Teoretický úvod k cvičení z předmětu Technologie I : Klasické (konvenční) metody svařování

Transkript

1 Teoretický úvod k cvičení z předmětu Technologie I : Klasické (konvenční) metody svařování

2 1. Svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách Některé metody svařování byly vyvinuty pro velmi konkrétní aplikace, zatímco jiné jsou flexibilní a pokrývají široký sortiment svářečských prací. Ačkoliv se svařování užívá zásadně pro spojování stejných i nestejných kovových částí, užívá se stále více k opravám a renovacím opotřebovaných nebo poškozených součástek. Metoda svařování elektrickým obloukem, poprvé zavedená koncem 19. století, však zůstává nejvýznamnější a nejvíce používanou technikou tavného svařování. Jak název napovídá, zdrojem tepla je elektrický oblouk vytvořený nejčastěji mezi svařovaným dílem a elektrodou nebo svařovacím drátem. Elektrická energie přeměněná na teplo vytváří oblouk o teplotě až C, čímž se kovy roztaví a spojí. Zařízení se mohou lišit co do velikosti a komplexnosti, ale hlavní rozdíl spočívá v použití typu svařovacího materiálu. Jedním z hlavních problémů při svařování je, že kovy reagují s atmosférou rychleji, když stoupá jejich teplota. Metoda, jak chránit horký kov před atakem atmosféry, je druhým nejdůležitějším rozlišujícím znakem. Ochrana svarového kovu sahá od svařování pod tavidlem, které vytváří ochrannou strusku, až po svařování v ochranné atmosféře. Svařování v ochranných atmosférách nachází uplatnění ve všech oborech svařovaných konstrukcí. Jeho podíl se proti jiným technologiím zvětšuje. To je způsobeno těmito výhodami : - vysokou produktivitou - zlepšením hygieny prostředí - možností svařovat ve všech polohách - umožněním automatizace a robotizace svařování Při tomto způsobu svařování je svarová lázeň chráněna před nepříznivými účinky okolní atmosféry (hlavně kyslíku a dusíku a také vodíku) ochrannou atmosférou, která může být inertní nebo aktivní. - Inertní atmosféry (např. Argon, Helium ) nevstupují do chemických reakcí se svarovou lázní jsou vůči ní netečné - Aktivní atmosféry (např. Oxid uhličitý, směsné plyny tvořené směsí CO 2, Ar, O 2, H 2 ) Podílejí se na chemických reakcích ve svarové lázni, jejich škodlivé působení je však kompenzováno vhodným složením přídavného materiálu 1.1 Svařování metodou WIG (TIG) = svařování el. obloukem v ochranné atmosféře inertních plynů netavící se elektrodou V ČR a ve většině zemí EU se používá název WIG (= Wolfram Inert Gas welding), v anglosasky mluvících zemích TIG (Tungsten Inert Gas welding) a v USA se používá zkratka GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). Tato metoda byla vyvinuta ve 40.letech obdobně jako svařování pod tavidlem, ovšem s jiným cílem. Byla určena především pro svařování hliníku (Al) a jiných silně reaktivních

