| Odborné články a informace |
 |
| |
SVAŘOVÁNÍ MIKROPLASMOU
Ing. Jan Veverka, OMNITECH spol. s r.o.
| Plasmový oblouk je
zvláštním zdrojem tepelné energie pro tavné svařování, který má
vlastnosti odlišné od běžného. Je to dáno především tím, že vytváří
paprsek plasmy nezávisle na svařovacím proudu a tím se stabilizuje
oblouk.
1. Vývoj metody Všechny metody využívající proudu plasmatu, ať dělení materiálu nebo svařování, s přeneseným nebo přímým obloukem se vykazují společnou vlastností – usměrněným elektrickým obloukem. Pokusy usměrnit elektrický oblouk a přitom zvýšit jeho hustotu výkonu, jsou již velmi staré. V roce 1909 Schönherr dosáhl tangenciálním vháněním vody pod lehkým přetlakem koncentrace oblouku v jeho ose. Pojem tepelná plasma byl zaveden fyzikem Lamuirem v roce 1927. Při hledání čtvrtého skupenství hmoty našel stav, při kterém září a má určité elektrické vlastnosti a pojmenoval ho plasmou. Tepelná plasma je složená ze směsi elektronů, iontů a neutrálních částic (molekul a atomů), které se nacházejí za vysokých teplot v silném, ale neuspořádaném pohybu. Část molekul je za vysokých teplot disociována, atomy jsou ionizovány. Energie při tom zachycená se při dopadu na relativně studený povrch materiálu opět uvolní jako rekombinované teplo. Každý oblouk se uvnitř sestává z tepelné plasmy: Při svařování plasmou je tento stav hmoty dosažen ve větším rozsahu silnější kontrakcí oblouku, přičemž jeho hustota energie, srovnáme-li s nejbližší metodou WIG, je mnohonásobně vyšší a jeho teplota při stejné hodnotě proudu také. 2. Princip metody Při svařování paprskem plasmatu (zkráceně WPS) hoří oblouk mezi wolframovou elektrodou a vnitřní stěnou plasmové trysky (nepřenesený oblouk). Při svařování plasmovým obloukem (zkráceně WPL) mezi wolframovou elektrodou a svarkem (přenesený oblouk). Ochranný plyn je inertní, např. Ar nebo He, nebo, aktivní, např. H2, nebo směs inertního a aktivního plynu. Svařování plasmovým paprskem – plasmovým obloukem (zkráceně WPSL) je variantou plasmového svařování, kdy je použit nepřenesený a přenesený oblouk.
Obě tyto metody pracují s tzv. usměrněným elektrickým obloukem. Pokud srovnáváme metodu plasmového svařování (B a C) s metodou WIG (A), která je nejbližší, je usměrněný oblouk hlavním rozdílem. Usměrněného oblouku je dosaženo pomocí vodou chlazené měděné hubice. Pro zamezení rozšíření plasmového paprsku po výstupu z hubice ionizací, mohou být použity fokusační plyny. Jedná se argon, helium a vodík. 2.1. Svařování paprskem plasmatu
2.2. Svařování plasmovým obloukem
2.3. Přenesený plasmový oblouk pro svařování mikroplasmou Pomocí samostatného zdroje se vytvoří úzký paprsek plasmatu, jehož úkolem je zajistit ionizaci plynu a klidné hoření oblouku. Svařovací zdroj má proto dva nezávisle regulovatelné zdroje proudu. Pomocný zdroj je napojen na wolframovou elektrodu (katodu) a měděnou hubici (anodu). Plasma vznikající při hoření pomocného oblouku tryská z otvoru v hubici vlivem přetlaku plasmového plynu. Tento paprsek je dále zužován proudem ochranného plynu. Tím se zvyšuje jeho teplota, rychlost a dynamický tlak na základní materiál. Hlavní zdroj energie je napojen na wolframovou elektrodu, kladný pól na základní materiál. Oblouk prochází paprskem nezávisle vytvořeného plasmatu. Díky značné výstupní rychlosti plasmového paprsku a jeho malé divergenci se dosahuje dvojího účinku: • vysoké koncentrace energie v blízkosti osy paprsku a tím i
