Quo vadis, svařování?

Zvládnutí svařovacího procesu je závislé na znalostech celé řady vědních oborů, jako jsou např. matematika, fyzika, chemie, fyzikální metalurgie, nauka o materiálu a další, což dává svařovanému výrobku či konstrukci interdisciplinární charakter.

Velký význam má svařování i proto, že pro strojírenskou výrobu nejsou nutná investičně velmi náročná výrobní zařízení velkých rozměrů, která jsou potřeba pro ostatní klasické výrobní technologie, jako je slévání a tváření. Svařování je průřezový obor, jeho postupy se používají prakticky ve všech oblastech průmyslu a služeb a lze říci, že jde o soubor technologií zcela nenahraditelných tam, kde je značná potřeba spojování materiálů, např. výroba dopravních prostředků, zpracování kovů, budování a údržba dopravní a jiné infrastruktury, stavebnictví apod.

Konstrukční řešení strojů a strojních zařízení v současné době vyžaduje zajištění požadovaných funkčních vlastností, minimální hmotnost, vysokou úroveň bezpečnosti jak při výrobě, tak ve vlastním provozu, dlouhodobý bezporuchový provoz a minimální celkové náklady. Uvedené požadavky je možné splnit při aplikaci jak nových hybridních materiálových a konstrukčních řešení, tak pokrokových metod analýzy stavu napjatosti. Kritickými místy, která do značné míry rozhodují o splnění těchto požadavků, jsou spoje mezi jednotlivými součástmi konstrukce. Vývoj a optimalizace moderních spojovacích metod jdou jedny z klíčových předpokladů pro úspěšnou realizaci konstrukčního řešení.

Hlavními požadavky při realizaci moderních konstrukčních řešení jsou: spojování rozdílných a obtížně spojitelných materiálů; optimalizace mechanických a funkčních vlastností spoje; vývoj, optimalizace a aplikace nových spojovacích a svařovacích procesů pro nové konstrukce a kombinace materiálů; vývoj optimálních materiálů pro zajištění požadovaného chování svařených součástí v provozu; použití kvantifikovaných koncepcí hodnocení houževnatosti materiálů v kombinaci s novými metodami NDT, které umožní bezporuchový provoz; prodloužení životnosti speciálním zpracováním spojů; náhrada tradičních spojovacích procesů jinými procesy.

Svařování se vyvinulo ve vysoce produktivní technologii se stále více stoupajícím významem. Vyplývá to z příznivé ekonomické rozvahy jeho využívání, pracnosti a úspory materiálů. Zavedením svařování do výrobního procesu se značně zvyšuje produktivita práce, snižuje se hmotnost strojů a zařízení a snižují se nároky na pracovní síly. To platí i pro navařování a způsoby oprav a renovací pomocí svařování.

Svařováním lze spojovat nejen velké tloušťky materiálů, ale spojují se i mikroskopické díly v elektrotechnice. Svařování zásadně změnilo většinu průmyslové výroby a některá odvětví (např. využití atomové energie, výroba dopravních prostředků) si nelze bez něho už ani představit. Praktické příklady použití nových řešení při svařování materiálů představuje svařování vysoce pevných plechů ve výrobě automobilů, svařování ocele s hliníkem, svařování tlakového potrubí z vysoce pevných ocelí, použití třecích svařovacích procesů pro velké průřezy, FSW (třecí svařování promíšením) oceli, hliníku a ocelí odolných proti tečení s 9–12 % Cr pro energetická zařízení.

Svařování také ovlivňuje bezpečnost, provozní spolehlivost a životnost mnoha konstrukcí, zařízení a spotřebních výrobků. Kvalita svarových spojů však nezávisí jen na volbě materiálu a na konstrukci, ale zejména na podmínkách, za kterých se tvorba svaru uskutečňuje a také na zkušenostech, schopnostech a morální odpovědnosti svářečských pracovníků. Proto jsou svařování a příbuzné technologie ošetřeny (resp. limitovány) řadou legislativních nařízení, prováděcích, výrobkových a systémových norem. Na každý výrobní proces působí řada faktorů, které jsou pro všechny výrobní procesy společné. Mezi tyto faktory patří použité materiály, pracovníci, zařízení a jejich údržba, postupy, normy a legislativní či smluvní podklady, vliv prostředí apod. Podstatným faktorem je také monitorování procesu a jeho regulace. Vliv jednotlivých faktorů na výrobní procesy je různý podle specifikace produktu. Všechny faktory je vždy nutné regulovat tzn. řídit a ověřovat. Existují však procesy, jejichž ověření není zcela jednoznačné, v mnohých případech dokonce, vzhledem k charakteru daného procesu, není možné bez zavedení pomocných systémů řízení. U realizačních procesů, které se velkou měrou podílejí na výsledné kvalitě produktu, se může v daném případě jednat o velmi citlivé místo ve vztahu ke kvalitě. Takovéto procesy jsou v terminologii systému managementu kvality nazývány zvláštními procesy. Z tohoto důvodu je velmi důležité, aby tyto procesy byly správně prověřovány. A mezi tyto zvláštní (validované) procesy patří zejména svařování.

