Témata
Reklama

Technické plyny pro svařování a dělení materiálů

Zvyšování kvality, spolehlivosti a životnosti strojírenských výrobků při současném snižování výrobního času, hmotnosti a ceny za výrobu vede ke stále větší intenzifikaci výrobních procesů. Při této intenzifikaci mají svoje nezastupitelné místo technické plyny.

Velkou výhodou technických plynů při svařování je, že při jejich použití nevzniká žádný neekologický odpad. Ochranný plyn se po splnění své úlohy prostě ztratí v atmosféře, a protože ve většině případů z ní byl i vyroben, není tím narušena přírodní rovnováha. Na druhé straně je nutno si uvědomit, že svařování v ochranných atmosférách má nevýhodu v tom, že nedochází k takřka žádné rafinaci svarového kovu, příměsi a nečistoty se jen v minimální míře mohou vytavit do strusky, u některých technologií se nerafinuje vůbec nic (WIG - TIG, MIG). Svařování pod plynem je prostě čistá technologie se svými výhodami a nevýhodami. Nicméně všeobecné trendy směřují k "čistým" technologiím, které nezatěžují životní prostředí odpadem. Jednou z firem, které se těmito technologiemi zabývají, je Messer Technogas.
Reklama
Reklama
Reklama

Technické plyny pro svařování

Základní rozdělení plynů je uvedeno v EN 439 (ČSN EN 439). Před volbou plynu nebo směsi je dobré vědět, jak ovlivňují jednotlivé složky plynu chování svarové lázně a jaký mají vliv na šířku a hloubku závaru, případně jak mohou ovlivnit operativní vlastnosti při svařování. Je také zřejmé, že bude záviset na druhu základního a přídavného materiálu a v neposlední řadě i na metodě svařování.

Metoda WIG - TIG

Při metodě WIG - TIG (Wolfram Inert Gas - Tungsten Inert Gas), tj. svařování netavící se wolframovou elektrodou, je třeba zamezit jakékoliv oxidaci wolframové elektrody. Volí se proto inertní plyn Ar o čistotě alespoň 4,6 (99,996 % argonu) nebo jeho směsi s heliem, které zvyšuje napětí na oblouku a tím i hloubku závaru. Speciálně pro svařování hliníku a jeho slitin vyvinul Messer směsi Monomix He, které obsahují argon, zlomek procenta dusíku a helium. Tyto směsi mají hlubší průvar při úzkém a klidném oblouku s malým rozstřikem, také mechanické vlastnosti svaru jsou příznivější.
Pro nerezavějící austenitické oceli lze použít kromě čistého argonu též směs Ar+W (argon + vodík). Vodík zvedne napětí na oblouku a zvýší se přenos tepla do základního materiálu, neboť vodík má při teplotách v elektrickém oblouku několikanásobně větší tepelnou vodivost než argon. U hliníku nebo feritických ocelí by však přítomnost vodíku vedla k pórům nebo vodíkovým vadám, protože rozpustnost vodíku ve feritu je mnohem nižší než v austenitu.

