Úvod do svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách

Svařování elektrickým obloukem je jednou z nejčastěji používaných výrobních technologií svařování, respektive procesů svařování, bude-li se posuzovat objem svařovaných dílů a konstrukcí. Při svařování v ochranných atmosférách je oblouk hořící buď mezi odtavující nebo neodtavující se elektrodou chráněn ochrannou atmosférou před účinkem okolí. Při popisu historie vývoje procesů svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách je potřeba popisovat vývoj a zavádění dvou hlavních procesů TIG/GTAW a MIG/MAG/GMAW současně, neboť postupným vývojem procesu prvního bylo umožněno vzniknout procesu druhému a to postupným zaměněním neodtavující se wolframové elektrody za odtavující se drát. Prvním procesem, který byl vynalezen a začal se průmyslově šířit, byl proces dnes známý jako TIG/WIG (Tungsten Inert Gas/ Wolfram Inert Gas), i když správně musíme dodat že procesu TIG předcházel proces svařování atomického AHW (atomic hydrogen welding). Následován procesem s odtavující se elektrodou v netečném plynu dnes všeobecně označovaným zkratkou MIG (Metal Inert Gas) a v aktivních plynech MAG (Metal Active Gas).

Historie vývoje procesů svařování el.obloukem v ochranných atmosférách

Historie vývoje svařování v ochranných atmosférách plynu začíná v USA a začíná vývojem svařování s použitím netavící se wolframové elektrody. A to proto, že první pokusy se svařováním vznikaly na základě použití grafitové elektrody ještě v 19. století. Byl to tedy přirozený proces rozvíjené tohoto procesu. Od samého počátku vývoje svařování elektrickým obloukem vpodstatě řešili objevitelé problém s kvalitou takto vzniklých svarů, na které měla přímý negativní vliv okolní atmosféra. Dokonce ještě ve 30. letech 20. století neposkytovalo svařování elektrickým obloukem obalenými elektrodami dobré kvality svarů, zejména hliníku a jeho slitin a v té době velmi rozšířeného magnézia - používaných v letectví. Na teoretické úrovni si výzkumnící uvědomovali nepříznivý vliv okolní atmosféry, praktické aplikace zavedení ochrany elektrického obkouku se však prosazovaly pomalu a obtížně.

Situace nebyla o moc lepší ani u svařování nelegovaných ocelí, uvědomíme-li si, že do začátku druhé světové války nebyl k dispozici bázický obal poskytující houževnaté svarové spoje pro dynamicky namáhané konstrukce. První "obalené" elektrody pro ruční svařování elekktrickým obloukem začala vyrábět okolo roku 1920 A.O. Smith Corporation. Byly to ocelová jádra obalená spirálovitě v papíru - první celulózové elektrody. Až v roce 1927 byly tyto celulózové elektrody doplněny dalšími obalovými materiály a vznikly první opravdu obalované elektrody v dnešním pojetí umožňující ovlivňovat vhodnými přísadami vlastnosti těchto elektrod. V té době rovněž nebyla dostatečně známa problematika metalurgie svařování. To vedlo ke značným ekonomickým ztrátám například v souvislosti s katastrofami amerických dopravních lodí Liberty. U těchto lodí vznikal křehký lom v teplem ovlivněné oblasti základního materiálu, nicméně hlavní příčinou bylo neporozumění metalurgii svařování jako takové. Jde o typický příklad nasazení nové technologie před jejím dostatečným osvojením a porozumění daným procesům.

I v současnosti se lze snadno dostat do podobné situace, kdy nové technologie a procesy svařování, které nám umožňují současní světoví výrobci svařovací techniky, nejsou dostatečně osvojovány výrobními organizacemi a nejsou dostupné dostatečné odborné informace k aplikaci těchto technologií. Případné slepé dodržování norem pro kvalifikace postupů svařování a kvalifikace svářečů a operátorů bez znalosti problematiky těchto procesů pak zavede nejednoho technologa či svářeče do slepé uličky. Situace v ČR je ještě o poznání horší, pokud je technik/technolog organizace odkázán jen na českojazyčné (a slovenské) zdroje. Jedná se zejména o aplikace pulzních procesů svařování MIG/MAG a TIG popřípadě s dalšími kombinacemi procesorem řízených charakteristik elektrického svařovacíh oblouku, kdy fyzikální podstaty těchto procesů jsou když ne tajeny, tak alespoň zastřeny pod roušku různých obchodních názvů jako je STT, CMT, aj.

Ochrana svarového kovu nebyla dobrá v obdomí 20. a 30 let minulého století a proto se začaly hledat jiné způsoby a poprvé se použilo ochrany netečným plynem plněným v tlakové lahvi (30. léta v USA). V té době bylo jednoznačně upřednostňováno svařování plamenem a svařování elektrickým obloukem se rozvíjelo pomaleji. Ještě než došlo k rozšíření použití netečných plynů, zejména argonu a hélia, byly první úspěšné pokusy provedeny s ochranou atmosférou vodíku (svařování atomickým vodkem - založené na generaci tepla rozkladem/ disociaci a opětným sloučením molekuly vodíku). Souběžně s vývojem svařování v ochranných atmosférách a svařováním obalenými elektrodami probíhaly pokusy se svařováním elektrickým obloukem drátem pod ochranou tavidla v podobě sypké hmoty zasypávané do oblasti hořícího elektrického oblouku. Všechny dnes známé a běžně používané procesy svařování elektrickým obloukem tak v podstatě vznikaly a vyvíjely se současně v období před druhou světovou válkou. Širšího uplatnění a dalšího rozvoje pak bylo dosaženo následně v 50. a 60. letech minulého století v souvislosti s poválečným rozvojem kosmického, leteckého, jaderného a petrochemického průmyslu. Postupným odstraňováním "dětských nemocí" těchto procesů se postupně vyvinuly další dnes známé a používané procesy, jako je plazmové svařování a pulzní svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynů doplněné případně o procesorem řízené charakteristiky elektrického oblouku.

Charles L. Coffin uvádí v patentu z roku 1890 (viz.obr. níže) popis schránky, ze které je potřeba při svařování odčerpat vzduch a naplnit ji plynem bránícím oxidaci. Je to jedna z prvních zmínek o důležitosti ochrany svaru před přístupem okolního vzduchu. Uvedeny jsou plyny jako vodík, dusík, uhlohydáty, aj.

coffin-1890

V roce 1924, tj. až po dalších třiceti letech byl zapsán patent Irvinga Langmuira na svařování kovů mezi dvemi wolframovými elektrodami v ochranné atmosféře vodíku a současně byly vyvinuty první svařovací hořáky pro tento svařovací proces. Odtud název svařování atomárním vodíkem, atomic welding respektive atomic hydrogen welding (AHW). Recombinací vodíku (rozkladu dvou atomů vodíku a jejich zpětnému sloučení v el.oblouku) lze dosáhnout teploty tavení 3400 až 4000 stupně Celsia. Dosažení této teploty a s poměrně značnou koncentrací bylo v té době velkým pokrokem. Pro srovnání kyslíko acetylénový plamen dosahuje teplot okolo 3300 stupňů Celsia. Proces se též nazýval Arc-Atom. Komerční použití procesu AHW se uplatnilo od 30.let a zejména v průběhu druhé světové války v souvislosti s prudkým rozvojem techniky pro válečné účely a to nejen v USA ale např. v předválečném a válečném Německu. Dnes bohužel je o aplikacích AHW v předválečném Německu jen málo informací. Historické zdroje dnes již většinou dávají přednost popisu historie svařování TIG.

Pro zajímavost uveďme v kontextu s vývojem procesu svařování obalenou elektrodou, že vynález rutilového obalu pro elektrody typu AWS 6010 schopné svařování v polohách byl učiněn v roce 1927 a první ve světě svařovaný most byl postaven v roce 1928 v USA, East Pittsburgh, Pennsylvania, Turtle Creek. Ve stejném roce byl vydán první technický kód pro výrobu svařovaných konstrukcí, předchůdce dnešní AWS D 1.1. V roce 1929 Lincoln Electric Co. zahájil výrobu tlustě obalených elektrod. V Evropě první celosvařovaný most je postaven v roce 1927 v Polsku. V roce 1931 staví Prof. Ing.Dr Faltus první svařovaný čs. most. Je to tedy období slibného rozvoje svařování obalenou elektrodou (MMA). V roce 1930 dochází k objevu svařování pod tavidlem v National Tube Co. in McKeesport, později patent prodán Linde Air Product pod názvem Union-Melt. Ve stejném roce byla postavena první svařovaná obchodní loď v Charleston, South Carolina.

