123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

01_1-5 Svařování neželezných kovů

Široké spektrum použitelnosti hliníkových slitin je dáno jejich příznivými vlastnostmi:

  • Malá hustota (2,7 g/cm3)
  • Vysoká pevnost (70 až 700 N/mm2)
  • Dobrá odolnost proti korozi ve více médiích
  • Houževnatost při nízkých teplotách
  • Nemagnetičnost
  • Zdravotní únosnost, nejedovatost

    Při obloukovém svařování hliníkových materiálů má volba složení ochranného plynu významný vliv na docílený výsledek. Se zvyšujícím se podílem hélia v argonu se zhoršuje zapalování oblouku a je neklidný oblouk při současném růstu hloubky závaru. Velmi výrazné vlivy se ukazují při přimíseninách dusíku v hloubce průvaru, při přídavku metanu v pórovitosti a při přídavku chlóru ve velmi hladkém a lesklém povrchu. Srovnání přimísenin kyslíku, vodíku a oxidu uhličitého udává jen u vodíku zvýšení pórovitosti. Mechanicko-technologické vlastnosti všech uvedených spojů odpovídají nejméně těm, které byly provedeny v čistém argonu.

    WIG-svařování s impulzy ve frekvenci mezi 2 až 6 kHz vede k zužování oblouku, a tím ke zlepšení chování průvaru. Hlubší průvar může být využit i pro zvýšení svařovací rychlosti a ke svařování v oblasti tenkých plechů. Proces se používá především ke svařování hliníku, mědi, niklu a titanu a jejich některých slitin. Pro zvýšení výkonu se kromě argonu používají i směsi argon-vodík a argon-hélium.

    Pomocí inteligentně řízeného měniče může přepólovací proces střídavého zdroje pro WIG-svařování pracovat spolehlivě a reprodukovatelně i bez pomoci vysoké frekvence. Zvládnout se dají i obtížně přístupné spáry na dílcích z hliníkových slitin i bez obvyklého půlvlnového omezovače. Svarové spoje jsou homogenní a bez rozstřiku.

    Při výrobě tlakových nádob a tlakových potrubí jsou kladeny vysoké požadavky na kvalitu svařovaných podélných spojů. Hospodárné a kvalitativně vyhovující podélné svary zajišťují WIG-stejnosměrná svařovací zařízení. Zpracovávají se tak roury o vnějším průměru od 324 do 1500 mm a s tloušťkou stěny od 3 do 10 mm. Používané přídavné materiály jsou stejného typu nebo jsou lehce přelegované. Svařuje se s héliem jako ochranným plynem.

    Ve srovnávacích experimentálních a výpočtových pracech bylo analyzováno chování svařovaných dílců z hliníkových slitin s cílem posoudit možnost výpočtového odhadu lomů vznikajících při obloukovém svařování. To se uskutečnilo nejprve pomocí simulace metodou konečných prvků svařovacího procesu a dále výzkumem slepých svarů zhotovených metodou WIG na plechách přirozeně tvrdé hliníkové slitiny AlMg3 pro protlačování. Dále bylo na průmyslově používaných protlačovaných profilech ze slitiny AlMgSi0,7 zjišťováno, zda postačuje použití jednoduchých inženýrských výpočtových vztahů pro příčné a podélné namáhání u spojů používaných v běžné praxi.

    Na základě analýz byly vyvinuty rovnice pro výpočet ekvivalentního kyslíku, které zohledňují vliv kyslíku, dusíku, uhlíku a železa ve WIG-svarech na titanových materiálech s cílem zlepšit pevnost, tažnost a tvrdost. Rovnice tohoto typu jsou vhodné pro posouzení vlivů obsahu legur a rychlosti ochlazování na vlastnosti čistého titanového svarového kovu.

    MIG-svařování střídavým proudem impulzním obloukem nabízí při svařování hliníkových plechů o tloušťce pod 1,0 mm drátem o průměru 1,2 mm zlepšené možnosti při vedení tepla a při řízení procesních sil ve srovnání s konvenčním impulzním obloukovým svařováním. Je ukázán vliv různých forem proudu na výsledek svařování. Zvláštními přednostmi procesu je nižší smrštění, zvýšení rychlosti svařování, lepší překlenutí spár a snížení negativní části v základním svařovacím proudu.

