123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

00_1-5 Svařování neželezných kovů

Hliník a jeho slitiny vynikají mimořádným užitnými vlastnostmi, především nízkou specifickou hmotností, dobrou odolností proti korozi, dobrými recyklačními vlastnostmi a dobrou zpracovatelností. WiG-svařování s horkým drátem má ve srovnání s WIG-svařování se studeným drátem přednosti zejména v rychlosti svařováni a v kvalitě spoje.
Jsou popsány a diskutovány výsledky jednovrstvého svařování s horkým i studeným drátem slitiny AlMgSi0,5 (tloušťka 6 mm, ochranný plyn He, přídavný drát SG-AlMg5 o průměru 1,2 mm), vícevrstvého svařování plechů o tloušťce 6 mm ze slitiny AlZn4,5Mg1 a vícevrstvého svařování plechů o tloušťce 20 mm ze slitiny AlMg3.

Pro zabránění vzniku trhlin za tepla při WIG-svařování vysoce pevné Al-slitiny 2024 byla představena nová svařovací technologie s přídavným ochlazováním, která je založena na detailní simulaci svařovacího procesu za pomoci metody konečných prvků. Další příspěvek pojednává o vlivu složení přídavného materiálu na svařitelnost slitiny Al-Li 1441 při WIG-svařování. Byly zhotoveny tupé svary na 2 mm tlustých svarech při použití přídavných materiálů AA2319, AA4043, AA5356 a 1441. Svařovalo se v argonu ve svislé poloze (rychlost 300 mm/min, rychlost podávání drátu 100 mm/min). Mikrostruktura svarového kovu je stále jemnější v závislosti přídavném materiálu v pořadí 1441, AA4043, AA2319 a AA5356. Nejvyšší mez kluzu (346 MPa) byla dosažena s AA2319, nejlepší tažnost s materiálem AA5356. Sklon ke vzniku trhlin za tepla klesá v pořadí 1441, AA4043, AA2319, což ukazuje souvislost s přibývající jemnozrnností.

Při WIG-svařování střídavým proudem hliníkových slitin nastává při překročení určité kritické teploty tavné lázně při vysokém výkonu skokový pokles napětí. Při vhodných svařovacích parametrech je tento pokles použitelný jako signál pro kontrolu průvaru. První výsledky jsou k dispozici pro slitinu AlMg4,5Mn a pro slitinu pro tlakové lití AZ91.

V dalším článku je popsáno automatické svařování Al slitiny pro tlakové lití pomocí procesu WIG-Plazma s +pólem na elektrodě (WPL+) a MIG-svařování impulsním proudem (MIGp). Způsobem WPL+ lze svařovat vysoce kvalitní spoje ze stejných nebo různých protlačovaných materiálů. Při MIGp způsobu svařování materiálů pro tlakové lití ovlivňují svařovací podmínky kvalitu spojů ve srovnání s protlačovanými materiály výrazněji. Velmi příznivé podmínky pro odplynění jsou při WPL+ svařování v pozici stoupající v úhlu 40 až 50o. Pórovitost je pak nejmenší a mechanicko-technologické hodnoty dosahují maxima. Naproti tomu při MIGp svařování leží příznivé podmínky pro odplynění v poloze stoupání v úhlu 10 až 70o s minimem pórů ve svarovém kovu.

Při MIG-svařování hliníkových slitin (návary na 3 až 15 mm tlusté plechy z Al99,5, AlMg3, AlMg4,5Mn0,7 a AlMgSi0,5 dráty o průměru 1,2 a 1,6 mm z S-Al99,5, S-AlMg3, S-AlMg4,5Mn a S-AlSi5), s různými ochrannými plyny při stejnosměrném a pulsně formovaném proudu působí hlavně složení plynu na rozsahy parametrů, geometrii svaru a na způsob přenosu kovu. Nezávisle na druhu procesu a druhu základního materiálu je při vyšším obsahu argonu v plynu nutné vyšší napětí. Současně lze zaznamenat hlubší a zakulatěnější průvar při rostoucí šířce a klesající výšce housenky. Se stoupajícím výkonem při argonu jako ochranném plynu se vytváří stále intenzivněji typický "argonový prst". Při Mg s jeho nízkou zplyňovací teplotou je výrazně horší přenos kapek než při Al99,5.

Při svařování hliníkových materiálů se ve srovnání s ocelí objevují určité specifické problémy. Jedná se zejména o vytváření oxidické vrstvičky na povrchu, vysoká tepelná vodivost, vysoký koeficient délkového prodloužení teplem, sklon k tvorbě pórů a u některých slitin sklon k trhlinám za tepla. Tyto vlastnosti materiálu kladou na svařovací proces mimořádné nároky, které WIG- a MIG-svařování splňuje jen nedostatečně. Naproti tomu Plasma-MIG-svařování (viz obrázek) se díky svým specifikám hodí pro svařování hliníkových materiálů velmi dobře. Je popsáno potřebné zařízení, přednosti procesu a jeho možnosti použití.

Pomocí Plasma-MIG-svařování (obr.1)je možno spojovat hliníkové odlitky do písku z materiálu G-AlSi7Mg při tloušťce 10 mm v místě spáry. Při tom může svařovací čas ve srovnání s MIG-svařováním klesnout až na 1/25. To je možné v důsledku procesně integrovaného předehřívání. Současně klesá počet vrstev ze 4 na 1 a dosahuje se výrazně vyšší rychlost svařování. Spojovací svary plechů o tloušťce 4 mm a profilů z AlMgSi se dále vyznačují vynikající aktivací povrchu dílců a minimální pórovitostí ve svarovém kovu, přičemž svařovací rychlosti nad 100 mm/min jsou spolehlivě dosažitelné.

Při MIG-svařování hliníkové slitiny 2219 lze pozorovat, že v částečně natavené zóně může nastat extenzivní zkapalnění. Je vyvoláno eutektickou reakcí při eutektické teplotě a zesiluje tavením obklopující matrice nad eutektickou teplotou. Za pomoci tepelného simulátoru podle Gleebla je možno stanovit vývoj mikrostrutury v tavných spojích Al-slitin 2219,5454, a 6061.

Jsou popsány výzkumy elektronového svařování hliníkových slitin při atmosférickém tlaku v oblasti vysokých rychlostí. Při použití rotačního přípravku byly zhotoveny svary slitin AlMg5Mn a AlMg0,4Si1,2 rychlostí až 60 m/min. Oba materiály byly svařovány drátem S-AlMg4,5Mn o průměru 1,2 mm. Pro materiál AlMg0,4Si1,2 byl ještě použit drát S-AlSi12. Jako plyn bylo použito hélium 4.6. Na obou slitinách bylo možno při optimalizovaných parametrech zhotovit spoje bez trhlin a pórů spolehlivě a reprodukovatelně, aniž by se mechanicko-technologické vlastnosti výrazně odlišovaly od hodnot základního materiálu.

S ohledem na odplyňovací proces se jeví laserové a elektronové svařování slitin pro tlakové lití jako nejpříznivější. Tavná lázeň je účinně odplyněna, takže se dají zhotovit bezpórovité svarové spoje s minimálním smrštěním dílců. Při obsahu vodíku do 5 ml/100 g Al je vhodnost pro laserové a elektronové svařování neomezená. Při smíšených spojích s nízkovodíkovou protlačovanou nebo válenou slitinou se snižuje vliv vodíku vlivem promísení obou slitin. Smíšené spoje mají proto vyšší kvalitu. Při srovnání obou metod vykazují svarové spoje při elektronovém svařování vždy vyšší kvalitu vlivem intenzivnějšího odplynění tavné lázně ve vakuu.

Výzkumy svařitelnosti laserově svařované slitiny 6061 ukazují, že nejlepší výsledky je možno docílit při směsi plynů 70% He a 30% Ar. Natřením kořenové strany pastou z 75% Li-fluoridu a 25% Li-chloridu se zlepší vytváření kořene vlivem lepších hodnot povrchového napětí.

Ve všeobecných tendencích úspor hmotnosti při výrobě automobilů přišla fa Audi s koncepcí "Space-frame". V její druhé generaci budou multifunkční odlitky, které nahradí zatím užívané lité uzly, kvalitativně posilovány pomocí laserové techniky. První výsledky jsou i při přivařování svorníků z hliníku a jeho slitin.

V leteckém a kosmickém průmyslu vzrůstají snahy nahradit v blízké době nýtované konstrukce svařovanými. Posuzování svařitelnosti zavedených i nových hliníkových materiálů je kromě obecně požadovaného vytváření spojů zaměřeno na malý sklon k tvorbě pórů a velký odpor k tvorbě trhlin za tepla. Protože známé metody pro zjišťování trhlin jsou zaměřeny na obloukové svařování, byl pro laserovou svařitelnost vyvinut speciální DELTA-test. Pomocí něho je možná další diferenciace i další vývoj Al-materiálů včetně přídavných. Je vhodný i pro porovnávání obloukového a laserového procesu z hlediska trhlin za tepla.

Pomocí třech procesních variant - nanášení, legování a disperse - práškového plasmového svařování a za pomoci práškových přídavných materiálů je možno výrazně zvyšovat jak tvrdost, tak i odolnost proti opotřebení hliníku a jeho slitin. Kromě zpracování větších ploch jsou tyto způsoby vhodné především pro místní povrchové zkvalitnění Al-dílců, kde např. nastává opotřebení na omezených plochách.

Při odporovém bodovém svařování hliníkové slitiny AA5754 jsou často pozorovány v tepelně ovlivněném pásmu jednoho ze spojovaných dílů trhliny, které se tvoří při zvýšených teplotách a při přítomnosti tekutého kovu. Jsou diskutovány mechanismy tvorby trhlin a jejich předcházení. Mg a jeho slitiny jsou pro jeho nízkou hustotu 1,74 kg/dm3 zvlášť vhodné pro lehké konstrukce. Mg-slitiny ze skupin MgAlMn a MgAlZn jsou dobře svařitelné způsoby WIG, MIG a WPL. Jako ochranné plyny se užívají Ar a He.

Jsou popisovány výzkumy, jak jsou laserové a elektronové spoje Mg-slitin pro tlakové lití a pro protlačování ovlivňovány svařovacími parametry. Byly použity tlačené profily z AZ31B-F a AZ61A-F a materiály pro tlakové lití AZ91HP-F a AM50HP-F s tloušťkou 1,3 až 50 mm. Elektronové svařování ve vakuu vytváří velmi úzké, čisté svary. Snížený přívod tepla zjemňuje mikrostrukturu a zvyšuje mechanicko-technologické kvalitativní hodnoty. Přednosti procesu jsou u plechů o tloušťce vyšší než 3 mm. Při menších tloušťkách má laserové svařování přednosti v jednoduchém přísunu přídavného drátu pro překlenutí mezery nebo pro vyplnění při svařování pórovitých materiálů pro lití. Zvýšením intenzity paprsku při svařování AZ91 je možno docílit spoje bez pórů a trhlin. Je popsána mikrostruktura svarového kovu.

V dalším článku je ukázáno, že elektronové svařování při atmosférickém tlaku se velmi dobře hodí pro svařování Mg-slitin. S optimalizovanými parametry byly zhotoveny svary na tlačených slitinách AZ31B a na litých AM50A, AZ91D, AE42 a AS21 při tloušťkách desek 1,3 až 10 mm. Jako přídavný materiál sloužily dráty ze slitiny AZ61A a AZ92A o průměru 1,6 mm. Svarové plochy byly připraveny jako pro I-spoj. Relativně vysoký výkon umožnil svařovací rychlosti až 15 m/min při malém příkonu tepla. Podařilo se zhotovit dobře vyplněné svarové spoje s malou pórovitostí bez spojových vad, přičemž byly uspokojivě dosaženy hodnoty statické i dynamické pevnosti.

V kombinaci transportních fenoménů a teorie transformace fází je možno získat makro i mikrostrukturní pozoruhodnosti WIG-metodou svařované Ti-spoje. Byl vyvinut časově omezený třírozměrný model přenosu tepla a toku proudu pro výpočet teplotních a rychlostních polí, tepelných cyklů a tvaru a velikosti tavné oblasti. Mechanické vlastnosti Ti-svarových spojů jsou závislé zejména na rychlosti ochlazování svarového kovu.

Difusní svařování vyžaduje vysoké přístrojové vybavení a volí se jen tehdy, jestliže jiné metody spojování selžou a opravňuje k tomu nutnost dosažení vyšší mechanické a termické stability, zvýšení přípustnosti a životnosti nebo zlepšení chemické odolnosti. Při difusním svařování Al s Ti vznikají při teplotách 660 až 680 oC intermetalické spoje, které se s rostoucí svařovací dobou zvětšují. Je popsané vrstvení, které lze pozorovat v blízkosti oblasti spojování.

Je popsáno difusní svařování materiálů citlivých na teplotu. Použitím vhodné mezivrstvy je možno spojovat kovové a nekovové materiály v teplotním rozsahu 100 až 300 oC aniž by vznikla tavně-tekutá vrstva. Mezivrstvy (eutektické legury na bázi vizmutu a india) se vybírají podle Curie-teploty specifikace keramiky a teploty použití spojovaných piezoskupin.

Další práce podává komplexní přehled svařování třením kovových materiálů, přičemž v popředí stojí spojování nejrozmanitějších materiálů a materiálových kombinací na bázi hliníku. Při pořizování spojů z hliníku a železa se svařování třením vyznačuje zejména svými možnostmi použití, spojovatelností, procesní jistotou, hospodárností a kvalitou. Svařitelnost závisí mimo jiné na jednotlivých legovacích typech a na velikosti svařovaných průřezů. Současně je třeba omezit tvorbu křehkých intermetalických fází na podkritickou mez. Toho lze částečně dosáhnout velmi krátkými procesními časy. Efektivní třecí čas obnáší často jen 0,3 s, což odpovídá 1 až 4 otáčkám svařovaného dílce. Kromě zesílené poptávky po spojích mezi Al a ocelí, jsou v rámci rostoucích potřeb lehkých staveb zajímavé i spoje mezi Mg, Ti, materiály s intermetalickými fázemi a ocelí. Přitom nejde jen o spoje mezi válcovanými a protlačovanými produkty, ale i o lité materiály.

Jsou popsány výzkumy svařování třením Mg-slitiny AZ31B. Změnou třecích parametrů, zejména doby tření, se podařilo reprodukovatelně vytvářet spoje, jejichž jmenovité hodnoty dosahují hodnot základního materiálu. Mimořádný vliv doby tření spočívá v relativně špatné tepelné vodivosti materiálu, která dosahuje jen asi 1/3 hodnot Al-slitin. S rostoucí dobou tření, a tím s větším přívodem tepla se zvyšuje pevnost třecích spojů. Zkoumáno a diskutováno bylo i svařování třením Al-slitiny 6061-T6 a kombinace 6061 s Al2O3(W6A.10A-T6). Byla zjištěna velmi dobrá shoda mezi vypočtenými a experimentálně zjištěnými pevnostmi spojů.

Intermetalické fáze se hodí zejména pro použití při vysokých teplotách a mají vlastnosti, které leží mezi vlastnostmi těchto fází a keramickými materiály. Jsou popsány výzkumy svařování třením titanalumidů Ti46Al12NbCrMn a Ti48Al2Cr s obvyklou ocelí S235JR. Se stoupajícím počtem otáček se u obou titanalumidů zvyšuje pevnost v tahu. Zvyšování pěchovacího tlaku z 300 na 500 N/mm2 vede naopak k poklesu pevnosti v tahu. Při dalším zvyšování pěchovacího tlaku vznikají hrubozrnné spojové zóny a během svařování plastifikovaný materiál se téměř úplně vytlačuje do výronku. Rovněž při stoupajícím třecím tlaku nastává pokles pevnosti.

Další článek popisuje podrobně kmitavé třecí svařování. Těžištěm je popis procesu s jeho základy, vlastností těchto spojů na Al-materiálech, statické a dynamické pevnosti kmitavých třecích spojů, zabezpečení kvality a potřebné zařízení. Reprodukovatelnost (spolehlivost procesu) je při kmitavém třecím svařování zřetelně lepší než při tavném svařování. Touto metodou jsou svařitelné všechny protlačované materiály. Jmenovitě nejpevnější Al-slitiny, Al-slitiny pro tlakové lití a matrixové materiály. Mg-, Cu- a Zn-slitiny stejně jako ocel a Ti mohou být na základě malých vlastních pnutí a velmi jemnozrnné kované struktury v oblasti spoje spojeny s vysokými statickými i dynamickými pevnostními vlastnostmi. Jelikož se při procesu používají velké síly, je nutné odpovídající upínací zařízení.

Kmitavým třecím svařováním je možno spojovat převážně přímočaré, rovinné strutury ve formě I-spoje. Zkušenosti jsou zatím pro tupé, přeplátované a rohové spoje. Tloušťka plechu při jednovrstvém svařování může být mezi 1,2 a 46 mm. 2 mm tlustý Al-plech je možno svařit rychlostí až 2 m/min, 5 mm tlusté Al-plechy rychlostí až 1 m/min. Maximální překlenutelnost mezery je 2 mm.

Clinchování je moderní způsob mechanického spojování, které má stále širší použití ve zpracování plechu. Kombinace clichování se svařováním tlakem za studena nabízí možnost vytvářet velmi pevné a jednostranné rovinné spoje na Al-materiálech a kombinacích Al-ocel. Tím se odstraní jednak často kritizovaná malá statická pevnost clinchových spojů a jednak oboustranně tvary odchylující se od roviny plechu. Výzkumy potvrzují, že pevnosti dosažitelné na spojích Al-ocel jsou srovnatelné s hodnotami na spojích Al-Al.

Podrobně je popsána svařitelnost Ni a Ni-slitin. Jsou uvedeny i pokyny pro výběr vhodných přídavných materiálů a svařovacích procesů, přičemž najdou uplatnění hlavně tavné způsoby svařování. Svařování druhově odlišných slitin doplňuje celkový obraz.

Vysoko legované vytvrditelné Ni- a Fe-báze-super slitiny, jako je Inconel 625, 718 a A-286 mají při svařování sklon k tvorbě trhlin v tepelně ovlivněném pásmu vlivem tvorby eutektika. Použitím vysoce výkonných svařovacích procesů - laserového a elektronového svařování - s vysokým ochlazováním je možno tvorbě eutektika zabránit. Smrštění dílců je velmi malé a mimo to je zaručena vysoká reprodukovatelnost kvality spojů.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz