1 Elektroplynové svařování - 73 V posledních letech byl zaznamenán zvýšený zájem v oblasti spojování součástí větších tloušťek (ocelové pláty s vyšší pevnosti). Tento trend vychází z poptávky po vyšší výkonnosti strojů, především v lodní dopravě, kde rostou požadavky na velikosti přepravních kontejnerů, za účelem zvýšení efektivnosti lodní přepravy. Větší kontejnerové lodě vyžadují silnější ocelové plechy. Při spojování těchto součástí roste podíl elektroplynového svařování.na obr.1 je nákres trupu přepravní lodi, který je svařován metodou EWG. [ 1 ] Obr.1 Trup přepravní lodi. 2 Charakteristika elektroplynového svařování Elektroplynové svařování (obr. 2), je metoda, která byla vynalezena v roce 1960. Používá se pro svařování desek o tloušťce 12-100 mm i větších rozměrů, ve vertikálních polohách svařování (např. velké nádrže, pláště tankerů). Z hlediska použití i designu je velmi podobná elektrostruskovému svařování. Přídavný materiál je ve formě plného, nebo trubičkového drátu a odtavuje se v atmosféře ochranného plynu, podobně jako u - 1 -
metody MIG/MAG. Svarový kov tuhne mezi keramickými podložkami, které jsou ochlazovány proudem vody. [ 2 ]. Obr. 2 Princip elektroplynového svařování [3 ] Konstrukční řešení svarového spoje je obvykle jednoduchý I-spoj s mezerou, nebo V-spoj (obr. 2). Ve srovnání s elektrostruskovým svařováním produkuje tato metoda menší tepelně ovlivněnou zónu a o něco lepší vrubovou houževnatost. Dlouhý výlet elektrody umožňuje vyšší svařovací rychlost a vzniká méně roztaveného základního materiálu a méně tepla. Svařování je uskutečněno svislým posuvem měděných patek s jednotkou pro posuv drátu směrem nahoru rychlostí řádově mezi 5 5,5 cm/min, v závislosti na tloušťce spojovaných materiálů. Rychlost nanášení kovu je zhruba 350 g/min. Nejrozšířenější používané velikosti elektrod jsou elektrody o průměrech 1,2 mm, 2,4 mm, 3,2 mm. [ 1 ] - 2 -
Obr.3 V svar s keramickou vložkou [3 ] Mezi výhody elektroplynového svařování patří: vysoká kvalita svarů velká rychlost svařování nevzniká kouř, tepelné záření, jiskry při svařování mechanizace svařovacího procesu přechodem z technologie ROS na EWG úspory nákladů více jak 50% 2.1 Konvenční metoda elektroplynového svařování EGW a vibrační metoda VEGA Tradiční technologie elektroplynového svařování stejně jako metoda VEGA (Vibratory Electrogas Arc Welding) (obr. 3) jsou založeny na principu vzniku elektrického oblouku v ochranné atmosféře mezi elektrodou a základním materiálem. Základní rozdíl mezi těmito metodami je v oscilačním pohybu, který je zastoupen jen u metody VEGA. - 3 -
V porovnání těchto dvou metod, je lepší metoda vibrační, protože konvenční metoda je náročná na tepelný příkon, vzniká velká tepelně ovlivněná oblast a hlavně je zde velké riziko vzniku horkých trhlin. Naproti tomu vibrační metoda odstraňuje předchozí nedostatky, umožňuje lepší rozložení tepla do svaru a dochází k lepšímu utváření povrchu. Kombinací zapojení více elektrod umožňuje tato metoda vyšší svařovací rychlosti a úsporu energií. [ 1 ] Obr. 3 Vibrační svařování s jednou elektrodou [1] Na obr. 4 je porovnání kvality svarů a množství vneseného tepla při svařování materiálu EH40 (americká norma) tloušťky 19 mm konvenční metodou EGW a metodou VEGA. U konvenční metody je patrná velká zóna TOO a množství vneseného tepla je více jak 3x větší. Obr. 4 Porovnání kvality svarů [1] - 4 -
3 Přídavný materiál Svařování lze použít plný drát nebo plněné elektrody (trubičkový drát) a je stejné jako u technologie MIG/MAG. Při FCAW se pracuje s plněnou elektrodou (trubičkovým drátem), která je tvořena páskou svinutou do kruhového průřezu nebo tenkostěnnou trubičkou, s vnitřní náplní tavidla, případně kovového prášku, případně i s potřebnými legurami. Oproti plnému drátu lze u plněné elektrody docílit různým složením plniva i potřebných operativních svařovacích vlastností i různých vlastností svarového kovu. Podstatně vyšší proudová hustota (A/mm 2 ) při hoření oblouku plněné elektrody umožňuje při jinak stejných parametrech svařovacího proudu ve srovnání s drátem plného průřezu podstatně rychlejší odtavování, a tím i vyšší výkon svařování spolu se snazší kontrolou a ovládáním svarové lázně. Z hlediska konstrukce rozdělujeme trubičkové dráty na: [ 4 ] a) falcované se švem (obr. 5) vyznačují se menší tuhostí, slabším pláštěm, při delším skladování je nutné trubičku opětovně přesušit, nelze je pomědit, větší nároky na vedení, čtyřkladková mechanika, speciální kladky pro trubičky, vyrábí se od průměru 1,2 mm. Obr. 5 Řez falcovanou trubičkou se švem - 5 -
b) svařované bezešvé (obr. 6) vyznačují se větší tuhostí trubičky, silnějším pláštěm trubičky, není je nutné přesoušet, poměděné, leštěné, žíhané, uklidněné dobře průchodné bowdenem, spolehlivě je vede i dvoukanálová mechanika. Obr. 6 Řez bezešvou svařovanou trubičkou Falcované trubičkové dráty mohou podobně jako obalené elektrody nabrat vlhkost z okolního prostředí, proto se doporučuje po 72 hodinách, kdy nejsou ve skladu, nebo v originálním balení je opětovně přesušit a to podobnými hodnotami jako obalené elektrody. 3.1 Porovnání hoření elektrického oblouku Jak vyplývá z obr. 7 je nejvíce tepla u plného drátu ve středu na anodové skvrně, což dělá problémy u tupých spojů na tenkých materiálech (l-spoj) a při svařování kořenových vrstev, kdy je třeba se pohybovat po svarových plochách daného úkosu. U trubičkových drátů je toto eliminováno díky širšímu hoření oblouku a jinému, výhodnějšímu, přenosu kapek kovu do svarové lázně. Proto je možné svařovat kořenové vrstvy bez tzv. "pendlu" a svářeč se věnuje pouze vedení svarové lázně v ose spoje. Přemostění kořenových vůlí a eventuální přesazení spoje se s trubičkovým drátem provádí nesrovnatelně lépe než s plným drátem. - 6 -
Obr. 7 Rozdíl mezi hořením oblouku plného a trubičkového drátu 4 Ochranný plyn Hlavní úlohou ochranných plynů je zamezit přístupu vzduchu do oblasti svařování tj. především chránit elektrodu, oblouk i tavnou lázeň, její okolí a kořen svaru před účinky vzdušného kyslíku, který způsobuje oxidaci, naplynění, pórovitost a propal prvků. Ochranné plyny mají také významný vliv na typ přenosu kovu v oblouku, přenos tepelné energie do svaru, chování tavné lázně, hloubku závaru, rychlost svařování a další parametry svařování. V současnosti se na ochranu oblouku používají jednosložkové nebo vícesložkové plyny. Podle charakteru se ochranné plyny projevují neutrálním, oxidačním nebo nauhličujícím vlivem na svarovou lázeň. Při volbě ochranného plynu spolurozhodují technické a ekonomické ukazatele.metoda elektrostruskového svařování využívá jako ochranný plyn CO 2. Oxid uhličitý CO 2 je nehořlavý, nejedovatý a bezbarvý plyn, jehož bod varu je 78,45 C. Jeho hustota je 1,976 kg.m 3 a je tedy těžší než vzduch. Vysoká hustota plynu příznivě ovlivňuje funkci plynové ochrany především v běžných polohách svařování. Oxid uhličitý má vysokou tepelnou vodivost s vysokým přenosem tepla do svarové lázně. Tento přenos tepla spolu s teplem získaným exotermickými oxidačními reakcemi zajišťuje velmi - 7 -
dobré natavení svarových hran, hluboký průvar s oválným profilem svarové housenky a dobré odplynění svarové lázně. Oxid uhličitý způsobuje vysoké povrchové napětí na roztaveném konci elektrody, které se snaží udržet kapky na elektrodě. Kapky se oddělují s velkým objemem a zpravidla jejich poloměr v roztaveném stavu přesahuje 0,8 mm. Takové kapky se po dopadu na okolní materiál nataví a způsobují obtížně odstranitelný rozstřik, který zvyšuje pracnost výroby svařenců. Tlak páry vody v CO 2 zcela závisí na tlaku plynu. Čím je menší tlak plynu, tím větší je koncentrace vody a zvlášť intenzivní navlhčení plynu nastává pod 1 MPa, kdy roste nebezpečí pórovitosti svarů. [ 5 ] 5 Svařovací parametry Volba svařovacích parametrů metody EGW je obecně závislá na tloušťce spojovaných součásti. Tloušťka ovlivňuje především velikost svařovacího proudu (100 800 A), napětí (30 50V ). Rychlost svařování se mění v závislosti počtu použitých elektrod obr.8. Pro spojování dvou ocelových plátů jednou elektrodou tl.70 mm oceli EH40, jsou svařovací parametry uvedeny v tab.1. Tab.1 Svařovací parametry Svařovací drát Proud Napětí Rychlost svařování Tepelný příkon Výlet elektrody Šířka oscilace (A) (V) (cm/min) (KJ/cm) (mm) (mm) Složení Svařovací plyn Spotřeba plynu trubičkový drát 400 40 5.0-5.5 366-404 15 35 100 % CO 2 30 ( l / min ) - 8 -
Obr. 8 Závislost rychlosti svařování na tloušťce materiálu a počtu elektrod [1] 6 Svařovací zařízení EGW Svařovací zařízení pro metodu EGW se dnes vyrábějí jako automatické CNC řízené svařovací stroje. Řídící systém automaticky kontroluje stav svarové lázně, proud, napětí, rychlost. Navíc jsou tyto přístroje vybaveny hlavou, která automatický vytváří zkosení na plátech od 60 do 90 pro V svary i na nepravidelných plochách (zaoblení).díky malé velikosti a vysoké kvalitě svařování se zvyšuje efektivita a snižuje se čas přípravy svařování. Obr. 9 Dvoustranné elektroplynové svařovací zařízení - 9 -
Použitá literatura [ 1 ] SASAKI Kiyohito, SUDA Kazutoshi, MOTOMATSU Ryu-ichi, HASHIBA Yuji, OHKITA Shigeru IMAI. Authors rights. Development of Two - electrode Electrogas Arc Welding Process [online]. Jul.2004. [cit.2008-10-24]. Dostupné z http://www.nsc.co.jp/en/tech/report/pdf/n9013.pdf [ 2 ] ESAB. Elektroplynové svařování [online]. 2006 [cit.2008-10-24]. URL< http://www.esab.com/cz/cz/education/processes-electrogas.cfm>. [ 3 ] SALAMON Charles G., JOHNSON John E.,MALHAS Faris: Steel Structures:Design and Behavior.[online].c2007,[ cit.2008-10-24].dostupné z http://books.google.cz/books?id=jnhsmzm_ejoc&dq=electrogas+welding&lr=&sou rce=gbs_summary_s&cad=0. [ 4 ] WIPRO S.R.O. Operační manuál 136 [online]. 2008 [cit.2008-10-24]. URLhttp://www.wirpo.cz/cs/f/wirpo_cs/p/homepagetexty/Opera%C4%8Dn%C3%AD%20manu%C3%A1l%20136%20ready.pdf. [ 5 ] KUBÍČEK, Jaroslav. Technologie svařování. [online].2006 [cit.2008-10-24]. Dostupné z http://ust.fme.vutbr.cz/svarovani/opory_soubory/technologie_vyroby_i svarovani kubicek.pdf. [ 6 ] ALIBABA - Double side electric-gas vertical welding machine URLhttp://www.alibaba.com/product-gs/204686998/Double_side_electric_gas _vertical_welding_machine.html - 10 -