Úvod:

Výroba výkovků a odlitků přináší sebou v některých případech celou řadu problémů a potíží. Patří mezi ně především doba výroby, cena, velký výskyt vad a někdy i problémy s dodržením požadovaných mechanických hodnot. Použití svařenců se v těchto případech jeví jako alternativní řešení mírnící nebo z cela odstraňující tyto problémy. Příznivý vliv svařování na snižování spotřeby materiálu a pracnosti se velmi příznivě projevuje při náhradě odlitků svařenci. Všeobecně můžeme rozlišovat dva směry v nahrazování odlitků svařenci, a to směr technologický a směr konstrukční. Zatím co technologický směr se přidržuje více tvaru odlitku, řeší konstrukční směr návrh svařence podle zásad techniky svařování. Na základě zkušeností z praxe je možné tvrdit, že při náhradě odlitků svařenci je výhodnější konstrukční směr. Dosáhne se tak lehčí a tužší konstrukce. Svařováním dosahujeme nižší váhy součásti, úsporu materiálu, snížení pracnosti, zkrácení dodací lhůty, snížení investičních nákladů a možnost rychlého přizpůsobení se požadavkům zákazníka.

Vedle těchto více méně ekonomických důvodů bývá nutností použít svařenec také když není v možnostech slévárny vyrobit dostatečně velký ingot, možnostech kovárny vyrobit potřebný výkovek, případně dodržet požadované mechanické hodnoty.

Vhodné metody svařování

Aby se dosáhlo kromě úspor materiálu a snížení pracnosti také úspor při vlastním svařování, je třeba volit vhodný způsob svařování. Ke svařování těchto dílů se s výhodou používá elekrostruskové svařování, které je typickým představitelem automatového svařování, kdy se svar provádí najednou v plné tloušťce. Svařování probíhá v poloze vodorovné shora v celém svařovaném průřezu s nuceným formováním boku svaru. Pro svařování se používají svařovací automaty, které mohou být mobilní pro svařování rovných svarů, kdy automat se pohubuje na stojanu nebo stabilní pro svařování obvodových svarů, kdy automat stojí a svařovaný kus se otáčí na polohovadle. Vzhledem k relativně malé úhlové rychlosti (kolem 0,5 m/hod) je nutné zajistit rovnoměrné otáčení svařence s možností plynulé regulace. Ovlivněná oblast je velmi veliká a proto v řadě případů je nutné následné tepelné zpracování, nejčastěji normalizačním žíháním. Další technologií využívanou pro svařování odlitků je svařování automatem pod tavidlem, kdy se s výhodou vyžívá úzkomezerové svařování. Nelze také opomenout stykové svařování elektrickým odporem, kde je ale nevýhodou vysoká pořizovací cena svařovacích lisů a velký elektrický příkon. Progresivní technologie a moderní svařovací zdroje dovolují vedle automatových metod využívat i mechanizované způsoby svařování jako např. metodu 135 (obloukové svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu).

Náhrada odlitků svařenci

Neustálý růst výkonů strojů vede konstruktéry k navrhování odlitků velkých rozměrů, což značně komplikuje výrobu ve slévárnách. U velkých odlitků se vyskytují také potíže s jakostí, formování je většinou ruční s malou produktivitou práce a rovněž využití formovacích ploch je nehospodárné. Objednací doby jsou dlouhé, což v dnešní době je velmi problematická záležitost. Také opracování je velmi nákladné s ohledem na velké přídavky. To vše jsou důvody, které vedou k alternativním řešením a zejména dnešní moderní metody svařování dávají velký prostor pro jejich využití v této alternativní výrobě.

Svařování odlitků

Svařování umožňuje konstruktérovi rozdělit původní odlitek na několik menších dílů, které se následně svaří. Tím lze dosáhnout výrazného snížení celkové váhy výrobku. V těchto případech se převážně využívá technologie elektrostruskového svařování. Dosáhne se tím snížení pracnosti, větší přesnosti provedení a snížení zmetkovitosti. Také opracování menších odlitků je jednodušší.

Obr. 1 – příčník lisu (svařeno elektrostruskově)

S výhodou lze pro svařování odlitků využít odporové stykové svařování.

Svařence kombinované z plechů a odlitků

Největší možnosti pří alternativním řešení náhrady odlitku svařencem dává kombinace plechů a odlitků. Při tomto způsobu se může nejúčelněji využít ekonomických, technologických a mechanických předostí každého druhu polotovaru, t.j. tvarových odlitků a tlustých plechů. Také zpracování poměrně malých polotovarů je jednodušší a méně pracné. Velmi často se používá kombinace výkovku s odlitkem případně s válcovaným materiálem. Nejvíce namáhané části jsou vykovány a ostatní jsou vyrobeny buď jako odlitky nebo z válcovaného materiálu.

Obr. 2 demontážní hák

Náhrada odlitků svařenci z válcovaného materiálu

Při výrobě velkých lisů, obráběcích strojů, těžkých převodovek a pod. nelze v některých případech vyrobit některé díly z důvodů rozměrů a váhy vyrobit jako odlitek, nebo se jedná o kusovou výrobu a vyrobení modelu a následně odlitku je časově i finančně náročné případně u menších výrobků se touto náhradou výrazně sníží váha a tím i cena. Dalším potenciálním problémem jsou případné vady v odlitku, které se objevují až v průběhu obrábění a mohou způsobit další zdržení. Díly pro svařenec se vypalují z plechů, které mají dle ČSN EN 10 204: 2005 atest 3.1 (specifický certifikát), jsou 100% kontrolovány ultrazvukem a je proto předpoklad, že se jedná o homogenní materiál bez vnitřních defektů. Také přídavky na opracování mohou být výrazně menší, protože se používají přesné výpalky.¨

Svařovaná lícní deska obřího soustruhu.

Lícní desky velkých obráběcích strojů zejména soustruhů se v současné době vyrábějí především jako odlitky. Jejich výroba je náročná jak z hlediska časového tak ekonomického. Velké obráběcí stroje se většinou vyrábějí jako kusové zboží, ve výjimečných případech v malých sériích a faktory ceny a času pak vystupují daleko více. Dalším potenciálním problémem jsou případné vady v odlitku, které se objevují až v průběhu obrábění a mohou způsobit další zdržení.

Obr. 3 Prostorové schéma řešení svařence lícní desky

Výrobce obráběcích strojů se dostal do časových problémů a také cenová nabídka na odlitek nebyla nejvýhodnější, a proto byl zpracován návrh vyrobit tuto lícní desku jako svařenec. Navržené řešení není náhradou za odlitek, ale je třeba ho chápat jako alternativu výroby. Z hlediska časového i cenového se navržená alternativní výroba lícní desky soustruhu jeví jako výhodnější a odpadá také jeden z problémů a to případný výskyt vad v procesu obrábění. Díly pro svařenec se vypalují z plechů, které mají dle ČSN EN 10 204: 2005 atest 3.1 (specifický certifikát), jsou 100% kontrolovány ultrazvukem a je proto předpoklad, že se jedná o homogenní materiál bez vnitřních defektů. Také přídavky na opracování mohou být výrazně menší, protože se jedná o přesné výpalky.

Několik slov k technologii výroby. Svařenec lícní desky o hmotnosti cca 43 tun, z materiálu 11.523.1 (S355J2G3) má průměr 4,25 m. Je tvořen 18 základními díly, které jsou svařovány postupně.

Obr.4 Sestava střední části lícní desky

Svaření je provedeno technologií obloukového svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu plným drátem G3Si1 s ochranným plynem ARCAL MAG (82% Ar + 18% CO2). Jsou použity převážně koutové svary případně ½ V svary a hmotnost svarového kovu je cca 3500 kg. Díly s tloušťkou nad 40 mm se předehřívají na teplotu 200 až 250 0C.

Obr. 5 Předehřívání a svařování dílů

K předehřívání se používá technologie indukčního ohřevu 2 x 40 kW dodané firmou ARC-H. Svařování je převážně ruční, částečně je mechanizováno za použití systému BUG-O, který rovněž dodala firma ARC-H.

Obr. 6 Dokončování svářečských operací na lícní desce soustruhu

V průběhu výroby jsou svary kontrolovány vizuálně a současně metodou penetrační (barevné indikace). Po svaření se svařenec vyžíhá z důvodů snížení vnitřního pnutí a následně opracovává. Alternativní výroba svařenců lícních desek namísto odlitků je velmi perspektivní a může přinést jak značný ekonomický efekt tak snížení výrobních časů. Zvýšení produktivity výroby lze dosáhnout zvětšením podílu mechanizovaného svařování, optimalizací výrobních postupů, využíváním produktivních ochranných plynů (např. třísložkových) a případně využitím plněných elektrod (trubičkových drátů).

Některé další příklady náhrady odlitků svařenci z válcovaného materiálu

Obr. 7 Lože soustruhu

Obr. 8 Těleso ložiska

Obr. 9 Těleso převodovky

Použití svařence místo výkovku

Podobně jako u odlitků lze u výkovků téměř všech váhových kategorií snížit výrazně spotřebu materiálu, zjednodušit výrobu a snížit výrobní náklady nahradíme-li výkovek kovaný vcelku svařovanou konstrukcí z menších výkovků. Především nahrazujeme svařenci výkovky obtížně vyrobitelné nebo velkých rozměrů, případně jsou problémy z hlediska prokování nebo tepelného zpracování. Rozdělíme-li výkovek na menší části, můžeme je vyrábět i v menších provozech a současně snížíme riziko skrytých vnitřních vad. Při výrobě prvního československého jaderného reaktoru A1, bylo využito elektrostruskové svařování také při výrobě hrdlového prstence, který se svařoval z šestnácti segmentů podélnými svary .

Obr. 10 Svařování hrdlového prstence reaktoru A1

Obr. 11 Svařování podélného svaru kroužku

Dalším z příkladů využití technologie svařování z důvodů nemožnosti vyrobení dostatečně velké desky pro vylisování vrchlíku víka je svaření tohoto vrchlíku ze dvou polovin sférickým svarem.

Obr. 12 Sférický elektrostruskový svar

Technologie elektrostruskového svařování je velmi progresivní a nenáročná na přípravu svarových úkosů. Z důvodů velkého přívodu tepla a tím vzniku velkého ovlivněného pásma má omezené použití pro uhlíkaté oceli. Dnešní moderní oceli je snaha po co nejmenším tepelném ovlivnění a proto tato technologie svařování není vhodná. Vhodnou alternativou je svařování pod tavidlem.Při opravě velkého hydraulického lisu byly zjištěny vady na hlavním lisovním válci. Při navrhování odlitku se zjistilo, že při této velikosti nelze dodržet požadované mechanické hodnoty. Bylo nutno se rozhodnout, zda zvětšit tloušťku válce a tím značně zvýšit váhu a cenu, nebo vyrobit válec z více dílů. Bylo rozhodnuto využít svařování pod vrstvou tavidla a válec svařit ze tří dílů.

Obr. 13 Svařování hydraulického válce

Závěr

K řešení náhrady výkovku nebo odlitku svařencem přistupujeme ze dvou základních důvodů. Jednak jsou to důvody technické, kdy nelze zajistit dostatečně velký ingot případně výkovek nebo získat požadované mechanické vlastnosti u výkovku či odlitku. Dále jsou to důvody ekonomické jako je snížení váhy výrobku (úspora materiálu), snížení pracnosti, zkrácení doby dodání, snížení investičních nákladů případně rychlé přizpůsobení požadavkům zákazníka.

Neustálý růst výkonů strojů vede konstruktéry k navrhování odlitků velkých rozměrů, což značně komplikuje výrobu ve slévárnách. U velkých odlitků se vyskytují také potíže s jakostí, formování je většinou ruční s malou produktivitou práce a rovněž využití formovacích ploch je nehospodárné. Objednací doby jsou dlouhé, což v dnešní době je velmi problematická záležitost. Také opracování je velmi nákladné s ohledem na velké přídavky. To vše jsou důvody, které vedou k alternativním řešením a zejména dnešní moderní základní a přídavné materiály, produktivní metody svařování a výkonná svařovací a ohřevová zařízení dávají velký prostor pro jejich využití v této alternativní výrobě.