Metoda MIG - MAG

U metody MIG - MAG (Metal Inert Gas - Metal Aktiv Gas) jde o svařování tavící se elektrodou, která je současně přídavným materiálem, z něhož vzniká svarová housenka. Pro MIG se používají stejné směsi jako pro WIG. Při použití plynů Monomix je u metody MIG snížena tvorba pórů a usazování nečistot a umožněna vyšší rychlost svařování. MAG směsi obsahují aktivní složku, touto metodou se proto nedají svařovat materiály s vysokou afinitou ke kyslíku, jako titan, hliník apod.
U ocelí je metoda MAG velmi vhodná, malé množství aktivní složky působí na tavnou lázeň částečně rafinačně, některé přísady vyhořívají. Kyslík jako dvouatomový plyn v elektrickém oblouku disociuje a pak zpětně rekombinuje, přenášeje tak energii. Navíc samozřejmě reaguje s tavnou lázní a vyhořívají přitom některé nežádoucí nečistoty (fosfor, síra), ale i žádoucí legury, jako molybden či chrom, snižuje se povrchové napětí tavné lázně a zvyšuje se její tekutost. CO2 rovněž zvyšuje přenos energie, ale chemické ovlivnění lázně je menší, u nízkouhlíkových nerezových ocelí je nebezpečí nauhličení při větším podílu této složky v ochranném plynu. U nerezavějících austenitických ocelí je vyhořívání legur částečně kompenzováno přídavným materiálem, který bývá přelegován, přesto volíme plynovou směs s malým množstvím aktivních složek, např. Argomag K (2,5 % CO2 v argonu), nebo Argomag S1, Argomag S3 (1 %, respektive 3 % O2 v argonu). Protože tepelná vodivost austenitických ocelí je výrazně nižší než u běžných nízkouhlíkových měkkých ocelí, postačuje toto množství aktivních složek k produktivnímu svařování. U nelegovaných nízkouhlíkových ocelí se nejčastěji volí tyto směsné plyny: Argomix 4 (4 % O2 v argonu), Krysal 8 (8 % CO2 v argonu), Argomix D (8 % O2 v argonu), Krysal 18 (18 % CO2 v argonu) a Argomix 20 (15 % CO2 + 5 % O2 v argonu).

Vlastnosti plynných směsí

Tyto plyny se od sebe liší šířkou závaru v kořeni svaru, operativními vlastnostmi, hladkostí svarové housenky a i nepatrně mechanickými vlastnostmi spoje. Argomix 4 se vyznačuje nejmenším rozstřikem, cca 0,5 % z vytaveného kovu připadne na rozstřik. Při správně nastavených parametrech se však toto malé procento rozstřiku pevně neuchytí ani na čerstvě otryskaný povrch svařence, neboť díky vysoké aktivitě kyslíku jsou kuličky rozstřiku tak malé, že nenataví dostatečně povrch. Šířka závaru v kořeni je ze všech těchto plynů nejužší, což může některým méně zručným svářečům způsobit problém. Čistota povrchu a hladkost kresby je nejlepší. Přechod do základního materiálu je plynulý a mechanické vlastnosti svarového spoje jsou nejpříznivější.
Krysal 8 se vyznačuje ve srovnání s Argomixem 4 srovnatelnou čistotou povrchu, má o něco méně hladkou kresbu, ale lepší operativní vlastnosti v pozicích (lázeň méně teče).
Argomix D má jemnou kresbu, nízký rozstřik, umožňuje vysoký výkon s bezpečným průvarem zvláště na materiálech větší tloušťky.
Krysal 18 je "klasikou" mezi plyny - díky širšímu závaru v kořeni a výborným operativním vlastnostem je oblíben jak svářeči, tak i svářečským dozorem. Rozstřik dosahuje asi 1,9 % z vytaveného kovu.
Argomix 20 má největší šířku závaru v kořeni svaru, přitom ještě díky kyslíku hladkou kresbu a nízký rozstřik.
Formovací plyn (cca 10 % H2 v dusíku) se používá pro formování tupého svaru ze strany kořene. V tomto typickém složení se volí pro austenitické oceli. Vodík se sloučí se zbytkovým kyslíkem na vodní páru a rafinuje povrch svaru a jeho okolí. Volí se průtok kolem 3 l.min-1 a proplachuje se cca 23násobkem chráněného objemu. Dofuk se drží, dokud teplota povrchu neklesne pod 200 °C. Protože je lehčí než vzduch, volí se přívod vrchem a odfuk spodem.
Dlužno podotknout, že tento výčet plynných směsí pro svařování není úplný, je možno namíchat i jiné směsi. Někteří zákazníci si míchají na směšovacím zařízení podle potřeby svoji "vlastní" směs.

Svařování laserem

Svařování laserem se zatím omezuje na dvě hlavní skupiny výrobků, a sice na ty, které nelze jiným způsobem svařit, a na díly vyráběné ve velkých sériích, u nichž se precizní svařování laserem dá zautomatizovat a přes nemalé investiční náklady se vyplatí. Pro svařování laserem byly vyvinuty speciální plyny řady Megalas. Laser pro svou činnost používá jednak rezonanční plyn, jednak pracovní plyn. Jako rezonanční plyny se používá směs helia čistoty 4,6, dusíku čistoty 5,0 a oxidu uhličitého o čistotě 4,5. Rezonanční plynná směs se dodává buď už namíchaná, nebo v poslední době si ji laserové stroje namíchají samy z vhodných zdrojů - tlakových lahví. Pro svařování se používá většinou speciálně namíchaná směs pro každý svařovaný materiál. Firma Messer má pod označením Megalas chráněnou celou řadu plynů, jejichž číselné označení se pro snadnou orientaci blíží číselnému označování materiálů "Werkstoffnummer". Například CrNi chemicky odolná ocel s označením 1.4571 se bude svařovat pod ochranou plynu Megalas 145. Megalas 315 se používá pro legovaný hliník, Megalas 310 pro čistý hliník.

Technické plyny pro dělení

Pro dělení lze použít různé technologické zařízení, od ručního řezání kyslíko-acetylenovým plamenem přes pálicí stroje s více hořáky, plazmové řezací stroje nebo ruční plazmy až po laserové řezací stroje. Všechny tyto způsoby dělení potřebují nějaký plyn. Výjimkou může být snad dělení vodním paprskem, které sice dává nejkvalitnější řez s nejmenším ovlivněním základního materiálu, ale není příliš výkonné ani levné.

Dělení laserem

Jako pracovního plynu se používá kyslík čistoty 3,5 nebo dusík o čistotě 4,6, někdy i 5,0. Kyslík se používá v tomto případě pro dělení obyčejných nízkolegovaných ocelí. Dusík se používá při řezání nerezových ocelí, kde nemá dojít k oxidaci povrchu řezu. Tlak dusíku bývá 12 bar i více, u kyslíku se vystačí s tlakem cca o třetinu nižším.

Dělení plazmou

Obdobně jako u laseru se k dělení plazmou používá vysoká koncentrace energie plazmy. Zdrojem plazmy je elektrický oblouk mezi elektrodou a dýzou. Plazmovým plynem bývá vzduch, který rotuje, chladí tím dýzu i elektrodu, s rostoucí teplotou expanduje a ohřívá prudce základní materiál, který je částečně odpařován, spalován i vyfukován z řezné spáry. Elektroda bývá osazena hafniovým kolíčkem k prodloužení její životnosti. Řežou-li se nerezové oceli, je nutné zabezpečit odsávání, neboť při zejména strojním řezání bývají bez odsávání překročeny hygienické limity škodlivin (zejména chrom, nikl a jejich kysličníky).
V poslední době se objevily nové vylepšené hořáky s patentovaným provedením hlavy, která pak používá kromě vzduchu i jiné plazmové plyny a směsi (například směs H35, tj. 35 % vodíku v argonu, nebo F5, tj. 5 % vodíku v dusíku, čistý dusík či čistý kyslík), a navíc používá i stínicí plyn - většinou dusík, kyslík nebo vzduch. Kvalita řezu se u těchto zařízení již přibližuje laseru.

Dělení ocelí kyslíkem a hořlavým plynem

Jedná se především o dělení kyslíko-acetylenovým plamenem, ale jsou možné i jiné způsoby. Vhodným topným plynem ve směsi s kyslíkem se povrch řezané oceli zahřeje na zápalnou teplotu a po přidání řezného kyslíku se nastartuje vlastní proces řezání. Při něm se k dalšímu řezání využije i teplo vzniklé spalováním řezaného železa. S rostoucí tloušťkou materiálu se toto teplo podílí větší měrou na vlastním procesu řezání. Jde o metodu cenově přijatelnou, dostatečně výkonnou, investičně nenáročnou s možností řezat větší tloušťky materiálu, i 300 mm, a u speciálních případů až 600 mm při strojním řezání. Běžně se používají tyto topné plyny: acetylen, etylen, propylen, propan a zemní plyn (metan).

Vlastnosti plynů

Podle rychlosti hoření patří acetylen do skupiny rychle hořících plynů, ostatní plyny jsou pomalu hořící. Rychlost hoření a směšovací poměr s kyslíkem má vliv na konstrukci dýzy a injektoru. U acetylénu se nesetkáme se stabilizátorem hoření, který u pomalu hořících plynů stabilizuje plamen před odtržením. Acetylen se vyznačuje nejvyšší teplotou plamene cca 3100 °C, umožňuje tak ze všech plynů nejrychlejší nahřívání a propalování děr, což je významné při často přerušovaném řezání. Jeho velká teplota plamene na druhé straně může působit problémy s kvalitou řezu - natavování horní hrany plechu. Rychlost hoření též může způsobit zpětné šlehnutí. Tlak v rozvodu acetylénu je omezen na 1,5 baru přetlaku, jinak hrozí při náhodné iniciaci termický rozklad v celém objemu plynu najednou a s tím spojená destrukce zařízení.
Alternativou k acetylenu je etylen, který firma Messer distribuuje pod obchodní značkou Grieson do zásobníků. Etylen se chemicky i vlastnostmi nejvíce blíží acetylenu. Jeho maximální teplota hoření leží jen asi o 200 °C níž než u acetylenu. Stlačen může být bez toho, že by hrozil termický rozklad, takže není problém dopravit ho na větší vzdálenost potrubím menší světlosti.
Propylen a propan jsou si velmi podobné plyny, těžší než vzduch. Jejich nasazení bývá proto problematické v halách s energokanály a tam, kde by se mohly nějakým způsobem hromadit u země a způsobit tak nečekané požární těžkosti. Nutností u těchto plynů je mít odsávané stoly. Oproti acetylenu mají až dvojnásobnou spotřebu kyslíku.
Nejlevnější, ale i nejpomalejší při vlastním řezání je zemní plyn. S výhodou se však používá v hutích při pálení horkých bram (co to je???), kde jeho nižší výkon nevadí a kde by naopak mohla vadit nízká zápalná teplota acetylenu, která se pohybuje kolem 350 °C.
Ing. Jaroslav Hájek
Reklama
Související články
Ruční laserové svařování s ochranným plynem

Laserové svařování není příliš rozšířenou metodou, ale pro své nesporné výhody nachází stále větší uplatnění. V praxi jsme se doposud setkávali především s robotickým laserovým svařováním v sériové či velkosériové výrobě. V poslední době však nachází své uplatnění také ruční laserové svařování, které lze využít i pro malé série výrobků či kusovou výrobu.

Laserové navařování, 3D tisk a volba technických plynů

V tomto článku bychom se chtěli zamyslet nad současným postavením technologie návarů vysoce výkonným laserem, porovnat tuto metodu s 3D tiskem a objasnit některá technická úskalí obou metod. Za zmínku stojí také ochranné plyny vhodné pro tyto moderní metody.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Související články
Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Řezání vysokým tlakem

Pro řezání drobných a kompletních tvarů kombinovaných (složených) materiálů nebo oceli používá řada podniků řezání vysokoenergetickým kapalinovým paprskem s abrazivem. Na trhu jsou nyní nabízeny tři rozdílné stroje, od základního modelu až po vysoce rychlostní variantu.

Metody spojování využívající principy plastické deformace

Součástí automobilů je množství nejrůznějších dílů, k jejichž výrobě se používají různé technologické procesy a široké spektrum materiálů. Technologie jako svařování, lepení a mechanické spojování jsou obvykle používány ke spojování jednotlivých dílů během montáže automobilu. Ačkoliv je technologie svařování velmi rozšířená, může svou podstatou ovlivňovat celkovou kvalitu spojovaných částí, jejich přesnost a spolehlivost. Vynaložená energie a síla potřebná pro spojování je při použití lepení nebo mechanických spojů vždy nižší než při svařování. Přitom stále rostou požadavky na vyšší stupeň deformace, produktivitu práce a na nižší náklady spojovacích operací.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Trhací nýty pro vysoké zátěže

Strukturální trhací nýty jsou ideální alternativou ke svařování nebo šroubovému spojení. Bezpečně a rychle se instalují a nabízejí značné výhody z hlediska smyku, tahu a dynamického zatížení. Použití strukturálních trhacích nýtů M-Lok při montáži rámů strojů a strojních součástí umožnilo firmě Zahoransky zkrátit jejich výrobní časy.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit