickou hustotou) radiogramu vyšších hodnot. Výsledná změna radiografického kontrastu bude při vyšším zčernání v místě vady a mimo tuto vadu při stejné intenzitě primárního záření ( Kníř, J. 2010, Kolář, J. 2012, Vítámvás, Z 2009, Boráň, P., Metoda akustické emise Technika snímání akustické emise (dále jen AE ) je jednou z velmi rychle se rozvíjejících metod zařazených do skupiny nedestruktivních zkoušek. Patří mezi nejmodernější metody testování materiálů a konstrukcí. Akustickou emisí označujeme fyzikální jev, při kterém můžeme pozorovat akustické signály (využívá napěťové vlny v tělese), které vysílá tepelně nebo mechanicky namáhané těleso. Akustické metody jsou založené na přesných měřících postupech a rozdělujeme je podle způsobu buzení a přijmu vlnění. Jev akustické emise souvisí s generováními a šířením akustických vln v pevných materiálech, které jsou vyvolány náhlým uvolněním energie v materiálu. Tato energie se začne uvolňovat, když se potenciální energie v materiálu změní na kinetickou. Při této změně se emitují napěťové vlny, např. v pevných látkách při vzniku plastické deformace a v kapalinách při vzniku kavitace. AE se využívá především pro detekci, monitorování a lokalizaci trhlin v pevných materiálech, rozvoje plastické deformace, aktivity defektů, iniciace a rozvoje porušení materiálu. Tyto materiály jsou mechanicky namáhány například vnějším tlakem, tvořením vrypů, smykem, ohybem nebo vnitřním pnutím v chladnoucím materiálu svaru. Pro použití AE je určující tzv. Kaiserův jev, který chápeme: Při opakovaném zatěžování zkoušené konstrukce nevzniká v materiálu akustická emise až do dosažení hodnoty předcházejícího maxima zatížení, pokud mezi těmito dvěma zatíženími nedošlo k přerozdělení zatížení vlivem šíření vad v materiálu nebo pokud nedošlo ke struk-

58 58 turálním změnám způsobeným jinými mechanismy. Kaiserův jev platí pro většinu materiálů a pro všechny metalické materiály. Účinek předchozího zatížení materiálu se časem ztrácí. Mezi velkou výhodu použití AE oproti jiným defektoskopickým metodám patří kontinuální monitorování zkoumaného objektu a úspora času. Další velkou výhodou je neovlivnění měřeného objektu. Nevýhodou metody AE je nepřesná znalost příčiny vzniku akustické vlny. Uvolněná vlna (energie) je ovlivňována řadou faktorů, jako je tvar a povrch tělesa, přenosová cesta vlny daná strukturou a homogenitou materiálu. Mezi největší nevýhody patří nemožnost jednoznačné interpretace měření a příliš malá energie mnohých akustických pulsů, které tak mohou zanikat v šumovém pozadí detektoru (Vlašic, F. 2011, Koktavý, P. 2006, Bečvář, P. 2001, Káňová, J. 2008) Princip metody AE nazýváme akustické (elastické) vlny, generované dynamickým uvolněním mechanického napětí uvnitř materiálu tělesa. Vlny vznikají v materiálu během interakce jeho strukturních defektů (např. dislokací, mikrotrhlin) s vnějším napěťovým polem (stimulem). Napěťové vlny se šíří tělesem od místa zdroje na volný povrch. Průchodem napěťové vlny se část uvolněné energie mění v teplo, část vyvolá na povrchu tělesa tzv. Rayleighovu vlnu a zbytek energie se vrací zpět do materiálu prostřednictvím odražené vlny. Tento jev je schematicky zobrazen na obr. 33. Kromě povrchové vlny dochází také k transformaci na například deskové vlny (Lambovy). Jednotlivé typy vln se šíří různou rychlostí. Obr. 33 Vznik a šíření vlny Zdroj: Kopec, B. (2008)

59 59 Mezi typické znaky metody AE patří: pasivní monitorování probíhajícího procesu (nevnáší do konstrukce žádné aktivní buzení, NDT), frekvenční pásmo detekovaných vln pohybující se od 30 khz do 1 MHz (nejčastěji v pásmu cca khz), detekce frekvenčně širokopásmových procesů (maximální citlivosti detekce sledovaných procesů) pomocí rezonančních snímačů ve vhodně vybraném frekvenčním okně. Metoda AE detekuje a charakterizuje rozvoj procesu, pracuje s odposlechem akustické aktivity emitované procesy probíhajícími v materiálu (plastické deformace, iniciace a rozvoj mikrotrhlin a trhlin, svírání a rozevírání trhlin apod.). Cílem je lokalizace a hodnocení aktivity defektů a rozvoj procesů právě a pouze v jejich průběhu a vzhledem ke skutečným podmínkám a režimu zkoušky, či provozu. Kromě předností oproti ostatním NDT metodám má metoda AE i jistá omezení, kterými jsou: nedetekuje statické, neaktivní defekty a defekty, jejichž aktivita je tichá, je nutné aplikovat stimul iniciace aktivity AE, obvykle zatížení konstrukce, zkouška AE není opakovatelná (aktivita defektů je jev nevratný). Jedná se o proces plastické deformace doprovázené poskoky dislokací nebo rozvoj porušení materiálu doprovázený iniciací mikrotrhlin, mikroposkoky čela trhliny, dvojčatění nebo posuvy hranice zrna. Detekcí rázové vlny jedné události AE vzniká v detekovaném signálu jeden izolovaný hit elektrického signálu AE. Po sobě jdoucí jednotlivé časově izolované hity událostí AE trvají od několika nanosekund do jednotky milisekund a tvoří praskavý nespojitý signál AE ( burst signal ). Spektrum impulzu je frekvenčně velmi široké a signál je převážně typu tlumených kmitů s relativně velkou amplitudou (Obr. 34). Jako typický zdroj nespojitého signálu AE můžeme uvažovat měnící se trhlinu v materiálu. Tyto části signálu při vyhodnocení ze signálu vybíráme a vyhodnocujeme je samostatně. Vymezení hitu ze signálu pozadí provádíme pomocí překročení prahu detekce hitu (Kreidl, M. 2006, Koktavý, P. 2006, Kopec, B. 2008, Vlašic, F. 2011, Bečvář, P. 2001).

60 60 Obr. 34 Parametry nespojitého signálu Zdroj: Vlašic, F. (2011) 6.11 Využití nedestruktivních metod Účelem nedestruktivního zkoušení je odhalit případnou vadu v materiálu, určit typ tohoto defektu a popsat jeho polohu a velikost. S pomocí těchto informací je pak možné vyhodnotit, zda je třeba kontrolovaný objekt upravit, či úplně vyřadit z provozu, aby nedošlo k nečekané havárii celého zařízení. V současnosti používané metody defektoskopie ve většině případů postačují k získání těchto údajů, ale mnohdy je měření velice složité, nákladné, či časově náročné. Proto jsou vyvíjeny stále novější a dokonalejší defektoskopické přístroje a postupy inspekce. Pochopitelně ne všechny principy NDT lze výrazným způsobem modernizovat. Například u vizuální kontroly a kapilárních zkoušek je vývoj směřován zejména ke zlepšování rozlišovacích schopností přístrojů a už z principu těchto metod je patrné, že výraznější vývoj nelze očekávat, přesto patří k neopomenutelným a hojně využívaným metodám NDT. Z hlediska perspektivy vývoje jsou zajímavé metody testování ultrazvukem a prozařováním. Také AE nachází stále více uplatnění mezi NDT metodami (Kníř, J. 2010, Kolář, J. 2012, Vítámvás, Z. 2009,

61 61 7 Svařované materiály Spojování heterogenních materiálů vyžaduje mít podrobné znalosti jejich příslušných vlastností. Hliník je využitelný především pro svoji nízkou specifickou váhu a rovněž optimální užitné vlastnosti a dobrou zpracovatelností. Přesto však se v mnoha oborech nemůžeme vzdát ocele z důvodů její pevnosti, nízké ceny a značné modifikovatelnosti. Důležité informace se týkají také korozního chování, koeficientu tepelné roztažnosti a atomárních vlastností. Termické spojování oceli a hliníku doprovází intenzivní působení tepla. V důsledku toho vzniká v hraniční vrstvě obou materiálů (místo svaru) takzvaná intermetalická fáze. Čím vyšší je působení tepla během svařování, tím větší rozsah má tato intermetalická fáze a hůře se utvářejí mechanicko-technologické vlastnosti spoje. Důležité u spojování heterogenních materiálů jsou také chemicko-fyzikální vlastnosti. Rozdílné jsou například koeficienty tepelné roztažnosti obou materiálů a to vede ke vzniku pnutí v oblasti spoje. V místech svarového spoje je rovněž znatelně zvýšená náchylnost ke korozi. Příčinou je velký rozdíl potenciálů ocele vůči hliníku. Všechny technologie zabývající se svařováním ocele a hliníku jsou realizovatelné pouze pro určité tvary spoje a jsou kladeny velké nároky na řídicí techniku. Pozinkovaný ocelový plech se při svařování netaví, ale je pouze smáčen základním a přídavným Al materiálem. Tento jev způsobují rozdílné teploty tavení (Al 660 C, ocel 1538 C, záleží na druhu oceli a přítomných legujících prvcích) dochází ke svarovému pájení. Dříve běžně platila nemožnost spojování ocele a hliníku (Obr. 35) vycházející ze svářečsko-technického hlediska. Dnes naopak výzkumné práce v oboru MIG/MAG svařování možnost spojování těchto materiálů pomocí elektrického oblouku potvrzují a vyvíjejí se stále nové a nové metody a způsoby ( Obr. 35 Princip spojování metodou CMT

62 62 Zdroj: Kubíček, J. (2006) Svařitelnost je komplexní charakteristika, na níž je nahlíženo ze tří hlavních pohledů. 1) Materiálová svařitelnost určuje vhodnost materiálu vytvořit svarové spojení na základě jeho fyzikálních a chemických vlastností. 2) Konstituční svařitelnost sleduje umístění svaru s rámci celé konstrukce a také ve vztahu k druhu a velikosti namáhání, tloušťky materiálu atp. 3) Technologická svařitelnost bere v úvahu metodu svařování, teplotní cyklus, parametry svařování atp. 7.1 Hliník (Al) Je lehký kov stříbřitě šedé barvy. Je třetím nejrozšířenějším prvkem na zemi po kyslíku (O 2 ) a křemíku (Si). Hliník řadíme mezi celosvětově nejvýznamnější neželezný kov, co se týká produkce. Pro své vlastnosti je hliník a jeho slitiny jedním z nejpoužívanějších konstrukčních materiálu a to především v dopravním průmyslu, graficky znázorněno na obr. 36. Obr. 36 Světová spotřeba hliníku Zdroj: (2016) Základní vlastnosti hliníku Má kubickou plošně centrovanou mřížku, předurčující jeho dobré vlastnosti v tahu (A = 70-90%), ale nízkou mez pevnosti (R m = 40-50MPa).

63 63 Tabulka 1 Fyzikální vlastnosti hliníku Vlastnost Hodnota Mřížka K12 Parametr mřížky a = 0, nm Hustota 2,6989 g.cm -3 (při 20 C) Teplota tavení 660,4 C Taplota varu 2494 C Tepelná vodivost Elektrická vodivost 247 W.m -1 (při 25 C) 62% IACS (Al 99,8) 62% - 66% IACS (Al 99,999+) Latentní teplo tavení 397 kj. Kg -1 Latentní teplo varu 10,78 MJ.kg -1 Atomová hmotnost 26,98154 Objemová změna při krystalizace 6,50% Specifické teplo 0,900 KJ/kg.K (při 25 C) 1,18 KJ/kg.K (při 660,4 C) Spalné teplo 26,2 nω.m (Al 99,999+ při 20 C) Elektrický odpor 26,55 nω.m (Al 99,8 při 20 C) Zdroj: MICHNA, Š. (2005) Zkouškami bylo zjištěno, že u oceli vrubová houževnatost při teplotách pod 0 C znatelně klesá. Naproti tomu u hliníkových slitin s klesající teplotou stoupá. Konstrukce provedené z neměďnatých slitin hliníku s dobrou chemickou odolností vůči povětrnostním vlivům nemusí být opatřovány ochrannými nátěry, tím se podstatně sníží udržovací náklady. V provozu různých dopravních prostředků má nízká specifická váha hliníku a jeho slitin často rozhodující význam pro zvýšení hospodárnosti provozu. To se příznivě projeví i u předmětů sloužících k dopravě různých kapalin a hmot. Výše výrobních nákladů na opracování hliníkové slitiny činí 30 70% ceny stejného druhu opracování oceli. Při výpočtech hospodárnosti výroby je potřeba vzít v úvahu také výhodnější zhodnocení tříděného odpadu ( Svařování ovlivňuje především: bod tavení hliníku a jeho slitin se pohybuje v rozmezí 580 až 650 o C. Měrné a skupenské teplo je téměř dvojnásobné než u oceli, k roztavení jednotky hmotnosti je potřeba dodat téměř stejného množství tepla jako pro ocel. Taktéž součinitel teplotní roztažnosti hliníku je více než dvakrát větší než u oceli a tepelná vodivost hliníku je téměř čtyřikrát větší než oceli. Tyto fyzikální vlastnosti určují

64 64 velikost a rozsah tepelně ovlivněného pásma kolem svarového spoje (je podstatně větší). Při teplotním ovlivnění vzniká pnutí ve svaru a jeho okolí. Hliník je také citlivý na korozi, způsobenou místními rozdíly ve složení heterogenních materiálů, která se obvykle vyskytuje v okolí svarů. Na povrchu hliníku i jeho slitin se tvoří vrstva oxidu, který má teplotu tání více než o C. S rostoucí teplotou nemění hliník ani jeho slitiny barvu, takže svařeč zrakem není schopen teplotu určit. Negativně ovlivňuje svařování hliníku a jeho sloučenin vysoká afinita ke kyslíku. Již po velmi krátké době se působením atmosférického kyslíku se na povrhu hliníku vyváří Al 2 O 3. Tato sloučenina je elektricky nevodivá a ztěžuje tedy svařování elektrickým obloukem (CMT). Vrstva Al 2 O 3 je také nerozpustná v hliníku, což může vést k oxidickým vněstskům v celém objemu tavné lázně svaru. Pórovitost svaru může zapříčinit hygroskopická vlastnost oxidu hlinitého. Efektivním způsobem odstranění této vrstvy je použití argonu jako čisticího prostředku. Dalším způsobem je rozrušování povrchu účinnými složkami v tavidlech. Během ohřevu při svařování kdy je zvýšená rozpustnost vodíku v hliníku a vodík je absorbován hliníkem, dochází při následném ochlazování ke snížení rozpustnosti vodíku, který při nedostatečné difundaci vytváří póry ve svaru. Všechny výše uvedené vlastnosti hliníku a také jeho slitin si žádají odlišné technologické postupy a metody při jejich svařování než je tomu u oceli. U svařování hliníku jsou vyšší nároky na zručnost a zkušenost svařeče. Hliník a hliníkové slitiny je možno svařovat celou řadou způsobů (Franc, A. 2013, Hlavní důvody použití metody CMT při svařování hliníku Spojování velmi tenkých hliníkových plechů o tloušťce 0,3 mm a až o 50% vyšší rychlost svařování na obr. 37. Při metodě CMT dochází ke snížení přenosu tepla až o 90% a až desetinásobně vyšší rychlosti svařování obr. 38 a graf 1. Metoda CMT vykazuje nejlepší přemostitelnost spáry (mezery) až 2,5 mm (Obr. 39). Obr. 37 Ukázky svarů hliníkového plechu metodou CMT

65 65 Zdroj: (2010) Obr. 38 Srovnání svarů a rychlosti svařování hliníkových plechů Zdroj: (2010) Graf 1Porovnání množství vneseného tepla v kj/cm. Zdroj: (2010)

66 66 Obr. 39 Velikost přemostitelné spáry u jednotlivých CMT metod Zdroj: (2010) 7.2 Ocel S253JR Jedná se o nelegovanou (uhlíková) konstrukční ocel pro všeobecné použití ČSN EN Patří se oceli podle ČSN a Svařitelnost nelegovaných ocelí se nejjednodušeji určuje uhlíkovým ekvivalentem C EV (%). S rostoucí hodnotou C EV (s rostoucím obsahem uhlíku nebo legujících prvků) je nutno snižovat rychlost ochlazování, pro zamezení vzniku trhlin. Z toho důvodu se často používá předehřev svařovaných dílů. Oceli s C EV 0,35 jsou obvykle svařitelné bez problémů při běžně používaných tloušťkách. Uhlík ovlivňuje pevnost tepelně nezpracované oceli (do 0,85%), zhoršuje tažnost a svařitelnost, největší vliv má tvrdost. (1) Při svařování jemnozrnných nízkolegovaných ocelí oceli S235J2G3 můžeme očekávat růst zrn v tepelně ovlivněné oblast, což zapříčiňuje pokles plasticity. Většinou svařujeme bez předehřevu s omezeným příkonem. Dále dochází k poklesu pevnosti, meze kluzu a vrubové houževnatosti. Tyto hodnoty se sníží pod úroveň hodnot základního materiálu. Výslednou strukturu po ochlazení na vzduchu z vysokých teplot podle ekvi-

67 67 valentního obsahu Ni a Cr nám ukazuje Schaefflerův diagram na obr. 40 (Ambož, O., Obr. 40 Schaefflerův strukturní diagram Zdroj: (2016) Základní vlastnosti oceli S235 Vhodná ke svařování všemi obvykle používanými způsoby svařování. S rostoucí tloušťkou výrobku a rostoucí hodnotou uhlíkového ekvivalentu se zvyšuje riziko výskytu trhlin za studena v oblasti sváru. Pro zachování mechanických vlastností se výrobky normalizačně žíhají. Ocel určená pro tváření za studena musí být označena písmenem C (S235JRC). To se týká i tažení za studena. Vyznačují se nízkou mezí kluzu okolo 235MP, nízkou mezí pevnosti 350MPa. Přehled dalších vlastnosti (Obr. 41).

68 68 Obr. 41 Přehled vlastností oceli Zdroj: (2016) Hlavní důvody použití metody CMT při svařování oceli Vyšší rychlost svařování až o 50% vyšší rychlost svařování, snížení přenosu tepla až o 50% proti svařování krátkým obloukem. Krátký oblouk udává hodnotu 1,96 kj/cm, oproti tomu CMT 1,12 kj/cm, ukázka svarů na obr. 42. Nejmenší tvorba rozstřiku, srovnání na obr. 43. Obr. 42 Porovnání vnosu tepla při svařování. Zdroj: (2010)

69 69 Obr. 43 Porovnání množství rozstřiku vyprodukovaném v 1 m svaru. Zdroj: (2010) 7.3 Použití CMT při svařování vybraných vzorků V následující kapitole si ukážeme možnosti svařování CMT metodou. Vybral jsem tři běžně používané vzorky (hliníkový plech, ocelový plech a pozinkovaný ocelový plech). Ve spolupráci s Ing. Miroslavem Fruhwirtem, Jaroslavem Ryškou a společností European Data Project s.r.o. jsme metodou CMT svařili zvolené materiály Hliníkový plech hliníkový plech (svařováno CMT + PULS) Základní materiál: hliníkový plech (AlMg 3 ) + hliníkový plech (AlMg 3 ), přídavný materiál AlSi 5, ø drátu 1,2mm (Obr. 44) Ochranný plyn: Ar 100% Svařovací napětí: 17V Typ svarového spoje: koutový Frekvence: 50-70Hz Svařovací poloha: vodorovný shora PA (S = 0, R = 90 ) Rychlost svařovací hubice (mm/s) Režim svařování Svařovací proud I(A) Průtok ochranného plynu Q (l/min) 30 CMT + PULS