Tavné svařování obloukovými metodami je charakteristické velkým množstvím proměnných více či méně ovlivňujících výslednou geometrii svarové lázně.
Tyto vstupní parametry je možné rozdělit do třech základních skupin na:[3]
Procesní.
Technologické.
Fyzikálně-chemické.
Kromě svařovacích parametrů a chemického složení je hlavním kritériem svařitelnosti uhlíkových ocelí obsah samotného uhlíku v základní matrici oceli.
Se zvyšujícím se obsahem uhlíku se sice zvyšuje mez pevnosti, mez kluzu a tvrdost, ale plastické vlastnosti se snižují. S rostoucím obsahem uhlíku se také zvyšuje
34
náchylnost uhlíkových ocelí k zakalení při svařování. Tvrdost vznikajícího martenzitu se zvyšuje s rostoucím obsahem uhlíku v oceli.[3]
Ustanovením z praxe bylo odvozeno kritérium maximální přípustné tvrdosti v TOO a svarovém kovu 350 HV. Tato hodnota tvrdosti odpovídá 50 % obsahu martenzitu ve struktuře, při obsahu uhlíku v oceli 0,25 hm. %. Proto je obsah uhlíku ve svařitelných ocelích omezován hodnotou C ≤ 0,25 %.[3]
2.4.1 Vliv velikosti svařovacího proudu na geometrii svarové lázně
Svařovací proud I [A] má ze všech procesních parametrů největší vliv na geometrii svarové lázně. Svařovací proud má značný vliv na způsob přenosu kovu, růst proudové hustoty, tekutost svarové lázně a součinitel tavení. Se vzrůstající hodnotou svařovacího proudu se zvyšuje rychlost odtavování (odtavný výkon), roste gradient teploty a mění se způsob přenosu tepla ve svarové lázni. Díky tomu se zvyšuje rychlost proudění ve svarové lázni, mění se jeho směr a v závislosti na tom roste hloubka protavení. Zároveň se zvyšuje dynamický účinek elektrického oblouku. Mimo zvýšení hloubky protavení, také dochází k mírnému nárůstu převýšení svaru ha a malému zvětšení šířky housenky b. Na obr. 9 je schematicky znázorněn vliv rostoucího proudu na geometrii svarové lázně.[3]
Obrázek 9 - Vliv velikosti svařovacího proudu na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]
Z hlediska kvality svaru je výhodnější menší průměr drátu, protože dává větší počet drobných kapek a kvalita povrchu svarové housenky je velmi dobrá. Co se týče směrové stability výletu drátu a ekonomických nákladů je naopak výhodnější větší průměr drátu, protože vychází levněji. Velikost kapek lze eliminovat využitím impulzního svařování, kde je rozměr kapek řízen vlastním procesem svařování.
35
Při nadměrném zvyšování proudu vzrůstá rozstřik kovu a také možnost nebezpečí protavení svařovaného materiálu.[3]
2.4.2 Vliv svařovacího napětí na geometrii svarové lázně
Svařovací napětí představuje rozdíl potenciálnů mezi drátem elektrody a povrchem svarové lázně. Mění se podle délky oblouku a je závislé na stupni ionizace sloupce oblouku. Na odtavovací výkon má pouze malý vliv. Jak je ukázáno na schematickém obr. 10, s rostoucím napětím se zvětšuje šířka svarové lázně b, klesá hloubka protavení materiálu he a klesá velikost převýšení ha.[3]
Obrázek 10 - Vliv velikosti svařovacího napětí na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]
Napětí na oblouku má také důležitý vliv na dosažení optimálních podmínek samoregulace délky oblouku a dosažení ustáleného pracovního bodu. U metod svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu jsou z důvodu samoregulace délky oblouky používány svařovací zdroje s plochou "volt-ampérovou" charakteristikou.
Díky ploché statické charakteristice, zdroje automaticky reagují na změnu délky oblouku. Při zvětšení délky oblouku, resp. při zvýšení napětí na oblouku vyvolaném změnou délky oblouku, se automaticky sníží velikost svařovacího proudu a tím dochází ke snížení rychlosti odtavení a k následnému návratu délky oblouku do optimální napětí zpravidla po zapálení oblouku klesne na hodnotu odpovídající velikosti proudu při daném odporu obvodu.[3]
36
Nadměrně vysoké napětí zvyšuje délku oblouku a propal prvků ve svarové lázni.
Čas styku kapky s obloukem se prodlužuje. Důsledkem toho, je zintenzivnění metalurgických reakcí, které ovlivňují složení svarového kovu. Tím dochází ke změnám mechanických vlastností svarového spoje. Svary jsou více náchylné na pórovitost a zvyšuje se i rozstřik kovu.[3]
Při vysokých hodnotách napětí je svarová lázeň široká, mělká a vzniká nebezpečí předbíhání svarové lázně před oblouk. Naopak příliš nízké hodnoty napětí mají za následek nestabilitu svařovacího procesu, vzniká úzká svarová lázeň s velkým převýšením (především při vysokých rychlostech svařování). Při nízkém napětí dochází k nedokonalému natavení svarových hran a při vícevrstvém svařování dochází
2.4.3 Vliv rychlosti svařování na geometrii svarové lázně
Rychlost svařování je dalším ze základních parametrů svařování elektrickým obloukem. Působí opačně než svařovací proud a napětí na oblouku. Zvyšováním rychlosti svařování se snižuje tepelný příkon svařování na jednotku délky svaru, rychleji se odevzdává teplo a zmenšuje se teplo potřebné pro předhřev svarových ploch.
Toto má vliv nejen na tvar a rozměry tavné lázně, ale i na podmínky jejího ochlazování (zvyšuje se rychlost ochlazování svaru).[3]
37
Obrázek 11 - Vliv rychlosti svařování na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]
S rostoucí rychlostí svařování se snižuje šířka svarové lázně b a zároveň roste převýšení svaru ha viz obr. 11. S rostoucí rychlostí svařování se mírně zvětšuje hloubka závaru he, a to až do takové hodnoty svařovací rychlosti, při které se ještě svarové plochy stačí natavovat. Po překročení této hodnoty velikost závaru naopak klesá.
Maximální hloubka protavení lze v závislosti na ostatních veličinách určit pouze experimentálně, pro konkrétní případ v systému základní materiál, přídavný materiál, ochranný plyn. S dalším růstem rychlosti svařování se šířka svarové lázně b dále výrazně zmenšuje velikost převýšení svaru ha roste. Při vysokých rychlostech svařování pak dochází ke vzniku vrubů mezi svarem a základním materiálem. Rychlost svařování má také značný vliv na rozložení napětí a deformací ve svařenci. Při ručním svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře, se rychlost svařování pohybuje v rozmezí od 0,1 do 0,6 m·min-1. Při strojním svařování může rychlost svařování dosáhnout až hodnoty 1,2 m·min-1. Při rychlostech svařování větších než 0,9 m·min-1 je však již proces na hranici stability a pro tyto rychlosti svařování je třeba provést úpravu nastavení procesních parametrů a nastavení geometrie svařovacího hořáku.
Hodnoty svařovacího proudu jsou zde vyšší než 360 A a rychlost podávání drátu větší než 12 m·min-1 (průměr drátu 1,2 mm).[3]
Hlavní procesní veličiny svařovací proud, napětí a rychlost svařování společně definují jednu z nejdůležitějších veličin využívaných při svařování a tou je hodnota měrného vneseného tepla Qv dle rovnice (10).[3]
38 Výpočet měrného vneseného tepla:[3]
𝑄𝑣= 𝜂0·𝑈 · 𝐼
𝑣𝑠 (10)
Kde:
Qv - je měrné vnesené teplo [J·m]
η0 - je účinnost přenosu tepla v oblouku [-]
I - je svařovací proud [A]
U - je svařovací napětí [V]
vs - je rychlost svařování [ m·s-1]
2.4.4 Vliv druhu a polarity svařovacího proudu
Při svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynu se nejčastěji používá stejnosměrný proud s nepřímou polaritou (elektroda na kladném, základní materiál na záporném pólu zdroje). Při tomto typu zapojení se tvar průřezu svarové lázně vyznačuje zvýšenou hloubkou protavení materiálu, nízkou hodnotou převýšení svaru a relativně širokou svarovou lázní. Teplo vznikající ve sloupci oblouku se z jedné poloviny spotřebovává k natavení základního materiálu a z druhé poloviny k odtavení přídavného materiálu (tavící se elektrody).[28]
Naopak při zapojení přímou polaritou (elektroda na záporném pólu, základní materiál na kladném pólu zdroje) se hloubka protavení snižuje, převýšení svaru roste a dochází ke snížení šířky svarové lázně viz obr. 12.[28]
Obrázek 12 – Druh polarity svařovacího proudu [28]
39
Teplo vznikající ve sloupci oblouku se přibližně ze dvou třetin spotřebuje k natavení základního materiálu a z jedné třetiny k natavení přídavného materiálu.
Při tomto typu polarity se u plného průřezu drátu tvoří na jeho konci rozměrná a stabilní kapka, což se při přenosu kovu projeví zvýšeným rozstřikem. Přímou polaritu je možné využít například při navařování.[28]