52 Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

Technologie |

W latach 90-tych zaczto naprawia cysterny aluminiowe, co byo bar-dzo trudne, bo przy duej sztywnoci i duym skurczu aluminium atwo dochodzio do pkni krystalizacyjnych (gorcych). Dodat-kowo, przy grubych elementach, ze wzgldu na du przewodno ciepln aluminium, atwo byo o przyklejenia. Po roku 2000, wraz ze spawanymi barierkami aluminiowymi, pojawiy si spawarki z podwjnym impulsem, ktre w zasadzie umo-liwiy spawanie a luminium metod MIG w ja-koci TIG-u. Niemniej jednak, do napraw nadal najlepsza jest metoda TIG, ktra umoliwia nie-zalene granie i topienie drutu. Metody spawania gazowego i elektrod otulon dzi ju si prawie nie stosuje.

Spawanie TIGPrzy spawaniu aluminium, szczeglnie w pozy-cji suf itowej, wane jest nagrzanie ukiem elek-trycznym spawanej blachy lub rury tak, aby przy-ja ona lustrzany poysk. Gdy jej powierzchnia

jest lekko matowa, cieky metal nie trzyma si powierzchni (nie chwyta) i stopiwo wpada spawaczowi za konierz. Aby nie byo przykle-je, powyej gruboci 8 mm naley podgrzewa przed spawaniem palnikiem acetylenowym lub nagrzewnic indukcyjn wysokiej czstot li-woci. Czasami brak wiedzy o odprowadzeniu ciepa przez blachy przylegajce do naprawia-nego pknicia uniemoliwia z powodu bra-ku podgrzania skuteczn napraw, nawet f ir-mom dysponujcym nowoczesnym sprztem. Gazem osonowym najczciej stosowanym do spawania rcznego prdem przemiennym jest ar-gon o wysokiej czystoci bd mieszanki argono-wo-helowe, wrd ktrych najbardziej popularn jest I3 ArHe 25 wg ISO 14175 (25% He i 75% Ar). Czysty hel stosuje si do spawania automa-tycznego prdem staym z biegunem ujemnym na elektrodzie (automat nie widzi, wic nie potrzeba rozbija t lenkw, aby zobaczy jeziorko roztopio-nego metalu). W takiej sy tuacji, przy prdzie im-pulsowym drut powinien by podawany w czasie impulsu. Bieguna dodatniego nie stosuje si, bo

Wprowadzenie do metalurgii spawania aluminium i jego stopw

W latach 70-tych nasze rzemioso uszczelniao pknicia w elementach aluminiowych gazowo i elektrod otulon, a w duych firmach (nawet gdy na co dzie nie spaway aluminium) kady inynier spawalnik dysponowa profesjonalnym urzdzeniem TIG do spawania aluminium. Ze wzgldu na dostpno maej iloci stopiw spawao si uniwersalnym stopiwem zawierajcym 5% krzemu lub cinkami z blach. W tych czasach nikt nie chcia uczy spawania rur aluminiowych, poza kursami zamknitymi w Instytucie Spawalnictwa, dostpnymi tylko dla firm, ktre zlecay badania w Instytucie.

Ryszard Jastrzbski , Grzegorz Cios, Leszek Gardyski

53Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

| Technologie

pomimo rozbijania t lenkw, metoda ta daje mae wtopienie i przechodzenie materiau elektrody nietopliwej do jeziorka, przypieszajc jej zuy-cie. Natenie prdu jest wprost proporcjonal-ne do gruboci spawanego elementu. Do grubo-ci elementu dobieramy rwnie rednic dyszy palnika i prdko przepywu gazu. W zasadzie nie ma sensu stosowa wikszego prdu ni 160 A, gdy przy wyszych prdach uk jest szerszy, co zwiksza szeroko ciegu kosztem wtopie-nia. rednic elektrody wolframowej dobieramy tak, aby na 1 mm rednicy przypada prd 40 A.

Staramy si, aby rednica drutu spawalniczego bya taka jak rednica elektrody wolframowej. Spawanie realizujemy technik pchania, ktra zapewnia do-bre osonicie jeziorka gazem osonowym. Prdkoci spawania s relatywnie due, a wic spawanie rczne jest do trudne (dlatego staramy si je realizowa w pozycji podolnej). Spawanie rur najczciej wy-konuje si na podkadce aluminiowej lub podkadce nierdzewnej trjdzielnej. Spawanie bez podkadki wymaga wysokiej klasy urzdze, sczepiania kraw-dzi bez szczeliny (na styk) i usuwania bogatego prze-topu z wtrceniami tlenku glinu.

Rys. 1 Przykadowe przygotowanie brzegw do spawania TIG (po lewej) i MIG (po prawej stronie) /3/

TIG MIG

54 Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

Technologie |

Spawanie MIGW spawaniu MIG, w zalenoci od parametrw prdu, moemy rozrni metod zwarciow i metod natryskow. W przypadku spawania aluminium natenie prdu nie musi by bardzo wysokie, aby przenoszenie kropli miao charakter natryskowy, poniewa temperatura topnienia jest duo nisza w porwnaniu do stali. Niemniej jed-nak, spawanie zwarciowe jest bardzo przydatne podczas spawania cienkich blach, a take podczas spawania w pozycjach przymusowych. Brzegi ukosuje si na styk, jak na rysunku 1.

Do gruboci 25 mm stosujemy 100% argonu, przy grubociach bla-chy 25-50 stosujemy ar-gon z 10-35% helu, a przy grubociach powyej 50 mm stosujemy mieszank argonu z 35-70% helu. Ze wzgldu na du przewod-no ciepn aluminium (trzeba grza napiciem) i stosowanie w mieszan-kach helu o duej energii jonizacji, prdy spawania

s podobne (topimy w wyniku fizycznego kontaktu gorcych gazw z podoem) lecz napicia uku elek-trycznego przy spawaniu aluminium s wiksze ni przy spawaniu stali. Poniewa temperatura topienia aluminium jest mniejsza, w celu utrzymania odpo-wiedniego przekroju ciegu prdkoci spawania s znacznie wysze. Tak wic energie liniowe spawania aluminium s znacznie nisze ni przy stali.

Dopki nie pojawiy si spawarki z funkcj poje-dynczego pulsu (pulse) i podwjnego pulsu (double

Rys. 2 Przebiegi prdu impulsowego i charakter pulsacji prdu impulsowego: a/ faza maksymalnego natenia prdu; b/ faza maksymalnego natenia prdu przy wikszym wtopieniu; c/ faza prdu bazy ; d/ faza prdu bazy przy gbszym wtopieniu /13/

Rys. 3 Przykadowe mikrostruktury stopw z ukadu Al-Si /4/

55Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

| Technologie

pulse), metod MIG nie udawao si uzyska takiej niezawodnoci zcza, jak uzyskuje si w metodzie TIG. Wynika to z tego, e w TIG mona regulowa proporcj pomidzy ciepem uku, zuywanym na grzanie i topienie podoa, a energi zuywan na topienie drutu. Wprowadzenie pojedynczego im-pulsu zmniejszyo topienie drutu kosztem grzania podoa, co zmniejszyo niebezpieczestwo przykle-je. Wprowadzenie podwjnego pulsu umoliwio sterowanie krystalizacj i rozbudowanie krysztaw na boki (choinka), co znacznie zmniejszyo rwnie niebezpieczestwo pkania. Badania mikroskopo-we pokazuj, e pojedynczy puls rozdrabnia ziarno w nadlewie, a puls podwjny ponadto rozdrabnia ziarno we wtopieniu w podoe / 6 /. Spawanie im-pulsowe pozwala spawa mniejszymi energiami li-niowymi, co zmniejsza ryzyko wystpienia pkni gorcych.

Na rysunku 2 pokazano mechanizm wtapiania i przebiegi prdowo-napiciowe prdu impulsowego. Kkami zaznaczono maksymalne, a trjktami mi-nimalne napicie w trakcie trwania prdu impulsu. Wychodzc z zaoenia, e w czasie impulsu prdu, w wyniku wtapiania, uk wydua si i napicie wzra-sta o tyle, o ile zwiksza si odsuwanie na boki me-talu jeziorka i wtapianie, dochodzimy do wniosku, e wtopienie jest proporcjonalne do redniej rnicy napi w czasie prdu impulsu. Zgodnie z amery-kaskimi badaniami zaleno jest bardzo dokad-na i moe suy do automatycznej diagnostyki g-bokoci wtopienia /12/, w celu wliczenia gbokoci wtopienia w wymiar obliczeniowy spoiny. Jeeli do bada mechanicznych aluminium, zamiast norm europejskich, zastosujemy przepisy PRS i UDT, to pomimo przestrzegania wszystkich wymogw tech-nologicznych, wyniki bada mechanicznych bd negatywne. A to dlatego, e PRS i UDT nie posiada-j przepisowych wymogw i do aluminium stosuj normy do stali, co jest niedopuszczalne.

Struktury metalograficzne stopw aluminium na tle wykresw fazowych Aluminium i jego stopy s materiaami o bar-dzo dobrym stosunku wytrzymaoci do gstoci (~2,7 g/cm3), co w poczeniu z du odpornoci

na korozj czyni je konkurencyjnymi, a w niekt-rych dziedzinach lepszymi materiaami od stali, pozwalajcymi na obnienie masy konstrukcji nawet o 50%. Waciwoci stopw aluminium najlepiej jest analizowa na wykresach przemian fazowych. Rysunek 3 przedstawia wykres dla sto-pu aluminium-krzem z naniesionymi typowymi mikrostrukturami.

Do nauki bada mikroskopowych lepiej posu-giwa si pokazanymi na rysunku 4 schematami tych struktur (oznaczone tymi samymi literami co zdjcia metalograficzne z rysunku 3). Schematy te maj wyostrzone cechy charakterystyczne, na pod-stawie ktrych mona okreli wasnoci struktur. Poniewa wykresy przemian fazowych aluminium maj taki sam charakter, na rysunku 4 pokazano stosowane w praktyce fragmenty tych wykresw dla stopw: aluminiummied, aluminiumlit, aluminiummagnez, aluminiummangan, alumi-niumkrzem oraz aluminiumcynk, w najczciej stosowanym zakresie. Po prawej stronie przedsta-wiony jest wzorcowy wykres przemian fazowych z naniesionymi krzywymi chodzenia dla typo-wych zakresw skadu chemicznego. W grnej czci rysunku 4 znajduj si schematy struktur mikroskopowych, charakterystycznych dla prze-mian pokazanych na tym wykresie.

Stopy aluminium moemy najoglniej podzie-li na: odlewnicze, do przerbki plastycznej oraz umacniane wydzieleniowo. Na rysunku 4 przed-stawiono taki podzia naniesiony na uniwersal-ny wykres fazowy. Zdarza si rwnie, e stopy s przerabiane plastycznie i nastpnie obrabia-ne cieplnie, a take odlewane i obrabiane ciepl-nie. Obrbka cieplna stopw aluminium polega na nagrzaniu do temperatury, w ktrej dodatek stopowy jest rozpuszczony w aluminium, i szyb-kim schodzeniu (zamroeniu), i dalej na sta-rzeniu naturalnym (w temperaturze otoczenia), bd sztucznym (podgrzewaniu), powodujcym, e z przesyconej osnowy wydzielaj si drob-ne zwizki umacniajce stop. Jeeli stop pozo-stawimy w stanie przesyconym, starzenie b-dzie zachodzio wolno, a struktura stopu bdzie przypominaa bardziej plastry miodu ni ser z dziurami.

56 Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

Technologie |

Przedstawione na rysunku 4 krzywe chodzenia omwimy na konkretnych stopach aluminium.

Chodzenie stopu Al-Mg 1 pokazane na krzy-wej 1-2-3-4 powoduje:

od punktu 1 do 2 chodzenie cieczy; od punk-tu 2 do 3 z cieczy wydziela si pierwszy zalek krzepnicia; od punktu 2 do 3 skad chemicz-ny fazy staej zmienia si wzdu linii niebieskiej, a skad fazy ciekej wzdu linii czerwonej; od punku 3 do 4 poniej punktu 3 w caej obj-toci stopu jest ciao stae, a chodzenie roztworu

staego odbywa si bez wydzielenia si dodatko-wych faz.

Chodzenie stopu Al-Cu 5 pokazane na krzy-wej 5-6-7-8-9 powoduje:

od punktu 5 do 6 chodzenie cieczy; od punk-tu 6 do 7 - z cieczy wydziela si pierwszy zalek krzepnicia, a faza staa w danej temperaturze ma skad chemiczny odpowiadajcy danej temperaturze punktu na linii niebieskiej, z kolei ciecz ma skad chemiczny odpowiadajcy punktowi w tej tempera-turze na linii czerwonej; od punktu 7 do 8 poniej

Rys. 4 Fragmenty w ykresw fazow ych w granicach stosowalnoci dodatkw stopow ych i przykadowe mikrostruktury /1,2,7/

57Projektowanie i Konstrukcje Inynierskie | wrzesie 2012 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl

Spawanie

| Technologie

punktu 7 w caej objtoci stop jest ciaem staym, ale rozpuszczalno Cu w Al spada, w wyniku czego wydziela si faza Al2Cu umacniajca stop; od punk-tu 8 do 9 chodzenie stopu.

Jako obrbk ciepln stosuje si podgrzanie do zakresu (7 do 8), a nastpnie szybkie schodzenie (przesycanie) i starzenie, czyli ogrzewanie w za-kresie poniej punktu 8 w celu uzyskania drobnych wydziele, tzw. umocnienie wydzieleniowe.

Chodzenie stopu Al-Si (podeutektyczny) po-kazane na krzywej 10-11-12-13 powoduje:

od punktu 10 do 11 chodzenie cieczy; od punktu 11 do 12 z cieczy wydziela si pierwszy zalek krzepnicia roztwr stay Al o ska-dzie odpowiadajcym punktowi na linii niebie-skiej; kiedy skad chemiczny cieczy zmieni si wzdu linii czerwonej, a do punktu eutektycz-nego (oznaczonego nr 15), zajdzie przemiana eu-tektyczna (a wic w mikrostrukturze zaobserwu-jemy ziarna roztworu staego Al i eutektyk); od punktu 12 do 13 stygniecie stopu dwufazowego.

Chodzenie stopu Al-Si (eutektyczny - atwo topliwy) pokazane na krzywej 14-15-16 powodu-je:

od punktu 14 do 15 chodzenie cieczy; w punk-cie 15 w staej temperaturze caa objto stopu krzepnie, tworzc eutektyk lub inaczej atwoto-pliw mieszanin eutektyczn aluminium i krze-mu (+Si); od punktu 15 do 16 stygnicie stopu eutektycznego dwufazowego.

Ryszard Jastrzbski, Grzegorz Cios,

Instytut czenia Metali w Krakowiedr in. Leszek Gardyski,

Politechnika Lubelska

Autorzy dzikuj in. Zbigniewowi Bartkiewi-czowi, in. Kazimierzowi Kluzie, in. Michaowi Wiczy i in. Krzysztofowi Trzeniewskiemu za cenne uwagi.

Literatura:/1/ ASM Handbook vol.2 Properties and Se-

lection: 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/ www.asminternational.org/pdf/spotlight-s/5114alum_castc5.pdf dostp [6 sierpnia 2012]

/5/ R. Jastrzbski: Robotyka i mechatronika spa-wania stopw aluminium, Projektowanie i Kon-

strukcje Inynierskie, 1/2011 /6/ A. Jastrzbski, E. Tasak: Wpyw pulsacji uku MIG na struktur spoin stopw aluminium, Prze-

gld spawalnictwa, 7/2009 /7/ L . A. Dobrzaski: Podstawy nauki o materia-

ach i metaloznawstwo8/ Japan Welding Society: Metody spawania oraz

urzdzenia spawalnicze, wydawnictwo Sanp, 2008.

/9/ Japan Welding Society: Metalurgia spawania, wydawnictwo Sanp, 1978r

/10/ G. Padula, R. Jastrzbski, J. Nowacki, Z. La-taa: Decodif icacin de los conocimientos prcticos como un paso ms hacia la creacin de sof tware de

apoyo para el anlisis microscpico cualitativo de las juntas. Materiay konferencyjne EUROJOIN 6,

Santiago de Compostela/11/ L. Gardyski: Odporno na pkanie zm-czeniowe materiaw stosowanych na toki. Cz.

I Materiay stosowane na toki, Samochody Specja l-ne, 4/2003

/12/ L . Gardyski: Odporno na pkanie zm-czeniowe materiaw stosowanych na toki. Cz. II

Badania odpornoci materiau toka na zmczenie cieplne, Samochody Specja lne, 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 We-

lding, Welding Journal, June 2010