Zváranie - história a vývoj

Zatiaľ čo zváranie je dnes neoddeliteľnou súčasťou mnohých každodenných prác, v histórii muselo začať a potom prechádzať rôznymi fázami vývoja. Až takto, metódou pokusov a omylov, sa z neho stalo to, čo poznáme dnes.

Zváranie ako proces spájania obrobkov nie je v skutočnosti ničím novým. Dnes si pri zváraní predstavíme automobilový priemysel, stavbu lodí a strojárstvo. V minulosti nič z toho neexistovalo, ale aj vtedy sa veci museli spájať a spoj musel byť kvalitný a predovšetkým veľmi odolný.

Nálezy z hrobiek Sumerov dokazujú, že už v tomto období sa materiály spájali pomocou zváracích techník. Samozrejme, zváranie nebolo tak rozvinuté ako dnes. Možno ho skôr chápať ako tvrdé spájkovanie zlata, striebra a medi. V skutočnosti je spájkovanie jedným z najstarších známych tepelných spojovacích procesov. Po spájkovaní nasledovalo zváranie ohňom, ktoré sa používalo na výrobu zbraní, nástrojov, artefaktov a iných vecí z kovu. Táto technika sa používala pred 3 000 rokmi a je skutočným predchodcom toho, čo dnes poznáme ako ručné zváranie.

Požiarne zváranie

Slovo „zváranie“ má tiež veľmi pravdepodobne pôvod v procese zvárania ohňom. Zváranie pochádza z potu, z potenia. Zváranie ohňom sa vykonávalo v kováčskom ohni a povrch obrobkov sa „potil“, čím potom vznikol spoj. Zváranie ohňom malo v skutočnosti zostať jedinou metódou zvárania po veľmi dlhý čas. Až keď bolo možné použiť kyslík a palivové plyny na vytvorenie plameňa s oveľa vyššou energiou, boli vyvinuté nové metódy zvárania. Kým pri zváraní plameňom sa používalo málo tepla a veľký tlak, horúce plamene nového zvárania sa zaobišli bez tlaku. Zváranie plynom sa tak zrodilo ako prvá forma tavného zvárania a prvýkrát sa použilo v roku 1840.

Rezanie plameňom

Rezanie plameňom sa objavilo v rokoch 1901 až 1905 a tiež sa stalo dôležitým procesom. Oblúkové a odporové zváranie nasledovalo v 40. rokoch 20. storočia. Pre neželezné kovy sa presadilo zváranie v ochrannom plyne.

V roku 1946 sa k nemu pridalo zváranie TIG, ktoré sa vyvinulo z oblúkového zvárania uhlíkom. Zváranie MIG bolo zavedené v roku 1948 a zváranie v ochrannom plyne MAG je dodnes jedným z najpoužívanejších postupov zvárania.

Zváranie teda existuje už niekoľko tisícročí, pričom Sumeri a Chetiti s ním začali v 3. tisícročí pred Kristom. Jeho rýchly rozvoj do podoby, ktorú poznáme dnes, sa však začal až v 19. storočí, keď všeobecný pokrok viedol k vývoju nových zváracích postupov.

Zváranie ohňom a kladivom

Zváranie ohňom a kladivom sa začalo približne 1 500 rokov pred Kristom. Z tohto obdobia pochádza z Malej Ázie a používalo sa na spájanie kovových materiálov. Len vďaka zváraniu ohňom bolo možné od začiatku doby železnej až do 19. storočia vyrábať v kováčskych dielňach nástroje, poľnohospodárske zariadenia, zbrane a mreže.

V priebehu mnohých rokov sa zváranie ohňom stalo súčasťou veľmi zložitých procesov, ktoré zahŕňali aj kovanie húby, opálenie, t. j. čistenie železa a jeho viacnásobné skladanie. Po týchto krokoch nasledoval proces zvárania za tepla.

Plynové zváranie

Acetylén objavil Edmund Davy v roku 1836. Okrem toho Carl von Linde v roku 1895 vyvinul metódu skvapalňovania vzduchu. Obe metódy umožnili vytvárať plamene s veľmi vysokou energiou. To následne umožnilo zváranie tavným zváraním.

Pri plameni poháňanom acetylénom a kyslíkom bolo možné dosiahnuť teplotu viac ako 3 000 °C. To bolo o 500 °C viac, ako bolo možné dosiahnuť pri plameni zo zmesi kyslíka a vodíka. To vydláždilo cestu pre zvárací horák, ktorý znamenal začiatok zvárania plynnou fúziou, aj keď sa spočiatku ešte označovalo ako zváranie kyslíkovým palivom.

Následne spoločnosti Chemische Fabrik Griesheim-Elektron a Drägerwerk Lübeck, Heinr. & Berh. Dräger ďalej rozvíjali technológiu zvárania tavením v plyne. To viedlo k vývoju kyslíkovodíkového horáka na zváranie a rezanie v roku 1896 a následne kyslíkovodíkového zváracieho horáka Dräger v rokoch 1900 a 1901. V spolupráci s Ernstom Wissom zo spoločnosti Chemische Fabrik Griesheim-Elektron bola založená pracovná skupina, ktorá následne ďalej rozvíjala zváracie a rezacie techniky.

Oblúkové zváranie

Ďalší pokrok umožnil vznik oblúkového alebo elektrického zvárania. Išlo o objavenie elektrického oblúka a začiatok priemyselnej výroby elektrickej energie. To umožnilo využívať túto elektrinu a ňou vytvorený elektrický oblúk na tavné zváranie.

Elektrický oblúk na tavné zváranie ako prví použili Nikolaj Nikolajevič Benardos a Stanislaw Olszewski. Použili dve uhlíkové elektródy na vytvorenie vhodných teplôt pre oblúk.

Nikolaj Gavrilovič Slavjanov následne tento proces ďalej rozvinul. V roku 1891 začal nahrádzať uhlíkové elektródy kovovou tyčou. Tá bola nielen nosičom oblúka, ale slúžila aj ako prídavná zváracia tyč. Takto vytvorené tyčové elektródy však spočiatku neboli obalené. To znamenalo, že nebolo ľahké chrániť miesto zvárania pred vzduchom a s tým spojenou oxidáciou. To spôsobilo, že táto forma zvárania bola na začiatku stále trochu náročná.

V roku 1907 to napravil Oscar Kjellberg. Prišiel s nápadom zlepšiť vlastnosti elektrického oblúka pokovovaním kovových tyčových elektród. To zároveň znamenalo, že zvarový kúpeľ bol chránený pred atmosférickým kyslíkom.

To viedlo k vývoju rôznych povlakov na zváranie elektródami, ktoré tiež zodpovedali metalurgickým vlastnostiam materiálu. To viedlo k tomu, že ručné oblúkové zváranie pomocou obalených tyčových elektród sa stalo štandardným procesom zvárania.

Zváranie TIG

V tom čase sa však vyskytol veľký problém so všetkými vyvinutými zváracími zariadeniami. Nikto nemohol zvárať horčíkom, pretože tento kov bol vysoko horľavý. Takým zostával aj vtedy, keď bol v zliatine. Russel Meredith zo spoločnosti Northrop Aircraft sa preto pokúsil vyvinúť proces, ktorý by zabránil vznieteniu horčíka.

Na zváranie používal elektródu z volfrámu a ochranný plyn TIG z hélia. Meredith ho nazval Heliarc, ale zváranie TIG sa začalo označovať ako zváranie wolfrámovým inertným plynom.

V priebehu rokov sa zváranie metódou TIG mnohokrát zlepšilo. Patrí medzi ne chladenie vodou a používanie dýz s ochranným plynom. Zlepšilo sa aj zloženie elektród a zdrojov energie. Najmä posledné menované viedlo k tomu, že zváracie napätie bolo prekrývané vysokofrekvenčným napätím. To umožnilo zvárať hliník aj striedavým prúdom.

Zváranie plynovým oblúkom

V roku 1935 bol vo Veľkej Británii zaregistrovaný dôležitý patent s názvom „Improvements in Electric Arc Welding“. Na ovládanie cievky, ktorá rovnomerne sledovala drôtovú elektródu, sa používal podávací motor.

Perry J. Rieppel na ňom postavil svoj patent, ktorý zaregistroval v USA v roku 1948. Kombinoval oblúkové zváranie s elektrickou cievkou a sledovaním elektród pomocou ochranného plynu. Používali sa inertné plyny ako argón a hélium. Preto sa toto zváranie označuje aj ako zváranie argónom alebo héliom.

Rieppel sám používal pre svoj postup názov „zváranie ochranným oblúkom“. Z toho sa potom stal termín SIGMA pre „zváranie kovov v ochrannom oblúku s inertným plynom“, pokiaľ sa používali inertné plyny.

V Sovietskom zväze sa týmto problémom zaoberali inžinieri N. M. Novožilov a K. V. Liubavskij, ktorí ako ochranu použili CO2. To ich viedlo k tomu, že v 50. rokoch 20. storočia vyvinuli špeciálne drôty, ktorých vlastnosti vyrovnávali vyhorenie. To umožnilo zváranie CO2 alebo MAG, t. j. zváranie kovov v aktívnom plyne, ktoré teraz umožnilo, aby zvarové spoje mali zodpovedajúcu kvalitu.

Oblúkové zváranie v plyne sa následne ďalej rozvíjalo. Napríklad riadené zdroje prúdu umožnili cielene riadiť proces nanášania. Prúdové impulzy riadili prenos materiálu. To umožnilo znížiť prívod tepla do materiálov pri zváraní s ochranným plynom a zvýšiť rýchlosť nanášania, čím sa zvýšila produktivita.

Impulzné zváranie

Pri zváraní metódou MIG/MAG dochádza pri krátkom oblúku k nerovnomernému prenosu materiálu. Pulzné zváranie sa zaviedlo preto, aby bolo možné cielene kontrolovať oddeľovanie kvapiek roztaveného materiálu. Tu sa používajú prúdové impulzy, pri ktorých sa v dôsledku zvýšenia prúdu oddeľuje vždy jedna kvapka.

Spočiatku sa na tento proces používali dva zdroje energie. S príchodom riadených zdrojov energie však mohol celú úlohu prevziať jeden takýto zdroj.

Ani tu sa vývoj nezastavil. Napríklad v Rakúsku bolo v roku 2005 vyvinuté zváranie CMT alebo „prenos kovu za studena“, ktoré bolo pripravené na prevádzku. Pri tomto procese je zvárací prúd pulzný a prídavný drôt sa pohybuje dopredu a dozadu pri zachovaní vysokej frekvencie. To umožňuje zabezpečiť cielené oddeľovanie kvapiek. Zároveň sa znižuje energetická náročnosť a minimalizuje sa prívod tepla do materiálu.

V roku 2005 bol vyvinutý aj proces Cold-Arc. Aj v tomto prípade je cieľom minimalizovať prívod tepla. Všetky zásahy do procesu preberá zdroj energie. Na tento účel sa používa konštantný prívod drôtu. Na tento účel možno použiť bežné zváracie horáky.

Zváranie T.I.M.E.

Zváranie T.I.M.E., čo je skratka pre „prenesenú ionizovanú roztavenú energiu“, sa používa na zvýšenie celkovej rýchlosti usadzovania. Využíva zváranie v ochrannom plyne s prídavným drôtom ako základom. Vďaka špeciálnym zmesiam plynov sa zabezpečuje konzistentná kvalita, zatiaľ čo produktivita sa zvyšuje vďaka vyššej rýchlosti usadzovania.

Odporové zváranie

Prvá zmienka o odporovom zváraní pochádza z roku 1766. Pokúsil sa zvárať kremenné guľôčky pomocou kondenzátorového výboja. V roku 1782 nasledovalo zváranie hodinkovej pružiny na čepeľ noža pomocou tzv. umelej elektriny.

Až v roku 1857 sa opäť začalo používať odporové zváranie, ktoré ako proces spájania demonštroval James Prescott Joule. To viedlo k práci Elihu Thomsona, ktorý začal svoju prácu v roku 1877 a v roku 1886 požiadal o dva patenty, ktoré sa týkali zvárania kovových drôtov na tupo.

Henry F. A. Kleinschmidt potom v roku 1897 pomohol odporovému zváraniu dosiahnuť prielom pomocou medených elektród. Prišiel tiež s nápadom použiť zváracie výstupky pre odporové zváranie na zváranie rybinových dosiek na koľajniciach. To viedlo v roku 1910 k vývoju metódy zvárania odporovým výstupkom a valčekovým švom. Výsledkom bolo, že od roku 1930 sa odporové zváranie začalo v priemysle široko používať.

Zváranie s úzkou medzerou

Zváranie s úzkou medzerou sa používa na zváranie obzvlášť hrubých plechov. Tie si zvyčajne vyžadujú rozsiahlu a zložitú prípravu švov. Vytvorí sa V-spoj, ktorý umožní zváranie celého okraja.

Hoci je pri technike s úzkou medzerou stále potrebná príprava švu, možno ju výrazne obmedziť. Dôvodom je, že už nie je potrebný výrazný tvar V. Boky môžu ležať takmer paralelne vedľa seba. To znamená, že možno zvárať plechy s hrúbkou až 300 mm.

Takto výrazne zmenšený uhol otvorenia nielenže znižuje prípravu švu. Šetrí aj výplňové materiály a množstvo potrebného ochranného plynu. Potrebný je aj menší počet zváracích guličiek. To následne skracuje čas potrebný na proces zvárania.

Oblúkové zváranie čapov

Práce, ktoré viedli k oblúkovému zváraniu, začal Harold Martin v Spojenom kráľovstve už v roku 1915. V roku 1920 požiadal o patent, podľa ktorého sa elektrický oblúk vytvára medzi tŕňom a kovovou doskou. Oblúk sa udržiava určitý čas, ktorý sa dá nastaviť. Na konci sa potom skrutka ponorí do roztaveného kúpeľa elektrickou, mechanickou alebo pneumatickou silou.

V 40. rokoch 20. storočia Ted Nelson pracoval na zjednodušení skrutkových spojov, ktoré sa používali na upevnenie drevených dosiek priamo na oceľové plechy. Dovtedy sa na tento účel používalo kútové zváranie. Nahradil ho skrutkou so závitom, ktorá sa roztavila elektrickým oblúkom. Zváracie zariadenie ju potom ponorilo do roztaveného kúpeľa. Pomocou skľučovadla a elektromagnetov sa skrutka zdvihla a držala tak, aby sa vytvorila konštantná dĺžka oblúka. Čas zvárania sa nastavil pomocou časovača.

Magneticky posunutý oblúk

V USA si J. W. Dawson v roku 1942 podal patent, v ktorom opísal zváranie na tupo pomocou rotujúceho oblúka ako zdroja tepla v radiálnom magnetickom poli. Tento postup sa široko používal v 50. a 60. rokoch 20. storočia, najmä v Sovietskom zväze. V 70. rokoch sa potom používal aj v Nemecku. Rotačný oblúk však bol ako zdroj tepla pri zváraní na tupo nahradený prstencovou pomocnou elektródou a označovaný ako zváranie MBP.

Záver

Zváranie sa začalo u Sumerov a Chetitov ako spájkované spoje. Potom nasledovalo zváranie ohňom, ktoré bolo jedinou metódou výroby kovových nástrojov, artefaktov a zbraní po tisíce rokov. Potom, s rýchlym rozvojom priemyslu v 19. storočí, sa rozšírili novšie a sofistikovanejšie postupy zvárania. Tento vývoj pokračuje až do dnešných čias.

Často kladené otázky o zváraní