Aluminium i stopy - spawanie metodą TIG i MIG

Przygotowanie krawędzi oraz podgrzewanie przed spawaniem

Przygotowanie półwyrobów ze stopów aluminium do spawania jest jedną podstawowych operacji technologicznych. Można je podzielić na następujące czynności:
a) obróbka blach i profili na elementy konstrukcji,
b) przygotowanie krawędzi elementów do spawania,
c) usunięcie z krawędzi elementów zanieczyszczeń i tlenków.

Przygotowanie krawędzi do spawania polega na odpowiednim ich ukosowaniu w zależności od grubości blach oraz wymogów technologicznych i konstrukcyjnych. Ukosowanie przeprowadza się za pomocą wyrówniarek stolarskich (małe) i ręcznych strugów elektrycznych (duże). Łuki wewnętrzne i krawędzie otworów ukosuje się pilnikiem-zdzierakiem. Operacje z przygotowaniem brzegów materiału do spawania nie mogą być wykonywane wcześniej niż o jedną dobę przed spawaniem. Po dłuższym czasie powstaje warstwa tlenków, wilgoć, oraz pył atmosferyczny, które powodują porowatość spoiny.

Przy spawaniu aluminium i jego stopów właściwe oczyszczenie materiału ma zasadnicze znaczenie. Zalecane jest przygotowanie krawędzi spawanych za pomocą frezowania, w szczególności przy spawaniu metodą TIG należy lekko sfazować dolną krawędź łączonych materiałów. Dla materiałów grubszych niż 8 mm zaleca się podgrzanie materiału przed spawaniem do temperatury 80-150^o C.

Oczyszczenie blach

Krawędzie blach oczyszczamy z brudu, tłuszczu oraz warstewki tlenków.
Są dwie metody oczyszczania z tlenków :

1. mechaniczna - szczotka druciana
2. chemiczna - następujące czynności:
• zmywanie benzyną estrakcyjną
• odtłuszczanie w kąpieli z np:
• węglanu sodowego - 50g,
• fosforu trójsodowego - 50g,
• szkła wodnego sodowego - 50g,
• wody - 50g
Czas zanurzenia w kąpieli 323-333K 5-10min
• przemywanie ciepłą wodą 323-333K
• trawienie w 5% ługu sodu o temp. 323-333 K w ciągu 1min.
• przemywanie ciepłą wodą 333K
• płukanie w zimnej wodzie , a następniej ciepłej 323-333K
• suszenie gorącym powietrzem;

Możemy również usuwać tlenki zasadami a potem działać na metal kwasami, które wytwarzają na jego powierzchni cienką nietrwałą błonkę tlenków, łatwo usuwalną w procesie spawania. Metoda chemiczna jest b. pracochłonna i używana tylko w produkcji wielkoseryjnej.

Technologia spawania aluminium.

Technika spawania blach do 6mm gr. Jest podobna do spawania gazowego. Spawa się metodą w lewo z zasady jednowarstwowo z podpawaniem. Palnik prowadzi się prostoliniowym, spoiwo dodawane jest ruchem skokowo - wstecznym, kropla za kroplą.

Przy spawaniu blach grubych stosuje się większe natężenia prądu, które pozwalają na stosowanie większych przekrojów spoiwa. Jeziorko ciekłego metalu ma wtedy większą długość, co wymaga utrzymania ciągłości przechodzenia spoiwa do płynnego metalu spoiny. Spawa się wielowarstwowo. Rozróżnia się dwa sposoby wykonania złączy doczołowych:

• na podkładce stalowej lub grafitowej,
• na poduszce powietrznej

Podkładki stalowe wykonuje się ze stali żaroodpornej lub nierdzewnej, posiadają one rowki do kształtowania grani spoiny.

Przy spawaniu na poduszce pierwszą warstwę wykonuje się bez spoiwa, następne ze spoiwem. Sposób taki stosuje się tam gdzie nie można stosować podkładek. Parametry spawania TIG dobiera się wg grubości spawanych elementów.

Jako materiał dodatkowy do spawania Al. używa się stopów aluminiowych przeważnie w gatunku SA1, zaś do spawania stopów aluminiowych - spoiw o składzie chem. zbliżonym do składu materiału rodzimego np. stop AlMg5 spawa się spoiwem oznaczonym SPA3 (~ 5% Mg).

Spoina wykonana w osłonie czystego argonu

Spoina wykonana w osłonie mieszanki argonu i helu

Spawanie konstrukcji ze stopów aluminium powinno być przeprowadzane w pomieszczeniach zamkniętych i przy temperaturze powietrza nie niższej niż 0°C. Dopuszczalne jest spawanie bezpośrednio na pochylni lub otwartej przestrzeni, przy pełnym jednak zabezpieczeniu miejsca spawania od wiatru, przeciągów i opadów atmosferycznych (deszcz i śnieg). Dopuszczalne jest również spawanie stopów Al-Mg przy temperaturze otoczenia niższej niż 0°C (do około minus 15 —20°C). W tym przypadku należy stosować specjalne środki technologiczne i organizacyjne, jak:
1. Sprzęt spawalniczy powinien być chłodzony za pomocą zamkniętych układów chłodzenia, napełnionych niezamarzającymi cieczami lub mieć tylko chłodzenie powietrzne.
2. Krawędzie spawane muszą być dokładnie oczyszczane ze śniegu i lodu. Przed spawaniem krawędzie należy dodatkowo przesuszyć i podgrzać.
3. Parametry spawania (natężenie prądu) muszą być zwiększone w stosunku do parametrów przy spawaniu w temperaturze pokojowej.
4. Spawacze muszą być wyposażeni w specjalną ciepłą odzież ochronną i ciepłe obuwie i rękawice.

Ogólnie przyjmuje się, że spawanie stopów Al-Mg można prowadzić w takich temperaturach ujemnych, przy których nie obniża się zdolność do bezbłędnego wykonywania pracy przez spawacza. Temperatura otoczenia poniżej 0°C nie wywiera ujemnego wpływu na proces spawania aluminium, jak to obserwuje się przy spawaniu stali. Wpływ temperatur ujemnych w czasie spawania można porównać ze spawaniem przy zmniejszonych parametrach prądowych (to znaczy przy zmniejszonej energii liniowej). Jest to spowodowane zwiększeniem szybkości odprowadzania ciepła w zimnym metalu, co przy spawaniu materiałów utwardzonych powoduje zawężenie strefy rekrystalizacji. Zjawisko to można usunąć zwiększając parametry prądowe spawania.

Podsumowanie TIG

Zasada działania - łuk jarzy się między końcem elektrody wolframowej (nietopliwej), a metalem rodzimym złącza. Spawacz utrzymuje stałą długość łuku. Odległość powierzchni dyszy od powierzchni materiału powinna wynosić 9-15 mm. Wartość natężenia prądu jest nastawiana na źródle prądu. Spoiwo zwykle jest dostępne w postaci drutu o długości 1m. Doprowadza się je w miarę potrzeby do przedniego brzegu jeziorka. Jeziorko jest osłaniane przez gaz obojętny wypierający powietrze z obszaru łuku. Jako gaz ochronny najczęściej stosowany jest argon.

Podsumowanie MIG

Zasada działania - łuk jarzy się między końcem elektrody a metalem rodzimym w linii złącza. Elektroda topliwa jest przesuwana ze stałą prędkością za pomocą silnika o nastawnej prędkości obrotowej. Prąd zależy od prędkości podawania elektrody. Długość łuku jest utrzymywana przez źródło prądu, a spawacz powinien prowadzić wylot prowadnika elektrody na stałej wysokości nad jeziorkiem (zwykle kilkanaście mm). Przestrzeń łukowa i spawany metal są osłaniane gazem (argonem).

Aluminium i stopy - Wady spoin

Najczęstszą wadą spoin jest porowatość spowodowana obecnością gazów w zastygającym jeziorku. Jest to wada trudna do uniknięcia i najczęściej dopuszcza się pewną porowatość spoin, ponieważ nie wpływa to znacząco na ich wytrzymałość, zwłaszcza gdy pory nie zmniejszają powierzchni nośnej lub występują jedynie na powierzchni. Główną przyczyną porowatości jest wodór, który charakteryzuje się wysoką rozpuszczalnością w płynnym aluminium (o wiele wyższą niż np. w przypadku stali). Wodór trafia do spoiny za pośrednictwem wierzchniej warstwy tlenku glinu, wilgoci oraz zanieczyszczeń (farb, smarów, olejów). Inną przyczyną może być utleniony drut spawalniczy lub zanieczyszczenia w gazie osłonowym. Dużą rolę odgrywają umiejętności spawacza oraz jakość sprzętu.

W porównaniu ze stalą, aluminium o wiele lepiej przewodzi ciepło, stąd też jego spawanie wymaga wyższej temperatury łuku (pomimo znacznie niższej temperatury topnienia). Związane z tym szybkie zastyganie spoiny znacznie zwiększa ryzyko wystąpienia porowatości. Dodatkowym utrudnieniem dla spawacza jest fakt, że w czasie ogrzewania i topnienia aluminium nie występują żadne zmiany jego koloru. Rozszerzalność cieplna aluminium jest dwukrotnie wyższa niż w przypadku stali, co oznacza również większe zniekształcenia. W czasie stygnięcia aluminium kurczy się o ok. 6%, ale szybkie odprowadzanie ciepła oraz niska sprężystość tego materiału (ok. 1/3 sprężystości stali) pomagają zmniejszyć naprężenia i zniekształcenia spoiny.

Pęknięcia

Odporność stopu na pęknięcia jest podstawowym kryterium oceny jego przydatności spawalniczej. Pęknięcia występujące w czasie spawania aluminium to w przeważającej części pęknięcia gorące, powodowane przez naprężenia powstające podczas kurczenia się materiału wzdłuż krawędzi stapiania oraz w skutek naprężeń wewnętrznych. Podatność na pęknięcia jest uwarunkowana przez skład chemiczny spawanego materiału i drutu elektrodowego, stopień płynności jeziorka oraz jego rozmiar. Znaczącą rolę odgrywa również sztywność całej struktury oraz kształt spoiny. Nie należy też zapominać o wpływie metody spawania i umiejętności spawacza na występowanie pęknięć. Często spotykaną wadą spoin są pęknięcia kraterowe w miejscu zakończenia spoiny, których można uniknąć poprzez odpowiedni dobór parametrów spawania.

Znaczenie temperatury spawania

Wysoka temperatura oraz długi czas jarzenia łuku mogą powodować zmiany struktury i właściwości materiału spawanego. Zmiany te wyglądają różnie w zależności od stopu. W przypadku utwardzanego aluminium najczęściej dochodzi do zmniejszenia wytrzymałości w pobliżu miejsca spawania, natomiast w przypadku aluminium nieutwardzanego poddanego podgrzewaniu zmiękczającemu efekt ten nie występuje. Wpływ na osłabienie materiału ma skład stopu, stopień utwardzenia oraz temperatura spawania. W przypadku stopów utwardzanych często możliwe jest przywrócenie początkowej wytrzymałości poprzez obróbkę termiczną (utwardzanie przez wytrącenie) oraz utwardzanie.

Aluminium i stopy - spawanie elektrodą otuloną

Czy aluminium można spawać elektrodą otuloną?

Ze względu na niską jakość spoiny i częste występowanie porowatości spawanie aluminium elektrodą otuloną jest z reguły ograniczone do spoin nie wymagających dużej wytrzymałości oraz drobnych prac naprawczych. Materiały spawane i rodzaje elektrod

Elektrody otulone należy stosować do spawania materiałów dla, których zalecane są elektrody zgodne z normami EN AW-1050A (Al 99,5), EN AW-4043A (AlSi5), EN AW-4047A (AlSi12) oraz EN AW-3103A (AlMn1). Są to materiały nieutwardzane (ani termicznie, ani w czasie spawania). Ze względu na zawartość krzemu druty spawalnicze AlSi5 oraz AlSi12 nadają się do ogólnego spawania odlewów, podczas gdy elektrody AlMn1 stosuje się np. do spawania blach stopowych zawierających mangan.

W czasie spawania elektroda jest podłączona do bieguna dodatniego (DC+). Otulina elektrody pełni trzy funkcje: wydziela gaz osłonowy w celu odizolowania stopionego metalu od powietrza, rozpuszcza wierzchnią warstwę tlenku glinu dzięki zawartym w otulinie domieszkom stopowym oraz tworzy na powierzchni spoiny warstwy żużla pełniące funkcję ochronną i wzmacniającą. Należy pamiętać o dokładnym usunięciu żużla ze spoiny ponieważ w przypadku aluminium zwiększa on znacznie ryzyko korozji.

Powodem bardzo wielu problemów występujących podczas spawania aluminium jest wodór, który jest obecny również w czasie spawania elektrodami otulonymi. Wchłaniana przez wodór wilgoć jest jednym z głównych powodów porowatości spoin, toteż przed przystąpieniem do spawania najlepiej dodatkowo osuszyć elektrody zgodnie z zaleceniami producenta. W celu utrzymania minimalnej wilgotności elektrod należy przechowywać je w specjalnych opakowaniach.

Uwagi dotyczące spawania

Nie ma żadnego ograniczenia dotyczącego grubości spawanych materiałów, ale zakres czynności przygotowawczych zależy od niej. Spoiny doczołowe można wykonywać bez ukosowania w przypadku materiałów o grubości do 4 mm, natomiast materiały grubsze należy ukosować pod kątem 60?90°. Wykonywanie kolejnych warstw jest możliwe pod warunkiem dokładnego usunięcia żużla z każdej spoiny przed przystąpieniem do wykonywania następnej. W przypadku grubszych materiałów zaleca się ich wstępne podgrzanie, co ułatwia kontrolę jeziorka i stabilizuje łuk.

Zajarzenie łuku odbywa się przez potarcie pionowo trzymanej elektrody w celu uniknięcia jej przywierania z powodu szybkiego stygnięcia metalu. Po zajarzeniu łuku należy nachylić elektrodę pod kątem roboczym (ok. 20-30°) i przesuwać ją powoli wzdłuż linii spoiny. Łuk powinien być możliwie najkrótszy, co zapewnia jego stabilność i minimalizuje ilość odprysków oraz porowatość spoiny. Długość łuku powinna być stała ze względu na możliwość nadmiernego odkładania się żużla w razie jego przerwania, zwłaszcza gdy długość elektrody jest niewielka. Przed powtórnym zajarzeniem łuku żużel należy dokładnie usunąć.

Zdecydowanie najwygodniejszą pozycją jest pozycja podolna, gdyż spawanie w innych pozycjach, choć teoretycznie wykonalne, jest w praktyce niezwykle trudne. Możliwe jest również wykonywanie spoin pachwinowych, przy czym pracę znacznie ułatwia nachylenie materiału do dołu pod kątem 20°. Niezależnie od rodzaju spoiny elektrodę należy prowadzić pod kątem ok. 45°. Spawanie ułatwia też stosowanie podkładek, zwłaszcza w przypadku cienkich blach. Podkładki mogą być wykonane ze stali czarnej, stali nierdzewnej lub miedzi, przy czym należy pamiętać o takim ukształtowaniu podkładki, aby pozwolić na swobodne odkładanie się żużla.

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