Vliv mezery v ko eni na efektivitu provedení koutového svaru metodou MAG

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA STROJNÍ

Katedra strojírenské technologie Odd lení strojírenské metalurgie

Vliv mezery v ko eni na efektivitu provedení koutového svaru metodou MAG

The influence of fillet joint gap on the weld deposition efficiency of GMAW

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Ji í Korejza

Kv ten 2007

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA STROJNÍ

Studijní program M 2301- Strojní inženýrství

Strojírenská technologie zam ení strojírenská metalurgie

Katedra strojírenské technologie Odd lení strojírenské metalurgie

Vliv mezery v ko eni na efektivitu provedení koutového svaru metodou MAG

The influence of fillet joint gap on the weld deposition efficiency of GMAW

Ji í Korejza KSP-SM-526

Vedoucí diplomové práce:

Rozsah práce a p íloh:

Po et stran 81 Po et tabulek 23

Po et p íloh 0 Po et obrázk 79

Po et graf 8 25.5.2007

Originální zadání DP

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA STROJNÍ

Katedra strojírenské technologie Odd lení strojírenské metalurgie

Studijní program: M2301-Strojní inženýrství Diplomant: Ji í Korejza

Téma práce: Vliv mezery v ko eni na efektivitu provedení koutového svaru metodou MAG

The influence of fillet joint gap on the weld deposition efficiency of GMAW

íslo DP: KSP-SM-526

Vedoucí DP: Doc.Ing. Heinz Neumann, CSc. -TU v Liberci Konzultant : Ing. Zden k Hudec, Ph.D. -TU v Liberci

Tato práce eší formou experimentální studie vliv mezery na efektivitu vytvo ení koutového svaru a navazuje na p edchozí práce, ve kterých byla vytvo ena metodika m ení a optimalizace efektivity provedení svaru a aplikována na r zné systémy zdroj-drát-plyn. Zahrnutím mezery v ko eni svaru do souboru prom nných se tato metodika p iblížila reálným podmínkám koutového svaru ve výrob . Výsledky práce ukazují, že mezera m že mít za ur itých podmínek p íznivý vliv na efektivitu provedení svaru a tyto podmínky specifikuje pro soubor - drát ø 1,2 – plyn 68Ar/20He/12CO2, které byly již optimalizovány bez mezery.

Abstract:

This paper in the form of experimental study deals with the influence of of fillet joint gap on the weld deposition efficiency. The study follows another works where fillet weld efficiency measuring and optimization was proposed and examined for various source-wire-gas systhems. The influence of joint gap envolving to set of variables enables to reach this method to common praxis usage. Resultes of this work shows conditions when gap has benefical effect to weld deposition efficiency for 1,2 mm solid wire - 68Ar/20He/12CO2 shielding gas systhem that was previously optimized without of gap influence.

Místop ísežné prohlášení:

Místop ísežn prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatn s použitím uvedené literatury.

V Liberci, 25. kv tna 2007

………

Ji í Korejza Dražická 180/8 294 71 Benátky nad Jizerou

Pod kování

Na úvod této diplomové práce bych rád pod koval:

Doc. Ing. Heinzu Neumannovi, CSc. a Ing. Zde ku Hudcovi, Ph.D. za podn tné p ipomínky a rady p i vypracování diplomové práce. Také bych rád pod koval svým rodi m za projevenou trp livost a podporu p i studiu na vysoké škole.

OBSAH

1. ÚVOD………...8

2. TEORETICKÁ ÁST………..…10

2.1 Charakteristika procesu sva ování metodou MAG……….10

2.1.1 Definice procesu, principy……….10

2.1.2 Sva ovací zdroje……….11

2.1.3 Sva ovací dráty………...12

2.1.4 Ochranné plyny………...13

2.2 Sva ovací parametry a podmínky………14

2.2.1 Svá ecí proud………..15

2.2.2 Svá ecí nap tí……….16

2.2.3 Rychlost svá ení……….17

2.3 Teorie tavení drátu………...18

2.4 Intenzita sva ování MAG………20

2.4.1 Základní podmínky intenzity sva ování MAG……….21

2.4.2 Intenzita zkratového p enosu kovu………..22

2.4.3 Intenzita sprchového p enosu kovu...23

2.4.4 Intenzita vysokoproudého oblouku………..25

2.5 Efektivita provedení koutového svaru metodou MAG………...26

2.5.1 Efektivita z konstruk ního hlediska………..27

2.5.2 Efektivita z technologického hlediska………..29

2.5.2.1 Efektivita (ú innost) p enosu tepla u procesu MAG…………...30

2.5.2.2 Efektivita p enosu tepla obloukem ηa ………..…30

2.5.2.3 Efektivita tavení materiálu ηm p i p enosu tepla vedením……..30

2.5.2.4 Efektivita tavení materiálu ηm p i p enosu tepla proud ním…..32

2.5.3 Efektivita závaru (EZ)……….34

2.5.3.1 Vliv proudu I, rychlosti drátu Vd, tavného výkonu P na EZ…...35

2.5.3.2 Vliv výletu drátu, délky oblouku, výšky kontaktní špi ky na EZ……….………35

2.5.4 Synergie………...36

2.5.5 Šumové faktory mající vliv na efektivitu sva ování………...37

2.5.5.1 Vliv mezery v ko eni svaru……….38

2.5.6 Metodika m ení efektivity koutového svaru………..…38

2.5.6.1 Matematické ešení závarem ízené geometrie svaru………..39

2.5.6.2 Stanovení faktor efektivity provedení svaru………..40

2.6 Optimalizace procesu………....41

2.6.1 Metoda centrální kompozice……….41

2.7 Hodnocení vad a ur ování stup jakosti koutového svaru dle SN EN ISO 5817……….42

2.7.1 Špatné sestavení koutových svar ………..42

2.7.2 Zápal……….43

2.7.3 Nadm rné p evýšení koutového svaru………...43

2.7.4 Strmý p echod svaru………...44

2.7.5 Nadm rná asymetrie koutového svaru………...45

2.7.6 Pórovitost ko ene………...45

2.7.7 Podkro ení velikosti koutového svaru………....45

2.7.8 P ekro ení velikosti koutového svaru……….46

2.7.9 Trhlina………..47

2.7.10 Pórovitost a shluky pór ……….…47

2.7.11 Vícenásobné vady………...48

3.EXPERIMENTÁLNÍ ÁST………..49

3.1 Cíl práce……….49

3.2 Pracovišt a použitá za ízení………...49

3.2.1Laborato automatického sva ování MAG………...49

3.2.1.1 P íslušenství...50

3.2.1.2 P ídavný materiál……….50

3.2.1.3 Ochranný plyn………..50

3.2.1.4 Parametry sva ovaných vzork ……….50

3.2.1.5 Zp sob sva ování vzork ………...51

3.2.1.6 Monitorování sva ovacích parametr procesu MAG pomocí programu WeldMonitor 3.0………52

3.2.2 Laborato pro vyhodnocování makrosnímku………..54

3.3 Návrh experimentu……….56

3.3.1 Zkušební svary………56

3.3.1.1 Opravné zkušební svary……….57

3.3.2 M ení excentricity závaru………..61

3.3.3 Experimentální program optimalizace efektivity E – plech 8 mm………...63

3.3.4 Experimentální program optimalizace efektivity E – plech 12mm………..66

3.4 Zhodnocení a porovnání výsledk ………70

3.5 Kontrola jakosti svaru……….…..76

4. ZÁV R DIPLOMOVÉ PRÁCE………..77

5. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY………..78

SEZNAM SYMBOL A ZKRATEK

MAG obloukové sva ování tavící se elektrodou v aktivním plynu plynu

Fγ síla povrchového nap tí kapky [F]

FG gravita ní síla [F]

Fem elektromagnetická síla[F]

Fs síla aerodynamického tahu plynu[F]

I proud [A]

U nap tí [V]

U0 nap tí na prázdno [V]

vd rychlost drátu [m.min^-1] vs rychlost sva ování [m.min^-1] ha hloubka p evýšení[mm]

ha hloubka závaru[mm]

vp rychlost plynu[m.min^-1]

L výlet drátu [mm]

Lo délka oblouku [mm]

Lc, CTWD vzdálenost kontaktní špi ky nad povrchem [mm]

v ú inná výška koutového svaru [mm]

vt efektivní výška svaru [mm]

z hloubka závaru [mm]

a jmenovitá velikost koutového svaru [mm]

at efektivní velikost návaru [mm]

b, c strany koutového svaru [mm]

w ší ka housenky [mm]

ws st ední hodnota ší ky housenky [mm]

r p evýšení svaru [mm]

Ap projek ní plocha [mm²] CD koeficient tažení [-]

ηa efektivita p enosu tepla obloukem [-]

ηm efektivita tavení materiálu

PM výpo tová pr ezová plocha návaru [mm²] PN plocha návaruzm ená z makrosnímku [mm²] PS pr ezová plocha svaru [mm²]

EN efektivita návaru svaru [-]

Ez efektivita závaru svaru [-]

E celková efektivita provedení svaru [-]

TOO tepeln ovlivn ná oblast

1. ÚVOD

V dnešní dob jsou kladeny velké nároky na vysokou jakost a zárove , co nejmenší vstupní náklady na výrobek. V technologii sva ování jsou výrobní tolerance nezbytné pro hospodárnou výrobu díl , ale na druhou stranu snižují efektivitu vlastní technologie. Mezera mezi jednotlivými díly m že vzniknout jak z p ípravy polotovaru, tak p i samotném svá ení vlivem deformací zp sobených vnášením velkého množství tepla. Technologie MAG sva ování drátem v ochranném plynu je ideální pro sva ování konstruk ních díl tím, že taví zhruba stejným dílem p ídavný i základní materiál, takže bez problému vypl uje technologicky nutné mezery v etn rozm rových tolerancí díl i nep esnosti vedení ho áku. Na druhou stranu o produktivit výroby rozhoduje intenzita procesu a existují technologie, jejichž intenzita je mnohem vyšší – nap . plasma a laser. Jejich praktické použití v p vodní podob je omezeno vysokými nároky na p esnost, takže je stejn nutno kombinovat s tavením drátu. Mnohem závažn jší jsou jejich vysoké po izovací a provozní výdaje.

Z tohoto d vodu byl v minulých letech na kated e KSP proveden v rámci diserta ní práce [1] výzkum optimalizace efektivity provedení koutového svaru, kde byly zkoumány podmínky maximální intenzity procesu MAG v daných podmínkách pro zhotovení p ijatelného svaru. Pro objektivní posouzení a srovnání intenzity procesu za r zných vstupních podmínek bylo vždy sva ováno bez mezery. Vliv mezery byl zkoumán jen jako vedlejší produkt u svar náhodn provedených na prohnutou pásnici, ímž vznikla v n kterých místech mezera. P i vyhodnocování zkoušek bylo zjišt no, že v místech, kde byla mezera došlo k menšímu p evýšení svaru, než tomu bylo v místech t sného styku stojny s pásnicí, také efektivní prohloubení závaru se zvýšilo. Tento jev je totožný se sva ováním dvou díl tupým jednovrstvým svarem, kde je prokázáno, že ponecháním mezery mezi dv ma plechy se sníží nežádoucí p evýšení a zvýší efektivita provedení svaru. Rozdíl je pouze v tom, že u koutového svaru není možno oblouk sm rovat p ímo do mezery. Pro efektivní vytvo ení koutového svaru s maximální hloubkou závaru v meze e bude nutno vhodn kombinovat ší ku mezery s excentricitou vedení ho áku a to je úkolem této diplomové práce.

Tato práce vychází z teoretických i prakticky ov ených poznatk proud ní ve svarové lázni, které ovliv uje velikost a tvar závaru a má za úkol zjistit vliv vnesené mezery, jako menší p ekážky p i vytvá ení hlubokého závaru na efektivitu vytvo ení koutového svaru.

Práce navazuje na výsledky a zkušenosti získané na kated e strojírenské metalurgie, zejména na práci Ing. Zde ka Hudce, Ph.D. [1] a p ímo navazuje na diplomovou práci [2] optimalizace efektivity provedení svaru bez mezery, se kterou budou výsledky srovnávány.

2. TEORETICKÁ ÁST

2.1 Charakteristika procesu sva ování metodou MAG

2.1.1 Definice procesu, principy

Proces MAG svá ení v ochran plynu tavící se elektrodou je definován jako: svá ecí proces, p i kterém se vzájemné spojení materiál tvo í teplem elektrického oblouku, který ho í mezi p ídavným materiálem ( tavící se elektrodou ) a základním materiálem (Obr. 1 – [3]). Ochrana se dosahuje plynem nebo sm sí plyn .

Proud I se p ivádí do kontaktní hubice v ho áku, která je spojena s kladným pólem zdroje proudu. Nekone ná elektroda ve form drátu se posouvá do svaru konstantní rychlostí mechanizovaným podávacím za ízením.

Elektroda se v míst oblouku taví a kov se p enáší do svarové lázn . Ochranný plyn se p ivádí do místa svaru hubicí, vytvá í ochranu oblouku a roztavené svarové lázn , a tak chrání svar p ed nežádoucími ú inky okolní atmosféry.

MAG je technologie, která se hojn používá ve všech pr myslových odv tví, od hromadné výroby r zných sou ástí až po rozm rné svarky tlakových nádob a komponent jaderné energetice. Také se používá p i svá ení r zných tloušt k materiálu ve všech polohách. Dosahuje vysokou produktivitu a je velmi vhodná na automatizaci a robotizaci svá e ských pracoviš .

Obr. 1 Schéma svá ení v ochran plynu tavící se elektrodou

2.1.2 Sva ovací zdroje

Zdroje sva ovacího proudu jsou velmi d ležitým prost edkem pro realizaci každé technologie sva ování, která jako zdroj tepla pro tavení základního a p ídavného materiálu využívá elektrický oblouk.

Základní požadavek na vlastnosti svá ecího zdroje proudu je vhodná statická volt-ampérová charakteristika.Vyjad uje závislost pracovního nap tí od svá ecího proudu p i ur itém nastavení regula ního za ízení zdroje. Každý zdroj s regula ní za ízením má celý svazek takových charakteristik, které se dají nastavit pro konkrétní podmínky. Zdroj musí mít schopnost reagovat na zm ny vzdálenosti hubice od základního materiálu, tj. na zm ny nap tí na oblouku. Ty nastávají v procesu poloautomatického i automatického svá ení.

Podmínka takové samoregulace je spln na p i použití takového zdroje proudu, p i kterém nap tí na oblouku se vzr stajícím proudem klesá jen málo, to znamená, že V-A charakteristika je plochá (s konstantním nap tím), jak ji znázor uje (Obr. 2).[3]

Obr. 2 Statické voltampérové charakteristiky oblouku L, L1, a r zné V-A charakteristiky zdroje

Když si do pr b hu V-A charakteristik zakreslíme charakteristiku oblouku 1 (Obr.2) v jejich pr se íku vznikne pracovní bod P. Tomuto pracovnímu bodu odpovídají hodnoty pracovního nap tí U a pracovního proudu I, které

charakterizují podmínky svá ení. Když se zm nou podmínek zvýší nap . délka oblouku, m ní se statická charakteristika oblouku (L>L1) a pracovní bod se p esune z polohy P do polohy P1. Sníží se svá ecí proud zárove se snížením rychlosti odtavování elektrody.

Dynamická charakteristika zachycuje p echodové hodnoty nap tí a proudu p i rychlých zm nách b hem sva ování nap . p i zkratu, p erušení zkratu a znovu zapálení oblouku. Pr b h této charakteristiky ovliv uje kvalitu ho ení oblouku, kresbu housenky a velikost rozst iku.

Požadavk m p esného nastavení sva ovacích parametr a jejich stability b hem vlastního sva ování p i vysokém výkonu, dynamických vlastnostech a vysoké ú innosti vyhovují invertorové sva ovací zdroje (invertor – m ni kmito tu) Tyto zdroje umož ují nastavení, ízení i monitorování libovolného sva ovacího režimu nap . umož ují bezzkratový pulzní režim s vysokou intenzitou oblouku a p itom m nitelným tavném výkonem, p izp sobitelným pro všechny polohy sva ování a tlouš ky plech . P i jakékoliv okamžité proudové zm n v oblouku vyvolá ídící jednotka regula ní zásah v ízeném usm r ova i. Touto dynamickou rychlostí regulace je ur ena kvalita sva ovacích vlastností zdroje.

2.1.3 Sva ovací dráty

Kvalitu svarového kovu p i daných parametrech svá ení a zvolené ochran plynu p edevším ur uje kvalita svá ecí elektrody. Na dosáhnutí požadovaných mechanických vlastností svá ecího kovu je rozhodující její chemické složení a obsah ne istot. Sm rné chemické složení elektrody, od které se odvíjejí její r zné varianty, vychází z nutnosti dostate né dezoxidace svarového kovu.

Dezoxidace zabra uje vzniku pór ú inkem CO a vyššího obsahu Mn a Si v elektrod pomáhají p ekonat jejich ztráty, které vznikají ú inkem oxida ní atmosféry ochranného plynu. [4]

Pro sva ování MAG se používají dráty pr m rem 0,8 až 1,6 mm. Povrch drátu musí být istý, hladký, nezvln ný, bez mastnoty a koroze. Dráty se vyrábí pom d né pravidelnou a celistvou vrstvou m di po celé délce drátu nebo hladké, nepom d né. Navinutý drát v cívkách musí být z jednoho kusu,

v nep epletených adách, tak aby nedošlo k zauzlení, uvoln ní a nebo k rozvinutí.

Vyrábí se dva základní typy: plný a trubi kový, pln ný tavidlem nebo kovovým práškem.

2.1.4 Ochranné plyny

Ochranný plyn chrání roztavený konec elektrody, tekuté kapky kovu, tavnou láze a p ilehlou oblast od kontaminace okolní atmosféry. Používané ochranné plyny se liší chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Proto volba ochranného plynu výrazn ovliv uje stabilitu oblouku, zp sob p enosu kovu p es oblouk a vytvo ení svarové housenky, ale i všechny metalurgické reakce v oblouku, kapce, tekutém kovu a mezi tekutém kovu a struskou.

První pokusy chránit wolframovou elektrod p ed oxidací héliem a argonem se uskute nily už v roce 1920. P i svá ení tavící se elektrodou se použila ochrana argonem pro svá ení hliníku v roce 1948. P idání 5% kyslíku do Ar brzy umožnilo svá et tavící se elektrodou v základní poloze i uhlíkové ocele s dobrou nárazovou prací svarového kovu. Dnes známe široký sortiment plyn a jejich sm sí, které se skládají z Ar, CO2, O2, He a dalších plyn . [3]

Nej ast ji používané plyny, resp. jejich sm si:

CO2

Ar + CO2 ( až do 25% CO2 ) Ar + CO2 ( až do 3% CO ) Ar + O2 ( až do 8% O2 )

Ar + O2 + CO2 ( až do 15% CO2, 5% O2 ) 65% Ar + 26,5% He +8% CO2 + 0,05%O2

Ar + 8% CO2 + 0,03 NO

Nejvíce se používá Ar a CO2. Oba dva plyny mají vysokou atomovou hmotnost a d sledkem toho i vysokou hustotu. V pom ru ke vzduchu ke vzduchu je 1,38 u Ar a 1,44 u CO2. Hustota plynu se však m ní s teplotou, proto i ú innost ochrany, v jednotlivých oblastech oblouku m že být r zná.

2.2 Sva ovací parametry a podmínky

Správná volba parametr a podmínek sva ování je podmínkou vytvo ení kvalitního spoje.

Za optimální považujeme takové parametry sva ování, p i nichž získáme svary s p edepsanou kvalitou, p i vysoké efektivit a produktivit práce.

Svá ecími parametry se charakterizuje pr b h svá ení hlavními p edepsanými veli inami procesu. Jsou to svá ecí proud I^s, svá ecí nap tí U^s, a rychlost sva ování v^s.

Svá ecími podmínkami se charakterizuje celkový soupis dalších veli in postupu sva ování p i zabezpe ování procesu.

Kvalitní, celistvý a mechanickými hodnotami plnohodnotný svarový spoj je pot eba zabezpe it volbou správných parametr a podmínek svá ení v celém jejich rozsahu. V pr b h svá ení se má zabezpe it proces nejmenšími výkyvy nastavených hodnot a stabilní tepelný p íkon. Produktivita svá ení hraje ve v tšin p ípad d ležitou úlohu. Jsou však asté p ípady, kde jsou prvo adé kvalitativní požadavky.

Nastavení nejvhodn jších veli in na svá ecím automatu p ísluší obsluhujícímu pracovníkovi. Musí mu být znám vliv jednotlivých veli in a jejich vzájemné ovlivn ní.

Mezi nejd ležit jší nastavované parametry pat í svá ecí proud Is, svá ecí nap tí Us, a rychlost sva ování vs. Pomocí t chto veli in se dá výpo tem vyjád it jedna z d ležitých podmínek sva ování, tzv. m rné vnesené teplo na jednotku délky svaru. Umož uje už dop edu poznat rozsah tepelného ovlivn ní. Výb rem správných hodnot a jejich nastavením se zabezpe í soulad elektrických veli in s rychlostí svá ení, pro ešení astých metalurgických problém svá ení.

Zabezpe í se požadovaná výsledná kvalita, celistvost a mechanické vlastnosti svarových spoj .

M rné teplo Q je matematické vyjád ení vztahu proudu, nap tí a rychlosti sva ování. Umož uje variabiln stanovit už na za átku hodnoty t chto hlavních veli in s cílem dosáhnout ve výsledku podmínku požadovaného m rného tepelného p íkonu. [4]

2.2.1 Svá ecí proud

Svá ecí proud má na tvar pr ezu housenky, jak p i svá ení tak i nava ování nejv tší vliv.

Zvýšením proudu roste proudová hustota, velikost svarové koupele, sou initel tavení a odtavovací výkon.

P i konstantním nap tí na oblouku (Obr. 3) nastává p i zv tšování svá ecího proudu intenzivní nár st hloubky závaru he s mírným nár stem p evýšení ha a malým vzr stem ší ky housenky b. Ší ku housenky ovliv uje p edevším nap tí a velikost rychlosti sva ování.

P i nadm rném zv tšení svá ecího proudu vzroste rozst ik a nebezpe í protavení svá ené tlouš ky. Výchozí svá ecí proud se se z etelem na tvar a rozm ry spoje volí asto zkušebn . Pro nejvhodn jší pr var dané tlouš ky se svá ecí proud postupn zvyšuje.

Svá ecí proud je veli ina, která je v sou asných svá ecích za ízení závislá na rychlosti posuvu drátu daného pr m ru. Podle nastavení rychlosti posuvu drátu si drát odebírá ze zdroje také množství proudu, které je pot ebné pro jeho odtavení.

Obr. 3 Vliv proudu I na rozm ry svarové housenky [5]

h^e – hloubka závaru, h^a – p evýšení, b – ší ka housenky

2.2.2 Svá ecí nap tí

Nap tí na oblouku p edstavuje rozdíl potenciálu mezi koncem drátu a povrchem svarové koupele. Je závislé na velikosti proudu, která vymezuje oblast pracovního nap tí, ve které je oblouk stabilní a m ní se podle délky oblouku. Na odtavovací výkon má nap tí jen malý vliv. Ovliv uje p edevším ší ku housenky (Obr. 4).

Nadm rné zvýšení nap tí m že být p í inou vzniku propalu. as styku kapky s prost edím oblouku se tím prodlužuje. D sledkem toho jsou chemické reakce, které ovliv ují složení svarového kovu, a tím zm ny mechanických vlastností spoje. P i zvýšeném nár stu nap tí jsou svary náchylné na pórovitost. Také zvýšené nap tí provází zvýšený rozst ik. Velikost svarové lázn m že být p í innou p edbíhání tekutého kovu p ed oblouk, vznikají tak t žkosti p i svá ení v polohách. [4]

Nízké nap tí bývá p í inou nestabilního procesu, úzkých housenek s velkým p evýšením, p i vysokých rychlostech svá ení. V t chto p ípadech vzniká nedokonalé natavení na okrajích housenky. P i tvo ení sousedních housenek se v t chto místech nachází nejvíce svarových chyb.

Obr. 4 Vliv nap tí U na rozm ry svarové housenky [5]

h^e – hloubka závaru, h^a – p evýšení, b – ší ka housenky

2.2.3 Rychlost svá ení

Rychlost svá ení je d ležitá veli ina, která se nep ímosm rn na množství tepla odevzdaného na jednotku délky svaru. asto se na ni bere ohled ve snaze zproduktivnit proces svá ení. Správné hodnoty nastavení jsou závislé na ostatních parametrech a podmínkách se z etelem na oh ev a ochlazování sva ovaných tlouš ek . ím je rychlost svá ení v tší, tím rychleji se odevzdává teplo p ed oblouk, a tím menší je teplo pot ebné pro p edeh ev svarových ploch.

Zv tšením rychlosti svá ení roste rychlost ochlazování základního materiálu po sva ování.

U ocelí vyšších mechanických vlastností se po p ekro ení kritické rychlosti ochlazování objevují chyby celistvosti. U b žných ocelí se rychlost svá ení pohybuje v rozmezí p ibližn od 10 do 60 cm·min¯ 1. P i mechanizovaném svá ení se dosahuje rychlosti až 120 cm·min¯ 1. Ú inek rychlosti svá ení se projevuje na tvaru kráteru v roztavené lázni a tím na tvaru a rozm ru pr ezu svaru. Rychlostí svá ení se ovliv uje proud plynu pot ebného na ochranu místa svaru a jeho okolí.

Obr. 5 Vliv rychlosti vs na rozm ry svarové housenky h^e – hloubka závaru, h^a – p evýšení, b – ší ka housenky

2.3 Teorie tavení drátu

Podle nejpoužívan jší teorie statické rovnováhy [6] závisí zp sob tavení drátu a p enosu kovu na výslednici ty hlavních sil, jejichž pom r se m ní s intenzitou proudu dle (Obr. 6).

Obr. 6 Síly p sobící na p enos kovu do svarové lázn [6]

Pro kapku v okamžiku odtržení platí: Fγγγγ = FG + FS + Fem (1)

Síla povrchového nap tí kapky Fγγγγ je nejv tší silou, jedinou, která drží kapku pohromad :

F

= 2ππππr.γ , γ , γ , γ ,

Gravitace p sobí opa ným sm rem, ale pouze v základní poloze :

F

= 4/3π. π. π. π.R

ρρρρ

.g ,

kde ρρρρd je hustota kapky, R polom r kapky a g grav. konst.

Aerodynamický tah plynu (tah toku plasmy), m že být odhadnut s uvažováním tažné síly na kulovou plochu vno enou v kapalin stálé rychlosti pole:

F

= C

.A

.( ρ ρ ρ ρ

.v

/2),

kde CD je tažný koeficient, Ap je projek ní plocha na ploše rovnob žn s tokem kapaliny, ρρρρf je hustota kapaliny, vf je rychlost plynu.

Elektromagnetická síla Fem je výsledkem konvergence nebo divergence toku proudu uvnit elektrody. Když p ímky toku proudu divergují v kapce, Lorenzova síla, která p sobí v pravém úhlu na linie toku proudu vytvá í odtrhující síly.

Elmg. síla je dána Lorenzovým zákonem: Fem = J x B, kde J je hustota proudu a B je magnetický tok. Za p edpokladu, že hustota proudu na kapce je rovnom rná, celkovou elmg. sílu na kapku dostaneme integrací vztahu p es proud, vedený na povrchu kapky .

F

= f

.µµµµ

.I

/4π, π, π, π,

kde µµµµ0 je permeabilita ve vakuu a f2 koef. geometrie.

Když je vodivá zóna malá tak, že linie proudu konvergují , f2 se stává negativní to znamená, že elmg. síla p sobí jako repulsivní síla. Nicmén když vodivá zóna je dostate n velká, tak že linie proudu divergují, f2 se stává positivní a elmg. síla se stává odtrhující silou.

Drát se odtavuje v závislosti na velikosti proudu (Obr.7) nejprve ve velkých kapkách, p idržovaných na konci elektrody povrchovým nap tím. Sou et ostatních sil je nízký, a tak jejich r st je u metody MAG omezen zkratováním do tavné lázn , aby vzniklý rozst ik nep esáhl p ijatelnou úrove . S rostoucím proudem se vlivem elektromagnetické síly na hrotu elektrody tavenina zužuje a se zmenšující se kapkou klesá i podíl gravita ní a smykové síly.

P i vyšším proudu elektromagnetická síla prudce nar stá a za podmínky min. 75% podílu Ar v ochranném plynu p i dosažení ur ité intenzity proudu p eváží soudržnou sílu povrchového nap tí a charakter p enosu kovu se zm ní

na sprchový. Invertorovými zdroji lze odtavování drátu p ímo ídit v nízkoproudé oblasti ízením frekvence krátkých puls do oblasti sprchy.

S dalším r stem intenzity proudu se za dodržení specifických stabilizujících podmínek proud taveniny na konci drátu zužuje do tenkého proudu vysoké tepelné i kinetické intenzity, který se p sobením elektromagnetického pole axiáln odtrhává v celých sloupcích a žene taveninu do hloubky – moderovaná sprcha nebo rychle rotuje a vytvá í širokou tavnou láze . [1]

Modus zkratového p enosu lze využít i ve vysokoproudé oblasti.

Zkrácením oblouku a v tším vysunutím (výletem) drátu z kontaktní špi ky se zv tší pr chozí elektrický odpor, který p ispívá k tavení na jeho konci a p i vyšším proudu p sobí zrychlené zkratování.

Obr. 7 Zp soby p enosu kovu [8]

1. kapkový p enos p i nižších proudových hustotách

2. kapkový p enos p i vyšších proudových hustotách s menšími kapkami a s vyšší f frekvencí odd lování kapek

3. jako 1., ale zde je patrný vliv tlaku par oblouku, který vzniká p i sva ování v CO2

4. sprchový p enos

5. p enos se silným vlivem protitlaku, možnost v tšího rozst iku 6. sprchový p enos s rotující kapkou.

2.4 Intenzita sva ování MAG

Zvýšení intenzity tavení p i sva ování je nejú inn jším prost edkem nejen ke zvýšení jeho produktivity, ale také k minimalizaci jeho negativních d sledk .

2.4.1 Základní podmínky intenzity sva ování MAG

Od metody MAG samoz ejm nem žeme ekat tak výrazné zvýšení hloubky závaru jako u metod s vysokou koncentrací energie (nap . elektronový paprsek dosahuje pom ru d/w až 1/60), nicmén jak nám nazna uje nap . geometrické ešení efektivity koutového svaru i malé zvýšení efektivity se znateln projeví ve snížení pot ebné plochy návaru, vnášející do spoje negativní vlivy. Bez možnosti zvýšení intenzity, kterou nám poskytuje sou asné sva ování MAG by navrhované ešení neposkytovalo žádné výhody proti klasickému (normalizovanému) tvaru koutového svaru. lánek [9] názorn ukazuje, že všechny zp soby m lkého natavení povrchu materiálu a objemového vypl ování úkosu nebo koutu jsou neú inné a vedou k nízké produktivit , vysokému vnit nímu pnutí nebo deformaci a v tšímu výskytu vad.

Základní podmínkou vysoké intenzity je vždy vysokovýkonné automatické jednovrstevné sva ování (tahem bez rozkyvu). Synonymem vysokého výkonu a hlubokého závaru je proud, p esn ji jeho intenzita na jednotce pr ezové plochy elektrody v míst katodové (anodové) skvrny. V porovnání s technologií sva ování netavící se elektrodou (WIG), která m že tavit p ímo základní materiál bez tavení drátu, ale má nízkou tepelnou ú innost a stejn i životnost zaost eného hrotu, na n mž intenzita závisí a dále na rozdíl od sva ování pod tavidlem, které má zase výhodu v lepší ochran tavné lázn a celého p enosu kovu, ale je postaveno na nízké rychlosti tavení drátu s v tším pr m rem, metoda MAG je postavena na rychlém tavení tenkého drátu. Zp sob jeho tavení je ur en soustavou zdroj – plyn – drát, která je p edm tem intenzivního výzkumu, jenž nabízí praxi stále nové možnosti.