Rostoucí požadavky na výkon při svařování a na kvalitu svarových spojů budou v krátké době narážet na nedostatečné množství kvalifikovaných svářečů. Tento problém se začíná stále výrazněji projevovat ve všech vyspělých zemích. Např. studie Americké svářečské společnosti (AWS) uvádí, že po roce 2014 v souvislosti s odchodem silných poválečných ročníků bude chybět asi 400 000 svářečů. Také údaje TWI z Velké Británie ukazují, že počet nově vyškolených svářečů dosahuje asi 50 % svářečů, kteří odcházejí do penze nebo mimo oblast svařování. I v ČR po překonání současné recese bude nezbytné předpokládat obdobný trend, který nebude možné vyřešit imigrací kvalifikovaných pracovníků ze zahraničí. Proto je nutné počítat s růstem pružných robotizovaných a automatických svařovacích systémů, které umožní zajistit potřebný pracovní výkon i odpovídající kvalitu svařovacích procesů při rutinní obsluze pracovníky s nižší odbornou kvalifikací po odpovídajícím zaškolení. Zároveň se tím sníží zdravotní rizika obslužného personálu. Bude však nezbytné vyškolit odborníky, kteří budou schopni připravit a odladit programy pro řízení robotizovaných a automatických pracovišť.

Zásadním problémem ve většině zemí EU je nedostatek kvalifikovaných pracovních sil. Navíc na skupinu samotných svářečů jsou „nabaleny“ další skupiny osob, resp. profesí, které se svařováním zabývají. Jde jednak o profese se svařováním přímo spjaté, jako svářečský dozor, svařovací inspektoři, konstruktéři, personál ve výzkumu a vývoji, svařovací instruktoři a učitelé, technicko-organizační personál a také plánovači. Jednak je to obsluha svařovacích robotů – tzv. operátoři, což jsou odborníci, kteří se vyznají hlavně v elektronice, počítačích, digitalizaci, automatizaci a systémovém řízení, a pak jde o pracovníky technické administrativy.

Počtu pracovníků ve svařování a výrobě úzce související se svařováním se v poslední době věnuje řada studií, např. studie vypracovaná Evropskou svářečskou federací z roku 2009. Z jejích výsledků je zřejmé, že v průměru v zemích EU na jednoho svářeče připadá v průměru 1,3 pracovníka, který je s jeho prací poměrně úzce funkčně spjat, buď tak, že ji pro svářeče připravuje, anebo tak, že se stará o její bezporuchový průběh. Celkové počty pracovníků, kteří se v EU zabývají svařováním (přímo i nepřímo), byly odhadnuty na cca 2 mil. osob.

Z obdobné studie vyplývá, že jestliže v EU-27 výroba základní svářecí techniky činí (přesněji činila v roce 2007) 7 500 milionů eur a výroba přídavných svářecích artiklů 12 480 mil. eur, pak přidaná hodnota v těchto dvou oborech činila 2 550 mil. eur a 4 040 mil. eur. Přidaná hodnota tedy činila třetinu. To je úctyhodná skutečnost, která však zaniká ve srovnání s tím, jakou přidanou hodnotu vytvořilo svařování v oborech, kde byly zmíněné stroje a zařízení využity pro výrobní procesy, tedy v aplikační sféře. Ve stejné době pracovníci ve svařování vytvořili jen v EU přidanou hodnotu v rozsahu 79 miliard eur, po odečtení nákladů na stroje a zařízení, energii a lidskou práci.

Přidaná hodnota je v některých oborech tvořena svařováním více, v jiných méně – lze srovnat např. s výrobou automobilů, kde jsou svařovací roboty zapojeny v masovém měřítku, a chemickým průmyslem, kde je potřeba svařování nižší.

Jestliže ve výrobě svařovacích zařízení a přídavných materiálů v EU-27 vytváří 123 000 pracovníků novou hodnotu zhruba 6,5 mld. eur, pak v aplikačních oborech 1,9 milionu vytváří novou hodnotu ve výši 79 miliard eur. Je tedy zřejmé, že pokud jde o tvorbu přidané hodnoty vznikající díky svařování, dochází k ní z více než 9/10 nikoliv tam, kde se technika pro tuto činnost vyrábí, ale tam, kde se uplatňuje. Pokud jde o srovnání počtu zaměstnanců, jde podle autorů studie o pákový či multiplikační efekt: jeden pracovník ve výrobě základní svařovací techniky svou prací vyvolá potřebu či nutnost práce 1,8 pracovníka na úseku výroby doplňkových zařízení a služeb, a přenos svařovací techniky do aplikační sféry pak vyvolá potřebu dalších dokonce až 37 pracovníků v těchto sférách. Svařování tak příznivě ovlivňuje jak tvorbu přidané hodnoty, tak ukazatel zaměstnanosti.

Pokud jde o pozice jednotlivých spojovacích technologií, odhaduje se, že v Evropě činí podíl svařování (ručního i robotizovaného) 2/3 celkového objemu, ostatní připadá na netradiční spojovací metody, jako je lepení apod.

Z výše uvedeného vyplývá, že nejdůležitější technologií spojování bylo, je a zůstane zřejmě i nadále svařování. V něm lze očekávat významné posuny v zastoupení jednotlivých metod. Objem svařování je významně propojen se spotřebou kovů. Za zmínku stojí obrovský růst spotřeby v Číně v posledních letech a zejména loni. Její podíl na světové spotřebě kovů přesahuje nyní 25 %.

Suverénně nejrychleji rostoucím odvětvím spotřeby kovů je oblast korozivzdorných ocelí. Zvyšující se podíl těchto ocelí tlačí na vyšší podíl kvalitnějších metod svařování, jako je TIG, plazmové a laserové svařování.

Lze očekávat i prudké zvýšení spotřeby hliníku a jeho slitin, v okamžiku, kdy se zvýší množství automobilů sériově vyráběných ze slitin hliníku. Prototypy s karoserií z hliníkových plechů má již větší množství významných automobilek. V daném případě lze počítat s nárůstem prolisovaných spojů a svařování kombinovanými hybridními způsoby svařování – např. způsobem laser + MIG.

Hlavními trendy a směry rozvoje technologií svařování a příbuzných procesů, které již v současné době ovlivňují, ale především v blízké budoucnosti budou stále více ovlivňovat jejich vývoj, jsou především: ochrana životního prostředí, modelování a simulace procesů, požadavky na zvyšování produktivity a kvality výrobků. Lze předpokládat další využívání tradičních technologií svařování elektrickým obloukem a el. odporem, s podporou moderních prvků automatizace a robotizace procesu a kontroly svařování. Patří sem i nové technologie svařování (výše zmíněné hybridní a speciální metody), průběžná nedestruktivní kontrola a hodnocení svarů apod.

Tradiční technologie svařování elektrickým obloukem a odporem budou i nadále hlavními technologiemi svařování pro zajištění masové průmyslové výroby. Z hlediska objemu používaných technologií se očekává další snížení využití technologie MMA (ruční svařování el. obloukem obalenou elektrodou) na úkor technologií využívajících plynové ochrany – MIG, MAG, TIG. Technologie SAW (svařování pod tavidlem) bude stagnovat na cca 8–10 % z celkového podílu a stejně tak i odporové svařování. Zbývající objem budou tvořit nové technologie a jejich podíl se bude stále zvyšovat.

Přitom se předpokládá, že u technologie SAW budou plné dráty postupně nahrazovány plněnými elektrodami, pro navařování se budou používat výhradně páskové elektrody a vzroste význam elektrostruskového navařování. Bude se zvyšovat podíl technologie friction stir welding (FSW – třecí svařování promíšením), zejména v dopravním průmyslu (loďařský a letecký průmysl, stavba kolejových vozidel) a ve stavebnictví. Mimořádný důraz bude kladen na automatizaci svařování a automatizaci kontroly svařování.

Přitom se předpokládá, že automatizace svařování bude usnadněna snížením tolerancí dílů moderními technologiemi dělení materiálů a přípravy dílů, dále konstrukcí výrobků a dílů pomocí počítačové simulace i dokonalejšími metodami kontroly dílů.

Mezi nové technologie svařování a tepelného dělení materiálů, jejichž podíl na průmyslové výrobě se bude v nejbližších letech zvyšovat a které přinesou další možnosti zvýšení produktivity svařování, zvýšení jakosti a spolehlivosti svarových spojů, zlepšení ekologie procesu svařování, nové možnosti konstrukce svarových spojů, možnost svařovat nové materiály, snížení deformací a zbytkových napětí ve svařencích a nové možnosti při konstrukci svařovaných výrobků, řadí IIW (mezinárodní svářečský institut) zejména FSW, magnetické pulzní svařování, laserové svařování, hybridní svařování, A-TIG svařování a nová metoda tepelného dělení LASOX (Laser assisted oxygen cutting).

Prof. Ing. Jan Suchánek, CSc.
Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D., IWE

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie

jan.suchanek@fs.cvut.cz
ladislav.kolarik@fs.cvut.cz

Článek byl zveřejněn v monotematické příloze strojírenského měsíčníku MM Průmyslové spektrum SPOJOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ na straně II.