 Verze pro tiskSvarové spoje. 22.10.2005 10:41 Petr Herman Většina svařovacích metod vytvoří vysoké lokální teploty. Typ zdroje ohřevu označuje často svařovací metodu, např. svařování plamenem, obloukové svařování. Jedním z hlavních problémů při svařování je, že kovy reagují s atmosférou rychleji, když stoupá jejich teplota. Metoda, jak chránit horký kov před atakem atmosféry, je druhým nejdůležitějším rozlišujícím znakem. Technika sahá od svařování pod tavidlem, které vytváří ochrannou strusku, až po svařování v ochranné atmosféře.
Aby se kovy mohly spojit metalografickým spojem, vyžaduje většina svařovacích metod vytvoření vysoké lokální teploty, která nataví základní a přídavný materiál. Typ zdroje ohřevu označuje často svařovací metodu, např. svařování plamenem, obloukové svařování, odporové, třením apod. Jedním z hlavních problémů při svařování je, že kovy reagují s atmosférou (O2, N2 H2) rychleji, když stoupá jejich teplota. Pokud se nezabrání přístupu a vlivu těchto atmosférických plynů na roztavenou svarovou lázeň, dochází výraznému znehodnocení svarového spoje, jak vizuálnímu ( póry a bubliny ), tak mechanickým hodnotám spoje ( pevnost, tažnost, vrubová houževnatost apod.) Metoda, jak chránit roztavený svarový kov před znehodnocením atmosférou, je druhým nejdůležitějším rozlišujícím znakem. Výběr technologií je od obalené elektrody a svařování pod tavidlem, kde tuto ochranu zajišťují struskotvorné látky přes trubičkové elektrody s vlastní ochranou, kdy přísady v náplni vytváří strusku nebo plynnou ochranu, případně kombinaci obou druhů ochrany svarové lázně. Poslední z nepoužívanějších metod je svařování v ochranných atmosférách.
Některé metody byly vyvinuty pro velmi konkrétní aplikace, zatímco jiné jsou flexibilní a pokrývají široký sortiment svářečských prací. Ačkoliv se svařování užívá zásadně pro spojování stejnorodých nebo nestejnorodých kovových částí, užívá se stále více k opravám a renovacím opotřebovaných nebo poškozených součástek. Roste také počet aplikací pro "navařování" nových součástek, jejichž výsledkem je povrch odolný proti korozi, otěru, nárazu a opotřebení. V těchto případech se pomocí svařování ukládá vrstva vhodného materiálu na levnější nebo houževnatější základní kov. Dostáváme tak díly a komponenty, které mají vlastnosti na výrazně vyšší úrovni co se týka požadovaných parametrů. Metoda svařování obloukem, poprvé zavedená koncem 19. století, však zůstává nejvýznamnější a nejvíce používanou technikou. Jak název napovídá, zdrojem tepla je elektrický oblouk vytvořený nejčastěji mezi svařovaným dílem a elektrodou nebo svařovacím drátem. Elektrická energie přeměněná na teplo vytváří oblouk o teplotě až 6 000°C ve středu oblouku. Na anodě je teplota cca 3 600 °C a na katodě cca 3 200°C. Takto vytvořené teplo roztaví základní a přídavný materiál a dojde k pevnému metalografickému spoji. Uvedené data zdánlivě patří do oblasti teorie sloupce elektrického oblouku, ale v praxi tyto hodnoty využíváme, aniž bychom si to uvědomovali. Zapojení elektrody na + pól, nepřímá polarita ( např.basický obal ), poskytuje hustě tekoucí svarový kov. Zapojení na – pól, přímá polarita (např. kyselý obal) poskytuje řídce tekoucí svarový kov. Tyto možnosti a vlastnosti elektrického oblouku se úspěšně aplikují jak při svařování, tak také při navařování. Proto je třeba u obalených elektrod a trubičkových drátů dodržovat polaritu, kterou uvádí v materiálovém listu výrobce. Zařízení pro svařování se mohou lišit co do velikosti a komplexnosti, ale hlavní rozdíl spočívá ve zvolené technologii svařování. Do obloukového svařování patří od ručního svařování obalenou elektrodou, svařování pod tavidlem, přes svařování v ochranných atmosférách, kam patří metody MIG, MAG, TIG, plasma ( PAW ) až po svařování, resp. navařování MOG.
Ruční obloukové svařování obalenou elektrodou
Ruční obloukové svařování (MMA - Manual Metal Arc Welding, SMAW - Shielded Metal Arc Welding) je nejstarší a nejuniverzálnější metoda z obloukového svařování.
 Elektrický oblouk vzniká mezi koncem obalené kovové elektrody a svařencem. Roztavené kapky kovu z elektrody se přenášejí obloukem do svarové lázně a jsou chráněny plyny vznikajícími z rozkladu obalu, který je tvořen danými struskotvornými látkami. Roztavená struska se dostává na povrch svarové lázně, kde během tuhnutí chrání svarový kov před přístupem atmosféry a zároveň formuje výsledný svár. Od klasických konstrukčních materiálů až po vysokolegované materiály, neželezné a barevné kovové slitiny. Kromě klasického provedení elektrody jsou k dispozici návarové elektrody jako jsou trubičkové elektrody s vloženými karbidy nebo zrny wolfram karbidu. Nejrozšířenější jsou elektrody s obalem bázickým, rutilovým, kyselým nebo v kombinaci uvedených struskotvorných látek. Používají se i speciální obaly, jako např. celulózový pro svařování shora dolů (spádové elektrody ), grafit-bazický obal pro svařování všech druhů litin, nebo obal na bázi halových solí pro svařování hliníkových slitin, kde je v obalu indikátor vlhkosti ( např. suchá elektroda má obal modrý a při nabrání vzdušné vlhkosti obal zezelená a elektrodu je nutno přesušit). Toto je obecně platné pro všechny obalené elektrody, tedy hlídat přesušení elektrod před svařováním, aby jsme se vyvarovali vyššímu obsahu difůzního vodíku ve svarovém spoji. Proto se také objevují elektrody ve vakuovém balení, které garantují suchý obal elektrody. Další „využití“ obalu je pro dosazení kovových prášků, které zvyšují výtěžnost elektrod (poměr elektroda-svarový kov ), nebo legují svarový kov, případně eliminují propal legujících prvků.
Tato metoda se nejčastěji používá při běžném svařování všech druhů svařitelných ocelí i neželezných kovů a pro navařování. I když je to metoda relativně pomalá z důvodu výměny elektrod a odstraňování strusky, zůstává jednou z nejflexibilnějších a její výhody vynikají v obtížně přístupných oblastech.
Svařování v ochranné atmosféře plynů.
Při svařování v ochranné atmosféře plynu (GMAW - Gas Metal Arc Welding, MIG - Metal Inert Gas, MAG - Metal Active Gas) vzniká oblouk mezi kontinuálně podávaným svařovacím drátem a svařencem. Oblouk a svarová lázeň jsou chráněny proudem inertního nebo aktivního plynu. Tato metoda se hodí pro většinu materiálů a přídavné materiály jsou k dispozici pro široký sortiment kovů.
 Svařování MIG/MAG je podstatně produktivnější než MMA, kde se produktivita ztrácí pokaždé, když svářeč zastaví, aby vyměnil spotřebovanou elektrodu. Při MMA vznikají také materiální ztráty při vyhazování nedopalků. Z každého kilogramu prodané obalené elektrody se asi jen 65 % stane součástí svaru a zbytek se vyhodí (vzniklá struska a technologický nedopalek elektrody ). Metody MIG a MAG jsou nevíce používané technologie obloukového svařování, mimo jiné na úkor svařování obalenou elektrodou. Metoda MAG využívá aktivního plynu ( CO2, O2 ) a to i v tzv. argon-mixových směsích. Snižuje povrchové napětí lázně a umožňuje lepší zabíravost lázně. Zároveň ale oxiduje nebo nauhličuje svarovou lázeň. Pro některé kovové slitiny je tato ochranná atmosféra nepřípustná a používá se metoda MIG, kde je plyn inertní a kryje svarovou lázeň ale neúčastní se chemicky na probíhajícím procesu. Jako plyny se používá Argon, Hélium nebo kombinace těchto plynů.
Svařování MIG/MAG je univerzální metoda, kterou je možno ukládat svarový kov ve větším množství a ve všech svařovacích polohách. Používá se pro svařování tenkých materiálů až po těžké ocelové konstrukce a tlakové nádoby. Od klasických konstrukčních materiálů až po vysokolegované materiály, neželezné a barevné kovové slitiny. Tedy tam, kde se vyžaduje vysoký podíl ruční práce svářeče.
Obloukové svařování plněnou (trubičkovou ) elektrodou.
Pokud jde o práci a zařízení, je svařování trubičkovým drátem (FCAW - Flux Cored Arc Welding, dle normy správněji svařování plněnou elektrodou) velmi podobné svařování MIG/MAG. Nesvařuje se však plným drátem nebo elektrodou, ale je to kovový plášť vyplněný tavidlem. Na začátku výroby plněné elektrody (trubičkového drátu) je obvykle páska, která se nejdříve tvaruje do tvaru písmene "U", do ní se potom ukládá tavidlo a legující materiály a nakonec se páska v sérii formovacích kladek uzavírá. Tyto tzv. falcované trubičky nelze pomědit a také je nutno je přesušovat po nějaké době, kdy jsou vyjmuty z obalu ( 72 hod.), protože poté může nastat „nabrání“ vlhkosti z okolní atmosféry a trubičku je nutno přesušit podobně jako obalenou elektrodu. Druhý typ výroby je také z stočením z pásky ale tato je v hlavě vysokofrekvenčně svařena, následně plněna požadovanými látkami, tažena na finální průměr a v lázni je mořena následně poměděna. Tento typ je výhodnější, neboť je zcela uzavřen profil trubičky a nemůže nabírat vlhkost a okolní atmosféry
 Plněné trubičkové dráty se vyrábějí v několika typech. Typ s rutilovou náplní, kde tato náplň může být pomalu tuhnoucí, kdy svarová lázeň tuhne ve stejnou dobu jako struska ( hodí se pro polohy PA, PB ). Rozšířenější je rutilová náplň rychle tuhnoucí, kdy struska tuhne dříve než svarový kov. Tím výrazně formuje svarovou lázeň a má velký význam pro svařování v polohách. Umožňuje např. ve svislé poloze podstatně zvýšit parametry svařování na hodnoty uložení svarového kovu které plným drátem nelze dosáhnout a tím se výrazně zvyšuje ekonomika svařování. Druhým typem náplně je bazická. Tyto náplně účinně rafinují a čistí svarový kov a dosahují se výborné mechanické vlastnosti svarového kovu, hlavně v oblasti vrubových houževnatostí při vysokých záporných teplotách. Jsou i vysoko bazické náplně pro opravy odlitků kdy je struskou eliminován vliv nečistot ( fosfor, síra atd. ) a tzv. licí kůry. Vývojově poslední typ je kovová náplň. Dnes jsou tyto typy na takové úrovni, že lze bez problémů svařovat i vysoko pevnostní materiály a jsou dosahovány výborné mechanické hodnoty. Operativní vlastnosti těchto trubiček umožňují svařování ve všech polohách a výtěžnost je vyšší než u plných drátů. V roce 2004 byly trubičky s kovovou náplní přesunuty do metody 135, tedy stejně jako plný drát a není nutno svářeče přeškolovat na novou metodu, naopak operační vlastnosti těchto trubiček jsou pro svářeče lépe zvládnutelné než plný drát. Co se týká zařazení trubiček s bazickou a rutilovou náplní, zůstávají metodě 136. Je zde třeba zvládnout ovládání struskotvorných látek a jejich přechod přes oblouk. Dalším typem plněných trubičkových elektrod jsou trubičky pro metodu MOG ( Metal One Gas ), občas označovanou také jako OA ( Open Arc ). Zařazení této metody je pod kódem 114. svařovací zdroje jsou stejné jako pro MIG/MAG, ale není třeba dodávat ochranný plyn. V náplni trubičky jsou kromě legur a struskotvorných látek také složky které se o oblouku rozkládají a vytvářejí ochrannou atmosféru. Pro montážní, nebo externí svařování je tak garantována ochrana svarové lázně až do rychlosti větru 50 km/hod. Pro dílenské využití se tyto trubičky na svařování nepoužívají. Dílensky se nejvíce používají pro navařování a pancéřování, tedy v celém rozsahu renovací a požadovaných tvrdostí.
Obloukové svařování wolframovou elektrodou v inertním plynu.
(GTAW - Gas Tunsten Arc Welding, TIG - Tungsten Inert Gas Welding, WIG - Wolfram Inert Gas Welding) Je to metoda, při které oblouk hoří mezi základním materiálem a wolframovou elektrodou v ochraně inertního plynu a přídavný materiál je do oblouku podáván samostatně.
 Svařování TIG zajišťuje výjimečně čisté a vysoce kvalitní svary. Protože nevzniká žádná struska, je sníženo na minimum riziko vměstků ve svarovém kovu a hotové svary nevyžadují žádné čištění. Metodu TIG lze použít téměř pro všechny kovy a hodí se jak pro ruční, tak pro automatizované svařování. Nejvíce se užívá na svařování hliníku a nerezavějících ocelí, kde je absolutně nejdůležitější celistvost svaru. Této metody se široce používá k vysoce kvalitním spojům v nukleárním, leteckém, chemickém a potravinářském průmyslu.
Svařování metodou TIG lze rozdělit podle typu svařovacího proudu na DC – stejnosměrný proud, který má využití pro většinu kovů a slitin. Druhým typem je AC – střídavý proud pro svařování hliníkových slitin, ale také např. pro hliníkovou bronz ( CuAl 8 apod. ). Využívá se zde vlastností kladné a záporné vlny na elektrickém oblouku. Většinou se na zdrojích dají měnit hodnoty frekvence a poměr obou vln.
Odporové svařování.
Sortiment odporového svařování zahrnuje všechny typy zařízení. Od malých ručně ovládaných bodových svářeček až po celé automatické řetězové linky. Dnes tato zařízení se používají většinou v automobilovém průmyslu, kde potřeba rychle a efektivně svařovat tenké materiály. Svařovací program, který v této oblasti pokrývá širokou potřebu, je znám po celém světě. Při odporovém svařování se kovy spojují bez přídavného materiálu, ale do prostoru, který je nutno svařit, se aplikuje tlak a elektrický proud. Množství tepla závisí tedy na elektrickém odporu v místě svaru. Toto je důležitý faktor této metody, který jí propůjčil své jméno.
Hlavní druhy odporového svařování jsou:
* bodové svařování
* výstupkové svařování
* švové svařování
* stykové odporové svařování
* svařování natupo odtavením
Svařování pod tavidlem
(SAW - Submarged Arc Welding) U svařování pod tavidlem je oblouk zapalován mezi svařencem a koncem svařovacího drátu či pásky, přičemž obojí je pokryto vrstvou taveného nebo aglomerovaného tavidla (odtud název "pod tavidlem"). Oblouk je proto schován. Zbytek tavidla se odsává a používá znovu.
 Část tavidla se roztaví a vytvoří ochranný struskový kryt nad tavnou lázní. Svařování pod tavidlem probíhá zásadně na mechanizovaném svařovacím zařízení. Pro zvýšení produktivity je možné uspořádání i s několika elektrodami. Vzhledem k vysoké výtěžnosti je tato metoda zvláště vhodná ke zhotovení dlouhých rovných spojů, a to pouze v polohách PA, PB, PC. Používá se hlavně ke svařování tlakových nádob, chemických zařízení, v těžkém strojírenství a při opravách a stavbách lodí. Používá se také pro navařování rozměrných kusů.
Svařování pod tavidlem si dlouhou dobu udržuje stejný poměr aplikací mezi obloukovými metodami ( cca 10 – 12 % ). Svařování pod tavidlem využívá svařovací proud jak stejnosměrný, tak i střídavý. Je tady nutné dbát, aby tavidlo bylo určeno pro daný proud. Tavidla se dnes vyrábějí převážně aglomerovaná, kdy tavidla tavená jsou postupně omezována, protože jejich výroba je energeticky náročná. Na rozdíl od jiných metod svařování je zde jiné určování mechanických hodnot svaru. Podstatné nejsou hodnoty přídavného drátu, ale hodnoty svarového kovu v kombinaci drát + tavidlo. Stejný přídavný drát dosahuje s jinými tavidly rozdílných hodnot. Toto je dáno složením tavidla a jeho bazicitou.
Také pro svařování pod tavidlem se začínají stále více prosazovat trubičkové dráty, a to s kovovou nebo s bazickou náplní. Zvyšuje se opět ekonomika svařování. Co se týka svařování s více dráty, lze u svařování pod tavidlem použít více drátů a také lze kombinovat svařovací proud. Lze tedy použít pro jeden drát střídavý proud a pro druhý drát stejnosměrný proud. Existují aplikace s použitím pěti svařovacích hlav a různými svařovacími proudy.
Elektrostruskové svařování.
(ESW - Electro-slag Welding) Oblouk vzniká po zahájení svařování mezi elektrodou a svařencem. Když se roztaví tavidlo vložené do spoje, vznikne struska a ta potom zvětší hloubku lázně. Když stoupne teplota strusky oblouk se uhasí a svařovací proud je veden roztavenou struskou, ve které se odporem vytvoří potřebná svařovací energie.
Svar vzniká mezi pevnými, vodou chlazenými měděnými nebo pohyblivými patkami a čelní stranou spojů. Svařovací hlava se s postupem svařování pohybuje nahoru. Používá se jedna nebo více elektrod, a to podle tloušťky desky. Jestliže je základní materiál velmi silný, je možno elektrodou kývat.
Výhody této metody:
* vysoká produktivita
* nízké náklady na přípravu spoje
* svar je možno zhotovit na jeden průchod bez ohledu na tloušťku desky
* u tupých svarů nenastává deformace úhlů
* malé příčné namáhání
* malé riziko trhlin z důvodu obsahu vodíku
Nedostatkem této metody je skutečnost, že velké množství použité energie způsobuje pomalé chlazení, což má za následek silný nárůst zrn v tepelně ovlivněné zóně. Vrubová houževnatost základního materiálu v této oblasti není dost vysoká, aby vyhovovala požadavkům kladeným na svařované konstrukce a aby zajistila odolnost proti trhlinám při nízkých teplotách.
Elektroplynové svařování.
Elektroplynové svařování je podobné svařování elektrostruskovému a podobá se mu, pokud jde o design i použití. Přídavný materiál se odtavuje v ochranném plynu podobně jako u MIG/MAG a svarový kov chladne mezi chladicími podložkami. Základní materiál se natavuje teplotou tavné lázně. Tato metoda se používá pro desky o tloušťce 12 - 100 mm a při použití více drátů lze svařovat materiály ještě silnější. Spoj je obvykle jednoduchý I-spoj s mezerou. Užívají se také V-spoje. Když se svařují vertikální spoje - např. na velkých nádržích - může tato metoda - ve srovnání se svařováním MIG/MAG - ušetřit velké náklady.
Jako u všech ostatních druhů svařování v ochranné atmosféře, používají se i tady plné a trubičkové dráty. Používá se i stejný druh ochranného plynu.
Ve srovnání s elektrostruskovým svařováním produkuje tato metoda menší tepelně ovlivněnou zónu (HAZ) a o něco lepší vrubovou houževnatost. Dlouhý výlet elektrody může být výhodou, protože dovoluje vyšší svařovací rychlost a vzniká méně roztaveného základního materiálu a méně tepla.
Svařování třením.
(FSW - Friction Stir Welding) Svařování třením je proces plně pronikající pevnou fází, kterého lze použít při spojování plechů, v poslední době hlavně hliníkových, aniž by se dosáhlo jejich bodu tavení.
 Základní využití této metody bylo donedávna pouze u rotačních částí, např. vrtné trubky pro ropný a plynárenský průmysl. Ve speciálním stroji se upnuté díly roztočily v proti směru a postupně se přitlačovaly. Teplota vyvinutá třením uvede základní materiál do plastického stavu, a tlakem dojde k pevnému metalografickému spoji bez použití přídavného materiálu a bez roztavení základního materiálu nad teplotu tání.
Po ochlazení takto provedeného svaru je třeba odstranit oboustranné výronky kovu vzniklé při stlačení dílů. Níže uvedená technologie využívá stejný princip ale tření a tlak způsobuje speciální nástroj. Také svařovaný díl ji nemusí být pouze rotační, ale lze takto spojovat např. dlouhé rovné plechy. Zatím je tato metoda využita pro spojování hliníku a jeho slitin.
Tato metoda svařování třením byla vynalezena, patentována a rozvinuta pro použití v průmyslu Svařovacím institutem TWI v Cambridge, Velká Británie. Při svařování třením se nástroj s cylindrickým ramenem a profilovaným kolíkem otáčí a pomalu se ponořuje do místa spoje mezi dva kusy plechu nebo do desky materiálu, které se k sobě svařují natupo. Součásti je nutno upnout do podložky tak, aby se jejich čela neoddálila. Teplo vzniklé mezi svařovacím nástrojem odolným proti opotřebení a svařencem způsobuje, že materiál svařence se v místě spoje dostane do palstického stavu, aniž by dosáhl bodu tavení, a tak umožní, že nástroj přechází podél linie svaru.
Materiál v plastickém stavu je přenesen z čelního okraje nástroje a je přemístěn těsným kontaktem ramene nástroje a profilem kolíku. Po přenesení materiálu na zadní stranu nástroje kde není takové tření a tlak dochází k ochlazení materiálů z plastického stavu do stavu kdy je materiál již tuhý. Zároveň dochází ke spojení materiálu v plastickém stavu a tak dojde k vytvoření pevného spoje bez pórů nebo vměstků.
Svařování třením lze použít při spojování hliníkových plechů a desek bez přídavného drátu nebo ochranného plynu. Je možno svařovat materiál o tloušťce 1,6 až 30 mm při plném průniku a bez pórů a vnitřních dutin. Daří se dosáhnout svarů o vysoké celistvosti s nízkou deformací, převážně u slitin hliníku a dokonce i u materiálů, které jsou považovány za obtížně svařitelné z hlediska konvenčních tavných svařovacích metod. Materiály, které byly dodnes úspěšně svařeny třením, zahrnují různé slitiny hliníku (série 2xxx, 5xxx, 6xxx, 7xxx a 8xxx) a slitiny Al-Li. Nedávno byly provedeny ukázky svařování třením také pro olovo, měď, hořčík a dokonce i pro slitiny titanu.
Do obloukového svařování patří také svařování plazmou ( PAW ). Toto svařování ale také spadá mezi metody označované nebo zařazované jako metody skupiny A., tedy mezi metody s vysokou hustotou výkonu v dopadové ploše. Sem jsou zařazeny metody s hustotou výkonu v dopadové ploše od 104 W/cm2 1010 W/cm2. a mimo jiné jsou zde řazeny metody EBW ( Electron Beam Welding ), tedy svařování elektronovým paprskem. Ten vyžaduje vakuovou komoru, kde probíhá svařování svazkem elektronů. Používá se hlavně pro letecký a kosmický průmysl. Dále jsem patří svařování Laserem - LBW ( Laser Beam Welding ). Zde se původně používaly plynové lasery, které měly problém s dopravou laserového svazku systémem zrcadel do místa sváru. Plynové ( CO2 ) lasery se dnes využívají hlavně pro dělení materiálů. Pro svařování se rozšiřují hlavně pevnolátkové lasery na bázi Ne:YAG, kde je laserový svazek veden pomocí optických kabelů do fokusačni optiky a následně do sváru. V dnešní době nastupují ve svařování diodové lasery, kdy se dnes dosahuje výkonů až 20 kW. Co se týká svařování, tak se lasery uplatňují v celé škále aplikací . Obě uvedené metody jsou ale velmi náročné na investiční náklady. Z tohoto pohledu jsou investiční náklady na plazmové svařování dostupné pro většinu firem, které potřebují zkvalitnit a zefektivnit svařování. S plazmou lze svařovat průchozím svazkem, tzv. keyholing, kdy je úzký svazek plazmy koncentrován tak, že prochází materiálem. Takto roztavený základní materiál obtéká svazek plazmy a na druhé straně se spojuje a uzavírá svarový spoj, a to bez použití přídavného materiálu. Těchto vlastností lze dosáhnout pokud je koncentrace výkonu v dopadové ploše 105 W/cm2 a více. Tyto hodnoty plazmové svařování dosahuje bez obtíží. Je to dáno tím, že elektrický oblouk, na rozdíl od ostatních obloukových metod, hoří za určitého tlaku plazmového plynu a dosahuje vysokých výkonů. U této metody lze měnit ampéry, hodnoty tlaku a průtoku plazmového plynu a vliv má také průměr dýzy, ze které vystupuje svazek plazmy. Svařovat lze pouze svazkem plazmy, nebo se přidává kovový prášek ( hlavně u navařování ). Lze použít aplikace se studeným nebo teplým drátem. Také plazmy lze dělit podle svařovacího proudu na stejnosměrné nebo střídavé (pro hliníkové slitiny). Plazmové svařování se pro klasické oceli a pro nerez materiály již celkem běžně používá. Dále je popis svařování hliníkových slitin plazmou, které zatím není až tak běžné.
Plazmové svařování hliníkových součástí
Svařování hliníku má v porovnání se svařováním železných kovů určité zvláštnosti. Vyskytují se při něm některé dosud nepříliš poznané zákonitosti a omezení, s nimiž je nutno počítat. O posunutí hranice poznání v se zasloužili v poslední době dva finští odborníci, jeden praktik a jeden výzkumník, Kari Lahti, výrobkový manažer mechanizovaného svařování ve firmě ESAB OY, a Petteri Jernstrom, výzkumný specialista v oboru svařovací technologie na Technické universitě ve městě Lappeenranta. Jejich poznatky mohou být o to zajímavější, že se navíc týkají i další stále ještě poměrně nové technologie a to svařování pomocí plazmy.
 Hliníku se v různých konstrukcích používá stále více a to klade větší nároky na technologii a na kvalitu svarku. Optimálním řešením na tomto poli se jeví plazmové svařování. Používání I-spojů pro tloušťky až do 8-10 mm usnadňuje přípravu a navíc vysoké svařovací rychlosti, které jsou pro plazmové svařování typické, zvyšují produktivitu a kvalitu svarů. Svary provedené plazmou jen zřídkakdy vykazují trhlinky resp. dutinky či póry, což je důsledek očistného účinku extrémně vysokých obloukových teplot v kombinaci s tokem plazmového plynu a katodovým čisticím účinkem střídavého proudu.
Zvláštnosti při svařování hliníku
Nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím svařitelnost hliníku je tepelná vodivost, která je téměř 4x vyšší než je vodivost konstrukční oceli. V zájmu toho, aby se pořídily dobré svary, se bez ohledu na nižší tavný bod požaduje větší teplo. Koeficient tepelné rozpínavosti je oproti oceli dvojnásobný, čehož výsledkem je tepelná deformace svařovaných materiálů.
Vrstva oxidu, který je na povrchu hliníkové součásti vždycky přítomen, má tavný bod 2050 °C, což je hodně ve srovnání s tavným bodem čistého hliníku, který je pouze 660 °C. Je příznačné, že právě tato oxidová vrstva činí ze svařování poněkud ožehavý problém. Při plazmovém svařování hliníku se tento problém řeší tím, že se využívá katodového očistného účinku oblouku při svařování s obdélníkovým kmitem používajícím střídavý proud. Také je zapotřebí brát v úvahu kontrolu frekvence.
Plazma nebo TIG?
Plazmové svařování a svařování TIG bývají porovnávány, protože vykazují určité podobnosti. Oproti svařování TIG má plazmové svařování některé výhody. K nim patří hlubší penetrace, menší množství práce potřebné k přípravě drážek, nižší potřeba vstupního tepla a v důsledku toho nižší tepelná deformace, a rovněž nižší počet svarových úkonů. Je zde výrazně vyšší rychlost svařování a kvalita provedeného spoje. Plazma pro svařování se začíná úspěšně rozšiřovat ve svařování a nahrazuje TIG. Není to jen pro tenké materiály, svařují se i silné materiály. Např. kořenová vrstva s otupením 4 – 6 mm a s následným vyplněním MIG/MAG snižuje spotřebu přídavného materiálu a času pro svařování. Navíc lze svařovat na jeden průchod a z jedné strany i materiály o síle 8 mm.
Příprava svarových ploch
Nejčastějším způsobem přípravy při svařování hliníku je příprava tupého I-spoje bez jakýchkoliv mezer. Při tloušťkách svarů do 8 mm se dá svařovat v jedné linii. V případě, že je materiál, který se má svařit, tlustší, volí se příprava typu Y. Použití tohoto typu i přípravy je příznivější, neboť při něm se teplo rovnoměrně distribuuje do obou míst, jež mají být svarem spojena, a dochází pouze k malé tepelné deformaci.
Také ze použít trubičkové dráty s náplní, přičemž tok plazmového plynu se výrazně sníží.
Jaká svařovací poloha?
Plazmové svařování hliníku se dá provádět ve vodorovné nebo svislé poloze. Nejčastěji bývá požadována poloha PA, ale kontrola tavné lázně je dostatečně spolehlivá i při ostatních polohách. Ve svislé poloze je kontrola dokonce ještě snazší než poloze PA, a to následkem směru toku nataveného základního materiálu. Avšak vzhledem k velikostem konstrukcí, jež se mají svařovat, je poloha PA mnohdy jedinou, která přichází v potaz. Velké pláty pro nádrže se běžně svařují v obrubovacích zařízeních nebo na válečkových dopravnících, za pomoci sloupů a výložníků. Proto se polohy PA používá nejčastěji, hned po ní je nejpoužívanější svislá poloha PF a poloha ve stěně PC.
