Úvod do svařování - utopm.fsid.cvut.czutopm.fsid.cvut.cz/podklady/mt2/2018 - svarovani.pdf ·...

Úvod do svařováníPrůmyslový design

Ing. Karel Kovanda, Ph.D.ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Ústav strojírenské technologie

Metody spojování materiálů

Rozebíratelná

a) mechanické spoje,

b) šroubová spojení,

c) samosvorná spojení apod.

Aligator, mmspektrum,studentcar, eshopameco, exportpages.

Metody spojování materiálů

Nerozebíratelná

a) nýtování,

b) svařování a navařování,

c) pájení,

d) lepení apod.

Digital.guide, kovárna, bawnboy.com, allmetalshaping.com,

Definice svařování

„Svařování je pracovní postup, kterým se spojují materiály za působení tepla nebo tlaku (případně kombinace těchto vlivů).

Cíl Svařování:

Vyrobit vyhovující spojení určitých částí povrchů dvou nebo více

dílů, tak aby vzniklý spoj vykazoval vlastnosti, které jsou

požadovány nebo vyhovují provozním podmínkám.

Navařování

Navařování je obdoba svařování, kdy v omezeném prostoru dané součásti se nanáší přídavný materiál za účelem doplnění

nebo zvětšení objemu součásti.

Weldmasters, kolařik@

Navařování

Oblasti použití• energetický průmysl – korozivzdorné a žárupevné povrchy• těžební průmysl - stroje, zuby rypadel• mlýny na zpracování sutě, betonu• zemědělská technika

ESAB, ČVUT Pavel Rohan@

Pájení

Pájení je způsob metalurgického spojení kovových nebo nekovových materiálů pomocí přídavného materiálu, bez

natavení základního materiálu.

Přídavný materiál = pájka – musí mít teplotu tavení nižší než ZM

Akaonline, medenerozvody, vezas

Lepení

Lepení je proces spojování materiálů, při kterém se dosahuje trvalé (nerozebíratelné) spojení stejných, popřípadě

rozdílných materiálů, prostřednictvím lepidel (adheziv).

= Spojení dvou různých ploch prostřednictvím lepidla, které má dobrou přilnavost k oběma plochám.

Henkel,loctaid

Lepení

• průmyslové aplikace (automobily, lepení bočnic autobusů, dřevozpracující průmysl…)

• funkční spoje – těsnící, tlumení vibrací, nezvyšují hmotnost součásti• hobby

ksp.tul.cz, Scania.cz

Základní pojmy – názvosloví ČSN 05 0000

• Základní materiál (ZM): materiál, který je svařován• Přídavný materiál (PM): je přidáván během svařovacího procesu

(elektrody, dráty, tyčinky, pásky, tavidla)

• Svarová lázeň: materiál roztavený při svařování vzniká tavením základního a přídavného materiálu

• Svarový kov: roztavený základní materiál a přídavný materiál přivedený do tavné lázně - po ztuhnutí svarové lázně

Oerlikon, ESAB


• Svarové plochy : část plochy základního materiálu, které při svařování jsou nataveny až po hranice závaru a účastní se procesu svařování

1) Úhel zkosení: úhel mezi úkosem a plochou čela

2) Úhel otevření: úhel mezi úkosy

3) Styková mezera: mezera mezi svařovanými díly

4) Otupení: nezkosená část svarové plochy


• Svarová housenka: svarový kov navařený nebo přetavený při jednom chodu elektrody nebo svařovacího hořáku

• Vrstva svaru: část svarového kovu, která se skládá z jedné nebo několika housenek umístěných na stejné úrovni příčného řezu svaru

1) Kořenová vrstva: první vrstva svaru tvořící kořen svaru2) Výplňové vrstvy: svarové vrstvy mezi kořenovou a krycí vrstvou3) Krycí vrstva: poslední svarová vrstva tvořící povrch svaru

Druhy svarů

Rozdělení podle hledisek:

1) Polohy průřezu svaru

vzhledem k zátěžným silám (čelní, boční a šikmé)

2) Účelu použití

stehový (u velkých průměrů potrubí), těsnící ( u nádrží apod.), nosné (konstrukce) a kombinované (např. tlakové nádoby)

3) Tvaru svaru

tupé (I,V,U,X…), koutové (T, rohové, přeplátované), lemové, děrové, žlábkové, bodové, švové …

Tupé svary

• Nejvhodnější typ spoje pro konstrukce a součásti, namáhané opakovaným zatížením (dynamickým)

• Je zachován plynulý silový tok (průběh siločar) • Příprava stykových ploch je dána materiálem, tloušťkou a způsobem

svařování

Svar typu „I“ Svar typu „V“ Svar typu „X“

Koutové svary

• Nejvýhodnější z ekonomického hlediska (nevyžadují úpravu svarových ploch - úkosů)

• Nemají tak příznivý silový tok (mají menší únosnost)• Vhodné svařovat dvěma koutovými svary, kdy eliminujeme

účinek vliv ohybového momentu na svar (deformace)

Spoj typu „T“ Přeplátovaný spoj Rohový spoj Křížový spoj

Další typy svarů

Lemový svar Děrový svar Žlábkový svar

Bodový svarŠvový svar

Značení svarů na výkrese


Označení svaru tvoří:

• základní značka svaru

• doplňková značka svaru

• údaj o rozměru spoje

• doplňující údaje (metoda, druh elektrody, ochranný plyn, stupeň kvality svarového spoje, apod.)

• Svarové a pájené spoje - označování na výkresech ČSN EN ISO 2553

Rozdělení metod svařování

Podle způsobu vzniku1) působení tepla

spojení materiálů se dosahuje přes roztavený svarový kov

2) působení tepla a tlakuspojení je dosaženo plastickou deformací a částečným natavením spojovaných materiálů

3) působení tlakupřivádí se pouze tlak a ke spojení dochází v tuhém stavu

První skupinu metod označujeme za metody tavného svařování, druhé dvě za metody tlakového svařování.


1) Ruční

2) Strojní

1) Mechanizované

2) Automatizované

3) Robotizované

Migatronic, AirLiquide. Linde


TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

TLAKOVÉ SVAŘOVÁNÍ

Obloukové sv.

MMA

MIG/MAG, TIG

SAW

Plamenové sv.

Plazmové sv.

Laserové sv.

Elektronové sv.

Odporové sv.

Bodové, švové

Výstupkové

Stykové

Tlakové za studena

Třením

Kovářské sv.

Výbuchové sv.

Difúzní, ultrazvukové

OSTATNÍ METODY

Elektrostruskové sv.

Aluminotermické sv.

Sv. světelným zářením

Indukční sv.

Přivařování svorníků

Indukční sv.

Sv. el. výbojem/rázem

Výhody svařování

• trvanlivost spojení, jeho pevnost a těsnost

• možnost náhrady výkovků a odlitků (levnější výroba)

• svařování tvarově složitých dílců

• snížení hmotnosti konstrukcí - vhodnou volbou materiálů

• zvýšení produktivity – uplatněním mechanizace a automatizace svařovacích pochodů

• snížení spotřeby materiálu

• snížení výrobních nákladů

• vysoká rychlost spojování

Video – MAG trubka

OrbiMAG_trubka.wlmp

Nevýhody svařování

• nerozebíratelné spoje

• potřeba kvalifikovaných dělníků (operátoři, svářeči, sv. dozor)

• kvalifikované postupy svařování (WPQR, WPS…)

• změna struktury i mechanických vlastností svarového spoje

• vznik deformací a vnitřních pnutí

• vznik vnitřních i povrchových vad

kovandak@

Příklady svařovaných konstrukcí

• Žižkovská věž

Vykupto, travelguide, ceskatelevi

Příklady svařovaných konstrukcí

• Trojský most přes Vltavu

Metrostav, eurozpravy

Kovářské svařování

• používáno od starověku• celá staletí (až do konce 19 století) bylo jedinou používanou

metodou svařování = spojování materiálu „v ohni“ – tlakem• drátěné košile, zbraně, šperky, užitné předměty


Kovářské svařování

Princip metody :• před svařováním napěchování konců• vznik šikmých stejně velkých styčných ploch• oba díly očistit od okují tavidlem (boraxem)• ohřát na svařovací teplotu (nad 1300 °C)• přitisknout velkým tlakem k sobě


Svařování třením

Ohřev stykových ploch třenímPevné uložení + rotace = teplota svařování + osový tlak = svar

Video - tření


Svařování třením

Výhody :

• nízká spotřeba energie,

• bezpečná práce,

• kvalita svarů,

• vysoká produktivita práce,

• možnost spojování různých materiálů,

• možnost automatizovat proces.


Odporové svařování

• Průtokem elektrického proudu svařovaným místem se materiál svařovaných součástí ohřeje odporovým teplem → roztaví se → materiály se stlačí = vznik spoje

Ohmův zákon 𝑼 = 𝑰 ∙ 𝑹 𝑽Odpor. teplo – Joulův zákon 𝑸 = 𝑹 ∙ 𝑰𝟐 ∙ 𝒕 𝑱

El. odpor 𝑹 = 𝑹𝒑 + 𝑹𝒎 Ω

• Rm - materiálový odpor (el. vodivost, jakost,tloušťka, teplota)

• Rp - přechodový odpor (čistota a drsnost povrchů,tlak elektrod 1/P)

• P- přítlačná síla [N]



• nejvyšší teplota - místo dotyku plechů

• značné množství tepla uniká vedením do materiálu a sáláním do okolního prostředí.



Měkký svařovací režim • nízký svařovací proud - proudová hustota do 200 A∙mm-2

• dlouhý svařovací čas - asi 25 period střídavého proudu– 0,5 s do 1,5 s• nižší svařovací síla (do 1 000 N) – tlak do 60 N ∙ mm-2

• svařování ocelí s vyšším obsahem uhlíku, opravy, znečištěný povrch• tepelné ztráty sáláním, zahřívání elektrod, otlaky, malý průměr čočky

Tvrdý svařovací režim • vysoký svařovací proud - proudová hustota 200 - 500 A ∙ mm-2

• krátký svařovací čas - 3 až 8 period – 0,16 s• vyšší svařovací síla (cca 2 000 N) – tlak více než 80 N ∙ mm-2

• svařování legované oceli, neželezné kovy a jejich slitiny• vyšší živostnost elektrod, menší deformace, vyšší napětí ve sv. spojích



Bodové svařování

• nejvíce používaný způsob

• svařování plechů tloušťky od 0,01 do 10 mm (lze však svařovat i větší tloušťky)

• při bodovém svařování se vytvářejí především přeplátované spoje

• automobilový průmysl 80 % svarů

Portablewelders, Entroncontrols, Ogsindustries



Švové svařování

• obdobný proces bodovému svařování

• svařovací elektrody jsou otočné

• tvar kotouče (kladek)

• odvalování svařovaných dílů

• překrývající se bodové svary

• dlouhé svary plechů, profilů apod.

• materiály elektrod: báze mědi, žárupevné slitiny Mo, W

Shinkmann, Marinenotes.blogspot


Indukční svařování

Vysokofrekvenční svařování

• teplo vzniklého elmag. indukcí ve svarových plochách tupého svaru plechů

• průchod střídavého proudu střední nebo vysoké frekvence (50-500 kHz)

• výroba trubek a uzavřených profilů• způsob se zařazuje jako švové svařování, ale ve

skutečnosti jde o stykové pěchovací svařování

Shinkmann, Marinenotes.blogspot

Shinkmann,



Výstupkové

• svarové spoje se vytvářejí na místech přirozených a záměrně vytvořených výstupků

• (odporové svařování na lisu)

• šrouby, matice, montážní prvky

Ogsindustries.com



Stykové

• svarové spoje se vytvářejí v celé styčné ploše

• využití nebo bez využití odtavení

• (tj. svařování s odtavením a pěchovací)

• plné profily, tyče, kolejnice…

Regena.cz, Tratovestroje.net



BMW, Avio


TAVNÉ METODY SVAŘOVÁNÍ

Ruční svařování obalenou elektrodou

• zdroj tepla = elektrický oblouk (vysokotlaký nízkonapěťový výboj)

• el. oblouk hoří mezi elektrodou a základním materiálem

Youtube, Messer Eutectic Castolin

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Polohy svařování : všechny polohy (omezení druh elektrod)

Druh základního materiálu : nelegované, nízkolegované

vysokolegované oceli, Ni, Cu, Al

jejich slitiny (případně i další materiály)

Tloušťka základního materiálu : 2 až 100 mm (ekonom.)

Svařovací proud : 50 až 450 A

Napětí na oblouku : 15 až 40 V

Druh svařovacího proudu : stejnosměrný, střídavý

Průměr elektrod : 1,6 až 8 mm (obvykle 2 – 6,3 mm)

Statická charakteristika zdroje : strmá (zdroj konstantního proudu)

Metoda na ústupu – opravárenství, montáže

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Litina Hliníková slitina Titanová slitina

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Svařování plechu v poloze PF

Messer Eutectic Castolin

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování elektrickým obloukem

„Pinch efekt“ = radiální tlak magnetického pole oblouku• možno svařovat i v nucených (montážních) polohách.

