123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

99_1-5.   Svařování neželezných kovů

Lehké kovové materiály splňují ve stále větším měřítku všechny předpoklady pro realizaci moderních lehkých konstrukcí. Byly prověřovány v praxi použitelné pracovní rozsahy pro MIG-svařování hliníku a hliníkových slitin dráty S-Al99,5, S-AlMg3, S-AlMg4,5Mn a S-AlSiS (průměr 1,2 a 1,6 mm). Při tom byl užíván svařovací proud s pulsy i rovnoměrný, jako plyn argon a směs argon-helium. S ohledem na rozličně vznikající oblouk byly stanoveny optimální svařovací parametry a nejpříznivější nastavovací hodnoty pro uvedený rozsah použití.

Pomocí dvojdrátové techniky při MIG-svařování je možné zvýšení odtavovacího výkonu při současném zvýšení svařovací rychlosti. Zejména dál vyvinuté tandemové svařování ukazuje různé možnosti nasazení pro spojování hliníkových materiálů. Pozitivně na stabilitu procesu zde působí samostatná nastavitelnost procesu na každé elektrodě. Bez problémů je možno dosáhnout na plechu tloušťky 2,5 mm z materiálu AlMg3 svařovací rychlosti až 4 m.min-1. Přidáním helia až do 30% do argonu je možno dosáhnout teplejší tavnou lázeň, což především umožňuje vyšší procesní spolehlivost při vysokých rychlostech.

Např. pro rámy karoserii pro komunální užitkové automobily se užívají hliníkové protlačované profily z AlMgSi0,5. Vzájemně se kombinují tak, aby ve spojových uzlech postačovaly krátké spojovací svary. Spojové uzly jsou klíčové díly nosné konstrukce a musí proto mít nutné pevnostní vlastnosti. Pro současnou výrobu bylo zvoleno MIG-svařování a jako přídavný materiál SG-AlSiS.

Pro použití na lehké konstrukce při stavbě automobilů se do budoucna nabízejí také slitiny hořčíku. Jedná se o lisované materiály AZ31 a AZ61a o lité materiály AZ91 a AM50, a to jako samostatné nebo ve vzájemné kombinaci. Byly vcelku zhodnoceny svařovací metody a korozními a únavovými zkouškami bylo prověřeno, že slitiny hořčíku jsou bez velkých problémů svařitelné.

V další práci je popsán další vývoj a použití WIG- a plazma-svařování hořčíkových slitin ve výrobě automobilů. Byly vyšetřovány protlačované profily z MgAl6Zn1, tlakové odlitky z MgAl9Zn1 a MgAlSMn. Jako přídavný materiál byl k dispozici drát z MgAl6Zn. WIG-svařování vyniká dobrou kvalitou spojů a vysokou stabilitou procesu v širokém rozsahu parametrů. Částečně je možno využít i poznatky ze svařování hliníku:
- Povrchová kysličníková vrstva vyžaduje pro čistící proces kladnou elektrodu,
- Zvyšováním podílu helia v ochranném plynu je možno výrazně zvýšit průvar.

Plazmové svařování umožňuje ve srovnání s WIG-svařováním vyšší hloubku průvaru při snížené šířce svaru.

Kromě WIG-svařování vede k dobrým výsledkům také laserové svařování hořčíkových slitin. Při přesném stanovení svařovacích a mezních podmínek je možno vyrobit konstrukční díly, jejichž kvalita odpovídá hliníkovým.

Výroba přes 25 m dlouhých bočních stěn vlaku ICE 3 z hliníkové slitiny vyžaduje integrální postup z protlačovaných profilů předem připravených. Po upnutí bočních dílů následuje bez stehování okamžité svařování podélných spojů dvěma paralelně pracujícími MIG-tandemovými hořáky s tavením drátu ve dvou obloukách, aby se minimalizoval tepelný příkon. Tím se dosáhne rovná povrchová plocha boční stěny.

WIG-svařování je nejdůležitější tavný svařovací způsob pro spojování tenkých hliníkových materiálů a pro kořenové housenky. Zavedením svařovacích zdrojů s pravoúhlým průběhem střídavého proudu tento způsob naprosto převažuje. V omezeném rozsahu se tenké plechy svařují i stejnosměrným proudem s kladnou elektrodou v argonu. Je třeba uvést i svařování se zápornou elektrodou ve směsi plynu s vysokým obsahem helia, a to při opravách odlitků z AlSi slitin. Předností jsou vyšší svařovací rychlosti při současném snížení deformací a nebezpečí trhlin.

Pro zamezení, resp. snížení tvorby trhlin při svařování hliníkových slitin bylo WIG-svařování modifikováno tak, že se svařovaný díl (slitina 6061-T651, tloušťka 6,4 a 9,5 mm) bez proudu svařuje současně dvěma proti sobě a kolmo k materiálu uspořádanými hořáky bez přídavného materiálu. Změna směru toku proudu, snížený příkon tepla a symetrický ohřev značně snižují citlivost ke vzniku trhlin.

Další práce podrobně pojednává o laserovém svařování hliníku. Pozornost je zvláště věnována vhodnosti jednotlivých laserů pro svařování hliníku, specifickým materiálovým zvláštnostem, metalurgickým aspektům, požití přídavných materiálů, ochranným a pracovním plynům, konstrukčním hlediskům a problémům pracovní ochrany. Přehled doplňují příklady použití a pokyny pro řízení. Při svařování hliníkových slitin 5182 a 5754 (tloušťka 1,0 a 1,45 mm) Nd:YAG-laserem byl studován vliv laserové fokusace a svařovací rychlosti na tvorbu pórů, na vyplňování spáry a na změny koncentrace hořčíku. Často se vyskytující vadou bylo nedostatečné vyplňování spáry. Všeobecně nebyly pozorovány žádné ostré a hluboké vruby ve svarovém průřezu, takže je vyloučeno nebezpečné ovlivňování mechanických vlastností spoje.

V další práci je dán přehled plazmového svařování hliníkových materiálů a srovnání svařování stejnosměrným a střídavým proudem. Celkový obraz doplňují pokyny pro svařovací zařízení, plazmové hořáky, přídavné materiály, pro kombinace ochranných plynů a pracovní rozsah. Nejvýhodněji se jeví vysokopevné hliníkové slitiny pro jejich pevnost a nízkou hmotnost. Tím je i zdůvodněno přibývající rozšiřování hliníkových slitin typu AlZnMgCu jak pro staticky tak i pro dynamicky namáhané díly. Elektronové svařování této slitiny s vyhovující kvalitou vhodnou pro různá použití probíhá bez přídavného materiálu. Je to současně i alternativou k MIG-svařování při výrobě svařovaných konstrukcí z této jen podmíněně tavným způsobem svařitelné hliníkové slitiny.

Další práce uvádí odporové bodové svařování kovovo-matrixových materiálů s hliníkovou matricí a částicemi typu Al2O3, resp. SiC. Na základě výbrusů a mechanicko-technologických šetření byly hodnoceny zejména pevnost spojení, vytváření svarových čoček a struktura. Ve svarových čočkách jsou oblasti s odmíšenými částicemi. Otázky k tvorbě čoček jsou zatím otevřené a možné tepelné zpracování před a po svaření je třeba ještě přezkoumat.

Další práce uvádí důkaz o procesech odměšování při odporovém bodovém svařování hliníku zpevněného částicemi. Při svařovacím procesu se koncentrují zpevňovací částice prstencově na vnějším obvodě svarové čočky. Odměšování ve svarové čočce při odporovém bodovém svařování se vysvětluje přítomností silného magnetického pole a s ním spojenými Lorentzovými silami. Ty vedou k vypuzování zpevňovacích částic z průřezu vedoucího proud.

Další práce popisuje šetření statických a únavových vlastností odporově bodově svařených 1,2 mm tlustých plechů z hliníkové slitiny 51820. I při pórovitosti až ca 40% průřezu čočky neklesá ani statická pevnost a ani pevnost na únavu. Zvýšením průměru čočky ze 4,2 na 7,2 mm se sice zvýší hodnoty statické pevnosti, ale pevnost na únavu se zvýší jen nepatrně. Zvýšením přítlačné síly elektrod z 4,0 na 6,5 kN se zvýší pevnost na únavu asi o 15%.

Použití hliníkových sendvičových desek v jejich obvyklém provedení, tj. kovové krycí vrstvy s pěnovým jádrem z umělé hmoty, je zejména z hlediska recyklace a zpracování velmi problematické. Jako alternativa se představují kombinované desky z dvou tenkých kovových vnějších povlaků a recyklovatelné nebo kovové vložky, které mají vysokou tuhost a mimořádně malou hmotnost. Nová spojovací technika "odporového svařování s přetvářením" pro výrobu těchto kombinovaných desek je na základě všestranných zkoušek těchto dílů velmi dobrá. Tato technika byla představena při výrobě kombinovaných desek s vložkami z dřevěných vláken a hliníkových sendvičových desek.

Svary třením na hřídelích o průměru 18 mm ze slitin typu AlMgSi s ocelí XSCrNiMo17-12-2 je možno zhotovit s dobrými pevnostními výsledky. K tomu je nutná samostatná optimalizace svařovacích podmínek pro každý druh slitiny, aby se dosáhl při nejkratším možném třecím čase několika desetin sekundy vyhovující příkon tepla a plastifikace. Cíleným tepelným zpracováním po svaření (rozpouštěcí žíhání, zakalení, tepelné vyloučení) byly i přes zhrubnutí zrna docíleny zlepšené vlastnosti spoje.

Studiem pohybu materiálu při smíšeném svařování třením hliníkových slitin 6061 a 7075 byl vyvinut model procesu přetváření. Proces je vyznačen buď jednoduchým protlačováním nebo chaotickým míšením. Je to přitom nezávislé na tom, odkud materiál uvnitř svařovací zóny pochází. Výsledky mají význam pro další vývoj svařovacího procesu a pro modifikaci výkonu svařovacího nástroje.

Difusní svařování umožňuje spojování kovových a nekovových materiálů bez vzniku tavně-tekuté fáze. Článek popisuje difusní svařování infračervené optické látky pro optické systémy s jinými látkami. Přednostně se jedná o chalkogenidová skla (Ge-As-Se, Ge-As-Se-Te, Ge-Sb-Se), safír, germanium a křemík, přičemž jsou nejvyšší požadavky nasměrovány na kvalitu povrchu. První výsledky difusního svařování vysokopevnostních slitin z lehkých kovů jsou již rovněž k dispozici, jedná se o kombinace AlZnMgCu1,5-AlZnCu1,5, TiAl6V4-TiAl5V4, TiAl6V4-AlZnMg1,5 a TiAl6V4-2CrMo4.

Materiály na bázi intermetalických fází se dají rovněž bezvadně spojovat, a to pomocí pevných tělísek a difusního svařování. Byla vyšetřována jemně litá a za tepla isostaticky lisovaná titan-hliníková slitina s podílem složek 49% titanu, 47% hliníku a celkem 4% legovacích prvků chromu, manganu, niobu, křemíku a boru. Při svařování za nízké teploty, nízkého tlaku a krátkém svařovacím čase vznikají v difusní zóně malá rekrystalizační zrna gama-fáze s viditelnou oddělovací hranicí mezi svařovanými částmi. Při zvýšení teploty, tlaku a svařovacího času se v difusní zóně tvoří nová větší zrna, při čemž oddělovací hranice je jen těžko znatelná. Tepelné zpracování po difusním svařování ke změně struktury od duplexní na lamelární bez existence oddělovací hranice.

Významným předpokladem pro využívání keramiky je vývoj vhodných způsobů spojování částí z keramiky s částmi z kovu. Z keramických základních materiálů ZrO2 nebo SiC a kovových materiálů čistého niklu, čisté mědi nebo niklové slitiny Ni65Cu33Fe2 se dají zhotovit pomocí isostatického lisování za tepla nebo difusního svařování vysoko zatížitelné svarové spoje. Pro snížení vnitřních pnutí a pro zvýšení soudržnosti spojů byla změněna makrogeometrie keramické spojové plochy vnesením rastru prohloubenin nebo síťovou strukturou.

Díly používané v jemné mechanice a elektronice se vyrábějí hlavně z neželezných kovů, ušlechtilých kovů a optických materiálů. Tyto materiály se spojují daleko obtížněji než ocele. Spojované díly jsou nejčastěji vyrobeny z různých kovů nebo slitin, které se od sebe velmi liší tepelnou a elektrickou vodivostí, teplotou tavení, tvrdostí a příp. pokrytím povrchové vrstvy, což ztěžuje spojování. V jedné práci je uveden přehled nejdůležitějších způsobů spojování, které se používají v jemné mechanice a elektronice. Je přitom zřetelně ukázána jejich závislost na stanovených požadavkách a na materiálové kombinaci. Přednosti a nevýhody jednotlivých způsobů jsou vzájemně porovnány.

Pomocí ultrazvukového svařování je možno úspěšně spojovat lakem izolované měděné dráty (průměr 0,3 až 2,0 mm) s měděnými kontakty. Vysokofrekvenční energie rozrušuje lakovou vrstvu, odstraňuje ji z ze spojové zóny a umožňuje spojení. Pro průměry pod 0,5 mm jsou nutná zařízení s frekvencí od 36 kHz, přesným měřením posuvů elektrod a přesným nastavením síly do 150 N. Dráty o průměru nad 1,4 mm vyžadují použití úpravy povrchových ploch elektrod podle jeho průměru, protože jen tak je možno zajistit dobré vedení drátu a převod energie.

Připojovací díly z mědi je možno spojovat s kysličníkovou keramikou, jestliže je její povrch očištěn plazmou nebo je pokryt různými materiály a způsoby. Jako vhodné způsoby pokrývání se osvědčilo fyzikální pokrývání parami, nastříkání plazmou a kombinovaný způsob třením a pájením. Nejlepší výsledky v pevnosti na smyk (až 72 MPa), reprodukovatelnosti a v procesní stabilitě byly dosaženy kysličníkem zirkonia částečně stabilizovaným kysličníkem hořčíku, při kterém byla nanesena nejdříve třením vrstvička titanu a potom pokrytí pájkou BAg58CuPd-824/852.

Při ultrazvukovém švovém svařování skel, skleněné keramiky a keramiky s kovy vznikají tepelná vnitřní pnutí, která jsou odvozena z různých koeficientů tepelného prodloužení spojovaných částí. V jedné práci je uveden výpočet rozdělení teploty a tepelných vnitřních pnutí metodou simulace konečných prvků. Další práce se zabývá působením vnitřních pnutí na pevnost spoje při vnějším tahovosmykovém namáhání. Jsou přitom udány určité kritické oblasti možného porušení svaru. Pomocí metody konečných prvků byly početně simulovány postupy pro omezení vnitřních pnutí a výsledky byly experimentálně potvrzeny.

Odolnost mědi proti opotřebení se dá výrazně zvýšit legováním a disperzací pomocí plazma- a WIG-svařování. K legování slouží přídavné materiály na bázi niklu, železa, manganu a hliníku, u kterých lze očekávat tvoru směsných krystalů s mědí. Při disperzaci pronikají tvrdé materiály jako tavný karbid wolframu a karbid titanu jako částice do matrice.

Za pomocí WIG-navařování na plechy ze slitiny AlCu-Si (2195-T8) byl studován vliv výkonného gravitačního pole s 1,5 a 10g (1 g = 9,8 m.s-2) na vzniklou mikrostrukturu. Zajímavé bylo ovlivňování úzkého pásku z úzkých stejnoosých zrn, které lze pozorovat podél tavné linie a které zmizí, jestliže se zvýší hladina g. Existence této zóny může ve značné míře ovlivnit mechanické vlastnosti spoje.

Legovacími systémy pro slitiny s pamětí tvaru, tzv. Shapememory slitiny, jsou kromě jiných Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Au-Cd a Ni-Al. Spojování takových slitin je velmi obtížné, protože spojovacím procesem je efekt tvarové paměti základního materiálu velmi silně ovlivněn. Ještě těžší je dosáhnout tento efekt v zóně spoje, protože je velmi závislý na chemickém složení a mikrostrutuře. Úspěch slibuje svařování v pevné fázi.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz