Špecifickým typom zváracích automa­tov sú orbitálne zváracie zariadenia (OZZ), v prípade ktorých sa horák po­hybuje po kruhovej dráhe. OZZ možno použiť na zhotovovanie tupých zvarov rúr z vonkajšej aj vnútornej strany, kútových zvarov (napríklad rú­ra – rúrkovnica). Použitie orbitálneho automatu na miestach s obmedzenou prístupnosťou pre ručné zváranie je jedným z mnohých spôsobov využitia potenciálu zváracieho automatu.

Pri ručnom zváraní sa zvárač prispôsobuje po­dienkam zvárania. Zhoršená prístupnosť zvarových plôch má vplyv na výslednú kvalitu zvaro­vého spoja, v ktorom sa môže vyskytnúť vyšší počet chýb (póry, studené spoje, nedostatoč­ne natavené hrany atď.) Rovnako aj dodržanie prepísaného technologického postupu, najmä z hľadiska počtu a polohy húseníc viacvrstvových zvarov je pre zvárača ťažšie. Zváranie ale­bo naváranie na vnútorných priemeroch je teda ideálne pre voľbu automatového zvárania.

 

ZVÁRANIE NÁTRUBKOV ORBITÁLNYM ZVÁRACÍM ZARIADENÍM

Príkladom úspešného nahradenia ručného zvá­rania zváraním OZZ je zváranie kútového zva­ru na vnútornom povrchu nátrubku tlakové­ho zariadenia (obr. 1). Kútový zvar sa nachádza na priemere 126 mm v hĺbke 66 mm od čel­nej plochy nátrubku. Pôvodný kútový zvar me­dzi austenitickým puzdrom a stenou nátrubku zhotovil výrobca zariadenia ručným zváraním obalenou elektródou.

S ohľadom na riziko možnosti výskytu necelis­tvostí vo zvarovom kove kútového zvaru bolo potrebné vykonať jeho opravu. Pokusy opraviť zvar ručným zváraním boli v niektorých prípadoch neúspešné, nakoľko sa vo zvaroch opako­vane vyskytli neprijateľné chyby. Preto sa pri­jalo rozhodnutie zhotoviť opravný zvar OZZ zváraním spôsobom TIG.

 

MATERIÁLOVÉ PODMIENKY V MIESTE ZVARU

Nátrubky sú vyrobené z nelegovanej ocele. Vo vnútri každého nátrubku je puzdro z austenitickej ocele typu 18/10 CrNi. Puzdro je na svo­jom hornom konci spojené s telesom nátrubku kútovým zvarom, ktorý bol predmetom rieše­nia úlohy. Materiál na vnútornej stene nátrub­ku, vstupujúci do zvarového spoja, je opraco­vaný ručný návar austenitickej elektródy typu 25/13 CrNi.

PODMIENKY ZVÁRANIA

Pôvodný kútový zvar bol zhotovený v dielen­ských podmienkach. Do nátrubku sa vložilo puzdro s väčšou hrúbkou steny. Čelná plocha puzdra tvorila dolnú odvesnu kútového zvaru. Po zvare­ní sa stena puzdra odsústružila na predpísaný rozmer 3 mm. Pri sústružení sa odstránila aj zod­povedajúca časť z kútového zvaru.

Východiskové podmienky na zhotovenie nové­ho zvaru vychádzali zo súčasného stavu riešeného detailu. Montážne zváranie bolo pláno­vané na plochách po odstránení pôvodného zvaru. Malé rozmery zvarových plôch a austeni­tické materiály, vstupujúce do zvarového spoja, dávali predpoklad vzniku problémov vyplývajú­cich z koncentrovaného zdroja tepla. Tepelný príkon zo zvárania a malý tepelný most pred­stavovali zvýšené riziko tavenia vnútornej hra­ny tenkého austenitického puzdra.

Tavením poškodená hrana by spôsobila kompli­kácie pri tvorbe viacvrstvového kútového zvaru. Veľký prievar cez austenitický návar na stene nátrubku by zasa mohol spôsobiť premiešanie austenitického zvarového kovu so základným uhlíkovým materiálom.

Počas prípravy nového zvárania tak boli zohľad­nené malé rozmery zvarových plôch a predpokladateľné komplikácie spôsobené tepelným príkonom do zváraného materiálu.

VÝVOJ TECHNOLÓGIE

Na začiatku riešenia úlohy vyšpecifikoval zvára­cí inžinier požiadavky na OZZ a oslovili sa vybra­ní výrobcovia. Podľa dodaných podkladov firma Polysoude vyrobila a dodala OZZ, pozostávajúce z ich typizovaného zváracieho zdroja a jednoú­čelovej zváracej hlavy upravenej pre potreby zvá­rania na telese nátrubku. Po zaškolení operáto­rov na ovládanie programovacieho softvéru sa začal vývoj technologického postupu zvárania.

Vývoj bol rozdelený na optimalizáciu zvára­cích parametrov a na vypracovanie zváracích programov jednotlivých vrstiev kútového zvaru pre riadiaci systém.

Pri hľadaní optimálnych zváracích paramet­rov bola kľúčovým ukazovateľom analýza metalografických výbrusov zvarov vyhotovených uvažovanými parametrami. V rámci nej bola hodnotená geometria, celistvosť zvaru a veľ­kosť prievaru na austenitickom návare telesa nátrubku. Na tento účel bolo zhotovených viac ako 100 skúšobných zvarov na delenom modeli. Medzi vlastnosti OZZ, uľahčujúce túto etapu vývoja technológie, bolo možné zaradiť možnosť jemnej regulácie parametrov zvárania, presnosť vedenia zváracieho horáka a opakova­teľnosť zvarov.

 

SCHVÁLENIE TECHNOLÓGIE A DOPĹŇAJÚCI EXPERIMENT

Po vypracovaní zváracích programov prešiel po­stup zvárania schvaľovacím procesom. V rám­ci schvaľovania bol skúšobný spoj zvarený na­vrhnutou technológiou úspešne podrobený nedeštruktívnemu skúšaniu (VT a PT), metalo­grafickej analýze celistvosti a štruktúry zvarové­ho kovu, metalografickému vyhodnoteniu odol­nosti voči medzikryštálovej korózii a meraniu tvrdosti jednotlivých oblastí zvarového spoja.

Navyše, po schválení postupu zvárania bol ďal­ší zvar predmetom tepelného cyklovania, ktoré simulovalo teplotný cyklus zariadenia. Počas ex­perimentu bola celistvosť zvarového spoja pravi­delne kontrolovaná héliovou kontrolou tesnosti. K ukončeniu experimentu došlo bez preukázania akéhokoľvek porušenia tesnosti zvaru. Po rozre­zaní bol zvar na viacerých miestach podrobený metalografickej analýze s vyhovujúcim výsled­kom. Na konci dlhodobého experimentu sa tak preukázalo niekoľkonásobné prekročenie poža­dovanej životnosti zvaru.

Vzhľadom na dosiahnutie popisovaných výsled­kov bolo možné vyhlásiť úlohu za úspešne vyriešenú. Použitím OZZ na zváranie pôvodne ručného zvaru sa dosiahla vyššia kvalita v minulosti problematického zvaru.

 

PRAKTICKÉ POZNATKY Z VÝVOJA TECHNOLÓGIE

Praktické skúsenosti so zváracou hlavou počas vývoja technológie ukázali dve citlivé miesta v konštrukcii dodanej orbitálnej hlavy. Poznat­ky z ich riešenia možno aplikovať na všetky podobné orbitálne hlavy.

Priamy vplyv na presnosť TIG zvárania má kon­štrukcia ramena držiaceho bowden s vyvedeným prídavným materiálom. Na dodanej hlave išlo o miesto, na ktorom sa vykonávali korekcie po­lohy drôtu voči elektróde na úrovni 0,1 mm. Prí­liš veľa stupňov voľnosti kĺbového mechanizmu zakončeného dýzou s vyvedením drôtu spôsobo­valo problémy pri nastavovaní potrebnej vzdiale­nosti drôt – elektróda. Problémová časť vedenia drôtu bola nahradená pevným ramenom s inak riešenou možnosťou ďalšieho nastavenia.

Zváranie bez podávania drôtu (pretavovanie po­vrchu) odhalilo druhé citlivé miesto v konštruk­cií orbitálnej hlavy. Pri orbitálnych automatoch je dôležité, aby cievka s drôtom umiestnená na zvá­racej hlave simultánne rotovala spolu so zváracím horákom. V prípade pevne uchytenej cievky a ro­tácii horáka bez odoberania drôtu totiž v jednom okamihu dochádza k relaxácii nahromadené­ho pnutia. Pnutie je spôsobené tuhosťou a tvaro­vou pamäťou drôtu nachádzajúceho sa v bowde­novom vedení, v mieste medzi fixovanou cievkou a pohybujúcim sa horákom. Uvoľnenie sa prejaví rýchlym pretočením jeho voľného konca v smere predchádzajúcej rotácie zváracieho horáka. Tento jav je počas zvárania vzhľadom na možnosť kon­taktu s elektródou neprípustný.

 

ORBITÁLNE ZVÁRANIE NA VNÚTORNÝCH PRIEMEROCH

Výhody vyplývajúce z použitia OZZ možné na základe praktických skúseností zhrnúť takto:

• Nepretržitá regulácia zváracích parametrov pomocou regulačnej slučky riadiaceho systému umožňuje napríklad vytvoriť zvar s de­finovaným prievarom. To je výhoda oproti ručnému zváraniu, najmä pri zváraní ten­kostenných rúr, zvarov malých rozmerov, materiálov náchylných na zakalenie, hete­rogénnych zvarov s použitím medzivrstvy či pri použití polohúsenicovej metódy.

• Eliminácia všetkých nežiaducich odchý­liek voči zvarovým plochám počas zvárania. Zaručí ju tuhá konštrukcia pracovnej hla­vy a presné vycentrovanie pred začiatkom zvárania, takže je možné zvárať aj na zva­rových plochách malých rozmerov. Oproti ručnému zváraniu je zvárací oblúk vedený po presne stanovenej dráhe, čím sa eliminu­je riziko vzniku niektorých chýb (napríklad studených spojov a nenatavených hrán) spôsobených menšou zručnosťou zvárača.

• Opakovateľnosť zvarov. Umožňuje nájsť op­timálne zváracie parametre vyhodnotením skúšobných vzoriek. Vlastnosti vytvorených zvarov alebo návarov tak svojimi mechanickými a metalografickými vlastnosťami zod­povedajú predpísanej technickej dokumen­tácii. Vždy rovnaké náklady na identický zvar alebo návar zároveň umožňujú presný odhad spotreby materiálu a trvanie prác pre potreby plánovania.

• Hospodárnosť vďaka presnej práci automatu.

• Eliminácia ľudského faktora, vstupujúce­ho do zváracieho procesu. Výslednú kvalitu neovplyvňuje veľkosť pracovného priesto­ru či vyťaženosť na pracovnej zmene. OZZ nie je citlivé na vonkajšie vnemy, je vhodné na nepretržitú prevádzku a na výrobu zvarov podliehajúcich vyššej bezpečnostnej trie­de. Zvárač pri zváraní plní úlohu operátora, kontrolujúceho správnu činnosť a výslednú kvalitu vytvoreného zvaru.

Okrem výhod je možné pomenovať i nevýhody spojené s ich použitím, najmä:

• Obstarávacia cena. Pri zložitejších univer­zálnych zariadeniach cena dosahuje rádovo desaťtisíce eur.

• Lacnejšie jednoúčelové zariadenia sú zasa vhodné len na zváranie či naváranie v ma­lom rozsahu svetlostí a hĺbok. Ich použitie mimo rozsah, na ktorý sú určené, je totiž li­mitované (napríklad rozmermi pracovnej hlavy a možnosťami jej nastavenia, me­chanizmom na upnutie a vycentrovanie na mieste zvárania).

• Lehota dodania pri objednaní netypizovanej konštrukcie pracovnej hlavy, ktorá sa nenachádza vo výrobnom portfóliu výrobcu. Celý proces sa začína stanovením požadovaných vlastností a končí sa zaškolením obsluhy na dodané zariadenie, čo predstavuje niekoľko mesiacov.

• Potreba vyššieho vzdelania zváračské­ho personálu na vypracovanie technológie a programov pre konkrétne zvary.

• Potreba zaškolenej obsluhy – operátorov or­bitálnych automatov.

• Nie je možné použiť niektoré orbitálne au­tomaty v montážnych podmienkach v rám­ci opravného zvárania či navárania.

 

VZOROVÉ PRÍLEŽITOSTI PRE POUŽITIE ORBITÁLNYCH ZVÁRACÍCH ZARIADENÍ

Úvahy o opodstatnenosti použitia OZZ sú na mieste, ak vznikne potreba zvárať na vnú­torných povrchoch, ktorých svetlosť či hĺbka umiestnenia zvaru predstavujú zásadný prob­lém pre ručné zváranie. Ak má zvar z hľadis­ka pevnostného návrhu konštruktérom pred­písané hodnotenie v najvyššom stupni kvality, ak ide o zvar na tlakovom zariadení či VZJZ, je dobré uprednostniť OZZ. Problém investí­cie do jeho nákupu a zaškolenia personálu vy­vážia všetky výhody vyplývajúce z jeho použitia. Zvary v potrubiach a nátrubkoch na zle prístup­ných miestach zvárané v dielenských i montáž­nych podmienkach, zvary a návary v sériovej výrobe, vyžadujúce vyššiu produktivitu práce, pravidelne sa opakujúce zvary počas časovo limitovaných odstávok technologických zariade­ní, to všetko sú ideálne príležitosti na úspešné využitie OZZ.

 

PONUKA ORBITÁLNYCH ZVÁRACÍCH ZARIADENÍ

Na orbitálne zváranie a návaranie z vonkajšej strany majú výrobcovia (ESAB, Polysoude, Fro­nius, AMI, Magnatech, Lincoln Electric atď.) vo svojom portfóliu typizované pracovné hlavy od­stupňované podľa priemerov rúr, na ktorých sú schopné pracovať.

Pri orbitálnom zváraní a naváraní na vnútor­ných povrchoch je však ponuka pracovných hláv veľmi malá. V ponuke má zváracie hlavy pre metódu TIG firma AMI a zváraciu zostavu pre naváranie metódou MIG/MAG firma Castolin Eutectic. Každý výrobca orbitálnych automatov však dokáže upraviť polohu univerzálnych častí na pracovnej hlave tak, aby jej výsledné rozmery a tvar zodpovedali potrebám konkrétneho pou­žitia. Úprava na základe objednávky zákazníka sa potom týka konštrukcie a tvaru pracovného ramena, počtu funkčných pracovných osí, upí­nacieho mechanizmu alebo doplnkovej kontro­ly zváracieho procesu videoprenosom.

 

KONŠTRUKCIA ORBITÁLNYCH ZVÁRACÍCH ZARIADENÍ

Principiálne sa orbitálne zváracie zariade­nia skladajú z troch hlavných častí. Z pracov­nej (zváracej alebo naváracej) hlavy s upínacím mechanizmom, zo zváracieho zdroja a komunikačného vedenia na prenos nameraných pa­rametrov a pokynov riadiaceho systému. Tieto časti môžu, ale nemusia byť súčasťou spoloč­ného pevného celku. Z hľadiska manipulácie je veľké množstvo zariadení v mobilnom vyhotovení umožňujúcom rozloženie, prenos a zloženie pracoviska v montážnych podmien­kach. Počas osadzovania do pracovnej polo­hy tak operátori manipulujú len s pracovnou hlavou. Niektoré zariadenia sú však súčasťou hydraulického ramena alebo sú pevne spojené s polohovadlami a ich prenos nie je možný. Ne­prenosné OZZ sú určené len na zváranie v die­lenských podmienkach a bývajú súčasťou staci­onárnych zváracích a naváracích centier.

 

PRACOVNÁ HLAVA

Z hľadiska použitej metódy zvárania sú orbitál­ne automaty konštruované na použitie taviacej (MIG/MAG) alebo netaviacej sa (TIG) elektródy v ochrannom plyne. Jednotlivé časti zodpoveda­júce použitiu konkrétnej metódy zvárania mož­no najlepšie pomenovať pri prenosných pracov­ných hlavách určených na montážne zváranie a naváranie. Pri zachovaní kompaktného tvaru, umožňujúceho ich vsunutie do miesta zvárania, sú ich integrálnou súčasťou všetky kľúčové prv­ky podieľajúce sa na zváracom procese.

Súčasťou pracovnej hlavy na montážne zvára­nie alebo naváranie metódou MIG/MAG sú:

• mechanizmus podávania a rovnania drôtu s pripojením napájania,

• mechanizmus nastavovania horizontálnej a vertikálnej polohy drôtu voči zvarovým plochám,

• riadiaci a kontrolný mechanizmus (riadenie a úprava parametrov zvárania pomocou permanentného snímania),

• mechanizmus rotácie (pracovného pohybu),

• cievka s prídavným materiálom,

• rozvod ochranného plynu,

• chladiaci okruh (v prípade potreby),

• upínací a centrovací mechanizmus,

• nosná časť zváracej hlavy.

Súčasti pracovnej hlavy na montážne zváranie alebo naváranie metódou TIG:

• rameno s pevnou elektródou a pripojením napájania,

• mechanizmus nastavovania horizontálnej a vertikálnej polohy elektródy voči zvarova­ným plochám,

• mechanizmus podávania a rovnania drôtu,

• mechanizmus nastavovania konfigurácie elektróda – drôt,

• riadiaci a kontrolný mechanizmus (riadenie a úprava parametrov zvárania pomocou permanentného snímania),

• mechanizmus rotácie (pracovného pohybu),

• cievka s prídavným materiálom,

• rozvod ochranného plynu,

• chladiaci okruh (v prípade potreby),

• upínací a centrovací mechanizmus,

• nosná časť zváracej hlavy.

Doplňujúcou súčasťou pracovnej hlavy na zvá­ranie a naváranie na vnútorných povrchoch môže byť jednotka vizuálnej kontroly zváracie­ho procesu s videoprenosom na externý riadiaci panel operátora automatu. Na zvýšenie čistoty zvarového kovu môže byť súčasťou podávacie­ho zariadenia i modul čistenia prídavného ma­teriálu.

Pri dielenských orbitálnych zváracích automa­toch poskytuje výrobcovi dostatok priestoru na zváracom pracovisku možnosť použiť štan­dardné veľkosti podávačiek, suportov a po­honných jednotiek bez potreby minimalizácie.

Konštrukcia pracovných častí tak nie je obme­dzovaná priestorovými požiadavkami. Dielenské OZZ sa od bežného zváracieho automatu určeného na povrchové orbitálne zváranie líši len odlišným tvarom a dĺžkou nainštalovaného zváracieho horáka.

 

ZVÁRACÍ ZDROJ

Na napájanie OZZ používajú výrobcovia bež­né zváracie zdroje určené na ručné metódy zvárania (MIG, MAG, TIG) doplnené o riadia­cu jednotku s komunikačným rozhraním. Ich parametre sú definované na základe potreby konkrétneho zváracieho alebo naváracieho procesu. Sú to najmä:

• zapálenie a stabilizácia oblúka,

• plynulá regulácia napätia a prúdu,

• veľkosť napätia naprázdno,

• statická charakteristika zdroja,

• dynamická charakteristika,

• modulácia výstupného prúdu (pri plánova­nom pulznom zváraní),

• dovolený zaťažovateľ.

Riadiaca jednotka integrovaná vo zváracom zdroji umožňuje automatizáciu zvárania alebo navárania. Pomocou programovacieho softvéru sa vytvorí program, definujúci požadovaný pro­ces. Cez komunikačné rozhranie sa program nakopíruje do pamäte riadiacej jednotky. Príka­zy orbitálnej zváracej hlave zadáva riadiaca jed­notka cez komunikačné vedenie.

Pri modeloch so synergickým riadením sú cez vedenie aj spätne prijímané údaje namerané na pracovnej hlave. Ich porovnaním s hodnota­mi predpísanými v programe riadiaca jednot­ka vyhodnocuje priebeh procesu pre potreby možného regulačného zásahu. Podľa miery mechanizácie napojenej orbitálnej hlavy a podľa parametrov zváracieho zdroja možno riadiť aj zložitejšie postupy (pulzné zváranie, zváranie a naváranie s rozkyvom atď.).

 

ZÁVER

Na príklade z technickej praxe sme dokáza­li, že použitie orbitálneho zváracieho zariade­nia s dobrým technologickým postupom zvy­šuje kvalitatívnu úroveň zvárania. Vlastnosti výsledného zvarového spoja alebo návaru sú pomocou skúšobných zvarov dobre optimalizovateľné. Materiálové a časové náklady na zvára­nie alebo naváranie možno dobre kvantifikovať pre potreby plánovania. V prípadoch, keď výho­dy tohto spôsobu zvárania prevyšujú nevýhody (veľkosť vstupnej investície a potreba kvalifiko­vaného personálu) možno túto metóda v praxi použiť s veľmi dobrým výsledkom.

 

LITERATÚRA:

[1] Poznámky a fotografie autora

[2] Protokol o schválení postupu zvárania IBK/2009/Z020/015/PRO

[3] Firemné prospekty ESAB

[4] Firemné prospekty AMI

[5] Firemné prospekty Castolin Eutectic

 

TEXT/FOTO ING. TOMÁŠ SZABO, IWE, IBOK, A. S.