1- elektroda, 2 – hranice natavené oblasti, 3 – kapka taveniny, 4 – katodová skvrna, 5 – sloupec oblouku, 6 – anodová skvrna, 7- zmenšení průřezu, a – působení gravitace, b – směr radiálního působení magnetického pole (pinchefekt), c – povrchové napětí, d – směr elektrostatických sil, e – síly odpařujícího se kovu, f – viskozita taveniny, g – dynamický účinek proudícího plazmatu

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Přenos kovu v oblouku

Při obloukovém svařování tavící se elektrodou dochází ve sloupci oblouku k přenosu roztaveného kovu elektrody do svarové lázně

Zkratový přenosBezkratový(Kapkový) přenosSprchový přenos

Charakter přechodu svarového kovu v oblouku je určován hlavně :

- proudovou hustotou - obalem elektrod- napětím (délkou oblouku) - polaritou a atmosférou

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování el. obloukem v ochranných atmosférách

Úkoly ochranné atmosféry:

• ochrana svarové tavné lázně, elektrody, el. oblouku a okolí svaru,

• sekundární ochrana kořene a líce svaru,

• ovlivňuje proces zapalování a stability hoření el. oblouku (vytvoření dostatečně ionizovaného prostředí),

• vliv na geometrii svaru (šířka, hloubka průvaru…)

• Kyslík – reaguje s kovovými prvky, vznik oxidů s velkou teplotou tavení, snižuje mech. vlastnosti, od 0,23 % je ocel křehká

• Vodík – vždy v plynné fázi, způsobuje pórovitost, vznik trhlin za studena

• Dusík – nitridy (Al, Mn, Si, Ti, Fe), snižuje tažnost, vrubovou houževnatost

kovandak@

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Rozdělení ochranných atmosfér - podle chemické aktivity:

1) Inertní („netečné“) – nereagují se svarovou lázní

inertní plyny (Ar, He, směsi Ar + He)

2) Aktivní – účastní se reakcí ve svarové lázni

oxidační plyny (CO2, směsi na bázi Ar + CO2, Ar+O2 ...)

Linde gas, Airproduct

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


• MAG (Metal active gas) 135

Odtavující se elektroda, kde ochranný plyn se aktivně podílí na tvorbě svarového kovu

• MIG (Metal inert gas) 131

Odtavující se elektroda, kde ochranný plyn nereaguje při tvorbě svarového kovu

• WIG , TIG (Wolfram inert gas - Tungsteninert gas) 141

Wolframová netavná elektroda, kde ochranný plyn nereaguje při tvorbě svarového kovu.

Linde gas

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování metodou MAG/MIG

Zeross, Kolařík L.

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Polohy svařování: všechny

Druh základního materiálu : MAG : nelegované, nízkolegované a vysokolegované ocele

MIG : Al, Cu, Ni a jejich slitiny

Tloušťka zákl. materiálu : 0.8 až 40 mm

Přenos kovu : Zkratový : IS = 40 - 190 A, UEO = 16 - 21 V

Sprchový : IS = 120 - 500 A, UEO = 20 - 36 V

Druh svařovacího proudu : Stejnosměrný (polarita nepřímá =elektroda na +

pólu svařovacího zdroje)

Průměry svařovacích drátů : 0,6 do 1,6 mm

Poloautomatický proces : drát-podavač

Statická charakteristika zdroje – plochá (zdroj konstantního napětí)

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


EWM

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Atlaslokomotiv, Czloko, Technet.idnes

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování metodou TIG

Tavné svařování, při kterém se používá netavící se elektroda čistě wolframová nebo s aktivující přísadou. El. oblouk a oblast svaru je chráněna inertním plynem. Podle potřeby může být použit přídavný materiál.

Migatronic, Linde, Zeross

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

OCHRANNÝ PLYN

SVAROVÁ LÁZEŇ

SVAROVÝ KOV

PLYNOVÁ HUBICE

PŘÍDAVNÝ MATERIÁL

ZÁKLADNÍ MATERIÁL


Migatronic, Zeross

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Polohy svařování : všechny

Druh základního materiálu : všechny !!!: legované ocele, Al, Mg, Cu, Ni, Ti , Ag a jejich slitiny

Tloušťka základního materiálu : 0.5 až 10 mm

Druh svařovacího proudu : Stejnosměrný (polarita přímá i

nepřímá) i střídavý

Rozsah svařovacího proudu : 10 až 500 A

Průměry wolframových elektrod : 1 až 8 mm (obvykle od 2 do 4 mm)

Průměr přídavného materiálu: 0,8 – 4 mm (délka 1m) plné, plněné

0,6 – 2,4 mm (cívky)

Používané ochranné plyny : inertní (Ar, He)

Vhodná statická cha. zdroje : strmá

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Abicor Binzel, EWM, Dinse

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


• Elektrody jsou normalizovány dle ČSN EN ISO 6848 -chemické složení, - rozměry a úchylky, - barevné značení

• Vyrábějí se v průměrech od 0,5 do 10 mm (obvykle používané průměry jsou 1,6 – 3,2 mm) a v délkách od 50 do 175 mm

Migatronic, Svět svaru

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Značení elektrod se řídí následujícími zásadami :

• první písmeno značí základní prvek elektrod – W (Wolfram)

• druhé písmeno charakterizuje přísadu oxidů

P (čistě wolframová elektroda bez oxidů – jako Pure = čistý) = 99, 9 % W

T (oxid thoričitý ThO2) - Tt = 3 300 °C

Z (oxid zirkoničitý ZrO2) - Tt = 2 700 °C

L (oxid lantanitý La2O3) - Tt = 2 300 °C

C (oxid ceričitý CeO2) - Tt = 2 600 °C

číslo u základní značky udává desetinásobek koncentrace oxidůNapř.: WL20 – wolframová elektroda s 2% příměsi oxidu lantanitého

• Příměsi mají vliv na životnost elektrody, stabilní hoření oblouku, zapalování oblouku, stabilitu při vysokých teplotách

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Linde, Crontex,

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


ESAB, Automobilrevue, Aluminum, Sop, pinterest

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování pod tavidlem

Zdroj tepla = elektrický oblouk hořící pod vrstvou práškového tavidla, část se taví a vytváří strusku.

ESAB

ESAB

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


Poloha svařování : PA (vodorovná shora), do úžlabí, PB

Tloušťka základního materiálu: 3 až 100 mm, případně i více (úzký úkos)

Rozsah svařovacího proudu : 200 až 2000 A (extrémně i 4000 A)

Rozsah napětí na oblouku : 20 až 50 V

Rozsah svařovacích rychlostí : 40 až 200 cm∙min -1

(výkon navaření 2–100 kg/hod)

Druh svařovacího proudu : střídavý i stejnosměrný

Průměr přídavného materiálu : 2 až 8 mm (možno použít 1,6 mm,

extrémně 13 mm), případně pásky

Druh základního materiálu : všechny druhy konstrukčních ocelí,

vysokolegované oceli, slitiny Ni, Al, Cu

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


ESAB

Zařízení1. Pojezd – svařovací traktor2. Ovládání3. Svařovací hlava4. Podavač drátu5. Zásobník tavidla6. Svařovací zdroj

1

2

3

4

5

6

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování pod tavidlemTavidlo = zrnitá hmota (podobná roztavenému sklu)• úkolem je zabezpečit dobré operativní, formovací

vlastnosti a jakost svarového kovu• požadavky na tavidla: stejné jako na obaly elektrod

pro ruční svařování• platí přísnější podmínky• vliv tavidel na svar či návar je větší• druhy – tavená, aglomerovaná

Charakteristické vlastnosti• tavením nevznikají žádné plyny• za normálních teplot je nevodivéSe stoupající teplotou elektrická vodivost tavidla stoupá.

ESAB

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ


ESAB, Plzen.idnes, elogistika.info

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Svařování pod tavidlemSvařování pod tavidlem

Ekonomika.idnes, ESAB, Temex, Kasperkovo, cz.depositphotos.com

TAVNÉ SVAŘOVÁNÍ

Wind Tower.mpg

• svorníky = šrouby, kolíky, matice, sponky, kotvy a kovové plátky různých tvarů

• doba hoření oblouku 0,5 až 3 000 ms)

• vysoká rychlost ohřevu i ochlazení

• průměry svorníků od 3 do 25 mm


1) Přivařování svorníků elektrickým obloukem se zdvihovým zážehem

2) Přivařování svorníků kondenzátorovým výbojem s hrotovým zážehem


Doporučená literatura

• Technologie 1 – skripta ČVUT (Bednář, Šanovec a kol.)

• Technologie svařování – skripta ČVUT ( Dunovský a kolektiv)

Děkuji za pozornost

Ing. Karel Kovanda, Ph.D.

[email protected]

mailto:[email protected]

Úvod do svařování - utopm.fsid.cvut.czutopm.fsid.cvut.cz/podklady/mt2/2018 - svarovani.pdf ·...

Documents