spawania aluminium i jego stopów

Transkrypt

1 Technologie Wprowadzenie do metalurgii spawania aluminium i jego stopów W latach 70-tych nasze rzemiosło uszczelniało pęknięcia w elementach aluminiowych gazowo i elektrodą otuloną, a w dużych firmach (nawet gdy na co dzień nie spawały aluminium) każdy inżynier spawalnik dysponował profesjonalnym urządzeniem TIG do spawania aluminium. Ze względu na dostępność małej ilości stopiw spawało się uniwersalnym stopiwem zawierającym 5% krzemu lub ścinkami z blach. W tych czasach nikt nie chciał uczyć spawania rur aluminiowych, poza kursami zamkniętymi w Instytucie Spawalnictwa, dostępnymi tylko dla firm, które zlecały badania w Instytucie. Ryszard Jastrzębski, Grzegorz Cios, Leszek Gardyński W latach 90-tych zaczęto naprawiać cysterny aluminiowe, co było bardzo trudne, bo przy dużej sztywności i dużym skurczu aluminium łatwo dochodziło do pęknięć krystalizacyjnych (gorących). Dodatkowo, przy grubych elementach, ze względu na dużą przewodność cieplną aluminium, łatwo było o przyklejenia. Po roku 2000, wraz ze spawanymi barierkami aluminiowymi, pojawiły się spawarki z podwójnym impulsem, które w zasadzie umożliwiły spawanie aluminium metodą MIG w jakości TIG-u. Niemniej jednak, do napraw nadal najlepsza jest metoda TIG, która umożliwia niezależne granie i topienie drutu. Metody spawania gazowego i elektrodą otuloną dziś już się prawie nie stosuje. TIG Przy spawaniu aluminium, szczególnie w pozycji sufitowej, ważne jest nagrzanie łukiem elektrycznym spawanej blachy lub rury tak, aby przyjęła ona lustrzany połysk. Gdy jej powierzchnia jest lekko matowa, ciekły metal nie trzyma się powierzchni ( nie chwyta ) i stopiwo wpada spawaczowi za kołnierz. Aby nie było przyklejeń, powyżej grubości 8 mm należy podgrzewać przed spawaniem palnikiem acetylenowym lub nagrzewnicą indukcyjną wysokiej częstotliwości. Czasami brak wiedzy o odprowadzeniu ciepła przez blachy przylegające do naprawianego pęknięcia uniemożliwiał z powodu braku podgrzania skuteczną naprawę, nawet firmom dysponującym nowoczesnym sprzętem. Gazem osłonowym najczęściej stosowanym do spawania ręcznego prądem przemiennym jest argon o wysokiej czystości bądź mieszanki argonowo-helowe, wśród których najbardziej popularną jest I3 ArHe 25 wg ISO (25% He i 75% Ar). Czysty hel stosuje się do spawania automatycznego prądem stałym z biegunem ujemnym na elektrodzie (automat nie widzi, więc nie potrzeba rozbijać tlenków, aby zobaczyć jeziorko roztopionego metalu). W takiej sytuacji, przy prądzie impulsowym drut powinien być podawany w czasie impulsu. Bieguna dodatniego nie stosuje się, bo 52 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień

2 Technologie TIG MIG Rys. 1 Przykładowe przygotowanie brzegów do spawania TIG (po lewej) i MIG (po prawej stronie) /3/ pomimo rozbijania tlenków, metoda ta daje małe wtopienie i przechodzenie materiału elektrody nietopliwej do jeziorka, przyśpieszając jej zużycie. Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do grubości spawanego elementu. Do grubości elementu dobieramy również średnicę dyszy palnika i prędkość przepływu gazu. W zasadzie nie ma sensu stosować większego prądu niż 160 A, gdyż przy wyższych prądach łuk jest szerszy, co zwiększa szerokość ściegu kosztem wtopienia. Średnicę elektrody wolframowej dobieramy tak, aby na 1 mm średnicy przypadał prąd 40 A. Staramy się, aby średnica drutu spawalniczego była taka jak średnica elektrody wolframowej. realizujemy techniką pchania, która zapewnia dobre osłonięcie jeziorka gazem osłonowym. Prędkości spawania są relatywnie duże, a więc spawanie ręczne jest dość trudne (dlatego staramy się je realizować w pozycji podolnej). rur najczęściej wykonuje się na podkładce aluminiowej lub podkładce nierdzewnej trójdzielnej. bez podkładki wymaga wysokiej klasy urządzeń, sczepiania krawędzi bez szczeliny (na styk) i usuwania bogatego przetopu z wtrąceniami tlenku glinu. Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień

3 Technologie Rys. 2 Przebiegi prądu impulsowego i charakter pulsacji prądu impulsowego: a/ faza maksymalnego natężenia prądu; b/ faza maksymalnego natężenia prądu przy większym wtopieniu; c/ faza prądu bazy ; d/ faza prądu bazy przy głębszym wtopieniu /13/ MIG W spawaniu MIG, w zależności od parametrów prądu, możemy rozróżnić metodę zwarciową i metodę natryskową. W przypadku spawania aluminium natężenie prądu nie musi być bardzo wysokie, aby przenoszenie kropli miało charakter natryskowy, ponieważ temperatura topnienia jest dużo niższa w porównaniu do stali. Niemniej jednak, spawanie zwarciowe jest bardzo przydatne podczas spawania cienkich blach, a także podczas spawania w pozycjach przymusowych. Brzegi ukosuje się na styk, jak na rysunku 1. Do grubości 25 mm stosujemy 100% argonu, przy grubościach blachy stosujemy argon z 10-35% helu, a przy grubościach powyżej 50 mm stosujemy mieszankę argonu z 35-70% helu. Ze względu na dużą przewodność ciepną aluminium (trzeba grzać napięciem) i stosowanie w mieszankach helu o dużej energii jonizacji, prądy spawania są podobne (topimy w wyniku fizycznego kontaktu gorących gazów z podłożem) lecz napięcia łuku elektrycznego przy spawaniu aluminium są większe niż przy spawaniu stali. Ponieważ temperatura topienia aluminium jest mniejsza, w celu utrzymania odpowiedniego przekroju ściegu prędkości spawania są znacznie wyższe. Tak więc energie liniowe spawania aluminium są znacznie niższe niż przy stali. Dopóki nie pojawiły się spawarki z funkcją pojedynczego pulsu (pulse) i podwójnego pulsu (double Rys. 3 Przykładowe mikrostruktury stopów z układu Al-Si /4/ 54 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień

4 Technologie pulse), metodą MIG nie udawało się uzyskać takiej niezawodności złącza, jaką uzyskuje się w metodzie TIG. Wynika to z tego, że w TIG można regulować proporcję pomiędzy ciepłem łuku, zużywanym na grzanie i topienie podłoża, a energią zużywaną na topienie drutu. Wprowadzenie pojedynczego impulsu zmniejszyło topienie drutu kosztem grzania podłoża, co zmniejszyło niebezpieczeństwo przyklejeń. Wprowadzenie podwójnego pulsu umożliwiło sterowanie krystalizacją i rozbudowanie kryształów na boki (choinka), co znacznie zmniejszyło również niebezpieczeństwo pękania. Badania mikroskopowe pokazują, że pojedynczy puls rozdrabnia ziarno w nadlewie, a puls podwójny ponadto rozdrabnia ziarno we wtopieniu w podłoże / 6 /. impulsowe pozwala spawać mniejszymi energiami liniowymi, co zmniejsza ryzyko wystąpienia pęknięć gorących. Na rysunku 2 pokazano mechanizm wtapiania i przebiegi prądowo-napięciowe prądu impulsowego. Kółkami zaznaczono maksymalne, a trójkątami minimalne napięcie w trakcie trwania prądu impulsu. Wychodząc z założenia, że w czasie impulsu prądu, w wyniku wtapiania, łuk wydłuża się i napięcie wzrasta o tyle, o ile zwiększa się odsuwanie na boki metalu jeziorka i wtapianie, dochodzimy do wniosku, że wtopienie jest proporcjonalne do średniej różnicy napięć w czasie prądu impulsu. Zgodnie z amerykańskimi badaniami zależność jest bardzo dokładna i może służyć do automatycznej diagnostyki głębokości wtopienia /12/, w celu wliczenia głębokości wtopienia w wymiar obliczeniowy spoiny. Jeżeli do badań mechanicznych aluminium, zamiast norm europejskich, zastosujemy przepisy PRS i UDT, to pomimo przestrzegania wszystkich wymogów technologicznych, wyniki badań mechanicznych będą negatywne. A to dlatego, że PRS i UDT nie posiadają przepisowych wymogów i do aluminium stosują normy do stali, co jest niedopuszczalne. Struktury metalograficzne stopów aluminium na tle wykresów fazowych Aluminium i jego stopy są materiałami o bardzo dobrym stosunku wytrzymałości do gęstości (~2,7 g/cm3), co w połączeniu z dużą odpornością na korozję czyni je konkurencyjnymi, a w niektórych dziedzinach lepszymi materiałami od stali, pozwalającymi na obniżenie masy konstrukcji nawet o 50%. Właściwości stopów aluminium najlepiej jest analizować na wykresach przemian fazowych. Rysunek 3 przedstawia wykres dla stopu aluminium-krzem z naniesionymi typowymi mikrostrukturami. Do nauki badań mikroskopowych lepiej posługiwać się pokazanymi na rysunku 4 schematami tych struktur (oznaczone tymi samymi literami co zdjęcia metalograficzne z rysunku 3). Schematy te mają wyostrzone cechy charakterystyczne, na podstawie których można określić własności struktur. Ponieważ wykresy przemian fazowych aluminium mają taki sam charakter, na rysunku 4 pokazano stosowane w praktyce fragmenty tych wykresów dla stopów: aluminium miedź, aluminium lit, aluminium magnez, aluminium mangan, aluminium krzem oraz aluminium cynk, w najczęściej stosowanym zakresie. Po prawej stronie przedstawiony jest wzorcowy wykres przemian fazowych z naniesionymi krzywymi chłodzenia dla typowych zakresów składu chemicznego. W górnej części rysunku 4 znajdują się schematy struktur mikroskopowych, charakterystycznych dla przemian pokazanych na tym wykresie. Stopy aluminium możemy najogólniej podzielić na: odlewnicze, do przeróbki plastycznej oraz umacniane wydzieleniowo. Na rysunku 4 przedstawiono taki podział naniesiony na uniwersalny wykres fazowy. Zdarza się również, że stopy są przerabiane plastycznie i następnie obrabiane cieplnie, a także odlewane i obrabiane cieplnie. Obróbka cieplna stopów aluminium polega na nagrzaniu do temperatury, w której dodatek stopowy jest rozpuszczony w aluminium, i szybkim schłodzeniu (zamrożeniu), i dalej na starzeniu naturalnym (w temperaturze otoczenia), bądź sztucznym (podgrzewaniu), powodującym, że z przesyconej osnowy wydzielają się drobne związki umacniające stop. Jeżeli stop pozostawimy w stanie przesyconym, starzenie będzie zachodziło wolno, a struktura stopu będzie przypominała bardziej plastry miodu niż ser z dziurami. Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień

5 Technologie Rys. 4 Fragmenty w ykresów fazow ych w granicach stosowalności dodatków stopowych i przykładowe mikrostruktury /1,2,7/ Przedstawione na rysunku 4 krzywe chłodzenia omówimy na konkretnych stopach aluminium. Chłodzenie stopu Al-Mg 1 pokazane na krzywej powoduje: od punktu 1 do 2 chłodzenie cieczy; od punktu 2 do 3 z cieczy wydziela się pierwszy zalążek krzepnięcia; od punktu 2 do 3 skład chemiczny fazy stałej zmienia się wzdłuż linii niebieskiej, a skład fazy ciekłej wzdłuż linii czerwonej; od punku 3 do 4 poniżej punktu 3 w całej objętości stopu jest ciało stałe, a chłodzenie roztworu stałego odbywa się bez wydzielenia się dodatkowych faz. Chłodzenie stopu Al-Cu 5 pokazane na krzywej powoduje: od punktu 5 do 6 chłodzenie cieczy; od punktu 6 do 7 - z cieczy wydziela się pierwszy zalążek krzepnięcia, a faza stała w danej temperaturze ma skład chemiczny odpowiadający danej temperaturze punktu na linii niebieskiej, z kolei ciecz ma skład chemiczny odpowiadający punktowi w tej temperaturze na linii czerwonej; od punktu 7 do 8 poniżej 56 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień

6 Technologie punktu 7 w całej objętości stop jest ciałem stałym, ale rozpuszczalność Cu w Al spada, w wyniku czego wydziela się faza Al 2 Cu umacniająca stop; od punktu 8 do 9 chłodzenie stopu. Jako obróbkę cieplną stosuje się podgrzanie do zakresu (7 do 8), a następnie szybkie schłodzenie (przesycanie) i starzenie, czyli ogrzewanie w zakresie poniżej punktu 8 w celu uzyskania drobnych wydzieleń, tzw. umocnienie wydzieleniowe. Chłodzenie stopu Al-Si (podeutektyczny) pokazane na krzywej powoduje: od punktu 10 do 11 chłodzenie cieczy; od punktu 11 do 12 z cieczy wydziela się pierwszy zalążek krzepnięcia roztwór stały Al o składzie odpowiadającym punktowi na linii niebieskiej; kiedy skład chemiczny cieczy zmieni się wzdłuż linii czerwonej, aż do punktu eutektycznego (oznaczonego nr 15), zajdzie przemiana eutektyczna (a więc w mikrostrukturze zaobserwujemy ziarna roztworu stałego Al i eutektykę); od punktu 12 do 13 stygniecie stopu dwufazowego. Chłodzenie stopu Al-Si (eutektyczny - łatwo topliwy) pokazane na krzywej powoduje: od punktu 14 do 15 chłodzenie cieczy; w punkcie 15 w stałej temperaturze cała objętość stopu krzepnie, tworząc eutektykę lub inaczej łatwotopliwą mieszaninę eutektyczną aluminium i krzemu (α+si); od punktu 15 do 16 stygnięcie stopu eutektycznego dwufazowego. Ryszard Jastrzębski, Grzegorz Cios, Instytut Łączenia Metali w Krakowie dr inż. Leszek Gardyński, Politechnika Lubelska Autorzy dziękują inż. Zbigniewowi Bartkiewiczowi, inż. Kazimierzowi Kluzie, inż. Michałowi Wińczy i inż. Krzysztofowi Trześniewskiemu za cenne uwagi. Literatura: /1/ ASM Handbook vol.2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials /2/ ASM Handbook vol.9 Metallography and Microstructures 3/ G. Mathers: The welding of aluminium and its alloys /4/ dostęp [6 sierpnia 2012] /5/ R. Jastrzębski: Robotyka i mechatronika spawania stopów aluminium, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, 1/2011 /6/ A. Jastrzębski, E. Tasak: Wpływ pulsacji łuku MIG na strukturę spoin stopów aluminium, Przegląd spawalnictwa, 7/2009 /7/ L. A. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo 8/ Japan Welding Society: Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze, wydawnictwo Sanpō, /9/ Japan Welding Society: Metalurgia spawania, wydawnictwo Sanpō, 1978r /10/ G. Padula, R. Jastrzębski, J. Nowacki, Z. Latała: Decodificación de los conocimientos prácticos como un paso más hacia la creación de software de apoyo para el análisis microscópico cualitativo de las juntas. Materiały konferencyjne EUROJOIN 6, Santiago de Compostela /11/ L. Gardyński: Odporność na pękanie zmęczeniowe materiałów stosowanych na tłoki. Cz. I Materiały stosowane na tłoki, Samochody Specjalne, 4/2003 /12/ L. Gardyński: Odporność na pękanie zmęczeniowe materiałów stosowanych na tłoki. Cz. II Badania odporności materiału tłoka na zmęczenie cieplne, Samochody Specjalne, 5/2003 /13/ Z. Wang, Y.M. Shang, L.Wu: Measurement and Estimation of Welds Pool Surface Depth and Weld Prenetration in Pulsed Gas Matal Arc Welding, Welding Journal, June 2010 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień