Současný vývoj v oblasti svařování

Je potřeba zdůraznit, že technický a technologický pokrok ve svařování by nebyl možný bez těsné součinnosti s pokrokem v souvisejících vědních a průmyslových oborech, jako jsou informatika, elektronika, elektrotechnika, materiálové vědy anebo nové poznatky ve strojírenství, hlavně v oblasti automatizace, robotiky a senzoriky.

Pokud jde o trendy ve svařování a spojování, lze konstatovat, že poslední doba přinesla další významné inovace, respektive jejich pokračování hlavně v aplikaci robotů či automatizaci vůbec, v dalším průniku laserů do svařování (a řezání) a v pokračujícím nárůstu propojení s IT technikou, resp. digitalizaci technologických procesů. Což potvrdil i jeden z největších mezinárodních veletrhů svařování a příbuzných procesů Schweissen & Schneiden, který se konal v roce 2017 v Düsseldorfu. Mnoho novinek se zde objevilo také ve snaze zlepšovat pracovní prostředí a bezpečnost práce ve svařovacích provozech, např. pokud jde o odsávání plynů a škodlivin při svařování anebo při používání ochranných oděvů a přileb.

Stejně jako v jiných průmyslových aktivitách a výrobních postupech platí i ve svařování, že je nutno si počínat co nejefektivněji, s co nejmenšími náklady a co nejmenší spotřebou materiálových a energetických zdrojů a s ohledem na ekologické aspekty. Naplnění těchto zásad umožňuje velkou měrou využití robotů. V tomto segmentu trhu, který zahrnuje i automatizované svařovací buňky, nabízí dnes řada výrobců širokou paletu specializovaných i jednoúčelových robotů.

Stále větší význam, vedle speciálních metod spojování, jako je třecí svařování s promíšením, laserové svařování apod., nabývá i technologie lepení. Ostatně při výrobě osobních aut se dnes v automobilkách lepením spojuje více než polovina všech používaných dílců. Lepí se nejen kovové či plastové díly, ale i různé kombinace materiálů. Díky této technologii se staví i několikapatrové stavby.

Mezi nejvíce rozvíjející se aplikační oblasti potom patří alternativa k 3D tisku kovových materiálů – navařování samonosných 3D struktur, např. metodou WAAM (Wire+Arc Additive Manufacturing).

Přesto však v současnosti jsou celosvětově stále nejvíce rozšířeny a používány konvenční technologie svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách, zejména technologie MIG/MAG. Za posledních 25 let se podstatným způsobem v této oblasti zkvalitnilo řízení včetně regulace procesu. Modernizovaná zařízení umožňují dopravovat svařovací drát – elektrodu na velké vzdálenosti (vícekladková podávání, zdvojené podávání, push-pull systém). Došlo k řadě mechanizovaných a automatizovaných průmyslových aplikací této technologie včetně jejího použití pro robotizaci svářečských prací. Byly vyvinuty nové varianty přenosu kapek svarového kovu do tavné lázně – kromě dnes již standardních způsobů: zkratového, sprchového a pulzního. Použitím „směsných plynů“ jako ochranné atmosféry, např. Ar + CO₂, Ar + O₂, Ar + CO₂ + O₂ a Ar + H₂, se zvýšila stabilita hoření oblouku a snížil se rozstřik při svařování. Tento neustálý pokrok způsobil, že se technologie MIG/MAG stala již koncem 90. let minulého století dominantní technologií svařování.

Další vývoj spočíval ve snaze o zvyšování produktivity práce při svařování (zejména velkých tlouštěk materiálů) a zvýšení stability technologie MIG/MAG použitím svařování s vysokými rychlostmi podávání drátu (svařování s přenosem svarového kovu rotujícím obloukem), příp. použitím vícekomponentních ochranných plynů a použitím vícedrátových metod (tandemové svařování). Tyto nové varianty technologie MIG/MAG jsou známé pod různými obchodními názvy, jako např. T.I.M.E. (Transfered Ionized Molten Energy) proces, Rapid arc a Rapid melt apod. Při těchto procesech se svařuje s vysokými svařovacími parametry a rychlostmi posuvu drátu, s velkými výkony navaření (10 až 25 kg.hod^-1). Přenos kovu odráží vysoké proudové zatížení. Tyto vysokovýkonné metody je však možné použít pouze pro robotizované nebo mechanizované svařování.

Dnes používaná konstrukce synergických svařovacích zdrojů pro metody MIG/MAG byla umožněna vývojem invertorových zdrojů proudu pracujících s podstatně vyšší frekvencí proudu než dříve používané zdroje. Invertorové zdroje tak umožnily další vývoj technik MIG/MAG svařování. Lze říci, že dnes existují dva základní směry vývoje v oblasti obloukového svařování, které se výrobci často snaží integrovat do jednoho svařovacího zdroje. Na jedné straně je to snaha o co nejproduktivnější a nejvýkonnější způsob svařování materiálů větších tlouštěk, zabezpečující dokonalý průvar koutových i tupých svarů (ideálně použitelných i pro poloautomatické svařování). Jedná se o speciální modifikace metody MIG/MAG, nazývané např. Power Arc, Force Arc apod. Druhý zmíněný směr vývoje obvykle cílí k minimalizaci vneseného tepla, tak aby bylo možné svařovat co nejmenší tloušťky materiálu (kam směruje vývoj především výroba v automobilovém průmyslu). V současné době jsme svědky nebývale široké nabídky vysoce sofistikovaných modifikací metody MIG/MAG svařování, které umožňují pouze plně digitalizované invertorové zdroje a které dále zvyšují produktivitu svařování, kvalitu svarových spojů, usnadňují svařování v polohách, kořenů svarů, překlenutí velkých mezer v kořenech svarů nebo např. svařování pozinkovaných plechů, příp. pájení oceli s hliníkem. Mezi tyto nové techniky můžeme zařadit např. CMT (Cold Metal Transfer), STT (Surface Tension Transfer), IAC (Intelligent Arc Control), Cold Arc, Speed Pulse, Root Arc, Speed Up a další.

U jedné z prvních modifikací MIG/MAG procesu – metody CMT – je dnes již k dispozici tzv. druhá generace, metoda nazvaná CMT Advanced, která kombinuje zpětný pohyb drátu (tzn. jakmile svařovací zdroj identifikuje zkrat, odstartuje se zpětný pohyb drátu se současným poklesem svařovacího proudu a dojde k plynulému uvolnění kapky svarového kovu bez rozstřiku; následuje pohyb drátu vpřed a cyklus se opakuje; celý proces je digitálně řízen a zpětný pohyb drátu probíhá s vysokou frekvencí; vyrovnání superponovaných vysokofrekvenčních pohybů drátu a jejich přechod na lineární posuv zajišťuje vyrovnávací vložka zabudovaná v bovdenu pro transport drátu) s přepólováním polarity na elektrodě. Pro svařování můžeme libovolně nastavit počet po sobě jdoucích kladných nebo záporných proudových fází, kdy kladné fáze ovlivňují především hloubku závaru a čisticí účinek. Záporné fáze při stejném vstupním výkonu zvyšují výrazně výkon odtavení. Dochází k výrazně většímu odtavení při stejné střední hodnotě svařovacího výkonu. Ke změně polarity dochází na začátku zkratu mezi oběma fázemi procesu, kdy nehoří oblouk a tím je zajištěna vysoká stabilita procesu. Proces umožňuje spojovat automatizovaným procesem, bez podložky a na tupo, tenké hliníkové plechy (0,3 mm) svařovacími rychlostmi kolem 2 m.min^-1. Tento proces je zajímavý rovněž v oboru mechanizovaného nebo robotizovaného svařování plechů z ušlechtilých ocelí o tloušťkách do 1,5 mm, kde nabízí značné možnosti pro automatizaci, jak v důsledku nízkého tepelného zatížení z hlediska metalurgie, tak v důsledku výborné stability oblouku a spolehlivosti pracovního procesu.

Komfort při svařování těmito novými technikami MIG/MAG svařování zvyšuje dále možnost kombinace více technik na provedení jednoho svaru. Vysoká produktivita práce, univerzálnost metod MIG/MAG, možnost mechanizace a robotizace svařování, cenová dostupnost – tyto inovace v oblasti obloukového svařování způsobily, že metody svařování MIG/MAG jsou i dnes nadále dominantními metodami elektrického obloukového svařování a jejich podíl na výrobě svařenců je celosvětově větší než 50 %. I do budoucna lze předpokládat, že jejich využití dále poroste, především v souvislosti s rozvojem elektroniky, větším použitím plněných elektrod (metoda FCAW) jako přídavného materiálu a v kombinaci s metodami laserového svařování (hybridní svařování).

Mezi časté moderní aplikace patří i „MIG pájení“ pozinkovaných plechů, které jsou dnes stále častěji používány v automobilovém průmyslu, ve stavebnictví, vzduchotechnice, nábytkářství a ve výrobě domácích spotřebičů. Tloušťka zinkového povlaku se pohybuje od 5 do 20 mikrometrů a požadavkem při spojování je nepoškodit povlak, který katodickým účinkem chrání základní materiál. Při klasickém MAG svařování způsobují páry zinku, které se odpařují při 906 °C, pórovitost svaru, neprůvary a trhliny. Pro spojování těchto plechů byla proto vyvinuta metoda MIG pájení speciálními přídavnými materiály na bázi mědi (např. křemíkový bronz CuSi₃, nebo hliníkový bronz CuAl₈), kterými se pozinkované plechy spojují v intervalu teplot 1 030 °C až 1 080 °C, impulzním proudem (ideálně za využití modifikací MIG svařování, jako jsou CMT, STT apod.), v ochranné atmosféře Ar nebo Ar + 2,5 % CO₂. Výhodou je pak minimální opal povlaku vedle spoje (i na spodní straně plechu), spoj bez koroze – katodická ochrana v těsné blízkosti spoje, minimální tepelné ovlivnění materiálu a deformace, zachování produktivity vytváření spojů a možnost robotizace.

Další vývoj výrobců svařovacích zdrojů je nově koncipován k plné univerzálnosti. Díky tomu se významně zlepšily svařovací vlastnosti, optimalizovaly se možnosti komunikace mezi člověkem a strojem a zdokonalilo se ovládání. Vzhledem k modulární konstrukci lze systém snadno přizpůsobit individuálním svařovacím potřebám. Hlavní část přístroje představuje standard, který lze snadno rozšířit. Například jednoduchý „upgrade“ umožní rozšířit standardní přístroj na pulzní svařovací zdroj, přidat nové charakteristiky, stejně jako aktualizovat software zdroje, který lze snadno nahrát pomocí USB disku, internetového připojení, příp. je již součástí svařovacího zdroje a stačí ho pouze odblokovat.

Svařovací systémy dnes dokážou automaticky rozpoznat všechny dostupné komponenty a varují v případě nekompatibility. Na pracovišti je možné svařovací zdroj ovládat pomocí minidispleje integrovaného do svařovacího hořáku a dálkovou údržbu a systémovou analýzu lze provádět prostřednictvím internetu. Díky maximálnímu výkonu procesoru je možné měřit mnoho nových jmenovitých veličin. Svařovací proces tak nyní lze ještě přesněji analyzovat a tím i kontrolovat. Aktivní regulace drátu významně kompenzuje vliv vzdálenosti svařovacího hořáku na výsledek svařování. To přináší řadu výhod, jako je omezená tvorba rozstřiku u procesu s krátkým obloukem, lepší uvolnění kapky, stabilnější oblouk při vyšší rychlosti svařování, kontrolované zapalovací vlastnosti a mnoho dalších.

Stejně tak se zdokonalování a vývoj dotýkají i nezbytného příslušenství. Svařovací hořáky nové generace jsou dnes schopny vytěžit, z plynového nebo vodního chlazení, optimum z hlediska použití. Spotřební díly a součásti hořáku jsou tak lépe přizpůsobeny svařovacímu výkonu, mají větší životnost a zjednodušené ovládání. Inteligentní regulace ochranného plynu obsahující spořič plynu kombinovaný s dynamickým řízením průtoku, které monitoruje spotřebu a optimalizuje dávkování plynu podle synergické charakteristiky zvoleného svařovacího programu, přispívá k ekonomickým úsporám, ochraně životního prostředí i efektivitě výrobního procesu.

Další vývojové trendy potom souvisejí se vzestupem „čtvrté průmyslové revoluce“, kdy mnoho společností čelí výzvě vybavit svůj provoz inteligentním a produktivním propojením lidské a strojové práce pro zajištění lepších výsledků práce, které jsou stále větší měrou určovány IT strukturami a automatizací. CNC stroje, roboty a mikroprocesorem řízené svařovací zdroje jsou schopny zlepšit výrobní procesy, a tím i kvalitu výrobků. Digitalizace strojů díky vysoce inteligentním mikroprocesorům, paměťovým rozhraním a možnostem připojení k síti vytváří veškeré předpoklady, které jsou potřebné pro získání procesních dat, analýzy účinnosti strojů a preventivní údržbu.

Nové multiprocesní svařovací zdroje a speciální SW a systémy řízení (např. systém Welding 4.0 společnosti EWM se SW Xnet) poskytují moderní řešení pro svařovací provozy. Pomocí těchto systémů bude do budoucna možné zvolit vhodný svařovací postup (včetně správného nastavení svařovacích parametrů) i pro konkrétní díl, např. načtením pomocí čtečky čárových kódů apod.

Už dnes je rozšířena celá řada SW nástrojů, především od renomovaných výrobců svařovacích zdrojů (např. WeldEye od firmy Kemmpi, MigaLog od firmy Migatronic, WeldCube od firmy Fronius apod.), které umožňují sledovat veškeré svařovací parametry, analyzovat a dokumentovat prováděnou práci. Tyto SW obvykle umožňují shromažďovat data požadovaná pro dokumentaci a ověření v souladu s EN a ISO normami pro svařování. Nejde však jen o pouhé zaznamenávání svařovacích dat (on-line monitoring napětí, proudu, rychlosti podávání drátu, času stráveného prací, tepelného příkonu, příp. doby ochlazování t8/5 apod.), jejich centrální ukládání, třídění a analyzování, ale i o jejich řízení a sledování procesu svařování libovolného počtu svařovacích zdrojů (včetně analýzy, vyhodnocení, zprávy a dokumentace online zaznamenaných parametrů svařování). Záznamy lze použít např. i k výpočtu účinnosti před vypracováním nabídky.

Výše popsané systémy umožňují přesné a trvalé zajištění kvality, stejně jako hodnocení konkrétních svařovacích parametrů, za účelem zlepšování a zvýšení efektivity. Dále umožňují bezproblémové řízení svařovací výroby, sledování výroby v reálném čase, dokumentace jednotlivých projektů, řízení evidence a obnovy kvalifikací, evidenci pracovních postupů i jejich dodržování – digitální WPS, kontrola kvality a parametrů každého svaru (bezproblémové zaznamenávání všech nastavených a skutečných hodnot pro každý svar). Současně neomezené a přizpůsobené vytváření uživatelů a jejich rolí a oprávnění, jednoduché a individuální hodnocení všech dokumentovaných dat podporovaných inteligentními filtry apod. Samozřejmostí se stává i přenos všech svařovacích parametrů a dat pomocí paměťových karet nebo internetu ze svářecího zdroje do externího počítače za účelem aktivní vizualizace, zálohování či tisku.

ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Doc. Ing. Ladislav Kolařík, Ph.D.

Ladislav.Kolarik@fs.cvut.cz

http://u12133.fsid.cvut.cz/