Svařování hliníku v ochranných atmosférách

Základním úkolem ochranných atmosfér je ochrana svarové lázně a zabránění kontaminace elektrody, elektrického oblouku, okolí vznikajícího svaru a případně i kořene svaru před nežádoucími účinky „vzdušných plynů“, zejména O2, N2 a H2, jejichž přítomnost způsobuje oxidaci a nitridaci svarového kovu, jeho naplynění a tím i pórovitost a propal prvků, což zhoršuje mechanické vlastnosti svarů.

Dalším úkolem je ovlivňování procesů při zapalování (dostatečná ionizace prostředí) a hoření el. oblouku, udržování jeho stability. Výrazné je i ovlivnění metalurgických dějů při tvorbě kapky tekutého kovu na konci tavící se elektrody a způsob přenosu svarového kovu. Přispívají i k přenosu tepelné energie do svaru, čímž mají vliv na tekutost a smáčivost svarové lázně, na vlastnosti svarového kovu, odtavovací výkon, tvar a rozměry svarové housenky a průvar. Dále ovlivňují množství rozstřiku a rychlost svařování.

Každý typ ochranné atmosféry je vhodný pro jinou metodu svařování a jinou skupinu základních materiálů. Podle normy ČSN EN ISO 14 175 rozeznáváme základní skupiny plynů podle jejich chemické aktivity.

Pro svařování Al a jeho slitin je nutné použít výhradně inertní plyny, protože charakteristickým znakem neželezných kovů je silná oxidace při zvýšených teplotách. Aktivní směsi, používané při svařování ocelí, nejsou z metalurgických důvodů pro Al a jeho slitiny použitelné. Základním plynem pro svařování Al je argon, u větších tlouštěk se používají směsi s heliem. Plynová ochrana je nezbytná při TIG, MIG i plazmových metodách svařování. Kvalita a výkon jsou stále rozhodujícími kritérii pro hospodárnost výroby. Otázky volby ochranného plynu hrají i zde hlavní roli.

Argon (Ar) je jednoatomový vzácný plyn, bezbarvý, bez chuti a zápachu, který je inertní (netečný), a nevytváří tak s žádným prvkem chemické sloučeniny. Vyrábí se destilací zkapalněného vzduchu (kde je obsaženo 0,934 % Ar).

Ar má malou tepelnou vodivost a relativně nízký ionizační potenciál (15,8 eV). Z těchto důvodů se elektrický oblouk v Ar dobře zapaluje, má vysokou stabilitu i při relativně velké délce a umožňuje vysokou proudovou zatížitelnost. Dobrá schopnost ionizace zaručuje při vhodném zapojení a typu proudu účinně využívat tzv. čisticí efekt elektrického oblouku, což je důležité právě pro svařování Al a jeho slitin. Díky těmto vlastnostem má Ar dominantní postavení mezi ochrannými plyny (a často se používá i pro výrobu směsných plynů, kde obvykle tvoří hlavní složku). Hustota Ar je 1,784 kg.m-3 (cca 1,4x těžší než vzduch), což přispívá k efektivnosti a velmi dobré schopnosti ochrany, především při svařování v základních polohách. Má však nízkou citlivost na proudění vzduchu.

Ar ochrana je nejběžnější i z cenových důvodů. Cena je však závislá na jeho čistotě. Pro účely svařování se Ar dodává v tlakových lahvích v plynném stavu, s plnicím tlakem 20 a 30 MPa. Pro větší odběry se používají svazky lahví nebo zásobníky na Ar v kapalném stavu. Podle normy ČSN EN 1089-3 se barevné značení Ar tlakových lahví provádí tmavě zeleným pruhem v horní zaoblené části lahve.

Helium (He) je druhým použitelným typem inertního plynu, který je také jednoatomový, bez barvy a zápachu. Ve vzduchu je obsaženo v malém množství, proto se obvykle vyrábí separací z některých druhů zemního plynu, kde se He vyskytuje v množství kolem 1 %. Jeho cena je vzhledem ke způsobu výroby vyšší než u Ar.

Helium je velmi lehký plyn s hustotou 0,178 kg.m-3 (cca 7x lehčí než vzduch), což snižuje efektivitu ochrany, proto se vyžaduje větší průtok plynu (2,5- až 3násobný oproti Ar). Zpravidla se instalují na redukčních ventilech měřidla průtoku pro Ar, proto pro lehčí He, resp. směs Ar+He musí být nastaveno průtočné množství zvětšené o korekční faktor. He má i vyšší tepelnou vodivost než Ar (obr. 1), takže tepelný výkon elektrického oblouku je vysoký. Ionizační potenciál má také vyšší (24,6 eV), a proto i napětí na oblouku musí být vyšší než při použití Ar. Oblouk se tak hůře zapaluje a je nestabilní při větší délce než oblouk hořící v Ar.

Pro horší ionizační vlastnosti se nepoužívá v takové míře jako samostatný plyn pro ruční a poloautomatické svařování, ale spíše ve směsích s Ar. Svařování v čistém He mimo jiné vyžaduje svařovací zdroje s vysokým napětím naprázdno (až 100 V), ale je vhodné pro mechanizované svařování. Díky vysoké tepelné vodivosti je přenos tepla v oblouku velmi vysoký, a proto se směsi s He používají pro svařování materiálů s vysokou tepelnou vodivostí větších tlouštěk. Použitím He ve směsi s Ar se zvýší hloubka závaru, resp. lze potom zvýšit rychlost svařování.

Helium se vyrábí s vysokou čistotou (min. 4,6) a limitovaným obsahem nečistot. Dodává se ve stejném stavu jako argon a barevné značení tlakových lahví se provádí hnědým pruhem.

Jednosložkové ochranné plyny při svařování nezaručují vždy požadovaný stabilní proces a pravidelný přenos kovu. Proto se často nahrazují směsmi dvou nebo více plynných složek. Nejpoužívanější inertní směs pro svařování Al a jeho slitin je Ar+He, kdy je helium přidáváno z důvodů zvýšení tepelného výkonu. Optimálním složením směsi je možné dosáhnout zvýšení stability procesu, snížení rozstřiku, zlepšení formování svarové housenky a zvýšení produktivity svařování (odtavovacího výkonu, hloubky průvaru, rychlosti svařování).

Směsi Ar a He tvoří samostatnou skupinu inertních plynů (I3). Množství obsahu helia ve směsi se pohybuje od 0,5 do 95 % (obvykle používané jsou směsi s 25–30 %, 50 % a 70 % He). Větší obsahy helia se již neprojevují tak významně, přitom však výrazně narůstá cena směsi.

Směsné plyny pro svařování Al s mikropříměsí

Mikropříměs je obecně menší než 0,5 %. Nejprve se začaly používat v Ar směsích, pro snížení emisí O3 (ozón). Používány byly příměsi CO a NO a obsah byl mezi 150 až 300 ppm (0,015 až 0,03 %) – dnes se pro Al používá především N2.

V těchto případech nehrají fyzikální či chemické vlastnosti příměsí žádnou roli. Tepelná vodivost, entalpie nebo elektrická vodivost a ionizační potenciál nemají vliv na chování elektrického oblouku. Vlastnosti přidaných plynů se posuzují z hlediska interakce mezi plynnou složkou a roztaveným materiálem.

Vliv malého množství dusíku při svařování Al a jeho slitin má pozitivní vliv na zvětšení průvaru (v porovnání s čistým Ar), zvětšení stability oblouku a zlepšení vzhledu svarové housenky.

Čistota je stanovena v ČSN EN ISO 14 175. Rosný bod je odkaz na obsah vlhkosti v plynu. Hraniční hodnoty jsou stanoveny pro každý druh plynu, odchylky při měření jsou jasnými důkazy o znečištění.

Zapalování elektrického oblouku je lepší a stabilita oblouku je vyšší, čím menší je ionizační energie a tepelná vodivost plynů (obr. 1). Tepelná vodivost (která se mění s teplotou) má výrazný vliv na přenos tepla do svaru a tím i na profil svaru.

Použitá ochranná atmosféra má velký vliv na tvar a rozměr svarové housenky. Přísadou He do Ar se dostává více tepla do svarové lázně a dochází k lepšímu natavení (smáčivosti), zvětšuje se závar a mění se průřez svarové housenky (obr. 3).

Dochází tedy ke zlepšení geometrie svarů (širší a plošší housenka, závar hlubší a oblejší). Zároveň se však zvětšuje TOO, nicméně může se využít vyšší rychlosti svařování a kratší doby hoření oblouku (snižuje se tak i spotřeba přídavných materiálů). Dále se projeví další výhoda, a to redukce pórovitosti (především při MIG svařování – viz obr. 4). Všechny tyto aspekty mohou vést i ke zlepšení mechanických vlastností svarového kovu.

Výsledky výzkumných prací ověření vlivu Ar a He na svarové spoje vytvrditelných Al slitin, prováděné na ČVUT v Praze v Laboratoři výuky svářečských technologií, budou publikovány v příloze MM Science, v některém z příštích čísel MM Průmyslového spektra.

Ladislav Kolařík, Marie Kolaříková, Karel Kovanda, Petr Vondrouš, Jaroslav Kopřiva

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie; Linde Gas
Ing. Ladislav Kolařík, IWE
ladislav.kolarik@fs.cvut.cz