TECHNOLOGIE I : Svařování plamenem. Základní technické parametry, rozsah použití, pracovní technika svařování slitiny železa a vybraných neželezných kovů a slitin. Autoři přednášky: prof. Ing. Iva NOVÁ, CSc. Ing. Jiří MACHUTA, Ph.D. Pracoviště: TUL FS, Katedra strojírenské technologie
Svařování plamenem patří mezi klasické metody svařování a dnes jeho historická úloha již ustupuje do pozadí využívají se tzv. obloukové technologie svařování. i přesto se používá v oblastech topenářství, instalatérské práce, práce s potrubím, klempířství a především je využíváno v mnoha opravárenských a renovačních dílnách; přídavným materiálem u svařování plamenem je drát; dráty pro svařování plamenem jsou v současné době vyráběny jako poměděné, v metrových délkách a vyraženým označením typu na povrchu. Poznámka: při svařování plamenem je ovlivňována značná část svařovaného materiálu, což je značná nevýhoda; svařování obloukem je velmi výhodné, neboť oblouk představuje lokální zdroj tepla pro natavení.
Svařování plamenem - teplo potřebné k natavení svařovaného (základního) materiálu a přídavného materiálu se získává hořením směsi plynů, nejčastěji kyslíku a acetylenu. acetylen C 2 H 2 je plyn, který hoří a kyslík (O 2 ) podporuje hoření; pozor acetylén je výbušný plyn, kyslík nesmí přijít do styku s oleji a tuky! plyny se dodávají v tlakových ocelových nádobách;
Charakteristika acetylénu Acetylen je uhlovodík C 2 H 2 ( obsahuje 92,2 % C a 7,8 % H 2 ). smícháním se vzduchem tvoří výbušnou směs! z tohoto důvodu se dodává v tlakových lahvích naplněných průlinčitou hmotou nasycenou acetonem, ve které je aceton pod tlakem rozpuštěn. láhev o objemu 40 l obsahuje 5 až 6 kg acetylenu, to je množství, které odpovídá spotřebě kyslíku ve stejně velké láhvi. ocelová láhev se dle ČSN označuje bílým pruhem (dnes zahraniční dodavatelé píší acetylen) obr. vpravo porézní průlinčitá hmota (snímek z elektron. mikroskopu)
Acetylén - je hořlavý plyn, s výrazným zápachem po česneku (technický acetylén). chemicky čistý acetylén je bez zápachu; při atmosférickém tlaku a normální teplotě hoří acetylén bílým plamenem s velkým vývinem sazí. ve směsi s kyslíkem dosahuje výbušné směsi při obsahu 2,8 až 93%. 1m 3 má při normálním (atmosférickém) tlaku a teplotě (20 C) hmotnost 1,17 kg (je lehčí než vzduch); nejnižší teplota vzplanutí je přibližně 350 C, rychlost hoření směsi podle obsahu kyslíku je 90 až 200m.s -1, detonační rychlost je až 3 000m.s -1.
Acetylén je labilní endotermická sloučenina - při hoření dodává teplo okolí. při manipulaci s ním je třeba dbát pozor, protože za určitých podmínek může dojít k jeho výbušnému rozkladu; při ohřátí na teploty mezi 300 až 800 C nastává polymerizace a kondenzace na vyšší uhlovodíky, jako benzín, benzol, starol, naftalín, a to za vývinu tepla. Toto teplo zvyšuje postupně teplotu a reakce se zrychluje. K vnitřnímu rozkladu acetylénu dochází při ohřevu nad 800 C; při nízkém tlaku dochází pouze k rozkladu v místě tepelného impulzu; zároveň dochází ke značnému vývinu tepla: C 2 H 2 = 2 C + H 2 + Q (teplo)
Kyslík (O 2 ) při atmosférickém tlaku a teplotě 183 C zkapalní na modrou kapalinu (1litr kapalného kyslíku = 800 l plynného kyslíku ); tlaková láhev s kyslíkem je podle zahraničních dodavatelů označována bíle a ještě s nápisem kyslík. dříve se dle ČSN označovala modrým pruhem; láhev s acetylenem je označena hnědě.
Tlakové lahve jsou vyrobeny z bezešvých ocelových trub, tloušťka stěny se pohybuje od 5 do 8mm, objem lahve je nejčastěji 40 a 50 litrů každá láhev na stlačené plyny se skládá z vlastního tělesa láhve, hrdlového kroužku, ochranného kloboučku (popř. třmenu), ventilu, patky a láhvového ventilu. aby nenastala záměna lahví,jsou podle druhu plynu odlišeny barevným pruhem u hrdla nebo barvou celé lahve.
Tlakové lahve se používají pro dopravu, manipulaci, uskladnění plynu jsou to ocelové lahve vyrobené z bezešvých ocelových trubek s t = 5-8 mm pro kyslík jsou z ocele 13 142 pro acetylen jsou z ocele 11 350 Staré značení nové značení staré značení nové značení
Výhřevnost plamenů hořením různých plynů
Schéma zařízení pro svařování plamenem každá tlaková láhev obsahuje lahvový ventil a redukční ventil se dvěma manometry; jeden manometr sleduje tlak v lahvi, druhý v hořáku; tlak acetylenu v lahvi je 1,5 MPa; tlak kyslíku v lahvi je 15MPa; pomocí hadic vedou oba plyny od tlakových lahví do hořáku;
Redukční ventil - je to zařízení, které snižuje (redukuje) vysoký výstupní tlak plynu z lahve na potřebný pracovní tlak v hořáku. udržuje pracovní tlak na nastavené hodnotě bez ohledu na to, že odběrem plynu se jeho vstupní tlak snižuje. Obrázky jsou převzaté z podkladových materiálů České slévárenské společnosti svařování plamenem, duben 2013
Hadice - slouží jako pružné propojení svařovacího hořáku s lahví (zdrojem plynu). hadice pro přívod kyslíku a acetylenu se liší barvou a světlostí hadice pro kyslík jsou modré; hadice pro acetylén červené; tloušťka stěny hadic 4-6 mm; světlost hadic pro kyslík je 6-9 mm, pro acetylen 9-14 mm. nejmenší délka hadic může být 5 m. hadice pro acetylen je zkoušena na přetlak 1MPa, stěna tlakové hadice je vyztužena textilní vložkou, hadice pro kyslík je zkoušena pro přetlak 2 MPa.
Pojistka proti zpětnému hoření (šlehnutí) bývá uložena v hadici nebo v části hořáku pro oba plyny, je na principu plastu, který se nataví a utěsní přívod acetylénu. zabraňuje proniknutí zpětného hoření (šlehnutí) plamene hadicí do redukčního ventilu; současně nedovolí vniknutí kyslíku do přívodu hořlavého plynu a vytvoření výbušné směsi; zařízení se umisťuje do hadice pro přívod acetylenu ve vzdálenosti asi 1 m od rukojeti hořáku. Někteří výrobci umísťují tyto pojistky přímo do rukojeti hořáku.
Hořák, tzv. svařovací souprava obě hadice přivádí plyn správně řečeno do svařovací soupravy; svařovací souprava 1 - hubice hořáku, 2 - hořák, 3 - převlečná matice, 4 - ovládací ventily, 5 - rukojeť, C 2 H 2 acetylen; O 2 - kyslík tlak kyslíku v soupravě (hořáku) je 0,3 MPa. tlak acetylenu v soupravě (hořáku) je 0,1 MPa svařovací souprava obsahuje sadu (cca 6) výměnných nástavců, které umožňují svařovat materiály různých tlouštěk.
Rukojeť hořáku, resp. svařovací soupravy Obrázek je převzatý z podkladových materiálů České svářečské společnosti svařování plamenem, duben, 2013
Rozdělení hořáků pro svařování plamenem injektorové; bez injektorové; Injektorové - využívají jevu (z termodynamiky plynů), při kterém plyn s vyšším tlakem proudící relativně malým otvorem se natolik zrychlí, že za ním vzniká vakuum. Bez injektorové - dochází ke klidné hoření plamene, vyžadují však vyšší nároky na redukční ventily. V praxi se nejvíce používají injektorové hořáky. Obrázky převzaty z podkladů České svářečské společnosti svařování plamenem, duben, 2013
Druhy plamenů (neutrální, redukční, oxidační) Plamen neutrální - vzniká v případě, že spalujeme přibližně stejné množství obou plynů, tj. poměr mísení; tento typ plamene se pro svařování používá nejčastěji. Při podrobnějším pohledu lze tohoto plamene rozpoznat 3 světelné kužele: První kužel - jádro plamenu (vnitřní světelný kužel plamene) je oblast ostře ohraničená; zde probíhá postupný ohřev do teploty zapálení plynné směsi, která proudí z hubice do hořáku; Druhý kužel je oblast svařování, zde probíhá spalovací proces, který má dvě fáze. V první fázi probíhá nedokonalé spalování na povrchu světelného kužele acetylen se rozkládá na původní složky, uhlík se spaluje na oxid uhelnatý a vodík zůstává převážně volný; tento kužel je důležitý pro svařování. Třetí kužel - oblast vnější části plamene (žluté zabarvení), zde probíhá druhá fáze spalování C 2 H 2 atmosférickým O 2.
Druhý kužel je oblast, kde probíhá spalovací proces, který má dvě fáze. V první fázi probíhá nedokonalé spalování na povrchu světelného kužele acetylen se rozkládá na původní složky, uhlík se spaluje na oxid uhelnatý a vodík zůstává převážně volný. 1. fáze: C 2 H 2 + O 2 = 2CO + H 2 + teplo Teplo uvolněné v první fázi spalování označujeme jako výhřevnost acetylenu. Oblast vhodná ke svařování, kde je nejvyšší teplota (cca 3100 C), leží ve vzdálenosti cca 1 až 2 mm od vrcholu 1.světelného kužele. Tato oblast má dezoxidační (redukční) charakter a chrání roztavený kov před vnější atmosférou, nazývá se nejen oblastí svařovací, ale také pracovní.
Třetí kužel - oblast vnější části plamene (žluté zabarvení), zde probíhá druhá fáze spalování C 2 H 2 atmosférickým O 2 : 2. fáze: 2CO + H 2 + 3/2 H 2 O = 2CO +H 2 O + teplo potřebný kyslík si plamen odebírá ze vzduchu a kužel vnějšího plamene má oxidační účinek; Schéma oblastí (kuželů) neutrálního kyslíko - acetylenového plamene Obrázek je převzatý z podkladů České svářečské společnosti-svařování plamenem, duben 2013
Plamen redukční (nauhličující) - s poměrem míšení s přebytkem acetylenu, světelný kužel je překrytý mlhavým závojem, jehož délka závisí na přebytku acetylenu. plamen je čadivý a má silný dezoxidační účinek, obsahuje volné částice nespáleného uhlíku a způsobuje nauhličování nataveného kovu; pro běžné svařování ocelí nemá uplatnění, používá se pro svařování litin, hliníku. Plamen oxidační - s poměrem smíšení s přebytkem kyslíku a má tendence propalovat svařovaný materiál; světelný kužel je krátký a podle obsahu kyslíku je zbarven od modré až do modrofialové. Kyslík z oblasti světelného kužele se lehce dostává do styku s roztaveným kovem a oxiduje ho. plamen není vhodný pro svařování ocelí, litin, neželezných kovů. používá se pro svařování některých druhů mosazí (slitina Cu-Zn) a bronzů (slitina Cu-Sn). kyslík tvoří se zinkem na povrchu svařovaných materiálů oxidy, které brání vypařování Zn, Sn.
Druhy plamenů a jejich použití pro svařování podle míšení plynů Obrázek je převzatý z podkladů České svářečské společnosti svařování plamenem, duben 2013
Rozdělení plamene podle výstupní rychlosti měkký výstupní rychlost 70-100 m/s nestabilní,náchylný ke zpětnému šlehnutí střední výstupní rychlost 100-120 m/s stabilní,zaručuje dobrou jakost svaru ostrý výstupní rychlost větší než120 m/s velký dynamický účinek na svarovou lázeň
Přídavné materiály pro svařování plamenem jsou to svařovací dráty; mají stejné nebo podobné chemické složení jako svařovaný materiál; dráty se dodávají v tyčinkách dlouhých 1 m a vyrábí se o průměrech: 1,6; 2; 2,5; 3,25; 4; 5; 6,3; 8 mm; označují se: G XXX
Tupý V svar - používá se pro svařování plechů tloušťky větších než 4 mm Tupý X svar - pro svařování tloušťky plechu více jak 12mm je používán tupý X svar.
Příprava svarových ploch Lemový svar používá se pro svařování plechů tloušťek od 0,2 do tloušťek 2mm. základní materiál by neměl být příliš pevný, aby se dal snadno tvářet Tupý I svar používá se pro svařování tloušťek 1 až 4mm. pro dokonalé svaření je nutno podložit při svařování kořene svaru.
Způsoby svařování plamenem - svařování plamenem je nevýhodné, vzniká značně ovlivněná oblast základního materiálu schéma svařování plamenem svařování a) vpřed; b) vzad svařování vzad je výhodnější svařování plamenem je méně nevýhodné
Svařování vpřed Obrázek je převzatý z podkladů České svářečské společnosti svařování plamenem, duben 2013
Svařování vzad Obrázek je převzatý z podkladů České svářečské společnosti svařování plamenem, duben 2013
Ochranné pomůcky při svařování plamenem rukavice kožená zástěra brýle pro svařování plamenem
Normy pro svařování plamenem Česká svářečská společnost ANB ČSN 05 0705; ZK 311 W 01 ZP 311-2 W01 Bezpečnostní normy ČSN 05 0610 ČSN 05 0600 Vyhláška č. 87/2000 Sb.
Barevné označení lahví dalších plynů Stránka převzata z podkladových materiálů České slévárenské společnosti svařování plamenem, duben 2013
Charakteristika svařování plamenem Literatura [1] NOVÁ, I.: Technologie I. [Skripta], FS-TU v Liberci 2006. [2] Svařování plamenem - Technické podklady České slévárenské společnosti. [3] KUNCIPÁL, J. a kol.: Teorie svařování. Praha, 1986. [4] Kolektiv: Materiály a jejich svařitelnost. /Učební texty pro kurzy svářečských inženýrů a technologů/. Ostrava 1999. [5] Kolektiv: Navrhování a posuzování svařovaných konstrukcí a tlakových zařízení. /Učební texty pro kurzy svářečských inženýrů a technologů/. Ostrava 1999.