Témata
Reklama

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Zvariteľnosť hliníkových zliatin

Pri tavnom zváraní hliníkových zliatin je potrebné rozlišovať, či sa jedná o zliatiny vytvrditeľné alebo nevytvrditeľné. U zliatin typu Al-Mg s obsahom Mg väčším ako 4 % môže dôjsť v oblasti zvaru k vylúčeniu fázy β po hraniciach zŕn, a tým k zvýšeniu citlivosti ku koróznemu praskaniu. Pri tepelne nespracovateľných a za studena tvárnených materiáloch dochádza k zmäkčeniu kvôli rekryštalizácii a zotaveniu spôsobenému tepelným príkonom počas zvárania. Pórovitosť a praskanie sú hlavnými problémami pri zváraní hliníkových zliatin. Je to spôsobené relatívne vysokým koeficientom teplotnej rozťažnosti hliníka, veľkou zmenou objemu pri tuhnutí a širokým teplotným intervalom tuhnutia. Póry vznikajú kolapsom paroplynového kanála, turbulentným prúdením vo zvarovom kúpeli a vytláčaním vodíka z tuhej fázy počas kryštalizácie. Problém tvorí aj selektívne vyparovanie zliatinových prvkov (Mg a Zn), čo môže ovplyvniť stupeň spevnenia a zapríčiniť zhoršenie mechanických vlastností, ďalej vznik horúcich trhlín a vysoká reflexia laserového lúča od povrchu (98,4 % pri Nd:YAG). Z hľadiska zvariteľnosti je hlavným problémom skutočnosť, že vo zvare a v TOO dochádza k odstráneniu deformačného spevnenia, rozpusteniu precipitátov, a tým degradácii mechanických vlastností zvarového spoja v porovnaní so základným materiálom.

Reklama
Reklama
Rovnovážny fázový diagram Al-Mg. (Zdroj: archiv Maroše Vyskoče)

Hliníková zliatina AW5083 H111

Hlavným legujúcim prvkom hliníkovej zliatiny AW5083 je horčík, ktorý vplýva na zvýšenie pevnosti. Mg má na vytvrdenie značne väčší vplyv ako Mn (0,8 % horčíka má rovnaký efekt ako 1,5 % mangánu). Označenie H111 znamená, že hliníková zliatina bola deformačne spevnená. Táto zliatina je stredne pevný materiál, patrí do skupiny nevytvrditeľných zliatin a nie je možné spevňovať ju tepelným spracovaním, ale iba mechanicky, a to tvárnením za studena. Daná zliatina má dobrú odolnosť voči korózii v morskom prostredí, odolnosť voči vibračnému zaťaženiu a má dobrú zvariteľnosť, tvárniteľnosť a lomovú húževnatosť. Má najvyššiu pevnosť z tepelne nespracovateľných zliatin, ale nie je odporúčané ju používať pri teplotách vyšších ako 65° C, pretože sa môže objaviť korózne praskanie pod napätím. Používajú sa hlavne pri stavbe lodí a v architektúre. V rovnovážnom fázovom diagrame Al-Mg sú zobrazené tri intermetalické fázy, a to β fáza s približnou stechiometriou Al3Mg2, ktorá vyvoláva sklon ku korózii a vylučuje sa na hraniciach zŕn, fáza γ má stechiometriu Al12Mg17 pri 58,6 at. % Mg a fáza R, tiež označovaná aj ako ε, má stechiometriu Al30Mg23 pri 42 at. % Mg. Mikroštruktúra základného materiálu pozostáva zo zŕn so smerovou orientáciou, typickou pre valcovanú štruktúru.

Za studena valcovaná štruktúra základného materiálu AW5083. (Zdroj: archiv Maroše Vyskoče)Mikroštruktúra zvarového kovu (ZK) je tvorená jemnozrnnou dendritickou štruktúrou. V medzidendritických priestoroch môže byť vylúčený eutektický komponent Mg2Al3. Hlavnou príčinou tvorby trhlín pri zváraní hliníkových zliatin je existencia teplotného intervalu krehkosti. Miera skrehnutia závisí od chemického zloženia, ale aj od spôsobu kryštalizácie, pričom celulárna kryštalizácia je menej citlivá ako dendritická.


Intergranulárne praskanie v TOO možno eliminovať voľbou prídavného materiálu. Takýto prídavný materiál minimalizuje napätia indukované solidifikáciou ZK v okamihu, keď sú na hraniciach zŕn TOO prítomné nízko taviteľné fázy v roztavenom stave. Problémom je aj tvorba intermetalických fáz Al12Mg17 a Al3Mg2, ktoré tiež spôsobujú praskanie zvarových spojov.

Dendritická mikroštruktúra zvarového kovu. (Zdroj: archiv Maroše Vyskoče)

Vplyv ochrannej atmosféry

Vhodný výber procesných plynov je dôležitým faktorom pre účinnosť, kvalitu a celkovú prijateľnosť zvaru. Z finančného hľadiska používajú niektoré firmy okolitú atmosféru ako ochranný plyn. Ak sa okolitá atmosféra používa ako ochranný plyn pri zváraní, vytvorí sa na tavenom a na základnom materiáli relatívne hrubá oxidická vrstva, ktorá chráni základný materiál od ustavičného zmáčania roztaveným kovom. Tieto dve nedokonale spojené zóny zvaru pôsobia ako mikrovruby a vytvárajú začiatočné body pre vznikajúce trhliny pri vibračných skúškach. Ak sa ako ochranný plyn použije Ar, povrch materiálu je v protiklade po zváraní relatívne bez O2 a môže byť dobre zmáčaný bez tvorby vrubov. To znamená, že zvarové spoje s použitím Ar majú oveľa vyššiu únavovú pevnosť ako vzorky zvárané pri okolitej atmosfére. Ak sa zvára bez ochrannej atmosféry, vytvorí sa relatívne vysoká koncentrácia oxidu dusnatého (NO) pri reálnych teplotách zvárania koncentrovaným zdrojom energie. Zloženie ochranného plynu ovplyvňuje rozloženie tepla vo zvare, a preto ovplyvňuje aj tvar zvaru a rýchlosť zvárania. Použitie Ar alebo He ako ochranného plynu znamená, že okolitá atmosféra môže byť vytlačená mimo zváracej oblasti, a tak minimalizuje alebo úplne znemožní vznik oxidov dusíka. Ochranný plyn spĺňa pri laserovom zváraní niekoľko funkcií. Cieľom je zabrániť absorpcii kyslíka, dusíka a vzdušnej vlhkosti do zvarového kúpeľa, čím sa zabráni tvorbe oxidov, nitridov a pórov. Má významný vplyv na kvalitu povrchu zváraných materiálov, metalurgické pochody vo zvarovom kúpeli, ionizáciu a vedenie tepla v oblasti zvarového kúpeľa, veľkosť oblaku plazmy nad zvarovým kúpeľom, resp. absorpciu laserového lúča a veľkosť tlaku v paroplynovej kapiláre.

Rozhranie precipitát (γ-Al12Mg17) – matrica v základnom materiáli. (Zdroj: archiv Maroše Vyskoče)Plazma je na zváranie nevhodná vzhľadom na to, že pohlcuje časť energie laserového lúča, čím sa znižuje efektívnosť procesu. Vznikajúca plazma znižuje hĺbku prevarenia tým, že jej drobné čiastočky defokusujú laserový zväzok. Chovanie mraku plazmy a podmienky vo vnútri keyhole možno ovplyvniť druhom OA. Najčastejšie sa používa Ar, He, príp. dusík. Všetky plyny sa svojimi fyzikálnymi vlastnosťami líšia. Napr. ochrana tavného kúpeľa pomocou He spôsobuje hlbšiu penetráciu zvaru, v porovnaní s Ar. Je zrejmé, že He pôsobením vysokej tepelnej vodivosti bude potlačovať vznik plazmového oblaku. Z druhej strany, Ar vplyvom vysokej molekulovej hmotnosti bude zase lepšie chrániť zvarový kúpeľ.


Základom najčastejšie používaných zmesí plynov pre laserové zváranie je Ar a He. Ochranné plyny môžu v závislosti na základnom materiáli obsahovať tiež aktívne zložky (CO2, O2, H2), ktoré ovplyvňujú zvárací proces termicky a metalurgicky. Dvojzložkové plyny Ar + He majú okrem iného aj výhodu v tom, že dopadajúce laserové žiarenie je minimálne rozostrované. Kombinácia s vyšším množstvom Ar sa zdá byť dobrá voľba, a to nielen preto, že výrazne nezvyšujú rozostrenie, ale aj preto, že majú ďalšiu výhodu, že sú ekonomické pri používaní He, čím sa minimalizujú náklady.

Intermetalická fáza β-Al3Mg2 medzidendritickom priestore zvarového kovu. (Zdroj: archiv Maroše Vyskoče)


Ar je jednoatómový plyn. Patrí do skupiny inertných plynov a funkciu ochranného plynu plní veľmi dobre aj vďaka vysokej mernej hmotnosti 1,67 kg.m-3 (pri tlaku 1 bar a teplote 15 °C). Hustota vzduchu je pri rovnakých podmienkach 1,22 kg.m-3. Argón je ťažší ako vzduch, čo zabezpečuje jeho klesanie smerom ku zváranému materiálu, a tým aj dobrú ochranu tavného kúpeľa. Použitie Ar môže do istej miery limitovať jeho nízky ionizačný potenciál (15,76 eV). Ar je náchylný k ionizácii a pri určitej hustote energie môže dochádzať ku vzniku plazmy (ionizovaný ochranný plyn).

Hélium je rovnako ako Ar jednoatómový inertný plyn. Jeho merná hmotnosť je len 0,16 kg.m-3, čo je 1/10 mernej hmotnosti Ar. Táto vlastnosť je v mnohých oblastiach použitia He vítaná, ale pri ochrane tavného kúpeľa pôsobí negatívne. He stúpa smerom nahor, čo znižuje efektivitu plynovej ochrany. Preto je pri použití He nutné zvýšiť prietok plynu až na 30–35 l.min-1. Výhodou He je jeho vysoký ionizačný potenciál (24,56 eV), ktorý teoreticky minimalizuje ionizáciu ochranného plynu, a tým aj tvorbu plynovej plazmy. Preto je He často používané v plynových CO2 laseroch, najmä pri zváraní hliníka a jeho zliatin.

Záver

Dôležitým aspektom pri zváraní je ochrana tavného kúpeľa pred okolitou atmosférou. Ochranné plyny sú neviditeľné, ale predsa sú nezanedbateľnou súčasťou technologického procesu. Spoločným problémom ľahkých neželezných kovov Al, Mg a Ti zliatin, je vysoká afinita ku kyslíku, pórovitosť, horúce trhliny a vyparovanie legujúcich prvkov. Z hľadiska vytvárania stabilných oxidov je potrebné zabezpečiť dokonalú ochranu zvarového kovu pred jeho kontamináciou.

Poďakovanie

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Výskum a inovácie pre projekt: Vedeckovýskumné centrum excelentnosti SlovakION premateriálový a interdisciplinárny výskum, kód projektu v ITMS2014+: 313011W085, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Maroš Vyskoč

https://www.mtf.stuba.sk/sk/ustavy/ustav-vyskumu-progresivnych-technologii.html?page_id=1052

Reklama
Související články
Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

O úspěchu v průmyslovém lepení rozhodují zkušenosti

Málokterý obor ve strojírenských technologiích je závislý na tolika okolnostech, jako je tomu v průmyslovém lepení. Je to dáno množstvím vlivů, které ovlivňují konečný výsledek. Od samotného lepidla, vhodně zvoleného typu a konkrétních vlastností přes způsob aplikace lepidla, rychlost nanášení, čas na nanesení a ztuhnutí lepidla, přesnost nanášení, čistotu, bezpečnost a ekologii až po cenu. Pohybujeme se v rozsahu od jednoduchého lepení krabic housenkou lepidla nanášenou ruční pistolí až po automatické linky s množstvím servopohonů a čidel, příp. s robotem v ceně několika milionů korun.

Nové úkoly v technologii vodních paprsků

Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

Související články
Největší předváděcí centrum laserů a CNC strojů

Časům nakupování průmyslových strojů naslepo, bez osobního vyzkoušení a podrobné znalosti strojů, provozních nákladů a potřeb, již „odzvonilo“.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Vodní paprsek řeže filigránské tvary

Řezání drobných filigránských tvarů umožňuje nová technologie řezání materiálů vodním paprskem o průměru 0,2 mm. Další výhodou je vyšší rychlost řezání. Využití této technologie je možné na nových i na starších, v praxi již používaných strojích.

Průmyslové lasery (3) - laserové svařování

V předcházejícím dílu našeho seriálu bylo pojednáno obecně o vlastním principu laserového svařování a procesech, které během laserového svařování nastávají. Byly též zmíněny typy laserů, které se používají při laserovém svařování, a základní informace o svařitelnosti jednotlivých materiálů, popř. jejich kombinací. V tomto dílu navážeme některými konkrétními aplikacemi a pak i některými zajímavými aspekty z oblasti laserového svařování.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Navařování metodou WAAM

Aditivní výroba (AM – Additive Manufacturing, 3D print apod.) je inovativní výrobní proces, kterým je možné vytvářet trojrozměrné objekty tak, že se postupně skládá vrstva po vrstvě určitého materiálu a tím se vytvářejí rozličné finální tvary podle CAD předlohy (zatímco u konvenčních způsobů výroby, jako např. obrábění, se odstraňuje nežádoucí materiál z plného průřezu).

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit