Obloukové svařování

Dlouho po objevu elektrického oblouku Humphrey Davym roku 1801, resp. Vasilijem Petrovem o dva roky později, došlo k prvním experimentům s elektrickým obloukem za účelem tavení kovů a jejich svařování – a to Angličanem Wildem v roce 1860.[1][2][3] Ale až Francouz Auguste DeMeritens v roce 1881 použil pro svařování olověných desek elektrodu – uhlíkovou.[1][4] Jeho žáci, Nikolaj Slavjanov a Stanislas Olszewski,[5] jeho postup upravili pro svařování ocelí a nechali si jej patentovat[6] jak v Evropě tak i zámoří.[2] Svoji metodu dokázali přivést do praxe nejenom v Evropě ale i USA.[2][7] Použitím uhlíkové elektrody sice vzniká ochranná atmosféra CO₂, ale svar se tzv. nauhličuje, tzn. že ve svarové lázni se zvyšuje množství uhlíku, který sice svarový kov činí pevnějším, ale zároveň i křehčím.[7] Rus Nikolaj Slavjanov použil v roce 1888 elektrodu kovovou, která se při svařování odtavovala do svarové lázně.[1][8] Svoji metodu nazval svařování kovů odléváním[9][10] a její funkčnost prokázal svařením resp. odlitím osmi kovů (zvonový bronz, tombak, nikl, ocel, litinu, měď, stříbro a bronz). Ani metoda svařování kovovou elektrodou Slavjanova, a ani obdobná metoda[11] Charlese L. Coffina o dva roky později, nezajistila požadované plastické vlastnosti a svarová lázeň nebyla ochráněna od negativních vlivů okolní atmosféry, zejména kyslíku, vodíku a dusíku. Potřebu ochrany roztaveného svarového kovu si uvědomil již zmíněný Coffin, který navrhl a nechal si patentovat[12] způsob svařování s použitím tavidla, které omezovalo ovlivnění svarového kovu nežádoucími prvky.

Různými způsoby ochrany roztaveného svaru se zabývalo mnoho vědců, inženýrů a techniků. Ochranou tvořenou přímo dodávanými plyny ve 30. letech 20. století, Devers[13] argonem, Hobart[14] héliem, Alexander[15], Langmuir[16] a Thomson[17] směsmi vodíku, dusíku, propanu a oxidu uhličitého.[18] Na těchto principech vznikla metoda svařování s netavící se wolframovou elektrodou v ochranné atmosféře hélia v roce 1941 v Northrop Aircraft Inc pro svařování hořčíku, hliníku a niklu.[19] Dnes je metoda známa pod zkratkou TIG (WIG), (anglická a německá zkratka, Tungsten inert gas, Wolfram inert gas) jako ochranných plynů využívá kromě hélia i argon a další inertní (netečné) plyny a jejich směsi.[20] Hobart a Devers, kteří pracovali na metodě svařování v ochranné atmosféře od dvacátých let minulého století teprve až v roce 1940[19] (1948[18]) úspěšně završili vývoj metody svařování tavící se elektrodou v ochranném inertním plynu.[18] Dodnes je tato metoda široce využívaná – často se označuje zkratkou MIG. (Metal inert gas; obdobou se stala i metoda svařování v aktivním plynu MAG). V padesátých letech pak Ljubavský a Novošilov použili pro tento postup ochranu z CO₂.[1][18]

Jinou cestou se vydal Kjellberg, který si nechal v roce 1907 patentovat[21] kovovou elektrodu s obalem z uhličitanů a křemičitanů[22]. Hořením elektrického oblouku mezi svarovou lázní a odtavující se elektrodou se totiž tavil i obal, který produkoval ochrannou atmosféru CO₂. O pět let později Angličan Strohmenger vyvinul a nechal si patentovat[23] tlustý obal, který disponoval kromě ochranné funkce působil metalurgicky tak, aby svarový kov dosahoval požadované plasticity.[24] Metoda ručního svařování obalenou elektrodou je hojně využívaná až do současnosti pro svoji flexibilitu, nízké investiční náklady a vysokou kvalitu produkovaných svarů.

V roce 1929 byla společností National Tube vyvinuta metoda[25] později známá jako Union-melt a svařování pod tavidlem, která využívala principů ochrany jako metoda svařování obalenou elektrodou.[19][26]

Poslední vyvinutá metoda obloukového svařování byla odvozena od metody svařování s netavící se elektrodou v inertních plynech v roce 1953 jako metoda svařování plazmatem, která disponuje lepší stabilitou hoření oblouku a vyšší koncentrací vneseného tepla.[1][27]

Schéma elektrického oblouku.

Pro obloukové svařování se používá nízkonapěťový elektrický vysokotlaký výboj, který je veden v prostředí ionizovaného plynu. Stabilita elektrického oblouku vyžaduje dostatečné napětí pro ionizaci daného prostředí a proud, který udrží plazma oblouku v ionizovaném stavu.[28]

Princip použití elektrického oblouku při svařování lze zjednodušeně popsat na metodě, která využívá netavící se wolframovou elektrodu v ochranné atmosféře argonu. Při tzv. přímém zapojení, tzn. elektroda (1) je připojena na záporný pól stejnosměrného proudu a základní materiál je připojen ke kladnému pólu, se na elektrodě vytvoří katodová skvrna (2) a na základním materiálu (12) anodová skvrna (11). Při hoření elektrického oblouku v ochranné atmosféře argonu jsou emitovány tzv. primární elektrony e^I (4) z katodové skvrny a dopadají na ni kationty, které vytvářejí energii potřebnou pro termoemisi primárních elektronů (4). Oblast katodového úbytku napětí (3) je způsobena prostorovým nábojem aniontů, který brzdí elektrony uvolněné z katody. Část primárních elektronů dopadne (9) na anodovou skvrnu, kde se jejich kinetická energie mění na tepelnou, částečně i na elektromagnetické záření. Část elektronů naráží do atomů argonu (5), ze kterých se tvoří kationty Ar⁺ (6) a sekundární elektrony e^II (7). Kationty Ar⁺ jsou přitahovány ke katodové skvrně. Takto ionizovaný plyn – sloupec oblouku (8) se stává vodivým. Při překročení kritické hodnoty proudu dochází k proudění plazmatu od elektrody k základnímu materiálu. Tepelná energie na anodě při dopadu elektronů způsobuje vysoké teploty, které postačují k roztavení základního materiálu. Oblast anodového úbytku napětí (10) způsobuje prostorový náboj elektronů. Naznačený proces je velmi rychlý stejně jako roztavení základního materiálu.[29][30][31]

Na obdobném principu funguje i oblouk napájený střídavým napětím s rozdílem, že se pravidelně (frekvenčně) zaměňuje oblast katodové a anodové skvrny. Tento jev, tzv. čisticí efekt, se využívá především při svařování hliníkových slitin. Vysokotavitelné oxidy Al₂O₃ se snáze rozruší při střídání polarity elektrody a odpovídajícímu dopadů elektronů a iontů.[32]

Při svařování elektrickým obloukem je svařovací proud získáván z tzv. svařovacích zdrojů. To jsou elektrická zařízení generující svařovací proud a napětí požadovaných charakteristik, a která mají dostatečnou účinnost, zatěžovatel a další vhodné parametry. Svařovací zdroje mohou dodávat stejnosměrný (usměrněný) proud nebo střídavý proud (v praxi dnes drtivá většina svářecích zdrojů využívá proud stejnosměrný). Svařovací zdroj má na starost přeměnu elektrického proudu a napětí z běžného (vyskytující se v elektrické síti 230V a 400V) na svářecí (cca 15–25V, ale 0–600A a i více).

• ruční obloukové svařování
• svařování v ochranné atmosféře tavící se elektrodou
• svařování netavící se elektrodou v ochranné atmosféře inertního plynu
• svařování pod tavidlem
• svařování plazmatem
• elektrostruskové svařování
• elektroplynové svařování

Ultrafialové záření při svařování

Svařování je pracovní činnost vystavená vysokým rizikům z hlediska bezpečnosti práce a ochrany zdraví. Kromě rizik, jako je popálení od odstřikujícího svarového kovu případně dotykem nevychladlých částí svařenců, které jsou společné pro většinu metod tavného svařování existují i specifická rizika poplatná metodám obloukového svařování. Taková rizika jsou zejména úrazu elektrickým proudem a emise elektromagnetického záření jak v oblasti tepelné tak i v oblasti ultrafialového spektra. Toto záření může poškodit zrak nejen svářeče samotného, ale i osob nacházejících se v blízkosti svářecího pracoviště. Je proto nutné používat chrániče zraku, tj. svářečské štíty pro svářeče, které splňují ČSN EN 169[34] anebo ČSN EN 379+A1[35], a závěsy či přepážky pro odstínění záření a ochranu osob nalézajících se v okolí, tak jak je definováno v ČSN 05 0600[36], ČSN 05 0601[37] a ČSN 05 0630[38]. Při metodách svařování v ochranných atmosférách existují navíc rizika udušení při používání CO₂ případně exploze hořlavých plynů, např. vodíku.[39][40]

„Prokreslení teploty“ do základního materiálu od svařování

Jako každé tavné svařování i metody svařování obloukem zásadním způsobem mění oblast základního (svařovaného) materiálu v nejbližším okolí svarové lázně, v tzv. tepelně ovlivněné oblasti. Metalurgické změny, ke kterým dochází vlivem přehřátí této oblasti mají za následek většinou i změnu mechanických vlastností. Různé druhy materiálů jsou jinak citlivé na rychlé zvýšení teploty a následné rychlé zchladnutí.

V případě feritických ocelí může dojít k zakalení tepelně ovlivněné oblasti, čím se zvýší tvrdost a pevnost, ale významně se sníží houževnatost a tažnost. Proto se pro tento typ ocelí používají takové postupy, které méně tepelně zatěžují okolí svaru náhlými změnami teploty.[41]

Svařování obloukovými metodami lze velmi dobře nejen kontrolovat, ale postup lze bez problémů opakovat díky stejnému nastavení tzv. základních parametrů svařování. Mezi tyto parametry patří zejména typ svařovaného materiálu, tvar svaru, velikost a druh svařovacího proudu, svařovací napětí, rychlost postupu, průtok a druh ochranného plynu, přídavný materiál, předehřev a/nebo dohřev. Nejistotou je pak ruka svářeče, klimatické podmínky krytého i nekrytého pracovního prostoru. Další parametry jako jsou např. ošetření navlhavých přídavných materiálů – tavidla a to jak ve formě obalů elektrod ručního svařování tak i ve formě granulovaných tavidel pro svařování metodou pod tavidlem – lze řešit dodržováním technologické kázně. Při průmyslovém svařování jsou vesměs vyžadovány přístupy managementu jakosti, které nastavují technologické procesy za účelem dosažení požadované jakostní úrovně.[42][43][44]