Proti uvedeným starším technologiím klade kombinace tavené elektrody a plynné ochrany vyšší nároky na optimální se ízení, na druhou stranu nabízí mnohem v tší možnosti ve zp sobu tavení drátu i svarové lázn . Intenzita tavení, p sobící velikost a hloubku závaru MAG, je výsledkem interakce mnoha fyzikálních proces , v nichž proud sice hraje hlavní roli, ale vícemén zde spolup sobí všechny již uvedené podmínky a procesní parametry. Prvním p edpokladem vysoké intenzity je co nejv tší ú innost p enosu tepla. [7]

2.4.2 Intenzita zkratového p enosu kovu

Po íta ová simulace dynamiky zkratového p enosu kovu provedená CHOI a spol. prokázala, že pro proud až do cca 200A je ídící silou p enosu kovu gravitace a kapilární tlak vlivem povrchového nap tí kapky i lázn . Teprve p i proudu cca 300 A je patrné výrazn jší stla ení okolí zúženého m stku a podstatné zkrácení asu zkratového cyklu vlivem nar stajícího vlivu elektromagnetické síly. S klesajícím objemem kapky se rovn ž zkratový cyklus zkracuje. S rostoucí frekvencí zkrat (dynamikou procesu) roste tlakový impuls, ženoucí láze do hloubky. [7]

Z uvedené simulace vyplývá, že p i zkratovém procesu elektromagnetická síla má rozhodující vliv na impulz proud ní ve svarové lázni sm rem do hloubky, ale až p i proudu nad 200 A, a až v kone né fázi zaškrcení m stku.

Tento záv r byl prakticky potvrzen vynálezem STT p enosu kovu (Surface Tension Transfer), který využívá zdokonaleného invertoru s obvodem, schopným reagovat v nanosekundách na vzr st intenzity proudu p i zaškrcení kapky a v as snížit proud p ed rozpadem m stku, ímž podstatn zredukuje rozst ik. Odst ihnutím fáze, kdy elektromagnetická síla dává nejv tší impuls proud ní taveniny v lázni sm rem dol a zárove vyvolá reaktivní rozst ik zbytku m stku mimo oblast svaru se jako vedlejšího ú inku dosáhlo snížení hloubky závaru, takže tento zp sob nachází uplatn ní více pro sva ování v ko eni svaru a pro nava ování.

Hermans, který provád l detailní monitorování zkratového procesu, v etn vyhodnocení zkratových frekvencí dále zjistil, že jeho dynamika závisí též na synchronizaci frekvence zkrat s frekvencí kmitání lázn , ke které dochází až p i extrémních parametrech, maximální frekvenci zkrat a rychlosti drátu, t sn p ed celkovou destabilizací procesu. Pro každou kombinaci parametr lze nalézt jen jedno takové maximum.

V oblasti zkratového p enosu by m lo existovat pro daný soubor vstupních podmínek jedno optimální nastavení parametr , kdy dochází k synchronizaci frekvence zkrat s frekvencí kmitání tavné lázn , ke které dochází až p i extrémních parametrech, maximální frekvenci zkrat a rychlosti drátu, t sn p ed celkovou destabilizací procesu. [7]

2.4.3 Intenzita sprchového p enosu kovu

P sobení nárazu proudu kapek do svarové lázn je považováno za hlavní p í inu vzniku prstového závaru u metody MAG. ím intenzivn jší je proud, tím jsou kapky sm rovány hloub ji do lázn jako výsledek posloupnosti náraz . Ohring a Lugt provedli pohyblivou 3D simulaci tokových a teplotních polí MAG svarové lázn pomocí metody kone ných diferencí, kde je patrný tém kolmý sloupec nárazového proudu, vytvá ející prstový závar a kolem n j jsou dva víry – menší dop edu ve sm ru pohybu a prodloužený dozadu.

Kim a spol. [7] provedli 3D kvasi-stabilní analýzu tepelného a kapalinového toku pro pohyblivý tepelný zdroj MAG, ve kterém jsou zkoumány ídící síly pro proud ní ve svarové lázni - elmag. síla, vztlaková síla a povrchové nap tí a též vliv proudu kapek z tavené elektrody. Je diskutován vztah vzdálenosti špi ky (CTWD) k délce oblouku pro analýzu vlivu CTWD na formování lázn . Byly provedeny série srovnávacích experiment ke sledování r znosti geometrie svaru vlivem zm n CTWD (15, 20, 25 mm). Experimenty byly provedeny pro rychlost drátu 9 m/min, rychlost sva ování 42 cm/min a nap tí 31,5 V, což p i použití plynu 80/20 a drátu 1,2 mm jsou velmi typické parametry automatického sva ování. Proud ní tavné lázn je uvažováno jako laminární a nestla itelné.

Povrch lázn byl uvažován deformovatelný. Vliv sloupce kapek je patrný z (Obr. 8), kde se srovnává simulace jen s uvažováním prvních t í sil a se zapo tením vlivu sloupce kapek. Na (Obr. 9) je sumarizován vliv vzdálenosti kontaktní špi ky na tvar (ší ku a p evýšení) svaru a hloubku závaru.

Obr. 8Vliv sloupce kapek na Obr. 9 Vliv špi ky na tvar a hloubku svarovou láze závaru

Stla ení povrchu lázn vysokoproudým obloukem studoval Choo a spol..

Odvodili, že obvykle používané rozd lení tepla a hustoty proudu podle

Gaussovy k ivky se nedá aplikovat obecn na siln deformované povrchy svarové lázn , pozorované experimentáln p i vysoké intenzit oblouku, které neodpovídaly sou tu moment magnetického a obloukového tlaku. Z toho vyplývá, že zde musí p sobit ješt jiná síla stejného ádu.

Smykové nap tí plynu ve srovnání s Marangoniho proud ním zkoumali Choo a Szekely. Vliv smyku plynu (též definovaný jako aerodynamický tlak plynu) na proud ní, tedy jeho moment p sobící na svarovou láze , je ve srovnání s Marangoniho proud ním asto považován za zanedbatelný vlivem nízké hodnoty viskozity argonu vzhledem k tekutému kovu. P i vyšším proudu v oblasti p evažujícího vlivu elektromagnetické síly však zp sobuje hluboký závar a také se p edpokládá, že m že být odpov dný za nestability povrchu jako vlny a obruby.

Povrchové nap tí je míra p ilnavosti mezi dv ma atomy na povrchu. Když teplota roste, p ilnavost klesá a gradient δγ/δT je záporný. St ed svarové lázn je teplejší než okraj, takže ze st edu na okraj se vytvá í proud ní. Za p ítomnosti povrchov aktivních látek, jako je síra nebo kyslík tyto vazby atom vlivem segregace mohou zesílit p i rostoucí teplot a gradient se zm ní na kladný.Vliv pulzujícího stla ení povrchu tlakem oblouku na proud ní v lázni a formování svaru na (Obr. 10) demonstruje dynamiku r stu hloubky závaru.

Vlivem proudového impulsu se rychle stla í láze a vzroste závar. Zatímco stla ení klesne ihned po skon ení pulsu, závar klesá pomalu. To platí jen pro menší tavné lázn , ve v tší lázni se axiální moment, vyvozený stla ením lázn a p enos tepla ke dnu zpož uje a jeho vliv na hloubku závaru se tím snižuje.

[7]

Obr. 10 Vliv tlaku oblouku na proud ní v tavné lázní

2.4.4 Intenzita vysokoproudého oblouku

Bylo zjišt no, že pro nízké proudy pod 200A se stla ení svarové lázn vypo tené jen za uvažování moment magnetického a obloukového tlaku dob e shoduje s m ením, zatímco pro vyšší proudové hodnoty jejich sou et nedá dohromady experimentáln zjišt né hluboké stla ení a závar. Z toho vyplývá, že p i vysokém proudu nabývá n která z ostatních sil stejného ádu jako povrchové nap tí a elektromagnetické síly a touto silou bylo identifikováno smykové nap tí plynu.

P i vyšším proudu dochází vlivem tlaku oblouku ke stla ení nebo oscilaci povrchu lázn a tím m ní i sm r p sobení smyku plynu. Mendez a Eagar zjistili, že p i sva ování vysokým proudem a rychlostí se p sobením tlaku oblouku vytvo í ve svarové lázni prohlube (drážka) (Obr. 11), která se spolup sobením hlavn smykového tahu plasmy plynu prohloubí tak, že vytla í taveninu na okraj prohlubn a pod obloukem z stane jen velmi tenká vrstvi ka taveniny s efektivním p enosem tepla oblouku p ímo do materiálu, což zp sobí velmi hluboký závar. Tavenina je vytla ována nahoru k okraji prohlubn , kde tvo í obrubu, prost ednictvím které tavenina proudí ob ma sm ry do zadní (vle né) ásti svarové lázn , kde postupn tuhne. Tento mechanismus byl popsán pro sva ování WIG, ale experimentáln byl námi potvrzen i pro metodu MAG. [7]

Obr. 11 Tvorba drážky tlakem oblouku

2.5 Efektivita provedení koutového svaru metodou MAG

Pojem efektivita zavádíme z d vodu, že tuto efektivitu chceme m it a optimalizovat, a tak pot ebujeme definovat pozitivní stav, vymezený pouze na technologickou oblast, vycházející již z dané konstrukce a ur itého materiálu.

Definice efektivity pak bude nap .: Provedení svaru ur ité nosnosti p i minimální spot eb p ídavného materiálu, p ípadn vneseného m rného tepla. [9]

E = EZ . En , (6)

kde E je celková efektivita, EZ jeefektivita závaru En je efektivita návaru.

Efektivita závaru EZ je pom r maximální hloubky závaru z a teoretické nosné velikosti vt odpovídající skute né ploše návaru, pokud by byla celá efektivn využita (bez p evýšení). Efektivita závaru je p i konstantní hodnot teoretické nosné velikosti svaru p ímo úm rná velikosti závaru. Nejvyšší hodnota efektivity závaru se dosáhne, když velikost závaru je rovna teoretické nosné velikosti svaru.

EZ = vt

z , (7)

kde EZ je efektivita závaru, z je hloubka závaru a vt je teoretická nosná velikost svaru.

Efektivita návaru En vyjad uje vliv p evýšení svaru (r). Je pom rem výšky svaru a k teoretické výšce svaru at odpovídající skute né ploše návaru, pokud by byla efektivn využita (bez p evýšení).

P i nulovém p evýšení je tato efektivita rovna jedné.

En = at

a , (8)

kde EN je efektivita návaru, a je výška svaru a at je teoretická výška svaru.

Obr. 12 Rozm ry koutového svaru

2.5.1 Efektivita z konstruk ního hlediska

U kolmých (T) spoj se tém výhradn používá koutového svaru, který se tímto stává nejpoužívan jším typem svarového spoje. Koutový svar není konstruk n ideálním ešením spoje dvou kolmých díl , naopak má mnoho nevýhod. Práv u n j je nebezpe í p edimenzování vznikající v pr b hu realizace svaru nejvyšší. Na rozdíl od tupého svaru, zde není velikost svaru vymezena geometrií svarových ploch. Velikost koutového svaru závisí jen na správném odhadu parametr sva ování. Plocha svaru je kvadrátem výšky takže nap . rozdíl jediného milimetru mezi svarem nosné velikosti 4 a 5 mm (bez uvažování závaru), znamená zvýšení spot eby p ídavného materiálu p ibližn o 56 %. Též nevhodné polohování, p i kterém dojde ke ste ení lázn (Obr. 13) neefektivn zvýší plochu svaru. [9]

Obr. 13 Overwelding [9] Obr. 14 Nosný pr ez Na koutovém svaru je pozoruhodné nejen to, že se snadno m že p edimenzovat, ale také naopak - má skrytou velkou rezervu opa ným sm rem.

Zvýšení hloubky závaru a jeho zahrnutí do nosné velikosti svaru p edstavuje

velmi ú inný zp sob minimalizace vn jších rozm r svaru a tím i spot eby p ídavného materiálu. Již stávající p edpisy pro výpo ty svarových spoj umož ují paušáln zapo ítat hloubku závaru do nosné velikosti koutového svaru u poloautomatických a automatických zp sob sva ování. Nap . SN 050120 již ve zn ní z roku 1970 , dále pak SN 731401 ve zn ní z roku 1998 podmi uje zapo tení závaru do ú inné výšky koutového svaru dokumentací a prokázáním jeho soustavného dodržování. P itom se však stále vychází z vn jší geometrie svaru ve tvaru rovnoramenného trojúhelníka podle (Obr. 14), který je vhodný pouze pro poloautomatické sva ování a kontrolu mechanickou m rkou (Obr. 15).

Obr. 15 Mechanická m rka pro Obr. 16 Mechanická m rka pro rovnoramenný svar nerovnoramenný svar

P i automatickém sva ování lze však vn jší tvar svaru vhodným polohováním a vhodnou volbou parametr sva ování s výhodou zm nit tak, abychom dosáhli v tšího podílu závaru na jeho nosné velikosti. Na tuto skute nost upozor uje již BLODGETT [10]. Vysv tlení jeho p ístupu je na (Obr.17) . Maximální závar má sm ovat do mezery, stejn jako u tupého spoje a tomu odpovídá i vn jší tvar svaru. Otázkou kontroly velikosti svaru se zde nemusíme zabývat, lze snadno spo ítat z p edepsaných parametr a záleží jen na udržení míry p evýšení, která je touto volbou též dána. Navíc již existují m rky i pro tento nerovnoramenný typ svaru (Obr.16).

Norma SN EN ISO 6520-1 platná od roku 2000 již definuje p ekro ení velikosti koutového svaru jako vadu . 5214 a norma SN EN 25817 definuje velikost koutového svaru jako „ výšku nejv tšího rovnoramenného trojúhelníka, vepsaného do p í ného ezu svaru“. Koutový svar s viditelným podkro ením rozm ru nemusí být posuzován jako vada, jestliže je požadovaný rozm r dosažen dostate n hlubokým závarem. [1]

Obr. 17 Vhodné polohování svaru

2.5.2 Efektivita z technologického hlediska

Spo ívá v tepelné efektivit procesu MAG a efektivit vytvá ení závaru.

Obloukové sva ování je intenzivním lokálním oh evem materiálu, p i kterém jen ur itá ást energie je p ímo využita na jeho tavení. [1]

Celková tepelná efektivita (podíl energie zdroje, využité k tavení) je sou tem efektivity oblouku a efektivity tavení a dá se vyjád it pro tavenou elektrodu rovnicí:

η = η =

η = η = 1–((1–n).q

+m.q

)/U.I),

kde

qp - teplo vyzá ené a odvedené obloukem, qw - podíl tepla absorbovaný materiálem,

n - ást energie vyzá ené a odvedené ze sloupce oblouku a p enesené do materiálu,

m - ást energie odvedené materiálem pry .

2.5.2.1 Efektivita (ú innost) p enosu tepla u procesu MAG

P i obloukovém sva ování je jen ur itá ást zdrojem dodávané energie p ímo využita k tavení materiálu.

Celková tepelná efektivita = efektivita oblouku + efektivita tavení

2.5.2.2 Efektivita p enosu tepla obloukem ηηηηa

Energie, vytvá ená obloukem a elektrodou je vnesena do svaru s ur itou intenzitou a ú inností. Intenzita proudu závisí na rozd lení hustoty proudu oblouku na povrchu materiálu. Ú innost p enosu se v rámci jedné obloukové technologie s výší proudu výrazn nem ní a pro technologii MAG, charakterizovanou tavenou elektrodou a prost edím - sm sí inertního a aktivního plynu, je ηa v rozsahu 0,84 +- 0,04. Zbytek se ztrácí radiací a vedením do plynného okolí.

2.5.2.3 Efektivita tavení materiálu

ηηηη

Energie, dodaná svaru, se dále d lí na dv ásti – hlavní je použita pro tavení svarové lázn a její podíl je efektivitou tavení ηm. Zbytek je rozptýlen v okolním základním materiálu zejména vedením tepla a má podíl na formaci tepeln ovlivn né zóny materiálu (TOZ) a p edeh evu. Efektivita tavení je dána zejména fyzikálními vlastnostmi materiálu, na nichž závisí zp sob vytvá ení tavné lázn , jejímž prost ednictvím se teplo p enáší formou vedení a proud ní.

Na rozdíl od proud ní je vedení tepla teoreticky probádanou záležitostí.

Wells ukázal, že efektivita tavení závisí na bezrozm rném pom ru / vd, kde je teplotní vodivost zákl. mat., v je rychlost sva ování a d je ší ka svaru a navrhl rovnice pro efektivitu tavení pro 2D a 3D tepelný tok. Tyto vztahy ur ují po áte ní vysoký nár st efektivity tavení s rychlostí sva ování a nasycení ηηηηm na hodnot 0,48 pro 2D (0,37 pro 3D) podmínky tepelného toku p i vysokých sva ovacích rychlostech, kdy pom r teplotní vodivosti k rychlosti sva ování je nízký, což bylo pozorováno experimentáln . [1]

ηm = . 2 . 5

. 8

1 d + v

α pro 2D (10),

( )

+ +

⋅

=

2

4 2

, 1 10 1 35 , 1

1 d v

m α

η pro 3D odvod tepla (11)

(Obr. 18) ukazuje efektivitu tavení jako funkci rychlosti sva ování. Jistá tendence je zde patrná ale velký rozptyl hodnot nazna uje, že tento faktor není sám o sob rozhodující. Graf na (Obr.19), kde je efektivita tavení funkcí násobku dodaného tepelného výkonu (ηηηηa U I) a rychlosti (v) ukazuje mnohem prokazateln jší závislost a dokládá, že efektivita tavení je dána synergickém p sobením výkonu a rychlosti sva ování bez ohledu na druh procesu.

Efektivita tavení jako pom r tepla použitého k tavení k celkovému teplu vnesenému do svarku p edstavuje pom r mezi okamžitým výkonem (ηηηηa U I ) dodaným místn do svarku zdrojem, pohybujícím se rychlostí (v) a p eneseným teplem pry ze svaru teplotním vedením ( ). Jestliže se zvyšuje výkon lokálního oh evu m že se zdroj tepla pohybovat p i tavení svaru rychleji, a tak snižuje as dostupný pro p enos energie tepelným vedením ven ze svaru. Více energie se spot ebuje pro tavení a tím roste jeho efektivita.

Prvotní matematická ešení 2D a 3D kvasi-statického rozd lení tepla s uvažováním pouze vedení tepla jsou i základem komer ních simula ních program a dávají užite né výpo ty teplotních profil , ur ujících jak ideální tvar svarové lázn , tak zejména ší ku a strukturu TOO a nap ov -deforma ní pom ry v okolí svaru. Tvar lázn a zejména skute nou hloubku závaru ne eší.

Obr. 18 Efekt. tavení jako funkce Obr. 19 Efektivita tavení jako funkce

rychlosti násobku dodaného tepelného výkonu

2.5.2.4 Efektivita tavení materiálu ηηηηm p i p enosu tepla proud ním

P enos tepla ve svarové lázni proud ním výrazn zvyšuje ú innost p enosu tepla (efektivitu tavení) a pro ur ení výsledné geometrie svaru má velký význam. [1]

Obr. 20 Srovnání proud ní a vedení tepla v tavné lázni

Na (Obr. 20) je srovnání simulace tvaru svarové lázn s uvažováním jen vedení a zahrnutím vlivu proud ní (plná ára), které demonstruje jakou roli hraje proud ní p i p enosu tepla, zejména p i vytvá ení “prstového“ tvaru závaru vlivem dost edného proud ní svarové lázn , p enášející teplo ke ko enu svaru mnohem efektivn ji než vedením.

Limmaneevichitr a Kou experimentáln zkoumali vliv zdroje a vlastností materiálu na Marangoniho proud ní (termokapilární) vlivem povrchového nap tí, které p sobí radiáln ve sm ru gradientu teploty. P evahující sm r a sílu proud ní zkoumali s použitím p sobení prom nliv zaost eného paprsku laseru na dv látky s velmi rozdílným Prandtlovým a Pecletovým íslem:

k C_p •µ

Pr= (12) ,

α V

Pe= L• , (13)

kde Cp je specifické teplo, µ µ dynamická viskozita a k tepelná vodivost, L je µ µ polom r povrchu lázn , V je max. povrchová rychlost proud ní a αααα je teplotní vodivost.

Zjistili, že zejména Pecletovo íslo, analogicky vyjád ené již ve Wellsových rovnicích, vyjad uje nejlépe pom r p enosu tepla proud ním a vedením a je nejlepším ukazatelem vlivu proud ní na tvar svarové lázn . ím je vyšší, tím dominantn jší je vliv Marangoniho proud ní. Rozdíl teplot svarové lázn uprost ed a na okraji vytvá í rozdíl intenzity povrchového nap tí v jejímž sm ru tavenina proudí na povrchu lázn až dosáhne okraje, kde se stá í sm rem dol . Tak vzniká široký závar s plochým, n kdy až konvexním dnem.

Když je Pe mnohem v tší než 1, je p enos tepla v lázni primárn ízen proud ním a vedení tepla je zanedbatelné. Naopak, když je Pe mnohem menší než 1 nap . u kov s vysokou tepelnou vodivostí p i nízkých rychlostech u malých svar p evažuje vliv vedení.

Obr. 21, 22 Vliv paprsku oblouku na rychlost proud ní

ím je paprsek užší a má vyšší intenzitu, tím je Marangoniho proud ní rychlejší. V tší je rychlost proud ní na povrchu než rychlost zp tného proud ní, takže st ed víru je blíže povrchu a okraje (Obr. 21, 22). Zvýšení výkonu snižuje hloubku proud ní, zatímco zúžení paprsku ji zvyšuje, protože zvyšuje moment zp tného proud ní.

Nejd ležit jšími povrchov aktivními látkami p i sva ování jsou kyslík a síra.

I když s teplotou povrchové nap tí istého kovu klesá, vlivem obsahu kyslíku (síry) povrchové nap tí svarové lázn s teplotou stoupá, což zp sobuje již popsaný efekt obrácení sm ru Marangoniho proud ní. V tšina istých kov má záporný teplotní gradient povrchového nap tí (dγ/dT) a z toho plynoucí odst edný sm r Marangoniho proud ní.

Výzkum sva ování MAG v padesátých letech prokázal, že malé množství kyslíku v argonu (2 – 5 %) nemá patrný vliv na charakteristiku oblouku, ale výrazn zlepšuje zejména tvorbu oxid a tím elektronovou emisi a stabilitu katodové skvrny, smá ivost povrchu a mimo to též m ní sm r proud ní taveniny v lázni. P ím s aktivní složky do argonu (O2 nebo CO2) je vedle dynamické charakteristiky zdroje druhou základní podmínkou použitelnosti tohoto procesu pro sva ování oceli.

Aspekty produktivity a efektivity se p i sva ování vysokým výkonem a rychlostí setkávají – efektivní p enos tepla a tedy minimální vnesené m rné teplo na pot ebnou velikost svaru se dosáhne p i vysokém m rném tavném výkonu, což znamená vysoký proud, zp sobující maximální hloubku závaru a p i vysoké rychlosti sva ování, která je synonymem vysoké produktivity.

Parametry, které vedou k optimalizaci efektivity tavení redukují velikost TOZ, minimalizují ztráty energie a snižují nap tí a deformaci. Optimalizací sva ovacích parametr tak m žeme levn ji dosáhnout výhod proces s vysokou koncentrací energie. Koutový svar je ideálním p íkladem toto demonstrovat.

Efektivitu tavení oceli vzhledem ke složitým pom r m p i proud ní taveniny ve svarové lázni nelze zatím teoreticky odvodit ze vstupních podmínek procesu ale je možno ji odvodit z pr ezové plochy hotového svaru. To platí i pro ostatní kritéria efektivity procesu. [1]

2.5.3 Efektivita závaru (EZ)

Synonymem vysokého výkonu a hlubokého závaru MAG sva ování je proud, p esn ji jeho hustota na špi ce drátu v míst katodové (anodové) skvrny. V porovnání s technologií sva ování netavící se elektrodou (WIG), která m že tavit p ímo základní materiál bez tavení drátu je metoda MAG postavena na rychlém tavení tenkého drátu. U zdroje s plochou statickou charakteristikou a obrácené polarit oblouk taví p edevším drát a jeho rychlost tavení ur uje hodnotu proudu.

2.5.3.1 Vliv proudu I, rychlosti drátu Vd, tavného výkonu P na EZ

Proud I (A) je základní procesní prom nnou p i obloukovém sva ování. V procesu MAG na intenzit proudu závisí nejen tavný výkon a hloubka závaru, ale také zp sob (modus) p enosu kovu mezi elektrodou a plynem chrán nou tavnou lázní. Hodnotu proudu nelze p edem nastavit, protože prochází až po zapálení oblouku a tehdy je možné jej teprve se ídit nastavením rychlosti drátu.

Tavný výkon (P) závisí na anodovém poklesu nap tí Ua a odporu konce drátu R(Ω), kterým je proud veden od kontaktní špi ky po anodovou skvrnu – výlet drátu L (mm). Tavný výkon generovaný celkovým poklesem potenciálu je ur en vztahem (7), kde ρ je m rný odpor drátu a D jeho pr m r.

P = I.(Ua + I.R) = I.Ua + I². ρ.L/D² (14)

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

Skute nost, že p i sva ování MAG sva ovací proud taví p edevším p ídavný materiál zdánliv limituje možnosti jeho využití ke zintenzívn ní procesu, protože plocha závaru více-mén odpovídá velikosti návaru. To však platí jen bez uvažování již zmín ného vlivu rychlosti sva ování. [1]

2.5.3.2 Vliv výletu drátu, délky oblouku, výšky kontaktní špi ky na EZ

Obr. 23 Výlet drátu

U MAG sva ování je drát podáván do oblouku ur itou rychlostí a jí odpovídá velikost proudu p i daném sklonu ploché charakteristiky zdroje. Plochá charakteristika má samoregula ní charakter, který kompenzuje rozdíly délky oblouku LO, b hem sva ování automatickým podáváním zvýšeného nebo sníženého proudu k dosažení rovnováhy, to ale platí bezezbytku jen u vysoce vodivých materiál . U ocelového drátu hraje d ležitou roli odpor ve výletu drátu.

Na rozdíl od ru n vedeného (poloautomatického) sva ování MAG, p i automatickém sva ování máme pevn danou výšku kontaktní špi ky nad povrchem LC. Tato vzdálenost se skládá z délky oblouku LO a výletu drátu L (Obr. 23). Zm nou výšky špi ky nebo rychlostí drátu m žeme výlet drátu i délku oblouku m nit. P i zvyšování rychlosti drátu, zv tšujeme výlet drátu na úkor délky oblouku. Zv tšením výšky kontaktní špi ky 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 ur uje rozd lení proudu a tlaku na povrchu svarové lázn a tedy i její velikost a tvar. P íliš krátký oblouk zp sobuje zkrat elektrody se svarovou lázní, nižší tavení zákl. materiálu, vysoký a úzký návar, nerovnom rné vnášení tepla a v tší možnost výskytu vad. Naopak p íliš dlouhý oblouk zp sobuje plochý, m lký návar, dovoluje oblouku v tší pohyb, zvyšuje rozst ik a m že zp sobit porositu turbulencí vzduchu. Délka oblouku je základní podmínkou existence procesu a ekvivalentem nap tí.

2.5.4 Synergie

Pro snadn jší nalezení pracovního bodu byly výzkumnými st edisky firem vyráb jících zdroje, plyny nebo dráty pro sva ování MAG vypracovány grafy pracovních oblastí pro ur ité kombinace vstupních podmínek (Obr. 24) a ty potom zapracovány do knihoven procesor sva ovacích zdroj .

T mito zdroji pak lze sva ovat pomocí tzv. synergie, to znamená, že procesor na základ vybrané kombinace vstupních podmínek sám upravuje druhý parametr - nap tí nebo rychlost drátu, podle zvoleného, svá e em nastavovaného parametru tak, aby proces byl pro zvolený tepelný výkon optimáln stabilní. [1]

Obr. 24 Oblast stability procesu

1 - pracovní bod, 2 – oblast stability ho ení oblouku, 3 – výkon zdroje

2.5.5 Šumové faktory mající vliv na efektivitu sva ování

Jedním z šumových faktor je pom r dle normy zapo itatelné výšky v míst , kde závar protíná styk hrany stojny s pásnicí a skute né maximální výšky v míst max. hloubky závaru (Obr.25).

N1= vz/ v (15)

Tento faktor by m l zohlednit p esnost nasm rování závaru – tedy úhel svarku k rovin dráhy ho áku a excentricitu této roviny k ose svaru.

Obr.25 Excentricita

2.5.5.1 Vliv mezery v ko eni svaru

V praxi je nejd ležit jším šumovým faktorem p esnost sestavení, tedy mezera v ko eni svaru, což platí i pro tupý svar. Z literatury i praxe je na rozdíl od tupého svaru znám negativní vliv mezery v ko eni na efektivitu koutového svaru, viz. (Obr.26,27). To je dáno jeho stávající geometrií.

Obr.26 Vliv mezery na plochu návaru

Obr. 27 Vliv mezery na plochu návaru

2.5.6 Metodika m ení efektivity koutového svaru

M níme-li hloubku závaru p i nem nné nosné velikosti svaru, m ní se tvar rovnoramenného trojúhelníka pr ezové plochy svaru tak, že se zpo átku pravoúhlý vrcholový úhel vrchol V1 na (Obr. 28) stále zmenšuje až ramena splynou v p ímce doteku hrany stojny s pásnicí, což je ideální tvar svaru, teoreticky dosažitelný nap íklad elektronovým paprskem.

Technologie MAG dosáhne samoz ejm nižšího maximálního závaru (nap . vrchol V4), lišícího se podle kombinace vstupních podmínek a intenzity procesu.

2.5.6.1 Matematické ešení závarem ízené geometrie svaru

Jak vyplývá z uvedených p edpoklad , ídící hodnotou pro velikost pr ezové (návarové) plochy svaru Ps p i konstantní hodnot nosné velikosti svaru vt je hloubka závaru z, tedy

Ps = f(z), pro vt = konst.

Obr. 28 Zm na vn jšího tvaru koutového svaru p i zm n návaru

Pro umožn ní statistického vyhodnocování efektivity koutových svar byla vypracována metodika m ení efektivity reálných koutových svar , sestávající z m ení skute né geometrie reálného svaru, jehož makrostruktura je nejprve vyfocena digitální kamerou a snímek p enesený na PC je vyhodnocen pomocí programu NIS Elements 2.3 CZ. Nakonec jsou stanoveny jednoduché ukazatele efektivity které vztahují reálné geometrické hodnoty koutového svaru k ideálním, a také tzv. šumové faktory, které zahrnují vliv nep esností a obtížn kontrolovatelných faktor .

2.5.6.2 Stanovení faktor efektivity provedení svaru

Základním (pozitivním) faktorem efektivity provedení koutového svaru je pom r maximální hloubky závaru a teoretické (ideální) nosné výšky, odpovídající skute né

ploše návaru pokud by byla celá efektivn využita.

E1=z/vt, (16) kde z je hloubka závaru a vt je nosná velikost svaru.

Druhým (negativním) faktorem, zohled ujícím neefektivní p evýšení svaru je pom r skute n nam ené výšky návaru k teoreticky dosažitelné p i plochém svaru. To získáme ode tením závaru od skute né a od teoretické výšky svaru (Obr. 29). Tím eliminujeme vliv závaru na efektivitu a m žeme jej nazvat faktorem efektivity návaru.

E2=a/at=(v–z)/(vt–z), (17) Kde a je výška svaru, at – teoretická výška svaru.

Celkovou efektivitu pak m žeme jednoduše vyjád it sou inem: E = E1 . E2.

Jedná se o bezrozm rné parametry s rozsahem (0,1), vhodné pro statistické zpracování.

Obr. 29 Popis m ených rozm r svaru