3 kovů, později se její použití rozšířilo i na slitiny železa (Fe) a další konstrukční materiály korozivzdorné a jiné vysokolegované oceli a litiny mědi Je to univerzální způsob a používá se v uspořádání pro ruční i automatické svařování i navařování. Je to metoda, při které elektrický oblouk hoří mezi netavící se wolframovou (W) elektrodou a základním materiálem, který je chráněný před účinky okolní atmosféry inertním (netečným) plynem převážně Argonem (Ar), výjimečně Heliem (He), Dusíkem (N) nebo směsnými plyny (Ar-He, Ar-H 2 ) a přídavný materiál je do oblouku podáván samostatně (ručně nebo pomocí podávacího mechanismu). Délka oblouku je regulována napěťovou regulací. Wolframová elektroda obsahuje zpravidla přísadu (do 2 %) Oxidu Thoria (ThO 2 ), který výrazně zvyšuje termoemisi elektronů = elektroda se tím lépe ochlazuje a snáší vyšší proudové zatížení. Thorium snižuje emisní energii, snese vyšší proudové zatížení a má vyšší (až o 1000 ºC) pracovní teplotu. Ale je radioaktivní nahrazováno Lanthanem. Konce elektrody je možno zbrousit do ostrého hrotu, oblouk je pak lépe soustředěn, klidněji hoří a hloubka závaru je větší. Všechny kovy ( s výjimkou hliníku Al, a Hořčíku Mg) se svařují stejnosměrným proudem s přímou polaritou (= elektroda -, svařovaný materiál +). Vzniká tak hlubší závar a je menší zatížení elektrody. Vlastnosti : - metoda WIG je málo produktivní - nízká účinnost přenosu tepla (60%), omezené proudové zatížení elektrody - velmi dobrá kvalita svaru (hlavní přednost!) - možnost svařovat vysokolegované oceli, Al, Cu, Ni, Mg,. Ti Svařování WIG zajišťuje výjimečně čisté a vysoce kvalitní svary. Protože nevzniká žádná struska, je sníženo na minimum riziko vměstků ve svarovém kovu a hotové svary nevyžadují žádné čištění. Použití : Metodu WIG lze použít téměř pro všechny kovy a hodí se jak pro ruční, tak pro automatizované svařování. Nejvíce se užívá na svařování hliníku a nerezavějících ocelí, kde je absolutně nejdůležitější celistvost svaru. Největší uplatnění má v jaderné technice, kosmické a letecké technice, přístrojové technice, chemickém a potravinářském průmyslu všude tam, kde se vyžaduje zvlášť vysoká čistota svaru Mechanizovaná zařízení nevedou k podstatnému zvýšení výkonu navaření, jen ke zvýšení kvality a rovnoměrnosti výsledků. Postupně začíná tuto metodu vytlačovat svařování plazmové (kvalita) a svařování MIG (produktivita). Ochranný plyn : Musí mít předepsanou čistotu a musí proudit kolem elektrody vhodnou rychlostí. Nedostatečné množství plynu nestačí zabránit styku vzduchu s tekutým kovem (optimální množství plynu bývá l/min). Při nedostatečné rychlosti proudění vzniká podtlak a ochranný plyn přisává vzduch a svar se znehodnocuje

4 Hořáky : Pro nižší výkony (do 150 A) chlazeny plynem, jednoduché a nenáročné, pro vyšší výkony (proudy) chlazení vodou. Mechanizovaná zařízení jsou vybavena samočinným podáváním přídavného materiálu a programovatelným průběhem proudu, aby jakost svaru byla zcela rovnoměrná a regulaci strmosti, náběhu proudu i vyplnění kráteru. Svařování hliníku : Povrch Hliníku a Hořčíku je pokryt více nebo méně kompaktní vrstvou nevodivých oxidů (např. Al 2 O 3 ) o vysoké tavící teplotě. Pro Hliník a Hořčík je nutné použít buď :stejnosměrného proudu s obrácenou polaritou (= elektroda +, svařovaný materiál -). Na základním materiálu se vytvoří katodová skvrna, která se pohybuje a vyhledává místa pokrytá oxidy. Tato místa mají nižší emisní energii pro emisi elektronů a po zasažení katodovou skvrnou se oxidy vypaří. Dalším efektem, který spolupůsobí, je proud kladných iontů plynu urychlovaný směrem ke svarové lázni. Dynamickým účinkem tohoto proudu dochází ke stažení vrstvy oxidů k okraji svarové lázně. Proud kladných iontů argonu, dopadající na povrch materiálu a žhavý katodový bod rychle se pohybující po povrchu plechu rozrušuje oxidickou vrstvu a umožňuje svařovat bez tavidla tzv. čistící účinek oblouku. Nedostatek této obrácené polarity je nedostatečná hloubka závaru Proto se používá střídavého proudu. V průběhu kladné polarity elektrody se povrch zbaví oxidů a v průběhu záporné polarity elektrody se materiál nataví do větší hloubky a elektroda se ochladí. Při svařování stříd.proudem vzniká zvláště při nižších proudech nestabilita oblouku, která způsobuje defekty ve svarech, případně zcela znemožňuje svařování. Proto je nutné oblouk stabilizovat vysokofrekvenčním vysokonapěťovým generátorem (napětí V a o frekvenci 2 5 MHz) nebo Pulsním generátorem s nízkou frekvencí. 1.2 Svařování metodami MIG, MAG = svařování el. obloukem v ochranné atmosféře (aktivního nebo inertního plynu) tavící se elektrodou V ČR a v EU se používají názvy MAG (Metal Active Gas welding) při použití aktivních plynů (CO 2, směsné plyny) a MIG (Metal-Inert-Gas welding) při použití inertních plynů (Argon, Helium). V USA se používá pro obě metody jednotný název GMAW (Gas Metal Arc Welding). Tyto metody jsou v principu identické, liší se pouze druhem ochranného plynu. Vyvinuly se jako kombinace : - svařování pod tavidlem (odkud převzaly způsob podávání přídavného materiálu) - svařování WIG (oblouk je chráněn plynem vhodného složení)

5 Elektrický oblouk hoří mezi holým (kovovým) přídavným drátem (nepřetržitě dodávaným do svaru) a základním svařovaným materiálem. Oblouk a svarová lázeň jsou chráněny proudem inertního nebo aktivního plynu. Používají se vysoké proudové hustoty ( A.mm -2 ) proto se dosahuje vysokých svařovacích rychlostí a výkonů navaření. Svařování MIG/MAG je podstatně produktivnější než ruční svařování el.obloukem obalovanou elektrodou (ROS = MMA - Manual Metal Arc), kde se produktivita ztrácí pokaždé, když svářeč zastaví, aby vyměnil spotřebovanou elektrodu. Při ROS vznikají také materiální ztráty při vyhazování nedopalků. Z každého kilogramu prodané obalené elektrody se asi jen 65 % stane součástí svaru (a zbytek se vyhodí). Používáním svařovacího a trubičkového drátu se účinnost zvýšila na %. Pro svařování se používají svařovací poloautomaty a automaty. Svařování MIG/MAG je univerzální metoda, kterou je možno ukládat svarový kov ve větším množství a ve všech svařovacích polohách. Použití : Tyto metody mají dobré operativní vlastnosti (svařování ve všech polohách) a možnost rychlé změny svař. parametrů podle programu = předpoklady pro použití těchto způsobů ve spojení se svařovacími roboty. Tato metoda se hodí pro většinu materiálů a přídavné materiály jsou k dispozici pro široký sortiment kovů. Používá se pro svařování velmi lehkých až středně těžkých ocelových konstrukcí, pro svařování slitin hliníku a zvláště tam, kde se vyžaduje vysoký podíl ruční práce svářeče. Trubičkové dráty nalézají uplatnění především v těžkých ocelových konstrukcích. Metoda MIG : především pro svařování Hliníku a jeho slitin. (přímou polaritou, zvýšený ohřev není na závadu) Oproti metodě WIG mnohonásobně vyšší produktivita (ovšem s horší jakostí svaru) Při svařování Mědi (Cu) je možno oblouk chránit dusíkem, který je levnější a vůči mědi netečný Metoda MAG : především pro svařování ocelí o vyšších pevnostech, slitinových ocelí (tam kde jsou kladeny vysoké nároky na jakost spoje a kde nelze použít svařování pod tavidlem - při použití plynu CO 2 je provozně nejlevnější vzhledem k relativně nízké ceně tohoto plynu (oproti Argonu ) - výkon odtavení je podstatně vyšší, než při svařování obalovanou elektrodou a ekonomičnost této metody může ještě zlepšit vhodná konstrukce spojů, která bere v úvahu relativně veliký závar. Svařování MIG i MAG lze plně automatizovat ve spojení s vhodnými roboty a manipulátory. Zhotovuje se takto řada i prostorově složitých svarů bez zásahu lidského činitele, typické jsou např. rámy motocyklů a kol, karosérie, kde je dostatečná sériovost. Přídavný materiál : Svařovací drát (relativně malého průměru 0,8 až 1,6 mm) nebo trubičková elektroda odvíjející se ze zásobníku a bowdenem se vede do svařovacího hořáku. (Proud se přivádí kluzným kontaktem ze slitiny CuBe, CuCr, která je dobře vodivá a tvrdá, odolná proti opotřebení) Ochranný plyn : Inertní (Argon, Helium, směsi) - pro svařování Hliníku, Titanu a jiných reaktivních kovů

6 Aktivní (CO 2, Argon s příměsí 2-5% O 2 ) pro svařování ocelí - tyto plyny mají oxidační charakter a ovlivňují složení svarového kovu Ochranná atmosféra se volí podle druhu svařovaného materiálu, ovlivňuje však i přenos materiálu, rozstřik a teplotní poměry v oblouku. U zařízení pro svařování MIG a MAG se nenastavuje svařovací proud, ale délka oblouku - prostřednictvím napětí na oblouku. Požadovaná velikost svař. proudu se nastaví rychlostí podávání drátu. Regulace délky oblouku je možná jedině tím, že zdroj má velmi plochou charakteristiku (= závislost Napětí na Proudu), takže změna délky oblouku má za následek velkou změnu proudu a tím se zrychlí nebo zpomalí odtavování elektrody. (Při obvyklých malých průměrech elektrody a vysokých podávacích rychlostech drátu až 20 m/min jiný systém regulace nepřichází v úvahu ) 1.3 Svařování metodou MOG =svařování trubičkovými eletktrodami Svařování se podle typu použité trubičky uskutečňuje v ochranné atmosféře nebo bez ní, je označováno jako MOG (Metal Ohne Gas). Pokud jde o práci a zařízení, je svařování trubičkovým drátem (FCAW - Flux Cored Arc Welding, dle normy správněji svařování plněnou elektrodou) velmi podobné svařování MIG/MAG. Nesvařuje se však plným drátem nebo elektrodou, ale je to kovový plášť vyplněný tavidlem. Trubičkové elektrody mají plášť z ocelového pásku, který je sbalen do trubičky. Náplň obsahuje legující, struskotvorné a dezoxidační prvky a sloučeniny. Tento způsob se používá pro svařování a navařování speciálních návarů. Při svařování zvyšuje produktivitu o 20 %.Vzniká však značné množství exhalací, které je nutno odsávat. Jako u svařování MIG/MAG závisí i tato metoda na ochranném plynu, který chrání svarovou oblast roztaveného kovu. Plyn se dodává buď samostatně (trubičkový drát je určen pro svařování v ochranné atmosféře) nebo vzniká rozkladem přísad z náplně (trubičkový drát s vlastní atmosférou). Kromě ochranného plynu produkuje trubičkový drát strusku, která slouží jako další ochrana při chladnutí svarového kovu a poté se z jeho povrchu odstraní. 1.4 Modifikace pro zvýšení produktivity : - svařování do úzkého úkosu o podstatné zvýšení produktivity a snížení množství svarového kovu o pro svařování velkých tlouštěk materiálu, snižuje tenzometrické účinky na základní materiál o svařuje se jedním nebo více svařovacími hořáky, které zavádějí drát do kouta. o Svarové housenky se na sebe vrství vertikálně o Svarová lázeň je chráněna přiváděným CO 2 nebo směsným plynem - tandemové svařování dvou napájených drátů o dva oblouky za sebou, zvyšují svařovací rychlost a snižují náklady - svařování druhým studeným nebo odporovým teplem ohřívaným drátem, který nemá napájení svařovacím proudem

7 - svařování s přidáváním horkého drátu (MAG + HW proces) o ocelový drát o průměru 1,2 2mm je ohříván na teplotu blízkou teplotě tavení materiálu přídavným zdrojem a dodáván do svarové lázně dosahuje se úspor na nákladech a energii - Svařování s přidáváním studeného drátu (MAG + CW)