123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

98_1-5.   Svařování neželezných kovů

Průmyslový úspěch slitin AlMg a AlMgSi v letectví, v kosmické technice a v automobilismu je dán jejich mechanickými vlastnostmi a nízkou měrnou hmotností. Dobré mechanické vlastnosti se docilují zpevňováním za studena (zvýšení hustoty dislokací), a (nebo) vytvrzováním za studena či za tepla (tvoření segregací při tepelném zpracování za přítomnosti určitých legovacích prvků). Teplem přivedeným při svařování se mohou tyto mimořádné mechanické vlastnosti v nepříznivém případě znovu plně obnovit. Na základě reálného modelování stavebních dílů bylo ukázáno, jak je možno tyto mechanismy pomocí speciálního softwaru počítat a předpovídat. Výpočtové spektrum zahrnuje na tepelné straně realistické vytváření pohyblivých zdrojů tepla, vnášení přídavného materiálu do tavné lázně a výpočet přínosu rekrystalizace, návrat segregací do původního stavu, a tím ztrátu na tvrdosti a pevnosti působením tepla v tepelně ovlivněném pásmu a i regeneraci mechanických vlastností vlivem přirozeného stárnutí. Po mechanické stránce je možný výpočet smykových ploch, pružných, tepelných a plastických deformací při zohlednění všech uvedených vlivů.

Jsou popisovány přídavné materiály pro svařování hliníkových slitin. Je použito nové značení přídavných materiálů podle evropských norem a srovnáno s normami DIN. Aby bylo možno snadněji vybrat k danému základnímu materiálu odpovídající přídavný materiál, je uveden doporučený výběr.


K odstraňování škod, např. na klikových skříních a blokách motoru z hliníkové slitiny G-AlSi10Mg u vznětových motorů, v sériové výrobě při odstraňování vad vzniklých při opracování nebo odlévání, na převodových skříních a jiných dílech motorů, se používá WIG-svařování stejnosměrným proudem s elektrodou připojenou na minus pól v ochranném plynu složeném z 90% helia a 10% argonu, přídavný materiál AlSi12.
Přednostmi jsou:

  • použití ve všech polohách
  • žádné předehřívání
  • žádná nebo minimální deformace
  • hluboký závar
  • bezpečnost proti trhlinám
  • svarový kov téměř bez pórů
    Svařované stavební díly jsou rovnocenné s nově vyrobenými. Mimo to se uvádějí výrazné úspory na nákladech a čase.

    V dalším článku jsou kvantitativně hodnoceny vztahy mezi polaritou oblouku, ohřevem dílů, odstraňováním kysličníků a velikostí tavné lázně při plazmovém svařování hliníkové slitiny 1100.


    Svařitelnost a svařovací vlastnosti jsou při svařování třením hliníkových slitin hodnoceny při spojích ze stejného materiálu a zvláště při kombinaci hliníku a oceli jako velmi rozdílné. Šetření únavové pevnosti ukazují, že teplem vytvrditelná slitina AlMgSi1F32 umožňuje dobré svarové spoje jak při spojích ze stejného materiálu, tak i v kombinaci s nelegovanou ocelí S235JRH. Naproti tomu u slitiny AlMg4,5MnF27 jsou dobré vlastnosti při třecích spojích z téhož materiálu, ale jen omezená svařitelnost při kombinací s ocelí S235JRH.


    Pro zajištění kvality v lehkých konstrukcích se požadují pro svarové spoje na tenkých hliníkových plechách spolehlivé hodnoty dynamické pevnosti. Platné normy pro začlenění nepravidelností svarových spojů (vad) do skupin podle významu se v současnosti vztahují jen na rozsah tlouštěk od 3 do 63 mm. Aby bylo možno rozšířit pravidla i na menší tloušťky plechů, zkoumá se chování spojů tenkých hliníkových plechů při kmitavém namáhání. Spoje ze slitin AlMg0,4Si1,2 a AlMg5Mn vyly svařeny způsobem MIG a laserově, přičemž byly záměrně vytvořeny vady. Předpokládá se, že na základě šetření dynamické pevnosti a dosavadních zkušeností při WIG-svařování bude zpracován návrh na začlenění vad svarů do skupin podle významu pro hliníkové spoje v rozsahu tenkých plechů.

    Další článek se rovněž zabývá různými typy nepravidelností (vad), které se vyskytují při svařování hliníkových slitin v ochranných plynech. Byly sledovány příčiny a dány směrnice pro jejich zabránění. Při výrobních podmínkách se doporučují kontroly kvality v průběhu svařování.


    Kontrola svařovacího procesu pomocí senzorů je často obtížná a poruchová. Je proto lepší získat při svařování měřitelné hodnoty, které bez doplňkové senzoriky vypovídají o kvalitě svarového spoje a o míře provaření. Jedna z vhodných veličin při svařování v ochranném plynu je technická evidence napětí na oblouku na svařovacím hořáku. Pro svařování hliníkových materiálů byl vyvinut návrh on-line kontroly kvality, který byl přezkoušen na příkladech svařování slitiny pro lití (GD-AlSi9Cu3, Gd-AlSi10Mg) a slitiny pro tváření AlMgSi1. Tak bylo možno spolehlivě stanovit odchylky od optimálního svařovacího procesu. Přesto není zatím možné jednoznačné oddělení jednotlivých rušivých vlivů. Při WIG- i MIG-svařování pulsním obloukem je možno určit vlastní frekvenci kmitání tavné lázně pomocí průběhu napětí na oblouku a použít pro průběžnou on-line kontrolu.

    Cílem procesně orientované kontroly kvality při elektronovém svařování je zachytit změny geometrie svaru a nepravidelnosti ve svarovém spoji v průběhu svařovacího procesu. Při elektronovém svařování hliníkové slévatelné slitiny GD-AlSi10Mg bylo prokázáno, že je možno pomocí infračerveného záření ve spojitosti s velikostí průvarového proudu snímat nepravidelností svarového spoje jako přesazení návarových hran, protavení spoje, nedostatečný průvar a vady ve spoji. Je však třeba dále propracovat strategie kontroly a klasifikační stupně pro hodnocení nepravidelností svarového spoje.


    Další práce představuje teoretický výpočet Wöhlerových křivek šíření trhlin v geometricky podobných vzorkách ze slitiny AlMg4,5Mn svařovaných se spárou v kořeni a bez ní způsobem MIG. Pro lomově mechanický výpočet šíření trhlin byl pro vzorky bez spáry v kořenu vyvinut model výpočtu fiktivní počáteční trhliny a pro vzorky se spárou v kořenu výpočet intenzifikačních faktorů napětí v lomovém průřezu.

    Pomocí mikromechanického materiálového modelování na základě modifikovaného Gursonova modelu mohou být určeny roztažnost a lomové poměry MIG-svarových spojů hliníkových slitin 6005 a 6082. Pro předpověď chování materiálu byla stanovena pro jeden spoj řada parametrů, které souvisejí s tvorbou a zatavením pórů ve spojích. Svařovací proces byl při tom simulován.


    Protože možnosti dodatečného tepelného zpracování hliníkových svarových spojů jsou velmi omezené, nabývá na významu příprava a vlastní provedení svaru. Vlivem svařovacího procesu se více nebo méně silně mění pružnostní vlastnosti materiálu, tvoří se textury a vznikají vnitřní pnutí. K optimalizaci svařovacího procesu s ohledem na rovnoměrné změny vlastností a stavu zde mohou napomoci ultrazvukové metody vlivem nedestruktivního snímání dat a rychlé použitelnosti výsledků. Pomocí ultrazvuku zjištěné systematické změny modulu E a textury na základě svařovacích parametrů a místně kontinuitní svařovací vnitřní pnutí mohou prokázat vhodnost ultrazvuku pro zajištění kvality hliníkových svarových spojů (WIG-tupý svar na slitině AlCu6Mn, MIG-koutový svar na slitině AlMgSi0,7).


    Při odporovém bodovém svařování hliníkových plechů měděnými elektrodami je opotřebení elektrod mnohem vyšší než při svařování ocelových plechů. Nastává difusní tvorba slitiny mědi a hliníku, která vede k přilepování (nalegovávání) měděných elektrod. Ulpívání hliníkovoměděných fází na povrchu plechu způsobuje trvalé hmotnostní úbytky elektrod. Byly vyšetřovány vlivy přechodového odporu, povrchu svařovaného materiálu, materiálu elektrod a geometrie tvaru elektrod na opotřebení elektrod. Pro vysvětlení metalurgických procesů mezi hliníkovým plechem (AlMg0,4Si1,2, tloušťka 1,31 mm) a měděnou elektrodou byly rozpracovány difusní zkoušky nalegovacích procesů a analysy energetické disperse nalegovaných vrstev.

    Byla představena nová jednotka pro přitlačování elektrod při výstupkovém svařování hliníkových materiálů s výrazně lepším dosedem elektrod. Umožňuje spojování hliníkových plechů, hliníkových plechů a hliníkových odlitků nebo vytlačovaných profilů.


    Možnost spolehlivé kontroly kvality ve výrobě při odporovém bodovém svařování hliníkových slitin dává mikrofokální radioskopie. Pomocí zvětšených snímků pořízených mikrofokální technikou je možno dobře rozeznat velikosti svařovacích čoček a chyb s malým kontrastem. Kvalita těchto snímků je však závislá na legování. Vyhodnotitelné rentgenové snímky dávají především slitiny s obsahem mědi vyšší hustoty AlCuMg2 a AlZnMgCu1,5 a další, např. AlLiCu, AlZn4,5Mg1 a AlMgLi. Byl vyvinut počítačový program, který umožňuje průběh jednotlivých funkcí zpracování snímků a dodává automaticky vyhodnotitelné snímky.


    Byly realizovány zkoušky ultrazvukového svařování vytvrditelných hliníkových slitin AlMg1SiCu, AlMg0,7Si0,5 a AlMg0,6Si0,9 a dále nevytvrditelné zvlášť vysoko legované, na vznik trhlin za studena citlivé a přirozeně tvrdé slitině AlZnMgCu1,5 (rozsah tlouštěk 0,6 až 1,1 mm), a to bodových, přímých, švových a zkrutových spojů. Po zjištění parametrů výkonu, energie, tlaku elektrod, a deformací následovalo vyhodnocení ve vztahu k výrobním parametrům stavu materiálu, tloušťky plechu a svařovacím přípravkům. Bylo zjištěno, že změny tvrdosti materiálu vlivem ultrazvukového svařování nenastaly nebo byly jen nepatrné.


    Při ultrazvukovém svařování keramiky s kovem je možno dosáhnout ve srovnání s jinými způsoby svařování pozoruhodnou pevnost spoje. Pro objasnění mechanismu spojování byly zkoušeny ultrazvukové spoje austenitické oceli X5CrNi1810 a kysličníkové keramiky ZrO2 pomocí hliníkové mezivrstvy. Pomocí měření teploty a elektronové mikroskopie bylo zjištěno, že nenastává žádné natavení spojovaných materiálů a spoj se vytváří výhradně pomocí svaření pevných částic. Spoj tvoří na jedné straně difuzně řízená tvorba směsných krystalů v hliníku v blízkosti rozhraní a na druhé straně mechanické ukotvení duktilního hliníku pomocí plastických přetvárných procesů v keramické povrchové struktuře.

    Další práce objasňuje na třecích spojích keramiky a kovu vliv zbytkových pnutí na pevnost. Byly svařovány kombinace mezi MgO, SiC, Si3N4 a Al2O3 a AlSi1MgMn. Zkušební vzorky měly průměr 10 mm a délku 50 mm. Výpočty vedení tepla nutné pro určení rozložení teploty byly vykonány za pomoci metody konečných prvků při použití experimentálních výsledků jako vstupních hodnot. Potom následovalo určení zbytkových pnutí, které se vnášejí ochlazováním, příp. tahovým namáháním. Pomocí víceosé Weibull-statistiky byly zhodnoceny a srovnány různé procesní parametry a různé materiálové kombinace.


    Pro MIG-svařování hliníkových materiálů ve výrobě automobilů dává další článek důležité pokyny jak zabránit např. pórům, vadám ve spoji, oxidickým vměstkům a trhlinám. Pozornost byla zaměřena na volbu základního a přídavného materiálu a ochranného plynu, na určení typu spoje, na konstrukční uspořádání a na výcvik svářečů.

    Další příspěvek se zabývá použitím hliníkových materiálů v automobilovém průmyslu, zejména vývojem u firem Chrysler a skupiny Volkswagen-Audi. Hlavně se zaměřuje na koncept "Space-Frame", při kterém se předpokládá struktura rámů převážně z uzavřených tlačených profilů z AlMgSi0,7. Profily jsou mezi sebou spojeny ve velmi namáhaných uzlech pomocí tlakově litých dílů z GD-AlSi10Mg a doplněny výlisky z plechů AlMgSi1,2 a AlMgSi0,7. Jednotlivé díly se spojují zejména pomocí MIG-svařování a odporového bodového svařování.


  • Zpět na Vývojové tendence



    logo welding.cz