123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

02_1-5 Svařování neželezných kovů

Hliníkové materiály jsou lehké, odolné proti korozi a jsou schopné recyklace. Ve zvyšující se míře se používají v automobilovém a vozidlovém průmyslu, ve stavbě kolejových vozidel, v leteckém a skladovacím průmyslu, atd. Je podán celkový přehled o celkovém stavu svařování hliníkových materiálů a o přednostech jednotlivých způsobů.

Ve svařování hliníkových konstrukčních dílů dominují na základě kompaktního provedení svařovacího vybavení a ekonomických předností WIG- a MIG-svařování. Způsob WIG je vhodný pro svařování širokého spektra základních materiálů. Je možno dosáhnout precizní svarové spoje s vysokou a reprodukovatelnou kvalitou.
Jedna práce referuje o WIG-svařování vysokou rychlostí 0,3 mm tlustého ultračistého hliníkového plechu (Al100). Svařovalo se stejnosměrným proudem od 20 do 120 A s elektrodou minus. Svařovací rychlosti se pohybovaly mezi 1500 a 12000 mm/min. Dále bylo zkoušeno i WIG-svařování s horkým drátem, plazma-svařování s vysokou hustotou výkonu a WIG-svařování s elektrodou plus.

Příčiny a mechanismy vzniku pórů při obloukovém svařování hliníkových slitin jsou jednak metalurgické a jednak technologické. Metalurgickými příčinami jsou hlavně vodík, kysličníky uhelnatý a uhličitý a sloučeniny typu CxHx.

Změny vlastností v tepelně ovlivněném pásmu v důsledku termických cyklů jsou při WIG- a MIG-svařování slitin pro stavbu lodí AlMg, AlSiMg a AlZnMg způsobovány především rozložením intermetalických segregací uvnitř zrn a na jejich hranicích. Výběr určitého ochranného plynu vychází přednostně z použitého svařovacího procesu a ze spojovaného materiálu. Přídavek dusíku k čistému argonu, resp. ke směsi argon-hélium se ukázal jako zvláště významný. Mikropřídavek dusíku způsobuje zvětšení průvaru při malé šířce svaru, stabilizuje oblouk, zvyšuje příkon energie a zvyšuje odolnost proti pórům. Při MIG-svařování se dá pórovitost potlačit na minimum také použitím sprchového oblouku. Docílená kvalita svarových spojů je srovnatelná s kvalitou při WIG-svařování při zřetelně větším rozstřiku.

Vlivem vysoké reaktivity titanu je nebezpečí kontaminace při svařování velmi vysoké. Aby se zabránilo zkřehnutí vlivem přítomných nečistot, bylo navrženo použít při WIG-svařování ještě přídavnou atmosféru argon-ochranný plyn. Při svařování slitin hořčíku mají vlastnosti přídavného materiálu velký vliv na tvorbu trhlin za tepla.
Další práce referuje o výzkumu sklonu k trhlinám za tepla při WIG-navařování dílů litých z GA8 (srovnatelné s AZ81A a AZ91C) při použití pěti různých přídavných materiálů. Sklon k trhlinám byl zjišťován pomocí Tekken- a Fisco-testů a svařováním do drážek.

MIG-svařování střídavým proudem na tenkostěnných hliníkových dílech slučuje pozitivní vlastnosti plus- a minus-pólovaného oblouku v základní proudové fázi. Svarové spoje v rozsahu tlouštěk 0,6 až 2,0 mm daly dobrou kvalitu i hospodárnost. Doplňkové ošetření svařených tenkostěnných hliníkových dílů může ovlivnit zvýšení pevnosti na únavu.
Vnesením tlakových vnitřních pnutí a/nebo zpevněním povrchu dílů v kritických místech lze v oblasti menších tlouštěk stěn očekávat u svarových spojů podobné zvýšení pevnosti na únavu jako u středních a velkých tlouštěk stěn. Pomocí MIG-svařování střídavým proudem a impulsním obloukem je možno svařovat koutové svary na přeplátovaných spojích ještě při tloušťkách 0,60 mm a spárách na úrovni tloušťky rychlostí nad 1 m/min.
Pokud se použijí dvě drátové elektrody, jsou svařovací rychlosti možné až do 2,5 m/min při odtaveném množství až 7 kg/h. MIG-svařování s dvojitými impulsy se vyznačuje dobrým překonáváním spár, takže kývání svařovacího hořáku v průběhu procesu za účelem vyrovnávání výrobních tolerancí se jeví jako nadbytečné.

Při MIG-svařování impulsním obloukem na plechu o tloušťce 0,5 mm z A5052 (svařovací drát A5356, průměr 1,2 mm) je při použití střídavého proudu tolerance spáry větší než při stejnosměrném proudu. Naproti tomu je hloubka průvaru při střídavém proudu a vysokých rychlostech menší než při stejnosměrném proudu.

Kombinace plazma-MIG-svařování hliníkových slitin v rozsahu tlouštěk 2 až 6 mm vykazuje jasné přednosti ve srovnání s WIG- a MIG-svařováním. Významnou předností je zvýšený odtavovací výkon, který se dá při malých tloušťkách plechu přeměnit na vyšší objemy svarového spoje a vyšší svařovací rychlosti. Při plazma svařování střídavým proudem nádob pro hexafluorid síry (SF6) lze nalézt póry jen na straně odlitku. Odlitky mají obsah atomárního vodíku mezi 0,2 a 0,6 ml na 100 g kovu. Jestliže se zredukuje obsah vodíku v odlitcích na méně než 0,3 ml na 100 g, pórovitost zmizí.

Byly uveřejněny výsledky výzkumu plně mechanizovaného MIG-svařování impulsním obloukem a ručního WIG-svařování střídavým proudem na velmi rozdílných hliníkových pěnových spojích. Výsledky ukazují, že hliníkové pěnové konstrukce se dají bez problémů spojovat konvenčními obloukovými procesy. Je třeba vyzvednout dobrou svařitelnost sendvičových materiálů.

Byla uveřejněna práce o možnostech WIG-svařování kovových matrixových spojovacích hmot (MMC) s hliníkovými slitinami jako matrixem a plnidly ve formě částiček karbidu křemíku nebo vlasových krystalů. Kvalita svarových spojů závisí ve velké míře na složení MMC, na výrobním procesu a na svařovacích podmínkách. Minimální příkon tepla vede k pravidelné struktuře svarového kovu. Svařovací pokusy na MMC vyrobených práškovou metalurgií ukazují převážně na vysokou pórovitost. Tvrdost svarového kovu je všeobecně vyšší než MMC-základního materiálu.

Srovnání mechanicko-technologických vlastností pomocí MIG- a laser-svařování spojovaných AlMgSi slitin s I-spojem ukazuje, že laserové svary vykazují o faktor 2 lepší pevnost na únavu při významně příznivějších jmenovitých hodnotách při zatěžování blízkém tzv. "crash". Kombinace způsobů laserového a MIG svařování sjednocuje při spojování lehkých kovů i jejich přednosti. Při hybridním svařování lehkých kovů je možno docílit vyšší svařovací rychlosti, zlepšit stabilitu procesu a lepší překlenutí velké spáry.

Další práce se zabývá optimalizací svařovacích parametrů, přípravou návarových hran, výkonem laseru, fokusací paprsku, složením ochranného plynu a svařovací rychlostí pro laserové svařování tupých spojů na plechách tloušťky 1,5 mm ze slitin hliníku s hořčíkem při použití CO2 laseru o výkonu 3,5 kW. Kvalita svarového spoje se kontrolovala pomocí radiografie s ohledem na vznik pórů a mikrostruktura v různých zónách pomocí rastrové elektronové mikroskopie. Mechanické vlastnosti svarového kovu překonaly zatím známé hodnoty.

Další práce se zabývala laserovým svařováním, laserovým hybridním svařováním a elektronovým svařováním tlakově litých hliníkových slitin AC-AlSi9Mg, AC-AlSi11Mg, AC-AlMg5Si2Mn, AC-AlMg3SiMn a AC-AlMg2,5Mn. Použitím kombinovaného způsobu složeného z laserového svařování a WIG-svařování bylo možno zřetelně snížit četnost výskytu pórů a problematiku protavení při laserovém svařování. Spoje svařené elektronovým paprskem mají vysokou kvalitu. Výhody a nevýhody jednotlivých způsobů byly vzájemně porovnány a byly diskutovány oblasti možného použití.

Výzkumy elektronového svařování v atmosféře (NV-ESW) hliníkových a hořčíkových slitin v oblasti vysokých svařovacích rychlostí ukazují, že při spojích hliníkových slitin jsou možné rychlosti až do 60 m/min a při spojích hořčíkových slitin až do 40 m/min. Pomocí optimalizovaných svařovacích parametrů jsou spolehlivě dosažitelné svarové spoje bez trhlin a pórů, které ve srovnání se základním materiálem nevykazují žádné významné změny mechanicko-technologických vlastností.

Výzkumy zaměřené na vliv procesu při svařování diodovými lasery ukazují, že hluboký průvarový efekt vychazející ze svařování vedením tepla lze docílit na hliníkových plechách do tl. 3 mm. Způsobuje to významným způsobem kyslík jako aktivní oxidační součást ochranného plynu s aktivním působením na povrch. V popředí při tom stojí jeho vliv na povrchové pnutí tavné lázně.

Při laserovém svařování tvářené slitiny AZ31 s heliem jako ochranným plynem a argonem jako ochranou kořene jsou všeobecně docílitelné bezchybné svarové spoje. Kvelita spoje se však zhorší, jestliže se použije argon jako ochranný plyn a upustí se od ochrany kořene.

DIN EN ISO 13919-2 popisuje požadavky na svarové spoje, které jsou zhotoveny z hliníku a jeho svařitelných slitin s tloušťkou v oblasti tavné zóny rovné nebo větší než 1 mm a zhotovují se elektronovým nebo laserovým svařováním. Jsou odstupňovány pomocí mezních hodnot nepravidelností do třech kvalitativních stupňů (B pro vysoké, C pro střední a D pro nízké).

Při laserovém svařování Inconelu 718 je možno pozorovat zvýšený výskyt trhlin v tepelně ovlivněném pásmu v oblasti zúžení uvnitř tulipánovitého průřezu svarové housenky. Zesílenou tvorbu trhlin v tepelně ovlivněném pásmu lze přičíst tomu, že během fáze ohřevu je oblast natavovací teploty zvlášť silně namáhána a během ochlazování působí zatížení vlivem vysokých tahových změn kolmo k tavné zóně na hranicích zrn. Další práce popisuje výzkumy svařitelnosti lité slitiny Inconel 718 a ovlivňování citlivosti ke vzniku trhlin v tepelně ovlivněném pásmu pomocí přídavků lanthanu a céru. U materiálů s obsahem lanthanu je délka trhlin výrazně menší než u materiálů s obsahem céru. Přídavky lanthanu a céru až do 0,30 % snižují citlivost k trhlinám v tepelně ovlivněném pásmu. Vyšší obsahy naopak citlivost zvyšují. Kromě toho je možno při obsahu lanthanu a céru do 0,3 % pozorovat výrazné snížení mezizrnných segregací. Oba prvky působí na zjemňování zrn a na odměšování síry. Přírůstek segregací na hranicích zrn a citlivost ke vzniku trhlin v tepelně ovlivněném pásmu při obsazích lanthanu a céru nad 0,3 % vedly zpět na nízkotavitelné sloučeniny Ni7La2 a Ni2Ce na hranicích zrn.

Přídavky dusíku do ochranného plynu argonu zlepšují při WIG-svařování žárupevných slitin na bázi niklu (NiCr25FeAlY a NiCr23Fe) odolnost proti trhlinám za tepla. Byly doporučeny přídavky dusíku od 1 do 3 %. Při obsahu pod 1 % je třeba opět počítat s výskytem trhlin za tepla ve svarovém kovu, při obsahu nad 3 % se výrazně snižuje životnost wolframové elektrody. Ochranný plyn "Cronigon HT" umožňuje MAG-svařování slitin na bázi niklu až k teplotě nasazení 1200 oC. Přídavky helia v ochranném plynu zvyšují výkonový pochod v oblouku a zlepšují na základě vyšší tepelné vodivosti zřetelně přechod tepla k základnímu materiálu. Pro svařování vysoko protikorozních materiálů na bázi niklu byl vyvinut ochranný plyn "Argomag Ni". Sestává ze směsi argon-helium s malými podíly vodíku a oxidu uhličitého. Tento čtyřkomponentní plyn zabezpečuje zejména při MAG-svařování impulsním obloukem vysokou procesní spolehlivost a klidný oblouk.

Při použití třífázových a středofrekvenčních stejnosměrných strojů a při použití sdružených elektrod (slitina měď-chrom-zirkon s přídavkem wolframu na špičce elektrody) se uskutečnily zkoušky trvanlivosti elektrod při bodovém odporovém svařování slitin hliníku. Zjišťovány byly pevnosti ve smyku v závislosti na počtu bodů; byl hodnocen vzhled svarových bodů. Použitím sdružených elektrod se zvětšila trvanlivost na 1,5 až 2 násobek ve srovnání s konvenčními elektrodami.

Procesy při odporovém bodovém svařování hliníkových slitin je možno analýzovat na modelu založeném na metodě konečných prvků. Byla provedena elektrothermická analýza, která počítá očekávaný průměr čočky svaru, závar a oteplení čelních ploch elektrod v každém časovém bodě svařování. Maximální průměr čočky je možno docílit za 0,02 až 0,04 s, delší časy vedou k dalšímu ohřívání čelní plochy elektrod.

Tlakové svařování hliníkové slitiny AA5083 je možno s ohledem na pevnost spojů tak optimalizovat, že si udrží vytvořením výronku připojovací tvar. Nejvyšší odpory proti odlupování se docílí, jestliže se materiál spojuje při svařovacím tlaku 23 MPa, teplotě 550 oC a době 20 min.

Předmětem šetření byly oblasti obloukového přivařování svorníků se zapalováním odtržením ve stavbě hliníkových karoserií. Kromě zjišťování předností a nevýhod byly přivařované svorníky porovnávány se svorníky mechanicky připojenými. Zprávy referují o spojování vysoko pevné hliníkové slitiny 7075-T6 a o spojování této slitiny se slitinami 6061-T6, 6063-T6 a 6082-T6 pomocí magnetického impulsního svařování. Na základě mechanických a mikrostrukturálních šetření byly diskutovány aspekty vytváření spojů a morfologie svarových spojů.

"Objímkové" svařování (upevňování objímek, matic, apod. na plechy, nosníky nebo profily) magneticky pohybovaným obloukem je nákladově příznivá a technologicky zajímavá spojovací technologie. Rychlost oblouku činí u hliníku až 30 m/min. Místně pevné zastavení oblouku resp. jeho pomalý pohyb mohou vést k místnímu natavení se silným vytvářením kapek. Použitím synchronizovaných střídavých proudů je však možno dosáhnout zlepšení v podmínkách pohybu oblouku.

Další práce pojednává o stavu a výhledu svařování třením. Kromě definice procesu a základů vytváření spoje jsou uvedeny speciální případy použití. Procesy svařování třením jsou vhodné pro spojování nových materiálů a smíšených spojů a dále pro kombinaci s jinými výrobními procesy. Je uveden přehled svařitelných materiálů a ekonomické aspekty i omezení směrem k jiným metodám spojování.

Procesními variantami jsou:
· Rotační svařování třením
· Lineární svařování třením
· Rotačně-lineární svařování třením

Protože spojovací teplota leží pod teplotou tavení, je svařování třením vhodné i pro obtížně svařitelné materiály a materiálové kombinace. Svařování třením se dobře osvědčilo u hliníkových tlakových odlitků. Rotační svařování se vyznačuje malou tepelně ovlivněnou zónou. Mimořádnými kombinacemi jsou měď+hliník, měď+wolfram, nikl+titan. Pomocí rotačně lineárního svařování se přednostně spojují stejné i rozdílné hliníkové slitiny a hliník s hořčíkem. Hodí se i pro měď a titanové materiály. Jsou možné různé svařovací polohy; dají se zhotovit tupé spoje, T-spoje i koutové spoje v širokém rozsahu tlouštěk.

Je popsán vliv svařovacích parametrů rotačně-lineárního svařování na kvalitu i vlastnosti spojů při použití různých materiálových kombinací, rychlostí svařování a orientací materiálu vzhledem ke směru svařování. Byly diskutovány možnosti optimalizace produktivity a svařovacích vlastností s ohledem na vztah mezi mikrostrukturou, vlastnostmi a svařovacími podmínkami.

Při rotačně-lineárním svařování hliníkové slitiny 6NO1 jsou morfologie, rozložení růstových mechanizmů oxidů a rovněž vliv oxidů na mechanické vlastnosti spojů předmětem mímořádného zájmu. Na makrovýbrusech se oxidy jeví jako bílé linie, na mikrovýbrusech jako černé linie a na rastrovém elektronovém mikroskopu jako prohloubeniny. Při svařovacím posuvu od 0,2 do 0,6 mm/otáčku nástroje nemají oxidy žádný negativní vliv na pevnost v tahu a na pevnost na únavu v ohybu. Šířka stop oxidů je 10 až 50 µm a je tak výrazně větší než tloušťka oxidických filmů na povrchu hliníkových slitin. Oxidy jsou uloženy v granulované formě (0,01 až 0,2 µm) a kromě hliníku obsahují také hořčík a křemík.

Rotačně-lineární svařování je vhodné též pro spojování jinak sotva svařitelné hliníkové slitiny 7075 a různých hliníko-lithiových slitin. Svarové spoje vykazují jen malé změny strukturních vlastností základního materiálu a mimořádně nízké deformace. V pásmu tepelně-machanického ovlivnění nástrojem a procesním teplem mohou vzniknout rekrystalizované a přetvářené oblasti. Při rotačné-lineárním svařování hliníkových slitin vznikající svařovací teplo může být ihned po jeho vzniku odváděno nastříkáním tekutého oxidu uhličitého (CO2).

Pomocí utrazvukové impulzní echo-metody je možno při lineárně-rotačním svařování hliníkových slitin vznikající typické vady spojů klasifikovat a zkoumat. Pomocí kolmého směru šíření ultrazvuku jsou zjistitelné skoro všechny geometrie vad nad určitou kritickou velikost. Není možno detekovat pouze trhliny s rovinou ve směru šíření, které jsou typické pro kořenovou spáru. Pomocí šikmého šíření jsou však i tyto vady velmi přesně zjistitelné.

Při stavbě automobilů se pro snižování hmotnosti stále více užívají hořčíkové slitiny. Jednotlivé konstrukční díly z AZ31B (tloušťka 0,63 mm) se spojují linárně-rotačním svařováním pomocí ocelového čepu (průměr 0,63 cm) s rotací proti směru hodinových ručiček a počtem otáček 800 až 1000 1/min. Rychlost svařování činí 1 mm/s. Velikost zrn nesvařeného základního materiálu je ca 175 µm s dvojčatovým hranicemi v zrnech. V přechodovém pásmu ke svarovému spoji je možno zjistit hrubá i jemná zrna, ve svarovém pásmu se struktura skládá z rekrystalizovaných rovnoosých zrn o průměrné velikosti 25 µm. Tvrdost základního materiálu činí 53 HV, v zóně svaru 57 HV.

Orbitální lineární svařování třením umožňuje zhotovit bezpórovité obvodové trubkové svary z AlMg3 a AlMg4,5. S ohledem na mechanicko-technologické vlastnosti nabízí proces přednosti ve srovnání s orbitálním WIG-svařováním. Časová výrobní úspora činí ca 40% ve srovnání s WIG-svařováním.

Modifikací svařování třením (FSW) je laserem podporované svařování třením (LAFSW). Za pomoci 700 W-Nd:YAG-laseru je možno díly předehřát na teplotu 320 oC a pak svařovací rychlostí ca 5 cm/min spojit. Byly předvedeny výsledky spojování hořčíkových plechů z AZ91D a byly popsány přednosti této svařovací metody. Svařování třením wolframových a měděných tyčí o průměru 13 mm je možno zřetelně zlepšit pomocí mezivrstev z 7, 10 a 15 µm tlustých fólií z niobu při pěchovacím tlaku až 340 N/mm2 a přídržných časech mezi 2 a 5 s. Při třecích časech nad 2 s a tloušťkách fólií větších než 15 µm byly zjištěny mikropórovitosti a nedostatečné kontaktní plochy. Bylo zjištěno vytváření směsových fází a zhuštění částic.

Byly popsány procesně technické základy ultrazvukového svařování a ultrazvukové svařitelnosti materiálových kombinací mezi různými neželeznými kovy a mezi neželeznými kovy a nekovovými materiály. Vybrané příklady použití podtrhují přednosti procesu. Při spojování drátů nastává připojovací kontakt polovodičových prvků především vodorovným šířením ultrazvuku, zatímco svislé šíření je zcela nevhodné.

Byly popsány procesně technické základy difusního svařování, zejména jeho možnosti použití, a difusní svařitelnosti četných kovových a nekovových materiálů. Při difusním svařování různých titanových materiálů s molybdenem ovlivňují vanadové a hliníkové příměsi v titanových materiálech tvorbu mikrodutin v oblasti hraničicích ploch spojů. Mikrodutiny se dají dokumentovat za pomoci rastrového elektronového mikroskopu energetickodispersivní rentgenovou spektrometrií. Byl diskutován vliv použitých materiálů a procesních parametrů.

Jedna práce referuje o povlakových technologiích pomocí svařování výbuchem pro hliník, měď, mosaz nikl, stříbro a olovo. Zvláště vyzvednutý je způsob spojování slitin hliníku a hořčíku s konstrukčními ocelemi. Speciální technologie se týkají zavařování trubek do trubkových den, povlakování tyčí a spojování druhově různých materiálů, jako např. titanu s niklem.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz