Ochranné plyny s obsahem dusíku pro svařování hliníku

Snížení hmotnosti je jednou z cest k úspoře pohonných hmot, což je výhodné z hlediska ekologického i ekonomického. Není tedy divu, že hliník a jeho slitiny nacházejí stále větší uplatnění nejen při stavbě kolejových vozidel, letadel, ale i automobilů.

Při svařování hliníku a jeho slitin metodou TIG a MIG musíme respektovat určitá specifika, která jsou s tímto procesem spojena. Vše vychází ze základních vlastností hliníku. Největším úskalím je silná afinita hliníku ke kyslíku a tvorba elektricky nevodivé vrstvy oxidu hlinitého Al2O3, který se na povrchu čistého hliníku velmi rychle vytváří. Z těchto důvodů je nezbytné při svařování hliníku metodou TIG a MIG používat pouze inertní plyny, aby se zabránilo styku svarové lázně s okolní atmosférou.

Oxid hlinitý je navíc hydrofilní (váže vodu, která může být zdrojem vodíku ve svaru). Rozpustnost vodíku v hliníku se s teplotou výrazně zvyšuje. Tato vlastnost představuje v kombinaci s výbornou tepelnou vodivostí hliníku velké riziko. Po svařování dochází k velmi rychlému odvodu tepla, svar chladne a vodík rozpuštěný během svařovacího procesu v tavné lázni nestačí difundovat. Výsledkem je zvýšená pórozita. Z výše uvedeného je zřejmé, že musíme přítomnost vodíku ve svarové lázni za každou cenu omezit. Jednou z možností je předehřev před svařováním, který zpomalí odvod tepla z oblasti svaru. Vodík má následně více času difundovat. Dalším opatřením je důsledné odstranění oxidické vrstvy, nejlépe těsně před svařováním. Použití ochranné atmosféry s obsahem vodíku je nepřípustné.

Další pro svářeče nepříjemnou vlastností hliníku je velký rozdíl teploty tavení hliníku (přibližně 650°C) a Al2O3 (2 250°C). Hliník navíc při zahřívání nemění svoji barvu, která je téměř stejná jako barva oxidu hlinitého. To do značné míry komplikuje ruční svařování. Svářeč mnohdy přehřeje tavnou lázeň, protože vidí pouze pevnou vrstvu Al2O3, pod níž je skrytá přehřátá tavná lázeň. Proto se hliník často svařuje na měděné podložce.

Pro svařování hliníku metodou TIG a MIG se jako ochranný plyn používá většinou čistý argon (skupina I1 podle ČSN EN ISO 14175). Argon čistoty alespoň 4,6 (99,996 %) zajišťuje klidné hoření elektrického oblouku a při svařování metodou MIG nedochází téměř k žádnému rozstřiku. Nevýhodou argonu je nízká tepelná vodivost, což ho předurčuje především pro svařování dílců menších tlouštěk. V případě svařování silnějšího základního materiálu je nutné přistoupit k časově a ekonomicky náročnému předehřevu.

Proto se ve stále větší míře uplatňují ochranné plyny s vyšší tepelnou vodivostí. Typickým představitelem jsou směsi argonu a helia s obsahem helia 15 až 90 %. Helium zvyšuje napětí na oblouku, čímž umožňuje lepší přenos výkonu do svařovaného materiálu. Výsledkem je větší hloubka závaru a vyšší rychlost svařování při současném omezení nároků na předehřívání. Obsah helia v ochranném plynu zajistí také menší převýšení svaru a tím i nižší náklady při dalším opracování. Při použití směsi s heliem je nutné zvýšit průtok ochranného plynu až na dvojnásobek běžně nastavované hodnoty, tedy až 30 l.min-1. Je to způsobeno nízkou měrnou hmotností helia a rychlým odchodem ochranné atmosféry směrem vzhůru. Vliv obsahu helia na šířku a hloubku závaru je patrný z obr. 1.

Přítomnost helia v ochranném plynu však nemá pouze pozitivní efekty. Se vzrůstajícím podílem hélia se mohou objevit i určité komplikace. Při svařování metodou TIG i MIG dochází k většímu neklidu elektrického oblouku a tím i ke zvýšení rozstřiku. Při svařování může také docházet k horší pozorovatelnosti elektrického oblouku. Hélium vytváří při TIG procesu pouze dvacetiprocentní jas oproti čistému argonu. To znamená, že jas elektrického oblouku se vzrůstajícím podílem hélia výrazně klesá.

Obecně lze říct, že se vzrůstající tloušťkou základního materiálu by se měl zvyšovat obsah hélia v ochranném plynu. U velkých tlouštěk je jistá nestabilita elektrického oblouku způsobená přítomností helia bohatě kompenzována výrazně lepším průvarem. Naopak u tenkých materiálů preferujeme klidné hoření elektrického oblouku, které je zajištěno použitím čistého argonu.

Podle nejnovějších poznatků se kromě helia s výhodou uplatní i jiná složka ochranného plynu – dusík. S novou směsí ochranného plynu, která se od čistého argonu liší pouze nepatrnou přísadou dusíku, lze při svařování hliníku a hliníkových slitin metodou TIG a MIG dosáhnout mnohých výhod. Dusík jako dvouatomový plyn v elektrickém oblouku nejdříve disociuje a poté na povrchu svařovaného materiálu zpětně rekombinuje. Rekombinací dusíku se do svařovacího procesu přivádí více tepla, než je tomu v případě použití čistého argonu. Tuto výhodu je možné využít k překonání vysoké tepelné vodivosti hliníkových materiálů. Malé množství dusíku přispívá též ke stabilizaci elektrického oblouku.

Díky rozsáhlým výzkumům a výraznému zdokonalení v oblasti analýzy podílu jednotlivých příměsí v ochranném plynu bylo možné stanovit optimální podíl dusíku. Nejlepších výsledků bylo při četných pokusech s různou koncentrací dusíku dosaženo při hodnotě 150 ppm N₂ v argonu (1 ppm = 0,000 1 %). Jako nejvhodnější koncentrace se tedy ukázalo 0,015 % N₂ v ochranném plynu. Dusík se v této koncentraci používá jako příměs nejen do čistého argonu, ale také do směsí argon-helium. Příklady používaných ochranných plynů pro svařování hliníku a jeho slitin metodou TIG a MIG jsou uvedeny v tabulce.

Při sváření metodou TIG ve směsi argonu a dusíku (Aluline N) dochází ke zvýšení koncentrace elektrického oblouku. To vede ke zvýšení hustoty energie přiváděné do svarové lázně a výsledkem je intenzivnější průvar ve srovnání s čistým argonem (obr. 2). U svařování metodou MIG je třeba zdůraznit zejména klidný přenos přídavného materiálu do svarové lázně s minimem rozstřiku. Dalším přínosem je jemnější kresba povrchu svaru a zlepšené chování při tečení ve spodní oblasti intenzity proudu. Aluline N (0,015 % N2 v Ar) se mj. používá při kombinovaném svařování protlačovaných profilů z hliníkových slitin metodou MIG/TIG při výrobě kolejových vozidel (obr. 3).

U směsí argonu, helia a dusíku s podíly helia 15, 30 a 50 % bylo pozorováno příznivé ovlivnění neklidu elektrického oblouku, které bylo vyvoláno nepatrným podílem dusíku. Kromě toho ochranné plyny Aluline He15N, He30N, resp. He50N umožňují vyšší svařovací výkony a kratší doby předehřívání. Je třeba zdůraznit i velmi nízký sklon k vytváření pórů a bezpečný průvar. Za zmínku stojí též plynulý přechod svarového kovu do základního materiálu a velmi dobré provaření kořene svaru (obr. 4).

Níže jsou shrnuty výhody ochranných plynů s obsahem dusíku v porovnání s ochrannou atmosférou tvořenou čistým argonem či směsí argon-helium:

• klidný, velmi stabilní elektrický oblouk;
• koncentrovaný přívod energie do svarového kovu;
• vyšší rychlost svařování;
• hladký svar s jemnou kresbou;
• hlubší průvar;
• nižší poréznost;
• výhodnost pro svařování impulsním proudem;
• nižší požadavky na předehřev.

Hliník a jeho slitiny nacházejí v průmyslové výrobě stále větší uplatnění. Nedílnou součástí zpracování těchto materiálů je i svařovací proces. Výsledná jakost svarového spoje je ovlivněna celou řadou faktorů. Jedním z nich je i typ ochranného plynu. Správná volba ochranné atmosféry řady Aluline pomáhá optimalizovat svařovací proces a významnou měrou přispívá k dosažení požadovaných vlastností svarového spoje.

Ing. Jan Kašpar

Messer Technogas
dana.koepplova@messergroup.com
www.messer.cz

Tab. Složení ochranných plynů pro svařování hliníku