123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

03_1-5 Svařování neželezných kovů

Byl zpracován přehled současného stavu kvality a schopnosti spojování hliníkových a hořčíkových drátů. Byly popsány nejdůležitější postupové kroky při výrobě a byla diskutována úroveň kvality drátu. Při vysokovýkonných svařovacích procesech získalo svařování plochých drátů z hliníkových materiálů mimořádnou pozornost. Plochý válcovaný drát je však ve srovnání s kruhovým výrazně dražší.

Byl popsán vývoj směsí ochranných plynů pro WIG- a MIG-svařování hliníkových slitin a materiálů na bázi niklu. Byl zpracován diagram vlivu přídavku dusíku jako samotného nebo společně s přídavkem hélia na počáteční pórovitost při MIG-svařování AlMgSi1.

Výsledky WIG-svařování hliníkových materiálů s asymetrickým střídavým proudem ukazují, že existuje komplexní souvislost půlvlnového podílu, frekvence a rovnováhy. Částečně mechanizována řešení se nehodí pro všechny svařovací polohy. Dílem je ztížené pozorování tavné lázně v poloze stoupání, dílem nejsou svářečem zvládnutelné požadované odstupy při komplexní konstrukci složené z hořáku a podávacího mechanismu, příp. vyžadují svářeči speciální školení.

Byl zpracován stav techniky MIG-svařování hliníkových materiálů a výhledy do budoucnosti. Proces je jedním z vedoucích způsobů spojování pro hliník a není pominutelný vedle mechanického spojování. Zejména je třeba vyzvednout zpracování tenkých plechů v tloušťkách pod 2 mm.

Binární AlCu-slitina typu 2219 je citlivá na vznik trhlin z vměstků. MIG-svařování s ochranou argonem se u této slitiny provádělo pomocí přídavných materiálů 1100, 2319,4145 a 4047 s proměnnými obsahy Cu a Si a při částečném průvaru do základního materiálu byl sklon ke vzniku trhlin prokázán a přiřazen.

Pomocí impulsního oblouku při střídavém proudu bylo prokázáno výrazné rozšíření oblasti výkonného oblouku u tenkostěnných konstrukčních dílů z hliníkových slitin. Podíl střídavého proudu byl přitom proměnný. Hranice pro spojové vady leží v tloušťkách plechů nad 3 mm. Ovlivňování procesu foukáním nebylo zjištěno.

Byla popsána koncepce hodnocení vhodnosti použití svarových spojů pro moderní kolejová vozidla v integrální konstrukci z vytlačovaných profilů z hliníkových materiálů. Charakterizování mechanických vlastností a dále použité lomově mechanické techniky umožňují zejména kvantitativní zohlednění výrobních nedostatků. Pro základní materiál AlMgSi0,7 a jednotlivé zóny svaru byly zjišťovány lokální vstupní velikosti zatížení a zatížitelnosti. Na příkladu podlahového profilu ICE 3 byl kvantifikován vliv geometrie a velikosti vad na nosnost a na životnost.

Byly uveřejněny informace o vývoji vodicího systému svařovací hlavy pro spojování moderních hliníkových konstrukcí. Bilancování tepelného toku na svařovacím hořáku zajišťuje, že chybná poloha hořáku způsobí změnu tepelné bilance, resp. tepelných toků, které lze měřit teplotními senzory. Chování záření oblouku při změně polohy oblouku ve svarové spáře se zachycuje pomocí zjišťovací jednotky a mění se na elektrické signály. Tyto signály se potom ve vodicím systému svařovací hlavy využijí pro sledování spáry při impulsním obloukovém svařování nánosových a koutových svarů.

Pro trubní vedení kyseliny dusičné se z korozních důvodů používá čistý hliník Al99,5F10. Orbitální svařování se provádí s plnou mechanizací způsobem WIG při použití stejnosměrného proudu s kvadratickými pulsováním a hélia jako ochranného plynu. Předností je při tom úzký a hluboký závar. Úprava konců trub nebyla při tloušťkách 5 mm potřebná.

