KOVO DVOŘÁK - Stanislav Dvořák

ZÁMEČNICTVÍ A SVAŘOVÁNÍ SLITIN HLINÍKU

Praha 5, Řeporyje, U Bubce 566/3

Telefon: 602 845 985

Svařování hliníku

Hliník je lehký, dobře se obrábí, tvaruje pod lisem, nerezaví, dá se recyklovat, ale také je výhodou jeho dobrá svařitelnost. Většímu uplatnění hliníku při výrobě osobních a nákladních aut, železničních vagónů a četných součástí letadel brání horší zpracovatelnost a větší cena než u oceli. Přesto je svařování hliníku oblastí, která má pravděpodobně velkou budoucnost.

Hliník má teplotu tavení 658 °C, malou měrnou hmotnost 2,7 kg.dm-3 a velmi dobrou korozní odolnost na vzduchu, ve vodě, oleji a mnohých chemikáliích. Korozní odolnost je dána existencí tenkého oxidického filmu Al2O3 na povrchu. Oxid má vysokou teplotní stabilitu (teplota tavení je 2050 °C), nerozpouští se v roztaveném kovu a proto se musí před svařováním i při svařování ze svařovaného místa odstranit. Když se oxid neodstraní, anebo nerozruší, může dojít ke vzniku neprůvarů i jiných problémů, např. špatné zapalování oblouku, nedostatečné spojení el. proudu atd. V praxi se osvědčilo odstranění oxidů před svařováním a započetí svařování do 4 hodin po odstranění oxidů. Hliník má přibližně čtyřikrát větší tepelnou a elektrickou vodivost než ocel, tím vzniká potřeba relativně většího tepelného příkonu než při svařování ocelí a nezřídka je potřeba svařované části předehřívat. Další charakteristikou hliníku, se kterou je nutné při výrobě počítat, je velký koeficient teplotní roztažnosti 24,7.106 K-1 (u oceli 12.106 K-1), zvětšení objemu při změně skupenství do tuhého 1,7-1,8x (u oceli 1,2x). Při výrobě svařovacích přípravků a při vytváření svařovacích postupů je nutné s těmito vlastnostmi počítat! Zejména z důvodu velkého smrštění po svařování!

Hliníkové slitiny lze rozdělit do dvou hlavních skupin:

vytvrditelné,
nevytvrditelné, zpevněné tvářením (na zpevnění je hliník legován Mg, Mn, Si, Fe).

Podle chemického složení se hliníkové materiály dělí na:

technický hliník (min. 99 hm.%Al),
slitiny hliníku (obsah legujících prvků je nad 1 hm.%).

Svařitelnost slitin a technického hliníku
Největšími problémy při svařování hliníkových materiálů je pórovitost svarů, náchylnost na vznik horkých trhlin ve svarových spojích, přítomnost oxidické

vrstvy Al2O3 na povrchu svařovaných materiálů, její rychlá tvorba během svařování a výrazný pokles pevnosti svarového spoje u vytvrditelných slitin.

Pórovitost svarů
Necelistvost typu pórů, bublin a někdy i trhlin nám způsobuje vodík a to zejména ve svarovém kovu. Je to dáno změnou rozpustnosti vodíku v hliníku v závislosti na teplotě

Při krystalizaci hliníkového svarového kovu klesá prudce rozpustnost vodíku v hliníku, přičemž nedojde k úplnému vyloučení vodíku ze svarového kovu. Hliníkové svary rychle krystalizují. Část vodíku ve fázi krystalizace proto zůstává ve svaru a k jeho vyloučení dojde až pod teplotou solidu. V pevném plastickém hliníkovém svaru pak vyvolá vylučující se vodík póry a bubliny.

Snížit nepříznivé působení vodíku můžeme:

minimalizováním zdrojů vodíku před svařováním (minimalizování vodíku v základním materiálu a v přídavném materiálu, zejména pak odstraněním oxidické vrstvy),
zkrácením času přímého tavení svarového kovu a zabráněním přehřátí svarového kovu (tj. použít svařování elektrickým obloukem v ochranném plynu WIG/MIG s použitím pulzního proudu - tento režim svařování zabezpečí krátkodobé tavení, rychlou krystalizaci a prakticky vyloučí přehřátí svarové lázně),
použitím vhodné plynové, struskové nebo tavidlové ochrany svarové lázně (při svařování elektrickým obloukem v ochranných plynech používat vysokou čistotu ochranných plynů – min. 99,9 hm.%Ar nebo použití směsného plynu ArHe30, ArHe50).

Trhliny ve svarových spojích slitin hliníku
Horké trhliny se mohou vyskytovat jak ve svarovém kovu, tak i v tepelně ovlivněné zóně. Na vznik trhlin jsou citlivější svary, které mají široký interval tuhnutí. Rozdílná náchylnost na vznik horkých trhlin při svařování jednotlivých slitin hliníku je dána rozdílným způsobem a rozdílnými podmínkami krystalizace.

Náchylnost ke vzniku horkých trhlin je ovlivňována typem a především množstvím eutektické fáze, je-li objem eutektika malý a nedostatečným způsobem vyplňuje prostory mezi rostoucími dendrity. Na vznik horkých trhlin jsou zvlášť náchylné tepelně zpracovatelné slitiny hliníku (Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si a Al-Zn-Mg), nízkolegované slitiny hliníku (Al-Mg, především AlMg2, AlMg3) a také některé typy technického hliníku (s vyšším obsahem nečistot Si a Fe). Na úplné potlačení krystalizačních trhlin je potřebný objem eutektcké fáze v rozmezí 15-25 %, podle typu slitiny a podmínek svařování. Potřebné množství eutektika ve svarovém kovu lze zajistit rovněž použitím vhodného přídavného materiálu. Např. přídavný materiál AlSi5 (5 hm.%Si) lze použít nejen pro svařování slitin typu Al-Si, ale i pro svařování slitin hliníku náchylných na vznik horkých trhlin např. Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, ale i při svařování některých typů technického hliníku.

Kromě chemického složení svarového kovu a základního materiálu může vznik horkých trhlin ovlivnit zvolená technologie svařování, parametry svařování a zejména předehřev.

Pokles pevnostních vlastností zpevněných slitin hliníku Hliníkové slitiny Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg a Al-Mg-Si svařované ve vytvrzeném stavu vykazují po svařování v celém svarovém spoji výrazný pokles pevnosti, velmi často až na úroveň pevnosti žíhaného materiálu. Maximální tvrdosti a pevnosti je dosaženo v první etapě precipitace, tj. při vzniku zón GP1. Při teplotách do 200 °C je tento stav téměř stabilní. Slitiny si zachovávají svoji tvrdost a pevnost získanou tepelným zpracováním. Při teplotách nad 200 °C se pevnost a tvrdost slitin postupně zmenšuje.

Problém poklesu pevnosti a tvrdosti svarových spojů vytvrditelných slitin hliníku můžeme částečně vyřešit dodržením následujících podmínek:

používat metody svařování s pracovní teplotou nižší než je teplota stability vytvrditelných slitin,
používat metody svařování s vysokým teplotním gradientem teplot v místě svarového spoje (např. odporové bodové svařování s tvrdým režimem),
provést doplňkové tepelné zpracování vytvrzením svarového spoje nebo celého svarku.

Technologie svařování slitin hliníku a technického hliníku
Hliník a jeho slitiny lze svařovat všemi způsoby obloukového svařování, plamenem, elektrickým odporem, elektronovým paprskem, laserem, plazmou, difuzně, ultrazvukem, výbuchem, tlakem za studena.