Volba ochranného plynu pro svařování

Pokrok nelze zastavit. Zatímco dříve stačilo svářečskému technologovi předepsat předehřev dle základního materiálu a metodu svařování (ruční obalenou elektrodou nebo poloautomatem s ochranným plynem), dnes je sortiment ochranných plynů pro svařování větší. Tento článek shrnuje základní doporučení pro volbu ochranných plynů pro svařování v typických aplikacích. DRUH ZAKLADNIHO MATERIALU Uhlíkové a nízkolegované oceli Pro uhlíkové a nízkolegované „černé“ oceli je výběr ochranných plynů nejširší. Ke svařování těchto materiálů je určena řada plynů Ferroline s různým složením. Jde o dvousložkové plyny na bázi argonu s obsahem CO2 (Ferroline C8, C18, C25 s 8, 18 nebo 25 % CO2) nebo s obsahem kyslíku (Ferroline X4, X8 se 4, resp. 8 % kyslíku v argonu) nebo novější trojsložkové plyny na bázi argonu s obsahem CO2 a kyslíku (Ferroline C3X1, C6X1, C12X2 s 3 % CO2 a 1 % kyslíku, 6 % CO2 a 1 % kyslíku, resp.12 % CO2 a 2 % kyslíku). Oxid uhličitý lze obvykle s úspěchem použít jen tam, kde nevadí rozstřik a nároky na svarový kov jsou nízké. Dvousložkové směsi Ar+ CO2 dávají již daleko lepší vzhled a přechod svaru do základního materiálu. Jsou vhodné jak pro malé tloušťky (s malým obsahem CO2), tak pro těžké ocelové konstrukce a velké tloušťky (s obsahem CO2 od 10 do 25 %). Více než 25 % CO2 ve směsi s Ar již není výhodné, protože se zhoršují výkonové vlastnosti oblouku. Dvousložkové směsi Ar+O2 vedou k nejnižšímu rozstřiku a hladšímu vzhledu svarů. Aktivita kyslíku je asi dvojnásobná oproti CO2, takže směs Ar+4 % O2 se chová obdobně jako směs Ar+8 % CO2. Liší se také menší šířkou závaru v kořeni svaru a vyšší tekutostí svarové lázně. To sice dává hladší svarovou housenku, ale v pozicích shora dolů (PG – padák) může vést k předbíhání tekutého svarového kovu a vzniku tzv. studených spojů. Při testování ztrát rozstřikem se zjišťovalo množství přídavného materiálu, které skončilo v rozstřiku. Zjistily se následující hodnoty: Ferroline C18 (Ar+18 % CO2) – 1,9 %, Ferroline X4 (Ar+4 % O2) – 0,5 %. Trojsložkové směsi Ar+CO2+O2 optimalizují chování směsi jak co do průvaru, tak rozstřiku a hladkosti povrchu svaru. Pro nejmenší tloušťky doporučujeme směs Ferroline C3X1, která má sice větší rozstřik než Ferroline X4, je ale výrazně lepší v pozicích, svarová lázeň není tak tekutá. U středních svařovaných tlouštěk (5 až 20 mm) je ideální směs Ferroline C6X1 a pro větší tloušťky směs Ferroline C12X2, která pomalu vytlačuje dnes již klasickou směs Ferroline C18 (dříve Krysal 18). Směsi Ferroline X4, C3X1, C6X1, C8, C12X2 a C18 jsme podrobili jednoduchému testu operativních vlastností na tupém spoji tl. 3 mm. Tento tupý spoj bez úkosů jsme svařovali v poloze vodorovné shora stálou rychlostí od místa s minimální mezerou až do propadnutí lázně vlivem rozšiřující se mezery pro svar. Výsledné spoje jsme rozřezali v místech kde svary vyhovovali vizuálnímu hodnocení na max. převýšení dle normy EN 25817 a stupeň D (nejmírnější hodnocení). V této zkoušce se vzorek svařovaný plynem C8 po vizuální stránce před rozřezáním jevil jako nejlepší. Teprve po rozřezání se ukázalo, že vlivem velmi klidné svařovací lázně dokázal tento plyn sice překlenout největší mezeru, překryl ale tuto mezeru tak, že uvnitř zůstaly extrémně velké dutiny. Výsledné řezy můžete vidět na přiložených fotografiích. Tady je názorně vidět proč je svařování nutno brát jako zvláštní proces, konečné vizuální hodnocení, bez průběžného sledování kvality slícování svařovaných dílů není pro kontrolu svarů dostatečné. Z tohoto pohledu jsou trojnožkové plyny rozhodně krokem vpřed, protože jejich větší tekutost svarové lázně částečně vyloučí uvedené chyby. Nerezové oceli Nejlépe svařitelné jsou austenitické nerezové oceli, ale i zde jsou určitá úskalí. Jde hlavně o teplotu interpas, která by neměla překračovat dle typu oceli 100 – 200 oC z důvodů zcitlivění oceli k MKK (mezikrystalické korozi). Pro svařování nerezových ocelí je určena řada plynů Inoxline, kromě klasických dvousložkových na bázi argon + CO2 a argon + kyslík (Inoxline C2, Inoxline X2) pro metodu MAG, též Inoxline N1, Inoxline N2 s 1, resp. 2 % dusíku pro svařování duplexních ocelí metodou TIG. Pro svou výkonnost je oblíben plyn Inoxline He30 H2 C s obsahem 30 % helia 2 % vodíku a 0,12 % CO2 a hojně je užívaný také Inoxline He15 C2 s 15 % helia a 2 % CO2, který se hodí i pro chromové oceli. Rychlý ohřev a zchladnutí u austenitických ocelí není na závadu. Množství CO2 v ochranných plynech bývá z důvodů zcitlivění na MKK nižší, zpravidla 2,5%. Použití směsi pro „černý“ materiál (s vyšším než 3% obsahem CO2) je chybou, která se může projevit až po letech. Dosud jsme hovořili o metodách MAG. U nerez ocelí je ovšem velmi rozšířena metoda TIG s použitím netavící se wolframové elektrody. Tam použijeme čistý argon, případně ve směsi s vodíkem – jen pro austenitické oceli. Vodík ve směsi jak do hořáku, tak k ochraně kořene, je pro feritické a také chromové oceli z důvodů vodíkových vad nepoužitelný. U duplexních ocelí lze s výhodou použít směsí argonu s až 2,5 % dusíku nebo i trojkomponentní plyn s heliem (Inoxline He15N 15 % He a 1,25 % dusíku). Pro tupé spoje je nezbytné u nerezových ocelí chránit kořen svaru tzv. záfukem kořene, tj. u trubek z vnitřní strany. K tomu se používá formovací plyn na bázi dusíku s 5 až 25 % vodíku – u austenitických ocelí. Pokud jsou ale oceli legované titanem, tvoří dusík titan nitridy, které jsou velmi tvrdé (nejdou mechanicky jednoduše odstranit) a jejich žlutá barva kazí výsledný dojem, svarový kov je ochuzen o stabilizující titan. V těchto případech se použije na ochranu kořene argon, nebo u austenitických ocelí i směs argon+vodík (90+10 %, 95+5 %). Relativně dobře svařitelné jsou ještě duplexní oceli, u nichž záleží na složení přídavných materiálů a na rychlostech chladnutí. Mnohé tyto materiály jsou legované i dusíkem a tak je třeba jako ochranný plyn použít směs s dusíkem. Směsi s vodíkem pro svařování duplexních ocelí nedoporučujeme, a to ani pro záfuk kořene svaru. Nejobtížněji jsou svařitelné chromové oceli, kde je řada limitujících podmínek od nemožnosti ochránit kořen plyny s obsahem vodíku až po předehřevy s následným tepelným zpracováním dle konkrétního materiálu. Hliník a jeho slitiny Ke svařování hliníku je třeba vhodný svařovací zdroj, který „umí“ čištění, tj. může měnit polaritu a ve fázi čištění je elektroda po krátkou dobu čištění přepólovaná. Obtížnost svařování hliníku spočívá v tom, že jeho barva se vlivem teploty nemění a na povrchu se velmi rychle vytváří těžko tavitelný oxid, který je nutno odstranit těsně před svařováním. Hliník i jeho slitiny jsou citlivé na vodík, který se nesmí v ochranném plynu vyskytovat. Messer vyvinul řadu směsí Aluline na bázi argonu s velmi malým přídavkem dusíku a s obsahem helia od 30 do 70 %. Pro nejmenší tloušťky se vyrábí i směs bez helia. Malý přídavek dusíku změní chování oblouku, zlepšuje přenos energie a vytváří hladší a širší svarovou housenku. Aluline je vhodný jak pro MIG, tak TIG svařování. V čistém heliu lze svařovat hliník s obrácenou polaritou – elektroda na + pól. Elektroda je v tomto případě velmi silně namáhána a snese nižší proudovou zátěž, lze doporučit jen u dobře vodou chlazených hořáků. Měď a její slitiny Měď se vyznačuje velkou tepelnou vodivostí, citlivostí na vodík a lze svařovat jen měď s malým obsahem kyslíku do 0,02 %, protože jinak se na hranicích zrn vyloučí velmi křehké eutektikum Cu-Cu2O. Skoková změna rozpustnosti vodíku způsobuje u svarů tzv. vodíkovou nemoc, plyny s obsahem vodíku se nedají použít. Jako ochranné plyny pro svařování se používají směsi argonu s heliem, 30/70, 50/50 až 70/30 %. Pro větší tloušťky se použije plyn s větším obsahem helia. Svary je dobré chladit v zábalu, tepelné zpracování zde funguje opačně než u železa, potřebujete-li tažnou měď po vyhřátí ji prudce ochlaďte. Mezi slitiny mědi patří Mosazi (slitiny se zinkem, případně ještě dalším legujícím prvkem) a Bronzy (slitiny bez zinku), např. cínové, hliníkové, niklové nebo beryliové. Problematika svařování slitin mědi je příliš obsáhlá, krátce zmíním jen nebezpečí odpařování zinku a tím i zdravotní rizika při svařování Mosazí a rozdílnou svařitelnost u hliníkových Bronzů dle obsahu hliníku, kde jednofázové hliníkové bronzy do 7 % Al jsou relativně dobře svařitelné, ale dvoufázové s obsahem 9 – 10 % Al vykazují fázovou přeměnu v tuhém stavu při 565 oC a z toho vyplývající problémy (možnost vzniku martenzitických tvrdých struktur). Osobně bych v těchto případech preferoval pájení před svařováním. Titan Titan klade na ochranu před oxidací při svařování a také ve fázi chladnutí asi ty nejvyšší nároky. Používá se čistý argon o čistotě minimálně 4.8 (některá literatura udává i 4.7) a i „záfuk“ ze zadní strany. Při chladnutí se zafoukává do teploty cca 200 oC, jinak hrozí zkřehnutí spoje. Nad teplotou 500 oC titan silně pohlcuje plyny, které vedou ke zkřehnutí, pevnější svary u titanu lze proto dosáhnout např. svařováním elektronovým paprskem ve vakuu. Závěr Svařování v ochranných atmosférách se využívá stále více, stejně jako se poslední dobou volí stále častěji ušlechtilejší materiály jako nerez, hliník a titan, které svými užitnými vlastnostmi dokáží posunout životnost, pevnost, hmotnost, ale i vzhled věcí kolem nás k lepšímu. Kdo by si dříve pomyslel, že budeme běžně svařovat zábradlí z nerezu. A již jsou tu opět nové trendy, zatím využívané jen ve velkosériové výrobě, svařování laserem nebo i tak zvaný „Laser-Hybrid“ v automobilovém průmyslu. Pokrok nelze zastavit. Jaroslav Hájek