Spojování kovových materiálů

Kovové materiály, polotovary i hotové součásti, je možno spojovat více způsoby. Podle možnosti opětného uvolnění jsou spoje rozdělovány na dvě základní skupiny: spoje rozebiratelné a spoje nerozebiratelné. K rozebiratelným patří například spoje realizované pomocí šroubů, per a klínů, nalisováním atd.. K nerozebiratelným patří například spoje realizované svařováním, pájením nebo lepením, ale také spoje nýtované. Další výklad bude zaměřen pouze na svařování, pájení a lepení kovů.

Svařování kovů

Podle principu, na kterém spoj vzniká, jsou svařovací postupy rozdělovány na

- svařování tavné, u kterého dochází ke spojení materiálů jejich roztavením v místě spoje a následným ztuhnutím taveniny

- svařování tlakové, u kterého dochází ke spojení materiálů difusí v tuhém stavu působením zvýšeného tlaku, případně i zvýšené teploty.

Tavné svařování

Hlavními metodami tavného svařování jsou svařování plamenem, elektrickým obloukem, slévárenské, termitem, elektronovým paprskem a laserem.

Svařování plamenem

Zdrojem tepla potřebného pro roztavení spojovaných kovů v místě žádaného spoje je plamen vznikající spalováním vhodného plynu. Požadavkem je jednak jeho vysoká výhřevnost, jednak vysoká rychlost hoření plynu. Tyto faktory jsou podmínkou získání plamene o dostatečné teplotě. V praxi se jako svařovacího plynu užívá nejčastěji acetylenu, pak vodíku, propanu a svítiplynu.

Základním zařízením potřebným pro svařování plamenem jsou zdroj plynu a zdroj kyslíku k jeho spalování, uzavírací a regulační aparatura, hadice a hořák.

Zdrojem plynu jsou ve většině případů ocelové tlakové lahve. V provozech s velkou spotřebou acetylenu je tento odebírán z vyvíječe. Lahve pro kyslík, vodík a další plyny s výjimkou acetylenu jsou uvnitř prázdné a plní se plyny přímo s tlakem 15 MPa. Acetylen tímto způsobem ukládat nelze, protože by došlo k jeho explozi. Proto jsou lahve pro acetylen vyplněny porézní hmotou (pemzou), napuštěnou acetonem. Při plnění těchto lahví se acetylen v acetonu rozpouští. Tlak acetylenu v lahvi je pouze 1,5 MPa.

Aparaturou tlakových lahví jsou lahvové ventily, uzavírající výstup z lahve, a redukční ventily. Úkolem redukčního ventilu je jednak snížení tlaku plynu vystupujícího z lahve na tlak vhodný pro spalování v hořáku, jednak stabilizace nastaveného tlaku během odběru plynu, kdy jeho tlak v lahvi klesá. K redukčnímu ventilu jsou připojeny dva tlakoměry: obsahový, udávající tlak v lahvi, a pracovní, udávající tlak nastavený pro práci.

Hadice spojující redukční ventily s hořákem jsou speciální konstrukce zajišťující potřebnou pevnost. Podle bezpečnostních předpisů nesmí být hadice kratší než 5 metrů. U kratších hadic existuje nebezpečí zpětného prošlehnutí plamene do tlakové lahve a následné exploze.

Lahve, ventily a hadice jsou pro různé plyny zřetelně rozlišeny, aby nedošlo k jejich záměně.

V hořáku dochází ke smísení plynu s kyslíkem. Konstrukce hořáků je rozdílná při odběru plynu z lahve a při odběru acetylenu z vyvíječe. Trysky hořáků jsou vyměnitelné. Mají různý průměr výstupního otvoru podle potřeby intenzity plamene, která závisí na rozměrech svařovaného kovu v místě spoje.

Při svařování plamenem se zpravidla užívá přídavný materiál, kterým se doplňuje svarové místo. Většinou to je drát různé tloušťky.

Pro odstranění nežádoucích vrstev na povrchu spojovaných kovů, které by ztěžovaly nebo bránily svařování, se užívá tavidel. Tavidla chemickým způsobem povrch kovu očistí a zabrání tvoření vrstev nových.

Svařování plamenem se jen obtížně nechá mechanizovat. Proto se užívá převážně v kusové, sériové a výjimečně ve velkoserivé výrobě.

Svařování elektrickým obloukem

Zdrojem tepla při svařování elektrickým obloukem je elektrický obloukový výboj probíhající mezi dvěma elektrodami upevněnými v hlavici a přiblíženými ke svařovaným částem, nebo mezi elektrodou a svařovaným materiálem.

Ke svařování se užívá

- stejnosměrného proudu vyrobeného v točivých agregátech nebo usměrňovačích

- střídavého proudu vyrobeného v transformátorech.

Zařízení pracující se stejnosměrným proudem jsou investičně nákladnější, ale práce s nimi je snazší a svary kvalitnější.

Elektrický proud užívaný pro svařování má napětí od 10 do asi 70 voltů a intenzitu od 30 do asi 500 ampér, někdy i více.

Elektrody mohou být podle užitého uspořádání dvojího druhu:

- netavné, jejichž materiál nepřechází do svaru; nejčastěji jsou zhotoveny z uhlíku (grafitu) nebo z wolframu

- tavné, které jsou přídavným kovem svaru; jejich materiál je blízký materiálu svařovaných částí.

Tavné elektrody mohou být

- holé, to jest ve formě drátu bez jakéhokoli povlaku; používají se při mechanických způsobech svařování (pod tavidlem, v ochranné atmosféře apod.)

- obalované, to jest opatřené zvláštní vrstvou (obalem); užívají se při ručním svařování.

Účelem obalu elektrod je

- stabilizace oblouku, to jest jeho udržení bez přerušení; stabilizace je založena na vytvoření prostředí s vyšší elektrickou vodivostí mezi elektrodou a svarkem

- ochrana svařovaného kovu před přístupem kyslíku a dusíku, které by svou difuzí do kovu zhoršily mechanické vlastnosti svaru

- zpomalení chladnutí svaru vytvořením tepelně izolující vrstvy strusky

- legování svarového kovu za účelem zlepšení jeho mechanických vlastností; nejčastějšími legurami jsou chrom, nikl, molybden a vanad.

Zvláštní způsoby svařování elektrickým obloukem

Při ručním svařování vede pracovník elektrodu v blízkosti místa žádoucího spoje ručně. Kvalita spoje závisí na zručnosti pracovníka. Produktivita práce je při ručním svařování nízká.

Při vyšší sériovosti výroby je za účelem zvýšení produktivity a kvality svarů svařování elektrickým obloukem mechanizováno.

Jedním z nejčastěji užívaných způsobů mechanického svařování elektrickým obloukem je svařování pod vrstvou tavidla. Zařízením je zvláštní vozík nesoucí násypku s granulovaným tavidlem a zásobník drátu (holé elektrody) s jeho podavačem. Vozík pojíždí nad místem svaru, z násypky vystupuje vrstva tavidla, ve které se brodí konec elektrody. Oblouk je skryt pod tavidlem.

Jiným častým způsobem je svařování v ochranném plynu. Mezi elektrodu, kterou je opět holý drát, a svařovaný kov je přiváděn kysličník uhličitý, argon nebo jiný vhodný plyn, který ochraňuje místo svaru před účinky kyslíku a dusíku.

Slévárenské svařování

Zdrojem tepla u slévárenského svařování je roztavený kov, protékající mezi spojovanými místy ve zvláštní formě vhodně uspořádané kolem vytvářeného spoje. Forma má ve své spodní části otvor, kterým kov po určitou dobu vytéká. Jakmile jsou styková místa spojovaných částí natavena, výtokový otvor se uzavře a forma se kovem doplní. Tento způsob svařování již patří historii. V současnosti se popsané metody užívá při opravách velkých neúplných odlitků, kdy se chybějící místa doplňují.

Svařování termitem

Zdrojem tepla při svařování termitem je exotermická chemická reakce probíhající ve směsi kysličníků železa a práškového hliníku nebo hořčíku, nazývané termit. Po zapálení termitu dochází k rozkladu kysličníků železa a vzniku kysličníků hliníku nebo hořčíku. Tento děj je provázen velmi intenzívním uvolňováním tepla, takže teplota vzniklého železa převyšuje 3000 °C.

Vlastní svařování je obdobou slévárenského svařování. Kolem spojovaných částí je vytvořena forma, do které je z kelímku, ve kterém proběhla popsaná reakce, vpuštěno tekuté železo. Vzhledem k výši jeho teploty není pro natavení povrchu spojovaných částí potřeba protékání taveniny.

Svařování termitem se užívá zejména v případech, kdy není možno užít jiných způsobů. Známým příkladem je svařování železničních kolejnic.

Svařování elektronovým paprskem

Zdrojem tepla při svařování elektronovým paprskem je přeměna kinetické energie elektronového paprsku při jeho dopadu na svařovaný materiál na teplo.

Zařízení se skládá z

- emitoru elektronů, kterým je wolframová elektroda

- urychlovače proudu elektronů, ve kterém se pomocí napětí dosahujícího až 150 kV urychlí proud elektronů na rychlost až 165 000 km.s-1

- elektromagnetické čočky, pomocí které se proud elektronů soustředí do paprsku s velmi malým průřezem.

Po dopadu paprsku elektronů na svařovaný materiál dochází k přeměně jeho kinetické energie na teplo, přičemž vzniká teplota 5000 až 6000 °C.

Svařování laserem

Svařování laserem je obdobou svařování elektronovým paprskem. Je založeno na soustředění energie elektromagnetického záření viditelného světla na malou plošku místa svaru. Vzniklá teplota dosahuje několika desítek tisíc stupňů (104 °C).

Svařování tlakové

Při tlakovém svařování dochází ke spojení materiálů difusí atomů mezi spojovanými materiály při jejich těsném styku dosaženém zvýšeným tlakem. Rychlost difuse je možno urychlit zvýšením teploty místa spoje.

Tlakové svařování se provádí více způsoby, z nichž nejznámější jsou

- svařování za zvýšených teplot    - kovářské               

                                                            - elektrickým odporem

                                                            - indukčně

                                                            - třením

- svařování za normálních teplot   - za studena

                                                            - ultrazvukem.

Kovářské svařování

Kovářské svařování je historicky nejstarší. Materiál je ohřát na kovací teplotu ve výhni a spojen údery kladiva na kovadlině. Tato metoda se dnes v průmyslové výrobě používá výjimečně, zpravidla jen při opravách. Časté je ale její užití v umělecké výrobě.

Svařování elektrickým odporem

Na materiál se současně působí tlakem a teplem vznikajícím v důsledku elektrického odporu při průchodu proudu místem spoje. Používá se střídavý proud o napětí 0,5 až 20 V a až 105 A.

Podle tvaru spojovaných částí a způsobu stlačení je toto svařování rozlišováno jako

- svařování stykové, užívané u tyčových materiálů, které může probíhat

- stlačováním

          - odtavením

- svařování přeplátováním, užívané u plochých materiálů, které může být     - bodové

                                                                                                                                    - švové

                                                                                                                                    - výstupkové.

Tento způsob svařování je možno snadno mechanizovat. Proto se používá v kusové až hromadné výrobě.

 

 


Svařování indukční

Při indukčním svařování jsou styková místa ohřívána proudy indukovanými v materiálu působením ohřívací cívky a následně k sobě stlačena.

Tento způsob je jednou z metod výroby svařovaných trubek.

Svařování třením

Svařování třením se užívá při čelním stykovém spojování rotačních součástí. V první fázi jsou součásti k sobě čelně přitisknuty, přičemž jedna z nich rotuje. Vzniklým třením se místo styku zahřívá až do těstovitého stavu. Pak se rotace zastaví a zvýší se axiální tlak, čímž dojde ke spojení.

Tento způsob se užívá především u ocelí a neželezných kovů.

Svařování za studena

Název metody není zvolen dostatečně výstižně.

Ke spojení materiálů dochází difuzí při stlačení jejich povrchových ploch na vzdálenost menší než je parametr atomové mřížky.

Zařízení se skládá ze dvou tyčových čelistí, mezi kterými je materiál stlačován. Podle druhu svařovaného materiálu se používají tlaky v rozsahu 300 až 3800 Mpa.

Způsob je vhodný pro plechy do tloušťky 5 mm vyrobené z hliníku a jeho slitin, niklu, mědi a olova.

Svařování ultrazvukem

Při této metodě dochází ke spojení materiálů difusí současným působením tlakové síly a mechanického kmitání dosaženého připojením jedné z opěr k ultrazvukovému generátoru.

Způsob je vhodný pro plechy do tloušťky 3 mm.

Posuzování svařitelnosti ocelí

Svařitelností se rozumí schopnost materiálu vytvářet pevné spoje. Hlavní vliv na svařitelnost ocelí má obsah uhlíku a dalších prvků. Uhlíkové oceli mají dobrou svařitelnost do 0,5 % uhlíku. U slitinových ocelí se svařitelnost posuzuje podle tak zvaného ekvivalentního obsahu uhlíku, který se určuje připočtením určitého podílu obsahu legujících prvků ke skutečnému obsahu uhlíku podle vztahů:

pro tavné svařování

kde t je tloušťka materiálu v milimetrech,

pro tlakové svařování

 .

Pájení kovů

Při pájení dochází ke spojování kovových materiálů stejného nebo rozdílného složení difuzí přídavného kovu, zvaného pájka. Přitom se spojované materiály netaví a pájka je v tekutém stavu. K zlepšení průběhu pájení se užívá tavidel.

Podle teploty tavení pájky se pájení rozděluje na

- měkké, při kterém je teplota tavení pájky do 500 °C

- tvrdé, při které je teplota tavení pájky 500 až 1000 °C.

Měkké pájky jsou

- cínové, ve skutečnosti slitiny cínu a olova

- zvláštní, ke kterým patří například tzv. těžké pájky na hliník, což jsou slitiny cínu se zinkem.

Tvrdé pájky jsou

- mosazné, čili slitiny mědi a zinku

- stříbrné, obsahující až 99 % stříbra

- lehké na hliník, což je slitina hliníku s křemíkem.

Pájky mohou být dodávány a užívány v různých formách, například jako dráty, trubičky, tyče, zrna, fólie, bloky nebo soli přídavných kovů.

Hlavními požadavky na pájku jsou

- dobrá zabíhavost a vzlínavost

- vyhovující mechanické vlastnosti

- vhodný elektrodový potenciál, aby nedocházelo ke vzniku elektrochemické koroze

- nízká cena.

Tavidla slouží k chemickému očistění povrchu pájených materiálů a zabránění další oxidace. Patří k nim

- chlorid zinečnatý, získaný „svařením“ kyseliny solné zinkem

- amoniaková sůl, prodávaná například pod obchodním názvem Eumetol

- kalafuna, užívaná pro jemné spoje zejména v elektrotechnice

- borax

- kyselina boritá.

Ohřev materiálu spojený s roztavením pájky se provádí

- pájedlem ohřívaným plamenem nebo elektricky

- plamenem (přímo)

- v peci

- v lázni.

Lepení kovů

Při lepení dochází ke spojení kovů cizím prvkem - lepidlem.

Na lepidlo jsou kladeny požadavky

- dobré adheze čili přilnavosti k lepeným materiálům

- dobré koheze čili vnitřní soudržnosti po vytvrzení

- snadné zpracovatelnosti.

Nejčastěji se užívá lepidel na bázi

- epoxidových pryskyřic

- polyuretanů

- vinylických polymerů.

Příprava stykových ploch před lepením spočívá v

- tvarové úpravě

- očistění od hrubých nečistot a kysličníků

- odmaštění.

Konstrukce spojů musí být voleny tak, aby lepidlo bylo namáháno smykem, nikoli tahem.

Výhodami lepených spojů jsou

- menší nebo žádné tepelné namáhání materiálu

- nedochází k ovlivnění struktury spojovaných materiálů

- nedochází k deformacím spojovaných částí

- spoje jsou chemicky odolné

- možnost spojovat materiály, které nelze svařovat nebo pájet.