Metódy hodnotenia stability horenia elektrického oblúka pri zváraní v ochranných atmosférach

Prenos tekutého kovu pri zváraní v ochranných atmosférach
Spôsob, akým sa dopravuje kov z konca odtavujúcej sa elektródy do zvarového kúpeľa má výrazný vplyv na celkový proces zvárania: pôsobí na proces stability horenia elektrického oblúka, rozstrek tekutého kovu, kvalitu zvaru a na možnosti polohovania procesu zvárania. Je veľmi závislý od chemického zloženia ochranného plynu, zváraného materiálu, prídavného materiálu a od použitých zváracích parametrov. Najjednoduchšia základná klasifikácia je rozdelená principiálne do dvoch skupín, a to na prenos kovu voľným letom a skratom, pričom existujú ešte ďalšie delenia týchto skupín. Na obr. 2 sú schématicky znázornené jednotlivé spôsoby prenosu kovu pri zváraní v ochranných atmosférach pre plné zváracie drôty.

Obr. 1 Základné rozdelenie prenosov kovu pri zváraní

Globulárny prenos kovu je charakterizovaný veľkými kvapkami tvoriacimi sa na koci elektródy. Pri zváraní predovšetkým v CO2 sú kvapky odtláčané z osi elektrického oblúka a spôsobujú rozstrek tekutého kovu. Hovoríme vtedy o globulárnom odtláčacom spôsobe transferu kovu. Ak rastie zvárací prúd, veľkosť kvapky sa obyčajne zmenšuje a frekvencia prenosu kovu rastie. Tvar nataveného konca elektródy sa mení na kúžeľ, z ktorého sa kvapky oddeľujú, prechodom cez oblúk sa urýchľujú a vytvárajú sprchový vystreľovací prenos. Ak zvárací prúd ešte vzrastie, veľkosť kvapky sa ďalej zmenšuje a koniec elektródy sa mení z kúžeľa na pretiahnutý valec. Cez elektrický oblúk je vrhaný veľmi jemný prúd kvapiek a vytvárajú sprchový prúdiaci prenos. Rotácia kvapiek sa objavuje väčšinou pri odpudivom spôsobe prenosu kovu ako bolo popísané vyššie, ale termín “sprchový rotačný ” prenos kovu sa tiež používa na popísanie rotácie vyčnievajúcej časti nataveného prídavného materiálu medzi ešte nenataveným koncom drôtu a kvapkami pri prúdiacom prenose kovu. Ak je elektróda privádzaná k zváranému materiálu rýchlosťou prevyšujúcou rýchlosť tavenia drôtu, vzniká premostenie oblúkového priestoru a namočenie drôtu do zvarového kúpeľa. Tento jav sa môže občas vyskytnúť aj pri bezskratovom prenose kovu a je považovaný za chybu podmienok zvárania.

Plnené elektródy a prenos kovu
Prenos kovu cez elektrický oblúk pri zváraní plnenou elektródou v ochrannej atmosfére je odlišný od zvárania plnými drôtmi. Súvisí to s konštrukciou elektródy a ovplyvňuje to aj vzájomná interakcia kovu a troskových prísad nachádzajúcich sa v jadre. Pretože plocha kovovej časti plnenej elektródy oproti plnému zváraciemu drôtu rovnakého priemeru je omnoho menšia, je plnená elektróda omnoho viac prúdovo zaťažovaná. Zváracie parametre sú preto rozhodujúce a určujú charakter prenosu kovu. Charakter tavenia konca plnenej elektródy ovplyvňuje v značnej miere zloženie jadra elektródy, resp. typ troskovej náplne.

Obr. 2 Rozdielne typy prenosu kovu pri zváraní v ochranných atmosférach podľa klasifikácie IIW
A - globulárny, B - odpudivý globulárny, C - sprchový vystreľujúci, D - sprchový prúdiaci, E - sprchový rotačný, F - výbušný, G - skratový

Obr. 3 Prenos kovu pre plnené elektródy s rôznym typom náplne
A - kovová náplň, B - rutilová, D - bázická, E - s vlastnou ochranou

Skratové a bezskratové zváracie procesy
Skratové procesy vznikajú pri nízkych zváracích prúdoch a napätiach. Pre tento proces je charakteristické, že horenie elektrického oblúka prerušujú skraty, ktoré najvýznamnejšou mierou prispievajú k rozstreku tekutého kovu. Skratový proces môžeme rozdeliť na fázu skratu “xs” a na fázu horenia elektrického oblúka “xo”. Úsek skratu sa vyznačuje poklesom napätia na hodnotu niekoľkých voltov. Trvanie poklesu napätia počas skratu je úmerné veľkosti kvapky, ktorá skrat vyvolá. Počas skratu napätie mierne stúpa na hodnotu, ktorá vyplýva z odporového ohrevu ( I2R ). Prúd nemôže sledovať priebeh napätia, lebo je ovplyvnený časovou konštantou zdroja a okruhu. Pri vzniku skratu začína prúd stúpať približne po exponenciále a na konci skratu nadobúda maximálnu intenzitu. Tieto javy sú pri zváraní skratovým procesom jedným z príčin rozstreku tekutého kovu. Dôležitú úlohu tu predstavuje nielen rýchlosť stúpania zváracieho prúdu, čo je funkciou dynamických vlastností zdroja, ale aj jeho maximálna hodnota. Na obr. 4 je znázornený časový priebeh zváracieho prúdu a napätia. Priebehy boli zosnímané pri aplikácií plnenej elektródy typu RD 971, ktorá bola použitá ako prídavný materiál pri zváraní v ochranných atmosférach. Tento typ plnenej elektródy je určený na zváranie, resp. opravy liatin s guľôčkovým grafitom s feritickou základnou kovovou hmotou.

Obr. 4 Priebeh zosnímaných hodnôt zváracieho napätia a prúdu ( Iz = 140 A, Uz = 22,5 V)

Bezskratové procesy nemôžeme rozdeliť na fázu skratu a fázu horenia elektrického oblúka z toho dôvodu, že sa pri tomto type prenosu kovu skraty nevyskytujú. Zvárací prúd a napätie kolíšu okolo ich stredných hodnôt. Prípadné vyskytnutie skratu sú zapríčinené rôznymi faktormi, a keďže sa jedná o náhodilé skraty, tieto sa v procese určovania stability horenia elektrického oblúka zanedbávajú. Na obr.5 je znázornený časový priebeh zváracieho prúdu a napätia pri použití rovnakého typu prídavného materiálu ako v predchádzajúcom prípade.

Obr. 5 Priebeh zosnímaných hodnôt zváracieho napätia a prúdu, (Iz = 210 A, Uz = 33,2 V)

Stabilita horenia elektrického oblúka a metódy jej hodnotenia
Hodnotenie stability horenia elektrického oblúka je práve zaujímavé pri tavných oblúkových spôsobov zvárania. Môže prebiehať v procese výroby ako aj pri vývoji nových zariadení. Subjektívne hodnotenie stability horenia elektrického oblúka bežných MAG-procesov môže byť pri skúškach vedený iba skúsenými zváračmi. Tieto hodnotenia si však vyžadujú značné skúsenosti, zaberajú množstvo času a ich výsledky sú často neúplné. Objektívne meranie stability horenia elektrického oblúka môžeme dosiahnuť štatistickým hodnotením premenných parametrov počas procesu zvárania. Tieto charakteristiky sú potom viazané na kritéria (vyjadrené matematickým modelom), ktoré určujú mieru stability zváracieho procesu. Väčšina je určená pre skratové procesy s možným použitím aj na bezskratové procesy, pričom vychádzajú s analýzy a hodnotenia časových záznamov zváracieho prúdu a napätia. Bloková schéma zariadenia na snímanie týchto priebehov je zobrazená na obr. 6.

Obr. 6 Bloková schéma analyzátora zváracieho napätia a prúdu

Samotné hodnotenie stability horenia elektrického oblúka musíme vzťahovať na rôzne typy prenosu tekutého kovu. Ako už bolo uvedené, tieto procesy sa delia na dva základné druhy a to: skratové a bezskratové. Hranice medzi týmito dvoma procesmi sa nestanovujú v literatúre rovnako. Buď sú definované vzhľadom na rozsah pracovných parametrov, čo je však závislé na type prídavného materiálu. Lepšie delenie sa ukazuje na základe frekvencie vznikajúcich skratov. U plných drôtov sa uvažujú v skratovej oblasti procesy s frekvenciou vyššou ako 50 skratov za sekundu. U plnených elektród je frekvencia skratov omnoho nižšia z dôvodu rozdielnosti tavenia drôtu, konštrukcii a vlastností týchto typov elektród. Pre výpočet frekvencie skratov (resp. úseku horenia elektrického oblúka) zváracieho procesu sa používa vzťah:

kde: N je počet skratov, spočítaných v sledovanom časovom úseku t.

Optimálnosť skratového procesu sa dá vyjadriť pravidelnosťou striedania fázy skratu a fázy horenia elektrického oblúka. Tieto charakteristiky sú zahrnuté do kritéria stability horenia elektrického oblúka “indexu W”.

kde:

t - relatívne zastúpenie časov sledovanej fázy z celkového meraného časového intervalu, t.j. aký podiel má súčet všetkých časov sledovanej fázy na celkovom meranom časovom intervale (fáza skratu – index s, fáza horenia oblúka - index o),
s - smerodajná odchýlka časov sledovanej fázy,
- stredná odchýlka časov sledovanej fázy.

Optimalizácia sledovaného parametra (zvárací prúd alebo napätie) predstavuje určiť extrém funkcie závislosti indexu W na danom parametri. Z praktických meraní vychádza vyššia citlivosť indexu W pri variabilnosti práve zváracieho napätia. Na obr. 7 je v grafe znázornená takáto funkčná závislosť opäť pri použití plnenej elektródy typu RD 971.

Obr. 7 Závislosť indexu stability W na zváracom napätí Uz (zvárací prúd Iz = 140A, Uopt=22,8V)

Z dôvodu, že počas bezskratového procesu nedochádza ku skratom, nedá sa stabilita horenia elektrického oblúka hodnotiť na základe indexu stability W. V tomto prípade bude stabilnejší proces charakterizovať menší rozptyl okamžitých hodnôt zváracieho prúdu a napätia okolo ich stredných hodnôt. Aby sa dali navzájom posudzovať procesy s rôznymi zváracími parametrami, je nevyhnutné vztiahnuť ich na relatívnu mieru. Takouto mierou, vhodnou pre bezskratové procesy, sa ukázali variačné koeficienty:

[%] (3)

kde:
s - je smerodajná odchýlka veličiny (zvárací prúd alebo napätie),
- je stredná hodnota veličiny (zvárací prúd alebo napätie).

Uvedený koeficient má opäť tendenciu v závislosti na napätí dosahovať priebeh s minimom na stredných hodnotách, čo je opäť výhodné na definovanie optimálneho zváracieho režimu v oblasti bezstratových procesov. Na obr. 8 je v grafe znázornená funkčná závislosť Vk na zváracom napätí.

Obr. 8 Závislosť variačného koeficientu Vk na zváracom napätí Uz (zvárací prúd Iz = 210A, Uopt=36,5V)

Záver
Kritérium, ktoré sa použije na hodnotenie stability horenia elektrického oblúka musí spĺňať podmienku objektivity a nezávislosti od spôsobu dosiahnutia skratového alebo bezskratového zváracieho procesu (použitý zvárací zdroj, plynová ochrana atď.) a zváraných materiálov. Na základe experimentálnych výsledkov sa ukazujú zvolené kritéria hodnotenia stability horenia elektrického oblúka W a Vk, vhodné pri určovaní optimálnych parametrov zvárania. Výsledky príspevku je možné aplikovať pri vzájomnom posudzovaní rôznych typov prídavných materiálov z hľadiska stability horenia elektrického oblúka, tiež ako teoretický základ pri konštrukcii, tzv. jednogombíkového ovládania zváracích parametrov zdrojov zváracieho prúdu.

Zdroj: časopis Ocelové konstrukce

Autoři

• Doc. Ing. Meško Josef CSc.
• Ing. Mičian Miloš