Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

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.

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

Další články

Technologie spojování/ dělení materiálů
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: