MIG1Zváranie hliníka a jeho zliatin je známe niekoľko desiatok rokov. Napriek tomu hliník má niektoré špecifické vlastnosti, ktoré doteraz spôsobujú zváraniu nie malé problémy. Hliník má nízky bod tavenia (cca 660 ºC) a jeho farba sa nemení pri prechode do tekutého stavu. Má veľmi vysokú tepelnú vodivosť, čo znamená, že pre natavenie potrebuje vysokú koncentráciu energie.

 

Ďalej má vysokú afinitu ku kyslíku a prioritne vytvára Al2O3. Tento kysličník vytvára na povrchu pleny, ktoré spôsobujú, že funguje ako tepelná a elektroizolačná bariéra, čo znemožňuje zváranie. Al2O3 je hygroskopický, čo znamená že je nebezpečenstvo vzniku vodíkových pórov. Je to spôsobené rôznou rozpustnosťou vodíku v roztavenom a studenom kove. Rovnako je hliník pri zváraní citlivý aj na CO2, ktorý tiež môže tvoriť póry aj pri nízkych koncentráciách.

Požiadavky na ochranné atmosféry [1]

Pri zváraní hliníka a jeho zliatin metódou GMAW primárne ochranná atmosféra slúži ako ochrana zvarového kúpeľa pred okolitým vzduchom. Sekundárne, ochranná atmosféra vplýva aj na vývoj a prenos tepla v oblúku.

Plyn z nízkym ionizačným potenciálom (argón) vytvorí oblúk s nízkou teplotou. V oblúku vznikne plazma s nízkou tepelnou vodivosťou, čo spôsobí nízku entalpiu v oblúku a tým malý prievar. Ak sa použije plyn s vysokým ionizačným potenciálom (hélium), tepelná vodivosť je vysoká s priaznivým vplyvom na vytváranie zvaru. Problémom je zlé štartovanie oblúka. Tieto nedostatky obidvoch typov plynov sa riešia zmesami s rôznym podielom Ar+He. Je to kompromis medzi zapaľovaním oblúka, prievarom a schopnosťou zvárača udržať kúpeľ v pracovnej polohe.

Stačí pridať 5 % He do argónu a zváracia rýchlosť sa zvýši o 15 %, prievar o 10 % a zvárač dokáže veľmi dobre ovládať zvarový kúpeľ. Pri manuálnom zváraní sa používa max. obsah He v Ar 50 %. Pre automatické zváranie je vhodné cca 70 % He v Ar. Dosahuje sa vysoká zváracia rýchlosť, veľký prievar, zapaľovanie je automatické a nižšia teplota predohrevu.

MIG2

Nový vývoj v ochranných atmosférach u hliníkových zliatin – zmesi obsahujúce malé až mikroprímesy [2]

Na zváranie hliníka a hliníkových zliatin tavnou elektródou sa už pred niekoľkými rokmi začala používať ochranná atmosféra argónu s prímesou kyslíka 1 až 2 %. Výhodou je veľký prievar pri konštantných mechanických hodnotách spoja. Negatívnou stránkou je v tomto prípade vzhľad spoja, na ktorom sa vytvárajú čierne oxidy. Tie sa dajú odstrániť s malými nákladmi, ale nie všade sú tieto oxidy prijateľné.

Mikroprídavky plynných prvkov sa začali používať v 70. rokoch minulého storočia. Mikroprímes alebo mikroprídavok je obecne menší ako 0,5 %. Prvé mikroprímesi do Ar sa používali na zníženie emisií O3. Boli to prímesi CO a NO a obsah bol medzi 150 až 300 ppm, čo je 0,015 až 0,03 %.

Vplyv plynných prímesí na vlastnosti zvárania

V prípade mikroprímesí nehrajú fyzikálne či chemické vlastnosti jednotlivých prímesí žiadnu rolu. Tepelná vodivosť, entalpia alebo elektrická vodivosť a ionizačný potenciál nemajú vplyv na chovanie oblúku. Vlastnosti pridaných plynov sa posudzujú z hľadiska interakcie medzi plynnou zložkou a roztaveným materiálom.

Monoatomárne plyny sú chemicky inertné voči metalurgii a interakcii pri zváraní. A teda nie sú zaujímavé. Zaujímavejšie sú atómové plyny, lebo molekula sa vo vnútri oblúka rozdelí na jednotlivé prvky, ktoré reagujú buď na taveninu, alebo s voľnými radikálmi. Energia uvoľnená v priebehu rozpadu je pre zlepšenie výkonu zanedbateľná. Z ponuky viacatómových plynov sú kvôli vplyvu na tavenie najzaujímavejšie:

CO2, O2, N2, NO, ďalšie NOx, CO, H2, H2O.

CO2 – oxid uhličitý a O2 – kyslík [2] – majú výrazný vplyv na výkon zvárania, ak sú v množstve presahujúcom 1 000 ppm alebo 0,1 %. V prípade oblúkového zvárania hliníka prímes CO2 má väčšiu tendenciu vytvárania pórovitosti, pričom prímesi kyslíka v procese MIG môžu dosiahnuť až 2 % a pórovitosť sa neobjaví. Pri použití týchto zmesí pri TIG-u je problémom zníženie životnosti wolfrámovej elektródy. Prítomnosť H2 alebo vlhkosti spôsobuje aj pórovitosť v stuhnutom zvarovom kove. Je to spôsobené rôznou rozpustnosťou vodíka v roztavenom Al a tuhom stave. Ďalej spomenuté plyny NO, CO, či NOx vykazujú úroveň toxicity, a preto sa nepoužívajú v priemysle.

Dusík – je dvojatómový plyn, ktorý sa využíval pri zváraní duplexných ocelí.

Vplyv dusíka na vlastnosti zvárania – výskum v CTAS Cergy – Paríž

V CTAS sa skúmal vplyv mikroprímesí N2 v argóne za účelom stanovenia maximálne prípustnej úrovne N2 pri zváraní MIG a TIG ktoré majú pozitívny vplyv na:

– Zväčšenie prievaru v porovnaní s čistým argónom

– Zvýšenie stability oblúka

– Zlepšenie vzhľadu húsenky

Pri experimentoch sa množstvo prímesí pohybovalo od 0 po 1 200 ppm s vedomím, že množstvo prímesí v ochranných plynoch môže byť od menej než 5 ppm do 200 ppm v závislosti od typu a kvality ochranného plynu.

Na druhej strane sa zdalo dôležité, aby sa dosiahol vzhľad zvaru podobný ako pri použití čistého argónu alebo zmesi Ar+20-30 % He.

Metodika skúšok

Zváralo sa MIG-om a TIG-om na rôznych hliníkových zliatinách, hlavne typu 5086. Na vývoj sa použili testy ohýbaním, ťažnej sily, röntgenové testy a nahrávanie videa s vysokou rýchlosťou. Aby sa dosiahli porovnateľné výsledky, zváralo sa na vodou chladených doskách, ktoré boli chladené kontrolovanou rýchlosťou. Prímesi plynov sa vyrobili viac-násobným riedením kontrolovaným pomocou plynovej chromatografie.

Zhrnutie výsledkov

Hĺbka závaru – 300 ppm dusíka v argóne má rovnaký vplyv na závar ako 10 – 15 % He. 600 ppm N2 majú rovnaký výkon, ako klasické zmesi 20 – 30 % He. Mechanické vlastnosti a rőntgenové testy až do 1 000 ppm N2 sú podobné výsledkom do­siahnutým v Ar N4.8. Obvyklý test na ohyb o 180º v posudzovanej škále prímesí N2 nevykázal citlivosť na praskanie.

Stabilita oblúka – sa vyhodnocovala analýzou elektrického signálu. Nezistili sa žiadne rozdiely medzi Ar a argónom s rôznymi mikroprísadami. Len zvárač mal subjektívny pocit, že stabilita oblúka bola lepšia v argóne s mikroprímesou.

Vzhľad húsenky – Po vychladnutí húsenky na teplotu okolia sa nezistili žiadne rozdiely medzi Ar a argónom s mikroprísadou N2 do 1 000 ppm. Nad 1 000 ppm sa vzhľad mení k horšiemu.

MIG3

 

Fyzikálne vysvetlenie fenoménu

Pridanie N2 do ochrannej atmosféry spôsobí rýchlu reakciu monoatomárneho dusíka s roztaveným kúpeľom hliníka. Vzniknú nitridy s vysokými emisiami elektrónov, ktoré vytvoria vysoko stabilný sĺpec oblúka. V skutočnosti stĺpec vytvára vysoký tlak na kúpeľ a tým tlačí kúpeľ dole a podporuje rotáciu zhora dolu. To má pozitívny vplyv na závar, ktorý je oveľa hlbší a tiež vynikajúcu kvalitu zvarového kovu.

Súhrn – Vysokovýkonné zváranie hliníku TIG-om alebo MIG-om vyţaduje zmes argónu a hélia. Ako z predloženého vidieť, je možné nahradiť štandardné zmesi Ar+He argónom s mikroprímesou dusíka, pri zachovaní všetkých vlastností štandardných zmesí.

 

Vplyv zdrojov GMAW na zváranie Al

Zjednodušene je možné riešenia rozdeliť na

mechanické a elektrické:

– priame elektrické vibrácie tavného kúpeľa,

– miešanie tavného kúpeľa pomocou elektromagnetických síl mimo zváracieho okruhu,

– miešanie tavného kúpeľa pomocou prechodu na pulzný proces [3] – zlepší odplynenie kúpeľa,

– axiálne zväčšenie tavného kúpeľa pomocou procesu MIG Tandem.

V CTAS CERGY sa snažili riešiť odplynenie kúpeľa počas zvárania zmenou procesu na tzv. Modulovaný sprchový oblúk. Od pulzného MIG procesu, kde je cieľom nastaviť parametre tak, aby jedna kvapka sa dostala do kúpeľa na jeden pulz. Modulovaný sprchový prenos bol navrhnutý tak, aby vyvolal miešanie kúpeľa. Prenos materiálu je len vo fáze maximálneho prúdu v sprche. Skúmali sa rôzne tvary pulzov, rôzne frekvencie a rôzne časové základne na úroveň pórozity. Experimentálne sa skúmala účinnosť procesu na znečistenom a čistom plyne. Ďalej sa testy robili konvenčným sprchovým oblúkom a modulovaným sprayom. [4] Zlepšenie sa vyhodnocovalo na makrorezoch a rőtngenovým prežiarením. Vyhodnotenie úrovne pórovitosti sa robilo podľa ISO 10042 a niekoľkých metód používaných v CTAS [3]. Vo všetkých prípadoch sa ukázalo, že modulovaný sprchový prenos bol lepší ako klasický.

MIG4

 

Záver

V tomto príspevku sa autori snažili poukázať na možnosti MIG a čiastočne TIG, ako sa dajú zlepšiť pomocou ochranných atmosfér, resp. novými sofistikovanými úpravami klasických prenosov kovu. Ospravedlňujeme sa za to, že sme sa úpravám zdrojov venovali len okrajovo a len jednej firmy, ale je to tematika dosť obsiahla a zaslúžila by si samostatnú prednášku.

 

Literatúra

[1] Grundmann, J.: Properties of shielding in GMAW and GTAWof aluminium alloys. Prednáška, Madrid 1998.

[2] Grundmann, J. a kol.: New development in gas shhielding mixtures containing minor gaseus additions. Interná správa AL, 2006

[3] Fortain, J., M. a kol.: Current developmentof the arc welding processes with shielding gasses of aluminium and its alloys.

Interná správa AL, 2006

[4] FR patent 9712975: Procédé et dispositif de soudage MIG Spray Modulé SAF

 

TEXT/FOTO: Joachim Grundmann, Miroslav Mucha