náhled|Svařování elektrickým obloukem v ochranné atmosféře CO2
Název obloukové svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře zahrnuje několik metod obloukového svařování založených na stejných principech při použití různých typů přídavných materiálů a ochranných plynů. Původně byly metody vyvinuty pro svařování slitin hliníku a hořčíku. Postupné zefektivnění a zlevnění původně velmi nákladného procesu umožnilo – při zachování velkého výkonu – používat jej i pro svařování nelegovaných ocelí. Běžně užívané označení popisovaných metod v Evropě je MIG resp. MAG.
Protože je podávání svařovacího drátu i průtok ochranného plynu mechanizován, není metoda příliš náročná na zručnost svářeče a lze ji velmi dobře využít i v automatizovaném nebo robotizovaném provozu. Plynulou regulací základních svařovacích parametrů lze dosáhnout požadovaného svařovacího výkonu při použití svařovacího proudu od 30 do 800 A. Protože s vyšším svařovacím proudem roste rychlost odtavování svařovacího drátu, zvětšuje se i objem přenosu roztaveného kovu do svarové lázně. Svařovat je možné ve všech polohách.
Metoda vyžaduje nákladné vybavení, zejména výkonný svařovací zdroj s příslušnou statickou a dynamickou charakteristikou, podavač svařovacího (přídavného) drátu, integrovaný svařovací hořák včetně jeho chlazení, hadice pro plynovou ochranu a zásobníky plynů (většinou tlakové láhve).
Jako ochranné plyny se nejčastěji používají buď inertní plyny argon a helium nebo plyny aktivně se podílející na metalurgii svaru a to buď samotný oxid uhličitý nebo ve směsi s inertními plyny. Volba ochranné atmosféry závisí především na druhu svařovaného materiálu. Svařovací dráty se používají buď plné nebo tzv. trubičkové, které jsou plněné buď tavidlem nebo kovovým práškem. Některé tavidlem plněné svařovací dráty byly vyvinuty pro svařování i bez externě dodávané atmosféry ochranných plynů (označení MOG).
Metoda patří k nejrozšířenějším svařovacím metodám při výrobě stavebních ocelových konstrukcí, strojních zařízení, tlakových nádob a potrubí.
Historie Henry M. Hobart a Philip K. Devers z firmy General Electric použili Slavjanovu kovovou tavící se elektrodu v roce 1926 při svařování v ochranné atmosféře inertních plynů. Komerčnímu využití v té době však bránila vysoká cena inertních plynů a nedostatek znalostí, jak je vyčistit. V roce 1930 si nechali patentovat svařovací hořák, do kterého byl přiváděn svařovací drát a ochranný plyn. Hobart použil helium a Devers argon. Spolu pak úspěšné završili vývoj metody svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu až v roce 1940. (1948) v Battelle Memorial Institute za přispění sponzorského daru Air Reduction Company.
Ljubavský a Novošilov použili v roce 1953 ochrannou atmosféru z CO2 místo do té doby výlučně používaných, drahých inertních plynů. Použití CO2 zlevnilo tuto svařovací metodu tak, že se stala efektivní i pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí.
Následující rok vyvinul Bernard elektrodu plněnou tavidlem, tzv. trubičkový drát, který si nechal patentovat v roce 1957. Kromě dodávaného plynu tvořily ochrannou atmosféru také plyny, vznikající z tavidla při hoření oblouku. V roce 1959 byly vyvinuty plněné elektrody, které při hoření elektrického oblouku zajistily dostačující množství ochranné atmosféry z tavidla, aniž bylo třeba dodávat další plyny. Byl tedy použit stejný princip jako při ručním obloukovém svařování.
Následující vývoj byl zaměřen na vylepšení svařovacích zdrojů pro zvýšení výkonu odtavení a efektivity svařování a zkvalitnění svarů.Armao et al., str. 6
Charakteristika náhled|vpravo| Schéma svařování MIG/MAG. (1) směr svařování, (2) svařovací hořák, (3) svařovací drát, (4) ochranná atmosféra, (5) svarová lázeň, (6) ztuhlý svarový kov, (7) základní materiál
Principem obloukového svařování je hoření elektrického oblouku mezi tavící se elektrodou a základním materiálem nebo svarovou lázní. Svařovací drát, který se odvíjí z cívky, je třecím kontaktem v měděné kontaktní špičceAby délka elektricky zatíženého svařovacího drátu byla co nejkratší a tím se snížil odpor a ztráty. svařovacího hořáku napájen elektrickým proudem ze svařovacího zdroje s plochou statickou (neboli voltampérovou) charakteristikou (takový zdroj se někdy nazývá "tvrdým zdrojem"). Okolo svařovacího drátu a svařovací lázně proudí ochranný plyn, který chrání svarovou lázeň a zároveň napomáhá zapálení a stabilizaci elektrického oblouku. Při svařování s vyššími výkonnostními parametry po delší dobu je nezbytné svařovací hořák chladit. Chlazení se provádí cirkulací vody, která je přiváděna do hořáku multifunkčním kabelem spolu se svařovacím drátem, vodičem elektrického proudu a ochranným plynem.Ambrož et al., str. 147, 148
náhled|vlevo| Schéma zapojení svařovacího zařízení: (1) hořák, (2) základní materiál, (3) zdroj, (4) podavač drátu, (5) cívka svařovacího drátu, (6) tlaková láhev ochranného plynu
Největší výhodou metod svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře je poloautomatický režim podávání přídavného materiáluPřídavný materiál je materiál ve formě drátu nebo tyčky, který se roztavený přidává do svarové lázně, kterou tím tvoří. (svařovacího drátu), který svářečovi umožňuje snadněji tvořit housenku svaruSvarová housenka je svar vytvořený jedním průchodem svařovacího hořáku. a kontrolovat svarovou lázeň. Navíc a hlavně se tím omezují časté technologické přestávky při výměně elektrod v porovnání např. s ručním obloukovým svařováním. To vše přispívá k vyššímu výkonu odtavení,Výkonem odtavení se rozumí objem svarového kovu vytvořeného z přídavného materiálu za jednotku času nebo délky svaru. zvláště při větších průměrech elektrod a vyšších svařovacích proudech. Metodu lze použít pro svařování ve všech polohách, a to jak v dílně tak na montáži při dosažení zhruba srovnatelné kvality svaru. Je dostupná široká paleta ochranných plynů i přídavných materiálů. Svařování lze snadno mechanizovat i robotizovat. Uvedené vlastnosti vynášejí tuto skupinu svařovacích metod na pomyslnou špičku užívání v celosvětovém měřítku.Kubíček, str. 12
V evropských zemích se rozlišují metody svařování v ochranných atmosférách tvořených inertními plyny zkratkou MIGZkratka MIG pochází z německého Metallschweißen mit inerten Gasen. a aktivními plyny nebo jejich směsi zkratkou MAGZkratka MAG pochází z německého Metallschweißen mit aktiven Gasen.. Pro celou skupinu těchto metod bez rozlišení ochranných plynů se používá označení MIG/MAG. Svařování tavidlem plněným trubičkovým drátem se někdy označuje jako MOGZkratka MOG pochází z německého Metallschweißen Ohne Gasen..
Základní parametry Základními parametry svařovacího procesu je svařovací proud I, napětí U, rychlost postupu svařování vsv, rychlost podávání svařovacího drátu v, složení ochranných plynů a množství jejich průtoku.Ambrož et al., str. 173–177
Svařovací proud může nabývat hodnot od 30 A, používaných pro tenké plechy, až po 800 A u mechanizovaných metod.Ambrož et al., str. 111 S rostoucím proudem se zvyšuje rychlost postupu svařování vsv i rychlost podávání svařovacího drátu v. Ovlivňuje způsob přenosu kovu (viz dále) z tavící se elektrody v oblouku, tvar a velikost svarové housenky, nutnost předehřevu a dohřevu.Kubíček, str. 13Ambrož et al., str. 174
Svařovací napětí ovlivňuje šířku svarové housenky a stanovuje se empiricky v závislosti na svařovacím proudu následujícím vztahem:
.Ambrož et al., str. 173
Přenos kovu Přenosem kovu se rozumí proces roztavování přídavného materiálu, svařovacího drátu jako elektrody, a ukládání do svarové lázně při hoření elektrického oblouku. Charakter přenosu kovu ovlivňují parametry svařování, tj. svařovací proud resp. proudová hustota, svařovací napětí, složení ochranné atmosféry a přídavný materiál.
náhled|vlevo|Síly působící na odtavující se konec elektrody (kapku) Na odtavovaný kov působí síly, jejichž směr a velikost jsou dány základními svařovacími parametry. Síly povrchového napětí Fs se snaží udržet kapku ve tvaru s co nejnižší povrchovou energií, tj. koule. Se zvyšující se teplotou ale povrchové napětí klesá. Síla vyvolaná tlakem odpařovaných kovů Fp z anody resp. katody (podle způsobou zapojení přímého resp. nepřímého) působí brzdným účinkem na ionty resp. elektrony. Relativně malá gravitační síla Fg sice působí na kapku, ale zásadně neovlivňuje směr jejího pohybu. Elektrický proud procházející elektrodou vytváří elektromagnetické pole s osovou složkou tzv. elektromagnetickou silou Fm, která vzrůstá se zmenšováním krčku ohřátého konce elektrody a má hlavní podíl na přenosu kovu z elektrody do svarové lázně. Proto lze svařovat i ve vynucených polohách, např. nad hlavou. Na seškrcování krčku a oddělování kapky se podílí elektromagnetické pole svoji radiální složkou, tzv. Pinch efektem Fpe. Hydrodynamická síla Fh je způsobena vysokou rychlostí proudícího plazmatu a největší vliv dosahuje při sprchovém přenosu,Ambrož et al., str. 81 viz dále. Výslednice působících sil přemístí kapku roztaveného kovu z elektrody do svarové lázně i při svařování např. v poloze nad hlavou. Dynamický účinek dopadu kapky v kombinaci s tekutostí svarové lázně má výrazný vliv na množství rozstřiku svarového kovu do nejbližšího okolí svaru (jak je patrné z obrázku v úvodu).
Zkratový přenos
Při zkratovém přenosu (a) se z elektrody odtaví kapka kovu, která vyplní mezeru mezi elektrodou a svarovou lázní, oblouk zhasne a dojde k elektrickému zkratu. Tím se zvýší teplota, kapka se utrhne a dopadne do svarové lázně, načež se elektrický oblouk opět zapálí. Frekvence zkratů se pohybuje od 20 do 200 Hz. Tento jev může vzniknout při nastavení svařovacího proudu v intervalu od 60 do 180 A, svařovacího napětí od 14 do 22 V,Ambrož et al., str. 159 průměru elektrody od 0,6 do 1,2 mm a v libovolné ochranné atmosféře,Ambrož et al., str. 161 např. 100% čistého CO2 nebo směsi 75 až 80 % argonu + 25 až 20 % CO2.Armao et al., str. 7 S vyšším svařovacím napětím klesá frekvence kapek odtavených z elektrody, roste jejich velikost a zvětšuje se rozstřik.Ambrož et al., str. 160 Protože se používají nízké hodnoty svařovacího proudu, vnáší se do svaru relativně málo tepla, svarový kov není tak tekutý a rychle tuhne. Toho se s výhodou používá pro svařování ve vynucených polohách (např. nad hlavouPoloha nad hlavou se označuje PE podle ČSN EN ISO 6947.), pro zavařování kořenových vrstev a tenkých plechů.
Zrychlený zkratový přenos náhled|vpravo|330px|Schéma typů přenosu kovu vyjádřené v závislosti na svařovacích parametrech U a I resp. v: (a) zkratový přenos, (b) zrychlený zkratový přenos, (c) kapkový přenos, (d) sprchový přenos, (e) impulsní sprchový přenos, (f) moderovaný sprchový přenos, (g) rotující oblouk Modifikací zkratového přenosu je zvýšení svařovacího proudu nad 200 A a tomu odpovídající vyšší rychlosti podávání svařovacího drátu při stejném svařovacím napětí. Vyšší frekvence nedovoluje vytvořit větší kapku, ale konec elektrody je odporovým teplem při vysokém svařovacím proudu předehřátý a elektromagnetickými silami dochází k uvolnění kapek roztaveného kovu a jejich přenosu do svarové lázně. Průtok směsného ochranného plynu Ar + 8 % CO2 musí být vyšší, 20 až 30 l/min. Tato technika zrychleného zkratového přenosu (b) se hodí pro svařování tenkých plechů vysokou rychlostí a velkým výkonem svařování.
Přechodový oblouk s kapkovým přenosem Pro vznik kapkového přenosu (c) jsou nutné vysoké hodnoty svařovacího proudu od 190 do 300 A při napětí od 22 do 28 V, které nataví konec elektrody do velké kapky,Ambrož et al., str. 162 která může být i větší než průměr elektrody.Armao et al., str. 8 Kapkový přenos je dobře použitelný v ochranné atmosféře CO2, ve směsných plynech s argonem výrazně hůře. Hojně se využíval během 60. až 70. let minulého století pro vysoký výkon odtavení. V současné době se od něj již ustoupilo, především pro velký rozstřik a tvorbu hrubých svarových housenek.
Sprchový přenos