Hliník a možnosti jeho svařování

SVAŘOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ
KONSTRUKCE 5/2014
Hliník a možnosti jeho svařování
Hliník se nesvařuje s takovou samozřejmostí jako jiné kovy. Jeho velká afinita ke kyslíku, rychlá tvorba kysličníku hlinitého na
povrchu s vysokou teplotou tavení a horší sledovatelnost vneseného tepla ztěžují svařování. V tomto článku jsou nastíněna
specifika svařování hliníku se zaměřením na volbu a použití vhodných ochranných atmosfér pro metody MIG a TIG.
HLINÍK A JEHO VLASTNOSTI
„není vidět“. Z tohoto důvodu se hliník často svařuje na měděné
podložce. U průmyslově podélných svarů se s oblibou u tupých
spojů používá „ztracená“ hliníková podložka.
Hliník je stříbřitý lehký kov s měrnou hmotností 2 699 kg/m3
a výbornou tvarovatelností za studena. Za tyto vlastnosti vděčí kubické soustavě s plošně středěnou mřížkou, v níž krystalizuje. Pevnost čistého hliníku není nijak oslnivá, dosahuje pouze 70 MPa
a tažnost asi 30 %. Běžná čistota technického hliníku je 99,5 %.
Hlavní nečistotou bývají železo a křemík. Hliník se vyznačuje výbornou tepelnou a elektrickou vodivostí, což bylo dříve hodně využíváno pro rozvody elektřiny. Mezi další výhody hliníku je jeho výborná korozní odolnost, která je daná tenkou vrstvičkou Al2O3 na
jeho povrchu. Za zmínku stojí také jeho velká afinita ke kyslíku,
čehož se mimo jiné využívá k dezoxidaci při tavení železa. Na druhou stranu tato vlastnost silně omezuje volbu ochranných atmosfér
pro svařování. Teplota tavení samotného hliníku je přibližně
660 ºC, přičemž teplota tavení Al2O3 dosahuje až 2 250 ºC, to vede
k dalším problémům při svařování. Další nevýhodou hliníku je jeho
tendence k tečení pod napětím. Proto se v technické praxi více využívají slitiny hliníku.
Slitiny hliníku se dělí dle způsobu výroby a vlastností na slitiny
tvářené a odlévané. Tvářené slitiny můžeme dále dělit na tepelně
nevytvrzovatelné a vytvrzovatelné. U nevytvrzovatelných nelze tepelným zpracováním podstatně zvýšit tvrdost.
Z těchto specifik plynou tato doporučení:
• Vyvarovat se ochranných plynů s vodíkem
a užívat jen inertní plyny.
• Povrch svaru čistit těsně před svařováním, aby případná vrstva
kysličníku byla co nejtenčí. Maximální časová prodleva mezi
čištěním a svařování se uvádí 4 hodiny.
• Nepřehřívat svar a pracovat rychle, aby nedošlo k navodíkování.
• Vhodnou technikou eliminovat neprůvary na začátku procesu
svařování (předehřev nebo pomalý start, nájezdové plochy,
které se po svařování odřežou, startovací proud vyšší
až o 100 %).
• Při svařování elektrickým obloukem využívat puls
a obrácenou polaritu k čištění – odstranění vrstvy kysličníku
přímo při svařování.
SPECIFIKA PŘI SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU A JEHO SLITIN
Pravděpodobně největší překážkou při svařován hliníku je jeho
velká afinita ke kyslíku a tvorba elektricky nevodivé vrstvy kysličníku hlinitého, který se poměrně rychle na povrchu čistého hliníku vytváří. Tento kysličník je hydrofilní, tj. váže vodu, která je potom
zdrojem vodíku ve sváru. Navíc vodík v hliníku má velmi prudce se
zvyšující rozpustnost s teplotou. Jelikož hliník velmi dobře odvádí
teplo a také rychle chladne, tak vodík rozpuštěný v tavné lázni nestačí vydifundovat pryč a je zdrojem porezity. Při zahřívání hliník
nemění svoji barvu, což ztěžuje ruční svařování. Také kysličník hlinitý je stejně stříbrně barevný a to má za následek, že změna teploty
MIG svařování hliníku robotem
Tab. 1 – Tabulka uvádí přehled používaných hliníkových slitin vč. čistého hliníku
Označení
Hutní
ČSN
Technický hliník
Al 99,85
42 4002
Al 99,7
42 4003
Al 99,5
42 4005
Tepelně nezpracovatelné slitiny
Al Mg 2
Al Mg 3
Al Mg 5
Al Mn
42 4412
42 4413
42 4415
42 4432
www.konstrukce.cz
Tepelně zpracovatelné slitiny
2
AlCu4Mg
AlCu4Mg1
AlMgSi
AlZn4Mg1
42 4201
42 4203
42 4400
42 4441
Slévárenské slitiny
AlSi13
AlSi10Mg
AlMg5
42 4330
42 4331
42 4515
Chemie
Pevnost
[MPa]
žíhaný
50
60
70
Tah
[MPa]
vytvrzený
100
110
130
Mn
0,15 – 0,35
Max. 0,5
0,5 – 0,8
1,0 – 1,6
žíhaný
180
200
250
110
vytvrzený
270
300
350
190
Mg
Cu
žíhaný
vytvrzený
zbytek
zbytek
zbytek
zbytek
0,4 – 0,8
1,2 – 1,8
0,7 – 1,2
1 – 1,4
3,8 – 4,8
3,8 – 4,9
Si = 0,7 – 1,2
Zn = 4 – 5
180 – 240
180 – 240
110
180 – 200
380 – 400
430 – 450
200 – 280
300 – 360
Al
Si
Mn
lité
vytvrzené
zbytek
zbytek
zbytek
11 – 13,5
9 – 10
06 – 1,5
0,3 – 0,45
Mg = 0,3 – 0,45
Mg = 4,6 – 5,6
170 – 220
180
160 - 200
240
[hm%]
Al
99,85
99,7
99,5
Al
zbytek
zbytek
zbytek
zbytek
nečistoty
Fe + Si
Max. 0,15
Max. 0,3
Max. 0,5
Legury
Mg
2 – 2,8
2,5 – 4
4–6
–
Al
KONSTRUKCE 5/2014
SVAŘOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ
METODY SVAŘOVÁNÍ HLINÍKU
Hliník a jeho slitiny můžeme svařovat některými exotickými, ale
i osvědčenými metodami.
Svařování hliníku plamenem
Svařování hliníku obalenou elektrodou
TIG svařování s ručním podáváním drátu
a za současného pohybu přesouvá materiál v plastickém stavu
z čela na jeho vlečný okraj. Tam je materiál vykován těsným kontaktem a vytváří tak spoj. Tato metoda dokáže spojit i materiály teoreticky obtížně svařitelné a uplatnění najde ve velkosériové výrobě převážně tupých spojů
Svařování hliníku metodou TIG
(Tungsten Inert Gas – netavící se elektrodou)
Tato velmi perspektivní metoda byla původně určena pouze pro
svařování rotačních součástek. Rotací a současným přitlačením
k sobě došlo k vývinu tepla. Materiál se dostal do plastického stavu
a za rotace došlo ke spojení obou tyčí a k tvorbě výronku. Po zastavení rotace se nedokonalosti a výronek s obsahem kysličníků odřeže.
Dalším vývojem této metody firmou TWI je FSW (Friction Stir Welding). Ta umožňuje spojování plochých upnutých dílů. Za pomocí rotujícího třecího nástroje, trnu, který vyvíjí potřebné teplo a tlak,
Jde o známou a poměrně rozšířenou metodu, která dokáže poskytnout svary té nejvyšší kvality. Poslední dobou je doplňována
o podavače PM (přídavných materiálů), aby se eliminovala její
hlavní nevýhoda, kterou je nižší výkon svařování.
Při svařování hliníku touto metodou musíme použít zdroj, který
„umí“ čištění, tj. dokáže v průběhu svařování změnou polarity čistit povrch od kysličníku. Běžné zdroje při svařování oceli mají používanou netavící se elektrodu zapojenou na – pól zdroje. Tím je zajištěno, že elektroda je tepelně méně namáhána a maximum tepelného výkonu jde do svarové lázně, respektive základního
materiálu. Takto je nazývána přímá polarita, kdy elektrony z katody bombardují anodu, která má vyšší teplotu v tzv. anodové skvrně. Při svařování hliníku ovšem vzniká na ZM vrstva kysličníku
Al2O3, která je elektricky nevodivá. Napětí na oblouku se zvyšuje
a proud klesá a následně dochází k přepnutí polarity na zdroji.
Elektrody začínají vylétat ze základního materiálu z tzv. katodové
skvrny a spolehlivě rozruší vrstvu kysličníků na povrchu ZM. Dochází ke snížení napětí na oblouku, přepnutí polarity a chvilku se
zase vnáší více tepla do základního materiálu. Elektrony putují
opět z netavící se elektrody do ZM, který více zahřívají. Opět se
vytvoří na ZM nová vrstva Al2O3. Celý proces se cyklicky opakuje.
Tato metoda probíhá v ochranné atmosféře Argonu nebo jiné
vhodné směsi, o nichž pojednáme níže.
Svarová housenka s vadou
„Ztracená“ podložka tupého spoje
Tato metoda je v podstatě, až na některé kroky, na které je nutné
upozornit, velmi podobná svařování oceli. Svařované součásti musí
být suché, odmaštěné a mechanicky očištěné těsně před svařováním. Elektrody mají obal, který tvoří jak ochranu tavné lázně před
kyslíkem, tak obsahují prvky, které napomáhají rozrušení oxydické
vrstvy a vytváří dobře odstranitelnou strusku, která také pomáhá
formovat vznikající housenku. Důležité je proto dobré odsávání
nebo větrání. Elektroda se připojuje na + pól zdroje. Důležité je dokonalé vysušení elektrod z důvodu eliminace vodíku. Průměr elektrody se volí dle tloušťky základního materiálu takto:
• Do tl. ZM (základního materiálu) 6 mm d = tl. ZM – 1 mm
• Nad tl. ZM 6 mm d = tl. ZM/2 + 3 mm
Svařování hliníku třením
www.konstrukce.cz
Tato metoda není příliš rozšířená a používá se většinou, když není
jiná metoda k dispozici. Před vlastním svařováním se musí dokonale odstranit kysličník hlinitý, nejlépe speciálním mořidlem na bázi
hydroxidu sodného v koncentraci 100 g/litr s přídavkem chloridu
sodného 20 g/litr. Další možností je vrstvu kysličníku odstranit mechanicky např. nerezovým kartáčem. Je rovněž možné použít tavidla na bázi chloridů (draselný + sodný + lithný) spolu s fluoridem
draselným a kyselým síranem sodným. Dobrou volbou jsou komerční výrobky dostupné na trhu. Pro vlastní svařování se použije mírně
redukční plamen (tj. s cca 3x delším bílým svítícím kuželem oproti
neutrálnímu ostře ohraničenému plamenu. Navíc je tento plamen
charakteristický neostrým ukončením tohoto kuželu). Svařuje se
směrem doleva, tj. PM v levé ruce, hořák v pravé, pohyb je směrem
za drátem. Sklon hořáku a drátu bývá kolem 45º od vodorovné roviny (vyjma předehřevu před začátkem svařování, kdy vytváříme co
nejmenší tavnou lázeň kolmo na povrch plechu). Průměr přídavného drátu začíná na 2 mm pro plechy 0,5 – 1 mm, u tlouštěk od 2 do
3 mm volíme elektrody 3 mm. U větších tlouštěk je průměr elektrody shodný respektive o 1 mm menší, než tloušťka plechu. Teprve
u tlouštěk nad 8 mm volíme elektrody s d = 2/3 tloušťky plechu.
Svařujeme v poloze vodorovné shora. Při užití tavidla následuje
oplach horkou vodou s následnou neutralizací na bázi 2% kyseliny
chromové doplněné opětovným oplachem horké vody.
3
SVAŘOVÁNÍ A DĚLENÍ MATERIÁLŮ
Svařování hliníku metodou MIG
(Metal Inert Gas – tavící se elektrodou)
Opět jde o velmi rozšířenou metodu. U této metody hoří elektrický oblouk mezi odtavující se drátovou elektrodou, která je zároveň
přídavným materiálem. Tato elektroda o průměru od 0,6 do 1,6 mm
(typicky 1,2 mm) je namotaná na cívce a pomocí kladkového podavače, bowdenu a kontaktní trysky, kde získá elektrické napětí
a proud, je vedena do oblouku, respektive u krátkého oblouku až do
tavné lázně. Hubicí, která je umístěna centricky ke kontaktní trysce,
je do procesu přiváděn ochranný plyn, většinou na bázi argonu. Pro
hliník je i zde několik specifik oproti oceli. Zdroj musí být vhodný
pro svařování hliníku – tj. má možnost změny polarity tzv. čištění.
Jelikož je hliník měkký, bývá vybaven čtyřkladkovým podavačem
a bowden má teflonovou vložku. Pokud je požadováno svařování
menších tlouštěk, měl by být vybaven pulsací. Standardně se hliník
svařuje sprchovým procesem. Zkratový proces má nižší stabilitu. Záleží ovšem také na plynu, jak je pojednáno níže.
Jako ochranný plyn použijeme čistý argon nebo jeho směsi s heliem u větších tlouštěk.
Oproti svařování oceli je průtok ochranného plynu vyšší, cca 16 až
20 l/min. (pro PM d 1,2 mm) dle použitého svařovacího proudu. Použije-li se směs s heliem, které je velmi lehké, jsou spotřeby až
dvojnásobné.
OCHRANNÉ PLYNY PRO METODY TIG A MIG
www.konstrukce.cz
Základním plynem pro svařování hliníku je inertní plyn argon, doporučuje se jeho minimální čistota 99,9 % Ar tj. 3.0. Prakticky se ale
používají čistoty 4.6 a 4.8. Důležitější, než % nečistot, je o jaké nečistoty jde. Škodlivá je především vlhkost a přítomnost kyslíku.
U větších tlouštěk se používají směsi s heliem. Helium má vliv na
napětí na oblouku a tím, že toto napětí zvyšuje, umožňuje větší
přenos výkonu, příznivě ovlivní hloubku závaru a výkon svařování.
Na druhé straně je oblouk ve směsi argonu s heliem méně stabilní.
Kromě toho má helium negativní vliv na viditelnost oblouku, což
ztěžuje pozorování svařovacího procesu. Směsi s heliem se tedy nehodí pro malé tloušťky základního materiálu, kdy je důležitější stabilita oblouku. Hloubka závaru je u tenkých plechů i v čistém argonu dostatečná. Plynová ochrana je nezbytná při TIG, MIG i plazmových metod svařování hliníku. Otázky volby plynové ochrany hrají
zde také hlavní role. Obvykle se volí argon nebo také argon ve
4
Synchronní svar kořene metodou TIG
KONSTRUKCE 5/2014
směsi s heliem od 30 do 70 % helia. Aktivní směsi s obsahem vodíku, jak je známe z použití při svařování ocelí, nejsou z metalurgických důvodů pro svařování hliníku a jeho slitin použitelné.
Messer zde nabízí v plynech Aluline alternativu. Velmi precisně namíchané malé množství N 2 (dusíku) do Ar (argonu) nebo
do směsi Ar + He (argonu s heliem) významně zlepší z více pohledů chování při svařování. Přinese kvalitu a úspornost současně. Tyto přednosti se projeví nejen při TIG svařování, ale i při MIG
svařování.
Při srovnání s čistým argonem se zlepší stabilita oblouku a přechod PM do tavné lázně. Při TIG svařování je tato změna plynu patrná i akusticky – oblouk je tišší a rovněž opticky lze pozorovat jeho
koncentraci do čistící a tavné zóny. Současně přináší hlubší penetraci do materiálu, což je zřetelně vidět na provedených makrovýbrusech. Intenzivnější natavení zvýší bezpečnost provedení sváru nebo
současně umožní zvýšit výkon svařování. Důležitý faktor, který vede
k redukci výrobních nákladů a ke zvýšení výkonu kolem 10 %. Svar
metodou TIG s plyny řady Aluline vede i k viditelnému zrovnoměrnění a zjemnění kresby sváru, čímž se povrch stává hladší.
Také u MIG svaru s Aluline s použitím tavící se elektrody vede
k menšímu převýšení a rovnoměrnější jemnější kresbě. Přechody
svarového kovu do ZM jsou plynulejší na první pohled. Při rychlém
MIG procesu je penetrace intenzivnější, což je důležitý faktor
k omezení studených spojů. K této vadě je hliník náchylný hlavně
na začátku svařování. Přirozeně je zde možnost úspor nákladů, lepší
penetrace umožní zvýšit svařovací rychlost, což je rovněž důležité.
MIG svary vykazují často až omezenou porezitu vlivem vodíku. Ta je
u Aluline významně zredukována nebo dokonce zcela odstraněna.
Zvláštní vedlejší výhodou je také snížení spodní hranice použitelného proudu, která vede k rozšíření nastavitelného rozsahu. Hliník se
běžně nedoporučuje svařovat velmi nízkými proudy tj. zkratovým
procesem. Použitím plynu Aluline je ale toto i u hliníku možné. Také
tenké plechy tak můžeme v Aluline svařovat rychle, čistě a bezpečně bez impulsní techniky a nahradit tak v těchto případech používanou metodu TIG, která je několikrát pomalejší.
VÝHODY PLYNŮ ŘADY ALULINE
Malá přísada dusíku je levnější oproti heliu, podíl helia může
být snížen. To vede k snížení spotřeby ochranného plynu (lehké
helium je citlivější na průvan a musí se tedy u helia používat vyšší
průtoky). Na stabilitu oblouku působí přísada malého množství
dusíku naopak než helium. Zatímco helium oblouk destabilizuje,
dusík v malém množství působí stabilizačně. Molekuly dusíku
v elektrickém oblouku disociují a pak zpětně rekombinují a tím se
podílí na lepším přenosu energie a stabilitě oblouku. Stabilnější
oblouk pak při pulsním způsobu svařování přispívá k širším možnostem regulace a odstraňuje problémy se zhasínáním oblouku
při průchodu nulou. I svářečka, která nemá vysokofrekvenční stabilizaci při průchodu nulou, se dá použít s Alumixem pro malé
hodnoty proudu.
Bezpochyby použití plynů řady Aluline, ať již Aluline N bez
helia, nebo Aluline He 15 N, Aluline He 30 N až Aluline He 50 N
s obsahem helia od 15 do 50 % je zajímavou alternativou k čistému Argonu, případně k Argon-heliovým směsím s obsahem helia
30 až 70 %.
Dusík ve větších % v ochranných plynech má pozitivní vliv na korozní odolnost nerezových duplexních a superduplexních ocelí. To je
ale již jiná kapitola.
Ing. Jaroslav Hájek,
[email protected],
Messer Technogas s. r. o.
Hliník a možnosti jeho svařování
Hliník se nesvařuje s takovou samozřejmostí jako jiné kovy. Jeho velká afinita ke kyslíku, rychlá tvorba kysličníku hlinitého na
povrchu s vysokou teplotou tavení a horší sledovatelnost vneseného tepla ztěžují svařování. V tomto článku jsou nastíněna
specifika svařování hliníku se zaměřením na volbu a použití vhodných ochranných atmosfér pro metody MIG a TIG.