Svařování korozivzdorných ocelí
Svařování korozivzdorných ocelí
Pierre-Jean Cunat
Materiály a jejich použití, Volume 3
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
Euro Inox
Euro Inox je evropskou asociací pro rozvoj trhu
nerezavějící oceli.
Členy Euro Inox jsou:
• evropští výrobci nerezavějící oceli
• národní asociace pro vývoj nerezavějící oceli
• asociace pro vývoj průmyslu vyrábějícího
zušlechťovací prvky.
Prvořadým cílem Euro Inox je vytváření povědomí o
mimořádných vlastnostech nerezavějících ocelí a jejich
dalším použití pro existující aplikace a na nových trzích.
Aby se těchto cílů mohlo dosáhnout, pořádá Euro Inox
konference a semináře a vydává směrnice v tištěné i
elektronické podobě, které umožňují konstruktérům,
tvůrcům specifikací, výrobcům a koncovým uživatelům
se důvěrně seznámit s tímto materiálem. Euro Inox
rovněž podporuje technický a marketingový vývoj.
ISBN 978-2-87997-177-3
978-2-87997-180-3 Anglická verze
2-87997- 087-3 Polská verze
978-2-87997- 178-0 Holandská verze
978-2-87997- 179-7 Turecká verze
Řádní členové
Acerinox
www.acerinox.es
Outokumpu
www.outokumpu.com
ThyssenKrupp Acciai Speciali Terni
www.acciaiterni.com
ThyssenKrupp Nirosta
www.nirosta.de
UGINE & ALZ Belgium
UGINE & ALZ France
Arcelor Mittal Group
www.ugine-alz.com
Přidružení členové
Acroni
www.acroni.si
British Stainless Steel Association (BSSA)
www.bssa.org.uk
Cedinox
www.cedinox.es
Centro Inox
www.centroinox.it
Informationsstelle Edelstahl Rostfrei
www.edelstahl-rostfrei.de
Institut de Développement de l’Inox (I.D.-Inox)
www.idinox.com
International Chromium Development Association (ICDA)
www.icdachromium.com
International Molybdenum Association (IMOA)
www.imoa.info
Nickel Institute
www.nickelinstitute.org
Polska Unia Dystrybutorów Stali (PUDS)
www.puds.com.pl
SWISS INOX
www.swissinox.ch
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
Svařování korozivzdorných ocelí
První vydání 2007
(Materiály a jejich použití, Volume 3)
© Euro Inox 2007
Vydavatel
Euro Inox
Sídlo organizace:
241 route d’Arlon
1150 Lucembursko, Luxembourg
Tel. +352 261 03 050, Fax +352 261 03 051
Realizační kancelář:
Diamant Building, Bd. A. Reyers 80
1030 Brusel, Belgie
Tel. +32 2 706 82 67, Fax +32 2 706 82 69
E-mail: info@euro-inox.org
Internet: www.euro-inox.org
Autor
Pierre-Jean Cunat, Joinville-le-Pont, Francie
Poděkováni
Části textu označené (*) jsou z publikace „Working with
Stainless Steels“ , Paris (SIRPE) 1998
Fotografie na obálce
ESAB AB, Göteborg (S)
Překlad
SVV Praha, s.r.o., CZ
Obsah
1 Obecné informace o korozivzdorných ocelích 2
2 Metody svařování korozivzdorných ocelí 3
3 Svařitelnost korozivzdorných ocelí 23
4 Volba ochranných plynů pro svařování
korozivzdorných ocelí 24
5 Volba přídavných materiálů pro svařování
korozivzdorných ocelí 25
6 Příprava svarů pro obloukové svařování 26
7 Konečné zpracování svar 28
8 Bezpečnostní opatření 30
9 Pojmy a definice 32
Popření právní odpovědnosti
Euro Inox vyvinul veškeré úsilí k tomu, aby informace
prezentované v této publikaci byly technicky správné.
Přesto ale upozorňujeme čtenáře, že materiál zde
obsažený slouží pouze pro všeobecnou informovanost.
Euro Inox, jeho členové, zaměstnanci a konzultanti
odmítají zejména právní odpovědnost za ztráty, škody
nebo poškození vzniklé použitím informací obsažených
v tomto dokumentu.
Autorská práva
Toto dílo je předmětem autorského práva. Euro Inox si
vyhrazuje všechna práva na překlad do kteréhokoliv
jazyka, přetisk, opětné použití vyobrazení, výčtů
a vysílání. Žádná část této publikace se nesmí
rozmnožovat, ukládat do vyhledávacího systému, nebo
přenášet jakýmikoli prostředky, elektronickými,
mechanickými, fotokopiemi, zaznamenáváním, ani
jinak bez předchozího písemného svolení majitele
autorských práv, Euro-Inoxu, Luxemburg. Porušení
může být předmětem soudního řízení a zodpovědnosti
za finanční škody vzniklé porušením, stejně jako
nákladů a soudních poplatků a spadá pod právní
působnost lucemburského zákona o autorském právu a
předpisů platných v Evropské unii.
1
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
2
1 Obecné informace o korozivzdorných ocelích
1.3 Austeniticko-feritické duplexní
korozivzdorné oceli:
Fe-Cr-Ni (Mo)-N
Mikrostruktura duplexních korozivzdorných
ocelí se skládá ze směsi austenitu a feritu.
Vykazují vlastnosti jak fází s vyšší pevností
tak tvárností. Dusík je přidáván pro větší
pevnost a také podporuje svařitelnost. Jsou
magnetické a nevytvrditelné tepelným
zpracováním.
Rozsah složení: C ≤ 0.03% -
21% ≤ Cr ≤ 26% - 3.5% ≤ Ni ≤ 8% -
(Mo ≤ 4.5%) - N ≤ 0.35%
1.4 Martenzitické korozivzdorné
oceli: Fe-Cr-(Mo-Ni-V)
Tyto slitiny mohou být tepelně zpracovávány
pro dosažení širokého rozsahu užitečných
úrovní tvrdosti.
Dosažená martenzitická struktura je
magnetická.
Rozsah složení: C ≤ 1.2% -
11.5% ≤ Cr ≤ 17% -
(Mo ≤ 1.8% - Ni ≤ 6% - V ≤ 0.2%)
1.1 Austenitické korozivzdorné
oceli: Fe-Cr-Ni (Mo)
Tyto slitiny jsou nejrozšířenějším jakostním
druhem korozivzdorných ocelí pro svoji
skvělou tvářitelnost, odolnost proti korozi a
svařitelnost. V žíhaném stavu jsou všechny
nemagnetické.
Rozsah složení: C ≤ 0.10% -
16% ≤ Cr ≤ 28% - 3.5% ≤ Ni ≤ 32% -
(Mo ≤7%)
1.2 Feritické korozivzdorné oceli:
Fe-Cr-(Mo)
Feritické korozivzdorné oceli mají nízký
obsah uhlíku, s chrómem (a molybdenem)
jako hlavními legujícími prvky. Jsou
nevytvrditelné tepelným zpracováním. A jsou
vždy magnetické.
Rozsah složení: C ≤ 0.08% -
10.5% ≤ Cr ≤ 30% - (Mo ≤ 4.5%)
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
3
2 Metody svařování korozivzdorných ocelí
2.1 Svařování elektrickým
obloukem
2.1.1 Svařování netavící se kovovou
elektrodou
2.1.1.1 Obloukové svařování wolframovou
elektrodou v inertním plynu:
GTAW (Gas Tungsten Arc Welding *)
Metoda GTAW- svařování wolframovou
elektrodou v inertním plynu, známá také
jako metoda TIG (Tungsten Inert Gas) nebo
také WIG (Wolfram Inert Gas) je zobrazena
na výše uvedeném obrázku. Energie nutná
pro tavení kovu je dodávána hořením
elektrického oblouku a udržována mezi
wolframovou nebo wolframovou legovanou
elektrodou a svarkem, pod inertní nebo mírně
redukovanou atmosférou. Korozivzdorné
oceli jsou vždy svařovány způsobem DCEN
(Direct Current Electrode Negative –
stejnosměrným proudem s elektrodou na
záporném pólu) nebo také DSCP (Direct
Current Straight Polarity – stejnosměrným
proudem s přímou polaritou). V těchto
podmínkách je svarek natavován elektrony
zlepšujícími průvar, zatímco elektroda,
která je obvykle vyrobena z thoriovaného
wolframu (2% ThO2), se velmi málo
opotřebovává. Jestliže se používá svarový
kov, je ve formě buď tyčinky nebo svinutého
drátu pro automatické svařování. Proud
inertního plynu, který chrání oblast oblouku
před okolním vzduchem, umožňuje udržení
velmi stabilního oblouku.
směr svařování
70 - 90°
20°
přívod
ochranného
plynu
měděná podložka
+
ochranný plyn
svarový kov
oblouk ochranný plyn
přívod
svařovacího
proudu
hořák
keramická tryska
neodtavující se kovová elektroda
Princip ručního
obloukového svařování
wolframovou elektrodou
v inertním plynu
přítok
svařovacího
proudu
ochranný plyn
ochranný plyn
voda
voda
plyn tvořící plazmu
plyn tvořící plazmu
Cathode
(thoriated
W)
směr svařování
svarová lázeň
plazmový proud
ztuhlý svar svarek
H. F.
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
4
a jelikož není při procesu potřeba
tavidlo, oxidace usazenin je eliminována,
takže jsou závěrečné postupy čištění
velmi zjednodušené;
• výborná metalurgická kvalita, s přesným
řízením průvaru a tvarem svaru ve všech
polohách;
• hluboké svary a bez pórů
• velmi nízké opotřebení elektrody
• snadné pro naučení
Obvyklý rozsah tloušťky svarku je 0,5 až
3,5 / 4.0 mm.
V závislosti na základním materiálu se
ochranné plyny skládají ze směsi argonu
(Ar), helia (He) a vodíku (H2) (viz kapitola 4
„Volba ochranných plynů pro svařování
korozivzdorných ocelí“).
Hlavní přednosti této metody, je-li
používána při svařování korozivzdorných
ocelí, mohou být stručně shrnuty následovně:
• koncentrovaný tepelný svazek umožňující
úzkou oblast natavení;
• velmi stabilní oblouk a chladná tavná
lázeň malých rozměrů. Není zde rozstřik
2.1.1.2 Plazmové obloukové svařování:
PAW (Plasma Arc Welding *)
Svařování plazmou (PAW) je podobné jako
obloukové svařování wolframovou
elektrodou v inertním plynu (GTAW).
Podstatný rozdíl je, že plazmový oblouk je
usměrněn v trysce, aby se dosáhlo
energeticky silného proudu plazmy, který
dosahuje teploty mezi 10 000 a 20 000 °C.
Svařovací metody používají většinou
přenesený oblouk, kde usměrněný oblouk
hoří mezi elektrodou a svarkem, kdežto jiné
aplikace používají častěji nepřenesený
usměrněný oblouk.
Princip plazmového
svařování metodou
klíčové dírky
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
5
Vzhledem k tomu, že je plazmový paprsek
extrémně tenký, nemůže být zajištěna
náležitá ochrana svarové lázně a proto je
nutné přidat větší průměr prstencového
proudu ochranného plynu.
Plyny používané jak pro tento účel tak pro
tvorbu plazmy jsou obdobné pro použití při
procesu svařování GTAW, zejména čistý
argon (Ar), směs argonu s vodíkem až do
výše 20% Ar-vodík (H2), směs argonu a
helia Ar-helium (He). Směsi obsahující
vodík jsou doporučovány pro svařování
austenitických korozivzdorných ocelí, ale
jako u metody GTAW jsou při svařování
feritických, martenzitických a duplexních
ocelí zakázány. Pro posledně jmenované
materiály je doporučeno přidání dusíku pro
udržení náležitého podílu austenitu a feritu
ve svaru (viz. kapitola 4 „Volba ochranného
plynu pro svařování korozivzdorných
ocelí“).
Při ručním plazmovém svařování, kde je
hořák držen ručně, jsou metody svařování
tzv. „mikro-plazmou“ a „mini-plazmou“
používány pro proud mezi 0,1 a 15 ampéry a
„not-emergent jet“ (středněplazmové
svařování) pro proud mezi asi 15 a 100
ampéry.
Při automatickém svařování, kde je hořák
nasazený na vozíku, je doporučeno
svařování technikou tzv. klíčové dírky.
Nárůstem svařovacího proudu (přes 100
ampér) a prouděním plazmového plynu se
tvoří velmi výkonný plazmový paprsek,
kterým se docílí plného průvaru ve svarku.
Během svařování proniká postupně
plazmový oblouk tloušťkou stěny kovu, při
posuvu svařovací hubice dochází vlivem
povrchového napětí ke slévání roztaveného
kovu – tvorbě svaru – v místě za „klíčovou
dírkou“.
Hlavní výhodou metody plazmového
svařování oproti GTAW je mimořádná
stabilita oblouku vedoucí k:
• stabilnímu oblouku, který umožňuje
lepší ovládnutí přívodu energie;
• větší tolerance vůči změnám vzdálenosti
hořáku a svarku, bez významného vlivu
na morfologii svaru;
• malá tepelně ovlivněná zóna a převážně
rychlejší rychlost svařování;
• větší tolerance vůči vadné přípravě,
zvláště v případě svařování technikou
klíčové dírky.
Obvyklý rozsah tloušťky svarku je:
• 0,1 mm až 1.0mm pro metody svařování
mikro-plazmou a mini-plazmou
• 1,0 mm až 3,5 mm pro metodu „notemergent
jet“ (středně plazmové
svařování)
• 3,5 mm až 10,0 mm pro metodu
svařování klíčovou dírkou (při jedné
vrstvě)
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
6
2.1.2 Metody svařování tavící se
elektrodou
2.1.2.1 Svařování tavící se elektrodou v
inertním plynu: GMAW (Gas Metal
Arc Welding *)
U metody GMAW (svařování tavící se
elektrodou v inertním plynu), známé také
jako svařování MIG (Metal Inert Gas) je
svařovací teplota vytvářena hořením
elektrického oblouku mezi odtavující se
drátovou elektrodou a svarkem.
Na rozdíl od metod GTAW a PAW se
elektroda odtavuje, elektrický oblouk hoří
mezi odtavujícím se svařovacím drátem a
svarkem pod ochranným plynem.
Hlavní vlastnosti tohoto procesu jsou:
• využití velmi vysoké proudové hustoty v
elektrodovém drátu (>90A/mm2), asi
10 krát vyšší než v obalené elektrodě
při metodě SMAW (ruční obloukové
svařování obalenou elektrodou)
• rychlé odtavování elektrodového drátu
(rychlost odtavení okolo 8 m/min) v
důsledku vysoké teploty oblouku, je
třeba používat automatický systém pro
přísun drátu, dodávaného 12 kg cívkami;
• korozivzdorné oceli jsou vždy svařovány
způsobem DCEP (Direct Current Elektrode
Positive - stejnosměrným proudem s
elektrodou na kladném pólu) nebo také
DCRP (Direct Current Reverse polarity -
stejnosměrným proudem s nepřímou
polaritou), kladný pól generátoru je
připojen k elektrodě;
• svařovací hořák je držen obvykle ručně
(tzv. poloautomatizované metody), ale
pro vysoký svařovací výkon je upevňován
do vozíku (automatické metody).
přívod
energie pro
svařování
cívka svařovacího drátu
regulátor ochranného plynu
přívod ochranného plynu směr
svařování
svarek
tryska
kontaktní trubička
hořák
220/380V
podávací
válečky
ovládací
konzola
ovládací kabel
vodič proudu
kovový obal
plný elektrodový drát
přívod ochranného plynu¨
zařízení pro posuv elektrody zahrnující:
podavač drátu: pohon pro drát a
podávací válečky
ovládací konzola: elektroventil pro plyn,
řídící relé a elektronické ovladače
Princip svařování tavící
se elektrodou v inertním
plynu
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
7
Mechanismus přenosu kovu v oblouku je
důležitý parametr metody, rozlišujeme tři
základní způsoby:
• Zkratový přenos (short-circuiting nebo
také dip transfer) při kterém je kov
roztaven do tvaru velkých kapek, jejichž
průměr je často větší než průměr
elektrodového drátu. Kapky na konci
elektrody se dostanou do kontaktu se
svarovou lázní a vytvoří zkrat s náhlým
nárůstem proudu. Povrchové napětí
způsobí oddělení kapek od elektrody.
Frekvence tohoto jevu je řádově 20 až
100 Hz, to odpovídá časovému cyklu
mezi 0,01 a 0,05 sekundy.
• Kapkový přenos (globular transfer nebo
také gravity transfer). Jako v předchozím
případě nastane tavení do tvaru velkých
kapek, které se odtrhnou, když se
nahromadí dostatečně pro překonání
síly povrchového napětí a v důsledku
větší obloukové délky padají volně a
dostanou se do kontaktu se svarovou
lázní.
• Sprchový přenos (spray transfer)
vyžaduje proudovou hustotu nad jistou
přechodovou úroveň, řádově 200
A/mm2. Elektroda se taví, aby
rozproudila jemné kapky. Jak proudová
hustota dále roste, hrot elektrody
dostane kuželový tvar a proud ještě
jemnějších kapek se uvolní ve směru
osy.
Metoda GMAW vyžaduje ochranný plyn pro
zabránění oxidaci ve svařovacím oblouku
(viz. kapitola 4 „ Volba ochranných plynů
pro svařování korozivzdorných ocelí“).
Argon s 2% kyslíku (O2) dává stabilní proud
a je vhodný pro většinu aplikací. Argon se
3% kysličníku uhličitého poskytuje stejný
výsledek. Svařovací rychlost a průvar se
mohou někdy zvětšit přidáním helia (He) a
vodíku (H2) do ochranného plynu argonu +
O2 nebo do argonu + CO2. Plyny s vyšším
obsahem CO2 mají sklon k vytváření
značného nauhličování ve svarové lázni spolu
s oxidací chrómu. Proto se nedoporučují.
Velikost svarové housenky a hloubka
průvaru se budou měnit podle jakosti
materiálu svarku (feritická, austenitická
atd.), na typu spoje, způsobu přenosu a
zručnosti svářeče.
Poznámka: Metoda GMAW je často označovaná jako
svařování MIG. Často dochází k záměně mezi metodou
svařování MIG a MAG. Ve skutečnosti je u metody MIG
oxidační povaha ochranného plynu zanedbatelná (viz.
kapitola „Volba plynů pro svařování korozivzdorných
ocelí“), zatímco u metody MAG je záměrně zvětšena.
Nicméně, u metody GMAW/MIG je často potřebné
nízké procento kyslíku O2 nebo kysličníku uhličitého
(CO2) v ochranném plynu (argonu) jak pro zvýšení
stability oblouku tak smáčení roztaveným kovem.
Typické úrovně jsou 2% O2 nebo 3% CO2. Vyšší
hodnoty O2 nebo CO2 způsobují nadměrnou oxidaci
chrómu (Cr), manganu (Mn) a křemíku (Si) a nadměrné
nauhličení ve svarové lázni. Například obsah uhlíku
(% C) ve svarovém kovu, což je 0,025% pro 2% CO2
obsahu v ochranném plynu, by mohl dosáhnout 0,04%
pro 4% CO2.
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
8
Příklad tavidlem
plněného elektrodového
drátu
2.1.2.2 Svařování plněnou elektrodou:
FCAW (Flux Cored Arc Welding *)
Variantou metody GMAW (svařování tavící
se elektrodou v inertním plynu) je FCAW
(svařování plněnou elektrodou), kde se
elektrodový drát skládá z pláště z
korozivzdorné oceli plněného pevným
tavidlem. Jeho úloha je podobná jako u
obalené elektrody u metody SMAW (ruční
obloukového svařování). Vnitřek poskytuje
odkysličovadla, materiály tvořící strusku a
může poskytovat ochranné plyny v případě
plněných elektrod bez ochranného plynu.
Metoda svařování plněnou elektrodou
kombinuje přednosti metody ručního
obloukového svařování s vysokou
produktivitou automatických nebo poloautomatizovaných
metod díky možnosti
plynulého posuvu drátu. Ve srovnání s
tradiční plnou elektrodou tavidlo poskytuje
struskovou ochranu a zvyšuje produktivitu.
A tak je při proudu okolo 200 ampérů
rychlost nanášení vrstvy okolo 100g / min v
případě plného drátu o průměru 1,6mm
obsahujícího 20% Cr a 10% Ni oproti zhruba
170g / min v případě tavidlem plněného
drátu stejného průměru. Tento velký rozdíl
je způsoben skutečností, že v tavidlem
plněném drátu vede elektřinu jen kovový
obal, jelikož má jádro složené ze směsi
minerálů a kovových prášků eventuálně
vázaných v alkalickém křemičitanu vysoký
elektrický odpor.
Jak FCAW (svařování plněnou elektrodou)
tak GMAW (svařování tavící se elektrodou v
inertním plynu) mají podobnou velikost
svarové housenky. Pro jednostranné V
spoje a I spoje svařované jednou vrstvou je
obvyklý rozsah tloušťky svarku 1,0 mm až
5.0 mm.
kovový obal jádro: práškový kov, tavidlo a
materiály tvořící strusku
jádro
jádro
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
9
viskozity a povrchového napětí strusky,
které účinně chrání svařovací lázeň a má
vliv na přenos kapek kovu a jejich smáčení.
Metalurgická úloha zahrnuje chemické
změny mezi svařovací lázní a struskou, tj.
rafinace svarového kovu.
Obal obsahuje jisté množství uhličitanu
vápenatého (CaCO3), jenž se v oblouku dělí
při 900o C na CaO a CO2, posledně zmíněný
zajišťuje ochranu oblasti elektrického
oblouku. Následující část stručně popisuje
nejčastěji používané obalené elektrody:
• Rutilové elektrody: Vytváření strusky je
hlavní ochranný mechanismus elektrod
založených na rutilu. S rutilovými
elektrodami se snadno zachází, mají
malý rozstřik a vytvářejí svary s hladkým
Princip ručního
obloukového svařování
2.1.2.3 Ruční obloukové svařování:
SMAW (Shielded Metal Arc
Welding*) (obalenou elektrodou)
Ačkoli je metoda ručního obloukového
svařování SMAW (Shielded Metal Arc
Welding), známá také jako MMA (Manual
Metal Arc) velmi stará, protože o prvním
použití této metody informoval Kjelberg v
roce 1907, stále se hodně užívá z důvodu
velké flexibility a jednoduchosti při použití.
Elektroda se skládá z kovového jádra
obaleného vrstvou tavidla. Jádrem je
obvykle pevný drátový prut z korozivzdorné
oceli. Obal, který prochází hlavní úlohou v
procesu, je extrudován na jádro a dává
každé elektrodě její specifickou “osobitost“.
Poskytuje tři hlavní funkce: elektrickou,
fyzikální a metalurgickou. Elektrická funkce
je spojená s iniciací a stabilizací elektrického
oblouku, zatímco fyzikální působení se týká
ztuhlá struska
oblast směšování
svarová lázeň
ztuhlý svar
obal: tavidlo tvořící strusku
a materiály tvořící plyn
roztavené kapky kovu
tekutá struska
směr svařování
obal
obal
kovov
é jádro
svarek
obalená elektroda
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
10
povrchem. Struska, která se tvoří během
svařování je snadno odstranitelná.
• Bazické elektrody: Vápenec je hlavní
složka bazických obalených elektrod
díky jejím příznivým metalurgickým
vlastnostem a schopnostem stabilizovat
oblouk. Také uvolňuje kysličník uhličitý,
který poskytuje ochranný plyn. Avšak
závažnější nevýhodou vápence je jeho
vysoký bod tavení. Bazické obaly budou
absorbovat vlhkost, jestliže budou
ponechány delší čas v otevřeném
prostředí. Měla by být věnována speciální
péče tomu, aby elektrody byly suché.
Typický čas sušení je jedna hodina při
teplotě přibližně 150 °C až 250 °C.
2.1.2.4 Svařování pod tavidlem:
SAW (Submerged ArcWelding*)
• Rutilem obalené elektrody mohou být
používány jak při AC (střídavý proud) tak
DC (stejnosměrný proud) , zatímco
bazické elektrody se používají zásadně u
DCEP (stejnosměrný proud s elektrodou
na kladném pólu).
Obvyklý rozsah tloušťky svarku je:
1.0mm až 2,5 mm u jednovrstvého
svařování
3.0 mm až 10.0 mm u vícevrstvého
svařování
+
+ +
--
směr
svařování
svarová lázeň
ztuhlý svar
svarek
zrnité tavidlo
oblast směšování
přívod energie
pro svařování
cívka svařovacího
drátu
kontaktní trubička
ztuhlá struska
podávací válečky
svařovací drát
Princip svařování pod
tavidlem
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
11
U metody svařování pod tavidlem je teplo
tvořeno průchodem silného elektrického
proudu mezi jedním nebo více trvalými
(nepřetržitými) dráty a svarkem pod
práškovým tavidlem, které je tvořeno
ochranným roztaveným struskovým obalem.
Metoda může být buď zcela automatická
nebo poloautomatizovaná avšak v případě
korozivzdorných ocelí se většina práce dělá
na plně automatickém zařízení.
U automatické metody může být svařovací
proud velmi vysoký, až do 2000 ampér
na drát (elektrodu), vede k velkému
přiváděnému výkonu a následně k velkému
zředění základního kovu přídavným
materiálem.
Metoda je vhodná pro tupé a koutové
svařování v poloze vodorovné shora a pro
koutové svařování v poloze vodorovné
šikmo shora. Zdroj proudu je zásadně typu
DCEP (stejnosměrný proud s obrácenou
polaritou) a zřídka se používá AC (střídavý
proud), jestliže je používáno současně více
drátů, aby se zabránilo jevu foukání
oblouku. U generátoru jak stejnosměrného
tak střídavého proudu musí být rychlost
posuvu elektrodového drátu stejná jako
rychlost tavení, aby se docílilo dokonale
stabilního oblouku. To se dosahuje
použitím podávacích kladek řízených
motorovou redukční převodovkou se servoregulátorem
rychlosti. Typické složení
vápencového/ fluoridového typu tavidla,
které se nejčastěji používá u korozivzdorných
ocelí je:
25% ≤ CaO + Mg O ≤ 40%, SiO2 ≤ 15%, 20%
≤ CaF2 ≤ 35%.
Existují dva typy vytvořené buď tavením
nebo spojováním. Tavená tavidla jsou
vyráběna při ohřevu na teploty řádově 1600
– 1700 °C a jsou přetvářena do práškové
formy buď rozprašováním z tavné pece nebo
drcením a proséváním zpevněného sypkého
materiálu. Sintrovaná tavidla jsou vyráběna
ze surových materiálů s vhodnou velikostí
zrn, spojují se dohromady alkalickým
křemičitanovým pojivem. Obdržená směs je
vysoušena a pak mechanicky ošetřena, aby
bylo dosaženo požadované finální praktické
velikosti.
Během svařování se taví jen část tavidla a
neroztavený materiál je sbírán obvykle sací
hadicí a je vrácen do násypky další použití.
Tavidlo tuhne za oblastí svařování a
chladnutím se smršťuje a může být snadno
odděleno.
U silnějších materiálů se svary obvykle
dělají jednou nebo dvěma svarovými
housenkami, tj. jedna vrstva z jedné strany
na ručně podloženém svaru, nebo jedna
vrstva z obou stran plechu, ale vícevrstvá
technika smí být použita také. U tenčích
materiálů mohou být svary vytvořeny jednou
vrstvou s pomocí podložení drážkovou
pásovou ocelí.
Protože je metoda svařování pod tavidlem
používána hlavně pro silné austenitické
korozivzdorné ocelové plechy, musí být
věnována zvláštní péče zamezení tvoření
sigma fáze v důsledku používání vysokých
svařovacích energií. To je především důvod
pro slitiny jakosti 25% Cr – 20% Ni, ale také
pro 18% Cr – 9% Ni s vysokým obsahem
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
12
feritu. U vícevrstvého svařování, kde
několikrát probíhá teplota v rozsahu 650 –
900 °C, je zvýšené riziko tvorby sigma fáze.
Velmi se doporučuje následné řešení
žíháním při 1050 °C.
Tavidlo musí být dodáváno vždy v perfektně
suchém stavu. Aby se zabránilo zvlhnutí,
doporučuje se skladování tavidla při teplotě
zhruba o 10 °C větší, než je teplota v
dílně, v atmosféře, jejíž relativní vlhkost
nepřevyšuje 50%.
Pokud existuje předpoklad nebo obava ze
zvlhnutí je vhodné vysušit prášek (tavidlo)
při teplotě 300 °C po dobu nejméně dvou
hodin.
Metoda svařování pod tavidlem se používá
hlavně pro spojování silných svarků o
tloušťkách 10-80 mm, po vytvoření
kořenové housenky se pro dokončení
používá jiná metoda svařování. Spodní
strana housenky může být také vytvořena s
pomocí podložení drážkovou pásovou ocelí.
2.1.2.5 Přivařování svorníků:
SW (Stud Welding)
Přivařování svorníků je metoda připevnění
kovového svorníku ke svarku, který bývá
především ve formě plechu.
Existují dvě různé metody svařování:
Obloukové přivařování svorníků (ARC- arc
welding) a přivařování svorníků na principu
vybíjení kondenzátorů (CD – capacitor
discharge).
1. Obloukové přivařování svorníků (ARC)
zahrnuje stejné základní principy a
metalurgické aspekty jako každá jiná
metoda obloukového svařování. Svorník
se přiloží ke svarku a za použití ručního
nástroje nazývaného pistole pro
přivařování svorníků je zažehnut oblouk,
který taví hrot svorníku a příslušné
místo na svarku. Před svařováním se na
konec svorníku umístí keramický
kroužek, aby chránil oblouk a ohraničil
svarový kov.
Poté je svorník ponořen do svarové
lázně a přitlačen na místě, než roztavený
kov Ztuhne a vytvoří homogenní spoj.
Cyklus proběhne za méně než vteřinu a
vytvoří se zcela pevný spoj. Roztažitelný
kroužek se odstraní a odhalí se hladký a
úplný výronek na patě svorníku.
2. Přivařování svorníků výbojem kondenzátoru
(CD) zahrnuje stejné základní
principy a metalurgické aspekty jako
každá jiná metoda obloukového
svařování. Když je aktivována svařovací
pistole, speciální jemný svarový hrot
iniciuje řízený elektrický oblouk z
baterie svařovacího kondenzátoru, který
nataví konec svorníku a příslušnou část
svarku. Svorník je přitlačen na místě,
roztavený kov tuhne a okamžitě tvoří
vysoce kvalitní tavný svar. Protože je
úplný svařovací cyklus dokončen v
několika milisekundách, svary mohou
být vytvářeny na tenkém plechu bez
zřetelné deformace, propadnutí tavné
lázně nebo zabarvení a s malým
průměrem dříku (9 mm a méně). Metoda
kondenzátorového přivařování svorníků
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
13
1
2
3
4
svorník a
keramický
kroužek proti
svarku
svorník proti svarku
výboj akumulované
energie a svorník
klesá dolů
svorník je vtlačen
do roztaveného
kovu
svorník se zdvíhá
a zapaluje se
oblouk
řízená časová
prodleva a svorník
se ponořuje do
roztavené oceli
kov tuhne a svar
je dokončen ve
zlomku sekundy
kov tuhne a svar
je dokončen ve
zlomku sekundy
Zdvihové přivařování svorníků Kondenzátorové přivařování svorníků
dovoluje také přivařování svorníků u
rozdílných kovových slitin.
Obloukové nebo kondenzátorové přivařování
svorníků ?
Metoda obloukového přivařování svorníků
se používá hlavně pro průměry svorníku 6
mm a více a pro přivařování k silnějším
základním materiálům nebo při použití u
konstrukcí.
Metoda kondenzátorového přivařování
svorníků se používá hlavně pro průměry
svorníku do 9 mm a zejména u přivařování k
tenkému tabulovému plechu.
Korozivzdorné ocelové svorníky
Většina korozivzdorných ocelí může být
použita pro přivařování svorníků. S výjimkou
ocelí snadno obrobitelných jakostí jsou při
přivařování svorníků nejvíce obvyklé
austenitické korozivzdorné ocelové svorníky.
Korozivzdorné ocelové svorníky jsou běžně
přivařovány na korozivzdorné oceli a
mohou být také přivařovány na měkkou
ocel. V tomto případě je podstatné, že
obsah uhlíku základního materiálu
nepřekračuje 0,20%.
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
14
Princip odporového
bodového svařování
2.2 Odporové a indukční
svařování
2.2.1 Odporové bodové svařování :
RSW (Resistance Spot
Welding *)
Tato metoda je stále značně používána a je
vhodná zejména pro svařování tenkých
korozivzdorných ocelových plechů. Tavení je
vyvoláno odporovým ohřevem v důsledku
průchodu elektrického proudu materiálem
svarku ve svaru.
V procesu bodového svařovaní se obvykle
rozlišuje 5 fází, jmenovitě:
• umístění plechů do polohy pro svařování
• spuštění horní elektrody a použití
přitlačovací síly
• svařování nízkonapěťovým střídavým
proudem, který vyrábí tepelnou energii
W (jouly) = R (ohmy) x I2 (ampéry)
x t (sekundy)
• udržování přitlačovací síly nebo použití
dodatečné pěchovací síly
• zvednutí horní elektrody před dalším
cyklem
Co se týká materiálů elektrod, u korozivzdorných
ocelí se získá nízký odpor a vysoká
mechanická pevnost slitinami měď-kobaltberylium.
Hroty elektrod jsou především ve
tvaru komolého kužele s úhlem 120o.
Tvorba svarových čoček závisí na svařovacím
proudu a jeho trvání a na přitlačné síle
elektrod.
R1
R2
R3
R4
R5
I
}
F F F'
F
F
svařovací transformátor
plechy, které mají
být spojeny
sekundární primární
automatický
přepínač
přechodový
odpor
udržování
F'= F
svařování přitlačení sestavení pěchování
F'> F
R4 en R5 : odpory ploch svarku (závislé na
jejich měrném odporu)
R2 : přechodový odpor mezi dvěma
plochami (závisí na stavu
povrchu a přitlačné síle)
R1 en R3 : přechodový odpor mezi
elektrodami a plochami
W (jouly) = R (ohmy) x
I2 (ampery) x
t (sekundy)
R = R1 + R2 + R3 + R4 + R5
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
15
Parametry doporučené pro svařování 18%
Cr – 9% Ni austenitické korozivzdorné oceli
a stabilizované 17% Cr feritické oceli jsou
uvedeny v následující tabulce.
Parametry udané ve výše uvedené tabulce
musí být optimalizovány v souvislosti se
stavem povrchu (mořený, glazovaný, leskle
žíhaný, leštěný), který má silný vliv na
odpor stykové plochy, který postupně hraje
rozhodující roli při tvorbě čoček.
Oproti jiným tavným procesům svařování
nemůže být při odporovém bodovém
svařování tavná lázeň řízena vizuálně.
Vizuálně identifikovatelnými vadami je
pouze nadměrný vtisk elektrody a rozstřik
na povrchu. Avšak jednoduchou třebaže
destruktivní metodou je tzv. odlupovací
zkouška, která poskytuje rychlou indikaci
kvality bodového svařování. Při této
zkoušce jsou od sebe svařené plechy
odlupovány a svarové čočky mají tendenci
být vytrženy z jednoho nebo z druhého z
plechů.
Tloušťka plechu Průměr hrotu Přitlačná síla Svařovací
proud
Doba svařování
(mm) elektrody elektrody (počet period)
(mm) (daN) (A)
18 % Cr – 9% Ni austenitická ocel
0,5 3,0 170 3500 3
0,8 4,5 300 6000 4
2,0 6,0 650 11000 8
stabilizovaná 17% Cr feritická ocel
0,5 3,0 150 4000 3
0,8 4,5 250 7550 4
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
16
Princip švového
odporového svařování
2.2.2 Švové odporové svařování :
RSEW (Resistance Seam
Welding*)
Princip švového odporového svařování je
podobný principu bodového svařování,
vyjma toho, že proces je nepřerušovaný.
Hlavní rozdíl je v typu elektrod, kterými jsou
dva kotouče ze slitin mědi opatřené
vhodným hnacím systémem. Okraje
kotoučů mají obvykle jeden nebo dva úkosy
a nebo vydutý profil. Ve srovnání s bodovým
svařováním, kde jsou základními parametry
svařovací proud, doba ohřevu a čas
udržování, se při švovém svařování berou v
úvahu doplňující faktory jako je užití
modulovaného nebo pulzního proudu a
rychlost svařování.
Doporučené parametry svařování pro Fe-Cr-
Ni austenitické oceli jsou uvedeny v
následující tabulce:
svařovací
transformátor
primární
sekundární
horní elektrodový kotouč
směr svařování
svarky
spodní elektrodový
kotouč
horní elektrodový kotouč
svarky
spodní elektrodový
kotouč
přerušované švové
svařování
přerušované švové
svařování (překrytí
svarových čoček)
směr svařování
Tloušťka Tloušťka Přitlačná Čas Čas mimo Svařovací Rychlost
plechu kotouče síla svařování svařování proud svařování
(mm) (mm) (daN) (periody) (periody) (Amp) (cm/min)
0,5 3,0 320 3 2 7900 140
0,8 4,5 460 3 3 10600 120
1,5 6,5 80 3 4 15000 100
2,0 8,0 1200 4 5 16700 95
3,0 9,5 1500 5 7 17000 95
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
17
Základní náčrt
výstupkového svařování
Jak při bodovém tak při švovém svařování
jsou hlavními výhodami ohřevu elektrickým
odporem omezené změny mikrostruktury v
oblastech ovlivněných teplem, nedochází k
oxidaci povrchu, pokud jsou plechy správně
ochlazovány (proudící chladnou vodou) a
velmi malá deformace plechů po svařování.
2.2.3 Výstupkové svařování :
PW (Projection Welding*)
U této metody se malé připravené výstupky
na jedné ze dvou ploch svarku taví a klesají
proudem dodávaným skrz ploché elektrody
ze slitin mědi. Výstupky se vytvářejí ražením
(kusy kovových plechů) nebo obráběním
(pevné kovové kusy) obvykle u silnějších
svarků nebo u svarků s větší elektrickou
vodivostí. Výstupky jsou vytvořené a
umístěné tak, aby se koncentroval proud a
současně mohlo být provedeno velké
množství bodových svarů. U bodového
svařování se pak používá spodní proud a
tlak , aby se zabránilo zborcení výstupků
před roztavením protější plochy svarku.
Doba svařování je zhruba stejná u jednoho
nebo více výstupků stejného tvaru.
Výstupkové svařování se používá zvláště
pro výrobu několika svarových bodů
současně mezi dvěma svarky.
U kruhových výstupků se používají různá
provedení dříků, např. trny, svorníky, čepy,
matice a podložky.
e e
e e
D D
H H
e: tloušťka profilové oceli: 0,3 mm – 3,0 mm
H: výška výstupků: 0,4 mm – 1,5 mm
D: průměr výstupků: 1,4 mm – 7,0 mm
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
18
Princip
elektrostruskového
svařování
2.2.4 Elektrostruskové svařování :
ESW (Electroslag Welding)
Metoda elektrostruskového svařování byla
vyvinuta v E.O. Paton Welding Institute
(Ukrajina) na počátku roku 1950.
Elektrostruskové svařování je metoda
jednovrstvého svařování používaná pro
svařování tupých spojů ve vertikální poloze.
Spoje silnější než 15 mm (bez limitu pro
maximální tloušťku) mohou být svařovány v
jedné vrstvě, je nutná příprava jednoduchých
čelních plochých spojů. Metoda je podobná
vertikálnímu odlévání, protože svarový kov
je sevřen dvěma plechy svarku a párem
ochlazovaných měděných patek.
Vyjma etapy během zahájení elektrostruskové
operace zde není oblouk. Nepřetržitě
napájené elektrody jsou taveny elektrickým
odporovým ohřevem, procházejí vodivou
roztavenou struskovou vrstvou (struskovou
lázní).
Strusková lázeň také taví přilehlé plechy
svarku, lemuje a chrání roztavený kov před
atmosférou. Teplota lázně je řádově 1900 °C.
Na začátku elektrostruskového procesu je
vrstva tavidla umístěna na dolní kraj spoje,
oblouk je zažehnut mezi elektrodami a
startovací hlavou nebo startovací podložkou,
aby se vytvořila roztavená strusková lázeň.
Jak probíhá svařování, měděné patky a
jednotka pro posuv drátu se posunují
směrem nahoru po svaru rychlostí
řádově 30 mm/min. Rychlost nanášení
kovu je zhruba 350 g/min. Složení
elektrodových drátů normálně odpovídají
složení základních materiálů. Nejrozšířeněji
používané velikosti elektrod jsou elektrody
o průměrech 1,6 mm, 2,4 mm, 3,2 mm.
Metalurgická struktura elektrostruskových
spojů je jiná než u jiných tavných svarů.
Pomalé chlazení a tvrdnutí může vést k
hrubé struktuře nárůstem zrn. Toto je
důvodem doporučení použití pouze u
austenitických jakostí.
+
–
oscilace
elektroda
roztavená struska
svarová lázeň
vodou chlazená měděná patka
svarek
kontaktní trubička pro
vedení elektrody a proudu
svarek
směr svařování
vodou chlazená měděná patka
ztuhnutý svarový kov
plocha ztuhnutého svaru
startovací podložka
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
19
2.2.5 Odtavovací stykové svařování :
FW (Flash Welding*)
Tato metoda se používá především u
dlouhých výrobků, např. tyčí, prutů, trubek
a profilové oceli. Ačkoli je očividně podobná
pěchovacímu svařování, je odtavovací
stykové svařování zcela rozdílné. Během
pěchovacího svařování bylo pozorováno, že
když přiléhající plochy nejsou perfektně v
kontaktu, proud prochází jen v několika
malých oblastech, způsobuje silný lokální
ohřev a rychlé tavení, tvoří oblouky, které
násilně vytlačují roztavený kov mimo spoj v
důsledku spojených magnetických polí (jev
odtavování).
Důležitými parametry svařování jsou
svařovací proud a elektrické napětí, které
musí být dostatečné, aby došlo k
odtavování, okamžitá rychlost odtavování,
která musí být úměrná spotřebě kovu a
vyrovnávána pohybem mobilních svorek,
doba odtavování a finální pěchovací kujné
stadium. Hrubost počátečních lícovaných
ploch musí být taková, že jsou kontaktní
body dostatečně četné a dobře rozložené,
aby se vytvořilo stejnoměrné odtavování
přes celou oblasti spoje.
Po pěchování by měl tvar spoje vykazovat
charakteristický troj-švový profil svědčící o
úspěšném výsledku svařování. Doporučené
svařovací parametry jako je působení
plochy průřezu, jsou pro austenitické
jakosti udány v následující tabulce.
Některá typická použití jsou: ráfky kol
(pro bicykly) vyráběné z kruhů svařených
odtavovacím stykovým svařováním,
obdélníkové rámy (pro okna a dveře),apod.
dobrý
výskyt tří švů
špatný
nedostatečné vnášení
energie nebo pěchovací síly
špatný: velmi velké oblasti
stlačení a přítomnost trhlin
v důsledku nedostatečného
ohřevu
F F
trhliny pohyblivá
elektrodová čelist
pevná
elektrodová čelist
Účinek parametrů svařování na konečný profil svaru Princip odtavovacího styko
vého svařování
Tloušťka Plocha průřezu Počáteční Koncové Úbytek materiálu Doba
(mm) (mm) otevření lisu otevření lisu (odtavení & výkovky) odtavování
(mm) (mm) (mm) (sec)
2,0 40 13 5 8 2,2
5,0 570 25 7 18 6,0
10,0 1700 40 15 25 17,0
2
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
20
Princip
vysokofrekvenčního
indukčního svařování
2.2.6 Vysokofrekvenční indukční
svařování : HFIW (High
Frequency Induction
Welding*)
Vysokofrekvenční indukční svařování se
používá v podstatě pro podélné svařování
trubek. Proces se provádí na systému
pěchovacích válců. Trubka, která opouští
poslední místo pěchovacích válců má
podélnou štěrbinu (spáru), která je uzavřena
svařováním. Spoj je vytvořen pevným
stykem, středním odtavením, kraje
plechového pásu tvaruje k sobě dvojice
vodorovných válců (pěchovacích válců).
Díky povrchovému jevu indukovaný
vysokofrekvenční proud (140 až 500 kHz)
sleduje dráhu minimální impendance a
soustřeďuje ohřev na krajích.
V případě feritických korozivzdorných ocelí
se lze při této vysoce produktivní metodě
vyhnout růstu zrn, ke kterému jsou náchylné
oceli této jakosti.
V tomto případě se používá svařovací výkon
mezi 150 až 300 KW v závislosti na průměru
trubky, svařovací rychlost se různí dle stroje
od 50 do 90 m/min.
přívod vysoké
frekvence
svar
hrot
svařovací nebo také
pěchovací válce
induktor
Impeder
linie toku proudu
trubka
Impeder
(magnetické jádro)
průřez a a
a
a
S V A Ř O V Á N Í K O R O Z I V Z D O R N Ý C H O C E L Í
21
2.3 Svařování světelným zářením
(Radiation Energy Processes) (*)
2.3.1 Laserové svařování :
LBW (Laser Beam Welding)
Účinek laseru (Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation- zesílení
světla stimulovanou emisí záření) byl
objeven v oblasti optických vlnových
délek Maimanem v roce 1958. Objevila se
okamžitá možnost použití laserového
paprsku jako bezkontaktní velice intenzivní
zdroj proudu ovlivňující malou oblast pro
použití při svařování. Trvalé dostupné
hladiny výkonu jsou obzvláště vysoké u CO2
laserů (carbon dioxid laser), ačkoli je třeba
pamatovat na to, že efektivní svařovací
výkon závisí na odraznosti materiálu svarku
a vlnové délce.
Zdroje nejvíce používané pro účely
svařování jsou CO2 plynové lasery a
pevnolátkové YAG lasery (yttriumaluminium
garnet). YAG lasery se preferují
pro svařování tenkých korozivzdorných
ocelových plechů (<1,5 mm) v pulzním
režimu. Tzv. CO2 lasery jsou lépe
přizpůsobené pro svařování tlustších
korozivzdorných plechů nebo pásů (1,5 až
6.0mm).
Jako u vysokofrekvenčního indukčního
svařování (HFIW) je tato metoda široce
používána pro výrobu podélně svařovaných
trubek. U výkonu okolo 6 kW, 2 milimetrového
pásu stabilizova