Diplomová práce

Diplomová práce

Technicko-ekonomické aspekty při výběru způsobu svařování plechu tl. 4 mm

Studijní program: N 2301 - Strojní inženýrství

Studijní obor: 2301T048 - Strojírenská technologie

Autor práce: Bc. Petr Volák

Vedoucí práce: doc. Ing. Zdeněk Hudec Ph.D

Liberec 2016

Diploma thesis

Technical and Economic Criteria for Choosing the Welding Method of 4 mm Steel Sheet

Study programme: N 2301 – Mechanical engineering Study branch: 2301T048 – Manufacturing Technology

Author: Bc. Petr Volák

Supervizor: doc. Ing. Zdeněk Hudec Ph.D

Liberec 2016

plyn k porovnání jednotlivých metod z hlediska kvality, produktivity a nákladů na praktické zhotovení svaru. Porovnávané svary přibližně stejné velikosti jsou zhotovené několika různými způsoby na ocelových plechách 4 až 6mm. Klasické metody svařování jsou porovnány s novými, progresivními za použití navržených technicko-

ekonomických kritérií. Tato kritéria byla navržena s ohledem na podmínky praxe k dosažení snadno dostupného kvalitního a produktivního řešení s minimálními náklady.

Cílem této práce je ukázat, že vhodně zvolenou technologií můžeme výrazně ovlivnit celkové náklady na požadovaný svarový spoj.

KLÍČOVÁ SLOVA:

MAG, koutový svar, náklady, kvalita, produktivita.

ANNOTATION

This theses utilises previous results of GMAW source-wire-gas optimizations for comparing of various welding methods from the point of view quality, productivity, and costs of weld performance. Compared welds app. of the same size (throat) are made with various methods on steel sheets of thickness 4 - 6 mm . Newly experimented welding methods, firstly used on this thickness, and new equipment were applied and compared with traditional advances, using designed technical-economical criteria. These criteria were designed with the respect to real conditions of praxis, to reach less costly, easily accessible and acceptable quality solution of this problem. The purpose of this work is to demonstrate that properly chosen and innovative experimented technology has a great influence to finished costs.

KEY WORDS:

GMAW, fillet weld, costs, quality, productivity.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnostíinformovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval(a) samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Na tom to místě bych rád velmi poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce, panu doc. Ing.

Zdeňku Hudcovi Ph.D., za odbornou pomoc, cenné připomínky a rady týkající se zpracování diplomové práce.

1. Úvod...14

2. Rešeršní část...14

2.1 Svařování procesy MIG/MAG...14

2.2. Přenos kovu v oblouku...16

2.3. Proud, rychlost drátu, tavný výkon drátu...16

2.4. Výlet drátu, délka oblouku, výška kontaktní špičky...17

2.5. Technicko - ekonomický model...18

2.5.1. K^ONSTRUKCE – M^ATERIÁL - K^VALITA...20

2.5.2. M^ATERIÁL – T^ECHNOLOGIE – K^VALITA...20

2.5.3. K^ONSTRUKCE – T^ECHNOLOGIE – K^VALITA...21

2.6. Způsoby svařování MAG...21

2.6.1. Z^{KRATOVÝPROCES}...21

2.6.2. S^{VAŘOVÁNÍPULZEM}...21

2.6.3. S^VAŘOVÁNÍ MAG ^{SVYSOKOUHUSTOTOUVÝKONU} (^METODOU H^IP^EN)...22

2.6.4. VYSOCEVÝKONNÉPROCESY...23

2.6.5. SVAŘOVÁNÍTRUBIČKOVÝMDRÁTEM FCAW...24

2.6.6. K^{ONTAKTNÍŠPIČKA} FAST^TIP...24

3. Experimentální část...25

3.2. Provádění experimentu a hodnocení vzorků...25

3.2. Laboratorní postup...26

3.2.1. PŘÍPRAVA...26

3.2.2. SVAŘOVÁNÍ...27

3.2.3. P^ŘÍPRAVAMETALOGRAFICKÝCHVZORKŮ...28

3.3. Použité zařízení, přídavný materiál, ochranné plyny...30

3.3.1. SVAŘOVACÍZDROJ MIGATRONIC OMEGA 550 S-V BASIC...30

3.3.2. PŘÍDAVNÝDRÁT...31

3.3.3. P^{OUŽITÉOCHRANNÉPLYNY}...32

3.3.4. P^{OUŽITÝMATERIÁL}...32

4. Naměřené výsledky svařování...33

4.1. Svařování ve zkratovém (přechodovém) režimu plným drátem 1,0 a 1,2 mm, plyn Ferromaxx 7 (F7)...33

4.2. Svařování ve zkratovém (přechodovém) režimu plným drátem 1,0 mm (synergie), plyn Ferromaxx 7...34

4.3. Svařování pulzním režimem...35

4.4. Svařování trubičkovým drátem...37

4.5. Svařování s vysokou hustotou výkonu...40

4.6. Svařování v oblasti RapidArc...42

5. Celkové zhodnocení použitých metod...43

6. Závěr...48

7. Použité vzorce:...49

8. Použitá literatura...50

Přílohy...52

A. Zápaly – NORMA ČSN EN ISO 5817...52

B. Překročení nosné výšky...52

C. Nadměrné převýšení koutového svaru...54

D. Tabulky svarů...55

Seznam obrázků

Obrázek 1 Svařovací zařízení pro ruční svařování metodami MIG/MAG [3]...15

Obrázek 2 Popis ustavení hořáku [TUL]...17

Obrázek 3 Podíl nákladů na svařování...19

Obrázek 4 Model koncepce pojetí svařovaných konstrukcí [TUL]...20

Obrázek 5 Průběhy proudu a napětí – laboratoř TUL...22

Obrázek 6 Charakteristika svařování metodou zkratovaná sprcha [8]...23

Obrázek 7 Charakteristiky procesů Rapid Arc a Rapid Melt [8]...23

Obrázek 8 Řez kontaktní špičkou ABICORBINZEL...24

Obrázek 9 Příprava materiálu...26

Obrázek 10 Nastavení hořáku...27

Obrázek 11 Svařovací pracoviště – TUL...28

Obrázek 12 Postup přípravy vzorků...28

Obrázek 13 Metalografická laboratoř – TUL...29

Obrázek 14 Nákres měřených rozměrů – TUL...29

Obrázek 15 Migatronic Omega 550 S-V Basic a technická data svařovacího zdroje [11]...30

Obrázek 16 Svary ve zkratovém režimu...33

Obrázek 17 Svary v přechodové oblasti...34

Obrázek 18 Průběh napětí 0,1s – 663...35

Obrázek 19 Svary pulzním režimem...35

Obrázek 20 Svary trubičkovým drátem 6102...37

Obrázek 21 Průběh napětí 0,1s – 669...38

Obrázek 22 Svary trubičkovým drátem 6102 špičkou FASTTip...38

Obrázek 23 Průběh napětí 0,1s – 673...39

Obrázek 24 Svary trubičkovým drátem 14.11...39

Obrázek 25 Svary metodou HiPen...40

Obrázek 26 Svary metodou HiPen...41

Obrázek 27 Svary v oblasti RapidArc...42

Obrázek 28 Vybraný svar ze zkratové oblasti...43

Obrázek 29 Vybrané svary impulzem...43

Obrázek 30 Vybrané svary trubičkovým drátem...44

Obrázek 31 Vybraný svar metodou HiPen...44

Obrázek 32 Vybraný svar metodou RapidArc...44

Seznam tabulek

Tabulka 1 Zkrat, hodnoty svarů podle kritérií...33

Tabulka 2 Přechodová oblast, hodnoty svarů podle kritérií...34

Tabulka 3 Pulz, hodnoty svarů podle kritérií...36

Tabulka 4 Trubička 6102, hodnoty svarů podle kritérií...37

Tabulka 5 Trubička 6102, hodnoty svarů podle kritérií...38

Tabulka 6 Trubička 14.11, hodnoty svarů podle kritérií...39

Tabulka 7 HiPen, hodnoty svarů podle kritérií...40

Tabulka 8 HiPen, hodnoty svarů podle kriterií...41

Tabulka 9 RapidArc, hodnoty svarů podle kritérií...42

Tabulka 10 Celkové hodnocení použitých metod...44

Seznam grafů

Graf 2 Celkové porovnání metod – kritérium celková cena 1m svaru (Csm)...46

Graf 3 Celkové porovnání metod - kritérium Q/v...46

Graf 4 Celkové porovnání metod – kritérium rychlost svařování (vs)...47

Použité zkratky:

