Wybór metody spawania

Do łączenia aluminium i jego stopów wykorzystuje się wiele metod spawania. Równie szeroka jest paleta stosowanych gazów osłonowych.

Obecnie dominują metody spawania łukowego w osłonie gazu, przede wszystkim MIG oraz TIG. Przy spawaniu metodami TIG oraz MIG w charakterze gazu osłonowego stosuje się argon (Ar) i hel (He). Są to tzw. gazy szlachetne (obojętne), co oznacza, że nie wchodzą one w związki chemiczne z innymi pierwiastkami. Mieszankę argonu i helu można stosować przy spawaniu metodą MIG w przypadku, gdy wymagany jest wysoki stopień wnikania na przykład przy spoinach pachwinowych lub przy spawaniu materiału o bardzo dużej grubości.

Ponieważ aluminium jest podatne na wtrącenia w postaci tlenku glinu oraz wodoru (porowatość), gaz osłonowy musi się charakteryzować określoną czystością, która w przypadku argonu i helu powinna wynosić powyżej 99,5%. Zadaniem gazu, oprócz udziału w tworzeniu łuku elektrycznego, jest ochrona elektrody i stopionego metalu przed utlenieniem oraz chłodzenie elektrody.

W zależności od stosowanej w danych warunkach produkcyjnych technologii spawania istnieje możliwość stosowania następującego sprzętu do spawania stopów aluminiowych:

1. palników acetylenowo-tlenowych,
2. automatów do spawania na warstwie topnika,
3. urządzeń do spawania w osłonie argonu
• elektrodą wolframową nietopliwą (metoda TIG)
• elektrodą topliwą (metoda MIG)
4. urządzeń do spawania strumieniem plazmy

Spawanie metodą TIG (Tungsten Metal Gas)

W chwili obecnej metoda TIG, stosowana dla spawania aluminium i jego stopów w skali przemysłowej, daje spoiny najwyższej jakości w porównaniu z innymi metodami — na przykład MIG. Zajarzanie łuku w aparatach nowej konstrukcji odbywa się bez potrzeby zwarcia elektrody z drugim biegunem; dzięki działaniu jonizatora łuk zapala się już z odległości około 5 mm.

W aparatach starszych wymagane jest pocieranie (dotykanie) elektrodą płytki leżącej w pobliżu łączonego styku. Płytki służące do zajarzania mogą być grafitowe lub węglowe. Niedopuszczalne jest zajarzanie łuku przez dotykanie elektrodą elementu przeznaczonego do spawania.

Dotknięcie elektrodą wolframową przedmiotu spawanego może spowodować utworzenie się niskotopliwego stopu układu Al-W zanieczyszczającego koniec elektrody. Stop Al-W utrudnia jarzenie się łuku i zwiększa zużycie elektrod. Mogą wystąpić również zanieczyszczenia spoiny wolframem.

Spawanie TIG prądem zmiennym pozwala na katodowe usuwanie tlenków na powierzchni spawanego materiału. Oprócz czystego argonu oraz mieszanek argonu z helem stosuje się w przypadku tej metody opracowane specjalnie dwu- i trójskładnikowe mieszanki osłonowe. Dodatek azotu wpływa na stabilizację oraz koncentrację łuku elektrycznego oraz poprawia wtopienie.

Spawanie metodą TIG prądem stałym elektrodą z biegunem ujemnym wykorzystuje się rzadko. Jako gaz osłonowy stosuje się czysty hel lub mieszanki argonowe z wysoką zawartością helu.

Spawanie metodą TIG, czyli spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych, stosuje się przy małej grubości materiału, nawet poniżej 1 mm. Górna praktyczna granica wynosi około 10 mm. Spawanie metodą TIG może być stosowane we wszystkich miejscach, a jego prawidłowe wykonanie gwarantuje spoinę o najlepszej jakości.

Spawanie metodą MIG (Metal Inert Gas)

Spawanie metodą MIG prowadzi się przy dużych gęstościach prądu wynoszących 100—175 A na 1 mm średnicy drutu elektrodowego. Gęstość prądu wywiera zasadniczy wpływ na postać spoiwa przechodzącego z elektrod do spoiny, a w konsekwencji na stabilność luku.

Prędkość spawania jest kilkakrotnie większa niż przy metodzie TIG, jednakże jakość połączeń, w wyniku występującej zawsze przy tej metodzie porowatości, jest obniżona. Mikro- i makroporowatość wspólnie powoduje zmniejszenie wytrzymałości i plastyczności złącza oraz odporności na korozję.

Spawanie metodą MIG stosuje się z zasady do wykonywania wewnętrznych połączeń pachwinowych, to znaczy takich, które nie stykają się bezpośrednio z wodą i atmosferą morską. Spowodowane jest to obawą przed tym, że porowatość spoin wykonanych metodą MIG może stać się ogniskiem korozji. Blachy o grubościach powyżej 4 mm można spawać metodą MIG, przy użyciu sprzętu standardowego, we wszystkich pozycjach. Spawanie cieńszych blach wymagałoby bardzo cienkiego drutu, co przy małej sztywności drutów ze stopów aluminium jest niemożliwe.

W zdecydowanej większości przypadków należy polecać zastosowanie spawania impulsowego. Pozwala ona na łączenie materiałów o niewielkich grubościach oraz zabezpiecza połączenia przed tworzeniem się pęcherzy.

Dodatkową korzyścią jest zmniejszenie ilości odprysków. Paleta możliwych do zastosowania gazów jest podobna jak w przypadku metody TIG.

Spawanie metodą MIG jest z reguły stosowane przy grubości materiału od 1 mm wzwyż, istnieje jednak możliwość aby spawać materiały cieńsze metodą MIG z łakiem pulsującym. Spoiwo dodawane jest w postaci drutu poprzez uchwyt elektrodowy.

Zastosowania specjalne

Spawanie plazmowe elektrodą z biegunem dodatnim jest wariantem metody TIG, który wykorzystuje się najczęściej w procesach zautomatyzowanych, gdzie stosuje się także kombinację spawania plazmowego z metodą MIG.

Materiały o dużej grubości można łączyć za pomocą tej techniki jednowarstwową spoiną wysokiej jakości. Podczas spawania metodą MIG z wykorzystaniem dwóch drutów elektrodowych doprowadza się je do palnika najczęściej z zastosowaniem niezależnych źródeł prądowych.

Metodę tą wykorzystuje się przeważnie przy wykonywaniu długich spoin w elementach płaskich lub spoin obwodowych.

Spawanie metodą MIG czy TIG?

Metoda TIG jest stosowana przede wszystkim w celu zapewnienia wysokiej jakości spoin i niezawodności technologicznej, z kolei metodę MIG cechuje wysoka wydajność. Spawanie metodą TIG, stosowane przeważnie do 3 mm grubości materiału, pozwala na optymalizacje procesu poprzez zmianę wartości prądu spawania. Przy wykonywaniu złączy wysokiej jakości stosuje się coraz częściej również metodę MIG, w tym przypadku nieodzowne jest wykorzystanie spawania impulsowego. Wysokie wymogi w zakresie podawania drutu spełniają podajniki czterorolkowe, wyposażone w systemy push-pull.

Wskazówki praktyczne przy spawaniu aluminium i stopów

Na co należy zwrócić szczególną uwagę?

Wysokotopliwa warstwa tlenków na powierzchni aluminium wymaga zastosowania spawania drutem elektrodowym z biegunem dodatnim (MIG) lub prądem zmiennym elektrodą nietopliwą (TIG). W czasie wykonywania spoiny płynny metal zachowuje się zasadniczo odmiennie od stali. Ze względu na wysokie przewodnictwo cieplne należy zwracać szczególną uwagę na właściwe wtopienie wzdłuż krawędzi złącza. Materiały aluminiowe są szczególnie narażone na występowanie kruchości wodorowej, z tego względu należy dołożyć starań w zakresie właściwego przechowywania materiałów dodatkowych, przygotowania krawędzi łączonych elementów oraz zapewnienia właściwej osłony jeziorka spawalniczego.

Materiały podstawowe

Składniki stopowe i procesy produkcyjne determinują właściwości materiału. Należy w szczególności wyróżnić stopy utwardzalne oraz nie utwardzalne (wg. EN 573). W zakresie materiałów nie utwardzalnych stosuje się przeważnie stopy AlMg, które cechuje wysoka twardość. W przemyśle samochodowym wykorzystuje się przede wszystkim utwardzalne stopy AlZnMg lub AlMgSi. Niektóre stopy odlewnicze są spawalne jedynie w ograniczonym zakresie, ze względu na skłonność do powstawania pęcherzy.

Materiały dodatkowe

W większości przypadków stopy aluminium łączy się za pomocą tego samego lub zbliżonego materiału. W celu uniknięcia powstawania pęknięć stopy AlMg lub AlMgMn wykorzystuje się również do łączenia materiałów utwardzalnych. Stopy AlSi wykazują gorsze własności wytrzymałościowe, jednak zachowują się korzystnie w czasie procesu spawania. Ważne są tutaj także kryteria własności antykorozyjnych oraz łatwej obróbki złącza po spawaniu. W metodzie MIG najczęściej stosuje się druty elektrodowe o średnicy ∅ 1,2 oraz 1,6 mm.

Do spawania stopów Al-Mg zaleca się stosować druty spawalnicze ze zwiększoną zawartością magnezu (ok. 1%) w stosunku do materiału rodzimego. Jest to uzasadnione intensywniejszym parowaniem magnezu niż aluminium pod działaniem cieplnym łuku oraz mniejszą skłonnością do pęknięć spawalniczych i większą wytrzymałością przy większej zawartości magnezu. Do spawania Al-Mg-Si można stosować spoiwa SAlSi5 (SPA26) lub SAlSi4Mg0,2

Druty do spawania metodą TIG

• Drut TIG do aluminium AlMg5 ∅ 1,6 - Drut aluminiowy o zawartości 5% magnezu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlMg5 ∅ 2,0 - Drut aluminiowy o zawartości 5% magnezu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlMg5 ∅ 2,4 - Drut aluminiowy o zawartości 5% magnezu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlMg5 ∅ 3,2 - Drut aluminiowy o zawartości 5% magnezu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlMg5 ∅ 4,0 - Drut aluminiowy o zawartości 5% magnezu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlSi5 ∅ 1,6 - Drut aluminiowy o zawartości 5% krzemu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlSi5 ∅ 2,4 - Drut aluminiowy o zawartości 5% krzemu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlSi5 ∅ 3,2 - Drut aluminiowy o zawartości 5% krzemu do spawania metodą TIG.
• Drut TIG do aluminium AlSi5 ∅ 4,0 - Drut aluminiowy o zawartości 5% krzemu do spawania metodą TIG.

Gazy osłonowe

Podstawowowy gazem osłonowym do spawania aluminium oraz jego stopów jest gaz obojętny: argon. Argon spawalniczy otrzymywany jest przez rektyfikacje skroplonego powietrza. Występuje on w ilości ok. 0,98% objętości powietrza i 1,2% ciężaru powietrza. Gęstość argonu w warunkach normalnych wynosi 1,784 kg/m3 (powietrza 1,380 kg/m3) Skład chemiczny argonu spawalniczego przeznaczonego do spawania stopów aluminium powinien być następujący:

Nadmierne ilości składowych powodują:
Tlen – w połączeniu z aluminium tworzy trudno topliwe tlenki glinu, utrudniające w poważnym stopniu proces spawania.
Azot – powoduje niestabilny przebieg procesu spawania, powierzchnia spoiny jest nierówna, szorstka i zabrudzona. Utworzone w czasie spawania azotki glinu tworzą ścisłą i bardzo trwałą błonkę, utrudniają stopienie krawędzi i uzyskanie prawidłowego przetopu
Wilgoć i wodór – przyczyniają się do powstawania pęcherzy wodoru w spoinie
Węglowodory – powodują powstanie porowatości i pokrywają spoinę ciemnym nalotem

Azot, jak już było powiedziane, nie powinien przekraczać 0,003%, ostatnio jednak na rynku pojawiły się mieszanki argonu, w których azot w postaci NO lub N2, przekracza tą liczbę, jednak nie wpływa to na pogorszenie procesu spawania, ale zmniejsza wydzielanie się ozonu do atmosfery podczas spawania.

Argon 4.5 (99,995%)
Odmiana argonu o wysokiej czystości stosowana przy spawaniu metodą TIG i MIG (również jako gaz formujący) metali i stopów szczególnie wrażliwych na działanie tlenu i azotu już przy niskich temperaturach (od 200°C). Wysoka czystość gazu ochronnego z gwarantowaną zawartością zanieczyszczeń znacznie obniża skłonność materiału do kruchości i pęknięć. Grupa I1 wg PN-EN439.

MISON ( Ar + 0,03%NO)
Stosowany jako zamiennik argonu, znakomicie redukujący ozon. Stosowany do spawania metodą TIG stali niestopowych, wysokostopowych, aluminium i jego stopów itd. Daje stabilny, łatwy do zajarzenia łuk. Zalecany również do spawania metodą MIG niektórych gatunków stali wysokostopowych oraz aluminium i jego stopów. Nie powinien być stosowany jako gaz formujący. Grupa I1 wg PN-EN439.

VARIGON He30 (Ar + 30%He)
VARIGON He50 (Ar + 50%He)
VARIGON He70 (Ar + 70%He)
Gazy osłonowe stosowane do spawania materiałów bardzo wrażliwych na zawartość składników utleniających w osłonie gazowej metodami TIG i MIG. Stanowią kompromis między właściwościami argonu i helu. Ze wzrostem zawartości helu polepsza się wtopienie i zwiększa możliwa do uzyskania prędkość spawania. VARIGON He70 jest zalecany przy spawaniu najgrubszych blach. Grupa I3 wg PN-EN439.

• Aluminium i stopy aluminium - rodzaje i spawalność
• Spawanie aluminium - sposoby i wybór metody
• Spawanie aluminium - technika spawania metodą TIG