    Při výrobě rychlých lodí z hliníkové slitiny 5083 se osvědčilo pulzní MIG-svařování a speciálně pro plechy o tloušťce od 2,5 až nad 75 mm se na něm dále pracuje.

    Je představena a podrobně popsána regulační technika pro pulzní MIG-svařování titanu. Zabezpečuje přenos jedné kapky v každém pulsu.

    Při MIG-svařování hliníkové slitiny 2219 bylo pozorováno, že tuhnutí roztaveného materiálu začíná alfa-fází se sníženým obsahem mědi (podíl mědi ca 2 až 3%) a končí na měď bohatým eutektikem (ca 55% Cu). Normální eutektikum má podíl ca 33% Cu. Alfa-fáze je tvárná, eutektikum je poměrně křehké. Další výzkumy se zabývají procesy tuhnutí v částečně nataveném pásmu na hranicích zrn a uvnitř zrn v MIG-svařované slitině.

    MIG-svařování plochými elektrodami se vyznačuje velkou překlenutelností spár a hustotou proudu. Dá se tak řešit řada úloh v nejrozmanitějších oborech zcela spolehlivě a hospodárně. Zvláště je třeba jmenovat svařování velmi tenkých a tlustých dílců z hliníkových slitin.

    Při MIG-svařování dvěma dráty až 25 m dlouhých dílců pro ICE-3-vlak ze slitin AlMgSi, AlSiMg a AlMg4,5Mn0,7 v oblasti podlah, stěn a střech byly dosaženy střední svařovací rychlosti od 1,2 do 1,8 m/min při současné procesní a kvalitativní spolehlivosti. Je to dvojnásobek až trojnásobek ve srovnání s dosavadním svařováním jedním drátem. Kromě toho postačuje při profilu o tloušťce 8 mm jen jedna vrstva, zatím co při jednom drátu jsou nutné dvě až tři. Jako ochranný plyn se používal argon nebo směs 50% argonu a 50% hélia s přídavkem dusíku ca 150 ppm a přídavný materiál AlMg4,5MnZr.

    Tandemové svařování hliníkových materiálů ve výrobě nádob, motorových a kolejových vozidel dosavadní jednodrátové svařování doplnilo, velmi často zcela nahradilo. Svařovací rychlost současně stoupla na o více než 50%. Všeobecně je třeba říci, že při stejných provozních podmínkách možno použitím tandemového svařování snížit s přihlédnutím na tvar dílce náklady o 30 až 50%.

    Pro výrobu automobilových dílců (rámy dveří, dveře, sedačky) z hliníkových slitin se nejčastěji používá MIG-svařování. Pro všechny spoje s pevnostními nároky se používají přídavné materiály legované hořčíkem, naproti tomu pro spoje s optickými požadavky materiály legované křemíkem. Svařuje se v argonu impulzní obloukovou technikou.

    Při tavně svařovaném spoji závisejí jak geometrické a metalurgické vlastnosti tak i docílitelné výkonové parametry (svařovací rychlost, výkon odtavení) zejména na tepelném příkonu. Pomocí lokálního indukčního ohřevu je možno cíleně měnit tepelné podmínky tak, že se při obloukovém svařování tavnou elektrodou získají kvalitativní i ekonomické výhody. Jsou popsány výsledky přizpůsobení induktivního zdroje tepla při MSG-svařování hliníkových slitin AlMgSi0,5, AlMg5 a AlZn4,5MnZr.

    Byly vyšetřovány velké profily ze slitiny AlMgSi0,7 svařené MIG-svařováním s ohledem na jejich deformační, škodové a zlomové chování. K tomu se uskutečnily tahové zkoušky na malých vzorcích s rozdílnými daty prodloužení a lomovo-mechanická šetření. Za pomoci modelu a numerické simulace bylo z informací o jednotlivých oblastech materiálu (svarový kov, tepelně ovlivněné pásmo, základní materiál) získáno deformační chování celkového svarového spoje. Pomocí této metody je možno kromě deformací předpovědět početně chování spoje s ohledem na zatížení a toleranci chyb.

    Jedna práce zkoumá souvislost mezi kmitáním tavné lázně a stupněm provaření při svařování hliníkových materiálů s cílem výsledky využít pro řízení MIG- a WIG-procesů pro dosažení optimálního průvaru. Jako vhodný parametr pro možné řízení se ukazuje zejména při svařování vyššími proudy zřetelný úbytek svařovacího napětí při přechodu k protavení.

    Plazma-MIG-svařovací proces je možno použít pro 4 až 6 mm tlusté plechy z materiálu AlMgSi0,5 bez omezení v polohách do úžlabí, vodorovně a příčně (PA až PC). Vysoké odtavovací výkony jsou dosažitelné při rychlosti podávání drátu až 20 m/min (přídavný materiál AlMg4,5Mn). Při tupých spojích je však žádoucí svarová spára nebo odpovídající úprava svarových ploch tak, aby se tam vešel odtavený objem drátu. Při plechách do 2 mm jsou reprodukovatelné průběhy spojů dosažitelné jen při MIG-impulzní technice a minimálním plazmovém toku.

    Plazmové svařování s +elektrodou a vysokými svařovacími proudy umožňuje při hliníkových dílcích ekonomické spojování s vynikající kvalitou spojů. Svařovací zkoušky různých slitin hliník-hořčík (AlMg2,7Mn, AlMg3, AlMg4,5Mn, a AlMgSi0,5) ukazují, že plechy o tloušťce 2 až 8 mm je možno při použití drátů AlMg3 a AlMg5 (průměr 1,2 mm) a proudů 100 až 200 A kvalitně spojovat jak technikou "Durchdrück", tak i technikou "Stichloch".

    Plazmový paprsek se ve srovnání s WIG- i MIG-obloukem vyznačuje vyšší hustotou výkonu, a tím umožňuje jednovrstvé svařování I-svarů až do tloušťky 8 mm v poloze do úžlabí rychlostí až přes 1 m/min. Spodní hranice tloušťky stěny, kterou je možno svařit technikou "Stichloch" leží při plazmovém svařování střídavým proudem asi na 1 mm, při plazmovém svařování s elektrodou + je asi na 2 mm. Plazmové svařování střídavým proudem je rovněž vhodné pro koutové a přeplátované svary s ručním nebo mechanickým vedením hořáku. Plazmové svarové spoje na hliníkových materiálech (AlMg-slitiny) jsou zřídka pórovité a neobsahují žádné vady.

    Opravářské práce na svařovaných hliníkových konstrukcích jsou značně ovlivněny mnohostí používaných slitin a vyžadují individuální vyšetření a přípravu. Jedna studie se zabývá speciálně výběrem svařovací metody pro tyto práce.

    Jedna práce se zabývá výběrem optimálních parametrů pro laserové svařování hliníkové slitiny AlMg3 diodovým laserem. Možnosti laserového procesu byly hodnoceny z pohledu různých typů spojů (tupé, koutové) a konstrukčních řešení vhodných pro výrobu automobilů. Byly stanoveny dosažitelné hloubky průvaru a svařovací rychlosti a sestaveny do diagramu v závislosti na použitém typu laseru. Na základě těchto křivek je možno určit čas pro zpracování.

    Další práce se zabývá použitím laserového svařování pro výrobu automobilových dílců ze slitiny AlMg3,5Mn o tloušťce 1,2 mm. Pro svařování 1,4 m dlouhého spoje byl použit laser o výkonu 4 kW v trvalém provozu. Jako přídavný materiál byl použit drát o průměru 1 mm ze slitiny AlMg4,5Mn. Přidáváním drátu a paralelním přívodem inertního plynu byla docílena stabilita procesu a kvalitativně vysoko hodnotný spoj.

    Při svařování hliníkových slitin hybridními procesy umožňuje diodový laser rozšíření hranice možností. Zejména při svařování hliníku se zlepšují návazné podmínky zvýšenou kvalitou paprsku a absolutním výkonem laseru. Z metalurgického hlediska vznikají přednosti tím, že se technologický prostor rozšiřuje pro použití přídavných materiálů. To se dále zvětšuje použitím hybridních procesů. V konkrétním případě bylo propojeno MSG-svařování se svařováním laserem. Výsledky z prvního použití při výrobě kolejových vozidel jsou pozitivní.

    Elektronové svařování v atmosféře je technologie, která se osvědčila v různých oblastech velkosériové výroby. Tento proces nenahrazuje jen konvenční zpracovatelskou techniku, ale nabízí též mimořádné možnosti při použití svarových spojů v oblasti tlouštěk 0,5 až 5,0 mm. Zdůraznit je třeba vysokou preciznost a opakovatelnost, vysokou hloubku průvaru při minimálním tepelném příkonu, dobrou možnost integrace do výrobních linek a jednoduchou manipulaci ve srovnání se zařízením vakuovým, protože odpadají časy pro vakuování. Pro spojování slitin hořčíku přicházejí v úvahu plechy ze slitiny pro tváření AZ31B a ze slitin pro tlakové lití AM50A, AZ91D, AE42 a AS21 v tloušťkách 1,3 až 10 mm. Jako přídavné materiály odpovídající základnímu materiálu byly použity dráty o průměru 1,6 mm ze slitiny AZ61A, resp. AZ92A. Byly podány informace i o svařování velkou rychlosti jemných plechů o tloušťce 1,0 mm ze slitin AlMg5Mn a AlMg4,5Mn a s příd. materiálem AlMg4,5Mn.

    Další práce se zabývá elektronovým svařováním hořčíkových slitin AM50, AM60 a AZ91 v atmosféře. Vlivem různých odlévacích podmínek měly tyto slitiny i různý podíl pórů, které vedly k rozptylu mechanických hodnot. Pórovitost v oblasti svaru se nepodařilo odstranit ani při použití přídavného materiálu.

    Pro lokální charakteristiku materiálu tupých spojů protlačovaných profilů pro podlahy ICE-3 se osvědčily malé tahové zkoušky. Je možno je odebírat i z úzkých oblastí svarového kovu a tepelně ovlivněného pásma. Získané hodnoty a pravdivostní křivky napětí/prodloužení umožňují detailní modelování oblasti svaru metodou konečných prvků a společně s hodnotami lomové tažnosti zjištěnými na plochých tahových zkouškách plechu udávají lepší možnosti ocenění svařovaných konstrukcí obsahujících vady.

    Pevnostní chování svařovaných hliníkových dílců se hodnotí rozličnými kritérii podle druhu namáhání. Při vysokých quasistatických a dynamických zatíženích hraje významnou roli pevnost a houževnatost materiálu v jednotlivých zónách (svarový kov, tepelně ovlivněné pásmo, základní materiál). Při cyklickém namáhání je pevnost na únavu naopak dána geometrií spoje, vrubovou houževnatostí a středním napětím. Zjištěné hodnoty houževnatosti, pevnosti na únavu a rychlosti pokračování trhlin umožňují cílené hodnocení svařovaných konstrukcí ze slitiny AlMg4,5Mn. MIG-svařování se uskutečnilo na 25 mm tlustých plechách při použití drátu o průměru 1,6 mm z materiálu SG-AlMg4,5Mn a ve směsi argon-hélium.

    Je popsán způsob vzniku normové řady DIN 4113. Zařazeny byly hliníkové slitiny perspektivní pro konstrukční použití, svařovací procesy a přídavné materiály a dále výpočty a konstrukční použití svařovaných konstrukcí.
    Při tvorbě normy DIN V 4113-3 byly ve velkém rozsahu převzaty ustanovení a směrnice Německého institutu pro stavební techniku a ustanovení evropských základních norem pro svařování hliníku. Nyní zvolená forma osvědčení podle normy DIN V 4113-3 může být bez problémů převedena na certifikát podle DIN EN 729 s upozorněním na dodatečné požadavky směrem k výrobci svařovaných hliníkových konstrukcí.

    Za pečlivě zvolených svařovacích a okrajových podmínek a bezplynatého základního materiálu z hořčíku a jeho slitin je možno dosáhnout svary s velmi dobrou kvalitou i geometrií jak při svařování v ochranných plynech, tak i při svařování třením, odporem či laserem. Výsledky jsou srovnatelné s výsledky při svařování hliníkových slitin. Současně se však ukázalo, že tlakově odlévané materiály mají často vysoký obsah plynů. Kromě platí pro operativní a hospodárné MIG-svařování úzké hranice nastavení a dále jsou při tom vysoké nároky na kvalitu drátu.

    Při MIG-svařování hořčíkových slitin má rozhodující význam tepelný příkon v přídavném materiálu. Příkon je třeba řídit tak, aby se drát natavoval, ale nezplyňoval. Bylo popsáno svařování 1,35 až 2,5 mm tlustých protlačovaných profilů a válených plechů z materiálu AZ31 a AZ61 jednak se stejným a jednak s výše legovaným přídavným materiálem (průměr 1,2 mm). Statické hodnoty pevnosti dosahují 80 až 100% hodnot pevnosti základního materiálu, při úhlech ohybu až ca do 60%.

    Při laserovém svařování tlakově lité slitiny AM60B činí pórovitost ve svarovém kovu zřetelné problémy. Pórovitost se zvyšuje s narůstajícím tepelným příkonem, tj. s růstem výkonu laseru a se snižováním svařovací rychlosti. Řízené nové přetavení nataveného svarového kovu vede k odstranění bublin plynu a k redukci pórovitosti.

    Virtuální stroj je vynikající technické řešení pro všechny obloukové svařovací stroje. Jednotlivé komponenty virtuálního stroje čerpají z databanky a specifický kompilátor data překládá a v několika sekundách přenáší na reálný stroj. Fyzikálně orientovaný systém expertů učiní každý svařovací proces transparentním a dovoluje plnou optimalizaci i při vysoce speciálních svařovacích úlohách, např. při svařování hořčíkových slitin.

    V další práci jsou podrobně popsány mikrosvařovací metody používané v elektrotechnice, elektronice a jemné mechanice, jako jsou mikroodporové svařování, mikroplazmové svařování, elektronové mikrosvařování, tepelně tlakové svařování, svařování ultrazvukem a termosonické mikrosvařování. Jsou k nim uvedeny přednosti a nevýhody. Ve srovnání s těmito metodami je uvedeno laserové mikrosvařování s příklady použití a ukázány jeho pespektivy v mikrospojovací technice.

    Ultrazvukové svařování má při svařování lakovaných měděných drátů zřetelné výhody ve srovnání s konvenčními metodami. Velkou výhodou je, že vysokofrekvenční kmitání mechanicky naruší lakovou vrstvu a odstraní ji z prostoru spoje. Odizolování a svaření s vytvořením materiálového spoje následují za sebou v jednom sledu. Svařitelnost byla prokázána pro řadu obchodních kvalit lakování a pro různé kontaktní materiály na bázi mědi (průměr 0,3 až 2,0 mm).

    Je popsána vhodnost utrazvukového, odporového, třecího laserového svařování pro spojování niklotitanových tvarově paměťových slitin s vysoko legovanou ocelí. Kvalita spoje byla hodnocena za pomoci mechanicko-technologických, fraktografických, metalografických a elektronomikroskopických metod, přičemž pro srovnání byly použity svařované spoje NiTi-ocel stejného typu. Pro typově stejné odporové tlakové svary a třecí svary byl zjištěn pomocí kalorických měření vliv použité svařovací metody na tvarově paměťové vlastnosti použitých NiTi-slitin.

    Pro spojování optických krystalů s kovy podobně jako piezokeramik mezi sebou, příp. s hliníkovu kysličníkovou keramikou nebo s chromniklovou ocelí se dobře hodí difuzní svařování. Pro aktivaci difuzních procesů v zóně spoje byly spojované složky metalizovány zlatem, stříbrem nebo mědí. Při odpovídající volbě mezivrstvy (InPb15Ag5, Pb15Ag5, Sn96Ag4, Bi50Pb25Sn12,5) a správně zvolených svařovacích parametrech je možno kovově spojovat materiály teplotně citlivé.

    Je popsán nový vývoj a různé varianty procesu pro třecí svařování včetně výhod i nevýhod. Tak např. třecí svařování s "posuvem" (viz schema na obr. 1) je dobře vhodné pro spojování metalických pěnových materiálů, které se obvykle skládají z hliníku nebo hliníkových slitin, s konvenčními plechy. Je také možné spojit nepěnové sendvičové plechy a dodatečně je napěnit.

    Byla zkoumána mikrostruktura hliníkové slitiny 2195 spojené třením s "posuvem", a to ve stavu svařeném a po cíleném tepelném zpracování. Tepelné zpracování vede ke snížení těsnosti a k vyloučení druhé fáze uvnitř a podél zrn.
    Jsou popsána měření napětí, prodloužení a tvrdosti na třecích spojích s "posuvem" hliníkových slitin AA2024-T3 a AA7075-T7351.
    Byly vykonány svařovací zkoušky třením s "posuvem" na hliníkových slitinách 2024-T3 a 7075-T6 používaných v leteckém průmyslu, a to ve formě přeplátovaných spojů. Byly vyšetřovány mechanické vlastnosti, a to v závislosti na rychlosti rotace a rychlosti svařování.

  • Zpět na Vývojové tendence



    logo welding.cz