Následující obrázky uvádí patent I. Langmuira z roku 1924-1925.

langmuir-1924_1  langmuir-1925_2

atomic-hydrogen-welding-torch-1926

Níže je obrázek hořáku AHW z Anglie 30.let.  Na obrázku jsou vidět dvě wolframové elektrody, mezi kterými se zapaloval střídavý elektrický oblouk otevřeného obvodu o napětí cca 300V a proudu typicky cca 50 až 60 ampér. Ochranný plyn v podobě vodíku proudil okolo hubic držících wolframové elektrody. Proces dosahoval vysoké energetické koncentrace (vyšší než u dnešního procesu TIG/GTAW) umožňující např. navařování tenkých vrstev nástrojových ocelí a svařování korozivzdorných ocelí a speciálních slitin (v období před druhou světovou válkou a v průběhu války zejména v Německu, umožňující mimo jiné speciální projekty v raketové, letecké a energetické technice tehdejšího Německa). Tj. od samého počátku existence byl AHW proces používán pro svařování kovů jinými metodami nesvařitelnými s vyhovujícími výsledky.

atomic-hydrogen-arc-welding-torch-early-1930s-uk

Na dalším obrázku je schema procesu arc-atom AHW a svařovacího hořáku z roku 1947.

arc-atom ahw-horak Další obrázek ukazuje dobový svařovací zdroj a svařovací hořák pro AHW. atomic-hydrogen-welder   atomic-hydrogen-torch

Mezi první svařovací proces v ochranné atmosféře plynů byl tedy vyvinut proces AHW následován v roce 1941 dnes známým procesem svařování netavící se wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře plynu, značené zkráceně TIG/GTAW respektive WIG. Zpočátku však byl proces zaveden jako "Heliarc", nebo atomární svařování, později jako GTAW. Obrázky z dobových patentů ukazují, že ochranné hubice těchto hořáků byly velmi úzké a až pozdější doba přinesla vylepšení vedoucí až k vynálezu tzv. čočky (sítka v keramické hubici), značně zlepšující ochranu argonem.

První pokusy s procesem tavící se elektrody je datován do 20. let 20.století, kdy byl zpočátku experimentálně použit drát bez ochranné atmosféry . Až později v roce 1948 H.E. Kennedy v Battelle Memorialle Institutu vyvíji komerčně použitelný proces svařování  s tavící se drátovou elektrodou v ochranné atmosféře netečného plynu (argonu) MIG s použitím malého průměru drátu, svařovacího zdroje o konstatním napětí a ochranné atmosféry argonu s použitím osového/axiálního sprchového přenosu kovu. Až v roce 1953 dojde k použití levnějšího plynu oxidu uhličitého a tím k vyvinutí metody MAG s aktivním ochranným plynem. Zpočátku se u metody MIG jednalo o proces s globulárním/kapkovým přenosem kovu a s ním dané charakteristické použití. Až v roce 1958 dochází k zavedení zkatového přenosu kovu a tím i rozšíření možností procesu pro svařování tenkých plechů. Sprchový přenos kovu byl objeven v roce 1960 při zkoumání vlivu různých plynů. Postupný vývoj procesu MIG/MAG byl tedy provázen objevováním vlivu jednotlivých plynů na hoření elektrického oblouku a způsobu přenosu kovu. U tohoto procesu dnes známe a rozlišujeme procesy přenosu kovu:

  • krátkým zkratovým obloukem (short circuit)
  • kuličkový přenos (globular transfer)
  • axiální sprchový přenos (axial spray transfer)
  • pulzní přenos (pulsed transfer)

V průběhu sedmdesátých let s rozvojem elektroniky dochází k rozvoji dalšího přenosu kovu procesem pulzním, na základě porozumění vztahu mezi rychlostí podávání svařovacího drátu a frekvencí jeho odtavování, které vedlo k vývoji jednoovladačového synergického řízení, které je v současnosti zaváděno ve stále větší míře pro svařování korozivzdorných ocelí a neželezných kovů (slitin hliníku aj.). Počátkem devadesátých let jsou inverotrové zdroje MIG/MAG vybavovány řídící elektronikou, která dále rozšiřuje možnosti řízení charakteristiky svařovacího oblouku a přenosu kovu. Nejnovější svařovací zdroje umožňují řízení a regulaci el. oblouku v reálném čase. To vede k rozvoji mnoha různých aplikací softwarového řízení el. oblouku různými výrobci těchto zařízení. Každý výrobce používá různé obchodní názvy pro tyto aplikace, fyzikální podstata těchto procesů je však vždy stejná - jde o porozumění a chápání procesů přenosu svarového kovu a jeho řízení, viz. následující obrázek druhů přenosu svarového kovu a jeho použitelnosti podle svařované tloušťky. STT (Surface Tension Transfer) je obchodní název procesu vyvinutý počátkem 90. let Lincoln Electric.

Základní výhodou pulzního MIG/MAG procesu oproti sprchovému přenosu svarového kovu je objem energie a tudíž tzv. velikost vneseného tepla, která je v některých případech mnohem nižší než u sprchového přenosu. To přináší výhody u aplikaci citlivých na velikost vneseného tepla, jako je svařování korozivzdorných ocelí, navařování s požadavkem minimalizace promíšení, svařování hliníku a jeho slitin do tl. cca 5mm, svařování vysokopevných ocelí, svařování slitin na bázi niklu (Inconely) apod. Další výhodou se může jevit možnost lépe ovládat tavnou lázeň ve srovnání se sprchovým ale i zkratovým přenosem umožňující svařování v polohách s využitím výhod typických pro sprchový přenos.

V současnosti lze najít mnoho diskuzí ohledně problematiky kvality svarových spojů provedených pulním procesem MIG/MAG. S ohledem na snížené vnášené teplo je tento proces citlivý na vznik neprůvarů případně na pórovitost. Použití pulzního přenosu svarového kovu tak musí být doprovázeno zvýšenou opatrností při zavádění do výroby. Pro správné a efektivní využití nových pulních svařovacích zdrojů, případně doplněných o procesorem řízenou charakteristiku elektrického oblouku (STT, CMT, IAC, Quick Set, aj.) anebo dále doplněné o funkci tepelného pulzu (Super Pulz, Duo Plus, aj.) je potřeba plně chápat a rozumět MIG/MAG procesu a jednotlivým způsobům přenosu svarového kovu a možnostem procesorového řízení charakteristik el. oblouku, které dnešní invertorové zdroje umožňují. V opačném případě dochází stále častěji k nasazení těchto moderních zdrojů na takové aplikace, kde dosahované výsledky jak v kvalitě svarů tak produktivitě  nedosahují výsledků dosahovaných při použití správně nastaveném konvenčním odbočkovém svařovacím zdroji při zkratovém nebo sprchovém přenosu. V kontextu je nutné uvést, že současné normy pro kvalifikace postupů svařování neobsahují dostatečné nástroje pro zvládnutí a kontrolu pulzního MIG/MAG procesu. Platí tak to, co bylo ve výrobních organizacích kdysi běžné, tj. nutnost osvojení si nové technologie na základě získání vlastního know-how a aplikování specifických znalostí, které nás však zavede do oblastí dnes nově objevovaných jako je knowledge management neboli management znalostí či ještě lépe řízení, udržování a rozvíjení znalostní báze organizace. V současné éře informatiky a digitalizace a "hnutí" Industry 4.0, Intenet of things aj. se to zdá být oblast zvládnutá a samozřejmá, opak je však pravdou. Úroveň znalostí nutně nemusí odpovídat objemu zpracovávaných dat, ba naopak dle současných trendů vede k degradaci znalostí, jak tomu mimochodem odpovídá i stav českého školství. Knowledge managemet se tak v posledním desetiletí stává novým zaklínadlem (trendem), jehož základem však je to co znaly dřívější generace jako předávání získaných znalostí a vědomostí. V oblasti techniky to pak můžeme nazvat "správnou inženýsrkou či technickou praxí". Věcný obsah správné inženýrské praxe je pak na příslušných prakticích. I takovéto odkazy, jako je správná inženýrská praxe, lze dnes najít v platných technických normách.

Nové počítačem řízené svařovací zdroje a procesy vedou ke značnému snížení nároků na svářeče. Prodejci a výrobci marketingově vyzdvihují možnost řízení všech proměnných parametrů procesu MIG/MAG jedním tlačítkem či voličem. V neposlední řadě jsou tyto moderní zdroje používány ve svářečských školách, neboť narozdíl od minulých generací, v nich najdeme uchazeče, kteří musí složit zkoušku bez ohledu na jejich skutečné schopnosti a to je u klasických odbočkových zdrojů přeci jen náročnější jak z pohledu vedení tavné lázně tak z pohledu nastavení zdroje. Generace těch nejmladších svářečů pak může mít značné problémy s nastavením standardních odbočkových zdrojů MIG/MAG, jak také ukazují dnešní zkušenosti. Vysoce kvalifikované a zručné svářeče a zkušené technology tak nezískáme absolvováním příslušných kurzů ale soustavnou praktickou i vzdělávací činností v daných oblastech a udržování dosažených zkušeností v organizaci.

Problematika pulzu se také týká procesu TIG/WIG, kde jsou stejně jako u zdrojů MIG/MAG stále častěji zaváděny procesorem řízené, dokonce již i synergické, svařovací pulzní zdroje. Současně však odborná literatura a know how nastavení parametrů a použití na vhodné aplikace je téměř nedostupné. V praxi pak se většina technologů i svářečů raději těmto procesům vyhýbá. Bez skutečného zaznamenání průběhu pulzu na osciloskopu není v technické praxi možné monitorovat pulzní svařování a vyhodnocovat tzv. vnesené teplo, které je jednou ze základních sledovaných hodnot (viz.termín welding metallurgy, weldability, metalurgie svařování, svařitelnost).

gmaw-metal-transfer

Metoda TIG byla zpočátku použita v leteckém průmyslu USA pro svařování hořčíku a jeho slitin, hliníku a jeho slitin, později se aplikace rozšířila na tzv. Cr-Mo oceli používané v letectví pro stavbu draků a podvozkových dílů letadel. Následně byl proces rozšířen na svařování korozivzdorných ocelí, niklu, mědi, mosazi, bronzu, titanu, zirkonu aj. slitin kovů do té doby těžko svařitelných či nesvařitelných vůbec. Značný rozvoj procesu probíhá v období 50tých a 60tých let v souvislosti s bouřlivým rozvojem jaderné energetiky, raketového, leteckého a zbrojního průmyslu. Zpočátku se před druhou světovou válkou používalo jako plynu vodíku (patent z r.1924), odtud pochází původní název procesu svařování "atomárním vodíkem". Protože se však magnéziové slitiny snadno vznítí, nebylo svařování atomárním vodíkem bezpečné a použitelné. Hledalo se tedy lepší řešení.

V podobě, jak tento proces známe dnes, byl proces použit poprvé v roce 1941 v Northrop Aircraft Inc. s použitím ochranného plynu hélia, podle kterého proces pojmenovali "Heliarc". Patent později firma Northrop Aircraft Inc. prodala firmě Linde, která později pokračovala ve vývoji tohoto svařovacího procesu s ohledem na výrobní portfolio firmy - výrobu netečných plynů. Zpočátku se jednalo o vývoj vodou chlazených hořáků, jelikož se používalo zapojení s + pólem na elektrodě způsobuující značné přehřívání a teplotní namáhání hořáku (1946).

Autorem patentu byl Russell Meredith z Northrop Aircraft. Je málo známé, že podstatné zlepšení svařovacího hořáku R.Mereditha provedl jeho kolega a český emigrant Vladimír H.Pavlečka - geniální letecký konstruktér světové úrovně. Metoda byla určena pro magnésiové slitiny s pomocí ochranné atmosféry hélia. Proces přesto vykazoval nedostatky jak v oblasti zapojení polarit, tak zejména v nedostatečně řešeném způsobu proudění ochranného plynu - viz. také obrázek hubice hořáku z dobového patentu, který jednoznačně neumožňoval zajištění správné ochrany plynem a jeho laminární proudění. Tato problematika byla následně řešena firmou Linde.

meredith-fig1

Obr.: Výtah z patentu Russella Mereditha z Northrop Aircraft - celková konfigurace procesu svařování

meredith_fig2

Obr.: Výtah z patentu Russella Mereditha z Northrop Aircraft - detail svařovacího hořáku

pila-water-cooled-46

Obr.: Patentový obrázek vodou chlazeného hořáku pro proces Heliarc od firmy Linde (1946)

Proces svařování dostal od americké svářečské společnosti (American Welding Society - AWS) název Gas Tungsten Arc Welding, zkráceně GTAW. Zajímavým faktem je, že v této době se používalo zapojení neodtavující se wolframové elektrody na + pól. Znalosti, které máme dnes o vlivu polarity zapojení a vlivu ochranných plynů byly tehdy neznámé. Toto zapojení vede k extrémnímu přehřívání hořáku a vedlo k intenzivnímu vývoji vodou chlazených hořáků. Později se přešlo na zapojení elektrody na - pól a v 50. letech 20 století rovněž bylo použito poprvé pulzního procesu, oba druhy zapojení používané pro většinu kovů dodnes. Jako poslední byla vyvinuta alternativa se střídavým proudem, stabilizující oblouk a vhodná pro svařování lehkých kovů - hliníku a jeho slitin. V posledních desetiletích tento proces zaznamenal další rozvoj v oblasti automatizovaných procesů s použitím zpravidla pulzního režimu a automatického podávání buď studeného nebo horkého drátu.

gorman_60_gl_cocka

Obr.: Patent fy Linde s plynovou čočkou v hubici (pozice 56) pro metodu GTAW

Proces byl tedy v průběhu druhé poloviny 20. století dál vyvíjen. Bylo zkoušeno použití levnějších plynů než je argon a hélium, jako je oxid uhličitý, ale to vedlo k rychlé oxidaci elektrody a její opotřebování - postupný vývoj však později došel k vzniku procesu dnes známém jako MIG/MAG s tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynu.

Před tím však, v roce 1953 byl postupným vývojem procesu TIG vyvinut proces plasmového svařování el. obloukem, který pomocí trysky umožnil větší koncentraci el.oblouku. Dalším progresem bylo vylepšení proudění ochranného plynu v hubici hořáku GTAW, kdy v roce 1960 byla patentována firmou Linde plynová čočka "gas lense", snižující turbulenci plynu a zlepšující laminární proudění, nebo podávání horkého drátu pro strojní svařování (1961).

Podávání horkého drátu se v produktivitě blíží procesu MIG/MAG, dosahuje však vysoké kvality svarů jako při ručním procesu GTAW/TIG. Při tomto zapojení je svařovací drát podáván z cívky podavačem a současně je zapojen na samostatný svařovací zdroj poskytující proud těsně před hodnotou, kdy by vlivem tohoto proudu docházelo k odtavování drátu. Uvedený proces s podáváním horkého drátu způsobuje jako vedlejší efekt velmi nízké hodnoty vodíku ve svarovém kovu. V roce 1967 byl hořák upraven i pro ruční svařování.

saenger_67

Obr.. Patent fy Linde na GTAW hořák s podáváním drátu pro ruční svařování, dnes podobnou konstrukci hořáku nabízí hořák TOP TIG od firmy AirLiquide.

Dalším zajímavým zlepšením fy Linde je hořák s možností otáčení části hořáku pro zlepšení obtížné přístupnosti v některých místech svařování. Toto řešení dnes různé firmy nabízí u svých moderních hořáků, jako součást aktuálního zlepšování ergonomičnosti hořáků a "vylepšování" svých produktů.

scheller-2_otocny-horak

Obr.: Patent fy Linde s otočným hořákem (1951)

gas_lens_flow

Obr.: Rozdíl mezi GTAW hubicí bez plynové čočky (obr. nahoře) a hubice s plynovou čočkou

manz_hot-wire

Obr.: Patent fy Linde s podáváním horkého drátu (1962)

Základní charakteristika procesu TIG/WIG/GTAW

Při svařování metodou TIG hoří svařovací oblouk mezi neodtavující se wolframovou elektrodou a základním materiálem - za předpokladu správného nastavení procesu je wolframová elektroda neodtavující se. Proces může být bez přidávání svařovacího přídavného materiálu nebo s přidáváním přídavného svařovacího drátu do místa tavení základního materiálu, zpravidla ve formě střihaného drátu nebo drátu navinutého na cívce v případě automatického svařování. V případě svařování automatického lze ještě rozlišit automatické podávání přídavného svařovacího drátu studeného nebo horkého. Podávání horkého drátu znamená, že drát je připojen na „pomocný“ proudový svařovací zdroj pro zvýšení výkonu svařování. V současnosti jsou vyvíjeny a aplikovány automatické procesy s podáváním svařovacího drátu s pulzní (proměnlivou) rychlostí podávání.

tig-sestava

Obr.: Pohled na typické pracoviště pro GTAW/TIG

Ochrannou atmosféru elektrody a tavné lázně před okolní atmosférou tvoří inertní plyn - zpravidla argon nebo hélium anebo jejich směsi. Zejména pro svařování kovů s vysokou reaktivitou na okolní atmosféru (např. korozivzdorné oceli) je nutné použití inertního plynu, který dostatečně ochrání svarovou lázeň před působením vzdušného kyslíku. Proces je vhodný pro tenké materiály od cca 1mm do tl. 3,5 až 5,0mm.

905411_heliarc_application

machine-rebel

Obr.: Typický pohled na svařovací pracoviště pro proces GTAW/TIG/WIG

Základní charakteristikou tohoto procesu je vysoká kvality svarů s ohledem na nepřítomnost strusky a velmi účinnou ochranu tavné lázně a přilehlé oblasti základního materiálu ochranným plynem (za předpokladu správného nastavení průtoku plynu anebo formovacího plynu, volby keramické hubice a wolframové elektrody), schopnost výborně ovládat tavnou lázeň a celý proces odtavování při ručním způsobu svařování. Proces je použitelný ve všech polohách ve výrobě a na montážích.

Svarová housenka a kořen svaru vykazují vysokou geometrickou přesnost a rovnoměrnost kresby, standardně je dosahováno svarových spojů vysoké stupně jakosti s vysokou kvalitou povrchu bez přítomnosti vad majících vliv na životnost a únavovou odolnost.

Nižší produktivita a náročnost na zručnost svářečů je nevýhodou procesu. Odpadá náročné čištění povrchu svaru od strusky, stačí okartáčování. V případě korozivzdorných materiálů se provádí pasivace povrchu. Proces je univerzálně použitelný pro většinu kovů běžně svařovaných.

Proces je s výhodou používán pro svařování jinak obtížně svařitelných materiálů, jako je např. hliník a jeho slitiny, magnézium a jeho slitiny, měď, titan aj. Dále se proces používá pro kořenové partie svarů tlakových nádob a potrubí z nelegovaných, legovaných a korozivzdorných ocelí, titanu a jeho slitin. Při použití pro svařování nelegovaných ocelí je proces náchylný na vznik pórů a vyžaduje pečlivou přípravu svarových ploch, nastavení svařovacích parametrů a zajištění ochrany – vhodné je u náročných svarových spojů formování kořene ochranným plynem. Svarové spoje poskytují vysokou pevnost a korozní odolnost za předpokladu správné technologie a volby přídavných svařovacích materiálů.

Další oblastí aplikace je možnost navařování různorodých materiálů – návary měďi a její slitiny na ocel, niklové návary na ocel, navařování nástrojových ocelí a speciálních např. kobaltových tvrdonávarů.

Základní rozsah aplikovatelnosti procesu TIG na materiály:

  • Vysoce legované slitinové oceli, žárupevné a žáruvzdorné oceli
  • Vysoce legované korozivzdorné oceli
  • Slitiny Ti, Ni, Zr, Mg, Al, Cu, Zn aj.

Svařovací zdroje pro TIG/WIG/GTAW

Jako svařovací zdroj se pro proces TIG používají zdroje stejnosměrného nebo střídavého proudu se strmou charakteristikou označované v anglické literatuře jako CC zdroje (constant current=konstantní proud). Při velké změně napětí (zvětšování délky oblouku- vzdálenosti hořáku od základního materiálu) dochází k malé změně proudu. Charakteristika je vhodná pro ruční obloukové svařování procesy TIG a MMA. Křivku charakteritiky pro proces TIG vyjadřuje rovnice U = 10 + 0,04 I, kde U ke napětí [V] a I je proud [A].

Používají se zdroje proudu určené pro svařování obalenou elektrodou (MMA). Jednoduché zdroje používají zapalování el. oblouku pomocí mechanického kontaktu dotekem („náškrabem“) wolframové elektrody o základní materiál. Kvalitnější zdroje mají možnost přepínání mezi V-A charakteristikou pro MMA a pro TIG lišící se jen v rozdílném napětí, které je pro metodu TIG cca poloviční (9-14V) popřípadě mohou být vybaveny metodou zapalování oblouku „lift arc“, která umožňuje pozvolný nárůst svař. proudu během počátečního kontaktu. Nejdražší zdroje jsou vybaveny bezdotykovým zapalováním el. oblouku vysokofrekvenčním výbojem anebo přepínáním mezi stejnosměrným a střídavým proudem značené AC/DC (alternating current/ direct current)

Dále na trhu jsou zdroje univerzální, které umožňují přepínat mezi základními V-A charakteristikami mezi strmou a plochou označované anglicky CC/CV zdroje (constant current/constant voltage). Strmá charakteristika je určena pro ruční svařování el. obloukem obalenou elektrodou MMA a netavící se wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře plynu TIG, plochá charakteristika se pak používá pro metodu svařování el. obloukem tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynů MIG/MAG.

V praxi lze použít pro proces TIG jak jednoduchých zdrojů určených pro metodu MMA, tak složitějších a komplexnějších zdrojů. Platí zásada, že čím náročnější je aplikace, tím kvalitnější zdroj svařovacího proudu by měl být použit. Máme-li dosahovat vysoké kvality svarů, je zpravidla potřebné nastavit délku předfuku a dofuku ochranného plynu, velikost náběhu a doběhu svařovacího proudu, zapalovat oblouk pomocí HF (high Frequency), aj. funkce, které najdeme jen u dražších zdrojů.

Ty nejjednodušší zdroje pro MMA zpravidla nemají přepínání na charakteristiku pro proces TIG a lze je použít na nenáročné aplikace. Mají totiž jak odlišnou charakteristiku U/I tak nevhodné napětí a zapalování jen kontaktem wolframové elektrody o svařovaný materiál.

charakteristika-tig-zdroje

Obr.: Charakteristiky svařovacích zdrojů

Základní charakteristika procesu MIG/MAG

MIG/MAG respektive GMAW svařovací proces používá podávání svařovacího drátu zpravidla z cívky pomocí kontinuálního podavače do svařovacího hořáku, který je vybaven ochrannou hubicí a kontaktním vedením (tryskou, kontaktní špičkou) - odtud také název "poloautomatické svařování či proces". Drát je směrován do místa tavení svarových ploch a vytváření svarového kovu. Kontaktní tryska je připojena na jeden pól zdroje, zatímco druhý pól je uzemněn na svařovaný kus. Ochrannou hubicí proudí ochranný plyn netečný (MIG) nebo aktivní (MAG) chránící oblast roztaveného svarového kovu.

Proces je použitelný pro vysokovýkonné svařování nelegovaných ocelí, korozivzdorných ocelí, slitin niklu, slitin hliníku apod. V závislosti od zvoleného přenosu svarového kovu jej lze použít na tenké až středně tlusté materiály až po velmi silné materiály v mnoha sektorech průmyslu. S ohledem na dosahování velice dobrých výsledků při robotizaci má značné zastoupení v hromadné výrobě různých spotřebičů a zejména v autoprůmyslu. Další značné zastoupení má proces MIG/MAG v oblasti výroby ocelových konstrukcí pro stavebnictví, off-shore stavby, loďařství, ale i v oblastech energetiky a petrochemie při výrobě tlakových nádob a potrubí. Zejména nové procesy synergického řízení pulzního a superpulzního procesu (termálního pulzu) umožňují vysoce efektivní výrobu do náročných podmínek v oblasti energetiky, petrochemie a off-shore průmyslu.

V současnosti se používá mnoho druhů ochranných plynů a jejich směsí. Také v oblasti svařovacích materiálů se používá různých materiálů a tvarů. V posledních letech dochází ke značnému nárůstu používání plněných trubičkových drátů zvyšujících produktivitu. Všechny tyto materiály a jejich kombinace vyžadují znalosti potřebné pro nastavení optimálních svařovacích parametrů a získání požadovaných výsledků.

Mezi nejrozšířenější metody, respektive proces patří dnes zejména metody:

  • Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynu MIG/MAG (GMAW dle terminologie AWS, metoda č.13: 131/135, 132, 136 dle ISO 4063),
  • Obloukové svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynu WIG/TIG – Wolfram Inert Gas/Tungsten Inert Gas (GTAW – Gas Tungsten Inert Gas dle terminologie AWS, metoda14: 141,142,143 145,146,147 dle ISO 4063)
  • Plazmové svařování: (PAW – Plasma Arc Welding dle terminologie AWS), MIG plazmové svařování - metoda 15: 151 dle ISO 4063, plazmové svařování s přídavkem prášku (152), plazmové svařování s přeneseným/nepřeneseným/polopřeneseným plazmovým obloukem (153, 154, 155)
  • Svařování pod tavidlem drátovou/páskovou elektrodou (dle ISO 4063 metoda 121/122, 124, 125, 126)
Zajímavé odkazy: https://www.lincolnelectric.com/assets/global/products/consumable_miggmawwires-superarc-superarcl-56/c4200.pdf https://www.giz.de/expertise/downloads/Fachexpertise/en-metalwork-gmaw-welding.pdf http://www.weldingtipsandtricks.com/mig-welding-videos.html http://www.weldingtipsandtricks.com/tig-welding-videos.html