Svařitelnost hliníkových slitin

Výsledků bylo dosaženo použitím technologické zkoušky svařitelnosti dle Houltcrofta (Fisbone test) na modifikovaném tvaru zkušebního vzorku. Byla zkoumána citlivost základního materiálu na vznik trhlin za horka a porovnána s vlivem různých přídavných materiálů, které výrobci doporučují pro použití s uvedeným základním materiálem.

Vlastnosti a použití

Hliník je unikátní, poměrně mladý materiál, jehož výroba trvale vykazuje větší roční přírůstky, než je běžné u ostatních kovů. Stejně tak v posledních letech neustále vzrůstá i význam slitin hliníku jako konstrukčního materiálu. Je to dáno velmi výhodnou kombinací fyzikálních, mechanických, chemických a technologických vlastností těchto slitin, které umožňují aplikaci téměř ve všech oblastech lidské činnosti [1].

Největším spotřebitelem hliníku a jeho slitin je oblast dopravního průmyslu (ať už jde o letecký, automobilový průmysl nebo výrobu kolejových vozidel, lodí a kosmonautiku) [2, 3]. V dopravním sektoru je největším argumentem pro aplikaci hliníkových slitin jejich nízká měrná hmotnost v kombinaci s relativně vysokou pevností a korozní odolností. Politicko-environmentální požadavky na nové dopravní prostředky jsou směrovány především na lepší využití paliva (snížení jeho spotřeby) a snížení celkových škodlivých emisí produkovaných především automobilovou dopravou [4]. Hliník dnes také často nahrazuje jiné materiály (ocel, měď, plasty, dřevo) například i ve stavebnictví [5].

V normách je uváděno přes 120 druhů slitin hliníku, proto nelze očekávat dramatický vývoj nových typů [6]. Předpokládá se, že hlavní směry vývoje slitin hliníku budou na bázi již známých Al-Cu-Li, Al-Mg-Li, Al-Li-X (pro X = Cu, Mg, Zr) pro speciální použití v letectví a především v kosmické technice. Z „klasických" slitin hliníku se předpokládá v nejbližší budoucnosti upřednostnění vývoje slitin Al-Mg-Si a Al-Mg a vývoj modifikovaných slitin legovaných např. scandiem apod.

To je jeden z hlavních důvodů, proč se skupina svařování na Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojní ČVUT v Praze zabývá výzkumem svařitelnosti těchto klasických vytvrditelných hliníkových slitin, kde je věnována pozornost především slitinám typu AlMgSi (slitiny ze skupiny 6xxx) a AlZnMg (7xxx).

Svařitelnost hliníkových slitin

Konstrukční řešení využívající hliníkové slitiny mnohdy vyžadují aplikovat tavné procesy spojování jednotlivých dílů - především svařování. Pro svařování jsou díky jemnozrnější struktuře obecně výhodnější tvářené slitiny, u kterých však může vlivem svařování docházet k výrazné degradaci mechanických vlastností (především u slitin vytvrditelných).

Svařitelnost hliníku a jeho slitin je ovlivněna několika podstatnými činiteli (vycházejí ze specifických vlastností hliníku). To vyžaduje odlišný přístup ke svařování ve srovnání s nejběžnějšími konstrukčními, tzn. ocelovými materiály. Nejdůležitější činitelé ovlivňující svařitelnost Al slitin, které mají největší vliv na kvalitu svarových spojů, jsou [7]: velká afinita hliníku ke kyslíku, která zapříčiňuje tvorbu oxidické vrstvy (oxid hlinitý - Al₂O₃) na povrchu materiálu. Ta má vysokou teplotní stabilitu (teplota tavení 2 054 °C) a vyšší hustotu (3,96 g.cm^-3) než základní hliníkový materiál (2,7 g.cm^-3). Tento oxid zabraňuje metalickému spojení základního a přídavného materiálu. Dále velký koeficient lineární roztažnosti způsobuje velké deformace a napětí, které při svařování často zapříčiňují vznik trhlin. Dalším činitelem je velká citlivost některých hliníkových slitin na ohřev, což vyvolává v tepelně ovlivněné oblasti precipitační procesy (v podstatě jde o rozpouštění vytvrzující fáze), které snižují mechanické vlastnosti a odolnost proti korozi. Přítomnost nečistot podmiňuje vznik nízkotavitelných eutektik, která vytvářejí podmínky pro vznik trhlin za tepla. Stav materiálu před svařováním výrazně ovlivňuje mechanické vlastnosti v tepelně ovlivněné oblasti. A důležité je i to, že Al při ohřevu nemění barvu, proto vizuální určení teploty tavení při ručním svařování a sledování tavné lázně jsou obtížné a vyžadují určité zkušenosti.

Technologické podmínky a zásady svařování a dalšího zpracování slitin hliníku obsahuje zejména norma ČSN EN 1011-4 (Svařování - doporučení pro svařování kovových materiálů - Část 4: Obloukové svařování hliníku a slitin hliníku) z roku 2001.

Typy trhlin při svařování hliníkových slitin

I přes dodržení vstupních technologických podmínek mohou ve svarových spojích vznikat trhliny, což bývá při svařování obecně jeden z největších problémů, protože trhliny jsou dle ČSN EN ISO 10042 ve všech stupních jakosti vždy nepřípustnou vadou.

Nejčastějším typem trhlin jsou tzv. „trhliny za tepla" vznikající ve svarovém kovu (interkrystalické solidifikační trhliny) a někdy i v tepelně ovlivněné oblasti (likvační trhliny). Při svařování vytvrzených slitin hliníku (obvykle u vysokolegovaných slitin typu  AlCuMg a AlZnMg) se může objevit i praskání při nižších teplotách v oblasti svarového spoje (transkrystalické trhliny „za studena" v TOO). Některé slitiny jsou navíc náchylné na korozní praskání pod napětím. Proto i s tímto faktorem musíme počítat při návrhu základního a přídavného materiálu [8].

Solidifikační interkrystalické trhliny vznikají ve svarovém kovu v průběhu tuhnutí jako důsledek vysokého napětí na fázovém rozhraní. Definice těchto krystalizačních trhlin dle ČSN EN ISO 17641-1 zní: „Jsou to trhliny za tepla, které se tvoří během tuhnutí z tekuté fáze svarových kovů." Hliník má v porovnání s ocelí 2x vyšší tepelnou roztažnost, proto tuhnoucí svarová lázeň vyvolává velká napětí. Solidifikační trhliny se obvykle šíří od osy svaru, tedy z místa, které tuhne jako poslední. Proto se doporučuje svařovat s malým tepelným příkonem do svaru, s co nejmenším počtem housenek a nevytvářet velkou tavnou lázeň. Další možností, jak zabránit solidifikačním trhlinám, která je intenzivně vyvíjena, je elektromagnetické míchání svarové lázně v průběhu svařování. Pro slitiny typu 6xxx a 7xxx je tento typ trhlin typický (viz obr. 1).

Likvační interkrystalické trhliny vznikají ve vysokoohřátém podhousenkovém pásmu teplem ovlivněné oblasti nebo ve svarovém kovu při vícevrstvém svařování. Kombinace elasto-plastického napětí v průběhu tuhnutí svarové lázně je příčinou vzniku těchto trhlin za tepla v hliníkových slitinách [9]. Dalším základním faktorem pro vznik likvačních trhlin je struktura a chemické složení základního materiálu.

Trhliny za tepla vznikají i ve svarovém kovu těsně pod teplotou solidu (polygonizační trhliny). Tyto trhliny se nejčastěji vyskytují ve slitinách s ostře ohraničenou strukturou, přičemž se šíří v mezikrystalových (mezizrnných) prostorech. V mnohých případech jsou pokračováním trhlin, které vznikají těsně nad teplotou solidu. Dle výše zmíněné normy jsou to trhliny, které se tvoří během svařování v důsledku poklesu houževnatosti za tepla. Podobně jako krystalizační trhliny se i tyto mohou vyskytovat v TOO  nebo u vícehousenkových svarů.

Transkrystalické trhliny za studena vznikají v TOO u vysokopevných hliníkových slitin 2xxx (AlCuMg) a 7xxx (AlZnMg) v důsledku vysoké hladiny svařováním indukovaného napětí a nízké hodnoty tažnosti. Zabránit těmto trhlinám můžeme nejlépe dodržením poměru Zn:Mg do 3:1, dolegováním Mg nebo Cu a snížením obsahu Si, Fe a dalších nečistot. Transkrystalickým trhlinám lze také zabránit komplexním vícestupňovým tepelným zpracováním.

Korozní praskání pod napětím nastává, když jsou splněny tři základní faktory: dostatečně vysoká úroveň napětí (charakterizované při dané velikosti defektů součinitelem intenzity napětí KI), vliv korozního prostředí a citlivost materiálu ke koroznímu prostředí. Při současném působení koroze a mechanického napětí může být intenzita korozního napadení vyšší, než by odpovídalo součtu poškození při jejich izolovaném působení.

Faktory ovlivňující vznik trhlin

Na vznik trhlin jsou citlivější svary ze slitin, které mají široký interval tuhnutí. Vznik trhlin je rovněž ovlivněn způsobem krystalizace a segregací. Náchylnost ke vzniku trhlin za tepla je ovlivňována typem a především množstvím eutektické fáze. Trhliny za tepla vznikají tehdy, je-li objem eutektika malý a nedostatečným způsobem vyplňuje prostory mezi rostoucími dendrity (obr. 2).

V případě, že objem tekuté eutektické fáze v závěrečné fázi krystalizace je dostatečný na vyplnění prostoru mezi vznikajícími dendrity, nejsou splněny podmínky pro vznik krystalizačních trhlin. Na úplné potlačení krystalizačních trhlin je potřebný objem eutektické fáze v rozmezí 15-25 %, podle typu slitiny a podmínek svařování. Potřebné množství eutektika ve svarovém kovu lze zajistit použitím vhodného přídavného materiálu.

Na vznik zmíněného typu trhlin jsou zvlášť náchylné tepelně zpracovatelné slitiny Al, nízkolegované slitiny Al a také některé typy technického Al. Pro každou skupinu slitin Al je stanovena kritická hodnota legujícího prvku, pro kterou je náchylnost na vznik trhlin za tepla největší, viz obr. 3 [10].

Obecně se např. uvádí, že sklon k trhlinám u slitin typu Al-Mg-Si se sníží použitím přídavných materiálů se zvýšeným obsahem Si nebo Mg. Nejčastěji se používají přídavné svařovací dráty AlSi5 a AlMg5 (s přísadou 0,1 až 0,25 % Cr, která působí příznivě na snížení sklonu k trhlinám). Na jednom svařovaném detailu se však nemají používat kombinace přídavných materiálů, a to hlavně u svarů, které se kříží. Sklon k trhlinám lze rovněž snížit použitím přídavných materiálů, které obsahují prvky zjemňující velikost zrna svarového kovu, např. titan, zirkon a niob (např. AlMg4,5MnZr).

Kromě chemického složení svarového kovu a základního materiálu (omezení obsahu nečistot typu Cu, Pb, Zn v základním materiálu) může vznik trhlin za tepla ovlivnit i zvolená technologie svařování (vhodné jsou metody umožňující velkou rychlost svařování - např. metoda MIG), parametry svařování a zejména předehřev, resp. je vhodné svařování neprovádět při tuhém upnutí svarových spojů.

Pokračování příště

Ladislav Kolařík

Karel Kovanda

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

ladislav.kolarik@fs.cvut.cz

Laboratoř pro svařování

[1]       MICHNA, Š. et al. Encyklopedie hliníku.  Adin s.r.o., Prešov, 2005.

[2]       BENEŠ, L. - KYSILKA, O. Problematika vzniku a eliminace defektů při svařování slitin hliníku v konstrukci kolejových vozidel. XXVII. DST - sborník přednášek, DT Pardubice , 2005.

[3]       BRAITHWAITE, B. Welding, a challenging technology, has much changed?. IIW           International conference, Prague, 2005.

[4]       JANDEJSEK, F. - WALD, F. Návrh svarů stavebních hliníkových konstrukcí, DSSM č. 4, TM Vydavatelství, Praha, 2002.

[5]       MICHNA, Š. - LUKÁČ, I. Aluminium in New Century and Ulterior Possibilities for its Exploitation in Transportation, Aluminium 2005, Děčín - Střelnice, 2005.

[6]       ŠPERLINK, K. Budoucnost použití Al a Al slitin. Aluminium 2003, Děčín - Střelnice, 2003.

[7]       KOLAŘÍK, L. Svařování hliníkových slitin, Technický týdeník, č. 13/2010, 2010, s. 36. ISSN 0040-1064.

[8]       ZMYDLENÝ, T. Trhliny při svařování hliníkových slitin řady 6 000 a 7 000, SDSM č. 3, TM Vydavatelství, Praha, 2004.

[9]       STEENBERGEN, E. J. - THORNTON, H.R. A Quantitative Determination of the Conditionsfor Hot Cracking DuringWeldingfor Aluminium Alloys, WeldingJournal, February 1970.

[10]     MATHERS, G. The Welding of Aluminium and its Alloys. Woodhead Publishing Ltd. Padstow, Cornwall, England, 2002.