Nové trendy v obloukovém svařování v plynné ochranné atmosféře u hliníkových slitin

• Foto

Při svařování hliníku s tavnou elektrodou (MIG) se použití specifických argon-kyslíkových směsí s obsahem kyslíku mezi 1 a 2 % O₂ objevilo před několika lety. Výhodou byla extrémně vysoká míra penetrace při konstantních mechanických vlastnostech – ve srovnání s klasickými argon-héliovými směsmi. Stinnou stránkou v tomto případě jsou vzhledové vlastnosti povrchu, na kterém dochází ke značnému ukládání tmavých oxidů. Tyto oxidy lze odstranit jednoduše a s nevelkými náklady, ne však ve všech aplikacích jsou přijatelné. Mikropřídavky plynných prvků se začaly používat v 70. letech minulého století, kdy se na evropském trhu objevily první směsi s mikropřídavky. Mikropřídavek je přídavek, který je obecně menší než 0,5 %. První z těchto mikropřídavků byl použit pro svařování TIG hliníku pro snížení úrovně emisí O₃. Těmito přídavky byly CO (oxid uhelnatý) a NO (oxid dusnatý). Úroveň přídavku se pohybovala mezi 150 a 300 ppm, nebo-li 0,015 až 0,03 %.

Svařovací výkon je srovnatelný s čistým argonem, přičemž příměsi hélia (nebo příměsi H₂ pro austenitické nerezavějící oceli) umožňují dosažení vyšších výkonů (produktivity, snížení nákladů na kus) při snížené úrovni emisí.

V 80. letech minulého století byla zavedena první ochranná směs pro proces MIG/MAG pro svařování slitin na bázi niklu. Tento typ směsí obsahuje CO₂ jako mikropřísadu v rozsahu 500–1 000 ppm (0,05–0,1 %) a vykazuje vynikající vlastnosti při omezení prskání, vlhnutí a vzhledu svaru ve srovnání se standardní argonovou nebo argon-héliovou směsí, které se běžně používaly.

Nedávno, a zejména pro svařování TIG hliníku, se objevily mikropříměsi reaktivních plynů, jako je kyslík, oxid uhličitý, dusík či jejich různé směsi s oxidem uhelnatým či bez něj. Cílem vývoje bylo dosažení podstatně lepší stability oblouku v průběhu svařování TIG hliníkových slitin, případně odstranění potřebných předběžných prací, které sestávají z odstranění izolační hliníkové oxidické vrstvy z oblasti spoje.

V případě mikropříměsí nehrají fyzikální či chemické vlastnosti přidaných plynných součástí žádnou roli. Tepelná vodivost, entalpie či elektrická vodivost a ionizační potenciál nyní mají vliv na chování oblouku. Vlastnosti přidaných plynů je třeba posoudit z hlediska jejich chování při interakci mezi plynnou složkou a taveným materiálem.

Známé monoatomické plyny nejsou příliš zajímavé, protože jsou chemicky inertní vůči metalurgii a interakci svařování. Víceatomové plyny jsou mimořádně zajímavé, neboť molekula se uvnitř svařovacího oblouku rozdělí na jednotlivé prvky, které reagují buď s roztavenou louží, nebo opět reagují s volnými radikály. Energie uvolněná průběhu rozpadu a opětovné reakce je pro zlepšení výkonu zanedbatelná.

Z možné škály víceatomových plynů jsou pro charakter tavení zajímavé následující: CO₂, O₂, N₂, NO, další NO_x, CO, H₂, H₂O.

CO₂ – oxid uhličitý a O₂ – kyslík – vykazují výrazný vliv na výkon svařování v případě příměsí přesahujících 1 000 ppm nebo-li 0,1 %. V případě obloukového svařování hliníku vykazuje CO² vyšší tendenci k vytváření pórovitosti, přičemž příměsi kyslíku – v procesech MIG/MAG – mohou dosáhnout až 2 % aniž by se projevila pórovitost. Nevýhodou obou plynných příměsí je extrémně vysoká citlivost wolfrámové elektrody v procesu TIG na kontaminaci O₂. Ve skutečnosti při úrovni přesahující 50 ppm O₂ (0,005 %) dochází ke zkrácení životnosti elektrody nebo přesněji dochází ke zvýšení frekvence změny tvaru elektrody. H₂ a H₂O jsou mikropřísady bez efektů při svařování standardních austenitických nerezavějících ocelí. Při svařování hliníku je přítomnost pórovitosti ve ztuhlé svařovací lázni především důsledkem kontaminace vlhkostí. Úroveň vlhkosti ochranné atmosféry by měla být nižší než 40 ppm – v závislosti na aplikaci. Z tohoto důvodu vyvinula firma AirLiquide speciální lahvové ventily SMARTOP a sdružený lahvový a redukční ventil ALTOP, které mají zabudovaný zpětný ventilu pro zachování minimálního přetlaku v lahvi. Ten znemožní úplnému vyprázdnění lahve a následnou kontaminaci vnitřku lahve vzduchem a vlhkostí v něm obsaženou.

NO, CO či jiné NO_x jsou toxické prvky, které vykazují úroveň toxicity (TLV nebo prahové hodnoty), které se blíží nebo se nacházejí pod úrovní přísady. Veškeré freony, plyny obsahující fluór, chlór,… jsou vysoce toxické anebo korosivní a z využití pro průmyslové aplikace jsou vyloučeny. Dusík je dvouatomový plyn, který se již využíval jako příměs při svařování TIG u duplexních ocelí. Atomický dusík vykazuje určitou chemickou reaktivitu s hliníkem, protože vykazuje reaktivitu na usazeninách austenitu při svařování nerezavějící oceli. V laboratoři firmy AirLiquide pro vývoj a výzkum CTAS (Centre technique des Application du Soudage, Pontoise, Francie) zkoumali menší rozsah příměsi N₂ v argonu za účelem stanovení maximální přípustné úrovně obsahu dusíku v argonu, pro svařování MIG a TIG, které však vykazují:

• zvýšení míry penetrace ve srovnání s čistých argonem,
• zvýšení stability oblouku,
• omezení vzhledu housenky po svařování.

Příměsi se pohybovaly od 0 do 1 200 ppm, s vědomím, že kontaminace dusíku v ochranné atmosféře se mohou pohybovat od méně než 5 ppm do 200 ppm, v závislosti na typu a kvalitě ochranného plynu (například ochranné plyny pro svařování MAG nerezavějících ocelí jsou velmi odolné proti N₂, zatímco svařování titanu vyžaduje méně než 10 ppm N₂).

V druhém bodě se zdálo důležité dosáhnout vzhledu svaru podobného/stejného jako u toho, který lze dosáhnout v případě použití čistého argonu nebo směsi argon-hélium s příměsí hélia 20 až 30 %.

MIG a TIG se používaly pro sváření různých hliníkových slitin, zejména pak hliníkové slitiny typu 5086. Pro vývoj byly provedeny testy ohýbání, testy tažné síly, radiografické testování a nahrávání videa s vysokou rychlostí. S cílem dosažení srovnatelných výsledků byly testy provedeny na vodou chlazeném podkladě s kontrolovanou rychlostí chlazení. Příměsi plynů bylo dosaženo vícenásobným ředěním kontrolovaným pomocí plynové chromatografie.

300 ppm příměsi dusíku (nebo-li 0,03 %) vykazuje stejný penetrační efekt jako 10–15 % hélia. Směsi obsahující 600 ppm nebo-li 0,06 % N₂ mají ekvivalentní výkon jako klasické směsi 20 až 30 % He. Mechanické vlastnosti, rentgenová kvalita směsí až do 1 000 ppm jsou podobné výsledkům dosaženým pomocí argonu, kvalita 4,8 s vlhkostí a obsahem O₂ pod 5 ppm a obsahem N₂ méně než 10 ppm. Obvyklý test ohýbání o 180 ° na horní a zadní straně v posuzované škále příměsí N₂ nevykázal žádnou citlivost na praskání.

Vzhled housenky po vychlazení na teplotu vzduchu prostředí nevykazuje žádný rozdíl od svařování provedeného čistým argonem. S příměsí N₂ přesahující 1 000 ppm (0,1 %) se vzhled svaru mění a vede k odmítnutí výkonu.

Přidání N₂ do ochranné plynné atmosféry způsobí velmi rychlou reakci monoatomického dusíku s louží roztaveného hliníku. Vzniknou nitridy s vysokými emisemi elektronů, které vytvoří vysoce „stabilní“ sloupec oblouku. Ve skutečnosti tento sloupec oblouku vykazuje poměrně vysoký tlak na roztavenou lázeň, efektivně tlačí svařovací lázeň dolů a podporuje určitou rotaci lázně, shora dolů. To způsobuje výrazné zlepšení penetrace a vynikající rentgenovou kvalitu.

Svařování hliníku v procesech TIG nebo MIG vyžaduje využití směsí argonu a hélia v případě, že se vyžaduje vysoký výkon. Dnes je možné standardní směs hélia nahradit mikropříměsí dusíku v argonu, a to při uchování mechanických vlastností, jakož i vzhledu.

New Trends in the Arc Welding in Gas Protective Atmosphere of Aluminium Alloys
What concerns arc welding in gas protective atmosphere of metals, mainly with processes TIG or MIG, in order to improve total improvement of performance, various gas mixtures may be used. In the past, the main additives were hydrogen – for welding of typical austenitic stainless steel – ranging 1 to 15 % and helium – for example, for welding aluminium and alloys – ranging 5 to 100 %. These additives are actually used for creating inert effects because the wolfram electrode in the TIG process needs to be protected against fast erosion.  These inert gases protect the wolfram electrode efficiently against contamination by oxygen and nitrogen, therefore these gases or mixtures with argon shall be strictly controlled, what concerns humidity, O₂ and N₂.

Autor

• Ing. Chudík Ivan IWE