Svařování plazmovým obloukem

Transkript

1 Svařování plazmovým obloukem doc. Ing. Drahomír Schwarz, CSc. ČSÚ, s.r.o., Ostrava doc. Ing. Ivo Hlavatý, CSc. VŠB TU Ostrava, technologie svařování 1. Úvod Svařování plazmou (PAW Plasma Arc Welding) je metoda velmi podobná metodě 141. Vznikla jejím vývojem a zaručuje vyšší produktivitu. Plazmové svařování patří mezi moderní, vysoce produktivní metody obloukového svařování v ochranné atmosféře. Je charakterizováno velmi vysokou koncentrací energie a vysokou pracovní teplotou. Zdrojem tepla pro natavení vzájemně spojovaných součástí je úzký svazek vysokotlakého plazmatu o teplotě řádově až K vystupující nadzvukovou rychlostí z trysky plazmového hořáku [1]. Plazmové svařování je řazeno podle ČSN EN ISO 4063 do skupiny metod obloukového svařování označené číslem Princip metody Všechny metody využívající proudu plazmatu, ať na dělení materiálu nebo svařování, s přeneseným nebo přímým obloukem mají společnou vlastnost usměrněný elektrický oblouk. Pokusy usměrnit elektrický oblouk a přitom zvýšit jeho hustotu výkonu, jsou již velmi staré. V roce 1909 Schönherr dosáhl tangenciálním vháněním vody pod lehkým přetlakem koncentrace oblouku v jeho ose. Pojem tepelná plazma byl zaveden fyzikem Langmuirem v roce Při hledání tzv. čtvrtého skupenství hmoty našel stav, který má určité elektrické vlastnosti a pojmenoval ho plazmou. Tepelná plazma je složená ze směsi elektronů, iontů a neutrálních částic. Molekuly jsou za vysokých teplot disociovány, atomy jsou ionizovány. Energie při tom spotřebovaná se při dopadu na relativně studený povrch materiálu opět uvolní jako rekombinované teplo. Každý oblouk obsahuje uvnitř tepelnou plazmu. Při svařování plazmou je tento stav hmoty dosažen ve větším rozsahu, větší kontrakcí oblouku za vysokých teplot [10]. Rozdíl mezi metodou svařování 141 a plazmovým svařováním z hlediska hoření oblouku a teplot v oblouku je patrný z obr. 1. Z hlediska historie lze vývoj metody charakterizovat následovně: 1941 Ministerstvo obrany USA požaduje novou metodu pro rychlejší svařování a řezání materiálů 1951 Aplikována TIG metoda svařování 1957 První plazmový řezací hořák konstruovaný jako modifikace TIG hořáku (Dr. R. Gagge Buffalo USA) 1962 Dvouproudový plazmový oblouk, stíněný sekundárním plynem 1963 Vzduchová plazma 1965 Vodou stíněná plazma, voda nahrazuje plynové stínění 1968 Vodní injekční plazma, používá vodu ke zúžení oblouku 1972 Vodní tlumič a vodní stůl snižují hluk, kouř a dým při řezání 1977 Řezání pod vodou snížení hluku a nečistot při řezání 1980 Nízkoproudové vzduchové plazmy 1983 Kyslíkové plazmy, zvyšují řeznou rychlost a kvalitu řezu u uhlíkových ocelí 1985 Kyslíkové injekční plazmy, používají dusík jako plazmový plyn, kyslík se injekčně přidává do hubice 1989 Hloubkové řezání pod vodou, umožňuje řezat ve velkých hloubkách 1990 Plazmy s vysokou hustotou oblouku (High Density Plazma) 3. Fyzikální princip plazmového oblouku Obr. 1 Rozdíly v hoření plazmového oblouku a oblouku u metody WIG (TIG) [11] Termín plazma je dnes užíván ve více oborech s odlišným významem. Zde označuje určitou formu disociovaného a vysoce ionizovaného plynu, která umožňuje hoření elektrického oblouku. Koncentrovaný sloupec tohoto plazmového media vzniká stabilizací elektrického oblouku průchodem chlazenou tryskou. Na vnitřním povrchu stěn trysky pak dochází k rekombinaci ionizovaných částic. Tím se jádro sloupce silně přehřívá a vznikající úzký sloupec plazmového oblouku se projevuje svými specifickými vlastnostmi, jako vysoce zkoncentrovanou energií a axiální dynamickou složkou [2]. Základní pojmy [1]: Plazma disociovaný, vysoce ionizovaný elektrický vodivý plyn, který vedle neutrálních molekul a atomů obsahuje i pozitivně nabité částice a záporně nabité částice v různém množství. SVĚT SVARU 1/20014 / 7

2 Plazmový oblouk elektrický oblouk se zvýšenou teplotou a hustotou výkonu v důsledku zúžení jeho vodivého průřezu. Plazmový paprsek ionizovaný proud plynu o velké rychlosti vystupující dýzou z plazmového hořáku působením tlaku plazmového plynu po jeho přeměně na plazmu přechodem přes plazmový oblouk. Plazmový hořák zařízení pro vytvoření plazmového oblouku. Plazmové zařízení zařízení, které využívá plazmový paprsek pro svařování, navařování a nanášení speciálních povrchů nebo dělení materiálů. 4. Procesy při tvorbě plazmového oblouku Dvouatomové plyny jako jsou např. vodík, dusík nebo kyslík jsou složeny ze dvou atomů v molekule [3]. Disociace Při vysokých teplotách dochází ke srážkám molekul a tím k rozpadu molekuly. Dvouatomové molekuly disociují na své dva atomy a přitom spotřebují množství tepla. Ionizace V elektricky neutrálním atomu se nachází záporně nabité elektrony a kladné protony v rovnováze. Vystoupí-li teplota plynu v oblouku na zvlášť vysokou hodnotu, dochází k oddělení elektronu z atomu, elektron je vymrštěn z atomu dalším přívodem tepelné energie. Po ztrátě elektronu vznikne z atomu elektricky kladně nabitá částice, tzv. iont a záporně nabitá částice volný elektron. Tento rozpad na elektricky nabité částice provázený spotřebou tepla je nazýván ionizace. Při styku horkého plazmového plynu vycházejícího z plazmového hořáku ve formě plazmového paprsku s chladným materiálem nebo okolím se energie spotřebovaná na disociaci a ionizaci uvolní za vzniku elektricky neutrálních atomů nebo molekul tento proces je nazýván rekombinace [3]. Takto vzniklá energie se podle druhu plazmových hořáků používá pro nanášení nebo navařování speciálních materiálů, pro svařování plazmou, mikroplazmou nebo pro plazmové dělení materiálů [4]. K disociaci dochází při teplotě až K. Ionizace plynu probíhá při teplotách K. Podle stupně ionizace může být plazma plně ionizovaná nebo částečně ionizovaná. Netečné plyny jako argon, helium, neon mají uzavřenou valenční sféru, jejich molekula je jednoatomová a probíhá pouze ionizace [1]. Jako plazmový plyn je převážně používán argon, který chemicky nenapadá materiál katody a trysky, ale může být použit i jiný plyn, např. argon + vodík, helium, dusík, v závislosti na svařované tloušťce, druhu základního materiálu a použité technologii. Přiváděné množství plynu nesmí překročit určitou hranici, protože by v důsledku velkého dynamického účinku plazmatu nastalo řezání. Od jiných plynů se plazma liší tím, že na ni silně působí elektrické i magnetické pole. Plazma je jako celek elektricky kvazineutrální, to znamená, že koncentrace kladných a záporných částic je přibližně stejná [1]. 5. Plazmové plyny Nejúspornějším plazmovým plynem a ochranným plynem je v řadě aplikací argon. Kombinace Ar + 30 % He umožňuje použití nižší intenzity svařovacího proudu, což se příznivě projevuje na prodloužení životnosti hořáku a elektrody. Směsi argonu a helia, v nichž podíl helia přesahuje 30 %, přenášejí na svařenec více tepla a takto se zvyšuje riziko toho, že buď dojde k nadměrné penetraci, anebo že naopak penetrace bude slabá. K tomu dochází zvláště v poloze PA. Přehled plynů používaných pro plazmové svařování je uveden v tab. 1. Plyn Teplota varu ( C) Rel. hustota (vzduch = 1) Ionizační energie (ev) Chemická aktivita Vodík -252,9 0,06 13,59 Redukční Argon -185,9 1,38 15,76 Inertní Helium -268,9 0,14 24,56 Inertní Dusík 195,8 0,91 14,55 Neredukční Oxid uhličitý -78,5 1,44 Oxidační Kyslík ,04 13,62 Oxidační Tab. 1 Přehled používaných plazmových plynů a jejich vlastností Směsi plynů s vyšším než 30% podílem helia jsou vhodné pro svařování hliníkových součástí do tloušťky zhruba 8 mm ve svislé poloze. I když směsi argonu s heliem mají vyšší koeficient tepelné vodivosti než samotný argon, je obtížné zvyšovat rychlosti svařování s cílem kompenzovat zvýšení množství tepla přiváděného do svaru. Rychlosti svařování pro argon a argon/helium směsi jsou stejné a pohybují se, např. u plechů o tloušťce 5 mm, v pásmu od 21 do 25 cm/min [20]. Podle složení plazmového plynu lze dosáhnout níže uvedené maximální teploty v plazmovém oblouku [5]: Dusík N K Vodík H K Argon K Helium K Vodou stabilizovaná plazma K Plyny pro svařování plazmou se dělí na plazmové, ochranné a fokusační. Vnitřní proud plynu kolem wolframové elektrody je nazýván plazmový (pilotní) plyn. Nejčastěji se jedná o argon, který díky své nízké ionizační energii dosáhne vysokého ionizačního stupně. Při svařování CrNi ocelí nebo slitin na bázi niklu je používána směs argonu a vodíku. V důsledku vyšší tepelné entalpie vodíku a při shodné délce oblouku vyšší energie umožňuje zvýšit rychlost svařování ve srovnání s použitím čistého argonu. K tomu přispívá také vyšší součinitel tepelné vodivosti této směsi. Podobný efekt lze dosáhnout při svařování titanu a zirkonu přimísením helia do plazmového plynu. Ochranný plyn nesmí negativně ovlivňovat vlastnosti základního materiálu. Volba ochranného plynu se řídí v první řadě podle základního materiálu. Jako ochranný plyn je používána u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí, stejně jako u austenitických ocelí a slitin na bázi niklu, zpravidla směs argon/vodík. Pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je možné použít i směs argon/co 2 nebo argon/o 2. Pro svařování hliníku je vhodná směs argon/helium. Jako fokusační plyn se používá buď čistý argon, směs argon/helium nebo argon/vodík. Fokusační plyn pro zúžení 8 / SVĚT SVARU 1/20014

3 proudu plazmatu je přiváděn do svařovacího hořáku separátním okruhem mezi plazmovým a ochranným plynem [12]. Množství plazmového plynu je, např. pro mikroplazmové svařování 0,2 až 1 l/min, pro svařování tenkých plechů podle velikosti proudu 1 až 6 l/min. Standardně se používá průtok plazmového plynu 5 až 10 l/min popř. 15 až 25 l/min, podle konstrukce hořáku. 6. Typy plazmových oblouků Pro technologické procesy využívající plazmu se používají plazmové hořáky s elektrickým obloukem napájeným stejnosměrným proudem. Rozeznáváme tři základní druhy hořáků podle typů zapojení a to: 1. s nepřeneseným obloukem (mají nezávislé zapojení pro nevodivé materiály) 2. s přeneseným obloukem (mají závislé zapojení pro vodivé materiály) 3. takové, které pracují současně s přeneseným i nepřeneseným obloukem (mají kombinované zapojení) Hořáky s nepřeneseným obloukem U těchto hořáků je elektrický obvod proudu v plazmovém hořáku, při hoření plazmového oblouku uzavřen. Elektrický oblouk vzniká uvnitř hořáku mezi elektrodou a anodou, kterou tvoří měděná dýza, která elektrický oblouk zužuje. Zúžením oblouku dochází ke zvýšení hustoty axiálního elektrického pole v kanálu dýzy a tím k velkému ohřátí plazmového plynu. U hořáků s nepřeneseným obloukem vystupuje z hořáku pouze horký plazmový paprsek. Použití: nanášení ochranných povlaků proti mechanickému, chemickému nebo tepelnému namáhání. Hořák s přeneseným obloukem U těchto hořáků je svařovaný materiál anodou. K zapálení pomocného oblouku dochází vysokonapěťovou jiskrou, která přeskočí mezi elektrodou a měděnou dýzou v hubici hořáku. V kanálu dýzy tím dochází k ionizaci plazmového plynu za vzniku pomocného, tzv. pilotního oblouku. K ochraně dýzy proti vysoké teplotě je proud pomocného oblouku omezen odporem na 10 až 12 A. Proud plazmy vycházející dýzou z plazmového hořáku je pomocným obloukem ionizován natolik, že se při přiblížení hořáku ke svařovanému materiálu zapálí hlavní plazmový oblouk hořící mezi wolframovou elektrodou a svařovaným materiálem. Hořák s kombinovaným zapojením Slouží k nanášení kovových i nekovových prášků na povrchy materiálů proti chemickému, mechanickému nebo tepelnému namáhání. Práškové materiály se nataví pomocí nepřeneseného oblouku a přeneseným plazmovým obloukem se roztaví a spojí se se základním materiálem. 7. Parametry svařování Parametry svařování při plazmovém svařování lze definovat [6]: 1. Mikroplazmové svařování se svařovacím proudem 0,1 A 20 A, tloušťky materiálů t = 0,1 1,0 mm 2. Středně-plazmové svařování se svařovacím proudem 20 A 100 A, tloušťky materiálů t = 1,0 3,5 mm 3. Svařování klíčovou dírkou (keyhole welding), nad 100 A, tloušťky materiálů t = 3,5 10,0 mm. Svařování KLÍČOVOU DÍRKOU Teplo a dynamický účinek plazmového paprsku vytvářejí otvor na přední straně tavné lázně. Tento otvor, kde plazmový paprsek prochází materiálem se nazývá klíčová dírka. Při posuvu plazmového hořáku ve směru svařování dochází vlivem povrchového napětí k opětnému spojení svarového kovu za klíčovou dírkou, obr. 2 [7]. Obr. 2 Svařování metodou Klíčové dírky [7] Tento efekt umožňuje svařování tupých svarů do tloušťky 8 mm bez úpravy svarového úkosu a na jeden průchod. Ekonomický přínos této metody je zřejmý. Snadná kontrola průvaru, nízká citlivost na změny délky oblouku, vysoká stabilita oblouku i při nízkých parametrech společně s malou tepelně ovlivněnou oblastí zajišťují vysokou kvalitu svařovacího procesu. Svařování metodou klíčové dírky je velmi vhodné pro automatizaci svařovacího procesu. Svařuje se obvykle bez použití přídavného materiálu. Pokud je požadován převýšený svar, umístí se přídavný materiál na povrch spojovaných materiálů do místa jejich styku, nebo je nutné speciálně upravit svarové plochy. Svařovací proud ovlivňuje vlastnosti svarů prostřednictvím výstupního tlaku plazmy a teploty. Zvýšení napětí proudu rozšiřuje svar jak na povrchu, tak i v kořenové části spoje. Je-li svařovací proud ve vztahu ke svařovací rychlosti a tloušťce materiálu příliš velký, způsobuje přílišnou penetraci svarové lázně. Rychlost toku plazmového plynu ta souvisí s kinetickou energií oblouku, a týká se tedy i hloubky penetrace. Úměrně s narůstající tloušťkou materiálu resp. s rychlostí svařování se musí zvyšovat též rychlost toku plazmového plynu. Při použití plazmového plynu Ar + 20 % He se dosahují rychlosti toku plazmatu kolem m.s -1, při použití dusíku od do m.s -1. Svařovací rychlost se podle svařované tloušťky a parametrů svařování pohybuje nejčastěji v rozmezí 15 až 85 cm.min -1. K dalším parametrům při svařování plazmou patří: napětí na oblouku druh použitých plynů SVĚT SVARU 1/20014 / 9

4 poměr míchání plynů množství (průtok) jednotlivých plynů přiváděných do místa svaru čistota plynu druh a tvar netavicí se elektrody vzdálenost hubice od svařovaného materiálu 8. Svařované materiály a metody svařování Při použití plazmového svařování můžeme svařovat všechny typy ocelí i slitiny neželezných kovů (hliníku, niklu, mědi, titanu). Velmi dobře se plazmou svařují vysokolegované oceli, feritické chromové oceli, martenzitické chromové oceli, austeniticko-feritické oceli duplexní a austenitické oceli. Doporučené metody svařování v závislosti na svařované tloušťce jsou uvedeny v tabulce 2 [3]. Rozsah svařované tloušťky Metoda svařování Proud I 0,1 1,0 [mm] mikroplazmou 0,1 20 [A] 1,0 3,5 [mm] středně plazmové svařování [A] Obr. 3 Příprava svarových ploch vysokolegované Cr-Ni oceli pro svařování plazmovým obloukem s přidáváním drátu do místa svařování [10] 3,5 10 [mm] svařování klíčovou dírkou nad 100 [A] Tab. 2 Doporučené metody svařování [6] Ochranné plyny u svařování vysokolegovaných ocelí, obsahující vodík se používají jen pro svařování austenitických ocelí. Pro oceli feritické, martenzitické a austeniticko-feritické se používá směs s dusíkem pro udržení požadovaného podílu austenitu a feritu ve svaru. Je-li nutné použít přídavný materiál, pak se volí parametry tak, že paprsek plazmatu zaniká v tavné lázni. Přídavný materiál může být ve formě: prášku, drátu a plněných elektrod [8]. 9. Typy svarových spojů Při svařování plazmou je možné svařovat tupé svary typu I bez úpravy svarových ploch. Nerezavějící austenitická ocel se svařuje bez úpravy svarových ploch do tloušťky 10 až 12 mm s mezerou v kořeni 0,5 1 mm s plynovou ochranou kořene formovacím plynem. Pro nelegované a střednělegované oceli se neupravují svarové plochy do tloušťky 6 mm. U materiálů větších tlouštěk používáme upravené svarové plochy. Příklad úpravy svarových ploch pro svařování vysokolegované Cr-Ni oceli s přídavným materiálem je na obr. 3. Doporučené úpravy svarových ploch při svařování austenitických ocelí mikroplazmou uvádí obr. 4 [1]. U mikroplazmového svařování je značným problémem při spojování tenkých fólií šířka svarové mezery, která se má pohybovat mezi 10 až 20 % tloušťky fólie. Nutností je použít upínacích přípravků pro odvod tepla a zajištění polohy během svařování [2]. 10. Výhody svařování plazmovým obloukem Svařování plazmovým obloukem přináší tyto výhody [9]: vyšší rychlost svařování menší tepelně ovlivněná oblast, a tím i menší deformace menší převýšení svaru, a tím i snížení pracnosti následného opracování svaru svařování bez podložení kořene Obr. 4 Vybrané druhy svarových ploch pro svařování austenitických ocelí mikroplazmovým obloukem bez přídavného materiálu [10] zachování příznivých mechanických hodnot základního materiálu vynikající kvalita svaru (rentgenovou čistotou) snížení pracnosti přípravy svarových ploch do tloušťky 8 mm není nutné plochy úkosovat lze svařovat jedním průchodem pouze z jedné strany možnost svařování střídavým i impulzním proudem lze svařovat všechny typy ocelí i slitiny neželezných kovů úspora přídavného materiálu [13, 2] 11. Použití svarových spojů Svarové spoje svařované plazmovým obloukem se používají v těchto oblastech průmyslu [10]: jaderný chemický potravinářský přístrojové techniky elektrotechniky stavby lodí letecký kosmický automobilový 10 / SVĚT SVARU 1/20014

5 Použitá literatura 1. Turňa, M. Špeciálne metódy zvárania. Alfa. Bratislava s. ISBN Kolektiv autorů. Technologie svařování a zařízení. ZEROSS Ostrava: ISBN KOLAŘÍK, L. Speciální metody svařování. Praha: ČVUT Praha, Fakulta strojní s. 4. KUČERA, J. Teorie svařování. 1. vyd. Ostrava: VŠB-TUO, 1991, 408 s. 5. Odbor technologie svařování a povrchových úprav, ÚST, FSI VUT v Brně [online]. [cit ]. Dostupný z: < technologie_vyroby_i svarovani kubicek.pdf >. 6. Svařování plazmou [online]. [cit ]. Dostupný z: < 7. HLAVATÝ, I. Teorie a technologie svařování - první multimediální publikace svařování. [online]. VŠB TU Ostrava, 2009, poslední revize ISBN Dostupné z: 8. Firemní literatura EWM, OERLIKON, OMNITECH. 9. Trendy vývoje svařování plazmou [online]. [cit ]. Dostupný z: < 10. BARTÁK, J. et al. Učební texty pro evropské svářečské specialisty, praktiky a inspektory. 1. vyd. Ostrava: Zerross, s. ISBN Gottstein, P., Jasenák, J. Mikroplazmové zváranie špeciálnych zliatin. In. Zváranie 2003, XXXI. celoštátna konferencia Rozvoj zvárania na Slovensku. 23 s. 12. SCHLIXBIER, M. Trendy vývoje svařování plazmou. Časopis KONSTRUKCE [online] , [cit ]. Dostupný z WWW: < trendy-vyvoje-svarovani-plazmou/>. ISSN Přehled kurzů ČSÚ Kurzy a semináře pro rok 2014 Termín Místo konání Přihlášky Výstup Mezinárodní svářečský inženýr ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWE Mezinárodní svářečský technolog ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWT Seminář Certifikace výrobců stavebních ocelových a hliníkových konstrukcí podle nařízení Evropského Parlamentu a Rady EU č. 305/ ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. Lucie Kotábová Mezinárodní svářečský praktik instruktor svařování ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová Recertifikační kurz instruktorů svařování ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová Seminář školení pro svářečský dozor - svářečský technik ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová Mezinárodní svářečský inspekční personál Úroveň - C (inženýr/technolog), pracoviště ATG/ČSÚ ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWI-C Specializační kurz pro svařování betonářských ocelí ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková Svařování v jaderné energetice VI. Odborné školení v souladu s NTD A. S. I. Sekce I Ostravice horský hotel Sepetná Mezinárodní konstruktér svařovaných konstrukcí ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková Mezinárodní svářečský specialista ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWS Mezinárodní svářečský inženýr ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWE Mezinárodní svářečský technolog ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWT Nové materiály, technologie a zařízení pro svařování 17. ročník mezinárodního semináře pro vyšší svářečský personál Ostravice horský hotel Sepetná Specializační kurz pro svařování betonářských ocelí ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková Seminář školení pro svářečský dozor a svářečské školy ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová Mezinárodní svářečský specialista ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWS Mezinárodní svářečský praktik instruktor svařování ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová IWP Mezinárodní svářečský inspekční personál Úroveň - C (inženýr/technolog), pracoviště ATG/ČSÚ ČSÚ s.r.o. Ostrava L. Bučková IWI-C Recertifikační kurz instruktorů svařování ČSÚ s.r.o. Ostrava Ing. L. Kotábová Školicí středisko ČSÚ s.r.o. Ostrava bude v průběhu roku 2014 realizovat celoroční doškolovací vzdělávací program, určený pro vyšší svářečský personál se zaměřením na rozvoj a udržování odborně-technické úrovně. SVĚT SVARU 1/20014 / 11