Svařitelnost hliníkových slitin

Svařitelnost hliníkových slitin

V minulém čísle jsme vám představili vlastnosti a použití hliníkových slitin, typy trhlin při svařování a faktory ovlivňující jejich vznik. V tomto čísle vás seznámíme s technologickými zkouškami svařitelnosti a s výsledky výzkumu v oblasti svařitelnosti hliníkových slitin prováděného na Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojní ČVUT v Praze.

Jedním z hlavních problémů při svařování hliníku a jeho slitin je možný výskyt trhlin ve svarovém kovu a částečně v tepelně ovlivněné oblasti [1, 2]. Zkoušky svařitelnosti hliníkových slitin se proto nejčastěji zaměřují právě na zkoušky praskavosti a jsou považovány za kritérium pro hodnocení svařitelnosti hliníkových slitin.

Technologické zkoušky svařitelnosti

Tyto zkoušky se vykonávají jednak pro zkoušení odolnosti vůči praskání základního materiálu a jednak proto, aby se kvalifikovaly přídavné materiály vzhledem ke sklonu k trhlinám. Sklon k trhlinám do velké míry závisí na podmínkách konkrétní zkoušky a ovlivňuje ho i způsob svařování. Obvykle se určuje z poměru délky trhlin k celkové délce svaru (u zkušebního tělesa):

A = (l_t/ l_o). 100 (%),

kde:  A = sklon k trhlinám (%), l_t = naměřená délka trhliny (mm), l₀ = délka návaru (mm).

Při posuzování sklonu k trhlinám je třeba porovnávat výsledky jednotlivých konkrétních zkoušek, protože přesnost výsledků jednotlivých zkoušek bývá různá.        

Nejčastěji používané zkoušky praskavosti při svařování jsou podrobně popsány např. v [3]. Praskání hliníkových slitin se obvykle spojuje s tzv. „křehkostí za horka". Na její detekci, stejně jako na výběr vhodných přídavných materiálů a parametrů svařování se používá více specifických technologických zkoušek [3], např. Fisco-test, zkouška na vzorku tvaru rybí kosti, návarová zkouška, Alcanova disková zkouška, křížová zkouška, T-zkouška, H-zkouška, Y-zkouška, zkouška koutovým svarem s mezerou a zkouška BWRA [4, 5].

Vzorek tvaru rybí kosti

Na Ústavu strojírenské technologie byl výzkum v této oblasti orientován spíše na materiály menších tlouštěk, proto byla k posouzení svařitelnosti použita zkouška na vzorku tvaru rybí kosti, zvaná také jako Houldcroftova zkouška, která je vhodná na ověření náchylnosti na praskavost tenkých plechů.

Jedná se o zkoušku praskavosti za tepla s proměnnou tuhostí vzorku, která byla vypracována a používá se v Anglii. Podle tvaru zkušebního tělesa se též nazývá Fishbone test (zkouška typu „rybí kost"). Hodí se pro zkoušení samotného základního materiálu menších tlouštěk - plechů asi do 3 mm svařovaných metodou TIG nebo MIG (141 nebo 131 dle ČSN EN ISO 4063). Na zkušebním tělese se před svařováním zhotoví 6 až 9 zářezů pilou (šířky asi 0,8 mm) kolmo k vytvářenému svaru (resp. návaru). U této zkoušky je podstatné, že se mění délka zářezů, které jsou pravidelně rozmístěny po celé délce vzorku. Zářezy se postupně zvětšují, čímž se zmenšuje tuhost vzorku a naopak se zvětšuje schopnost materiálu zastavit šířící se trhlinu, která byla vyvolána tepelným účinkem elektrického oblouku při provádění rovnoměrného jednovrstvého návaru.

Aplikace na hliník a jeho slitiny

Houldcroftova zkouška byla původně vyvinuta pro ocelové plechy, ale s výhodou ji lze aplikovat i na hliník a jeho slitiny. Při zkoušce se nevytváří svar, ale vytváří se návarová housenka (s plným průvarem). Takto vytvořené vzorky je možné porovnávat a délka vzniklých trhlin je používána na hodnocení indexu citlivosti pro vznik trhlin za tepla. Zkouška má rozličné modifikace a je citlivá na celkové provaření plechu - jakmile není celá tloušťka plechu provařená (zejména na začátku svařování), zkouška vykazuje velký rozptyl a méně trhlin.

Pro účely posouzení svařitelnosti (resp. citlivosti na vznik trhlin) bylo vyvinuto mnoho obdobných technologických zkoušek, ale Houldcroftova zkouška je nejznámější pro použití na ověření svařitelnosti tenkých hliníkových plechů. Výhodou je, že svařitelnost může být posuzována nejen pro základní materiál (bez použití přídavného materiálu u TIG svařování), ale může být zkoumán i vliv jednotlivých přídavných materiálů.

Houldcroftova zkouška je jednoduchá a spolehlivá zkušební metoda pro určování citlivosti na trhliny za tepla a je vhodná zejména pro hliníkové slitiny svařované metodou TIG. Na obr. 1 jsou ukázány výsledky Houldcroftovy zkoušky svařitelnosti prováděné na devíti hliníkových slitinách, návary provedené metodou TIG. Tyto výsledky jsou pro ilustraci převzaty z [5]. Je zde vidět, že z použitých slitin mají nejmenší citlivost na vznik trhlin slitiny typu Al-Mg, naopak největší citlivost na praskání slitiny s většími obsahy Cu a Zn. 

Posouzení svařitelnosti vytvrditelných Al slitiny typu 6xxx

Na ČVUT v Praze byl tento výzkum doplněn o stejný typ zkoušky svařitelnosti na slitinách často používaných ve výrobě dopravních prostředků. Do tohoto článku byly dále použity výsledky testů na základním materiálu EN AW 6082 T6 (AlMg1Si1Mn). Pro vlastní svařování vzorků byly použity různé typy komerčně dostupných přídavných materiálů (AlSi5, AlMg5Cr, AlMg4,5MnZr), a tudíž je možné posoudit i jejich vliv na vznik trhlin.

Pro vlastní provedení zkoušky bylo zvoleno robotické svařování metodou TIG s automatickým podáváním studeného přídavného drátu, za tuhého upnutí vzorku ve speciálním přípravku (viz obr. 2), který brání deformaci vzorku a zapříčiňuje nárůst pnutí, jež vyvolá vznik trhliny. Tento experiment byl prováděn v mezifakultní Laboratoři výuky svařování ČVUT. Jako svařovací zdroj pro TIG svařování bylo použito zařízení MigatronicPI 320  AC/DC s patentovaným systémem D.O.C. pro efektivní odbourávání oxidické vrstvy na povrchu během svařování. Geometrické rozměry vzorku, vzdálenost mezi zářezy, stejně jako hloubka a především šířka zářezů, jsou závislé na tloušťce zkušebního plechu a také na způsobu svařování (resp. navařování). Orientačně jsou rozměry uvedeny na obr. 3 a byly zvoleny podle doporučení uvedeného v [3]. Výsledky zkoušek jsou ukázány na obr. 4.

Závěr

Uvedený experiment prostřednictvím zkoušky svařitelnosti podle Houldcrofta potvrdil, že správná volba přídavného materiálu může významným způsobem snížit náchylnost ke vzniku trhlin za horka.

Základní materiál EN AW 6082 (AlMg1Si1Mn) vykazuje sklon k trhlinám, vyjádřený parametrem A = 43,8 % (zjištěno při použití TIG svařování). Obecně se udává, že horní mez pro vyhovující posouzení této zkoušky je hodnota parametru A = 35 %. Tzn. že základní materiál vykazuje poměrně vysokou citlivost na praskání za tepla a je nutno tuto citlivost nějakým způsobem snížit.

Nejjednodušším a nejpoužívanějším způsobem zlepšení tohoto stavu je použití přídavného materiálu s větším množstvím Mg a Si (5 %), čímž se citlivost na vznik trhlin může výrazně snížit.

Nejlepší výsledky při TIG svařování vykazuje použití přídavného materiálu AlMg5Cr (A = 7,6 %) a AlSi5 (A = 26 %). Použití materiálu AlMg4,5MnZr, který dle [6] dosahuje nejlepších výsledků s ohledem na mechanické vlastnosti, pórovitost svarového kovu a odpevnění svarového spoje, nemá příliš pozitivní vliv na snížení citlivosti vzniku trhlin za tepla. Citlivost je v tomto případě srovnatelná s výsledky základního materiálu (bez použití přídavného materiálu).

Z uvedeného lze usuzovat, že vliv na praskavost závisí na komplexním složení přídavného materiálu a ne pouze na obsahu hlavních legujících prvků.

Použitá literatura:

[1]       MATSUDA, F. et al. The VDR Cracking test. Trans. of JWRI, 8, 1979.

[2]       TSUJIMOTO, K. et al. HAZ cracking of Al-Mg-Si Alloys. Doc. IIW-IX-1273-83.

[3]       HRIVŇÁK, I. Zváranie a zvaritelnosť materiálov. STU in Bratislava, Bratislava, 2009.

[4]       MATSUDA, F. et al. Assessment of Solidification Cracking Test for Aluminium Alloys. Doc. IIW-1X-964-76.

[5]       KRUGER, U. Weldability. Talat lecture 4202, EAA, 1994.

[6]       KOLAŘÍK, L. et al. Vliv přídavného materiálu při TIG svařování vytvrditelných hliníkových slitin. TechMat 2008, TU Pradubice, Svitavy, 2008.

Ladislav Kolařík, Karel Kovanda

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

ladislav.kolarik@fs.cvut.cz

Laboratoř svařování