Jako přídavné materiály byly vybrány Mecufil 903 Al, CuSi3, CuSn6 a CuSn. Tyto materiály zajišťují korozní odolnost. Nejvyšší pevnost v tahu má spoj svařený přídavným materiálem Mecufil 903 Al. Přídavný materiál Mecufil 903 Al je ale náchylný na konstantní velikost mezery mezi svařovanými plechy. Při použití přídavného materiálu Mecufil 903 Al snížíme výrobní náklady na 1 metr svaru o 10 procent.

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRTSVÍ VUT V BRNĚ
ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE
ODBOR TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ A POVRCHOVÝCH ÚPRAV

Technická 2896/2 , 616 69 Brno

--------------------------------------------------------------------------------

SVAŘOVÁNÍ POZINKOVANÝCH PLECHŮ EL. OBLOUKEM

METODOU MAG

Diplomová práce
Magisterský studijní program M 2301 Strojní inženýrství
Obor 23-07-8 Strojírenská technologie
Specializace 02-Tváření,svařování 2.stupeň, 2. ročník

Autor: Vlastislav STANĚK

Vedoucí diplomové práce: Ing. Jaroslav Kubíček

Brno, květen 2004
--------------------------------------------------------------------------------

PODĚKOVÁNÍ

Děkuji tímto vedoucímu mé diplomové práce Ing. J. Kubíčkovi a pracovníkům firmy WIRPO s.r.o., jmenovitě p.Hermanovi, za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce.
--------------------------------------------------------------------------------

ANOTACE

STANĚK Vlastislav. Svařování pozinkovaných plechů el.obloukem metodou MAG. Diplomová práce. Magisterský studijní program M 2301 Strojní inženýrství, obor 23-07-8 Strojírenská technologie, specializace 02-Tváření,svařování, 2.stupeň, 2.ročník, akad.rok 2003/2004. FSI VUT v Brně, ÚST odbor svařování a povrchových úprav, květen 2004, str. 90 , 64 obr., 13 tab., 6 grafů, 6 příloh.

Práce se zabývá svařováním pozinkovaných plechů. Tyto materiály jsou používány v automobilovém, chemickém a energetickém průmyslu. Literární studie shrnuje poznatky ze svařování a pájení. Při svařování klasickými přídavnými materiály typu SG2 hrozí vznik bublin a trhlin. Optimální technologií je MIG pájení. Práce řeší porovnání plných a trubičkových drátů při MIG pájení. Jako přídavné materiály byly vybrány Mecufil 903 Al, CuSi3, CuSn6 a CuSn. Tyto materiály zajišťují korozní odolnost. Nejvyšší pevnost v tahu má spoj svařený přídavným materiálem Mecufil 903 Al. Přídavný materiál Mecufil 903 Al je ale náchylný na konstantní velikost mezery mezi svařovanými plechy. Při použití přídavného materiálu Mecufil 903 Al snížíme výrobní náklady na 1 metr svaru o 10 procent.

1. ÚVOD

Svařování patří v současnosti ke stále více se rozvíjejícímu odvětví průmyslu. Je to technologie, kterou v podstatě nelze nahradit ničím zcela odlišným. Do technologie svařování spadá i svařování pozinkovaných plechů.

Obecně vzato, pozinkované ocelové konstrukce patří k nejpoužívanějším v průmyslové výrobě. Velmi často jsou používány pro stavebnictví, kde je jejich výhoda zcela jasně znát. Touto výhodou je korozní odolnost proti atmosférickým vlivům. Na druhé straně právě onen zinkový povlak, který zajišťuje zmíněnou odolnost proti korozi, způsobuje nemalé potíže při svařování.

Dalším odvětvím, které v hojné míře používá pozinkované ocelové polotovary, je automobilový průmysl. Zde je používáno hlavně tenkých plechů se zinkovou ochranou na karoserie automobilů.

Samozřejmě, že existuje řada jiných odvětví, které používají svařence z pozinkovaných polotovarů, jako např. chemický průmysl, energetický průmysl apod.

Vidíme tedy, že řešení problému svařitelnosti těchto ocelových polotovarů nespočívá v jejich záměně za jiné materiály, ale je nutné a ekonomicky přínosné zvolit správnou technologii a parametry svařování. Vyřešením tohoto problému lze ušetřit nemalé finanční prostředky a současně také zkrátit výrobní cykly nutné pro výrobu jednotlivých konstrukcí a zařízení.

1.1 Současné řešení
V současnosti je spojování pozinkovaných plechů v automobilovém průmyslu řešeno svařováním dráty typu SG2, svařováním laserem nebo MIG pájením. Při svařování přídavnými materiály SG2 dochází v místě svaru a jeho okolí k vypálení zinkové vrstvy v širokém rozsahu. Důvodem vypálení Zn vrstvy je vysoká teplota tavení přídavného materiálu (SG2 až 1500°C), oproti tomu přídavné materiály na bázi mědi mají teplotu tavení okolo 900°C. Nevýhodou velkého vneseného tepla při svařování drátem typu SG2 je i fakt, že na rubové straně svaru dojde ke znehodnocení Zn vrstvy. Vrstva vyhoří nebo zoxiduje, což má nepříznivý vliv na kvalitu spoje, zejména u dutých profilů. V těchto případech nelze opětovně zajistit korozní odolnost, neboť místa s porušenou Zn vrstvou jsou nedostupná. Z tohoto důvodu se stále častěji používá technologie MIG pájení, která zaručí požadovanou pevnost i korozní odolnost.

2. POZNATKY Z TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ

2.1 Definice svařování [1]

Svařováním kovů a jejich slitin vznikají nerozebíratelná spojení pomocí soustředěného tepla, tlaku, případně obojím a s použitím, nebo bez použití přídavného materiálu, který má stejné, podobné či odlišné chemické složení jako spojované materiály. Spojení nastane působením meziatomových sil, vazeb na teplem nebo tlakem aktivovaných plochách. Spojované materiály budeme označovat jako základní materiál. Pevné látky mohou mít různý typ vazby, která odpovídá různým typům rozložení elektronů a iontů. Ionty jsou v atomu uspořádány tak, aby potenciální energie krystalu byla co možná nejmenší. Kovové krystaly jako Fe, Cu, Ag,… vznikají v důsledku vazby, která je označována jako vazba kovová. Základní představou je mrak valenčních elektronů, které mohou volně přecházet od atomu k atomu. Ke kovové vazbě tedy dochází, pokud přitažlivé síly mezi kovovými ionty a elektronovým mrakem převyšují odpudivé síly elektronů v tomto mraku. Ionty jsou uspořádány podle přesně definovaného rozložení, podle něhož v pevných látkách existují mezi ionty síly přitažlivé a odpudivé.

 

 

 

 

 

 

Obr.1 Uspořádání iontů v kryst. mřížce kovové vazby a rozdělení potenciální energie [1]
a) před spojením 2 monokrystalů b) po spojení 2 monokrystalů

2.2 Vznik svarového spoje kovových materiálů [1]
V současnosti neexistuje metoda mechanického opracování povrchů kovových materiálů, která by mohla zajistit takovou přesnost umožňující při vzájemném styku dvou opracovaných povrchů přiblížení všech míst povrchů na meziatomovou vzdálenost tj. cca 5*10^-8cm. Nejvyšší přesností opracování lze docílit rovinnosti povrchu v rozmezí 10^-4 až 10^-6cm. Přiblížením takto opracovaných povrchů se mohou uplatnit meziatomové vazby pouze v jednotlivých bodech, které představují nepatrnou část celkové plochy. Pevnost takto vytvořeného spoje je však nepatrná ve srovnání s pevností spojovaného kovu.

Aby se na povrchu dvou částí monokrystalů nebo polykrystalů mohly uskutečnit vzájemné vazby na celém povrchu je nutno použít dostatečně vysoký tlak ke stlačení výstupků a uskutečnit tak lokální plastickou deformaci. Ke vzniku svarového spoje však bez dodání potřebné energie samovolně nemůže dojít a je zapotřebí dodat aktivační energii nutnou pro překonání bariery potenciální energie soustavy atomů povrchových vrstev. Pro vznik svarového spoje za takto vytvořených podmínek je třeba dvoufázového procesu a to:

I.fáze: rozvoj fyzikálního kontaktu (přiblížení svarových ploch na vzdálenost nutnou pro uplatnění interakcí),

II.fáze: energetická interakce ukončující vznik spoje.

2.3 Fyzikální model procesů svařování a energetická bilance [1]
Proces svařování vyžaduje aktivaci, tj. dodání energie aktivace pro překonání bariery potenciální energie, která je významná zejména při existujícím znečištění povrchů spojovaných částí.

Pro svařování lze použít následující formy aktivační energie:

- termická aktivace
- pružné a plastické deformace – mechanická aktivace
- elektronové nebo iontové ozáření – radiační aktivace

 

 

 

 

 

 

Wo – potenciální energie nutná pro změnu polohy iontu uvnitř krystalu
Wp – vliv povrchu krystalu na velikost potenciální energie (energie nutná pro změnu polohy iontu)
Wr – potenciální energie na rozhraní fází

Obr.2 Znázornění významu aktivační energie pro vznik svarového spoje [1]
a) stav uprostřed monokrystalu b) stav na hranici monokrystalu mezi fázemi

 

 

 

Obr.3 Význam hodnoty zředění Z svar.kovu základním materiálem v případě [1]
a) koutového svarového spoje b) tupého svarového spoje

Početně lze stanovit zředění svarového kovu základním materiálem podle následujícího vztahu:

 

 

2.4.2 Označování metod svařování
Určité metody svařování jsou uváděny pod zkratkami obecně používanými.

Příklady zkratek:

MAG – Metal Aktiv Gas (svařování v ochranné atmosféře aktivního plynu tavící se elektrodou), např. CO2 MIG – Metal Inert Gas (svařování v ochranné atmosféře inertního plynu tavící se elektrodou), např. argon WIG – Wolfram Inert Gas (svařování v ochraně inertního plynu netavící se elektrodou).

2.4.3 Označování poloh při svařování
Při svařování jsou pro potřeby technologických postupů, zkoušek svařování a podobné potřeby polohy svařování označovány normalizovanými značkami. Polohy svařování se označují podle normy ČSN EN ISO 6947.

Jednotlivé metody svařování lze mezi sebou porovnávat dle určitých základních parametrů. Jsou to parametry:
- maximální teplota dosažitelná zdrojem tepla ve °C
- nejmenší plocha ohřevu v cm²
- největší plošná hustota energie ve W*cm^-2

Pro svařování jsou vhodné metody, které mají plošnou hustotu energie 104 až 106 W*cm^-2. Pokud by byla hodnota energie překročena, dochází k vypařování kovů, což zapříčiňuje protavení svařovaného kovu.

2.5 Svařování elektrickým obloukem [1], [2],[3]

Elektrický oblouk je výboj v plynech. Fyzikální a metalurgické děje probíhají v oblouku velmi rychle, za vysokých teplot a jsou ovlivňovány:

- geometrickým uspořádáním systému katoda-anoda
- chemickým složením plazmatu, okolní atmosféry a elektrod
- tepelnou vodivostí plazmatu, elektrod a základního materiálu

2.5.1 Charakteristické znaky elektrického oblouku [2]

Elektrický oblouk, který využíváme ve svařování, je nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj. Charakteristické znaky el.oblouku jsou:

- malý anodový úbytek napětí
- malý potenciální rozdíl na elektrodách
- proud řádově jednotky až tisíce ampér
- velká proudová hustota katodové skvrny
- intenzivní vyzařování světelného záření z elektrod i sloupce oblouku
- intenzivní vyzařování UV záření

2.5.2 Základní části elektrického oblouku [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.4 Hlavní části elektrického oblouku [3]

Teplota sloupce oblouku:

t_s=800*U_i - 273 ( ^oC )

kde: U_i – ionizační napětí prvků [V] dle tab.3 lit.[3] str.21

Poloměr sloupce oblouku:

 

 

kde: ß – součinitel pohltivosti záření oblouku (0,5 - 0,7)

Teplota oblouku: maximální hodnoty

MIG – (12000^o – 15000^o) K, MAG – 10000^o K
Využití tepla je kolem 80% až 90%.
Běžně se pohybují teploty okolo 5000^o _ 6000^oK

Výkon vznikající při oblouku:

P_s = U_s * l_s [w] (2.4)
U_s = E_s * l_s [v] (2.5)

Katodová oblast

V oblasti katody dochází k emisi elektronů, která se soustřeďuje do katodové skvrny. Elektrický oblouk se zužuje.

P_k = ( U_k – U_em ) * l_s

Výkon vznikající v oblasti katody [W]    (2.6)
kde: U_em*I_s – energie potřebná k emisi elektronů z povrchu katody

Anodová oblast

Produkuje větší tepelný výkon než oblast katodová v důsledku neutralizace katodou emitovaných elektronů. Anodová oblast má větší plochu.

P_a = ( U_a + U_em ) * l_s
Výkon vznikající v oblasti anody [W]                (2.7)

2.5.3 Tepelné účinky oblouku [1]

Svařování elektrickým obloukem je hojně využíváno proto, že vzniklé teplo je koncentrováno na malou plochu a účinnost přenosu tepla do svaru je dobrá.

Obecně lze rozdělit teplo vzniklé v oblouku na 1/3 předanou katodě a 2/3 předanými anodě.

Celková tepelná energie Q_c:

Q_c = Q_i + Q_p + Q_r + Q_m [ J ]                         (2.8)

kde: Q_i – je energie přímého vybavení tepla na katodě nebo anodě dopadem částic. Množství tepla předaného anodě a katodě není totožné s teplem vybaveným v jejich okolí, především z důvodu ochlazování katody termoemisí elektronů a ohřev anody jejich dopadem [J]

Q_p – energie přenášená tokem plazmatu je důležitá pro tepelné i mechanické účinky oblouku. U MIG/MAG svařování se v proudu plazmatu projeví velkou měrou také páry kovu tryskající z přehřátého konce elektrody [J]

Q_r – energie radiačního záření je závislá na polaritě, ploše elektrody a svarové lázně [J]

Q_m – část tepla, která je přenášena do svarového kovu entalpií kapek přehřátého kovu a kinetickou energií kapek [J]

Celková tepelná účinnost nt:

 

 

 

2.5.4 Mechanické účinky oblouku [1]

Obecným požadavkem kladeným na jednotlivé metody svařování je získání hlubokého závaru. Největší vliv u všech metod svařování má tlak proudu plazmatu. Tento tlak je vyvolán vysokou rychlostí proudění plazmatu, která dosahuje až 100 m*s^-1 a silně závisí na prostředí ochranného plynu, zejména na jeho měrné hmotnosti.

2.5.5 Síly působící na kapku roztaveného kovu [1]

Při svařovacím procesu se uplatňuje složitý systém silového působení. Na kapku svarového kovu působí jednotlivé síly s různým vlivem. Při vysoké proudové hustotě je elektrický oblouk řízen výlučně elektromagnetickými silami. U nízké proudové hustoty má největší vliv na elektrický oblouk síla povrchového napětí.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 5 Síly působící na kapku tavící se elektrody při různých proudových hustotách [1]

Síla povrchového napětí – FS – snaží se udržet kapku na konci elektrody.
Síla vyvolaná tlakem kovových par – Fp – působí proti oddělení kapky z důvodu tlaku odpařovaného kovu.
Gravitační síla – Fg – má malý vliv při svařování v polohách.
Elektromagnetická síla – Fm – působí v radiálním i axiálním směru, má nejvyšší vliv na přenos kovu v oblouku.
Hydrodynamická síla – FH – působí při vysokých proudových hustotách, napomáhá oddělení kapek z elektrody a urychluje kapky směrem do tavné lázně.

Vliv elektrodynamických sil:

Při svařování je zdrojem tepla potřebného na roztavení přídavného materiálu elektrický oblouk. Při hoření elektrického oblouku se vytváří mezi koncem elektrody a svarovou lázní sloupec vysoce ionizovaného ochranného plynu. Ten se skládá z kladných iontů a záporných elektronů. Při svařování v ochranné atmosféře argonu jsou ionty tvořeny atomy argonu. Při přechodu kapek do svarové lázně se při svařování uvolňují páry kovů. Kapky jsou do lázně přitahovány elektrodynamickými silami. Pro záporný přídavný materiál putují elektrony od svařovacího drátu do lázně. Emise je nízká. Jako nosiče proudu slouží většinou ionty, které však málo pronikají do kovu, z čehož vyplývá, že závar bude mělčí. Při kladném přídavném materiálu vystupuje z ohřáté vrstvy oxidů (katodová skvrna) velké množství elektronů. Elektrony silně ionizují plynový sloupec oblouku.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 6 Vliv polarity na způsob hoření oblouku [2] a) záporná elektroda b) kladná elektroda

Při svařování rozlišujeme 3 fáze:

1. Oddělení kapky od svařovacího drátu: svařovací drát se díky teplu oblouku rozdělí. K oddělení kapky však dojde jen vlivem působení jednotlivých sil. Pokud je teplota oblouku menší, oddělují se větší kapky, při větší teplotě oblouku se oddělují kapky menší, vzniká sprchový přenos. Při svařování s obrácenou polaritou se odtavuje velké množství kovu, tím pádem je proces kapkový.

2. Průlet svarového kovu obloukem: Při průletu se zmenší intenzita pole, a tudíž se zmenší i síla v radiálním směru. Axiální síla nám umožňuje svařovat i v polohách, protože vtlačuje kapku svarového kovu do vzniklé svarové lázně. Při kapkovém přenosu je axiální síla nižší než při přenosu sprchovém. Při kapkovém přenosu se tedy hůře svařuje v polohách. Radiální síla udržuje kapku ve sloupci oblouku.

3. Rozstřik: pod tímto pojmem se často chybně myslí únik přídavného materiálu při přechodu obloukem do prostoru mimo svarovou lázeň. Ve skutečnosti je však rozstřik definován jako – úbytek přídavného materiálu při svařování se započtením propalu a to i propalu ve svarové lázni.

Úbytek

Přídavného = propal + vlastní rozstřik

Materiálu

Při svařování v čistém argonu propal prakticky neexistuje. Jinak je tomu však při svařování v CO2. Zde se v důsledku změny polohy katodové skvrny mění i sloupec oblouku. Katodová skvrna se posouvá s pohybem hořáku, ale změnit polohu může i vlivem náhodné změny (nerovnost, okuje). Proto může nastat případ, kdy se kapka kovu ocitne mimo působení oblouku.

Dalším zdrojem rozstřiku je změna délky oblouku. Dochází ke změně proudové hustoty  v místě kapky a ke změně intenzity magnetického pole H. V důsledku těchto změn se mění silové poměry, které následně způsobí rozstřik.

Eliminace rozstřiku - stabilizace oblouku vhodným zdrojem svarového proudu

- při svařování v argonu se přidává 1 % O2 nebo 10 – 15 % CO2 pro stabilizaci katodové skvrny.

Obecně lze říci, že sprchový přenos je stabilnější než dlouhý oblouk s kapkovým přenosem nebo zkratový oblouk. Tím pádem je rozstřik při svařování v argonu nižší než při svařování v CO2.

2.5.6 Fyzikální parametry svařovacího procesu [1],[2]

Frekvence zkratů

Účinnost přenosu prvků závisí na čase, po který je roztavená kapka kovu ve styku s ochranným plynem. Proto se účinnost mění s frekvencí zkratů a se svařovacími parametry. Propal se obvykle snižuje s klesajícím proudem, když klesá i frekvence impulsů.

Třídění způsobů svařování:

Faktory ovlivňující způsob svařování v ochranné atmosféře tavící se elektrodou:

- složení plynné atmosféry: V této atmosféře probíhá tavení svařovacího drátu, jeho přechod do svarové lázně, ovlivňuje i způsob tvoření svarové lázně.

- způsob přechodu kapek svarového kovu v závislosti na velikosti svařovacího proudu, ale i jeho časového průběhu.

 

 

 

 

 

 

 

Tab.1  Třídění svařování dle druhu ochranné atmosféry [2]

Vysvětlení zkratek svařovacích metod viz. kap.2.4.2 této práce.

Fyzikální činitele svařovacího procesu [2]

Na typ vytvořeného oblouku mají vliv následující činitele:

1. Tepelná vodivost plynného prostředí elektrického oblouku: tepelná vodivost atmosféry oblouku způsobuje tepelné ztráty od jeho středu k obvodu. Nejteplejší část oblouku je jádro. Při svařování v argonu je jádro úzké a má vysokou teplotu, protože argon má nízkou tepelnou vodivost. Naproti tomu ochranný plyn CO₂ má vyšší tepelnou vodivost, teplo je intenzivněji odváděno z jádra k obvodu, proto je jádro oblouku daleko širší a svarová lázeň má tvar čočkovitý.

 

 

 

 

 

 

Obr. 7 Schéma elektrického oblouku v ochranné atmosféře argonu [2]

Oblouk má 2 zóny:

- úzkou teplou zónu (jádro)
- podstatně chladnější obvodovou zónu

2. Magnetické síly: mezi síly, které ovlivňují svarovou lázeň a složení kapek, se řadí i proud plazmy vznikající při svařování. Při přenosu kapek svarového kovu z elektrody do svarové lázně vzniká v oblouku oblast vysokého tlaku. Tento vysoký tlak nám může posloužit např. při vyšších proudech můžeme dosáhnout hlubší průvar.

3. Disociace a rekombinace atmosféry oblouku: zdrojem atomárního kyslíku v oblouku je jeho podíl v ochranném plynu. Buď ve směsi Ar+1 – 3 % O₂ nebo disociací molekul CO₂. Ten se rozpadá na CO+O.Vzniklé kapky svarového kovu jsou obohaceny kyslíkem při přechodu do tavné lázně a dosahují vysoké teploty. Je to z toho důvodu, že probíhající oxidační reakce jsou exotermické. Podobně reaguje kyslík s povrchem taveniny a množství tepla uvolněného reakcemi je závislé na množství kyslíku v ochranném plynu. Vlivem ohřevu v elektrickém oblouku se dvou a víceatomové plyny disociují na jednotlivé atomy, které jsou schopny vést elektrický proud. Z plynů např. dusík je dvouatomový, kdežto argon je jednoatomový. To znamená, že dusík k disociaci potřebuje daleko více energie. Jestliže však disociovaný dusík přijde do styku se studeným kovem, uvolní v místě styku teplo, kterým se svarek ohřeje efektivněji než vlivem disociovaného inertního plynu.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr.8 Disociace oxidu uhličitého v závislosti na teplotě [1]

4. Složení ochranného plynu má následující účinky:

Jeho fyzikální parametry v rozhodující míře ovlivňují chování oblouku složení plynu ovlivňuje velikost a tvar svarové lázně
Dále ovlivňuje povrchové napětí roztaveného kovu na hrotu elektrody.
V neposlední řadě má složení ochranného plynu vliv i na reakci plynu s kovem, která určuje konečné složení svarového kovu a lázně.

5. Složení elektrody, její velikost a tvar: při svařování má na elektrický oblouk a přenos roztaveného kovu vliv i tvar a chemické složení elektrody.
Tvar hrotu tavící se elektrody při svařování v ochranných atmosférách plynu je závislý na povrchovém napětí prostředí ochranného plynu, částečně i na proudové hustotě a viskozitě roztaveného kovu.

 

 

 

 

Obr. 9 Vliv tvaru konce elektrody na proudění plazmy [2]

Z obr.9 je patrné, že při zaobleném tvaru elektrody je proudící plyn veden bokem od čelní plochy elektrody a jeho proudění není tak koncentrováno jako při špičatém tvaru elektrody. Špičatý konec elektrody dává tedy koncentrovanější oblouk a tudíž i průvar je hlubší. Takto vzniklý oblouk je i stabilnější.

6. Proudová hustota: velkou měrou ovlivňuje velikost vneseného tepla. Tím pádem má vliv i na druh přenosu kovu.

7. Napětí oblouku a polarita: napětí elektrického oblouku je pro daný ochranný plyn a složení elektrody dáno délkou oblouku. Napětí oblouku se vytváří z katodového a anodového úbytku napětí a z napětí ve sloupci oblouku. Napětí ve sloupci oblouku závisí na elektrické vodivosti ochranného plynu. Obecně lze říci, že elektrický oblouk v argonu má nižší napětí (při stejné délce oblouku a stejném proudu) než oblouk v heliu nebo dvouatomových plynech.

Polarita svařování určuje směr proudění elektronů, což znamená, zda elektronová emise vychází ze svařence nebo z elektrody. Obvykle je emise horší tam, kde zanikne vrstva oxidů. Emise totiž vzniká z oxidů, ale zároveň rozruší jejich vrstvu. V důsledku tohoto rozrušení je katodová skvrna nestálá.

Pokud tento jev probíhá opačně, využíváme čistícího efektu oblouku, což je důležité např. při svařování hliníku. Z tohoto důvodu volíme elektrodu kladnou.

8. Povrch katody: při svařování s kladnou elektrodou v argonovém prostředí (neoxidační prostředí) se velmi rychle odstraní vrstva oxidů vlivem čistícího efektu. Pokud do argonu přidáme malé procento kyslíku, vrstva oxidů se vytváří rovnoměrněji, což se projeví větší stabilitou oblouku.

V důsledku tvorby oxidů působí proti kapkám elektrodynamická síla, která způsobuje, že kapky poletují okolo nataveného konce elektrody. Takto oddělené kapky mají různou velikost, oddělují se v nepravidelných intervalech a způsobují nežádoucí zkratové můstky, které zapříčiňují rozstřik kapek. Rozstřik i propal se dají snížit svařováním krátkým obloukem. Boční stěny svarové lázně tak zachytí velké množství vystřikovaných kapek. Problém je ale s kapkami letícími vzhůru. Tyto kapky ucpávají plynové otvory ve svařovacím hořáku. Je tedy nutné hořák častěji čistit.

2.5.7 Přenos materiálu obloukem [3]

Elektrický oblouk protékající soustavou->elektroda-oblouk-základní materiál vytváří magnetické pole, jehož silové účinky (Lorenzovy síly) působí v radiálním a axiálním směru.

Radiální tlak magnetického pole vyvolá zmenšení průřezu, které se samovolně urychluje a vede k oddělení kapičky kovu do svarové lázně, tzv. (pinch efekt).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 10  Výkony oblouků při různých technologiích svařování [3]

Pro svařování tenkých plechů v polohách se doporučuje:

- smáčivý proces, ponořený, krátký oblouk
- impulsní proces

3. SVAŘOVÁNÍ OBLOUKEM V OCHRANNÝCH ATMOSFÉRÁCH

3.1 Podstata svařování v ochranné atmosféře tavící se elektrodou [2],[3]

Při tomto způsobu svařování je svarová lázeň chráněna před nepříznivými účinky okolní atmosféry ochrannou atmosférou, která může být inertní nebo aktivní. Oblouk hoří mezi svařovacím drátem, který se přivádí do oblouku podávacím zařízením a mezi svařovaným předmětem. Svařovací drát prochází přes vodítko, umístěné ve svařovacím hořáku, jehož pomocí odebírá svařovací proud. Jako ochranná atmosféra plynů slouží argon, oxid uhličitý nebo směs plynů. Každá ze směsí plynů se projevuje charakteristickou stabilitou hoření oblouku, která je však podstatně vyšší než při svařování obalenou elektrodou.

3.2 Druhy oblouků a přenosu kovů [2],[3]

Rozeznáváme tyto druhy svařování v ochranné atmosféře:

 

 

 

Obr. 11  Způsoby přenosu kovu dle Cookseye a Milnera [2]

1. kapkový přenos při nižších proudových hustotách
2. kapkový přenos při vyšších proudových hustotách s menšími kapkami a s vyšší frekvencí oddělování kapek
3. jako 1., ale zde je patrný vliv tlaku par oblouku, který vzniká při svařování v CO₂
4. sprchový přenos
5. přenos se silným vlivem protitlaku, možnost většího rozstřiku
6. sprchový přenos s rotující kapkou.

Typy přenosů kovů dle IIW: viz. lit.[2] str.54,55

1. a) krátký oblouk v CO₂ – zkratový přenos, velikost kapek se skoro rovná průměru drátu, přenos je řízený.

1. b) krátký oblouk ve směsi plynů – zkratový přenos kapky o něco menší než je průměr drátu, oddělování kapek je měkčí než v CO₂ díky tlumivému účinku směsi plynů, oxidace je menší.

Použití: tenké plechy, všechny polohy, kořenové svary u středně tlustých plechů.

2. a) podkritický oblouk v CO₂ – přenos už se nedá označit jako bezzkratový, kapky o něco větší než je o drátu, při ideálních parametrech se objevuje ponořený oblouk, který zachycuje boční rozstřik.

Použití pro plechy větší tloušťky.

2. b) podkritický oblouk ve směsi plynů – přenos bezzkratový s jemnými kapkami.

Použití:středně tlusté plechy, svary v polohách, svary nad hlavou, tupé svary shora dolů.

3. a) dlouhý oblouk v CO₂ – přenos není bezzkratový, velikost kapek 2 – 3 násobek průměru drátu, při
optimálních parametrech částečně zachytí boční rozstřik. Rozstřik orientovaný kolmo vzhůru ucpává plynovou dýzu, zvětšení napětí nic neřeší, vede k ještě většímu rozstřiku.

3. b) dlouhý oblouk ve směsi plynů – bezzkratový sprchový oblouk s velmi jemnými kapkami.

Použití: tlusté plechy.

4. svařování vysokými proudy – zvýšením hodnoty svařovacího proudu se zvýší i tavný výkon, rychlost svařování a zlepší se průvar. Rozstřik je poměrně nízký. Propal je stejný jako při obvyklém svařování, přídavný materiál musí být dobře desoxidovaný, aby došlo k odplynění, při tomto způsobu je větší sklon k trhlinám.

Stanovení velikosti svařovacího napětí, dle ČSN 052205

Us=14+ 0,05 * I_s [V] pro I ? 600A (3.1)

U_s=44V              [V] pro I > 600A (3.2)

Oba dva vztahy platí pro svařování v CO2. Pro svařování ve směsných plynech je napětí zhruba o 3V nižší.
Je vidět, že různé literární zdroje charakterizují přenosy kovů různě.

3.3 Metalurgické reakce při svařování [1],[2]

Při svařovacím procesu reaguje svarový kov se základním materiálem. Tím pádem vzniká struktura, která je odlišná od struktury základního materiálu. Kromě toho vzniká v okolí svaru při svařování teplotní pole, které způsobuje strukturální změny základního materiálu i svarového kovu. Jedná se o tzv. tepelně ovlivněnou oblast.

Z tohoto důvodu byl zaveden pojem svařitelnost – taková schopnost kovu nebo slitin, která umožňuje je svařovat při definovaných podmínkách.

Metalurgická svařitelnost

Zde se projevuje vliv obsahu legujících prvků. Obsah legur určuje, jaká bude krystalická struktura, velikost zrn svarového kovu, ale také jaké vady mohou vznikat.

Svařitelnost nelegovaných ocelí lze např. charakterizovat uhlíkovým ekvivalentem Ce:

 

 

vztah pro uhlíkový ekvivalent uvádí lit. [5] str. 118

Při MIG svařování nemá hodnota Ce>0,3-0,5

Z praxe víme, že charakter krystalických přeměn ve svarovém kovu závisí na čase ochlazování, rychlosti ochlazování a také víme, že přeměny probíhají i v tuhém stavu.

Jak již bylo uvedeno, svarová lázeň více oxiduje při svařování ve směsi argonu s kyslíkem než při svařování v čistém argonu. Takto probíhající oxidace mění chemické složení svarového kovu v porovnání se složením přídavného materiálu. U ostatních směsí ochranných plynů je nutno předem zvážit oxidační účinek ochranné atmosféry.

Bylo dokázáno, že k největšímu propalu dochází v kapce roztaveného kovu na hrotě elektrody a při přechodu kapky do svarové lázně. Velikost propalu tedy závisí i na velikosti utvořené kapky, což je přímo ovlivněno druhem svařovacího přenosu. Při sprchovém přenosu dochází k většímu propalu než při svařovacím přenosu s většími kapkami roztaveného kovu. Dochází tak k propalu prvků, jako jsou uhlík, křemík nebo např.mangan.

Velikost kapky roztaveného kovu ovlivňuje i vrubovou houževnatost. V tomto případě je to však opačně. Sprchový přenos vykazuje vyšší vrubovou houževnatost než přenos s podílem větších kapek.

Všechny prvky jsou z přídavného materiálu přenášeny do svarové lázně současně. Přechod prvků nezávisí ani na jejich teplotě tavení, ani na teplotě vypařování. Např. prvky P,Si,Al (s nižšími body tavení) se přenášejí přibližně stejně jako prvky s vysokými teplotami tavení.

podíl

přenesených = %prvků ve svarovém kovu *100 [%]                      (3.4)

prvků               % prvků v přídavném materiálu

Ze vzorce je patrné, že propal má za následek rozdílnost chemického složení přídavného materiálu a svarového kovu.
Obecně lze říci, že s rostoucí koncentrací legujících prvků je propal menší. Experimentálně bylo zjištěno, že ztráty propalem jednotlivých prvků závisí na jejich afinitě ke kyslíku. Např. přítomnost Ti redukuje ztráty Mn a Si.

Oxidace-desoxidace – Slučováním oxidu FeO s C se tvoří bubliny CO, které jsou za určitých podmínek příčinou pórovitosti a bublinatosti svarů. Pórovitost je možno omezit nebo zcela vyloučit, pokud použijeme přídavný materiál obsahující prvky s větší afinitou ke kyslíku, než má uhlík. Proto přidáváme do přídavného materiálu Mn a Si, které působí jako desoxidanty.

Průběh reakce: FeO se vytváří v okamžiku, kdy oxidační atmosféra reaguje s Fe. Desoxidační prvky Si a Mn redukují FeO zpětně, přičemž vzniká SiO₂ a MnO.

Probíhající desoxidační chemické reakce:

1.oblouk: CO₂ › CO+O

2.tavná lázeň: Fe+O › FeO+Q (uvolněné teplo)

C+FeO › Fe+CO (pórovitost)

legováním přídavného materiálu Si,Mn

3.produkt: FeO+Mn=MnO+Fe

2FeO+Si=SiO₂+2Fe

Produkty desoxidace SiO₂ a MnO vyplavou na povrch svarové lázně.

Na pórovitost svaru má vliv i obsah C.

Při svařování se dostává svarová lázeň do styku se vzduchem.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 12 Přehled metalurgických reakcí ve svarové lázni (dle Novošilova) [1]

Z obr.12 je patrné, že svarová lázeň přebírá z plynného prostředí atomární C, H, N a S. Navíc disociací vody ze rzi vzniká ještě H₂ a O₂. N₂ a O₂ se rekombinují na molekuly plynu, přičemž se vytvoří páry, které reagují s FeO a vytvoří plynné složky CO, H₂O a SO₂ , které taktéž způsobují póry. Je tedy nutné, aby svarové plochy byly úplně čisté. Taktéž je potřebné zajistit dostatečný průtok plynu bez turbulencí, aby svar až do ztuhnutí nepřijímal z ovzduší kyslík a dusík.

Sklon ke křehkému lomu: Faktory jako víceosý stav napjatosti, nízké teploty (méně než -20°C), velká rychlost namáhání podporují vznik křehkého lomu. Při svařování se tedy snažíme dodržovat tyto zásady:

a) vyhýbáme se tepelnému oddělování (řezání) materiálů při nízkých teplotách
b) vyloučíme konstrukční i strukturní vruby
c) materiál popouštíme a žíháme
d) postup svařování volíme tak, aby se základní materiál mohl volně smršťovat

Sklon ke stárnutí: Sklon ke stárnutí se projevuje narůstáním pevnosti a tvrdosti při současném zhoršení tvařitelnosti. Klesá tedy tažnost, houževnatost atd. Odolnost proti stárnutí lze docílit uklidněním ocelí např. hliníkem nebo normalizačním žíháním. Odstranit zpevnění vzniklé stárnutím lze např. malými střídavými deformacemi apod.

Sklon k vytvrzování: Je nutno volit správnou rychlost ochlazování při nižších teplotách. Čím je obsah legur vyšší, tím musí být teplota nižší. Jedná se vlastně o teplotu označovanou jako martenzit start.

Překročením kritické rychlosti ochlazování zamezíme předehřevem materiálu nad martenzitickou teplotu nebo udržováním rovnoměrného přívodu a odvodu tepla (vhodný sled svarových housenek).

Segregace: rozumíme oblasti obohacené legurami, které se vyloučily při tuhnutí. Zvýšený sklon k segregacím mají uklidněné oceli. Z tohoto důvodu je u těchto ocelí nutné udržovat nízkou hloubku průvaru.

Anizotropie: Pod pojmem anizotropie rozumíme směrovou závislost mechanických a technologických vlastností. Rozlišujeme anizotropii normálovou a plošnou. Anizotropie je patrná např. u válcovaných plechů. Třeba vrubová houževnatost u válcovaného materiálu je ve směru tloušťky nižší než v podélném nebo příčném směru.

Vměstky: Jedná se o cizí částice, které byly do svaru přivedeny (zaválcováním, špatnou očistou svarových ploch před svařováním apod.)

3.4 Vliv průtoku plynu [2]

Ochranný plyn slouží k zabránění kontaminaci svarové lázně vzduchem. Mechanické vlastnosti svaru zhoršují nitridy, které vznikají, pokud tekutý svarový kov reaguje s dusíkem obsaženým ve vzduchu. Proudění plynné ochranné atmosféry má být laminární (Reynoldsovo číslo okolo 3000). Obecně platí, že plynový kužel CO₂ je o dost širší než plynový kužel argonu. Správná geometrie plynového kuželu ovlivňuje pórovitost. Závislost pórovitosti na množství ochranného plynu je na Obr. 13. Nepříznivý vliv na svarovou lázeň má i průvan, který často v reálných podmínkách ovlivňuje svařovací parametry.

 

 

 

 

 

Obr. 13 Vliv množství ochranného plynu na pórovitost [2]

3.5 Energetická účinnost [2]

Na energetickou účinnost mají vliv tyto parametry.

1. Svařovací proud a napětí: energetická účinnost je snižována ztrátami zářením, vedením a rozstřikem. Energetická účinnost roste se snižujícím se napětím oblouku. Téměř nezávisí na velikosti svařovacího proudu. Při svařování nízkým napětím je ohrožena stabilita procesu. Pokud svařujeme vysokými proudy (nad 400A), je energetická účinnost 80 až 90 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 14 Vliv velikost svař. proudu a napětí na energetickou účinnost [2]
(elektroda pr. 1,6 mm, V_s=60 cm*min^-1, délka volného konce l₀=20 mm)

2. Rychlost svařování: energetická účinnost se zpočátku s narůstající rychlostí svařování zvyšuje. Je to způsobeno snížením rozstřiku a zvětšením hloubky závaru. Po překročení určité meze svařovací rychlosti energetická účinnost klesá. Snižuje se totiž hloubka závaru, stabilita hoření rovněž klesá, protože oblouk nestačí předehřívat materiál a oblouk tudíž hoří na studeném základním materiálu.

 

 

 

 

 

 

Obr. 15  Vliv rychlosti svařování na energetickou účinnost [2] (l₀=20 mm, pr. 1,6mm, I_s=300A, U_s=30V)

3. Průměr drátu elektrody: se zvětšujícím se průměrem drátu klesá energetická účinnost. Kromě toho narůstá délka oblouku a snižuje se hloubka závaru.

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 16 Vliv průměru drátu elektrod na energetickou účinnost [2]
(l₀=20 mm, I_s=300A, U_s=30V, V_s=100cm*min^-1)

4. Délka volného konce drátu elektrody: prodloužením volného konce drátu energetická účinnost zpočátku roste. Od určité hodnoty délky volného konce drátu začnou na jeho konci narůstat tepelné ztráty a zvýší se i počet zkratů a rozstřik. Tím pádem klesá energetická účinnost.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 17 Vliv délky volného konce drátu elektrody a velikosti proudu na energ.účinnost [2]

5. Vliv přípravy svaru: z experimentů vyplynulo, že velikost svarové mezery do 3 mm nemá na energetickou účinnost žádný vliv. Při větších tloušťkách základního materiálu a větší mezeře se na energetické účinnosti projeví vliv úhlu otevření svarové drážky (zejména pro tupý svar). Při změně úhlu z 0° na 90° se zvýší tepelná účinnost v průměru o 8 %, což lze připsat lepšímu zakrytí drážky obloukem.

3.6 Teplotní cyklus při svařování [2]

Rychlost změny teplot vyskytující se při svařování v okolí svaru způsobují to, že ve svarovém kovu a základním materiálu probíhají složité metalurgické procesy. Na základě transformačních diagramů je možno určit výslednou strukturu kovu po svařování. Problém je v tom, že transformační diagramy neexistují pro všechny materiály. Proto se pro některé materiály určuje přípustné množství přivedené energie při zachování určité svařovací rychlosti, která zaručuje, že docílíme požadované struktury.

 

 

Kromě hodnoty specifického vneseného tepla Q_s se stanovuje např. velikost předehřívací teploty svařence a postup svařování. Teplotní cyklus ve velké míře závisí na tloušťce základního materiálu.

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 18 Teplotní cykly pro různé způsoby obloukového svařování [2]

Nejkratší teplotní cyklus má metoda MIG, což je způsobeno tím, že svarový kov není izolován vrstvou strusky, hloubka průvaru je malá. Takto krátký teplotní cyklus nelze vždy dodržet. Pokud se svařují větší průřezy a chladnutí by trvalo příliš dlouho, můžeme svary chladit např. měděnou nebo ocelovou podložkou. Tohoto způsobu je možno použít při svařování tenkých plechů. Další metodou je ofukování kořenu svaru ochranným plynem. Čistota tohoto plynu je však horší než čistota plynu svařovacího.

Pokud krystalizační procesy probíhají příliš rychle, je předpoklad, že se budou tvořit trhliny, které jsou způsobené tím, že svařovaná konstrukce je tužší nežli svarový kov. Tím vznikají ve svarovém kovu tepelná napětí, která překročí mez pevnosti kovu hned po svaření nebo po následném mechanickém zatížení.

Při svařování se často vyskytují vady. Podle geometrie rozeznáváme následující vady:
- trhliny – vznikají v tepelně ovlivněné oblasti základního materiálu, ale i ve svarovém kovu.
- dutiny – malé označujeme jako póry, velké jako dutiny. Vznikají uzavřením plynu ve svarovém kovu.
- vměstky – pevné látky ve svarovém kovu.
- chyby spojů – natavení svarových ploch, nedostatečný průvar, tvarové chyby – vruby, zářezy

3.7 Teplotní pole při svařování [3]

Při svařování působíme soustředěným zdrojem tepla, v důsledku tohoto působení dochází krátkodobě k intenzivnímu místnímu ohřevu materiálu na vysoké teploty. Vneseným teplem se natavuje malý objem kovu. Díky tepelné vodivosti se však ohřívá i okolní oblast základního materiálu.

Vysoké teploty a rychlé teplotní změny způsobují:

1. fázové přeměny
2. fyzikálně chemické reakce
3. změny struktury v oblasti svarového spoje
4. změny objemu

Míra a rozsah změn závisí:

a) na druhu základního materiálu
b) technologii svařování

Teplotní pole

Představuje souhrn okamžitých hodnot teplot ve všech bodech sledovaného prostoru zobrazujících se pomocí izotermických čar nebo ploch. Teplota t obecného bodu o souřadnicích x,y,z v čase  je vyjádřena rovnicí:

 

Pokud je teplota funkcí času a souřadnic, jedná se o pole neustálené – nestacionární, jestliže se však teplota s časem nemění, nazýváme toto pole ustálené – stacionární.

Podle toho, zda je teplota funkcí dvou nebo tří souřadnic, označujeme teplotní pole za dvourozměrné nebo třírozměrné.

 

 

 

 

 

 

Obr. 19 Schéma dvourozměrného a třírozměrného teplotního pole [3]

Dvourozměrné teplotní pole

Zanedbáváme teplotní gradient ve směru osy z, používá se pro tenké plechy. Předpoklad je ten, že teplo je rovnoměrně rozloženo po celém příčném průřezu. Tento předpoklad je tím přesnější, čím je plech tenčí, čím je rychlost svařování menší, čím je větší součinitel tepelné vodivosti a součinitel přestupu tepla z plechu do okolního prostředí.

Třírozměrné teplotní pole

Vnesené teplo se šíří ve všech třech směrech x,y,z. Používá se pro tlusté plechy. Ideální předpoklad je takový, že předmět je prostorově nekonečně velký. Přesnost předpokladu bude tím větší, čím větší budou rozměry svařence, čím bude kratší svařovací proces a čím bude menší součinitel tepelné vodivosti základního materiálu.

Teplotní pole jsou obvykle kreslená pro hraniční hodnoty teplot v jednotlivých bodech svarového spoje.

Je jasné, že geometrické předpoklady pro dvourozměrné i třírozměrné teplotní pole nelze zajistit. Z tohoto důvodu se např. pro třírozměrné teplotní pole definují tzv. polokonečná tělesa s ohraničeným rozměrem v jednom směru.Teplotní pole je tedy funkcí: množství vneseného tepla, rychlosti svařování, rozměrů svařovaných nebo navařovaných dílců, geometrie svaru nebo návaru, teploty předehřevu, fyzikálních vlastností materiálu a času.Teplotní cyklus udává změnu teploty s časem v daném bodě svarového spoje. Zobrazuje se křivkou v rovině souřadnic: teplota - čas.

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 20 Schéma teplotních cyklů [3] a) jednovrstvý svar b) třívrstvý svar

Na obr. 20 je patrný rozdíl mezi jednovrstvým a vícevrstvým svarem.

Teplotní cyklus je možné měřit např. vloženými termočlánky. U většiny technologií svařování elektrickým obloukem se pohybuje rychlost ohřevu v mezích 50-400°C*s^-1, avšak např. odporové svařování až 1000°C*s^-1. Vlivem vysoké teploty ohřevu se posouvají teploty AC1 a AC3 ocelí k vyšším hodnotám. Proto např. při 1000°C může být ocel feriticko-austenitická a různé koncentrace uhlíku ve feritu a austenitu se vyrovnávají difúzí ve feritu. Maximální teplota cyklu a výdrž na kritických teplotách má velký vliv z hlediska strukturálních změn.

Ustálil se názor, že u většiny konstrukčních ocelí probíhají fázové přeměny v rozmezí teplot 800-500°C. U většiny vysokopevnostních ocelí však přeměna ?›? probíhá při nižších teplotách (500-300°C). Někteří autoři proto určují kritickou rychlost ochlazování v intervalu 800-150°C a ne v již zmíněném intervalu teplot 800-500°C.

Z hlediska difúze vodíku a tedy náchylnosti ocelí k trhlinám, které jsou vodíkem způsobeny, je důležitá rychlost ochlazování při 300°C.

Podle literárních údajů je možno pro svařování ocelí uvažovat dobu ochlazování v rozmezí teplot 800-500°C pro metodu MIG/MAG 2-50 sekund.

3.8 Tepelné zdroje při svařování [2], [3]

Do této chvíle jsme dělili zdroje tepla v souvislosti se způsobem svařování, jako např. elektrický oblouk, plazma… Pro zjednodušení výpočtů tepelných procesů při svařování je však nutné zařadit tepelné zdroje do těchto skupin:

podle rozložení tepla

bodový zdroj – svařování materiálů velkých tloušťek (třírozměrný útvar)
přímkový zdroj – svařování tenkých plechů (dvourozměrný útvar)
plošný zdroj – svařování tyčí malého průřezu (jednorozměrný útvar)

podle doby působení

okamžitý zdroj tepla – působí velmi krátce (např. stehování)
trvale působící zdroj tepla – působí déle, izotermy jsou soustředné kružnice se středem v tomto zdroji.

podle polohy vůči sledovanému bodu základního materiálu

nepohyblivý zdroj – bodové svařování
pohyblivý zdroj – vyskytuje se nejčastěji
rychle se pohybující zdroj – automatové svařování pod tavidlem v ochranných atmosférách

Pro tavné svařování se většinou používá bodový pohyblivý nebo bodový rychle se pohybující zdroj tepla. Předpokládáme, že tepelně fyzikální vlastnosti svařovaného materiálu se s teplotou nemění a že teplo každého tepelného zdroje se šíři v materiálu nezávisle na působení ostatních tepelných zdrojů. Tento předpoklad si lze představit jako koncentrické kružnice, vznikající kolem zdroje tepla. Tyto kružnice se postupně vytvářejí s pohybem tohoto zdroje.

Tepelný příkon při svařování P:

 

Množství tepla na jednotku délky svaru je měrný tepelný příkon Pm

 

 

kde: v_s – svařovací rychlost [m*s-1]

Celkový průběh šíření tepla v základním materiálu při svařování [3]

Šíření tepla ve svaru a jeho okolí probíhá ve 3 etapách:

I. tepelné sycení materiálu – vzrůstá teplota.

II. tepelná rovnováha – typické tím, že všechna místa stejně vzdálená od osy svaru jsou stejně tepelně ovlivněna.

III. etapa vyrovnávání teplot – v celém objemu základního materiálu na konci svařování. Teploty se vyrovnávají na průměrnou hodnotu.

3.9 Způsoby řešení teplotního pole [3]

Řešení teplotního pole je možno provést několika způsoby:

1. výpočtem – aplikace diferenciální rovnice šíření tepla na poměry svařování

2. měřením výše a rozložení teplot teplotního pole – řada autorů zobecňuje dosažené výsledky do empirických vztahů

3. modelováním průběhu teplotního cyklu na laboratorním zařízení.

Matematické vztahy používané pro řešení teplotního pole vycházejí z těchto zjednodušujících předpokladů:

a) základní materiál je homogenní polokonečné těleso
b) svařovací proces je v kvazistacionárním stavu
c) zdroj tepla pro svařování je bodovým zdrojem konstantního tepelného výkonu
d) zdroj tepla se při svařování pohybuje konstantní rychlostí vs spolu s počátkem souřadnicového systému x,y,z.
e) tepelně fyzikální vlastnosti základního materiálu se s teplotou nemění.

Dvourozměrné teplotní pole –pro tenké plechy

Řada autorů považuje u tenkých plechů za důležité znát pouze maximální teplotu tmax a okamžitou rychlost ochlazování w.

Při svařování dochází k nerovnoměrnému rozdělení tepla napříč svaru a tím i k velkým teplotním rozdílům. V oblasti svaru vznikají rozličné strukturní změny.

Výsledná struktura závisí i na chemickém složení základního materiálu a na jeho předchozím tepelném nebo mechanickém zpracování.

Nutno tedy vyhodnotit kritická pásma svarového spoje, kterými jsou: svarový kov (ovlivněný metalurgickými reakcemi), pásma částečného natavení, pásmo přehřátí základního materiálu a oblast kolem nebo pod teplotou Ac1 (723°C), kde dochází ke zvýšení hustoty dislokací, přesycení intersticiemi, což vede ke stárnutí (charakteristické pro nelegované neuklidněné oceli s nízkým obsahem C).

Podle příčin a mechanismu vzniku existuje tzv. stárnutí po zakalení (tepelné stárnutí) a deformační stárnutí.

Kombinace účinků obou druhů stárnutí má za následek intenzivní změnu plasticity svařovaných materiálů, což může vést k havárii zařízení. Nutno tedy s těmito změnami počítat při navrhování a svařování konstrukcí.

3.10. Impulzní (pulzní) svařování [2], [3]

Při svařování impulsním proudem se oblouk udržuje ve stavu kapkového přenosu a pomocí pulsů přechází do sprchového přenosu kovu. Proto je možno při nízkých a středních hodnotách svařovacího proudu svařovat způsobem odpovídajícím vysokým hodnotám proudu. Lze použít dráty větších průměrů, klesá spotřeba tepla. Zlepšuje se vzhled svaru. Jako ochrannou atmosféru lze použít čistý argon nebo směsný plyn s více než 80 % argonu. Při svařování v CO₂ je oblouk nestabilní. Plyn CO₂ totiž neposkytuje dostatečně stabilní oblouk. Tento způsob svařování však vyžaduje precizní nastavení základního i špičkového proudu.

Impulsní svařování v čistém argonu se používá tam, kde je požadavek na menší rozstřik a dokonalý průvar. Nachází uplatnění při svařovaní vysokolegovaných ocelí, slitin hliníku a dalších neželezných kovů. S výhodou se využívá přednastavených programů na moderních svařovacích agregátech.

3.10.1 Fyzikální vlastnosti impulzního svařování

Při tomto způsobu svařování se přepíná svařovací proud z jedné hodnoty na druhou. Nižší hodnotu nazýváme základní proud, vyšší hodnotu pak jako špičkový proud (špička proudového impulsu). Základní proud nastavíme tak, aby jeho hodnota byla menší než hodnota proudu v přechodové oblasti (při svařování bez impulsů odpovídá sprchovému přenosu).

Využívá se svařovacího proudu s konstantní nebo proměnlivou amplitudou.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 21 Vliv velikosti proudu na přenosu kovu při svařování MIG [2]

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 22 Průběh přechodu kovu a proudových impulsů při impulsním svařování [2]

Většina energie na natavení a přenos kapky kovu je dodána během trvání impulsu. Část energie se dodává ve spodní části cyklu.

Vlastnosti impulsního přenosu lze ovlivnit stejnými parametry jako při svařování při nepulzním režimu. Tzn. složením ochranné atmosféry, složením materiálu elektrody a jejího průměru atd. Frekvence impulsů je většinou stálá. Tvar impulsů může být sinusový, obdélníkový ale i trojúhelníkový.

Proudové impulsy umožňují lepší oddělování kapek a lepší promíšení svarové lázně.

Při svařování impulsním přenosem můžeme použít stejné přídavné materiály a ochranné atmosféry jako při svařování nepulzním přenosem. Neplatí to však naopak. Impulsní svařování umožňuje bezzkratový přenos kovu i při vyšších průřezech drátu a nižších hodnotách středního proudu, což umožní svařování tenkých plechů metodou MIG.

3.10.2 Možnosti použití impulsního svařování [2],[3]

Neželezné kovy

Při svařování plechů z neželezných kovů můžeme impulsním svařováním dosáhnout lepší výsledky než klasickým MIG svařováním nebo plamenovým svařováním. Vzhled svarové housenky je lepší a rozstřik nižší.

Proto se i ocelové plechy někdy svařují dráty z neželezných kovů (automobilový průmysl). S úspěchem lze svařovat i galvanicky upravené oceli (pozinkované, pohliníkované,…). V tomto případě lze hovořit o impulsním pájení. Samozřejmě lze pro impulsní svařování použít i trubičkové přídavné materiály.

3.11 Svařování trubičkovými elektrodami [8]

Trubičkové elektrody mají plášť z ocelového pásku nebo jiného kovu, který je sbalen do trubičky. Sbalené trubičky jsou buď svařeny, nebo mechanicky zajištěny např. pomocí zámků různých tvarů. Náplň trubičkového drátu obsahuje legující, struskotvorné a desoxidační prvky a sloučeniny. Při svařování nejprve hoří oblouk vně na kovové trubičce a poté dochází k tavení náplně trubičky. Přináší zvýšení produktivity práce kolem 20 %. Různé modifikace konstrukce trubičkových elektrod ukazuje následující obrázek.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 23 Konstrukce trubičkových drátů [8]

V současnosti se stále více používají trubičkové přídavné materiály. Upouští se od konstrukce využívající k zajištění trubičky zámků. Daleko spolehlivějším způsobem je vysokofrekvenční svaření trubičky.

 

 

 

 

 

 

Obr. 24 Řez trubičkovým drátem (vysokofrekvenčně  svařeno a plněno legurami popř. tavidlem)                                                                                  

Obr. 25 Ukázka změny průřezu bezešvého trubičkového drátu po projetí podavačem                                                                                                                           

Charakteristika bezešvých trubičkových drátů:

-absolutní odolnost proti pohlcování vlhkosti
-obsah vodíku HD < 5 ml/100g
-není potřeba přesušovat ani při skladování ve vlhku
-konstantní tvar, nejsou potíže při posuvu drátu (lze použít pouze dvoukladkový podavač)
-nízké opotřebení kontaktního bowdenu

Obr. 26 Ukázka změny průřezu trubičkových drátů se zámky po projetí podavačem

Na obrázcích je tedy patrné, že bezešvé trubičkové dráty daleko lépe odolávají mechanickému tlaku vyvolanému podávacími kladkami, což se projeví i na stabilitě hoření oblouku.

4. TVRDÉ PÁJENÍ

O pájení pojednávám proto, že pozinkované plechy lze s výhodou spojovat tzv. MIG pájením, kdy přídavný materiál má charakter pájky. Jedná se tedy o modifikaci tvrdého pájení. Z tohoto důvodu se následující kapitola zaobírá hlavně tvrdým pájením.

4.1 Fyzikální podstata pájení [1]

Fyzikální podstata spočívá ve smáčení materiálů v tuhém stavu tekutou pájkou. Mezi atomy základního materiálu a pájky jsou vytvořeny podmínky pro vznik adhezních a kohezních sil.

Mezi výhody pájení počítáme:

- vysoká produktivita (zejména při hromadné výrobě)
- vysoká reprodukovatelnost výsledků
- vysoká rozměrová přesnost

4.2 Rozdělení pájení dle teploty tavení pájky [1]

Pájení dělíme na dvě velké skupiny:

- pájení měkké (teplota solidu pájky do 450°C)
- pájení tvrdé (teplota solidu pájky nad 450°C)

Pájení lze dále dělit dle řady dalších kritérií:

- dle způsobu spojení
- dle použitého zdroje tepla
- dle tvaru pájeného spoje
- dle prostředí apod.

Podle způsobu nanesení pájky na stykové plochy dělíme pájení na:

- kapilární
- nánosové

4.3 Požadavky na pájky [1]

Všeobecné požadavky lze charakterizovat tímto způsobem:

- teplota tavení pájky < teplota tavení spojovaných materiálů
- interval tavení má být úzký (nejlépe eutektické složení pájky)
- dobré pájecí vlastnosti (kapilarita, smáčivost)

4.3.1 Smáčivost pájky

Je jednou z nejvýznamnějších vlastností pájky. Lze ji definovat jako schopnost tekuté pájky přilnout k čistému povrchu pájeného základního materiálu při pracovní teplotě. Smáčivost je ovlivněna povrchovým napětím pájky. Dle ČSN 421315 je smáčivost pájky hodnocena velikostí stykového úhlu.

 

 

 

 

 

Obr. 27 Vysvětlení poměrů mezi povrchovými napětími na rozhraní 3 prostředí [1]

Označení prostředí: Označení sil:

1 – základní materiál F1 – adhezní síly
2 – pájka F2 – kohezní síly
3 – okolní atmosféra F3 – přitažlivé síly plynného prostředí

Označení mezipovrchových napětí:

 

 

 

 

 

 

 

 

Obdobně jako smáčivost lze hodnotit i vzlínavost a roztékavost pájky. Vzlínavost je schopnost tekuté pájky vyplnit při pracovní teplotě úzkou mezeru mezi pájenými materiály působením kapilárních sil. Roztékavost je schopnost zaujmout co největší plochu základního materiálu při konstantních podmínkách.

4.4 Pájky pro tvrdé pájení [1]

Sortiment těchto pájek je bohatší než sortiment pájek pro měkké pájení. Důvodem tohoto rozdílu je fakt, že tvrdé pájení má širší uplatnění v praxi.

1. Pájky na pájení hliníku

Jsou vyráběny na bázi Al-Si nebo Al-Cu-Si. Nejčastěji používanou pájkou v ČR z této kategorie je pájka Al-Si12. Pro pájení hliníku lze použít i pájky na bázi Mg-Al-Zn.

2. Pájky na bázi mědi

Používají se pro pájení železných, neželezných i povrchově upravených kovů. V řadě případů mají teplotu tavení nad 1000°C. Pro spojování pozinkovaných plechů lze s výhodou použít měděné pájky s přísadami cínu nebo křemíku. Velmi často se používají mosazné pájky.

3. Pájky na bázi stříbra

Jsou sice poněkud dražší, zato však mají nižší teplotu tavení i pracovní teplotu. Mají přísady jako např. zinek a měď. Pro pájení austenitických ocelí se používají pájky Ag-Cu-Zn-Ni-Mn.

4. Ostatní typy tvrdých pájek

- niklové pájky: pro pájení žárovzdorných a korozivzdorných ocelí,
- pájky na bázi paladia: pro pájení v oboru jaderné energetiky,
- pájky na bázi drahých kovů (Pt, Au, Pd, s přísadami Cu a Ni): pro dentální techniku a zlatnictví.

4.5 Metody pájení [1]

Pro vytváření pájených spojů lze použít celou řadu metod:

- pájení páječkou
- pájení plamenem
- pájení ponorem
- pájení paprsky (laser,…)
- pájení elektrickým obloukem (do tohoto způsobu pájení se řadí i tzv. MIG-pájení). Podrobný popis metody popsán v následující kapitole.

4.6 Technologie GMA určená pro svařování povrchově upravených plechů [1],[6]

V dnešní době povrchové úpravy kovů stále více nahrazují klasické řešení – nátěrové hmoty.

GMA ( Gasshielded Metall Arc, český název MIG pájení )– proces svařování tavící se elektrodou, kdy přídavným materiálem je svařovací drát na bázi Cu a jako ochranný plyn je použit argon (v některých případech s přídavkem kyslíku).

Pro svařování touto metodou není nutno použít další úpravy spoje jako po svařování klasickými dráty typu SG 2, neboť korozní odolnost je zajištěna. Takto vytvořený svarový spoj je kvalitní a pokud je vhodně zvolen přídavný materiál vyhovuje i pevnostně.

Při tomto procesu je hodnota vneseného tepla přibližně poloviční oproti běžné metodě svařování.

Problémy vyskytující se při běžném svařování pozinkovaných plechů:

- výskyt pórů
- zvýšený rozstřik
- nestabilní hoření elektrického oblouku
- riziko provaření základního materiálu(nejčastěji plechu)
- velký objem škodlivých kouřových zplodin během svařování
- vypálení (vyhoření) zinkové vrstvy na povrchu základního materiálu

U metody GMA je kladen důraz na optimální výběr svařovacího zdroje. Přídavné materiály pro GMA pájení mají teplotu tavení nižší, než je teplota tavení základního materiálu. Nedochází tedy ke klasickému natavení základního materiálu.

Výhody GMA pájení oproti svařování jsou nasnadě:

- spoj GMA je odolný proti korozi
- je daleko menší riziko protavení svarové lázně, nižší teplota tavení drátu
- nižší pevnost GMA spoje lze kompenzovat větší plochou

Pro svařování pozinkovaných plechů se tedy po dohodě s vedoucím tato práce zaobírá GMA pájením.

5. Charakteristika základního materiálu

Hlubokotažné plechy
Pro vzorky bude použit hlubokotažný plech 11 381.1 o tloušťce 2mm. Podrobná charakteristika základního materiálu je doložena v Příloze č. 5.  Rozměry výchozích pásků plechu jsou 50x100 mm. Všechny pásky byly stříhány z tabule stejným způsobem, takže by se neměl projevit vliv anizotropie.

Charakteristika hlubokotažných plechů:

- Mají vysokou zásobu plasticity. Poměr meze kluzu k mezi pevnosti je maximálně 0,65

 

- Jedná se většinou o oceli nízkouhlíkové, které mají obsah uhlíku maximálně 0,2%C.
- Je dobré, pokud jsou tyto plechy desoxidovány hliníkem. Tato desoxidace způsobí, že stárnutí se oddálí. Doba nutná ke spotřebování těchto plechů se tedy několikanásobně prodlouží.
- Před desoxidací – max. 6 týdnů
- Po desoxidaci – až 6 měsíců.

Hliník má totiž vyšší afinitu k dusíku než uhlík. Proto se přednostně tvoří nitridy hliníku a ne karbonitridy, které stárnutí způsobují. Jako desoxidant je možno použít i titan a niob, ovšem ve velmi malých množstvích. Je nasnadě použít i křemík, ten ovšem zvyšuje mez kluzu, což je u hlubokotažných plechů nežádoucí.

Hlubokotažné plechy se používají především v automobilovém průmyslu, kde nachází široké uplatnění hlavně při výrobě karoserií. Samozřejmě je požadavek tyto plechy také svařovat. Problém je ale v tom, že se jedná o plechy velmi tenké, a to o tloušťce až 0,7mm, takže vyvstává problém s dostatečným odvodem tepla. Hrozí tedy propálení těchto plechů. Tento základní materiál je povrchově upraven a to pozinkováním. Tloušťka zinkové vrstvy je cca 21 µm z každé strany.

Při MIG – pájení, hlavně při pulzním režimu přenosu kovu, je možno použít menší hodnoty svařovacího proudu a napětí. Tím pádem je menší i množství vneseného tepla. Také přídavné materiály (pájky) mají nižší teploty tavení, proto jsou k základnímu materiálu „ohleduplnější“. Vše by se mělo prokázat při experimentu. Tepelně ovlivněná oblast by měla být menší, jakož i šířka vypáleného zinkového povlaku.

6. Ochrana zdraví a bezpečnost práce při svařování [2]

Ochrana zdraví a bezpečnost práce je vymezena zákony, směrnicemi a vyhláškami platnými v ČR.

Výpary a dým při svařování

Dýmy jsou oxidy svařovaných kovů. Plyny jsou buď oxidy dusíku nebo ozón. Pro všechny tyto látky jsou stanoveny přípustné koncentrace v mg*m^-3.

Velmi nebezpečná v ovzduší je Cu a její legury. Méně nebezpečný je zinek, protože tvoří oxid ZnO. Při svařování MAG/MIG vzniká jako plynná složka ozón a oxidy dusíku NO, NO₂. Oxid dusnatý se časem mění na oxid dusičitý NO₂, který je velmi nebezpečný. Oxidy dusíku působí jako krevní jedy. Vážou kyslík v hemoglobinu červených krvinek. Oxid dusičitý je mimořádně nebezpečný, protože začíná účinkovat až po 6-12 hodinách. Zapříčiňuje silné otravy. Může způsobit chronické onemocnění dýchacích cest.

Zinkové výpary mohou v silnějších koncentracích způsobit zvýšení tělesné teploty, tzv. kovovou (zinkovou) horečku. Teploty u člověka tak mohou stoupnout až na 41°C.

Při GMA pájení drátem Mecufil 903 Al dochází k vypalování zinkové vrstvy pouze ve velmi malém množství, tudíž odpadá nepříjemná obava z nadýchání zinkových výparů. Tato skutečnost však neplatí při klasickém svařování pozinkovaných plechů přídavným materiálem SG 2. Při tomto způsobu svařování dochází k vypalování zinkové vrstvy naopak velmi silně.

Ochranné pomůcky

Je samozřejmostí, že při svařování je nutné používat pracovní a ochranné pomůcky, jako jsou např. pracovní oděv i obuv, pracovní rukavice, vhodné nářadí apod.

7. KONTROLA SVAROVÝCH SPOJŮ [3],[4]

Svařitelnost je schopnost materiálu vytvořit svarový spoj odpovídající kvality.

Dělení svařitelnosti:

- svařitelnost technologická, závislá na technologii a parametrech svařování
- svařitelnost metalurgická, závislá na složení, struktuře
- svařovaného materiálu a dilatacích a pnutích vzniklých při svařování
- svařitelnost konstrukční, závislá na tvarovém vyřešení svarového spoje

Svarový spoj je nutno chápat jako celek s tepelně ovlivněnou oblastí. Lze tedy říci, že svar je strukturní vrub, který však musí vyhovovat mechanickým vlastnostem. U zkoušek svařitelnosti se posuzuje náchylnost ke zkřehnutí a vzniku trhlin apod. Všechny zkoušky a hodnocení je doporučeno provádět dle platných norem, například dle normy ČSN EN 25817.

Zkoušky odolnosti svarů proti vzniku trhlin:

- zkouška praskavosti
- zkouška praskavosti tenkých plechů-vzorky jsou připraveny tak, aby se podél osy svaru měnila tuhost.
 
K tomuto slouží přípravky nebo se na vzorku vytvoří zářezy různé hloubky. Kriteriem praskavosti je délka vzniklé praskliny.
- zkouška svarů prozařováním
- zkouška svarů ultrazvukem

Dále existuje řada mechanických zkoušek pro zjištění kvality svarového spoje. Jsou to např.:

- zkouška tahem svarových spojů ČSN EN 895
- zkouška rozlomením ČSN EN 1320
- zkouška lámavosti ČSN EN 910
- zkouška tvrdosti a mikrotvrdosti ČSN EN 1043-1(-2)

8. Volba přídavných materiálů [1],[6],[7],[18]

Jak již bylo řečeno, tato diplomová práce, se zabývá hlavně MIG-pájením. Z tohoto důvodu nepřichází v úvahu přídavný materiál typu SG2, který je používán při klasickém svařování.

Kriteria pro výběr přídavných materiálů:

- přídavný materiál má být na bázi pájky
- splňovat korozní odolnost
- má mít teplotu tavení blízkou (nejlépe nižší), než je teplota vypařování zinkového povlaku (cca 906°C dle lit.[7])

Těmto kriteriím vyhovují přídavné materiálu na bázi Cu-Si, Cu-Al a Cu-Sn. Nejprve bude pojednáno o zinkovém povlaku,který na oceli zaručuje korozní odolnost.

8.1 Zinek a jeho slitiny [7]

Technické údaje: teplota varu Zn = 906°C, teplota tavení Zn = 419°C, R_mmax = 350 MPa pro slitiny.

Zinek je namodralý bílý kov, na řezu lesklý. Na vzduchu po určité době ztrácí lesk a šedne. Mechanické vlastnosti zinku jsou do značné míry ovlivňovány nečistotami. Velmi nepříznivou vlastností zinku je jeho tečení za normální teploty. Rychlost tečení je tím menší, čím má zinek hrubší zrno. Zinek i jeho slitiny se na vzduchu pokrývají vrstvou šedě zbarveného zásaditého uhličitanu 4Zn(OH)₂*CO₂. Ten se zcela nepatrně rozpouští ve vodě a poskytuje přirozenou ochranu před oxidací. Rozrušuje jej destilovaná voda a např. vodní pára. Poměrně velmi snadno se zinek rozrušuje elektrochemickou korozí za vlhka ve styku s jinými kovy. Obvyklými nečistotami jsou olovo, železo a cín. Tyto nečistoty působí na vlastnosti zinku nepříznivě. Jako méně škodlivé se jeví nečistoty arsen, antimon, křemík, bismut a také stříbro.

8.1.1 Zinek v protikorozní ochraně [7],[16]

Zinek se používá v rozsáhlé míře k povrchové úpravě ocelových výrobků, ač je jeho korozní odolnost velmi malá. Zinek pasivuje jen ve slabě zásaditých prostředích [8]. Ochrana zinkem má smysl jen v takových případech, ve kterých se vytvoří nerozpustné korozní produkty ulpívající pevně na zinku, jak se tomu děje při atmosférické korozi. V zásaditém prostředí zinek oxiduje rychleji než ocel. Také v průmyslové atmosféře je třeba zinkový povlak opatřit nátěrem, čímž se vytváří dokonalejší ochrana, než kterou poskytuje samotný zinkový povlak.

Doba ochrany poskytnutá zinkovým povlakem je dána tloušťkou nejslabšího místa povlaku a je úměrná tloušťce. Proto potřebujeme, aby byl zinkový povlak rovnoměrný.

Zinek může být na ocel nanesen buď roztavený a to ponořením předmětu do lázně, nebo stříkáním pistolí. Nejdůležitější způsob je elektrolytické vyloučení zinku z vodného roztoku. Méně účinné jsou nátěry ze zinkovým pigmentem.

Vzhled zinkových povlaků závisí na krystalizaci čisté zinkové povrchové vrstvy. Květovaný vzhled je funkcí teploty a doby ponoření a zjemňuje se přísadou hliníku. Lze jej zcela potlačit a dosáhnout stříbřitě lesklého povrchu a to rychlým ponořením pozinkovaného předmětu do vody.

Z přísad jedině hliník potlačuje tvorbu křehké vrstvy [8]. Při koncentraci 0,3 % hliníku se vytváří jen vrstva čistého hliníku, který nemá o mnoho menší tloušťku než vrstva čistého zinku u povlaku bez přísady hliníku. Tento účinek hliníku se vysvětluje vznikem slaboučké vrstvičky intermetalické fáze Fe2Al5, která zabraňuje reakci mezi železem a hliníkem. Pokud jde o korozní odolnost, neprojevuje se přísada hliníku příznivě.

8.1.2 Katodická ochrana kovů

Zinek se využívá i pro katodickou ochranu, kterou poskytuje uhlíkovým ocelím. Katodickou ochranu je možno zajistit dvěma způsoby:

a) vnějším zdrojem proudu – chráněný kov je připojen na záporný pól zdroje stejnosměrného proudu, kladný pól je připojen k systému pomocných anod.

b) obětovanými anodami – ochranné anody (protektory) jsou z kovu s dostatečně zápornějším potenciálem (např. Zn, Al) než má chráněný kov.

Elektrochemická ochrana pomocí protektorů se používá v těch případech, kdy chráněná konstrukce má dostatečný izolační povlak a nevyžaduje k převedení do pasivního stavu vysoký proud. Účinnost katodické ochrany se zvyšuje, pokud je kombinována s jinými druhy ochrany. Takto se chrání např. potrubí, trupy lodí atd.

8.2 Slitiny mědi s cínem [7]

Obecně se tyto slitiny nazývají cínové bronzy. Rovnovážný diagram Cu-Sn patří mezi nejkomplikovanější binární diagramy. V tekutém stavu jsou měď a cín dokonale rozpustné. Technické slitiny krystalizují jinak, než jak odpovídá rovnovážnému diagramu. Asi do 5% Sn jsou slitiny homogenní. V litém stavu převládá dendritická struktura. U bronzů bývá často v povrchových částech větší koncentrace cínu, tedy větší množství slitiny o nižší teplotě tání. Tento jev se nazývá inverzní segregace. Při velkém rozmezí tuhnutí jsou poměrně dlouho vedle sebe tuhá i kapalná fáze. Kapalná fáze, která se při krystalizaci obohacuje cínem, je vytlačována některými redukčními plyny, zejména vodíkem, který se při krystalizaci uvolňuje mezi dendritickými dutinami k povrchu. Při použití mírně oxidační atmosféry lze inverzní segregaci zabránit. Stav struktury ovlivňuje do značné míry vlastnosti slitin. Na mechanické vlastnosti má v první řadě vliv obsah cínu. S jeho přísadou stoupá tažnost, pokud je slitina homogenní. Jakmile se však ve slitině objeví eutektoid , klesá tažnost velmi strmě na minimální hodnotu.
Pevnost je největší při obsahu cínu cca 20%.

Zvolené přídavné materiály:

CuSn 1 – 0,8-2% Sn, zbytek Cu, nepřípustná nečistota je P. Tato bronz dobře odolává korozi v kouřových plynech. Plný drát.

CuSn 6 – 5-7% Sn, zbytek Cu, používá se tam, kde se vyžaduje zvýšená odolnost proti korozi při dobré pevnosti a houževnatosti. Plný drát. Přísada fosforu zvyšuje mez pevnosti (cca 1,3% P).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 28  Rovnovážný binární diagram Cu-Sn [7]

8.3 Slitiny mědi a křemíku [7]

Rovnovážný diagram je též značně komplikovaný. Zejména jeho střední část není dosud uspokojivě vyřešena. Technický význam mají jen slitiny s obsahem max. 4% Si. Primární krystalizace takových slitin probíhá v širokém teplotním pásmu. Následkem toho mají slitiny sklon k odměšování a jejich krystalizace probíhá nerovnovážně, zvláště při rychlém ochlazení. Slitiny jsou pak heterogenní, ačkoliv dle složení a rovnovážného diagramu odpovídají slitinám homogenním.

Slitiny s křemíkem mají vysokou tažnost, pokud zůstává struktura homogenní. Heterogenní slitiny se vyznačují výrazným poklesem tažnosti. Pevnost dosahuje maxima okolo 5,5% Si. Křemíkové bronzy odolávají účinkům kyseliny sírové, solné a některým zásadám. S výhodou jich lze použít až do teploty 250°C, aniž ztrácí pevnost a pro teploty až -180°C, kdy jsou ještě houževnaté. Do základní slitiny Cu-Si je obvykle přidáván mangan, nikl, zinek a olovo. Mangan zlepšuje tvrdost, pevnost a korozní vlastnosti. Zinek ovlivňuje slévárenské vlastnosti.

Zvolené přídavné materiály:

CuSi 3 – Si<3%, Mn=1%, zbytek Cu. Výborně odolává povětrnostním vlivům. Velmi často používán pro automobilový průmysl. Plný drát.

Mecufil 903 Al – Si=2,5%, Mn=1%, Al=1,5%, zbytek Cu. Speciální trubičkový drát pro MIG pájení. V podstatě se jedná o současnou jakostní špičku.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 29 Část rovnovážného binárního diagramu Cu-Si [7]

8.4 Slitiny mědi s hliníkem [7]

Oba kovy jsou v tekutém stavu dokonale rozpustné. Hliníkové bronzy ? (dle obr. 30) zpevňují po tváření rychleji, a proto se nehodí pro hluboké tahy. Maximální tažnost mají slitiny s obsahem cca 7,5% hliníku, maximální pevnost zase slitiny s určitým podílem eutektoidu (kolem 11% Al). Slitiny s obsahem hliníku vyšším než je 12% jsou heterogenní a za studena se prakticky tvářet nedají. Výbornou tvárnost mají ale za tepla, jsou však pro technickou praxi nevhodné.

Hliníkové bronzy jsou velmi hodnotné konstrukční materiály pro svoji dobrou odolnost proti korozi, dobrou pevnost, mez únavy a mez tečení za tepla. Korozní odolnost těchto bronzů je vyvolána nepórovitými oxidy hliníku a mědi pevně souvisejícími se základním materiálem. Tyto bronzy jsou naprosto stálé ve vodě. Zvláště stálé jsou ve vodě mořské. Jsou též odolné v kyselině sírové (až do koncentrace 75%) a kyselině solné. Naopak se rozpouštějí v kyselině dusičné. Používají se v chemických zařízeních, varných nádobách apod. Hliníkové bronzy se dají svařovat, mají odolnost proti otěru.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 30 Rovnovážný diagram Cu-Al [7]

Přísada niklu značně zvyšuje pevnost a odolnost vůči korozi. Má příznivý vliv i na zjemnění zrna, což je výhodné zejména při krystalizaci.

Zvolené přídavné materiály:

CuAl8Ni2 – Al - cca3%, Ni=2%, zbytek Cu, je často používán jako návarový přídavný materiál. Má dobré kluzné vlastnosti i odolnost proti korozi. Vyrábí se jako plný i jako trubičkový drát.

Závěrem této kapitoly nutno podotknou, že výběr přídavných materiálů byl konzultován s vedoucím diplomové práce a s technology firmy WIRPO s.r.o.

9. NÁVRH EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE

Experiment bude zaměřen na použití různých přídavných materiálů a jejich chování při svařování. Pro svařování bude použit pulzní a bezpulzní režim. Poté budou provedeny zkoušky, ze kterých bude následovat vyhodnocení mechanických vlastností. Drát CuAl8Ni2 se nepodařilo zajistit.

Svaření vzorků z pozinkovaného hlubokotažného plechu 11 381.1 o tloušťce 2mm.

- tupý spoj – každým přídavným materiálem budou svařeny 2 vzorky, celkem tedy bude zhotoveno 8 vzorků.

- přeplátovaný spoj – každým přídavným materiálem budou svařeny 2 vzorky, navíc u přídavného materiálu Mecufil 903 Al budou svařeny ještě 2 vzorky ve zkratovém režimu. Mecufil 903 Al je totiž jediný z vybraných přídavných materiálů, který nevyžaduje pulzní přenos. Dále budou svařeny 2 vzorky, 1 drátem CuSn a 2 drátem Mecufil 903 Al v pulzním režimu pro metalografický výbrus. Celkem tedy bude svařeno 12 vzorků.

- koutový spoj – každým přídavným materiálem bude svařen 1 vzorek, u Mecufilu 903 Al bude svařen navíc 1 vzorek ve zkratovém režimu, tedy celkem 5 vzorků.

- pro vizuální posouzení bude svařen ještě 1 koutový a 1 tupý spoj přídavným materiálem typu SG 2.

Svařovací zdroj [20]

Svaření všech vzorků bude provedeno na svařovacím zdroji firmy FRONIUS. Jedná se o digitální svařovací zařízení TransPulsSynergic (dále jen TPS) 4000 Comfort s podavačem VR 4000 a hořákem JobMaster.

Přístroj TPS 4000 s proudem 400A splňuje nejvyšší nároky průmyslové výroby. Jsou koncipovány pro využití v automobilovém průmyslu, při stavbě technologických celků, chemických zařízení, ve strojírenství, stavbě kolejových vozidel a v loděnicích. Zdroj disponuje řadou programů jak pro svařování běžnými přídavnými materiály typu SG2, tak i programy pro MIG pájení, svařování hliníku atd. Při nastavení svařované tloušťky základního materiálu zdroj sám optimalizuje ostatní svařovací parametry jako jsou např. svařovací proud, napětí, rychlost podávání drátu apod. Pracuje tedy v režimu tzv. synergie.

Podavač VR 4000 obsahuje čtyřkladkový podávací mechanismus.

Hořák JobMaster umožňuje nastavení a následnou úpravu svařovacích parametrů přímo na displeji hořáku, který je vybaven ovládacími tlačítky.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 31 Rozměry a tvar zkušebních vzorků po svaření (MIG pájení)

2. Po svaření bude následovat:

- pořízení fotografických snímků se vzdálenosti cca 3cm. Následuje vizuální hodnocení svarových spojů – pórovitost, šířka oblasti  vypáleného Zn povlaku
- provedení tahových zkoušek na tupých a přeplátovaných spojích. Ze získané maximální tahové síly výpočet mez pevnosti tahu ze vztahu:

Rm=F.SSV^-1 [MPa] (9.1)

kde: F – maximální tahová síla [N]
SSV – plocha příčného průřezu svaru [mm2]

- z vybraných vzorků bude odebrán výřez pro metalografický výbrus – pořízení fotografií

- na metalografických výbrusech bude provedena zkouška mikrotvrdosti HV

- rozlomení koutových spojů – z výsledku zkoušky rozlomením budou vyhodnoceny spoje – trhliny, póry atd.

Z vypočtených a zjištěných hodnot bude provedeno srovnání tabulkové i grafické. Na konec bude provedeno ekonomické vyhodnocení.

10. PROVEDENÍ A VYHODNOCENÍ EXPERIMENTU

Jak již bylo uvedeno, pro experiment byl použit plech o tloušťce 2mm. Vzorky byly svařeny v dílenských prostorách FSI VUT, oboru Strojírenská technologie, odboru Technologie svařování a povrchových úprav. Asi nejobtížnější bylo nastavit správné svařovací parametry a zvolit správný program. Nejprve byly svařeny všechny vzorky pulzním režimem všemi přídavnými materiály, poté byl pulzní režim vypnut a byly svařeny vzorky přídavným materiálem Mecufil 903 Al. Až na závěr byl použit přídavný materiál SG 2. Pro MIG pájení byl použit jako ochranný plyn čistý argon, pro přídavný materiál SG 2 byla použita směs 82% argonu + 18%CO₂.

Po vychladnutí byly vzorky označeny, očištěny jemným hadříkem. Znečištění představoval zejména vyhořelý zinkový povlak. Následně byly vzorky vyfotografovány. Nejvíce znečištěn byly pochopitelně vzorky svařené drátem SG 2. Výsledky svařování je možno porovnat na následujících fotografiích. Nutno ovšem podotknout, že vzorků bylo celkem 31 kusů. Z tohoto důvodu jsou vyobrazeny pouze některé.

 

 

 

 

 

Obr. 32 PM-Cusi3 vzorek 1-přeplátovaný spoj         Obr. 33 PM-CuSi3 vzorek 1-tupý spoj

 

 

 

 

 

Obr. 34 PM-CuSn6 vzorek 2-přeplátovaný spoj       Obr. 35 PM-CuSn6 vzorek 1-tupý spoj

 

 

 

 

 

Obr. 36 PM-CuSn vzorek 1-přeplátovaný spoj          Obr. 37 PM-CuSn vzorek 1-tupý spoj

 

 

 

 

 

Obr. 38 PM-Mecufil 903 Al vzorek 2-                       Obr. 39 PM-Mecufil 903 Al vzorek 1-
přeplátovaný spoj                                                   tupý spoj         

 

 

 

 

 

Obr. 40 PM-Mecufil 903 Al vzorek 1-                      Obr. 41 PM-Mecufil 903 Al vzorek 2-
přeplátovaný spoj-bezpulzní režim                          přeplátovaný spoj-bezpulzní režim

Obr. 42 PM-SG2-koutový svar-pohled zepředu

Obr. 43 PM-SG2-koutový svar-pohled zezadu

Obr. 44 PM-SG2-tupý spoj-pohled zepředu

Obr. 45 PM-SG2-tupý spoj-pohled zezadu (kořen)

Dle vztahu (3.5) bylo vypočteno specifické vnesené teplo Q_s.

Vzorový výpočet vneseného tepla pro pro tupý spoj a přídavný materiál Mecufil 903 Al:

 

 

 

 

 

Získané výsledky jsou zpracovány do tabulky a grafu.

Tab. 2  Vypočtené hodnoty specifického vneseného tepla

Přídavný materiál	Specifické vnesené teplo Qs(J/cm)
	přeplátovaný	tupý	koutový
Mecufil 903 Al	1737	1512	1482
CuSi3	1833,5	1402,5	2086,6
CuSn6	1833,5	1466,4	1497,6
CuSn	1833,5	1623,5	1768,8
Mecufil 903 Al bez pulzu	1711	--------------	1166,4

 

 

 

 

Graf 1. Závislost specifického vneseného tepla na druhu přídavného materiálu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jak je patrné z grafu, vnesené teplo se pohybovalo okolo 2000 J*cm^-1. Nejvyšší hodnoty jsou u přeplátovaných spojů, výjimku tvoří drát CuSi3 u kterého má nejvyšší hodnotu vneseného tepla spoj koutový. Nízké hodnoty ve srovnání s ostatními dráty dává drát Mecufil 903 Al ve zkratovém režimu, ale pevnost tohoto spoje je také nižší, jak je vidět v kapitole 10.2 této práce.

10.1 Vizuální hodnocení

Na uvedených fotografiích je zcela jasně patrné, v čem spočívá výhoda MIG-pájení oproti svařování drátem SG 2. Svar je proveden s minimálním rozstřikem, bez viditelných pórů a bublin. Také šířka vypálené zinkové vrstvy je podstatně užší.

Tab. 3 Vizuální hodnocení - tupý spoj

 

 

 

 

 

 

Tab. 4  Vizuální hodnocení - přeplátovaný spoj

 

 

 

 

 

 

 

Při svařování drátem CuSn a CuSn6 velmi záleželo na rychlosti svařování. Pokud se rychlost svařování mírně snížila, okamžitě došlo k vytvoření trhliny středem svarového spoje. Takto vzniklé problémy ukazují následující fotografie.

 

 

 

 

 

Obr. 46  PM-CuSn6-tupý spoj-trhlina                      Obr. 47  PM-CuSn-tupý spoj-trhlina

Po přetržení vzorků kvůli tahové zkoušce, byly vzorky podrobeny hodnocení dle ČSN EN 25817. Jedná se o směrnici pro určování stupňů jakosti pro svarové spoje ocelí zhotovené obloukovým svařováním.

Tab. 5 Výsledek hodnocení tupých spojů dle ČSN EN 25817

 

 

 

 

 

 

Tab. 6 Výsledek hodnocení přeplátovaných spojů dle ČSN EN 25817

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V tomto hodnocení nejlépe dopadly vzorky svařené dráty Mecufil 903 Al, CuSi3 a u přeplátovaných spojů i CuSn6.

10.2 Vyhodnocení tahové zkoušky

Tahová zkouška byla provedena na osmi vzorcích pro tupý spoj a na deseti vzorcích pro přeplátovaný spoj. Výsledky byly zpracovány do tabulek a grafů.

Tab. 7 Zařízení pro provedení tahové zkoušky

Stroj:	VEB Werkstoffprűfungmaschinen
	Leipzig
Rok výroby:	1968	po repasi
Max.síla:	200kN	1 dílek=1kN

Vzorky byly upnuty v prizmatických kleštinách. Na stroji byla změřena maximální síla F při přetržení vzorku. Poté byla vypočtena pevnost v tahu Rm dle vztahu (9.1).

Plocha příčného průřezu svaru SSV [mm2]:

Ssv = t * b = 2 [mm] * 50 [mm] = 100 mm2

kde: t – tloušťka svařovaného plechu = 2mm

b – šířka pásku plechu = 50 mm

Tato hodnota je pro všechny vzorky stejná.

Pevnost v tahu Rm [MPa] :

 

Vzorový výpočet Rm pro vzorek č.1 svařený drátem CuSi3 – tupý spoj:

 

Obdobně bylo postupováno při výpočtu ostatních tupých i přeplátovaných spojů.

Získané výsledky:

Tab. 8 Pevnost v tahu pro tupé spoje

 

 

 

 

 

Tab. 9 Pevnost v tahu pro přeplátované spoje

 

 

 

 

 

 

 

Graf  2 Pevnost v tahu – tupé spoje

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Graf  3 Pevnost v tahu – přeplátované spoje

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z grafického vyjádření je patrné, že výsledky tupých spojů jsou daleko více vyrovnané. Obecně se předpokládalo, že přeplátované spoje budou mít větší pevnost v tahu. Tato domněnka se však nepotvrdila. Při tahové zkoušce se totiž k jednoosému tahu postupně přidával i ohyb. Proto došlo k porušení vzorků dříve. K porušení došlo u všech vzorků bez rozdílu v ose svarového spoje.

U tupých spojů se jako nejlepší jeví vzorky svařené drátem Mecufil 903 Al. Rozdíl pevnosti v tahu není až tak velký. Největší odlišnost je však v tom, že u všech vzorků mimo vzorky svařené drátem Mecufil 903 Al došlo k utržení ve středu (v ose) svarového spoje. U přídavného drátu Mecufil 903 Al došlo k vytržení základního materiálu a to u obou vzorků. Důkazem jsou následující fotografie.

 

 

 

 

 

Obr. 48 PM-CuSn vzorek 1-tupý spoj                     Obr. 49 PM-CuSi3 vzorek 1-tupý spoj

 

 

 

 

 

Obr. 50 PM-CuSn6 vzorek 1-tupý spoj                   Obr. 51 PM-Mecufil 903 Al vzorek 2-tupý spoj

10.3 Metalografické výbrusy

Metalografické výbrusy byly zhotoveny z přeplátovaných spojů a to ze vzorků svařených přídavnými materiály Mecufil 903 Al a CuSn. Z vybroušených a odleptaných vzorků byly pořízeny fotografie na mikroskopu značky OLYMPUS.

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 52 Metalografický výbrus                               Obr. 53 Metalografický výbrus –
PM Mecufil 903 Al (zvětšeno 100krát)                     PM CuSn (zvětšeno 100krát)

Na vzorku Mecufil 903 Al je vidět, že při svařování došlo k natavení hrany základního materiálu, oproti tomu na vzorku CuSn hrana natavena nebyla. Tento výsledek je poněkud překvapující, neboť vnesené teplo bylo u vzorku Mecufil 903 Al nižší než u vzorku CuSn. Natavení bylo pravděpodobně způsobeno jiným sklonem svařovacího hořáku. U vzorku Mecufil 903 Al byl hořák nastaven více do horního materiálu, úhel sklonu od vodorovné roviny byl tedy menší.

U vzorku CuSn jsou, jak je vidět, v pájce přítomny póry a bubliny oxidů. Základní materiál u obou vzorků byl tepelně ovlivněn jen ve velmi malé míře. Oba vzorky byly zvětšeny 100krát. Pro přesnější vyhodnocení vzorku Mecufil 903 Al byl pořízen snímek se zvětšením 150krát.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 54 Metalografický výbrus –PM Mecufil 903 Al (zvětšeno 150krát)

Na tomto snímku již můžeme dobře vidět, že ostrůvky v pájce nejsou bubliny, ale jedná se o natavený základní materiál a rozpuštěný zinkový povlak. Došlo tedy k částečnému promísení.

Na dalších fotografiích je uveden přechod mezi základním materiálem a pájkou a mezera mezi dvěma základními materiály.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 55 Přechod mezi spodním základním materiálem a pájkou Mecufil 903 Al

Tento přechod je bez viditelných strukturálních změn a bez viditelného tepelného ovlivnění základního materiálu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 56 Mezera mezi 2 plechy vyplněná pájkou Mecufil 903 Al

U přeplátovaného spoje došlo při svařování k částečnému zatečení pájky do mezery mezi oběma plechy. V mezeře je dále vidět zoxidovaný zinkový povlak a částečně i pájka. V pájce jsou dále přítomny bubliny.

 

 

 

 

 

Obr. 57 Makrofotografie –PM Mecufil 903 Al           Obr. 58 Makrofotografie –PM CuSn
(vzdálenost 5 cm)

10.4 Zkouška mikrotvrdosti

Měření mikrotvrdosti bylo provedeno na zařízení firmy LECO, což je kompaktní přístroj skládající se z mikrotvrdoměru, měřícího monitoru a počítače. Jednalo se o měření tvrdosti dle Vickerse.

Nejprve byly změřeny 3 body na každém vzorku (místa 1,2,3 na obrázku) a poté byl naprogramován krok a směr (na obrázku vyznačen šipkou), ve kterém bylo měření provedeno.

Obr. 59 Místa pro měření mikrotvrdosti

Získané výsledky:

Tab. 10 Hodnoty mikrotvrdosti z měřených míst

 

 

 

Graf  4 Průběh mikrotvrdosti HV 0,1 na vzorcích svařených drátem Mecufil 903 Al a CuSn.

 

 

 

 

 

 

 

 

Vlevo do místa označeného červenou čarou I byla měřena tvrdost pájky a vpravo od tohoto místa byla měřena tvrdost základního materiálu. Pokles tvrdosti základního materiálu u vzorku CuSn je pravděpodobně způsoben vyšším vneseným teplem QS a tím pádem se snížila hodnota deformačního zpevnění, ke kterému došlo při výrobě plechu válcováním. Vzorek Mecufil 903 Al má cca o 50 HV vyšší tvrdost. Důvodem je patrně přítomnost křemíku.

10.5 Vyhodnocení koutových spojů

Vzorky byly zatíženy pod hydraulickým lisem. Nedošlo však k jejich rozlomení. Základní materiál byl patrně příliš tenký, a proto došlo k jeho ohnutí. Ani po následném vyrovnání a opětovném zatížení se nepodařilo koutové svary rozlomit.

10.6 Praktické aplikace MIG pájení

Ve spolupráci s firmou CIE Unitools Press byl řešen problém svaření rámečků zadních reflektorů pro karoserii automobilu Volkswagen Golf řady 5. Výchozí polotovar vypadal následovně:

 

 

 

 

 

 

Obr. 60 Čelní pohled dovnitř svařovaného dílce         Obr. 61 Detail pravého koutového svaru

Obr.  62 Detail levého koutového svaru

Dílec byl vyroben hlubokým tažením bez ztenčení stěny z plechu o tloušťce 0,7mm. Značka oceli DX54D 1.0306. Zinková vrstva byla velmi tenká - cca 7,1µm na každé straně. Na žádost firmy CIE Unitools Press byl zkoušen přídavný materiál Mecufil 903 Al a CuSi3. Bylo potřeba svařit dva koutové svary s proměnnou mezerou při požadavku co nejmenšího natavení základního materiálu. Firma se sama pokoušela svary svařit pomocí technologie svařování kyslíkoacetylenovým plamenem. Výsledky však nebyly dostačující. Základní materiál byl silně nataven, místy až propálen a oblast vypáleného zinkového povlaku byla velmi široká. Místy až 7 cm.

Proto byla vyzkoušena technologie MIG pájení. Výsledky byly nesrovnatelně lepší oproti svaření kyslíkoacetylenovým plamenem. Oba přídavné materiály vykazovaly daleko užší oblast vyhořelého Zn povlaku a tím pádem i menší tepelné ovlivnění základního materiálu. Dosažené výsledky ukazují následující fotografie.

 

 

 

 

 

Obr. 63 Venkovní detail zavařeného                          Obr.  64 Vnitřní detail zavařeného
koutového spoje -PM CuSi3                                     koutového spoje -PM CuSi3

Firma CIE Unitools Press se nakonec rozhodla pro použití drátu CuSi3. Ten sice vykazoval nepatrně vyšší rozstřik, avšak nebyl tak citlivý na proměnnou mezeru mezi svařovanými plechy. Drát Mecufil 903 Al nevykazoval žádný rozstřik, ale jeho hoření bylo neklidnější v okamžiku, kdy se velikost mezery měnila.

V neposlední řadě je nutno podotknout, že při použití robotizovaného pracoviště firma CIE Unitools Press během 1minuty a 40 sekund zavaří čtyři kompletní dílce, což je při svařování kyslíkoacetylenovým plamenem zcela nereálné.

11. TECHNICKO EKONOMICKÉ VYHODNOCENÍ

Při výpočtu jsem použil kalkulační vzorce pro tupé a koutové spoje firmy Drahtzug STEIN. Tyto vzorce byly poskytnuty firmou WIRPO s.r.o. Z níže uvedených vzorců je vidět, že výrobní náklady jsou funkcí několika parametrů. Mezi ně patří např. ceny 1 hodiny práce a režijních nákladů, využití svařovacího cyklu, využití svarového kovu, spotřeby a ceny plynu atd.

Do vzorců je nutno zadat tyto parametry:

- geometrii svaru
- průměr svařovacího drátu
- cenu 1 hodiny práce a režijní náklady
- svařovací proud
- množství navařeného přídavného materiálu neboli jeho výtěžnost
- využití svařovacího cyklu
- cenu přídavného materiálu
- využití svarového kovu
- cenu ochranné atmosféry plynu
- průtok plynuDále je nutno rozlišovat, zda svařujeme plným nebo trubičkovým drátem, či elektrodou.

Všechny potřebné parametry jsem získal od firem WIRPO s.r.o., a  Linde Technoplyn a.s..

Tab.11 Výtěžnost přídavného materiálu-zdroj WIRPO s.r.o.

 

 

 

 

Tab.12 Cena přídavných materiálů-zdroj WIRPO s.r.o.

 

 

 

 

Cena ochranného plynu:zdroj LINDE Technoplyn a.s.
Argon o čistotě 99,995% stojí 2000 Kč vč. 19% DPH.

Režijní náklady:
Zvolil jsem hodnotu 350Kč/hod což odpovídá středně velké firmě.

Použité kalkulační vzorce:
spotřeba ochranného plynu v litrech na kg svarového kovu

 

 

kde: Gs – průtok plynu [l/min]
A – výtěžnost přídavného materiálu [kg/hod]
ED – využití svařovacího cyklu [%]

- náklady na ochranný plyn

Gk=Gp*Gv [EURo/kgSK] (11.2)

kde: Gp – cena ochranného plynu [€/l]

- náklady na svařování

 

 

kde: Zp – cena přídavného materiálu [€/kg]
E – využití svarového kovu [%]

- výrobní náklady

 

kde: L – režijní náklady [€/hod]

- celkové náklady

TC=Fk + Zk + Gk [EURo/kgSK] (11.5)

- výrobní náklady na 1 metr svaru

Vzorový výpočet pro tupý spoj a přídavný materiál Mecufil 903 Al:

dle (11.1)

 

následně dosadíme do (11.2)

 

 

 

 

 

 

Pak celkové náklady jsou:
TC=Fk + Zk + Gk = 23,666 [EURo/kgSK]

Získané výsledky:

Tab.13 Výsledky ekonomického porovnání

 

 

 

 

Graf 5 Porovnání nákladů – tupý spoj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Graf 6 Porovnání nákladů – koutový svar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z tabulkového i grafického porovnání vyplývá, že i přes nejvyšší pořizovací cenu je drát Mecufil 903 Al ekonomicky nejvýhodnější. Cenové rozdíly sice na první pohled nejsou tak markantní, ale pokud uvážíme, že firmy pracují většinou více než na jednom svářecím zdroji a často také na směny, nejedná se ve výsledku o zanedbatelné úspory. Výhodou drátu Mecufil 903 Al oproti ostatním drátům je i to, že ke zhotovení svarového spoje v odpovídající kvalitě postačí běžný svařovací a není tedy třeba investovat do drahého zdroje s pulzním režimem.

12.ZÁVĚR

Závěrem můžeme konstatovat, že technologie MIG pájení má perspektivní uplatnění jak v současnosti, tak v budoucnu. Možno předpokládat, že automobilky se budou snažit tuto technologii uplatnit ve svých autorizovaných servisních pracovištích. Jak již bylo několikrát v této práci zmíněno, spoje vytvořené na pozinkovaných základních materiálech jsou korozi odolné a nevyžadují tedy následnou povrchovou úpravu. Tento fakt znamená nemalé finanční úspory.

Z porovnání zkoušených přídavných materiálů Mecufil 903 Al, CuSi3, CuSn6 a CuSn vyplývá, že opravdovou špičkou v oboru MIG pájení jsou materiály Mecufil 903 Al a CuSi3. Přídavný materiál Mecufil 903 Al měl nejvyšší pevnost v tahu a i při nejvyšší pořizovací ceně jsou výrobní náklady při použití tohoto drátu nejnižší. Je tedy možné při požadované pevnosti spojů vyrobit svary kratší. Přídavný materiál CuSi3 má pevnost v tahu cca o 10% nižší. Také výrobní náklady spojené s použitím drátu CuSi3 jsou zhruba o 11% vyšší než při použití přídavného materiálu Mecufil 903 Al. Významným finančním ulehčením pro firmy je i fakt, že při použití drátu Mecufil 903 Al nepotřebují drahý svařovací zdroj s pulzním režimem.

Při hodnocení stupňů jakosti svarových spojů dle ČSN EN 25817 opět nejlépe vyšly přídavné materiály Mecufil 903 Al a CuSi3. U přeplátovaných spojů byl do stupně jakosti B-„vysoký“ zařazen i přídavný materiál CuSn6. Jeho pevnost v tahu je však v porovnání s výše jmenovanými přídavnými materiály o 30% nižší.

Přídavný materiál CuSn má sice u přeplátovaných spojů srovnatelné pevnostní charakteristiky, avšak výrobní náklady při použití tohoto drátu jsou nejvyšší.

Významnou roli při výběru optimálního přídavného materiálu pro MIG pájení hraje i geometrie svařovaného dílce. Pokud se jedná o dílec s přesně definovanou geometrií a konstantní mezerou mezi svařovanými plochami, jeví se jako optimální přídavný materiál Mecufil 903 Al. Pokud tomu tak není, jsme nuceni zvolit přídavný materiál CuSi3.

Podrobnější ekonomické porovnání by bylo možno provést, pokud by byl znám konkrétní příklad svařovaného dílce se všemi údaji, jako jsou např. sériovost, počet směn atd.

Pro přesnější vyhodnocení pevnostních parametrů by bylo třeba zhotovit daleko větší počet vzorků od každého přídavného materiálu. Potom by výsledky měly vyšší vypovídací schopnost.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SEZNAM VYUŽITÝCH PODKLADŮ

[1] KOLEKTIV AUTORŮ. Technologie svařování a zařízení. Učební texty pro
kurzy svářečských inženýrů a technologů, 1.vyd. Vydalo nakladatelství
ZEROSS v Ostravě v edici Svařování, Ostrava, srpen 2001, 395 s.
ISBN 80-85771-81-0.

[2] SAMEK,E.,STRINKA,R., Zváranie v ochrannej atmosfére taviacou sa
elektródou. 1.vyd. Vydalo ALFA Bratislava a SNTL Praha, 1982, 248 s.

[3] KUNCIPÁL,J. a kol.,Teorie svařování. 1.vyd. Nakladatelství SNTL, Praha,
1986, 272 s.

[4] PTÁČEK,L. a kol., Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství
CERM, s.r.o. Brno, 2001, 505 s. ISBN 80-7204-193-2.

[5] PTÁČEK,L. a kol., Nauka o materiálu II. Akademické nakladatelství CERM, s.r.o. Brno, 1999, 350 s. ISBN 80-7204-130-4.

[6] SCHWARZ,B.,PLÍHAL,A.,ŠVEIDLER,Z.,SCHLIXBIER,M.,Technologie GMA určená pro svařování povrchově
upravených plechů.,Kolektiv autorů, Moderní trendy ve svařování MAG.Sborník přednášek, 4.-5.10.2001.
1.vyd. Vydal DOM-ZO 13, Česká Třebová, 2001, 110 s. ISBN 80-85988-66-6.

[7] PÍŠEK,F.,JENÍČEK,L.,RYŠ,P., Nauka o materiálu I. Nauka o kovech. 3 svazek CENEK,M.,JENÍČEK,L.,
Neželezné kovy. 2.vyd. Vydala ACADEMIA. Nakladatelství Československé akademie věd, Praha, 1973,
596 s.

[8] POCHODNJA,I.K. a kol., Svařování trubičkovým drátem. 1.vyd. Vydalo SNTL Praha, 1977, 252 s.

[9] KOLEKTIV AUTORŮ. Materiály a jejich svařitelnost. Učební texty pro
kurzy svářečských inženýrů a technologů, 2.vyd. Vydalo nakladatelství
ZEROSS v Ostravě v edici Svařování, Ostrava, leden 2001, 292 s.
ISBN 80-85771-85-3.

[10] PLÍHAL,A.,SCHLIXBIER,M. Technologie GMA určená pro svařování
povrchově upravených plechů. Spektrum, obchodně – technický
zpravodaj ESAB VAMBERK. 2001, čís. 2, s. 8-9.

[11] PLÍHAL,A.,SCHLIXBIER,M. Svařování pozinkovaných plechů
obloukovými metodami. Spektrum, obchodně – technický zpravodaj
ESAB VAMBERK. 1999, čís. 4, s. 6-7.

[12] SEJČ,P., Príspevok k hodnoteniu vlastností a štruktúry MIG/MAG
spájkovaných spojov tenkých pozinkovaných oceľových plechov.
Zváranie-Svařování. 2003,ročník 52, čís.1-2, s.22-26. ISSN 0044-5525

[13] SEJČ,P., Oblúkové zváranie MAG oceľových plechov pokrytých
protikoróznym náterom na báze zinku. Zváranie-Svařování. 2002,ročník
51, čís.3-4, s.71-73. ISSN 0044-5525

[14] HERMAN,P., Bronzové trubičkové dráty MECUFIL pro MIG pájení.
Z váranie-Svařování. 2002,ročník 51, čís.9-10, s.213. ISSN 0044-5525

[15] MALÍK,R., Argumenty pro žárové zinkování oceli., Kolektiv autorů,
Progresivní technologie povrchových úprav, Sborník přednášek a
prezentací firem, Praha 28. a 29.11.2000, 1.vyd. Vydala Česká
společnost pro povrchové úpravy a fakulta Strojní ČVUT v Praze, 2000,
125 s.

[16] MOHYLA,M.,Technologie povrchových úprav kovů, 1. vyd. Vydala
Vysoká škola báňská v Ostravě. Ostrava 1987. 251s.

[17] HUDEC,Z., Deformace a napětí při svařování. 1.vyd. Technická
univerzita v Liberci, listopad 1998, 76 s. ISBN 80-7083-313-0.

[18] Katalog přídavných materiálů – WIRPO s.r.o.

[19] Katalog přídavných materiálů pro svařování – EAB VAMBERK, s.r.o..
2.vyd. ESAB VAMBERK., 2002.

[20] Firemní literatura – TransPlusSynergic 2700/4000/5000 – FRONIUS s.r.o.