Faktory ovlivňující výsledek tavného svařování

Jestliže dojde k selhání svarového spoje, pak se hledá příčina. Bohužel v praxi se často postupuje takto: jako první viník je označen svářeč, poté se zkoumá vlastní proces svařování, pak se přistoupí k posouzení vlivu materiálu a až jako poslední je posuzován konstrukční aspekt.

V obecné rovině lze technologii svařování charakterizovat jako proces, u něhož nelze dosažené výsledné vlastnosti (dopady technologie) snadno a ekonomicky validovat, proto se tento proces označuje jako „zvláštní“. Tavné svařování kovů je široce užíváno při výrobě mnoha výrobků a v řadě organizací zaujímá jako proces ve výrobě klíčové postavení. Bohužel tomu neodpovídá pozornost, jakou by si tato technologie zasloužila.

Jak již bylo uvedeno, nejméně pozornosti se věnuje konstrukčnímu řešení svařenců. Jedná se nejen o umístění svarů (obr. 1) [1] a o jejich druh, ale i o jejich velikost. U každého svaru je nutné sledovat dopad vrubového účinku na průběh napěťových stavů. Svar mění v konstrukčním uzlu jednoosou napjatost na víceosou, která s sebou přináší vyšší požadavky na jeho vlastnosti. Obecně platí zásada, že nejlepší svar je žádný svar. Významný vliv má rovněž dimenzování hlavních uzlů a kritických průřezů, které se musí volit na základě výpočtů, nikoliv podle pouhého odhadu konstruktéra. V praxi dochází častěji k předimenzování svaru než k jeho poddimenzování, a to z obavy, aby v místě svaru nedošlo k poškození. Toto předimenzování má vliv na zvýšení tuhosti konstrukce v místě svaru, který se následně chová jinak, než bychom předpokládali. Zde se více hromadí napjatost, kterou nelze pružnou deformací eliminovat. Po překročení pevnosti materiálu dochází k rozvoji jeho poškození. Dalším negativním dopadem předimenzovaného svaru je větší množství vneseného tepla, a tím větší rozsah materiálových změn v tepelně ovlivněné oblasti. Negativní dopad se projeví i ve spotřebě přídavného materiálu, což vede k vyšším nákladům na svar, popř. z důvodu úspor k použití levnějšího a mnohdy méně kvalitního přídavného materiálu. Konstruktéři by měli tyto dopady svarů promítat nejen do konstrukčních návrhů, ale rovněž do návrhu použitého materiálu a zvolené technologie. Vedle řady dalších důležitých souvislostí, které by měl konstruktér zohlednit v designu konstrukce, je důležitý i způsob provedení svaru [2]. V dnešní době se z důvodu finančních úspor, nedostatku svářečů, ale i efektivity výroby a zvýšení požadavků na snížení výrobních časů a na vyšší kvalitu zavádí robotické svařování. Přechod z ručního na automatizovaný proces znamená mnohdy zásadní změnu konstrukčního řešení. V praxi se tato změna často podceňuje a to přináší negativní dopad na jakost svarového spoje, čímž se zpomaluje zavádění automatizované výroby. Právě pro specifičnost technologie svařování má konstrukční řešení větší vliv na výsledné vlastnosti konstrukčního celku než u jiných výrobních procesů.

Vyjadřuje vliv použité metody a technologie svařování na vlastnosti svarového spoje a zabezpečuje se základními faktory, jimiž jsou metoda svařování, přídavný materiál a parametry svařování. Dále sem patří postup kladení jednotlivých vrstev svaru, tepelný režim svařování a tepelné zpracování svarového spoje. Z praktických poznatků vyplývá, že technologii svařování se věnuje největší pozornost. Je to díky normativním standardům předepisujícím jednotlivé zkoušky, ale i díky výraznému rozvoji nových svařovacích zdrojů, a v důsledku toho i nových postupů. U tavného svařování obecně platí, že vývoj technologických postupů je motivován co nejmenším tepelným ovlivněním (změnou) základního materiálu. Využívají se takové technologie, které mají co nejmenší dopad na základní materiál, a naopak v oblasti svarového kovu, kde je charakteristickým znakem licí struktura, probíhají procesy modifikující výsledné vlastnosti. V současné době je velká pozornost věnována technologii laserového svařování. Její výrazné uplatnění v provozu spočívá jak ve snadné automatizaci, tak i v minimálním ovlivnění základního materiálu doprovázeném velmi úzkou oblastí TOO. Rychlejší uplatnění automatizace u této technologie bylo vyvoláno nejen bezpečnostními faktory, ale rovněž možností sofistikovaného řízení procesu svařování. Na druhou stranu byly řešeny případy, kdy právě úzká oblast tepelně ovlivněného materiálu měla negativní dopad na vznik trhlin. Příkon laserového paprsku je natolik velký (až 1 013 W.cm^–2), že v místě svaru dochází k okamžitému roztavení materiálu (mnohdy se nepoužívá ani přídavný materiál, což urychluje ohřev/roztavení základního materiálu) – šířka tepelně ovlivněné oblasti se pohybuje řádově v desetinách milimetru. V takto úzké TOO se soustředí sice menší napětí než v případě konvenčních metod svařování, avšak s ohledem na malou šířku oblasti jsou tato napětí dostatečná pro rozvoj trhlin.

Ve většině případů jsou použitá metoda a technologie svařování správně zvoleny, a to díky tomu, že je jim věnována náležitá pozornost. Jestliže dochází ke vzniku defektů v důsledku vlastního procesu svařování, pak je nejčastější příčinou špatná technologická kázeň. Porušení technologické kázně má u procesu svařování větší dopad než u jiných technologií, protože tento proces je citlivější na nedodržení předepsaných podmínek.

Posledním aspektem posuzujícím svařitelnost je vliv materiálu. Materiálová svařitelnost vyjadřuje vhodnost materiálu ke svařování a charakterizuje změnu jeho vlastností v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) v důsledku působení teplotního cyklu svařování. Vhodnost materiálu ke svařování je určena zejména způsobem výroby oceli, chemickým složením, způsobem odlévání a tváření a tepelným zpracováním. Tak jako technologické svařitelnosti i dopadu materiálu na výsledné vlastnosti se věnuje velká pozornost. Legislativní předpisy předepisují, co vše je nutné sledovat, aby byla zajištěna požadovaná kvalita svarového spoje.

Na druhou stranu právě v materiálové oblasti je řada úskalí, která mohou zapříčinit nekvalitní svarový spoj. V rozsahu tohoto článku není možné všechny tyto vlivy a souvislosti vyjmenovat, natož je vysvětlit. Mezi nejsledovanější patří chemické složení základního materiálu. Prostřednictvím uhlíkového ekvivalentu se posuzuje nutnost volby a výše tepelného předehřevu základního materiálu. Strukturní stav má vliv na teplotu interpass. Cílem sledování teploty je, aby nedošlo ke vzniku martenzitu nebo k výraznému zhrubnutí struktury v TOO. Obě tyto strukturní změny mají za následek zkřehnutí materiálu a zvýšení nebezpečí vzniku trhlin. Rovněž je třeba sledovat strukturní stav nejen v oblasti TOO, popř. ve svarovém kovu (obr. 2), ale také v oblasti rozhraní mezi svarovým kovem a tepelně ovlivněnou oblastí. V této oblasti se skokově mění chemické složení i zbytková napětí a to vše je spojeno se změnou strukturního stavu. V praxi bylo u analyzovaných svarů v této oblasti rozhraní zjištěno korozní poškození mechanismem mezikrystalové koroze, přestože byl svařenec vyroben z korozivzdorné oceli. [4]

Vedle obávané martenzitické struktury může v této oblasti vzniknout další nebezpečná strukturní fáze, která se neprojevuje zvýšením tvrdosti, ale jejíž projev je stejně jako v případě martenzitické struktury doprovázen výrazným poklesem houževnatosti. Jedná se o Widmanstättenovu strukturu. Widmanstättenův ferit (jehlice) vzniká střihovým mechanismem, a to intergranulárně na hranici relativně značně velikého austenitického zrna (důsledek vneseného tepla). Widmanstättenův ferit roste pomocí pseudorovnovážného mechanismu, ve kterém desky Widmanstättenova feritu rostou rychlostí, která je dána rychlostí difúze uhlíku v austenitu. Přeměna probíhá při malých hnacích silách. Vznikající Widmanstättenova struktura má krystalografický vztah k matečné fázi. Se zvyšujícím se obsahem uhlíku v oceli pravděpodobnost vzniku Widmanstättenova feritu klesá. Při koncentraci nad 0,4 % C se Widmanstättenova struktura nevyskytuje. To je také příčinou toho, proč se tato struktura může objevit právě u svarových spojů – používají se totiž oceli s nízkým obsahem uhlíku. V oblasti měkké feritické jehlice se koncentruje napětí, které směřuje do oblasti pevnějšího a méně houževnatého perlitu. Jestliže koncentrace napětí překročí pevnost materiálu, dochází k rozvoji trhliny a k jejímu šíření.

Cílem tohoto článku je upozornit na specifičnost technologie svařování. Na rozdíl od ostatních výrobních procesů má technologie svařování ze své podstaty zásadní vliv na výsledné vlastnosti konečného výrobku. V praxi se této technologii mnohdy věnuje velmi málo pozornosti. Předpokládá se, že když svar drží, je vše v pořádku. Na rozdíl od ostatních výrobních procesů je u tavného svařování podstatně více rizik, jak může vzniknout neopravitelná vada, která se může projevit až v provozních podmínkách. Často opomíjeným aspektem je konstrukční řešení. V případě jeho podcenění lze negativní dopad při výrobě zmírnit, ale nikoliv plně odstranit.

Použitá literatura

[1] Barták, J. a kol. Technologičnost návrhu svařované konstrukce a svaru [online]. Techportál [cit. 2025-01-10].

[2] ČSN 05 0120 (050120) Výpočet svarových spojů strojních konstrukcí. Československá státní norma, 1972, 40 s. Katalogové číslo: 654, Třídicí znak: 050120.

[3] Pilous, V. Materiály a jejich chování při svařování, 1. vyd. Škoda–Welding, Plzeň, 2009.

[4] Moore, P., Booth, G. The welding engineer‘s guide to fracture and fatigue. Woodhead Publishing series in welding and other joining technologies, Number 84, Woodhead Publishing, 2015. ISBN: 9781782423911