charakteristické tvaru závaru, 3. Plyny pro svařování mikroplasmou Plyny pro svařování mikroplasmou rozdělujeme na plasmové a ochranné. Vnitřní proud plynu kolem wolframové elektrody je nazýván plasmový ( pilotní ) plyn. Nejčastěji se jedná o argon, který díky své nízké ionizační energii dosáhne vysokého ionizačního stupně. Při svařování CrNi ocelí nebo slitin na bázi niklu je používána směs argonu a vodíku. V důsledku vyšší tepelné entalpie vodíku, a při shodné délce oblouku vyšší energie je možné zvýšit rychlost svařování ve srovnání s použitím čistého argonu. K tomu přispívá ještě lepší tepelná vodivost. Podobný efekt dosáhneme při svařování titanu a zirkonu přimísením helia do plasmového plynu. Ochranný plyn nesmí negativně ovlivňovat vlastnosti základního materiálu. Volba ochranného plynu se řídí v první řadě podle základního materiálu. Jako vnější ochranný plyn je používán u nelegovaných a nízkolegovaných ocelí stejně jako pro austenitické oceli a slitiny na bázi niklu zpravidla směs argon/vodík. Pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí je možné použít i směs argon-CO2 nebo argon-O2. Pro svařování hliníku je vhodná směs argon-helium. Pokud používáme fokusující plyn, potom je to směs argon/helium nebo argon/vodík, která je přiváděna separátním okruhem ochranného plynu mezi plasmovým a ochranným plynem, nebo studený argon oddělený nad počátkem oblouku.
Množství plasmového ( pilotního ) plynu je pro mikroplasmové svařování 0,2 až 1 l/min, pro svařování tenkých plechů podle velikosti proudu 1 až 6 l/min. Množství ochranného plynu je mezi 5 až 10 l/min popř. 15 až 25 l/min. Argon s 2 až 7% vodíku se používá pro svařování:
Argon se používá pro svařování:
Helium se používá pro svařování:
4. Mikroplasmové svařování Paprsek plasmatu vytváří v základním materiálu, plechu o tloušťce 0,2 až 0,8 mm, tzv. "Schlüssellocheffekt = efekt klíčové dírky" - svařování průchozím paprskem. Toto profouknutí plasmového paprsku je znakem toho, že bylo dosaženo úplného provaření. Při dalším pokračování paprsku se otvor uzavírá sbíháním roztaveného materiálu. Tato technika může být provedena pouze strojně, protože je potřebná rovnoměrná rychlost svařování a přesné vedení hořáku středem svaru. Znakem pro svařování průchozím paprskem je kalíškový závar, při kterém poměr mezi šířkou svaru a hloubkou leží mezi svařování WIG a elektronovým paprskem. Korozivzdorné oceli jsou svařovány do tloušťky 8 mm bez přídavného materiálu. Metoda není ovlivňována délkou oblouku a výkyvy hořáku. Umožňuje svařovat vysokými rychlostmi. Kořen svaru je hladký a rovnoměrný.
4.1. Pracovní oblast při svařování mikroplasmou V této oblasti jsou používány proudové zdroje pracující v oblasti 0,05 - 50A. Je možné svařovat materiály od tlouštěk folií až po 1 mm. Zvláště v rozsahu proudu pod 1A nabízí usměrněný oblouk rozhodující přednosti proti metodě WIG. I při malých hodnotách proudu hoří stabilně. Vysvětlením je následující: u volně hořícího oblouku dochází k prudkému poklesu charakteristiky oblouku v oblasti nízkých proudů a také ke klesajícímu průběhu charakteristiky proudového zdroje, obě charakteristiky se neprotínají, nelze definovat žádný pracovní bod. Kontrakcí se charakteristika oblouku změní do té míry, že se i u nízkých proudů dosáhne pracovního bodu. Při svařování s vysokými proudy se pracovního bodu dosáhne u obou druhů oblouku bez problémů. Používají se stejnosměrné zdroje s klesající statickou charakteristikou.
5. Podmínky svařování mikroplasmou Vliv podmínek svařování Největší vliv mají jako u všech ostatních metod obloukového svařování především elektrické parametry. Polarita Jak již bylo uvedeno je minus pol proudového zdroje na wolframové elektrodě a plus pol na vodou chlazené měděné hubici (nepřenesený oblouk) nebo na svarku (přenesený oblouk). Tímto je zajištěna možnost vysoké proudové zatížitelnosti, ale také dlouhá životnost elektrody. Velikost proudu V zásadě se dá říct, že při plasmovém svařování se s nárůstem proudu zvyšuje průvar. Pokud, ale je při určité velikosti proudu dosaženo společně s tlakem plasmového plynu dostatečného průvaru, pak umožňuje zvýšená velikost proudu odpovídající zvýšení rychlosti svařování.. Napětí V zásadě je svařovací napětí při plazmovém svařování o 10 až 15V vyšší než při svařování WIG, tzn. v oblasti 28 až 33V. Jelikož je často svařováno s relativně malým odstupem hořáku, nastavuje se napětí samostatně v závislosti na použitém plasmovém plynu (argon, argon/vodík). Parametry svařování Tabulka č.1 – svařování mikroplasmou
Tabulka č.2 – svařování plasmou ( materiál CrNi)
Regulace plasmového procesu Při ručním plasmové svařování - mikroplasmovém, má svářeč bezprostřední kontrolu nad procesem a může tak sklonem hořáku nebo změnou rychlosti svařování ovlivnit výsledný svar. U mechanizovaného svařování taková možnost není. 6. Vady při mikroplasmovém svařování Při hodnocení možnosti vzniku vady je přirozeně metoda plasmového svařování srovnávána se svařováním WIG. Při tomto srovnání je ihned zřejmé, že nebezpečí wolframových vměstků je při plasmovém svařování výrazně nižší, protože je wolframová elektroda chráněna v plasmové hubici a je zamezeno zapálení oblouku dotykem nebo náhodnému kontaktu elektrody s materiálem. 6.1. Povrch svarového spoje Tlak plasmového plynu neovlivňuje pouze provaření, ale i tvorbu povrchu svaru. Příliš velké množství způsobuje proto vedle hlubokého kořene také poškození povrchu svaru. Vysoký tlak plasmy nestlačuje svarový kov pouze dolů, ale i do stran. Odstraní se snížením množství plasmového plynu. 6.2. Koncový kráter s vadou Při svařování průchozím paprskem může v koncovém kráteru dojít ke vzniku vadných míst s výskytem lunkrů nebo pórů, v místě průchozího otvoru. Proto musíme při ukončení svaru snížit svařovací proud a plynule snížit tlak plasmového plynu. U našeho zařízení dochází k tomuto procesu automaticky. 6.3. Tvorba pórů Při plasmovém svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí může dojít k silné tvorbě pórů vlivem působení oxidu uhlíku. Kyslík, který se i přes veškerá opatření dostane do tavné lázně se může spojit s uhlíkem v oceli, což může vést k silné tvorbě plynů. Nepříznivě působí také, když se svařuje bez nebo s malým množstvím přídavného materiálu, ve svarovém kovu se pak nedostává desoxidačních prvků. Z výše uvedených důvodů je jasné, že není možné plasmové svařování nestabilizovaných ocelí bez přídavného materiálu. Ale i u oceli stabilizované hliníkem může dojít k tvorbě pórů. U oceli stabilizované křemíkem by neměl podíl kovového křemíku přesáhnout 0,15%, pro zajištění stabilizovaného svarového kovu bez pórů. Při svařování CrNi ocelí by neměl podíl vodíku, ve směsi argon-vodík - pro zvýšení rychlosti svařování, přesáhnout 5%. 7. Srovnání a přednosti plasmového svařování
8. Použití svařování mikroplasmou Metoda svařování mikroplasmou je určena pro svařování dílů s vysokými požadavky na jakosti svarových spojů. Svařování je možné bez problémů provádět ručně, ale 70 až 80% prodaných zařízení jsou integrovány s různými typy mechanizace. Toto je založeno na velmi dobré stabilitě oblouku a perfektní volbě volených parametrů. Použití:
|
|
|