V_D[ m

min] – rychlost drátu V_S[ m

min] – rychlost svařování I [A] – el. proud

U [V] – el. napětí

Q1 [kJ/cm] – měrné vnesené teplo

P_M[mm²] – vypočtená průřezová plocha návaru x [mm] – hloubka závaru ve směru osy x

x_MAX [mm] – maximální hloubka závaru ve směru osy x a [mm] – jmenovitá velikost koutového svaru

c [mm] – strana koutového svaru b [mm] - strana koutového svaru z [mm] - hloubka závaru

z_MAX [mm] - maximální hloubka závaru v[mm] – účinná výška koutového svaru

v_max [mm] –maximální účinná výška koutového svaru p [mm] – převýšení koutového svaru

w[mm] – šířka housenky

β [°] – úhel přechodu svaru do základního materiálu

MAG – (metal activ gas) – svařování drátem v aktivním ochranném plynu HiPen – svařování s vysokou hustotou výkonu

RapidArc – svařování s zrychleným zkratem C – čistý plech

Z – zkrat P – pulz

RA – RapidArc H – HiPen

T – trubičkový drát

F7 – ochranný plyn Feromaxx 7

92/8 – ochranný plyn – 92% argonu a 8% CO

k₁ - koeficient propalu drátu (dle výrobce k1=0,97)

k₂ – koeficient rozstřiku (podle druhu přenosu kovu k2=0,99 – 1) P_S−měřená plochasvaru[mm²]

P_N[mm²]−měřená plocha n ávaru PM [mm²] - vypočtená plocha návaru

h – účinnost přenosu tepla v oblouku (pro MAG h=0,85) a_t – teoretická nosná velikost

a - měřená nosná velikost f₂ – účinnost tavení materiálu ts [s]– doba svařování

ld [m]– délka drátu C [kč/m]– cena drátu

G [kč/m]– cena zpotřebovaného plynu W [kč/m]– cena práce

Csm [kč/m]– celková cena 1m svaru

1. Úvod

V minulosti byla na katedře provedena řada optimalizací svařování MAG různými, zejména vysokovýkonnými technologiemi s použitím různých zdrojů a příslušenství, různých ochranných plynů a plných i trubičkových drátů různých průměrů. Tato práce využívá databázi těchto informací pro výběr nejvhodnější technologie pro svařování ocelového plechu tl. 4 mm. Porovnávací studie s určitým množstvím experimentů byla již zveřejněna jako příspěvek na konferenci a článek ve sborníku METAL 2015. V další fázi jsme pokračovali v experimentech pro zpřesnění a rozšíření této práce.

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže SGS 21122 ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického

vysokoškolského výzkumu.

2. Rešeršní část

2.1 Svařování procesy MIG/MAG

Procesy MIG a MAG svařování v ochranných plynech tavící se elektrodou, nacházejí uplatnění ve výrobě ocelových konstrukcí, technických zařízení a při jejich opravách široké využití. V dnešní době jsou to důležité technologie spojování materiálů. Svařování MAG se využívá hlavně při spojování nelegovaných oceli a nízkolegovaných ocelí. Svařování MIG se využívá hlavně při spojování vysokolegovaných oceli a neželezných kovů. Přehled metod a jejich označování je dán normou ČSN EN ISO 4063. Číslovkou 131 se označuje proces MIG, proces MAG číslovkou 135. [1]

Do popředí se tyto dvě metody dostávají hlavně kvůli nesporným výhodám jako je vysoká produktivita a hospodárnost provádění spojů, dobrá operativnost i při svařování v polohách, vhodnost pro ruční, mechanizované a robotizované provádění procesu svařování, možnost využití metod svařování u širokého sortimentu konstrukčních materiálů, malé deformace svarových spojů a svařovaných konstrukcí, příznivé podmínky pro uplatnění v praxi (dostupnost svářečské techniky, přídavných materiálů a technických plynů).

[1, 2]

Při svařování procesy MIG a MAG hoří elektrický oblouk mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem. Celý děj probíhá za přítomnosti ochranné atmosféry. V případě metody MIG v inertním plynu, u metody MAG potom v plynu aktivním. Přenos elektrického proudu na elektrodu (drát) probíhá pomocí třecího kontaktu elektrody s

kontaktní špičkou, která je umístěna na konci hořáku, aby zatížená délka drátu byla co možná nejkratší. Drát je dopravován do místa svařování pomocí podávacích kladek, které jsou umístěny v podavači. Podavač drátu pak může být součástí zdroje, či umístěn na hořáku.

Dnes jsou běžné i kombinace. Drát je odmotáván z cívky (nejčastěji 15 kg) či barelu (250 kg). Proudová hustota je u MAG svařování jedna z nejvyšších až 600 A.mm-2. Velikost použitého proudu pro svařování tenkých plechů s průměrem drátu 0,6 – 0,8 mm se pohybuje od 30 A. V případě vysokovýkonných mechanizovaných metod až do 800 A. Přenos kovu do lázně je závislý na parametrech svařování a použitém ochranného plynu. Obecně lze říci, že pro tenké plechy je běžný zkratový přenos a pro větší tloušťky svařovaných materiálů přenos sprchový. Dosahované teploty oddělujících se kapek svarového kovu se pohybují přibližně v rozmezí 1700 až 2500 °C a teplota svarové lázně 1600 až 2100 °C, přičemž závisí především na technologii, parametrech svařování, na chemickém složení a vlastnostech materiálu. [2]

Obrázek 1 Svařovací zařízení pro ruční svařování metodami MIG/MAG [3]

Jednou z výhod metod MIG/MAG je možnost automatizace a robotizace, což má kladný vliv na kvalitu svařenců, hygienu pracovního prostředí a na zlepšení pracovních podmínek personálu obsluhujícího svařovací zařízení. I z tohoto důvodu svařování metodami MIG/MAG získalo na základě svých technických a technologických

předností hlavní postavení mezi obloukovými metodami svařování. Vývoj těchto metod svařování byl v poslední době zaměřen na zvýšení produktivity svařování, zvýšení stability procesu hoření oblouku, zvýšení jakosti provádění svarových spojů a zlepšení hygieny práce při svařování. [1, 2]

Ochranné plyny při svařování MIG/MAG mají za úkol zamezit přístupu okolní

atmosféry do oblasti svařování, hlavně ochránit oblouk, tavnou lázeň, elektrodu a kořen svaru před účinkem vzdušného kyslíku a dusíku, které způsobují oxidaci, pórovitost, naplynění a propal prvků. Ochranné plyny mají také velký vliv na typ a přenos kovu v oblouku, přenos tepelné energie do svaru, chování tavné lázně, hloubku závaru, svarový rozstřik a rychlost svařování. [2]

2.2. Přenos kovu v oblouku

Přenos kovu v oblouku patří mezi základní charakteristiky metody svařování elektrickým obloukem tavící se elektrodou a závisí především na svařovacích parametrech tj. proudu a napětí. Významně však jeho charakter ovlivňuje složení ochranného plynu, druh přídavného materiálu a technika svařování [4]

Přenos kovu v oblouku můžeme rozdělit na jednotlivé typy : a) krátký oblouk se zkratovým přenosem kovu

b) krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem c) přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty d) dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem e) impulzní bezzkratový oblouk

f) moderovaný bezzkratový přenos

g) dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu

2.3. Proud, rychlost drátu, tavný výkon drátu

Proud I (A) je základní procesní proměnnou při obloukovém svařování. V procesu MAG na intenzitě proudu závisí nejen tavný výkon a hloubka závaru, ale také způsob přenosu kovu mezi elektrodou a plynem chráněnou tavnou lázní. Hodnotu proudu lze předem nastavit pouze analogicky, skutečnou hodnotu naměříme až po zapálení oblouku a tehdy je možné jej teprve seřídit nastavením rychlosti drátu.

Tavný výkon (P) závisí na anodovém poklesu napětí Ua a odporu konce drátu R (), kterým je proud veden od kontaktní špičky po anodovou skvrnu – výlet drátu L (mm). Tavný výkon generovaný celkovým poklesem potenciálu je určen vztahem (1), kde  je měrný odpor drátu a D jeho průměr.

P = I.(Ua + I.R) = I.Ua + I²..L/D² (1)

Z toho vyplývá, že při daném výkonu zdroje délka volného konce drátu (výlet) zvyšuje podíl tavení drátu na úkor tavení materiálu obloukem, takže při rostoucí ploše svaru klesá podíl závaru a tím i efektivita provedení svaru.

Skutečnost, že při svařování MAG svařovací proud taví především přídavný materiál zdánlivě limituje možnosti jeho využití k zintenzívnění procesu, protože plocha závaru více- méně odpovídá velikosti návaru. To však platí jen bez uvažování již zmíněného vlivu rychlosti svařování. [5]

2.4. Výlet drátu, délka oblouku, výška kontaktní špičky

Obrázek 2 Popis ustavení hořáku [TUL]

U MAG svařování je drát podáván do oblouku určitou rychlostí a jí odpovídá velikost proudu při daném sklonu ploché charakteristiky zdroje. Plochá charakteristika má samoregulační charakter, který kompenzuje rozdíly LO, během svařování automatickým podáváním zvýšeného nebo sníženého proudu k dosažení rovnováhy, to ale platí bezezbytku jen u vysoce vodivých materiálů. U ocelového drátu hraje důležitou roli odpor ve výletu drátu. Na rozdíl od ručně vedeného (poloautomatického) svařování MAG, při automatickém svařování máme pevně danou výšku kontaktní špičky nad povrchem LC. Tato vzdálenost se skládá z délky oblouku LO a výletu drátu L (obr. 2). Změnou výšky špičky nebo rychlostí drátu můžeme výlet drátu i délku oblouku měnit. Při zvyšování rychlosti drátu, zvětšujeme výlet drátu na úkor délky oblouku. Zvětšením LC se zvyšuje délka oblouku a proud se snižuje vlivem zvýšeného odporu v obvodu v daném okamžiku tak, jak to plochá charakteristika vyžaduje. Tím se sníží tavný výkon.

Délka oblouku LO určuje rozdělení proudu a tlaku na povrchu svarové lázně a tedy i její velikost a tvar. Příliš krátký oblouk způsobuje zkrat elektrody se svarovou lázní, nižší tavení zákl. materiálu vysoký a úzký návar, nerovnoměrné vnášení tepla a větší možnost výskytu vad. Naopak příliš dlouhý oblouk způsobuje plochý, mělký návar, dovoluje oblouku větší pohyb, zvyšuje rozstřik a může způsobit porositu turbulencí vzduchu. Délka oblouku je základní podmínkou existence procesu a ekvivalentem napětí.[5]

2.5. Technicko - ekonomický model

Svarový spoj je nejdražším prvkem svařovaných konstrukcí. Tedy jednoduchou úvahou se dostáváme k myšlence, že čím méně bude svarů, tím menší budou náklady. Možnosti ve volbě technologií svarových spojů jsou příliš rozmanité, než aby šli vyřešit jedním, tím ideálním způsobem. U vstupních podmínek je tomu podobně. Jednotlivé požadavky se liší v závislosti na typu konstrukce, požadované úrovně kvality a požadavků výroby.

To vše vytváří nepřeberné množství řešení. Model, kterým se budeme při hodnocení řídit, se skládá z 5 faktorů určující celkový náklad na svar. Do ceny svaru vstupují ceny

spotřebovaného drátu, plynu, energie, odpisů na používané nástroje a nářadí. Největší podíl na výsledném nákladu má však práce. Ať je to cena práce lidského zdroje zhotovující svar, nebo hodinová práce plně automatizovaného pracoviště. Pro naši potřebu jsme spojili odpisy a hodinovou práci do jednoho kritéria. Předpokládáme, že při kalkulaci nabídky práce již počítáme s odpisy zařízení. Při experimentech jsme se převážně pohybovali v oblastech přesahujících možnosti ručního svařování. Proto jsme volili fixní pracovní hodinovou sazbu svařovacího automatu, pro všechny experimenty shodně 1500 Kč za hodinu práce. Spotřebu drátu lze ovlivnit jen těžko. Jeho určujícími parametry jsou rychlost svařování a plocha návaru. Je tedy patrné, že snížením plochy dojde i ke snížení potřebné délky drátu. Při vhodně zvolené metodě svařování lze dosáhnout zásadní přidané hodnotě, závaru. Tím nám vzroste celková nosná výška svaru, která je žádoucí. Otevírá nám možnost teoreticky snížit nosnou výšku a využít závar svaru, které v součtu dávají celkovou nosnou výšku. Plyn je závislý na rychlosti svařování, míry nastavení ovládacího ventilu. Ovšem ochranný plyn hraje významnou úlohu při výsledné kvalitě svarů. Naší snahou je vytvořit svary

v odpovídající kvalitě. Zkoumat vlivy množství přivedeného plynu na svar není naším cílem.

Ceny spotřebovaného materiálu jsme volili dle ceníků výrobců aktuálních k datu vzniku této práce.

Další možností je využití funkce IGC^®, která je integrována do moderních zdrojů firmy Migatronic. Náklady na elektrickou energii jsou závislé na parametrech svařování (proud a napětí), na účinnosti použitého zařízení a koeficientu hoření oblouku.

Inteligentní regulací plynu IGC^® jsou standardně vybaveny všechny stroje řady Sigma Galaxy, Sigma², Omega² a Flex²; tato dynamická regulace průtoku plynu umožňuje sledování spotřeby plynu a dosažení optimální úrovně provozní bezpečnosti. Při použití funkce IGC® lze dosáhnout i 50% úspory plynu a úměrně tomu i snížení počtu výměn tlakových lahví s plynem, což přispívá ke zvýšení hospodárnosti, ochrany životního prostředí a efektivity.

[6]

Tato regulace je však vhodná jen pro komerční způsoby svařování. Pro vysokovýkonné metody není šetření plynem na místě. Proto jsme nechali tento regulátor vyřadit a nastavovali jsme hodnotu průtočného množství podle předešlých zkušeností.

Obrázek 3 Podíl nákladů na svařování

Dle obr.3, který je odhadem rozboru nákladů pro západní Evropu (v USA se odhaduje podíl mezd kolem 85%), je na první pohled zřejmé, že největší vliv na celkovou cenu výsledného svaru bude mít produktivita. Je evidentní, že snaha snížit náklady na svar je komplexní záležitostí zahrnující mnoho hledisek.

Ke každé svařované konstrukci lze přistupovat podle jednoduchého modelu tří podmínek:

konstrukce – materiál – technologie. Tento jednoduchý model se změnil příchodem moderních trendů zabývajících se otázkou managementu jakosti, které zasáhly celou oblast výroby a služeb a tomu se musel přizpůsobit i přístup ke svařovaným konstrukcím. Kvalita se stala hlavním faktorem provedení svarových spojů konstrukcí.

Nový model by se dal formulovat takto: materiál – konstrukce – technologie, kde hlavním středobodem je kvalita. Tento model se dá rozložit na tři skupiny:

Obrázek 4 Model koncepce pojetí svařovaných konstrukcí [TUL]

2.5.1. Konstrukce – Materiál - Kvalita

První trojúhelník představuje správnou volbu materiálu pro požadovaný design, který byl volen s ohledem na konečnou mez kluzu a deformaci. Základním problémem tohoto postupu je náročný proces při vyhodnocování vad, které doprovází experimentální spoje. Tento starý přístup vytváří spousty zbytečných oprav a tudíž zbytečné navýšení nákladů. Jediným rozumným přístupem k výběru správného materiálu pro daný účel je vyhodnocování přítomnosti defektu po svařování.

2.5.2. Materiál – Technologie – Kvalita

Tento trojúhelník se zaobírá svařitelností materiálů, které zabezpečí kvalitní svarový spoj požadovaných mechanických vlastností. Nové svařitelné oceli vytvářejí jemnozrnnou strukturu a vytváří precipitační zpevnění. Vykazují nízkou přechodovou teplotu, která spolu s vysokou pevností zaručuje jejich houževnatost při provozu. Nízký obsah uhlíku a

přítomnost legujících prvků zaručují svařitelnost bez jakéhokoliv tepelného zpracování před, během i po svařování. Tyto oceli naopak vyžadují omezený tepelný příkon.

2.5.3. Konstrukce – Technologie – Kvalita

Volba vhodné technologie není tak jednoznačnou věcí, jak by se zdálo. S použitím

moderních GMAW zdrojů můžeme volit z předem připravených programů (synergie), ale znalostí a zkušeností při návrhu mohou vést k mnoha způsobům, jak navrhnout a vyrobit svar potřebné velikosti. Nejúčinnější metody nejsou tak snadno dostupné. Automatizace a robotizace je zde základním předpokladem. Volba materiálu a designu konstrukce není předmětem našeho zkoumání.

Minimální počet svařovaných dílů, který zajištuje minimální počet svarů. To spočívá v použití polotovarů vyrobených levnější a méně náročnější technologií než je svařování.

Základem při ekonomické rozvaze svařovaných konstrukcí je svar.

Minimální tloušťka plechu určuje minimální velikost svaru. To vede k hledání nových vysoko pevnostních materiálů (HSS).

Minimální míra měrného vneseného tepla Tento přístup je předmětem studie [7]

2.6. Způsoby svařování MAG

2.6.1. Zkratový proces

Klasický zkratový proces je statisticky proměnným procesem. Množství kovu elektrody přeneseného do lázně při každém zkratu se může měnit. To vyplívá hlavně z času hoření oblouku, při kterém kapka narůstá. Například, jak se přenese větší množství kovu, na co je potřebné prodloužení času hoření oblouku, proces potřebuje určitý čas, aby se vrátil do původní frekvence. Velikost kapky se řídí objemem nataveného kovu ve fázi hoření oblouku buď výškou proudu, nebo časem hoření oblouku. Fáze zkratu se řídí výškou zkratového proudu a časem jeho trvání.[8]

2.6.2. Svařování pulzem

Jediným ze způsobů, jak realizovat kapkový přenos kovu i při nízkých a středních

parametrech sváření nízkouhlíkových ocelí je aplikace impulzního svařovacího procesu. Ten umožňuje rozdělit střední energii oblouku na dvě různé energetické hladiny – impulz a základ. V čase impulzu, kdy svářecí parametry dosahují nadkritické hodnoty, se tvoří kapky tekutého kovu, oddělují se. Po oddělení kapky, kdy dosáhl stav jejího volného letu

obloukem, není třeba setrvávat v nadkritické oblasti. V tomto momentě je vhodné přejít na nízké svářecí parametry, během kterých doletí odtrhnutá kapka obloukem do lázně. Pomocí základních parametrů se udržuje především hoření oblouku, bez výrazného zahřívání elektrody a základního materiálu. Celková střední energie svářecího procesu dosahuje hodnot klasického zkratového procesu. Aplikace impulzního svářecího procesu vytváří rozdělením energií na fázi impulzu a základu vhodné podmínky pro realizaci sprchového

S využitím moderních invertorových zdrojů s řídící frekvencí 50 kHz bylo možno snížit napětí a výlet drátu v oblasti sprchového přenosu kovu až dochází ke zkratování jednotlivých drobných kapek sprchy, což je patrné na záznamu z monitorování procesu, kde možno napočítat přes 600 zkratů za sec. Tato zkratovaná sprcha způsobuje hluboký závar a

umožňuje svařovat vyšší rychlostí než v oblasti klasické sprchy. Vlivem nižšího napětí vnáší do svaru i méně měrného tepla. [9]

Obrázek 5 Průběhy proudu a napětí – laboratoř TUL

Obrázek 6 Charakteristika svařování metodou zkratovaná sprcha [8]

2.6.4. Vysoce výkonné procesy

Modifikace vysokorychlostních svařovacích procesů má dvě varianty: Rapid Arc a Rapid Melt. Oba jsou založené na stejném principu. Používají vysokou rychlost podávání drátu, běžně okolo 30 m/min a uplatňuje se zvýšený výlet elektrody z běžné hodnoty 10 – 16 mm,

na 20 – 35 mm, čímž se zvýší odpor a konec elektrody se více ohřeje. Oba dva faktory větší výlet a vyšší rychlost podávání drátu zvyšují výkon natavení svarového kovu. Při procesu Rapid Arc vzniká zrychlený zkratový proces v rozsahu nižších napětí a vyšších proudů. Tím se dá zvýšit výkon odtavení svarového kovu i při svařování zkratovým procesem.

Proces Rapid Arc si zachovává výhody zkratového procesu, které se s výhodou používají při svařování tenkých plechů. Minimální tloušťka je v tomto případě 1 mm.[8]

Obrázek 7 Charakteristiky procesů Rapid Arc a Rapid Melt [8]

2.6.5. Svařování trubičkovým drátem FCAW

Při FCAW se pracuje s plněnou elektrodou (trubičkovým drátem), která je tvořena páskou svinutou do kruhového průřezu nebo tenkostěnnou trubičkou, s vnitřní náplní tavidla, případně kovového prášku, případně i s potřebnými legurami. Oproti plnému drátu lze u plněné elektrody docílit různým složením plniva i potřebných operativních svařovacích vlastností i různých vlastností svarového kovu.

2.6.6. Kontaktní špička FASTtip

Kontaktní špička je nejdůležitější částí hořáku. Pro stabilitu oblouku je důležité, aby se kontaktní místo přechodu proudu neměnilo a bylo trvale na začátku kontaktu. Při opotřebení špičky se kontaktní místo během svařování mění a destabilizuje oblouk. Dále je tu problém zvětšení výletu drátu, kromě ochrany plynem i ve stabilitě procesu – volný konec drátu, podávaného vysokou rychlostí přirozeně kmitá a je navíc intenzivně chlazen proudícím plynem, což snižuje jeho odporem generované teplo, na jehož principu funguje i zrychlený zkrat. Ideální by bylo tento volný konec izolovaně uchytit.

Firma Abicor Binzel přišla na trh s kontaktní špičkou FASTtip, viz obr. 8 [10], jejíž dolní část je opatřena keramickou výstelkou v délce 10 mm a v této délce zvyšuje odporové teplo izolací a navíc drát pevně vede. Špička FASTtip byla vyrobena pro použití při svařování ve

Obrázek 8 Řez kontaktní špičkou ABICORBINZEL

3. Experimentální část

3.2. Provádění experimentu a hodnocení vzorků

Návrh experimentálních svarů

Při experimentech budeme porovnávat koutové svary o nosné velikosti min. 4 mm včetně závaru, zhotovené v oblastech zkratu, pulzu, které se tradičně používají a inovativně také zrychleného zkratu a zkratované sprchy, které byly dosud použity pro plechy min 8 mm tloušťky a dále za použití plného a trubičkového drátu, případně s použitím špičky s keramickou výstelkou. Obtížnost tohoto úkolu je v přesnosti předběžného odhadu hloubky závaru u jednotlivých metod svařování na určité tloušťce plechu tak, aby celková nosná výška svaru včetně závaru byla v přijatelné toleranci a nebyla menší než 4 mm. Výhodou je možnost použití databanky již provedených a vyhodnocených svarů z minulých prací.

Nicméně i v této rozsáhlé databázi se najde jen málo vyhovujících svarů, protože její převážná část se týká svařování plechů min. tl. 8 mm. Nejbližším zdrojem jsou bakalářské práce (Nosek, Volák, Haman) a diplomová práce (Nosek), kde byly použity tenčí plechy.

Některé z těchto svarů byly použity přímo pro porovnávací studii a některé jako zdroj informací pro vlastní experimenty.

Zařízení, na němž budeme experimenty provádět je zapůjčený zdroj OMEGA 550. Při svařování použijeme plný drát ESAB OK Aristorod 12,50 Ø 1,0 a 1,2 mm a trubičkové

dráty s kovovou náplní PZ 6102 Ø 1,2 mm a OK Tubrod 14.11 Ø 1,2 mm.

Jako přednostní ochranná atmosféra bude použit třísložkový plyn Ferromax 7, který je pro tuto tloušťku plechu nejvhodnější ale i dvousložkový plyn 92/8 u starších vzorků.

Hodnocení vzorků

Jako referenční technologie pro porovnání bude použita klasická technologie svařování plným drátem 1,0 mm zkratovým přenosem kovu. Inovativně použijeme kombinaci technologických, geometrických, kvalitativních a ekonomických kritérií.

Technologická kritéria:

Hlavním porovnávacím parametrem svařovacího procesu jsou proud I (A), který

reprezentuje hustotu výkonu a rychlost svařování VS (m/min), která určuje efektivitu tavení a produktivitu procesu. Měrné vnesené teplo Q (kJ/cm) je uznávané technologické

kritérium, které má přímý vztah k negativním projevům vnitřního pnutí a deformace a tím i ke kvalitě. Vzhledem k tomu, že nosná výška svaru byla v určité toleranci, doplnili jsme objektivnější kritérium Q/v, které měrné teplo vztažené na jednotnou délku vztahuje i na jednotnou nosnou výšku. Doplňující hodnota je efektivita tavení f.

Geometrická kritéria:

Základním geometrickým kritériem je plocha návaru P (mm²), která odpovídá objemu odtaveného drátu. Výsledné hodnoty, určující efektivitu tohoto návaru je účinná výška svaru v (mm), a hloubka závaru z (mm).

Kritéria kvality:

Kvalita K housenky koutového svaru je určena normou a pro tuto práci jsme ji zjednodušili jako stupeň 1 (odpovídá B podle normy) stupeň 2 (C) a stupeň 3 (D). Pro bližší představu jsme doplnili ukazatelem poměru převýšení k šířce svaru p/w.

Ekonomická kritéria:

Stupeň náročnosti procesu N (technická, ale i technologická náročnost, speciální vybavení), byl hodnocen koeficientem 1-3 (1 – nízká, 2 – střední, 3 – vysoká)

Odhad celkových nákladů potřebných na 1m svaru (Kč/m). Odhad zahrnuje vnější faktory, které reprezentují cenu spotřebovaného drátu C, plynu G a práce W.

3.2. Laboratorní postup

3.2.1. Příprava

Plechy velikosti 100 x 200 mm, vyrobené nástřihem na nůžkách, se z poloviny obrousily na

jsme oba díly sesazené pomocí magnetické upínky spojili na obou koncích.

Obrázek 9 Příprava materiálu 3.2.2. Svařování

Nastehovaný vzorek jsme vložili do polohovadla a nastavili o 30⁰ vůči vodorovné ose (Obr.:

10). Osu polohovadla jsme srovnali s osou dráhy lineárního svařovacího automatu. Nastavili jsme úhel hořáku, jeho sklon, vzdálenost kontaktní špičky od hrany vzorku zkontrolovali excentricitu.

Dále jsme nastavili parametry svařovacího procesu - rychlost podávání drátu, rychlost svařování, napětí na prázdno a průtokové množství ochranného plynu, a uvedli v pohotovost monitorovací zařízení.

Obrázek 10 Nastavení hořáku

Vlastní svařování začalo spuštěním pojezdu automatu, monitorování a nakonec samotného oblouku. Ukončení procesu proběhlo v opačném sledu. Zchladlý vzorek jsme očistili kartáčem od zbytkových nečistot, poté jsme provedli vizuální zhodnocení tvaru svarové

housenky a nahlédli do záznamu na monitorovacím zařízení.

Pokud svar splňoval geometrické a parametrické požadavky, byl označen a připraven pro další zpracování. Pokud ne, vzorek byl vyhozen a po seřízení geometrie a parametrů se experiment opakoval. Dobrý vzorek byl označen razidlem ve střední části pro

metalografický výbrus i na obou koncích pro dočasnou úschovu. Naměřené hodnoty pomocí SW WeldMonitor jsme zapsali do tabulky. Po vychladnutí byl svar vyfocen a orýsován pro odřezání přebytečného materiálu kyslíkem.

Obrázek 11 Svařovací pracoviště – TUL

3.2.3. Příprava metalografických vzorků

Po odřezání kyslíkem vznikla tyč, z jejíž střední části jsme laboratorní pilou vyřízli vzorek cca 20 mm, očistili a odjehlili hrany. Vzorky jsme umístili do forem a zalili dentacrylem. Po ztuhnutí jsme tyto vzorky podrobili předepsanému procesu broušení, leštění a leptání.

Obrázek 12 Postup přípravy vzorků

Obrázek 13 Metalografická laboratoř – TUL

Vzorky jsme umístili na zařízení optického mikroskopu schopného pořizovat snímky s požadovaným zvětšením (1:10). U vzorků, které svými rozměry přesahovali možnosti standardního nastavení mikroskopu, jsme použili nástavec, který umožňoval komplexnější náhled vzorku. Přes kameru spojenou s počítačem jsme snímali detaily svarů, jež jsme podrobili kompletní geometrické analýze v SW Nis- elements a hodnoty zapsali do tabulky.

Z hodnot, získaných a zapsaných v tabulce, jsme vypočítali hodnoty určené jako porovnávací kritéria.

Obrázek 14 Nákres měřených rozměrů – TUL

3.3. Použité zařízení, přídavný materiál, ochranné plyny

3.3.1. Svařovací zdroj Migatronic Omega 550 S-V Basic

Svařovací zdroj Omega² 550 S-V Basic je určen pro svařování plechů, tenkostěnných materiálů, opravy karosérií a pro lehký průmysl. Zdroj ve verzi Basic umožňuje nastavit ručně dvěma ovládacími knoflíky druh ochranného plynu a tloušťku svařovaného materiálu a nastavená data se vám zobrazí na dvou přehledných displejích umístěných nad ovládacími knoflíky. Ostatní parametry zdroj automaticky nastaví. Omega² 550 jsou standardně

vybaveny možností změny polarity, takže umožňují i použití trubičkových drátů innershield (tj. bez potřeby plynové ochrany). S čtečkou SD karty instalovanou v podavači strojů Omega² můžete snadno doplnit Váš stávající software o nové svařovací programy.

Svařovací zdroj Omega² 550 S-V Basic je vybaven vodou chlazeným hořákem MV 500 FKS Twist o délce 3m, nízkým vozíkem, 8,5m síť.kabelem, 3m zemnícím kabelem,

snímatelným podavačem s mezikabelem délky 1,5m, sadou kladek pro drát o průměru 1,2V a spořící plynovou hadicí. [11]

Obrázek 15 Migatronic Omega 550 S-V Basic a technická data svařovacího zdroje [11]

3.3.2. Přídavný drát

Pro námi navržený postup experimentů jsme se rozhodli použít plného i trubičkového přídavného materiálu osvědčených výrobců na našem trhu.

Plný drát

ESAB OK Aristorod 12,50 Ø 1,0 a 1,2 mm. Nepoměděný svařovací drát nové generace, je určený pro svařování většiny běžných nelegovaných ocelí. Především tam, kde jsou

vyžadované vysoké svařovací parametry a vysoká podávací rychlost drátu, tj. na mechanizovaných a robotizovaných pracovištích.[12]

Technické informace: doporučený svařovací proud: 120 – 380 A chemické složení drátu: C 0,1, Si 0,9, Mn 1,5 mez kluzu 470 Mpa, pevnost 560 Mpa, tažnost 26%

Lincoln

Drát pro svařování nelegovaných konstrukčních ocelí do pevnosti 590 MPa. Supra-MIG je drát vyvinutý v laboratořích Lincoln Electric, jehož zcela specifické vlastnosti ho řadí ke špičce v této kategorii. Vyniká zejména stabilitou oblouku, malým rozstřikem v širokém rozsahu parametrů svařování, při použití ve sprchovém procesu přechází do sprchy o cca 30 - 40 A dříve. Osvědčuje se pro aplikace s vysokými požadavky na jakost svarů na tlakových nádobách, ocelových konstrukcích apod. Jeho vlastnosti ho předurčují pro použití na automatizovaných a robotizovaných pracovištích.

Technické parametry : chemické složení drátu: C0,1; Si 0,9; Mn1,5, mez kluzu 470 MPa, pevnost 570 MPa, tažnost 25%

Trubičkový drát s kovovou náplní

PZ 6102 – Plněná elektroda s náplní kovového prášku pro svařování ocelí střední a vyšší pevnosti. Je především určena pro svařování dílů z tenkých plechů (>3 mm) z ocelí s mezí kluzu do 460 MPa ve všech polohách kromě polohy shora dolů. Právě pro dobrou stabilitu oblouku je vhodná i pro ručně prováděné tvarové svary a kořenové housenky. [12]

OK Tubrod 14.11 - Plněná elektroda s kovovou náplní, jejíž svařovací vlastnosti byly optimalizovány pro svařování jedno i vícevrstvých tupých i koutových svarů, především v polohách PA, PB, na robotizovaných pracovištích. Drát má vynikající podavatelnost a perfektní svařovací vlastnosti s minimálním rozstřikem a snadným znovu zapalováním oblouku. Lze dosáhnout velmi dobrých výsledků i při svařování dílů opatřených základním

nátěrem [15]

3.3.3. Použité ochranné plyny Plyn Ferromaxx 7

Je třísložková směs vyráběná firmou AirProduct. Poměr plynů je 90,5 % argonu, 7 % CO2, 2,5 % kyslíku. Směs je převážně určená pro svařování uhlíkových ocelí a galvanicky pokovených ocelových plechů. Umožňuje zlepšení kvality svaru a snížení zmetkovitosti, poskytuje stabilní oblouk, zejména při nízkých napětích u tenkých a středně silných materiálů (do tloušťky 10 mm) a pro svařování v polohách.

Díky nízkému rozstřiku se zkracuje doba čištění po svařování. Vynikající charakteristiky v oblasti pulzního oblouku. [13]

MISON 8

Od fy AGA, vhodný pro svařování pulzem a vysokovýkonnými procesy, složení: 92% argonu a 8% oxidu uhličitého [14]

3.3.4. Použitý materiál

Cílem mé práce nebylo zjišťovat vhodnost svařovacích materiálů, nýbrž porovnávat stávající osvědčené technologie podle technicko – ekonomických parametrů. Z toho důvodu jsme volili materiál S235JRG1, běžných kvalit se zaručenou svařitelností. Svařovaný materiál měl tloušťku 4 a 6 mm.

Pro svary zhotovené v oblastech Rapid arc jsme použili ocel S355, materiál dodaný firmou Bombardier. Jedná se o mikrolegovanou ocel vyšší pevnosti, nižší hmotnosti z hlediska použití a setrvačnosti na únavově namáhané dopravní prostředky, např. železniční vagóny.

4.1. Svařování ve zkratovém (přechodovém) režimu plným drátem 1,0 a 1,2 mm, plyn Ferromaxx 7 (F7)

Čistě zkratová oblast s proudy pod 180A je neefektivní, proto byly tyto svary zhotoveny v přechodové oblasti, která je při použití invertorového zdroje velmi stabilní a efektivní.

Nejefektivnější svar zhotovený tímto režimem jsme určili jako porovnávací - jako vztažný základ, se kterým budeme srovnávat nejefektivnější svary zhotovení dalšími metodami svařování.

Obrázek 16 Svary ve zkratovém režimu Tabulka 1 Zkrat, hodnoty svarů podle kritérií

Diskuse

Svar CZ14, zhotovený drátem 1,2 mm v horním rozsahu rychlosti svařování, ještě

dosažitelné manuálním vedením. Z hlediska zajištění kvality je to spodní limit, další snížení

rychlosti svařování by bylo na úkor kvality. Je to ukázkový kvalitní svar podle současných představ, kde nominální velikost svaru a je cca 4 mm a závar, který se do nosné velikosti nepočítá, protože se nezjišťuje, je dostatečný pro zajištění kvality.

U ostatních svarů, zhotovených drátem 1,0 mm už započítáváme závar do nosné velikosti svaru, což se projeví v menším potřebném objemu návaru. Efektivita provedení roste s rychlostí svařování, která roste poměrně k rostoucí rychlostí drátu a tím i proudu. Nejvyšší efektivitu má svar 14, zhotovený dvojnásobnou rychlostí proti svaru CZ14 a vykazuje i poloviční náklady a poloviční vnesené teplo.

Z hlediska geometrie jsou všechny svary v nejvyšší kvalitě, svary W8 a 14 vykazují nepatrné zápaly a tím vymezují maximální rychlost svařování pro tuto technologii a velikost.

4.2. Svařování ve zkratovém (přechodovém) režimu plným drátem 1,0 mm (synergie), plyn Ferromaxx 7

Obrázek 17 Svary v přechodové oblasti

Tabulka 2 Přechodová oblast, hodnoty svarů podle kritérií

Diskuse

Použitím drátu 1,0 mm nebylo ani v jenom případě dosaženo předpokládané hloubky závaru

dostatečná. Ze záznamu na obr. 18 je patrné, že se jedná o kapkový přenos bez zkratů s frekvencí 110 Hz, tedy na konci přechodové oblasti. Vyšší hodnoty posunou tento režim do sprchové oblasti se zápaly nebo do oblasti zkratované sprchy, která je hodnocena

samostatně.

Obrázek 18 Průběh napětí 0,1s – 663

4.3. Svařování pulzním režimem

Pro zhotovení vzorků touto metodou jsme použili dráty 1,0 a 1,2 mm. Ochranné plyny F7 a 92/8.

Obrázek 19 Svary pulzním režimem

Diskuse

Svary 10 a 101 měly nastavené shodné parametry, ale rozdílný ochranný plyn (10-F7,101-92/8).

Z porovnání není patrný větší rozdíl. Oba svary jsou bez závaru a tak ani požadovaná nosná výška nevyhovuje. Naopak zvýšením rychlostí drátu a svařování u svaru 11 už je dosaženo požadované hloubky závaru ke splnění minimální nosné velikosti a zároveň došlo ke snížení měrného vneseného tepla.

Vzorek 14 je svařený 1,2 mm drátem pod plynem F7. Hloubka závaru se zvýšila a posunula nosnou výšku výrazně nad požadovanou hodnotu. Vnesené teplo vzrostlo o 50%. Pro drát 1,2 mm je to však spodní limitní hodnota. Další snížení vneseného tepla by bylo na úkor kvality svaru.

Tabulka 3 Pulz, hodnoty svarů podle kritérií

4.4. Svařování trubičkovým drátem

Skupinu svarů 67,68,69 a 36 jsme svařovali klasickou špičkou, svary 71, 72, 73 a 315 za použití špičky FASTTip. V obou případech jsme použili trubičkový drát s kovovou náplní 6102, skupinu 41, 42 drátem 14,11. Ve všech případech jsme experimenty prováděli pod ochrannou plynu F7.

Obrázek 20 Svary trubičkovým drátem 6102.

Tabulka 4 Trubička 6102, hodnoty svarů podle kritérií

Diskuse

Svar 667 má hluboký závar a je nadlimitně převýšený s patrným zápalem na straně stojiny, tím limituje maximální rychlost svařování. Svar 668 je proveden při snížené rychlosti svařování, což se projevilo v menším převýšení bez zápalu. Svar 669 má při nepatrném zvýšení napětí ideální tvar s hlubokým trychtýřovitým závarem a minimálním převýšením bez zápalů, které výrazně zvyšuje nosnou výšku, nad požadovanou hodnotu.

Záznam na obr. 21 ukazuje moderovaný sprchový přenos s frekvencí 300 Hz a 6-8mi kapkami mezi jednotlivými vlnami. Mírné zvýšení rychlosti svařování u svaru 36 snižuje nosnou výšku na požadovanou úroveň a tím i vnesené teplo.

Obrázek 21 Průběh napětí 0,1s – 669

Obrázek 22 Svary trubičkovým drátem 6102 špičkou FASTTip

Diskuse

Svary v této kategorii, kromě 315, jsou výrazně excentrické na stranu stojiny s menším zápalem a mělkým závarem do pásnice. Všechny mají hluboký závar a díky přijatelnému převýšení i větší než požadovanou výšku. Vyšší dosažitelná rychlost svařování a nepatrné snížení vneseného tepla zvyšuje produktivitu této metody ve srovnání se svařováním klasickou špičkou. Modus přenosu kovu moderovanou sprchou je stejný (obr. 23).

Obrázek 23 Průběh napětí 0,1s – 673

Obrázek 24 Svary trubičkovým drátem 14.11

Tabulka 6 Trubička 14.11, hodnoty svarů podle kritérií

Diskuse

Drát Tubrod 14.11 vykazuje vysokou produktivitu při svařování plechu do tl. 2 mm, které je možno svařovat rychlostí až přes 2 m/min. U plechu 4 mm už tyto vlastnosti neprokázal. S rychlostí svařování jsme museli klesnout až pod úroveň svařování drátem PZ 6102, abychom se dostali na hraniční, ještě přijatelnou, velikost převýšení. I přes hluboký závar a

dostatečnou výšku je vnesené teplo vyšší a produktivita nižší. Ani použití špičky FASTip tyto hodnoty výrazně nezlepšilo.

4.5. Svařování s vysokou hustotou výkonu

Všechny svary v této kategorii jsou svařovány klasickou špičkou pod plynem F7. Skupina s dodatečným označením m je svařena drátem 1,0 mm, svary 4 a 4ot drátem 0,8mm.

Obrázek 25 Svary metodou HiPen

Diskuse

Hlubokozávarové svařování zkratovanou sprchou se osvědčilo zejména pro plechy tl. nad 8 mm, drátem 1,2 mm ve spojení s plynem s podílem Helia. Pro tenčí plechy, které se snadno přehřejí, nelze efektu hlubokého závaru plně využít. Tloušťka 4 mm je na rozhraní tohoto efektu. Byl použit drát 1,0 mm a ochranný plyn F7. Vybrané svary mají pěknou geometrii a hluboký závar, který umožnil snížit potřebnou velikost svaru pro dosažení potřebné nosné výšky a tím i vnesené teplo. Důležitým výsledkem je, že tato metoda je i pro tuto tloušťku plechu použitelná a konkurence schopná.

Obrázek 26 Svary metodou HiPen

Tabulka 8 HiPen, hodnoty svarů podle kriterií

Diskuse

V rámci diplomové práce (Peška) byla provedena optimalizace svařování zkratovanou sprchou drátem 0,8 mm. Tento drát vlivem malého průměru projevil nízkou smáčivost k povrchu materiálu.

Většina svarů byla převýšená, někdy housenka přilnula jen k jednomu plechu a hloubka závaru byla nepatrná. Bylo nutno provést dvojnásobek experimentů, než se optimalizace ustálila. Nicméně výsledek byl velmi zajímavý. Ve skupině svarů, u kterých se naplno projevil efekt hlubokého

závaru jsou na snímcích 2 svary, které dosáhly námi požadované účinné výšky 4 mm a jejich hodnoty efektivity provedení, produktivity a vneseného tepla jsou bezkonkurenčně nejlepší. Z důvodu nejisté opakovatelnosti svaru a zajištění jakosti však tento drát nemůžeme doporučit ani v ostatních režimech svařování.

4.6. Svařování v oblasti RapidArc

Svary 2,54 jsou pod plynem F7 a svařeny drátem 1,0mm, pro oba svary jsme použili klasickou kontaktní špičku.

Obrázek 27 Svary v oblasti RapidArc

Tabulka 9 RapidArc, hodnoty svarů podle kritérií

4 - 6 mm, kde optimum bylo mimo námi požadovanou nosnou výšku směrem k její vyšší hodnotě. Na základě svaru 2, který tomu byl nejblíže, jsme provedli několik experimentů, z nichž svar 54 dosáhl nejvyšších hodnot produktivity, nákladů i vneseného tepla. Proti klasickému zkratovému přenosu klesly náklady o dalších 30 %, i když vnesené teplo zůstalo na stejné hodnotě, protože svar je o 1 mm nosné výšky proti svaru 14 předimenzován. Je pozoruhodné, že tento svar, který je úplně mimo optimální efektivitu tohoto režimu, je stále ještě efektivnější než všechny ostatní metody.

5. Celkové zhodnocení použitých metod

Pro porovnávací vyhodnocení jednotlivých svarů jsme vybrali svary s nejnižšími náklady při dosažení požadované nosnosti pro každou metodu svařování. Referenčním vzorkem pro automatické metody svařování byl svar 14, zhotovený zkratovým režimem a pro nízké rychlosti svařování, dosažitelné ruční manipulací vzorek CZ14.

Obrázek 28 Vybraný svar ze zkratové oblasti

Obrázek 29 Vybrané svary impulzem

Obrázek 30 Vybrané svary trubičkovým drátem

Obrázek 31 Vybraný svar metodou HiPen

Obrázek 32 Vybraný svar metodou RapidArc Tabulka 10 Celkové hodnocení použitých metod

Diskuse

Svar CP14 je zhotovený pulzním svařováním při podobných parametrech jako CZ14. Proti němu má vyšší náklady i vnesené teplo. Stejně tak můžeme porovnat strojní svary drátem 1,0 mm CP11 a 14, resp. svar 12, který má podobné parametry. Ani v tomto případě není svar zhotovený pulzním režimem výhodnější.

Při experimentech s trubičkovým drátem s kovovou náplní jsme použili dva rozdílné typy drátu, ochranného plynu i kontaktní špičky. Rychlost svařování ve všech případech přesáhla 1,2 m.min^-1. Svary jsou symetrické a ve všech případech jdou hluboko do závaru. Při použití kontaktní špičky AB FastTip (svary 315 a 411) došlo ke snížení měrného vneseného tepla 0,1 až 0,5 kJ.cm^-1. Cena drátu je vyšší než, je tomu u plného, ovšem při dosažitelných rychlostech a přítomnému závaru je to zajímavá alternativa.

U vzorků, které byly svařeny metodou s vysokou hustotou výkonu, jsme snížili výlet drátu a napětí nastavili v průměru o1 až 2 V. Rychlost svařování jsme zvýšili o 0,4 až 0,6 (m.min^-1).

Došlo k výraznému snížení měrného vneseného tepla. Ve všech případech svary vykazovali závar cca 2mm.

Oblast RapidArc představuje nejnáročnější a zároveň nejefektivnější metodou v našem experimentu. Svary zhotovené touto metodou jsou typické vysokou rychlostí podávání drátu,

svařování a hlubokým závarem.

Grafické znázornění kritérií

Graf 1 Celkové porovnání metod - kritérium účinnosti tavení (f)

Graf 2 Celkové porovnání metod – kritérium celková cena 1m svaru (Csm)

Graf 3 Celkové porovnání metod - kritérium Q/v

Graf 4 Celkové porovnání metod – kritérium rychlost svařování (vs)

Diskuse

Z grafického porovnání je patrné, že při posuzování metod z hlediska účinnosti tavení je referenční svar (14) v těsném závěsu za progresivními metodami jakými jsou HiPen a Rapid Arc. Ovšem v porovnání z pohledu celkové ceny na 1 metr svaru je patrný pokles při využití metod vyžadujících nastavení vyšší rychlost svařování.

Je vidět, že možnost využití vyšší rychlosti svařování při použití trubičkového drátu přineslo snížení celkové ceny, i když jeho pořizovací cena je vyšší než u drátu plného.

6. Závěr

Cílem této práce bylo prokázat, že správné vybraná technologie svařování MAG má velký vliv na celkové náklady. Experimenty prokázaly předpoklad výrazného vlivu produktivity technologie na celkový náklad na zhotovení svaru. Při pohledu na jednotlivé nákladové složky je vidět, že náklady na přídavné materiály jsou konstantní. Nejvyšší podíl na cenu svaru májí jednoznačně mzdové a režijní náklady. Snižování celkových nákladů lze dosáhnout odpovědným přístupem k základním složkám modelu konstrukce – kvalita – technologie.

Jednou z možných cest, jak snížit cenu svaru, je zvážit zavedení moderních produktivních metod svařování. To s sebou nese úskalí v podobě vysoké úrovně technologických znalostí a praxe technických pracovníků i svářečů. Při každém inovativním postupu při změně

technologie je nutné pečlivě zvažovat zvýšení nákladů na předpracovní přípravu a následné opracování apod.

Změna druhu drátu je zajímavou možností jak minimálními technologickými nároky lze získat kvalitní svar s hlubokým závarem. Vyšší cena trubičkového drátu je zcela vyvážena vyšší produktivitou při minimálním vneseném teple a snadností provedení svaru.

Naše experimenty ukázaly, že z vybraných metod je pro tento specifický úkol jednoznačně

snížení vneseného tepla se všemi negativními důsledky.

Každý ekonomický výpočet svařované konstrukce je založena na ceně 1 m svaru. Jak již bylo zmíněno v úvodu, vlastní konstrukce má největší vliv na těchto výpočtech. Určují tloušťku materiálu a délky svarů, jejich velikost. Z technologických parametrů je to především rychlost svařování a dosažitelná hloubka závaru, která redukuje potřebnou velikost návaru. Tato práce demonstruje, že správná volba technologie musí byt založena na předešlých experimentech, optimalizaci svařovacích parametrů a podmínek s ohledem na dostupné zařízení a požadované kvalitě.

7. Použité vzorce:

Měrné vnesené teplo:

Q1 = h *

U∗I

100∗V

∗0,06 [ ^{cm kJ} ]

Zředění:

D =

P

−P

P

ƒ2 = 10 ,5

Q1∗¿(P S−P N )

¿ [J] (3)

Vypočtená plocha:

PM =

k

∗k

∗ V

V

∗πr

[mm²](4)

Produktivita svařování vzhledem k účinné výšce:

VS * υ (5)

Poměrné vnesené teplo k účinné výšce:

Q1 / υ (6)

Poměrné převýšení k šířce svaru:

p / w (7)

Doba svařování:

tS= 1

v_s∗60 [s] (8) Délka drátu:

Ld= v_d

v_s ^{[m] (9)}

8. Použitá literatura

[1] BARTÁK, J. aj. Učební texty pro evropské svářečské specialisty, praktiky a inspektory. Ostrava: ZEROSS, 2002. 418 s. ISBN 80-85771-97-7

[2] AMBROŽ, O., KANDUS B. a KUBÍČEK J. Technologie svařování a zařízení.

Ostrava: ZEROSS, 2001, 395s. ISBN 80-877-81-0

[3] HAVELKA, P. AUTOMIG internetový magazín 17.8.2015, Dostupný z WWW: http://automig.cz/o-svarovani/metody/migmag-co2/

[4] KUBIČEK, Jaroslav. Technologie II : Čast svařovani [online]. 2006 Studijni opory. <http://ust.fme.vutbr.cz/svarovani/opory.htm>. 15.srpna.2011

[5] The Physis of welding, International Institute of welding, Edite by J.F. Lancaster, 2nd edition 1986 – Pergamon Pres, England

%20intelligent%20gas%20control

[7] HUDEC, Z. Optimization of Source-Wire-Gas Systems for Efficient Robot Welding:

IJSMDO, vol. 4, No. 3-4, July 2010, pp. 107-116, Paris

[8] Zváranie oceli v ochrane plynov taviacou sa elektoródou; Peter Ondráček, vydal ETERNA PRESS s.r.o. Bratislava 2003, ISBN 80-968359-5-5

[9] Optimalizace konstrukčních a technologických parametrů koutových svarů zhotovených metodou MAG; Ing. Zdeněk Hudec PhD., disertační práce, Liberec 2005

[10] Abicor Binzel – FASTtyp

[11] http://shop.migatronic.cz/hlavni-oddeleni/kategorie/svarovaci-zdroje/sigma2-500-c- v-pulse?id=620 [cit. 23. prosince 2011

[12] http://products.esab.com/Templates/T041.asp?id=72704 [cit. 23.prosince 2011

[13] http://www.airproducts.sk/metalfabrication/zvaranie/pdf/SK_Ferromaxx7.pdf

[14] http://www.svetsteknik.se/AGA_gasdepa.htm

[15] http://www.esab.cz/cz/cz/products/index.cfm?

fuseaction=home.product&productCode=410831

Přílohy

A. Zápaly – NORMA ČSN EN ISO 5817

Obr. 9 Překročení

Tloušťka plechu (mm)

Mezní hodnoty vad pro stupně jakosti (mm)

D C B

≥ 0,5 neomezeno h ≤ 1 + 0,2a, max 4 h ≤ 1 + 0,15a, max 3

Tab. 1 Mezních hodnot vad pro stupně jakosti

Podkročení nosné výšky

Obr. 10 PodkročenÍ

Tloušťka plechu (mm)

Mezní hodnoty vad pro stupně jakosti (mm)

D C B

0,5 až 3 h ≤ 0,2 + 0,1a H ≤ 0,2 nepřístupné

> 3 h ≤ 0,3 + 0,1a, max 2 h ≤ 0,3 + 0,1a, max 1 nepřístupné

Tab. 2 Mezních hodnot vad pro stupně jakosti

Jen v případech, kde nebyl předepsán symetrický koutový svar.

Obr. 11 Nadměrná asymetrie koutového svaru Tloušťka

plechu (mm)

Mezní hodnoty vad pro stupně jakosti (mm)

D C B

≥ 0,5 h ≤ 2 + 0,2a h ≤ 2 + 0,15a h ≤ 1,5 + 0,15a

Tab. 3 Mezních hodnot vad pro stupně jakosti

C. Nadměrné převýšení koutového svaru

Obr. 12 Nadměrné převýšení koutového svaru Tloušťka

plechu (mm)

Mezní hodnoty vad pro stupně jakosti (mm)

D C B

≥0,5 h ≤ 1 + 0,25b, max 5 h ≤ 1 + 0,15b, max 4 h ≤ 1 + 0,1b, max 3

Tab. 4 Mezních hodnot vad pro stupně jakosti

D. Tabulky svarů