Tak např. svařují-li se kontejnery o tloušťce stěn pouze 4-5 mm ve vodorovné poloze, to znamená když je kontejner normálně postaven na své dno, je výsledkem menší výskyt vyboulenin, ale - a to je mnohem důležitější - je zde možno přistoupit k mechanizaci celého procesu svařování.
Optimální volba plynu
Nejúspornějším plazmovým plynem a ochranným plynem je v řadě aplikací při svařování hliníku argon. Kombinace Ar + 30% He zase poskytuje příležitost používat slabšího proudu, což se příznivě projevuje na prodloužení životnosti hořáku a elektrody. Směsi argonu a helia, v nichž podíl helia přesahuje 30 %, přenášejí na svařenec více tepla a takto se zvyšuje riziko toho, že buď dojde k nadměrné penetraci anebo že naopak penetrace bude slabá. K tomu dochází zvláště v poloze PA při svařování součástí z hliníkových směsí tenčích než 5 mm.
Směsi plynů s vyšším než 30% podílem helia jsou vhodné pro svařování hliníkových součástí do tloušťky zhruba 8 mm ve svislé poloze.
I když směsi argonu s heliem mají vyšší koeficient tepelné vodivosti než samotný argon, je obtížné zvyšovat svařovací rychlosti s cílem kompenzovat zvýšení svařovací teploty. Svařovací rychlosti pro argon a argono -heliové směsi jsou stejné a pohybují se, např. u plátů o tloušťce 5 mm, v pásmu od 21 do 25 cm/min.
Účinek svařovacích parametrů
Nedůležitější svařovací parametry při plazmovém svařování hliníku jsou tyto:
· svařovací proud - ten ovlivňuje vlastnosti svarů prostřednictvím výstupního tlaku plazmy a teploty. Zesílení napětí proudu činí svar širším jak na povrchu tak v kořenové části spoje. Je-li svařovací proud ve vztahu ke svařovací rychlosti a tloušťce materiálu příliš silný, způsobuje to přílišnou penetraci svarové lázně. Podobný účinek může mít také příliš slabý svařovací proud. Podobný vliv má tlak a průtok plazmového plynu. Je tedy zapotřebí sladit tyto parametry tak aby se dosáhlo požadovaného spoje, což vyžaduje znalost chování kovů při tavení a příslušné know-how ověřené praxí.
· rychlost toku plazmového plynu - ta souvisí s kinetickou energií oblouku, a týká se tedy i hloubky penetrace. Úměrně s narůstající tloušťkou materiálu resp. s rychlostí svařování se musí zvyšovat též rychlost toku plazmového plynu. Právě tato rychlost je první z parametrů, jež je zapotřebí určovat při stanovování parametrů pro svařování. Je typické, že tato rychlost je nižší než je tomu v případě nízkoslitinových ocelí o podobných tloušťkách, a pohybuje se v pásmu od 2,5 do 3,5 litru za minutu.
· svařovací rychlost - její rozpětí je poměrně úzké (20 až 30 cm/min). Příliš vysoká rychlost vede k nadměrné penetraci, tento efekt však nemůže být kompenzován tím, že se zesílí svařovací proud anebo tím, že se použije aktivních plynů s dobrou tepelnou vodivostí.
Konečné výsledky při svařování hliníkových součástí plazmou jsou v praxi ovlivňovány samozřejmě ještě dalšími parametry, jako je např. složení plazmy a ochranných plynů, napětí v oblouku, rychlost posuvu svařovacího drátu, konstrukce hořáku, příprava drážky, čistota materiálu anebo způsob seřízení svařovací aparatury.
Svařování hliníku plazmou je v mnohém výhodnější, a to např. v tom, že příprava svarového spoje je jednoduchá, anebo v tom, že se při tomto svařování dosahuje mimořádně vysoké kvality takto provedeného spoje. Tupý I-spoj se dá především používat u materiálů do tloušťky do 8-10 mm, zatímco materiály tlustší je možno svařovat na tupém spoji Y.
O to více je nutno, aby svářeč o zákonitostech plazmového svařování hliníku věděl co nejvíce a aby je také co nejlépe prakticky ovládal. Jakmile se mu však tento proces podaří zvládnout, samozřejmě včetně potřebné úrovně a kvality svařovacího zařízení a zpracovávaného (tj. svařovaného) materiálu, jsou výsledkem vysoce produktivně provedené svary špičkové kvality.
|
|
|