Svařování pod tavidlem (SAW)

Automatické svařování pod tavidlem patří mezi nejjakostnější a nejproduktivnější metody svařování kovů vůbec. Také se vyznačuje minimálními emisemi škodlivin a nebezpečného UV záření. Přesto se s ním na běžných svařovnách moc nepotkáte. A díky tomu, že není tolik rozšířena, si tato metoda svařování získala určitý punc tajemna. Přestože se používá již od roku 1935. Proč tomu tak je a co je vlastně to "svařování pod povidlem" si můžete přečíst v tomto článku.

Svařování pod tavidlem - základní principy

Svařování pod tavidlem, v zahraničí označované jako svařování SAW (Submerged Arc Welding), je ve své podstatě svařování elektrickým obloukem tavící se elektrodou. Elektrický oblouk hoří mezi základním svařovaným materiálem a odtavující se elektrodou. Elektroda je ve formě drátu navinutého na cívce a za pomoci elektromotorem poháněných kladek je posouvána do hořícího oblouku. Jistě jste si všimli, že až potud se princip neliší od běžného MIG/MAG svařování.

Zásadní rozdíl je ale v ochraně svarové lázně před oxidací, tedy před přístupem vzduchu. Zatímco u MIG/MAG je ochrana zajištěna ochranným plynem, u svařování pod tavidlem zajišťuje ochranu práškové tavidlo. Svarová lázeň je během svařování neustále zasypávána vrstvou tavidla a pod touto vrstvou dokonce hoří i elektrický oblouk. Oblouk tedy vůbec není viditelný, je schován pod vrstvou tavidla a z toho pramení minimální emise škodlivých dýmů a záření.

Část práškového tavidla se působením vysoké teploty taví a posléze tuhne a vytváří ochranný struskový kryt nad tavnou lázní a tuhnoucím svarovým kovem. Zároveň na sebe váže vyplavené nečistoty, může dolegovávat svarový kov a pozitivně působí i na formování svaru. Z roztaveného tavidla se také uvolňují plyny, které vytvářejí ochrannou atmosféru. Oblouk tedy nehoří přímo v tavidle, ale v dutině naplněné plynem, který se z tavidla uvolní. Tavidlo tedy plní podobnou funkci jako obal klasické elektrody. Zbylá, neroztavená, část tavidla se odsává pro další použití. Celý princip lépe objasní následující obrázek:

Princip svařování pod tavidlem (SAW).

Legenda k obrázku

1 - základní (svařovaný) materiál
2 - drátová elektroda (svařovací drát)
3 - podávací kladky poháněné motorem
4 - napájecí kontaktní průvlak
5 - hubice přivádějící práškové tavidlo k místu svařování
6 - práškové tavidlo
7 - elektrický oblouk
8 - tavná svarová lázeň
9 - dutina naplněná plynem, který se uvolnil z tavidla
10 - roztavená struska
11 - ztuhlý svarový kov (svarová housenka)
12 - ztuhlá struska
13 - odsávání přebytečného tavidla

A takto vypadá svařování pod tavidlem ve skutečnosti:

Ukázky svařování pod tavidlem

Zařízení pro svařování pod tavidlem

Z výše popsaného principu plyne, že při této metodě svařování je téměř vyloučeno ruční vedení hořáku svářečem. Vzhledem k tomu, že svářeč nevidí do místa svařování, není schopen korigovat vedení hořáku tak, aby celý proces byl stabilní. Proto se svařování pod tavidlem provádí zcela automatizovaně, a proto také mluvíme a automatickém svařování pod tavidlem (dříve byla u nás běžná zkratka APT). Ovšem s tou automatizací to u běžného APT není zase tak horké. V podstatě celá automatizace spočívá v tom, že hořák je umístěn na motoricky poháněném vozíku, pro který se vžilo označení "svařovací traktor" a dále je zajištěna stabilizace oblouku.

Svařovací traktor, kromě vlastního hořáku, nese i cívku s drátem a podavač. Dále na něm naleznete násypku na tavidlo a u moderních typů i "vysavač" přebytečného tavidla. Chybět pochopitelně nemůže ani řídící panel pro nastavování parametrů. Traktor je kabelem spojen se stacionárním zdrojem svařovacího proudu - svářečkou. Traktor může pojíždět po kolejnicích (pak není vůbec nutný zásah lidské obsluhy), nebo přímo po materiálu a správný směr udržuje svářeč jeho směrovým vedením ("řídí traktor"). Ovšem to je jediný zásah lidské obsluhy, vlastní svařovací proces probíhá automaticky. A navíc i zde se uplatňuje stále více automatika a traktory jsou vybavovány více či méně inteligentními naváděcími systémy (viz ty tyčinky před hořákem na některých obrázcích v tomto článku).

Příklad svařovacího traktoru pro svařování pod tavidlem.

Kromě traktorů se používají i stacionární svařovací hlavy, pod kterými se musí posouvat svařenec. Další možností je použití dráhových automatů - portálů, tedy dlouhých ramen schopných lineárního pohybu. Rameno pak nese svařovací hlavu.

Ať už se používá traktor, portál, nebo se pohybuje svařencem, vlastní svařovací hlava - hořák má během svařování nad svařovaným materiálem konstatní výšku a vůči svařenci se pohybuje konstantní rychlostí (vše pochopitelně nastavitelné). Stabilizace oblouku (zajištění jeho konstantní délky) může být zajištěna dvěma možnými způsoby.

Prvním z nich je stabilizace pomocí ploché statické voltampérové (VA) charakteristiky zdroje svařovacího proudu. V tomto případě je drát do lázně podáván konstantní rychlostí. Funguje to stejně, jako u klasického MIG/MAG svařování. Dojde-li tedy (třeba vlivem nerovnosti svařovaného povrchu) ke zkrácení délky oblouku (snížení napětí), zdroj samovolně reaguje zvýšením proudu, drát tedy rychleji uhoří a oblouk se opět prodlouží. Naopak při nadměrném prodloužení oblouku (zvýšení napětí) se proud samovolně sníží, drát hoří pomaleji a oblouk se zkrátí. Této metody se ale používá jen při nižších svařovacích proudech a s přídavnými dráty menších průměrů. Pro opravdu velké proudy, které se při APT běžně používají, už regulace plochou charakteristikou nedostačuje, protože je prostě pomalá. Zde přichází ke slovu druhá varianta regulace.

Druhou možností, jak stabilizovat oblouk, je použít zdroj se strmou statickou VA charakteristikou a zároveň aplikovat rychlou regulaci rychlosti podávání drátu v závislosti na měřeném napětí (délce oblouku). Tato metoda je technicky náročnější. Velikost proudu dodávaného svařovacím zdrojem je téměř konstantní a samotný zdroj tedy postrádá samoregulační schopnost. Vše proto závisí na precizní regulaci rychlosti podávání drátu v závislosti na okamžité naměřené hodnotě napětí na oblouku, které je přímo úměrné jeho délce. Klesá-li napětí, musí být drát podáván pomaleji a naopak. Pro stabilní hoření jsou důležité rychlé a precizní zásahy regulátoru.

Jiný typ svařovacího traktoru pro APT.

Samostatnou kapitolou je zapalování oblouku. Vzhledem k tomu, že se používají přídavné dráty velkých průměrů (viz dále), nelze spoléhat na zapálení pouze při dopředném pohybu drátu, jako u MIG/MAG. Oblouk se zapaluje tak, že drát je nejprve klasicky posouván vpřed. Po dotyku konce drátu se základním materiálem se změní smysl otáčení kladek a drát je rychle vtažen zpět. Tím dojde k zapálení a vytažení elektrického oblouku. Ovšem to musí řídící systém včas vyhodnotit a opět rychle změnit smysl otáčení kladek tak, aby byl drát opět posouván ven do svarové lázně.

Při svařování pod tavidlem lze použít jak střídavý, tak stejnosměrný proud. Ovšem v současné době se používá výhradně stejnosměrných zdrojů, neboť umožňují efektivnější regulaci. V minulosti používané rotační svářečky, jsou dnes plně nahrazeny polovodičovými usměrňovači. Ovšem, na rozdíl od běžnějších metod svařování elektrickým obloukem, se používají poměrně vysoké svařovací proudy. Minimum je 100, či spíše 200 ampér, ale to se používá tak na 3 mm silný svařovaný plech. Běžnější jsou hodnoty okolo 1000 ampér a extrémních případech vícedrátového svařování se používají zdroje schopné dodat až 3600 A! A právě to je příčinou toho, proč se pod tavidlem nesvařuje v kdejaké dílně. Takto výkonné zdroje (plus příslušné traktory) jsou i patřičně nákladné a do běžné zásuvky si je nezapojíte...

Svařovací zdroje 600 A a 1000 A pro svařování pod tavidlem.

Přídavné materiály a tavidla

Jako přídavný materiál se používá drát podobného a často i identického složení, jako pro MIG/MAG. Rozdíl bývá v průměrech. Dá se říci, že tam, kde MIG/MAG dráty končí (1,6 mm), tam dráty pro APT začínají. Nejběžnější jsou průměry 3,2 a 4 mm. Ale není vyjímkou drát o průměru 6,3 či dokonce 8 mm! Kromě plných drátů se s úspěchem používají i dráty trubičkové. Pro navařování velkých ploch (např. korozivzdorným návarem) se místo drátu používá kovová páska, nejčastěji o rozměrech 0,5 x 60 mm. Přídavné materiály se dodávají na cívkách, které mají ale podstatně větší průměr, než cívky pro MIG/MAG. Velké průměry drátů se dodávají jen jako svitky.

Tavidla se nejčastěji dodávají v pytlích a existuje jich nespočetné množství druhů. Jednotlivé druhy jsou určeny pro přesně vymezené aplikace a lze je používat jen s vymezenými dráty. Z hlediska technologie výroby tavidel se rozlišují na tavidla tavená a aglomerovaná. Tavená tavidla vznikají přetavením směsi surovin v elektrické peci, odlití taveniny a následného rozemletí. Aglomerovaná tavidla se vyrábějí granulací namíchané suché směsi surovin přidáním pojiva. Právě aglomerovaná tavidla jsou díky jednodušší výrobě více rozšířená, přestože mají vyšší navlhavost a musí se přesušovat. Dále je u tavidel nutné sledovat velikost zrn. Zrnitost se obvykle označuje stupnicí 1, 2 a 3 a má vliv na formování svarové housenky. Výrobci ve svých katalozích vždy uvádějí vhodné kombinace drátů a tavidel (včetně doporučené zrnitosti) pro různé aplikace svařování a navařování.

Příklad balení drátů a tavidel pro APT (SAW).

Výhody a nevýhody APT

Hlavní výhody svařování pod tavidlem jsme zmínili hned na začátku: vysoká produktivita a vysoká jakost provedených svarů. Vysoké produktivity je dosaženo díky možnosti používat vysoké svařovací proudy a automatizací celého procesu. Medodou APT lze například na tupo (jako I-svar) svařovat jednostranně plechy do tloušťky 20 mm! To výrazně zlevní přípravu svarových ploch. Ovšem je nutné dbát na dodržení dokonalého sesazení plechů a dodržení stejnoměrné mezery. Na rozdíl od svářeče - člověka - si automatika s nepravidelností sesazení na 100% neporadí (ovšem tyto systémy se vyvíjejí a již zkoušejí). Svary zhotovené APT jsou prakticky bez rozstřiku, krásně formované a s hlubokým závarem. APT také vykazuje malé tepelné ovlivnění základního materiálu, a to příznivě projeví v menších deformacích a menším vnitřním pnutí ve svaru. Svary mají minimum vad (zápaly, trhliny, póry, apod.) a zpravidla se nemusí opracovávat. Také opakovatelnost svarů je vynikající. Další výhody jsme již také zmínili: minimum škodlivých emisí. Svařování pod tavidlem zdaleka neobtěžuje ostatní svářeče na pracovišti dýmem a zářením, jako jiné metody obloukového svařování. Nejsou proto nutná taková opatření jako zástěny, odsávání dýmu apod. Nebo alespoň ne v takové míře jako u MIG/MAG či MMA.

Před výčtem nevýhod, ještě uděláme malou odbočku k ochraně kořene, když jsme již zmínili to jednostranné svařování. Při jednostranném svařování je nutné vyřešit ochranu kořene svaru před oxidací a zajistit jeho správné formování. Ochrana kořene se řeší nejčastěji pomocí podložek. V minulosti se používaly buď podložky ocelové (které se přivaří) nebo měděné. V současné době se nejvíce používají podložky keramické, které jsou opatřeny samolepící páskou pro přilepení zespodu na svařenec. Tyto podložky mají navíc uprostřed prohlubeň, která se před přilepením vyplní tavidlem. Tím je tavidlem chráněn i kořen svaru.

Nevýhody APT jsou zde pochopitelně také. Pomineme-li nevýhodu v podobě vysokých pořizovacích nákladů na zařízení pro APT a vysokých nároků na příkon takového zařízení, jedná se především o to, že pod tavidlem lze svařovat jen v poloze PA nebo PB (vyjímečně i PC). Je tedy nutné vždy polohovat svařenec a to nese další náklady na manipulační techniku pro těžké svařence. Dále je nutné věnovat zvýšenou pozornost sesazení svařovaných materiálů a správnému navedení svařovací hlavy (traktoru) na kořenovou mezeru. S tím vším pochopitelně souvisí i zvýšené nároky na obsluhu takového zařízení.

Použití APT

Automatické svařování pod tavidlem se díky své podstatě ideálně hodí na provádění dlouhých průběžných svarů na materiálech od tloušťky cca 3 do 120 mm. Používá se třeba při výrobě různých nosníků, v loděnicích při svařování dnových sekcí, ale také při výrobě tlakových nádob, cisteren a svařovaných trub (zde se nepoužívají traktory, ale stacionární svařovací hlavy a posuv je zajištěn otáčením svařence).

Typické aplikace svařování pod tavidlem

Modifikace APT pro ještě vyšší výkony a produktivitu

Udává se, že klasické APT zvyšuje produktivitu oproti ručnímu MAG svařování cca 2x až 5x a oproti MMA svařování dokonce až 10x. Dalšího zvýšení produktivity se dosahuje svařováním více dráty (obvykle 2 - 3) současně, kdy se všechny dráty přivádějí do jedné svarové lázně. Jinou možností je tandemové svařování, které si můžete představit jako dva traktory jedoucí těsně za sebou. Obě metody lze i zkombinovat na vícedrátové tandemové svařování, ale to již překračuje meze chápání běžného "ručního" svářeče

Tandemové SAW svařování dvoudráty.

Pro navařování velkých ploch nějakým funkčním návarem (např. korozivzdorné návary pro chemický průmysl), se používá již zmíněná páska. Ovšem zde jsou i jiné nároky na podávání a přenos proudu.

Ukázka navařovací pásky pro APT (SAW).

Závěr

Tento článek si kladl za cíl seznámit svářečskou veřejnost s metodou, se kterou se v běžné praxi málokdo setká. APT je doma zejména v těžkém průmyslu, při výrobě námořních lodí, stavebních jeřábů nebo tlakových nádob. Doufáme, že se vám tento výlet líbil a byl pro vás přínosem.

PS: a taky doufáme, že se na svarfóru nezačne za chvilku řešit, kterak k céóčkovému hořáku trychtýř připevniti a tavidlo do svaru sypati

Ovšem jiná káva jsou traktory pro MIG/MAG. To se běžně používá a je to jedna z cest, jak zefektivnit a zkvalitnit i běžné MIG/MAG svařování. Ale to je již jiné téma pro jiný článek. A tak alespoň přikládáme ukázky takových MIG/MAG traktůrků:

Ukázky traktorů pro MIG/MAG svařování (pro běžné hořáky).