Průmysl zpracovávající umělé hmoty používá pro stavbu forem pro střikové nástroje stále častěji hliníkové slitiny jako konstrukční materiály. Problematická je však odolnost proti opotřebení geometricky komplexních nástrojů s ohledem na vysokou životnost. Ve srovnání s želenými slitinami horší odolnost proti opotřebení a menší stabilita forem se dá výrazně zlepšit povlaky ohrožených oblastí. Plazmové práškové navařování s elektrodou plus je pro tento účel vhodná a hospodárná metoda. Pomocí nanášení odpovídajících přídavných materiálů na bázi hliník-křemík-měď, hliník-měď-nikl nebo hliník-křemík-měď-nikl jsou dosažitelná významná zvýšení střední tvrdosti, únosných tlakových pnutí a pevností proti opotřebení.

Byly ukázány cesty řešení pro zvyšování odolnosti proti opotřebení hliníkových slitin legováním, disperzí a nanášením pomocí plazmového práškového navařování. Jako svařovací prášky byly použity Al-Cu-(Ni)- a Al-Si-materiály. Tímto způsobem bylo možno výrazně zvýšit tvrdost hliníkových konstrukčních dílů. Zvlášť efektivně zvyšuje odolnost proti abrazi disperze karbidu wolframu. Borid titanu a nadeutektické obsahy křemíku dávají ochranné vrstvy se zvlášť dobrými vlastnostmi proti opotřebení.

Lehké konstrukce při stavbě karosérií, které se skládají z plechů, protlačovaných profilů a z odlitků se vyrábějí se stupněm automatizace ca 90%. MIG-svařování hliníkových slitin je přitom dominantním svařovacím procesem. Byly popsány zvláštnosti a předpoklady pro automatizaci svařování. Automatizované svařování je možné jak v oblasti tenkých plechů (pod 1,5 mm), tak i u dílů litých pod tlakem. Pro upřednostnění MIG-svařování je rozhodující především omezená přístupnost a pro laserový proces velmi zúžené tolerance. Pro výrobu struktur karosérií a podlah automobilů z AA5754 se nabízí rovněž hybridní proces složený z odporového bodového svařování, resp. laserového svařování a strukturního lepení, který dává ve výsledku vyšší statické a dynamické hodnoty pevnosti.

Svařování pulzním Nd:YAG-laserem je vhodné zejména metalurgicky vyzývavé materiálové kombinace. Vlivem metalurgických krátkočasových efektů lze rovněž potlačit určitá fázová odměšování. Získané poznatky je možno uplatnit na díly větších rozměrů. Na základě vysoké procesní rychlosti je tento proces zajímavý i pro stavbu karosérií.

Rozhodujícími přednostmi hybridního svařování v kombinaci laserového svařování a MIG-svařování jsou vysoká svařovací rychlost a dobrá překlenutelnost spáry. Pomocí této technologie se pro novodobé koncepce lehkých konstrukcí ve stavbě automobilů získají synergetické efekty pro široké pole použití. Přednosti leží především tam, kde jsou pro laserové svařování požadované tolerance spojovaných dílů nedosažitelné anebo dosažitelné jen s velkými náklady. Volbou příznivých procesních parametrů je možno cíleně ovlivňovat vlastnosti spojů jako je geometrie a vytváření struktury. Proces zlepšuje pomocí přiváděného přídavného materiálu překlenutelnost spáry, určuje šířku svaru a snižuje tím náklady na přípravu svarů.
Zvláštnosti hybridního procesu byly sledovány z hlediska svařování hliníkových slitin přípustných ve stavbě lodí.

Tvarovací a čisticí tavidla ze solí fluoru a chloru a dále z alkalických a zeminových kovů zlepšují kvalitu a tvar pomocí WIG- a MIG-svařování s impulsním obloukem zhotovených spojů z hliníkových slitin AlMg4,5Mn0,7, AlMg4,5Mn0,4, AlMg1SiCu, AlMg2, AlMg3 a AlMg6. Tavidlo odstraňuje oxidické vrstvy a vede k úplnému odstranění velkých pórů a ke snížení výskytu a velikosti mikropórů. Ochrana tavné lázně na kořenové straně zabraňuje střídavému působení okolní atmosféry, a tím i ztrátám na legovacích prvcích jako jsou hořčík a zinek. Kromě toho přejímá roztavené tavidlo úlohu pružné podložky a zabraňuje tím propadání kořenové housenky a vzniku protavených míst. Kromě toho se vyskytuje méně trhlin za tepla.

Použitím hořčíkových materiálů v lehkých konstrukcích jsou možné vysoké úspory na hmotnosti při současně významných pevnostech. Tak lze ve srovnání s ocelí při stejné tuhosti docílit úspory hmotnosti až o 60% a při hliníku až o 20%. Na základě této skutečnosti mají hořčíkové slitiny mimořádný význam zejména pro stavbu vozidel.

Pomocí cíleně omezovaného příkonu energie do svařovacího přídavného materiálu je možné reprodukovatelné nízkorozstřikové svařování v ochranných plynech hořčíkových slitin (I-spoje a koutové spoje na 1,35 až 2,7 mm tlustých protlačovaných profilech z AZ31 a AZ61 a dále na válcovaných plechách z AZ31). Svařuje se krátkým obloukem s impulsním překrytím. Přídavný materiál (průměr 1,2 a 1,6 mm) byl druhově stejný, příp. výše legovaný. Jako ochranný plyn byl použit argon v množství 16 až 18 l/min. Plně mechanizované svařování pomocí robotů nabízí do budoucnosti nové možnosti použití hořčíku ve výrobě automobilových a kolejových vozidel.

Výkumy svařitelnosti na hořčíkových slitinách ukazují, že slitiny lité pod tlakem AZ91 a AM60 a dále protlačovaná slitina AZ31 mají při tloušťkách plechů 2,2 a 2,5 mm v zásadě dobrou svařitelnost při odporovém bodovém a výstupkovém svařování. Přitom má stav povrchu plechů rozhodující vliv na kvalitu spoje.

Moření v kyselině chromové přineslo nejlepší výsledky pro kvalitu svarových bodů a pro pevnost ve střihu. Pro zřetelně nižší stav elektrod ve srovnání s bodovými svary na ocelových plechách je sklon k nalegování elektrod vlivem vyšších svařovacích proudů kolísavý.

Byl proveden výzkum životnosti elektrod při odporovém bodovém svařování 1,5 mm tlustých plechů z hliníkovém slitiny 5182. Svary byly zhotoveny na středofrekvenčním stejnosměrném stroji. Průměr špiček elektrod byl 10 mm, radius 50 mm. Přesto, že byly dodrženy všechny procesní parametry, bylo nutno po vykonání 400 až 900 bodových svarů špičky znovu opracovat.

Mechanické vlastnosti odporových bodových svařovacích strojů mají komplexní vliv na odporový svařovací proces a na dosažitelnou kvalitu svarů. Přitom má zvláštní význam tuhost stroje, méně již pohyblivá hmota.

Vysoké bezpečnostní a kvalitativní požadavky letecké a vesmírové dopravy upřednostňují zavádění inovačních svařovacích procesů laserového a elektronového svařování; vyžadují však i jejich další vývoj. Pro elektronovou techniku je možno jako příklad uvést raketové tanky z titanu. Pro laserové svařování lze jako příklad uvést výrobu struktur trupu letadel, při čemž jsou docílitelné významné úspory materiálu, času a prostředků.

Laserová disperse, resp. laserové legování se nabízí pro výrobu boridem zpevněných proti opotřebení vysoce odolných povrchů na dílech z TiAlV4. Proces je zejména vhodný pro dílší zpevnění povrchů dílů s nekomplikovanou technologií.

Pro kluzné plochy bez kluzného mezimédia se pro snížení ztráty opotřebením požadují kompaktní dobře rozložené boridové zbytkové částečky o velikosti 45 až 125 mikrometrů. Ztrátu opotřebením je možno snížit druhově stejnými boridy (TiB2) nebo druhově cizími boridy (ZrB2, CrB2) až o 70%.

Výzkumy na spojích svařených metodou WIG (proudy od 50 do 150 A) bez předehřátí na slitině gama-TiAl ukázaly, že svařovací mikrostruktura se skládá ze sloupovitých rovnoosých dendritů s malým podílem gama-zrn. Dendritická jádra mají jemnou lamelární strukturu skládající se ze střídavých destiček alfa2 a gama. Jinými mikrostrukturovými prvky v zóně tavení jsou výrazná gama-struktura a alfa2-fáze. Vyšší svařovací proudy dávají svarové spoje bez trhlin; nižší proudy vedou k trhlinám.

Vysoko žárupevné slitiny na bázi niklu jsou v důsledku jejich silného sklonu k trhlinám za tepla ve svarovém kovu svařitelné jen při zavedení zvláštních opatření. V jedné práci bylo jednoznačně stanoveno, že problémy trhlin za tepla u materiálů NiCr25FeAlY a NiCr23Fe jsou zvládnutelné jen pomocí přídavku dusíku do ochranného plynu při WIG- a MIG-svařování. Byla provedena klasifikace těchto materiálů podle jejich odolnosti k trhlinám za tepla pomocí MVT-testu (Modified Varestraint Transvarestraint Test) na řadě základních a přídavných materiálů. Dále bylo pomocí MVT-testu potvrzeno, že volbou vhodných ochranných plynů je možno zlepšit odolnost proti trhlinám za tepla pro slitinu na bázi niklu NiCr25FeAlY. U antikorozní slitiny NiCrMo s 1,6% Cu (Hastelloy C-2000) byla svařitelnost určována rovněž pomocí Varestraint-testu. Jako výsledek širokého výzkumu se ukázalo, že obsah mědi nevede k žádnému ovlivnění.

V chemických zařízeních jsou svarové spoje vlivem existujících změn struktury ve srovnání s válcovaným plechem a vlivem vnitřních pnutí a vzniklých změn povrchu jednoznačně korozně chemicky slabými body. Korozní škody na svarových spojích zvláštních materiálů (tantal, titan, zirkon) souvisejí často s nedostatečnými výrobními podmínkami. Na příkladech byla ukázána různorodost možných forem napadení korozí a byly ukázány možnosti opatření ke zmírnění.

Byly sledovány požadavky a tendence s ohledem na použité materiály a spojovací techniku ve stavbě chemických zařízení. Kromě generelních pevnostních a korozních vlastností je svařitelnost významným požadavkem na používané materiály. Byly sledovány zvláštnosti při svařování a použití slitin na bázi niklu, a při zvláštních materiálech jako jsou tantal, titan a zirkon. Do budoucna budou vyžadovány zejména svařovací a výrobní kontroly a dále pečlivé použití tváření a povýrobního tepelného ošetření.

Slitiny niobu se používají především při vysokých teplotách. WIG- a elektronové svařování vyžadují přísnou procesní kontrolu, při čemž byly formulovány požadavky na dobře vyškolený svářečský personál.

Zvláštní svařovací proces difusního svařování je omezen na speciální jednotlivé aplikace a používá se pro řešení spojovacích problémů, při kterých ostatní metody selhají. V jedné práci byl zpracován současný stav a budoucí výhled difusního svařování. Přednostní oblastí použití je spojování hliníkových a hořčíkových materiálů, vysoko pevných slitin, spojovací materiály a optické jednokrystaly (safír, kazivec CaF2 a fluorid hořčíku MgF2), a dále výroba nástrojů s řízeným příkonem tepla a výroba dílů s mikrostruturami.

Pomocí zařízení "Plasma-Spot-Welder", které se skládá ze zdroje svařovacího proudu, vodou chlazeného hořáku a optimálně i ze svařovacího softwaru, jsou možné bodové svary na slitinách hliníku, na mědi a na mosazi. S výjimkou jen málo mikrometrů tlustých galvanických zinkových povlaků není svařování pozinkovaných plechů realizovatelné.

Pomocí krátkočasového obloukového přivařování svorníků jsou s reprodukovatelnou kvalitou realizovatelné svarové spoje svorníků (svorníky z AlMg3 a AlSi10 o průměru 6 a 8 mm) na hliníkových pěnách (Al99,7, AlSi7, AlSi10 a AlMg1SiCu). Pro připojování přídržných prvků na hliníkové pěny je vhodné i svařování třením, jestliže se použijí kuželové třecí hlavy a optimální svařovací parametry. Omezení svařování třením je směrem k nižším průměrům svorníků v důsledku stoupajícího nebezpečí zapíchnutí do pěny.

Velmi dobře byly popsány různé procesní varianty svařování třením.
Jedna práce popisuje svařování třením intermetalických slitin TiAl (gama-TAB-slitina) a Ti6Al4V. Bezchybné spoje třením ze slitiny gama-TAB lze získat, jestliže činí třecí tlak 310 MPa, třecí dráha 10 až 12 mm, pěchovací tlak 590 MPa a pěchovací doba 6 s. Jemnozrnná lamelární strutura v zóně spoje ukazuje, že procesní teplota ležela nad přechodovou teplotou Talfa. Druhově podobné svarové spoje relativně duktilní slitiny Ti6Al4V jsou naproti tomu bez problémů možné ve velkém okruhu parametrů.
Další práce pojednává o vývoji speciálních nástrojů pro tření s posuvem. Jejich vlastnosti jsou doloženy výbrusy a pevnostními zkouškami.

Svařování třením s posuvem hliníkových a hořčíkových materiálů je vhodné především pro svařování na plechách a na zesíleních. Nevznikají žádné problémy s materiálovými kombinacemi, trhlinami za tepla nebo s ohrožením svářečů. Vlastnosti spojů převyšují vlastnosti základního materiálu.

Svařování třením s posuvem je vhodné i pro těžko svařitelnou hliníkovou slitinu 7075 nebo různé AlLi-slitiny. Svarové spoje vykazují jen malé změny vlastností struktury základního materiálu a extrémně malé rozměrové změny. V tepelně ovlivněném pásmu není žádná plastická deformace. Naproti tomu je možno v zóně pozorovat termomechanické ovlivňování třecím nástrojem s posuvem a dále procesním teplem rekrystalizované a přetvořené oblasti.

Zvláštní požadavky na řízení a kontrolu procesu přináší 3-D svařování třením s posuvem pomocí robotů. Experimentální výsledky byly podrobně diskutovány.

Byly diskutovány procesně technické základy ultrazvukového svařování a svařitelnost ultrazvukem technicky nejdůležitějších kovových materiálů a materiálových kombinací mezi různými neželeznými kovy a mezi neželeznými kovy a nekovovými materiály a byl zpracován současný národní a mezinárodní stav poznatků. Vybrané příklady použití ukazují přednosti procesu.

Pomocí ultrazvukového svařování lze spojovat lakem izolované měděné dráty s poniklovanými nebo postříbřenými plechy s dobrou pevností. Pro spolehlivé odstranění laku se požaduje amplituda kmitu nejméně 27 mikrometrů. Při spojování měděných drátů mezi sebou lze docílit ve srovnání s povrchově nepovlečenými dráty vyšší pevnost, jestliže je jeden z drátu postříbřen. Nejnižší pevnost se dosáhne, jestliže jsou oba dráty postříbřené.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz