Svařování hliníku v ochranných plynech

Poslední dobou je kladen stále větší důraz na efektivitu výroby. Snad největší tlak v tomto směru je v oblasti výroby automobilů. Vzhledem k rostoucím cenám pohonných hmot na straně jedné, zvyšující se motorizaci na straně druhé a konečně i k ochraně životního prostředí požadující minimalizaci emisí skleníkových plynů je zde zřejmá snaha výrobců motorových vozidel snížit spotřebu benzinu a nafty, která s těmito emisemi přímo souvisí. Jednou z cest ke snížení spotřeby je snižování hmotnosti vozidel. To dává prostor pro větší využití hliníku a jeho slitin ve výrobě.

Hliník a jeho vlastnosti

Hliník je stříbřitý lehký kov s měrnou hmotností 2 699 kg.m^-3 s výbornou tvařitelností za studena. Za to vděčí kubické soustavě s plošně středěnou mřížkou, v níž krystalizuje. Pevnost čistého hliníku není nijak oslnivá, dosahuje jen 70 Mpa a tažnost asi 30 %. Běžná čistota technického hliníku je 99,5 %. Hlavními nečistotami bývají železo a křemík. Velkou výhodou hliníku je jeho výborná korozní odolnost daná tenkou vrstvičkou Al₂O₃ na povrchu hliníku. Hliník má totiž velkou afinitu ke kyslíku, čehož se mimo jiné využívá k dezoxidaci při tavení železa. Tato vlastnost silně omezuje volbu ochranných atmosfér pro svařování, jak uvidíme později. Teplota tavení samotného hliníku je asi 660 ºC. Ale teplota tavení Al₂O₃ je 2 250 ºC, což vede k dalším problémům při svařování. Hliník se vyznačuje výbornou tepelnou a elektrickou vodivostí, dříve se hodně využíval pro rozvody elektřiny. Další nevýhodou hliníku je jeho tendence k tečení pod napětím. Proto se v technické praxi více využívají slitiny hliníku. Čistý hliník se využívá například pro obaly nápojů, kde tato vlastnost vadí méně, jde o jednorázové plechovky, nižší pevnost umožňuje otevření bez použití nástrojů.

Slitiny hliníku se dělí dle způsobu výroby a vlastností na slitiny tvářené a odlévané. Tvářené slitiny se dále dělí na tepelně nevytvrzovatelné a vytvrzovatelné. U nevytvrzovatelných nelze tepelným zpracováním podstatně zvýšit tvrdost.

Specifika při svařování hliníku a jeho slitin

Asi největší překážkou při svařování hliníku je jeho velká afinita ke kyslíku a tvorba elektricky nevodivé vrstvy oxidu hlinitého, který se poměrně rychle na povrchu čistého hliníku vytváří. A aby toho nebylo málo, tento oxid je hydrofílní, tj. váže vodu, která je potom zdrojem vodíku ve svaru. Navíc má vodík v hliníku rozpustnost velmi prudce se zvyšující s teplotou. Protože hliník velmi dobře odvádí teplo, také rychle chladne a vodík rozpuštěný v tavné lázni nestačí difundovat pryč a je zdrojem porezity. Mimoto hliník při zahřívání nemění svoji barvu, což ztěžuje ruční svařování. I oxid hliníku je barevný stejně stříbrně, takže někdy svářeč přehřeje tavnou lázeň, protože je dávno nad teplotou tavení hliníku, a to co vidí, je pevná vrstvička oxidu, pod nímž má již přehřátou tavnou lázeň. Proto se hliník často svařuje na měděné podložce a u průmyslových podélných svarů se u tupých spojů s oblibou používá „ztracená" hliníková podložka.

Z těchto specifik plynou následující doporučení:

1. vyvarovat se ochranných plynů s vodíkem, užívat jen inertní plyny;
2. povrch svaru čistit těsně před svařováním, aby případná vrstva oxidu byla co nejtenčí; jako maximum se uvádí prodleva 4 hodiny mezi čištěním a svařováním;
3. nepřehřívat svar, pracovat rychle, aby nedošlo k navodíkování;
4. vhodnou technikou eliminovat neprůvary na začátku procesu svařování (předehřev nebo pomalý start, respektive startovací proud vyšší až o 100 %);
5. při svařování elektrickým obloukem využívat pulz a obrácenou polaritu k čištění -odstraňování vrstvy oxidu přímo při svařování.

Svařování hliníku plamenem

Hliník a jeho slitiny můžeme svařovat některými exotickými, ale i osvědčenými metodami. Metoda svařování plamenem je též použitelná, ale není příliš rozšířena. Lze ji použít, pokud není jiná metoda k dispozici. Před vlastním svařováním se musí dokonale odstranit oxid hlinitý, nejlépe speciálním mořidlem na bázi hydroxidu sodného v koncentraci 100 g na litr s přídavkem chloridu sodného 20 g na litr. Pracuje při teplotě 70 ºC. Jinak je možné vrstvu oxidu odstranit mechanicky například nerezovým kartáčem.

Je možné též užít tavidla na bázi chloridů (draselný + sodný + lithný) spolu s fluoridem draselným a kyselým síranem sodným. Zde je vhodné volit komerční výrobky dostupné na trhu.

Pro vlastní svařování se použije mírně redukční plamen (tj. s cca 3x delším bílým svítícím kuželem oproti neutrálnímu ostře ohraničenému plameni, navíc je tento plamen charakteristický neostrým ukončením tohoto kuželu).

Svařuje se směrem doleva, tj. s přídavným materiálem v levé ruce a hořákem v pravé, pohyb je směrem za drátem. Sklon hořáku a drátu bývá kolem 45º od vodorovné roviny, vyjma předehřevu před začátkem svařování, kdy vytváříme co nejmenší tavnou lázeň kolmo na povrch plechu. Průměr přídavného drátu začíná na 2 mm pro plechy 0,5-1 mm, u plechů tloušťky od 2 do 3 mm volíme průměr drátu 3 mm. U větších tlouštěk je průměr drátu shodný, respektive o 1 mm menší, než je tloušťka plechu. Teprve u tlouštěk nad 8 mm volíme drát s průměrem rovným 2/3 tloušťky plechu. Svařujeme v poloze vodorovné shora.

Při užití tavidla následuje oplach horkou vodou s následnou neutralizací na bázi 2% kyseliny chromové doplněný opětovným oplachem horkou vodou.

Svařování hliníku obalenou elektrodou

Svařování hliníku obalenou elektrodou je v podstatě velmi podobné svařování oceli, ovšem na některé kroky je nutno upozornit. Svařované součásti musí být suché, odmaštěné a mechanicky očištěné těsně před svařováním. Elektrody mají obal, který jednak tvoří ochranu tavné lázně před kyslíkem, jednak obsahuje prvky, které napomáhají rozrušení oxidické vrstvy a tvoří dobře odstranitelnou strusku, která též pomáhá formovat vznikající housenku. Důležité je proto dobré odsávání nebo větrání. Elektroda se připojuje na kladný pól zdroje.

Důležité je dokonalé vysušení elektrod pro eliminaci vodíku. Průměr elektrody se volí dle tloušťky základního materiálu takto:

• do tloušťky základního materiálu (dále ZM) 6 mm: d = tl. ZM - 1 mm;
• nad tloušťku ZM 6 mm: d = tl. ZM/2 + 3 mm.

Svařování hliníku třením

Tato velmi perspektivní metoda byla původně určena pouze pro svařování rotačních součástek. Rotací a současným přitlačením k sobě došlo k vývinu tepla, materiál se dostal do plastického stavu a za rotace došlo ke spojení obou tyčí a k tvorbě výronku. Po zastavení rotace se výronek s obsahem oxidů a nedokonalostí odřeže.

Dalším vývojem této metody firmou TWI vznikla metoda FSW (Friction Stir Welding), která umožňuje spojování plochých upnutých dílů, typicky plechů, pomocí rotujícího třecího nástroje - trnu -, který vyvíjí potřebné teplo a tlak a za současného pohybu přesouvá materiál v plastickém stavu z čela na jeho vlečný okraj, kde je materiál těsným kontaktem vykován a vytváří tak spoj. Touto metodou lze spojit i materiály teoreticky obtížně svařitelné. Její uplatnění je ve velkosériové výrobě převážně tupých spojů.

Svařování hliníku metodou TIG

Metoda TIG (Tungsten Inert Gas, svařování netavící se elektrodou) je známá a velmi rozšířená a dokáže poskytnout svary té nejvyšší kvality. Poslední dobou je doplňována o podavače přídavných materiálů (dále PM), aby se tak eliminovala její hlavní nevýhoda, kterou je nižší výkon svařování.

Při svařování hliníku touto metodou musíme použít zdroj, který „umí" čištění, tj. dokáže v průběhu svařování změnou polarity čistit povrch od oxidu. Běžné zdroje používané při svařování oceli mají používanou netavící se elektrodu zapojenou na záporný pól zdroje. Tak je zajištěno, že elektroda je tepelně méně namáhána a maximum tepelného výkonu jde do svarové lázně, respektive základního materiálu. To je tzv. přímá polarita, kdy elektrony z katody bombardují anodu, která má vyšší teplotu v tzv. anodové skvrně. Při svařování hliníku ale vznikne na ZM vrstva oxidu Al₂O₃, která je elektricky nevodivá, napětí na oblouku se zvyšuje a proud klesá. Pak dojde k přepnutí polarity na zdroji. Elektrony začínají vylétat ze základního materiálu z tzv. katodové skvrny a spolehlivě rozruší vrstvu oxidů na povrchu ZM. Dojde ke snížení napětí na oblouku, přepnutí polarity a chvilku se zase vnáší více tepla do základního materiálu. Elektrony putují opět z netavící se elektrody do ZM, který více zahřívají. Přitom se opět na ZM vytvoří nová vrstva Al₂O₃ a celý proces se cyklicky opakuje. Svařovací proces probíhá v ochranné atmosféře argonu nebo jiné vhodné směsi, o nichž pojednáme níže.

Svařování hliníku metodou MIG

MIG (Metal Inert Gas, svařování tavící se elektrodou) je opět velmi rozšířenou metodou, stále přezdívanou „céóčko" podle prvního ochranného plynu, který se kdysi na těchto strojích používal. U této metody hoří elektrický oblouk mezi odtavující se drátovou elektrodou, která je zároveň přídavným materiálem. Tato elektroda o průměru od 0,6 do 1,6 mm (typicky 1,2 mm) je namotána na cívce a pomocí kladkového podavače, bowdenu a kontaktní trysky, kde získá elektrické napětí a proud, je vedena do oblouku, respektive u krátkého oblouku až do tavné lázně. Hubicí, která je umístěna centricky ke kontaktní trysce, je do procesu přiváděn ochranný plyn, většinou na bázi argonu. Pro hliník i zde platí několik specifik oproti oceli.

Zdroj musí být vhodný pro svařování hliníku, tzn. musí mít možnost změny polarity tzv. čištění. Protože hliník je měkký, bývá vybaven čtyřkladkovým podavačem a bowden má teflonovou vložku. Pokud se žádá svařování menších tlouštěk, měl by zdroj být vybaven pulzací. Standardně se hliník svařuje sprchovým procesem, zkratový proces má nižší stabilitu, ale záleží též na plynu, jak pojednáme níže.

Jako ochranný plyn se používá čistý argon nebo u větších tlouštěk jeho směs s heliem. Oproti svařování oceli je průtok ochranného plynu vyšší - cca 16 až 20 l.min^-1 (pro PM průměru 1,2 mm), dle použitého svařovacího proudu. Použije-li se směs s heliem, které je velmi lehké, jsou spotřeby až dvojnásobné.

Ochranné plyny pro metody TIG a MIG

Základním plynem pro svařování hliníku je inertní plyn argon, doporučuje se jeho minimální čistota 99,9 % Ar, tj. 3.0. Prakticky se ale používají čistoty 4.6 a 4.8. Důležitější než podíl nečistot je to, o jaké nečistoty jde: škodlivá je vlhkost a přítomnost kyslíku. U větších tlouštěk se používají směsi s heliem. Helium má vliv na napětí na oblouku a tím, že toto napětí zvyšuje, umožňuje větší přenos výkonu, příznivě ovlivňuje hloubku závaru a výkon svařování. Na druhé straně je oblouk ve směsi argonu s heliem méně stabilní. Směsi s heliem se tedy nehodí pro malé tloušťky základního materiálu, kdy je důležitější stabilita oblouku a hloubka závaru je u tenkých plechů i v čistém argonu dostatečná. Plynová ochrana je nezbytná při TIG, MIG i plazmových metodách svařování hliníku. Kvalita a výkon jsou stále rozhodujícími kritérii pro úspornost a hospodárnost výroby. Otázky volby ochranného plynu hrají také zde hlavní roli. Obvykle je volen argon nebo také argon ve směsi s heliem od 30 do 70 % helia. Aktivní směsi, jak je známe z použití při svařování ocelí, nejsou z metalurgických důvodů pro svařování hliníku a jeho slitin použitelné.

Směsi s malým množstvím dusíku

Messer zde nabízí v plynech Alumix alternativu. Velmi precisně namíchané velmi malé množství N₂ (dusíku) do Ar (argonu) nebo do směsi Ar + He totiž z více pohledů významně zlepšuje chování při svařování. Přináší kvalitu a úspornost současně. Tyto přednosti se projeví nejen při TIG svařování, ale i při MIG svařování. Při srovnání s čistým argonem se zlepší stabilita oblouku a přechod PM do tavné lázně. Při TIG svařování je tato změna plynu patrná i akusticky - oblouk je tišší a rovněž opticky lze pozorovat jeho koncentraci do čisticí a tavné zóny. Současně přináší hlubší penetraci do materiálu, což je zřetelně vidět na provedených makrovýbrusech. Intenzivnější natavení zvýší bezpečnost provedení svaru nebo současně umožní zvýšit výkon svařování. Jedná se o důležitý faktor, který vede k redukci výrobních nákladů a ke zvýšení výkonu o cca 10 %. Svar metodou TIG s plyny řady Alumix vede i k viditelnému zrovnoměrnění a zjemnění kresby svaru, povrch je hladší.

Také u MIG svaru s Alumixem vede k menšímu převýšení a rovnoměrnější jemnější kresbě. Přechody svarového kovu do ZM jsou plynulejší na první pohled. Při rychlém MIG procesu je penetrace intenzivnější, což je důležitý faktor k omezení studených spojů. K této vadě je hliník náchylný hlavně na začátku svařování. Přirozeně je zde i možnost úspory nákladů, neboť lepší penetrace umožní zvýšit svařovací rychlost, což je rovněž důležité. MIG svary vykazují často až omezenou porezitu vlivem vodíku. Ta je u Alumixu významně zredukována nebo dokonce zcela odstraněna. Zvláštní vedlejší výhodou je také snížení spodní hranice použitelného proudu, která vede k rozšíření nastavitelného rozsahu. Hliník se běžně nedoporučuje svařovat velmi nízkými proudy, tj. zkratovým procesem. Použitím plynu Alumix je však toto i u hliníku možné. Také tenké plechy tak můžeme v Alumixu svařovat rychle, čistě a bezpečně bez impulzní techniky a nahradit tak v těchto případech používanou metodu TIG, která je několikrát pomalejší.

Výhody plynů řady Alumix

Malá přísada dusíku je levnější než drahé helium a podíl helia může být snížen. To vede ke snížení spotřeby ochranného plynu (lehké helium je citlivější na průvan, a proto se u helia musí používat vyšší průtoky). Na stabilitu oblouku působí přísada malého množství dusíku opačně než helium. Zatímco helium oblouk destabilizuje, dusík v malém množství působí stabilizačně. Molekuly dusíku v elektrickém oblouku disociují a pak zpětně nekombinují, a tím se podílejí na lepším přenosu energie a stabilitě oblouku. Stabilnější oblouk pak při pulzním způsobu svařování přispívá k širším možnostem regulace a odstraňuje problémy se zhasínáním oblouku při průchodu nulou. I svářečku, která nemá vysokofrekvenční stabilizaci při průchodu nulou, lze s Alumixem použít pro malé hodnoty proudu.

Použití plynů řady Alumix, ať již Alumixu N bez helia nebo Alumixu He 15 N, Alumixu He 30 N až Alumixu He 50 N s obsahem helia od 15 do 50 %, je zajímavou alternativou k čistému Argonu, případně k argonheliovým směsím s obsahem helia 30 až 70 %.

Ing. Jaroslav Hájek

Messer Technogas

www.messergroup.com/cz

jaroslav.hajek@messergroup.com