titZváranie tvorí v súčasnosti neoddeliteľnú súčasť výroby oceľových konštrukcií. Jednou z najbežnejšie používaných technológiu na výrobu jednotlivých dielcov na konštrukciách je zváranie plnou elektródou v ochrannej atmosfére MIG/MAG. Táto technológie našla široké uplatnenie najmä z dôvodu vysokej produktivity a efektivity zváracieho procesu.


Na zabezpečenie dostatočného prievaru, kvality a efektívneho vyhotovenia zvarového spoja technológiou MIG/MAG je potrebné vhodne optimalizovať parametre zvárania.

* * * * *
Na tvar zvarového kovu majú vplyv najmä zvárací prúd, rýchlosť podávania drôtu, priemer drôtu, napätie na oblúku, rýchlosť zvárania, vyloženie elektródy a vzdialenosť zváracej hubice od povrchu zváraného materiálu a druh ochranného plynu.
* * * * *

Parametre zvárania
Okrem týchto parametrov môže tvar natavenej oblasti ovplyvňovať sklon zváracej hubice voči rovine povrchu základného materiálu, tvar a rozmery zvarových plôch, druh prenosu kovu v oblúku, teplota predohrevu základného materiálu a poloha zvárania. [1]
Sklon zváracej hubice (v smere zvárania, resp. v rovine kolmej na smer zvárania) sa ako parameter zvárania definuje veľmi sporadicky, aj napriek tomu, že zmena uhla naklonenia hubice ovplyvňuje tvar zvarovej húsenice a veľkosť prievaru. [2] Vo všeobecnosti sa odporúča používať väčší uhol odklonu od kolmice v smere zvárania (uhol ψ na obr. 1) pri zváraní tenších plechov aby sa predišlo nežiaducemu pretaveniu plechu. Naopak, strmší (kolmý) uhol sa používa pri väčších hrúbkach. [3]

obr1
Obr. 1: Uhly nastavenia zváracieho horáka


Vhodné nastavenie parametrov zvárania pri výrobe oceľových konštrukcií môže prispieť k zvýšenému prievaru a tým k väčšej účinnej výške zvaru prenášajúcej zaťaženie. Podľa Eurokódu 3 (STN EN 1993-1-8 [4]) používaného pri návrhu oceľových konštrukcií je možné brať zvýšený prievar do úvahy prostredníctvom účinnej výšky zvaru uv. Ak teda konštruktér navrhne výšku kútového zvaru s určitou hodnotou a (napr. 7 mm), je možné reálne vyhotovený zvar s hlbokým prievarom považovať za vyhovujúci aj v prípade, ak nedosahuje reálnu výšku zvaru (napr. a = 6 mm, uv = 8 mm). Veľkosť prievaru je však na základe Eurokódu 3 nutné podložiť skúškami postupu zvárania.
Používanie takého prístupu je v súčasnosti využívané najmä pri technológii zvárania pod tavivom, kde je vzhľadom na vysokú automatizáciu procesu jednoduchšie zaručene preukázať veľkosť prievaru.
Predkladaný článok sa zaoberá analýzou vplyvu zváracích parametrov, vrátane uhlov naklonenia horáka, na veľkosť prievaru kútových zvarových spojov vyhotovených mechanizovaným MAG zváraním. Analyzovaný je tiež vplyv prievaru na únosnosť krížových spojov prostredníctvom skúšky pevnosti v ťahu.

Experimentálne merania
Experimentálne merania s cieľom optimalizácie zváracích parametrov na zvýšenie prievaru boli vykonávané na konštrukčnej nízkouhlíkovej oceli S355J2+N (1.0570 podľa STN EN 10027-2). Na vyhotovovanie kútových zvarových spojov bola použitá technológia zvárania MAG (135 podľa STN EN ISO 4063) pri použití ochrannej atmosféry 82 % Ar + 18 % CO2. Ako prídavný materiál bol zvolený plný drôt INEFIL (G 42 4 M G3Si1 podľa STN EN 14341-A) s priemerom Ø 1,2 mm. Zvarové spoje boli vyhotovované ručným a mechanizovaným MAG procesom s použitím zváracieho vozíka BUG-GY.

Vplyv zváracích parametrov a nastavenia horáka na hĺbku prievaru
Medzi základné parametre ovplyvňujúce tvar a veľkosť roztavenej oblasti (veľkosť prievaru) pri zváraní v ochranných atmosférach sa najčastejšie zaraďuje zvárací prúd, napätie na oblúku, rýchlosť podávania drôtu, rýchlosť zvárania, druh ochranného plynu, prípadne vyloženie elektródy a vzdialenosť zváracej hubice od povrchu základného materiálu. Pre zabezpečenie vhodného prievaru je však dôležité brať do úvahy aj sklon horáka od zváraného dielu (uhol Ω) a sklon horáka v smere zvárania (uhol ψ). Tieto parametre (obr. 1) majú ešte väčší význam pri mechanizovaných spôsoboch zvárania.
Na overenie vplyvu uhlov nastavenia zváracieho horáka pri mechanizovanom zváraní bolo vykonávaných viacero experimentálnych meraní, pri ktorých boli upravované ako zváracie parametre, tak aj poloha horáka. Porovnanie vplyvu zváracích parametrov vrátane uhlov naklonenia horáka na prievar pri obojstrannom kútovom zvare platní hrúbky 12 mm troch vybraných vzoriek zobrazuje obr. 2. Je možné pozorovať, že pri takmer zhodných parametroch zvárania (prúd, napätie a rýchlosť zvárania) je možné dosiahnuť rozdielne formovanie zvarovej húsenice a tým aj rozdielnu účinnú výšku zvaru len zmenou uhla naklonenia zváracieho horáka.

obr2
Obr. 2: Vplyv parametrov zvárania na veľkosť prievaru pri rôznych uhloch nastavenia horáka: a) uv = 11,02 mm, b) uv = 10,56 mm, c) uv = 12,39 mm

 

Najvhodnejšie formovanie zvaru a prievar bol zistený na vzorke c). Tieto nastavenia horáka voči zváranému dielu zabezpečia vhodný tvar, symetriu zvaru, dokonalé natavenie hrán a vhodné smerovanie oblúka pre zvýšenie účinnej výšky zvaru s hlbokým prievarom uv. Navrhnuté parametre boli využité pri zváraní vzoriek na porovnávanie mechanických vlastností zvarov vyhotovených ručným a mechanizovaným zváraním.

Vlastnosti zvarových spojov pri ručnom a mechanizovanom zváraní
Na overenie zvýšenia únosnosti zvarového spoja vplyvom zväčšenia efektívnej výšky zvaru pri hlbokom prievare bola vykonaná skúška ťahom krížového spoja v priečnom smere podľa STN EN ISO 9018. Porovnanie vplyvu prievaru na pevnosť spoja bolo hodnotené na troch vzorkách krížových spojov s hrúbkou stojiny aj pásnice 30 mm zváraných 4 kútovými zvarmi. Prvá vzorka bola zváraná mechanizovaným zváraním s využitím parametrov navrhnutých v predchádzajúcej kapitole. Druhá vzorka bola vyhotovená ručným MAG zváraním na jednu vrstvu. Posledná vzorka bola opäť zváraná ručným zváraním, pričom každý zvar bol tvorený tromi vrstvami. Zváranie všetkých vzoriek sa uskutočnilo v polohe PB podľa STN EN ISO 6947. Schéma vzoriek krížových spojov vyrobených na porovnanie únosnosti je zobrazená na obr. 3.

obr3
Obr. 3: Vzorka na meranie pevnosti krížových zvarových spojov

 

Makroštruktúra vyhotovených zvarových spojov je uvedená na obr. 4. Ako možno pozorovať, zvarové spoje sú celistvé a bez neprípustných defektov podľa normy STN EN ISO 17639.

obr4
Obr. 4: Snímky makroštruktúry krížových zvarov: a) jednovrstvový mechanizovaný kútový zvar, b) jednovrstvový ručný kútový zvar, c) trojvrstvový ručný kútový zvar

 

Pri analýze výsledkov skúšky ťahom krížových spojov (tab. 1) bola na každej vzorke odmeraná účinná výška zvaru uv, ako aj predpísaná výška kútového zvaru a.

tab1
Tab. 1: Výsledky skúšky ťahom krížového spoja


Z nameraných hodnôt bola určená pevnosť spoja podľa pokynov STN EN ISO 9018 (s uvažovaním šírky lomovej plochy), na základe ktorej bola určená doplňujúca hodnota sily potrebnej na roztrhnutie vzorky s danou pevnosťou pri uvažovaní uv = a (bez uváženia zvýšeného prievaru). Porovnaním tejto hodnoty s reálne nameranou hodnotou sily pri zvýšenom prievare bol určený percentuálny prírastok zvýšeného prievaru na celkovú únosnosť krížového spoja (tab. 2).

tab2
Tab. 2: Zvýšenie únosnosti kútového zvaru vplyvom zvýšenia účinnej výšky uv


Výsledky skúšky v ťahu krížových spojov poukazujú na výrazné zvýšenie únosnosti spoja vplyvom zvýšenia prievaru. Pri mechanizovanom zvare s hlbokým prievarom došlo až k 52,6 %-nému nárastu únosnosti spoja v porovnaní s kútovým spojom pri účinnej výške zhodnej s výškou zvaru. Výrazný nárast únosnosti bol pozorovaný aj pri kútovom zvare vyhotovenom na jednu vrstvu ručným MAG zváraním. Pri tomto zvare bol však prievar nižší ako v prípade mechanizovaného zvárania a taktiež rozptyl účinnej výšky na jednotlivých vzorkách (1,4 mm) bol väčší ako pri mechanizovanom zváraní (0,7 mm). Rozptyl vo veľkosti účinnej výšky súvisí so zložitejším udržaním konštantných zváracích parametrov (najmä polohy horáka voči zváraným dielom a rýchlosti zvárania) pri ručnom zváraní. Pri trojvrstvovom kútovom zvare bol prírastok únosnosti najmenší vzhľadom na malý rozdiel účinnej výšky (uv) oproti predpísanej výške zvaru a.

Na posúdenie kvality zvarových spojov bolo vykonané aj meranie tvrdosti podľa Vickersa v súlade s normou STN EN ISO 9015-1. Najvyššiu tvrdosť dosahovali jednoprechodové zvary, pričom vyššia tvrdosť bola nameraná u mechanizovaného zvaru s hodnotou 308 HV. Maximálna tvrdosť jednoprechodového zvaru vyhotoveného manuálnym MAG zváraním bola 307 HV. V obidvoch prípadoch bola maximálna tvrdosť v teplom ovplyvnenej oblasti zvaru (TOO) na strane pásnice. Nárast tvrdosti je spôsobený rýchlym odvodom tepla vplyvom veľkej hrúbky materiálu. Namerané hodnoty však neprekročili maximálnu tvrdosť akceptovateľnú normou STN EN ISO 15614-1 pre danú oceľ (max. 380 HV). U krížového spoja vyhotoveného ručným zváraním kútových zvarov na tri vrstvy dosahovala tvrdosť nižšie hodnoty s maximálnou hodnotou 268 HV v TOO na strane pásnice. Použitie viacvrstvového zvaru tak spôsobilo vyžíhanie už vyhotovených zvarových húseníc nasledujúcou vrstvou.

Diskusia výsledkov a záver
Zvýšenie účinnej výšky zvaru je možné považovať za jednu z možností zníženia náročnosti vyhotovovania zvarov s predpísanou výškou väčšou ako a = 7 mm. Tieto zvary prevažne nie je možné zvárať na jeden prechod a vyžadujú tak vyhotovenie viacerých vrstiev. Výsledky makroskopickej analýzy spolu s meraním pevnosti v ťahu krížových spojov a skúškou tvrdosti podľa Vickersa, prezentované v článku, poukazujú na možnosť získania kvalitných a pevných spojov bez nutnosti zvárania viacvrstvových kútových zvarov. Ako však bolo preukázané, veľkú úlohu pri správnom nastavení parametrov zvárania majú uhly nastavenia horáka v smere zvárania, ako aj voči zváranému dielu. Tieto uhly by preto mali byť súčasťou schválených postupov zvárania pre mechanizované MIG/MAG zváranie ktoré stanovujú spôsob zvárania kútových zvarov s hlbokým prievarom.

TEXT/FOTO: Michal Sventek, Marek PATEK, Mont Irp, s. r. o.

Odborný príspevok recenzovali: Ing. Andrej Mašlonka, REMOS Zvolen a Ing. Pavol Radič, VÚZ – PI SR

Literatúra
[1] Sventek, M.: Vybrané aspekty pri zváraní konštrukčných ocelí. Dizertačná práca. 2015.
[2] Jeffus, L.: Welding. Principles and Applications. Cengage Learning. 2012.
[3] Jeffus, L.: Welding and Metal Fabrication. Cengage Learning. 2012.
[4] STN EN 1993-1-8: Eurokód 3. Navrhovanie oceľových konštrukcií. Časť 1 – 8: Navrhovanie uzlov. 2007.
[5] Faturík, M., Mičian, M., Koňár, R.: Ultrasonic identification of weld defects made by electrofusion welding on plastic pipelines. Manufacturing technology: journal for science, research and production. Vol. 16, no. 1, 2016, pp. 76 – 81.
[6] Radek, N., Meško, J., Zrak, A.: Technology of laser forming. Manu¬facturing technology: journal for science, research and production. Vol. 14, no. 3, 2014, pp. 428 – 431.
[7] Zrak, A., Koňár, R., Jankejech, P.: Influence of chemical composition in steel on laser cutting stability. Manufacturing technology: journal for science, research and production. Vol. 15, no. 4, 2015, pp. 748 -752.
[8] STN EN ISO 9018: Mechanické skúšky zvarov kovových materiálov. Skúška ťahom na krížových a preplátovaných spojoch. 2015.
[9] STN EN ISO 17639: Deštruktívne skúšky zvarov kovových materiá¬lov. Makroskopický a mikroskopický rozbor zvarov. 2014.