Aluminium jako materiał Tworzący aluminium glin jest trzecim po tlenie (O) i krzemie (Si) najpospolitszym pierwiastkiem chemicznym na Ziemi. Jest przy tym najczęściej występującym metalem stanowiącym ok. 8% masy skorupy ziemskiej. W ostatnich latach aluminium jest coraz chętniej stosowane jako materiał konstrukcyjny i dzięki swym licznym zaletom jest obecnie drugim najczęściej używanym metalem (po stali). Do krajów wykorzystujących największe ilości aluminium należą USA, Japonia, Szwecja oraz Holandia, a metal ten znajduje zastosowanie przede wszystkim w produkcji opakowań, pojazdów, elementów konstrukcyjnych oraz podzespołów elektronicznych.
Nie
jeden spawacz zastanawiał się czym pospawać
"to-----dziadostwo" i bardzo często dochodził do wniosku, że
chyba je poklei super-glue lub jakimś innym wymysłem domorosłych fizyków
z Europy Zachodniej. Otóż tak do końca nie jest. Aluminium jest naprawdę
dobrze spawalnym materiałem, lecz przed przystąpienia do jego łączenia
należy go poznać od strony chemo-mechanicznej, gdyż bez takiej wiadomości
nigdy nie wykonamy dobrze roboty. Nie chwaląc się, ale sam osobiście
przeszkoliłem kilkaset osób i szczerze powiedziawszy z największego
opornego spawacza z jakimiś tam przyzwyczajeniami da się zrobić
profesjonalną jednostkę spawającą.
Zapytacie
dlaczego jednostkę. Po prostu on i dobra spawarka, jedna z wielu
spośród mojej oferty, stanowią jedną całość idealne
skomponowaną, budzącą postrach osób spawających urządzeniami
wyprodukowanymi w Chinach typu MAGNUM, ZOŚKA, KRYŚKA i jakieś tam
Gysmaki czy też inne badziewie z jakim nie jeden z internautów
spotkał się na aukcjach Allegro. HE, HE sprzedawanych przez
profesjonalne firmy jednoosobowe najczęściej mieszczące się w garażu
i o grozo wciskające kit kupującym o certyfikatach i ich
pochodzeniu belgijskim, włoskim, austryjackim , no i nie wiem
dlaczego jeszcze, żaden z tych profesjonalistów nie wpadł na pomysł
pochodzenia rosyjskiego,no i dobrze bo przecież i sowieci potrafią zrobić
lepsze maszyny od tego tałatajstwa. Zaś Putin ostatnio straszący Europę
zamknięciem kurka z gazem, pomachał by palcem i "skazał nu
nu POLIAKI s takim gawnom to tylko rabotajtie u siebia , a od nas poszli
won duraki". Ok koniec mojej weny twórczej, przechodźmy do tematu
jakim jest GLIN ,nie, nie glina, dla laików po prostu aluminium.
Aluminium
nadaje się doskonale do spawania. Można je spawać wieloma metodami,
jednakże w praktyce dominuje tylko kilka z nich. Podczas spawania
aluminium należy uwzględnić reakcję metalu z tlenem i powstający
wtedy w szybkim tempie tlenek. Należy pamiętać o tym, że tlenek jest
twardy i charakteryzuje się wysoką temperaturą topnienia (około 2050
°C), w związku z czym łatwo może spowodować wady spoiny. Tlenek jest
cięższy niż roztopiony metal i może w nim tworzyć wtrącenia. Dlatego
też spawając aluminium należy najpierw zawsze usunąć tlenek ze
spajanych powierzchni. Można do tego użyć szczotki ze stali
nierdzewnej. Dobrze oczyszczone i wolne od tlenku powierzchnie są
warunkiem uzyskania spoin wolnych od wad.
Należy również wziąć pod uwagę ryzyko powstawania porów. Wodór
wydzielający się z występującej w powietrzu wilgoci oraz z
zanieczyszczeń metalu rozpuszcza się łatwo w stopionym aluminium, a
prawie wcale w materiale zakrzepniętym. Podczas krzepnięcia stopionego
materiału wydziela się wodór w postaci bąbelków gazu, które mogą
zatrzymywać się w stygnącym metalu powodując porowatość.
Metody spawania. 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.
Spawanie metodą MIG (Metal Inert Gas) jest z reguły stosowane przy grubości
materiału od 1 mm wzwyż, istnieje jednak możliwość aby spawać
materiały cieńsze metodą MIG z hakiem pulsującym. Spoiwo dodawane jest
w postaci drutu poprzez uchwyt elektrodowy.
Spawanie metodą TIG (Tungsten Metal Gas), 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.
Własności aluminium
Ciężar właściwy aluminium wynosi zaledwie 2,7 kg/dm3 (o jedną trzecią mniej niż ciężar stali), co w wielu zastosowaniach umożliwia znaczne zmniejszenie masy budowanej struktury w porównaniu z konstrukcją stalową z jednoczesnym zachowaniem stosunkowo dużej wytrzymałości oraz łatwości spawania. Należy jednak pamiętać, że ze względu na różne własności fizyczne nie jest możliwe proste zastąpienie stali przez aluminium. Na korzyść aluminium przemawia duża odporność na korozję, wynikająca z naturalnego tworzenia się na powierzchni metalu ochronnej warstwy tlenku, jak również niska temperatura topnienia (660,2?C dla 99,99% Al), ułatwiająca tłoczenie oraz odlewanie. Dobre przewodnictwo elektryczne (ok. 65% przewodnictwa miedzi) umożliwia stosowanie aluminium w przemyśle elektrotechnicznym oraz elektronicznym. Aluminium sprawdza się doskonale w niskich temperaturach, gdyż podczas spadku temperatury jego udarność nie ulega zmianie, a wytrzymałość rośnie. Metal ten jest ponadto nietoksyczny i higieniczny, co umożliwia jego stosowanie w przemyśle spożywczym i w produkcji opakowań.
Korozja
aluminium Surowe
aluminium posiada bardzo wysoką odporność na korozję, samoczynnie
pokrywa się bardzo cienką lecz skuteczną warstwą ochronną tlenku, która
przeciwdziała dalszemu utlenianiu. W odróżnieniu od warstwy tlenkowej
powstającej na wielu innych metalach tlenek glinu szczelnie i ściśle
przylega do podłoża. W przypadku mechanicznego uszkodzenia warstwy
tlenku glinu jest ona natychmiast odtwarzana. Tlenkowa powłoka jest głównym
czynnikiem, któremu aluminium zawdzięcza swoje dobre właściwości
antykorozyjne. Zachowuje ona stabilność dla wartości pH w zakresie 4 -
9. W warunkach silnie kwasowych lub zasadowych aluminium koroduje
zazwyczaj szybko. Stopy aluminium zawierające więcej niż ok. 0,5% Cu
charakteryzują się mniejszą odpornością na korozję, nie powinny być
stosowane bez uszlachetniania w środowisku bogatym w chlorki (sól do
posypywania dróg, woda morska).
Najczęściej spotykane typy korozji: Korozja elektrochemiczna (galwaniczna) - może wystąpić, gdy różne
metale pozostają ze sobą w bezpośrednim kontakcie, a równocześnie
istnieje między nimi ciągły mostek elektrolityczny. W większości
kombinacji z innymi metalami aluminium jest metalem mniej szlachetnym.
Dlatego też ryzyko wystąpienia korozji elektrochemicznej jest dla
aluminium większe niż dla pozostałych metali konstrukcyjnych. Ryzyko
elektrochemicznej korozji aluminium występuje jedynie w przypadku
metalicznego kontaktu z metalami szlachetniejszymi, przy równoczesnej
obecności między metalami elektrolitu charakteryzującego się dobrym
przewodnictwem. Wystąpienie korozji elektrochemicznej wynika często z
niewłaściwego zaprojektowania konstrukcji. Korozja elektrochemiczna nie
występuje w suchej atmosferze pomieszczeń zamkniętych. Ryzyko nie jest
duże w warunkach lądowych, natomiast w środowisku bogatym w chlorki,
np. w warunkach morskich, korozję elektrochemiczną mogą wywoływać
miedź i stal węglowa, stal nierdzewna, a nawet stal ocynkowana w
kombinacji z aluminium. Początkowo warstwa cynku zapewnia aluminium
ochronę, lecz po zużyciu się cynku zostaje powierzchnia stalowa, może
powodować korozję. W wyniku cynkowania ogniowego uzyskuje się grubszą
powłokę niż przy cynkowaniu elektrolitycznym, czyli trwalsze
zabezpieczenie antykorozyjne. Z tego powodu w środowisku agresywnym
wskazane jest stosowanie aluminium w połączeniu ze stalą cynkowaną
ogniowo.
Przeciwdziałanie korozji elektrochemicznej:
izolacja
elektryczna między powierzchniami metali
przerwanie
mostka elektrolitycznego (np. przez malowanie)
ochrona
katodowa - np.: zamontowanie anody, wykonanej z materiału mniej
szlachetnego, pozostającej w metalicznym kontakcie z chronionym
elementem aluminiowym lub zastosowanie zewnętrznego źródła prądu
stałego i podłą czenie elementu aluminiowego do bieguna ujemnego.
Materiał mniej szlachetny, stanowiący anodę protektorową, koroduje
chroniąc w ten sposób aluminium. Drugim warunkiem zadziałania tej
metody jest stworzenie pomiędzy powierzchnią chronioną a anodą
kontaktu za pośrednictwem cieczy. Do ochrony aluminium stosuje się
często anody protektorowe z cynku lub magnezu.
Korozja
wżerowa - najbardziej rozpowszechniony typ
korozji aluminium, występuje jedynie w obecności elektrolitu - wody lub
wilgoci, w której rozpuszczone są sole, najczęściej chlorki. Powstające
uszkodzenia korozyjne są na ogół bardzo małe i w warunkach zewnętrznych
uzyskują głębokość, której maksymalna wartość jest jedynie ułamkiem
grubości materiału. W środowisku wodnym lub w ziemi możliwa jest większa
głębokość wżerów. Produkty powstające w wyniku korozji często
zakrywają miejsca skorodowane i dlatego na powierzchni aluminium rzadko są
widoczne wyraźne wżery. Korozja wżerowa jest przede wszystkim problemem
natury estetycznej, która praktycznie nie wpływa na wytrzymałość
materiału. Zabezpieczenie powierzchni przez anodowanie lub lakierowanie -
zapobiega korozji wżerowej. Dla zachowania naturalnego wyglądu
powierzchni należy utrzymywać ją w czystości. Wystarczające jest spłukanie
wodą, nie wolno natomiast używać alkalicznych środków myjących.
Korozji wżerowej można też zapobiegać stosując ochronę katodową
oraz projektując konstrukcję w sposób umożliwiający jej osuszanie.
Korozja szparowa - może występować w ciasnych, wypełnionych
cieczą szparach. Prawdopodobieństwo wystąpienia tego typu korozji w
konstrukcjach wykonanych z profili jest niewielkie. Natomiast może
pojawiać się w atmosferze morskiej bogatej w chlorki oraz na zewnątrz
pojazdów. Zdarza się, że podczas transportu i składowania woda
gromadzi się w szparach między stykającymi się ze sobą powierzchniami
aluminiowymi, powodując korozję powierzchniową (plamy wodne). Woda
pochodzi z opadów lub skondensowanej pary i jest wciągana przez siły
kapilarne między powierzchnie metalowe. Kondensacja pary wodnej jest możliwa,
gdy zimny materiał zostanie przeniesiony do ciepłego pomieszczenia lub w
przypadku składowania aluminium na zewnątrz pod brezentowym przykryciem
(zmiany temperatury między dniem a nocą).
Aluminium w atmosferze. Korozja metali w atmosferze zależy od długości
okresu wilgotnego oraz składu elektrolitu na ich powierzchni. W
normalnych warunkach lądowych i przy umiarkowanym zanieczyszczeniu
atmosfery siarką odporność aluminium na korozję jest bardzo dobra. W
atmosferze o wysokim stopniu zanieczyszczenia siarką mogą wystąpić
powierzchniowe wżery. Odporność aluminium na korozję jest jednak
lepsza niż dla stali węglowej i stali ocynkowanej. Obecność soli,
przede wszystkim chlorków, w atmosferze zmniejsza odporność aluminium
na korozję, jednak w mniejszym stopniu niż innych materiałów
konstrukcyjnych.
Aluminium w ziemi. Ziemia nie jest materiałem jednorodnym, a jej własności
zmieniają się. Zmiany składu mineralnego, wilgotności, wartości współczynnika
pH, zawartości tlenu, występowania substancji organicznych i
przewodnictwa elektrycznego utrudniają przewidywanie odporności
korozyjnej metali w ziemi. Odporność korozyjna aluminium w ziemi zależy
od jej wilgotności, oporności i wartości współczynnika pH. Zaleca się
pokrycie powierzchni metalu powłoką ochronną, na przykład bitumiczną.
Aluminium w wodzie. Korozja metali w wodzie zależy od jej składu.
Na odporność aluminium wpływają głównie chlorki i metale ciężkie.
Jeżeli powierzchnia aluminium jest regularnie osuszana i oczyszczana,
istnieje małe ryzyko wystąpienia korozji (aluminiowe garnki mogą być używane
przez wiele lat). W przypadku dłuższego kontaktu z wodą stojącą lub
wilgocią może wystąpić zniszczenie korozyjne. Korozji wżerowej
zapobiega się przez:
rozwiązania
konstrukcyjne zmniejszające ryzyko gromadzenia wody,
zastosowanie
ochrony katodowej,
zastosowanie
domieszek chemicznych, inhibitorów korozji hamujących ją.
W
wodzie morskiej dobrą odporność na korozję wykazują stopy AlMg
zawierające powyżej 2,5% Mg oraz stopy AlMgSi. Stopy z miedzianie
powinny być tu stosowane lub należy im zapewnić ochronę antykorozyjną.
Jeśli uwzględni się odpowiednie warunki konstrukcyjne, szczególnie w
zakresie łączenia aluminium z innymi materiałami (ryzyko korozji
elektrochemicznej), aluminium stanowi doskonały materiał do stosowania w
warunkach morskich (np. stosowane jest powszechnie przy budowie łodzi).
Korozja na granicy zanurzenia polega na tym, że aluminium zanurzone w
wodzie stojącej może ulegać zniszczeniu tylko tuż pod powierzchnią
wody. Można temu zapobiec malując powierzchnie metalu po obu stronach
linii wodnej.
Aluminium i alkaliczne materiały budowlane. W kontakcie z takimi
mokrymi materiałami jak zaprawa murarska i beton, na powierzchni
aluminium powstają wyraźne plamy trudne do usunięcia. Zapobiega się im
przez pokrycie aluminium powłoką bitumiczną albo lakierem odpornym na
działanie substancji alkalicznych. Anodowanie nie daje takiego
zabezpieczenia.
Aluminium i chemikalia. Dzięki naturalnej powłoce tlenkowej
aluminium charakteryzuje się dobrą odpornością na działanie wielu
substancji chemicznych. Jednak przy niskich lub wysokich wartościach pH
(poniżej 4 i powyżej 9) warstwa tlenku ulega jednak zniszczeniu i
aluminium koroduje z dużą szybkością. Dlatego kwasy nieorganiczne i
roztwory silnie alkaliczne są czynnikami wysoce korozyjnymi dla
aluminium. Wyjątkiem jest kwas azotowy i roztwory amoniaku, które nie
atakują aluminium. W roztworach wodnych o średnim stopniu alkaliczności
korozja może zostać zahamowana przez zastosowanie krzemianów w
charakterze inhibitorów korozji.
Anodowanie
aluminium (anodowe oksydowanie, anodyzacja, eloksalowanie) -
elektrolityczne wytwarzanie na powierzchni Al (lub jego stopów) powłoki
tlenku glinu AI203.
Anodą w tym procesie jest obrabiany przedmiot, a elektrolitem roztwór
kwasu siarkowego (ewentualnie chromowego lub szczawiowego).
Proces prowadzi się przeważnie przy użyciu prądu stałego 12-^20 V.
Wytworzona warstwa tlenku jest prawie bezbarwna, ma grubość 5-^30jum,
porowatą strukturę (kanaliki prostopadła do powierzchni utlenianej).
Porowatość powłoki umożliwia jej barwienie (m.in. na kolor złoty)
najczęściej barwnikami organicznymi. Dla właściwej ochrony metalu
przez porowatą warstwę tlenku przeprowadza się proces jej uszczelniania
we wrzącej wodzie lub pasywatorze, np. 10% wodnym roztworze K2Cr207.
Ze względu na właściwości opisane powyżej anodowanie aluminium
stosuje się dla zwiększenia odporności na korozję i w celach
dekoracyjnych.
Dzięki dobrym właściwościom antykorozyjnym aluminium, uszlachetnianie
powierzchni dla samego zabezpieczenia metalu przed korozją jest rzadko
konieczne. Natomiast wykonuje sie je aby zmienić szereg własności wpływających
na wygląd oraz funkcję profili: strukturę powierzchni, kolor, odporność
na korozję, twardość, odporność na ścieranie, zdolność odbijania,
izolacyjność elektryczną (rezystancję).
Uszlachetnianie mechaniczne:
- szlifowanie - poprawia jakość powierzchni; można zastosować je przed
lakierowaniem w celu dodatkowej poprawy jakości powierzchni powłoki
lakierniczej; szlifowaną powierzchnię często poddaje się anodowaniu.
- polerowanie - wyrównuje powierzchnię metalu; polerowana powierzchnia
często poddawana jest anodowaniu, anodowanie połyskowe zapewnia
powierzchnię o wysokim połysku.
- bębnowanie - stosuje się głównie do wygładzania; zależnie od użytego
ścierniwa uzyskuje się powierzchnię od matowej do błyszczącej.
Anodowanie - jedna z najczęściej stosowanych metod
uszlachetniania powierzchni; stosuje się ze wzlędu na:
- zachowanie wyglądu,
- odporność na korozję,
- powierzchnię nie zatrzymującą zanieczyszczeń, spełniającą wysokie
wymagania sanitarne
- dekoracyjną powierzchnię o trwałym zabarwieniu i połysku,
- powierzchnię przyjemną w dotyku,
- powierzchnię roboczą; powierzchnię ślizgową lub odporną na ścieranie,
np. do części maszyn,
- powierzchnię pokrytą powłoką o własnościach izolatora
elektrycznego,
- podkład do nałożenia kleju lub farby drukarskiej.
Najczęściej stosuje się anodowanie w kolorze naturalnym. Po odpowiednim
mechanicznym lub chemicznym przygotowaniu powierzchni oraz jej dokładnym
oczyszczeniu przeprowadza się proces elektrolityczny. Profile anodowane
praktycznie nie wymagają konserwacji pod warunkiem utrzymania powierzchni
w czystości. Powierzchnię profili można łatwo umyć przy użyciu wody
z neutralnym detergentem lub benzyny lakowej. Rozpuszczalniki nie powodują
uszkodzenia powierzchni aluminium, należy jednak unikać substancji
silnie alkalicznych. Zdolność powłoki do zabezpieczania przed korozją,
przebarwieniem oraz ścieraniem wzrasta wraz z jej grubością. Kształtowanie
profili powinno mieć miejsce przed anodowaniem, ponieważ podatność powłoki
anodowej na kształtowanie na zimno jest niska. Spawanie wykonuje się
przed anodowaniem.
Własności anodowanego aluminium:
odporność
na korozję bardzo dobra, szczególnie, gdy wartość pH wynosi 4 - 9.
W przypadku kontaktu z substancjami silnie alkalicznymi powierzchnia
może ulec uszkodzeniu. Na przykład należy chronić elementy
aluminiowe przed kontaktem z wapnem, cementem i gipsem (m. in. podczas
prac budowlanych).
twardość
powłoki zależy od zastosowanej metody anodowania, zwykle jest ona
twardsza niż szkło i ma taką samą twardość jak korund.
powłoka
tlenkowa jest przezroczysta.
Barwienie
powłoki tlenkowej. Aluminium anodowane w kolorze naturalnym, lecz nie
uszczelnione, zanurza się w barwnikach organicznych lub nieorganicznych
(barwienie zanurzeniowe). Inną metodą jest barwienie elektrolityczne,
gdzie na skutek działania prądu zmiennego barwnik w postaci soli cyny
wnika w głąb porów. Można w ten sposób uzyskać kolory o bardzo
wysokiej trwałości.
Stopy aluminium
Czyste aluminium jest miękkie i tym samym nie nadaje się do zastosowań konstrukcyjnych. Zwiększenie wytrzymałości aluminium odbywa się poprzez stapianie, utwardzanie i obróbkę cieplną. Domieszki innych metali zwiększają również odporność stopu na korozję i ułatwiają wykonywanie odlewów. Topnienie i krzepnięcie najczęściej spotykanych stopów ma z reguły miejsce nie w konkretnej temperaturze (jak w przypadku czystego aluminium), lecz w pewnym zakresie temperatur, powyżej ok. 565°C (np.: ok. 575-630°C dla AlMg5). Przewodnictwo cieplne i elektryczne stopów jest mniej więcej o połowę gorsze niż w przypadku czystego aluminium, co należy uwzględnić planując spawanie takich materiałów ponieważ proces krzepnięcia ma duży wpływ na powstawanie wad spoin takich jak pęknięcia, szczeliny i porowatość.
W przypadku łatwo topliwych stopów czystego aluminium (AlSi12) cała spoina krzepnie niemal jednocześnie, a jedyny problem stanowią rozpuszczone w niej gazy, które nie mają czasu wyparować przed zastygnięciem, co jest przyczyną porowatości. Pęknięcia są rzadkie. Stopy o dużej zawartości domieszek krzepną wolniej, co eliminuje ryzyko porowatości i pęknięć ale powoduje częste występowanie szczelin.
Więcej problemów nastręczają stopy o niskiej zawartości domieszek gdyż ich krzepnięcie przebiega nierównomiernie. W takiej sytuacji dodatkowe czynniki, jak kurczenie się materiału w czasie krzepnięcia, skład chemiczny stopu, obecność zanieczyszczeń oraz naprężenia wewnętrzne, mogą powodować pękanie spoiny. Dla wszystkich stopów ryzyko powstawania pęknięć jest największe dla zawartości domieszek od 0,5 do 2% i z tego właśnie względu podczas spawania aluminium zarówno materiał spawany, jak i drut elektrodowy powinny być wykonane ze stopów o wyższej zawartości procentowej domieszek. Należy również pamiętać, że w połączeniu ze stopionym materiałem spawanym metal drutu spawalniczego może ulec rozcieńczeniu, co z kolei wpływa na końcowy skład chemiczny spoiny. Ryzyko powstawania pęknięć jest większe jeśli materiał drutu zastyga szybciej od materiału spawanego i dlatego właśnie najczęściej stosuje się druty stopowe krzepnące wolniej od materiału spawanego. Powszechnie stosowane domieszki Cu i Pb znacznie zwiększają podatność materiału na pęknięcia w czasie spawania. Ogólnie rzecz biorąc stopy z domieszką Cu (seria 2000) nadają się do spawania tylko częściowo lub wcale. Z drugiej strony stosowanie drutu z domieszką Ti i Zr zmniejsza ryzyko powstawania pęknięć, tak więc dobór odpowiedniego drutu spawalniczego ma decydujący wpływ na końcowy efekt.
Różne domieszki mają odmienny wpływ na właściwości stopu:
Cu zwiększa wytrzymałość
Si obniża temperaturę topnienia i zwiększa płynność metalu
Mn zwiększa wytrzymałość nie wpływając znacząco na lepkość
Mg zwiększa wytrzymałość nie pogarszając odporności na korozję
Mg/Si zwiększa wytrzymałość oraz ułatwia utwardzanie i tłoczenie
Zn w połączeniu z magnezem i miedzią daje wysoką wytrzymałość
Utwardzalne stopy aluminium można podzielić według zawartości metali stopowych (źródło: Aluminium Association):
1xxx (seria 1000) czysty Al (co najmniej 99,00%)
2xxx (seria 2000) Cu
3xxx (seria 3000) Mn
4xxx (seria 4000) Si
5xxx (seria 5000) Mg
6xxx (seria 6000) Mg/Si
7xxx (seria 7000) Zn
8xxx (seria 8000) inne pierwiastki
9xxx (seria 9000) seria niewykorzystywana
Stopy można też podzielić na nieodpowiednie do obróbki termicznej (nieutwardzalne) oraz nadające się do obróbki termicznej (utwardzalne). W praktyce wytrzymałość stopu nieutwardzalnego można zwiększyć wyłącznie poprzez utwardzanie na zimno, natomiast wytrzymałość stopów utwardzalnych zwiększa się przez odpowiednią obróbkę termiczną (utwardzanie przez wytrącenie).
Spawanie aluminium
Ogólnie rzecz biorąc aluminium bardzo dobrze nadaje się do spawania, jednak jego zachowanie w czasie spawania jest inne niż stali. W czasie pracy szczególną uwagę należy zwracać na czystość spawanych powierzchni.
Temperatura topnienia utlenionej warstwy powierzchniowej aluminium (ok. 2050°C) jest ponad trzykrotnie wyższa od temperatury topnienia samego metalu. Warstwa ta, stanowiąca jednocześnie izolację elektryczną bardzo utrudnia formowanie spoiny z powodu swej twardości i wysokiej lepkości. Drobiny tlenku odpryskujące w czasie spawania od powierzchni metalu łatwo przedostają się do jeziorka powodując wady spoin oraz zwiększając w nich zawartość tlenków. W miarę jak warstwa tlenku jest coraz grubsza jej powierzchnia staje się porowata i zaczyna wchłaniać wilgoć z otoczenia, zwłaszcza w wysokiej temperaturze i wilgotności. Powoduje to wprowadzenie do spoiny wodoru, co z kolei skutkuje porowatością. Z tego też powodu przed przystąpieniem do spawania wskazane jest mechaniczne bądź chemiczne usunięcie wierzchniej warstwy tlenku.
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.
Obróbka termiczna aluminium
Obróbka termiczna umożliwia poprawę własności końcowych wyrobu. Celem obróbki jest najczęściej poprawienie własności mechanicznych i fizycznych oraz zwiększenie odporności na korozję. Często zachodzi też potrzeba obróbki termicznej w celu zapewnienia stabilności struktury.
Podgrzewanie dla usunięcia naprężeń pozwala usunąć naprężenia wewnętrzne powstałe w trakcie utwardzania lub szybkiego krzepnięcia. Naprężenia te są niepożądane zwłaszcza podczas obróbki mechanicznej. Temperatura podgrzewania jest z reguły dość niska (200 - 300°C), po to aby uniknąć utraty wytrzymałości.
Podgrzewanie zmiękczające pozwala na uzyskanie największej lepkości i miękkości aluminium, co ułatwia jego obróbkę oraz utwardzanie. W zależności od składu chemicznego metal jest podgrzewany w temperaturze od 330 do 450°C. Zastosowanie tej metody jest zależne od rodzaju stopu (utwardzalny/nieutwardzalny).
Proces homogenizacji stosuje się w celu stabilizacji naprężeń i niespójności powstających w czasie twardnienia spoiny. Metoda ta polepsza własności mechaniczne struktury oraz ułatwia późniejsze podgrzewanie rozpuszczające i kształtowanie. Obróbka odbywa się przez długi czas w wysokiej temperaturze (480?560°C zależnie od stopu).
Utwardzanie przez wytrącenie jest najbardziej wszechstronnym, ale i najtrudniejszym sposobem obróbki termicznej a jego celem jest zwiększenie wytrzymałości stopu. Proces składa się z trzech faz: podgrzewania rozpuszczającego, chłodzenia oraz wytrącania. Temperatura podgrzewania rozpuszczającego (ok. 470-570°C) zależy od rodzaju stopu i ma wpływ na końcową wytrzymałość materiału. Proces utwardzania przez wytrącenie oparty jest na własnościach metali dodanych do stopu, których rozpuszczalność w aluminium jest o wiele większa w temperaturach wysokich niż w niskich. W fazie podgrzewania rozpuszczającego pierwiastki stopowe (Cu, Mg, Si i Zn) są rozpuszczane w celu równomiernego ich rozprowadzenia w całej masie aluminium. Gwałtowne schłodzenie materiału powoduje powstanie przesyconego zastygłego roztworu. Właściwe utwardzanie rozpoczyna się po schłodzeniu, w czasie procesu wytrącania, kiedy to z przesyconego roztworu wytrącane są pierwiastki stopowe. Niektóre z nich wytrącają się już w temperaturze pokojowej (wytrącanie naturalne), inne wymagają podgrzania do 120?180°C w czasie oddzielnego procesu (wytrącanie sztuczne). Należy jednak pamiętać, że w normalnych warunkach spawania stosowanie tej metody utwardzania jest często niemożliwe.
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.
Skuteczne spawanie urządzeniami Master MLS? i Minarc
Do spawania aluminium elektrodami otulonymi nadaje się wiele urządzeń, lecz specyficzne własności aluminium wymagają od źródła prądu dużej mocy i elastyczności. Wymagania te doskonale spełniają urządzenia Master MLS? oraz Minarc. W czasie spawania aluminium materiał elektrody jest przenoszony dużymi kroplami podobnie jak w przypadku elektrod zasadowych. Powstają wówczas zwarcia wymagające wyższego natężenia prądu do przywrócenia otwartego obwodu. Aby zminimalizować czas trwania zwarć konieczny jest taki dobór dynamiki źródła aby wzrost natężenia prądu był szybki. Ciśnienie łuku może być sterowane ręcznie, jak w przypadku urządzeń Master MLS?, lub automatycznie w zależności od natężenia prądu, jak w urządzeniach Minarc. Pomimo niskiej temperatury topnienia, elektrody aluminiowe wymagają wyższego napięcia łuku niż elektrody tradycyjne. Szybkie upalanie elektrody powoduje częste zmiany długości łuku, co nie stanowi problemu dla urządzeń Master MLS? i Minarc, które są w stanie zapewnić napięcie wystarczające do niezakłóconego spawania wszystkimi rodzajami elektrod.
Spawanie aluminium metodą TIG Spawanie TIG w swojej obecnej formie jest wykorzystywane w przemyśle już od 60 lat. Nazwa metody pochodzi z języka angielskiego (?Tungsten Inert Gas?). W krajach niemiecko-języcznych używany jest skrót WIG (?Wolfram Inert Gas?), natomiast w literaturze amerykańskiej stosuje się skrót GTAW (?Gas Tungsten Arc Welding?). Wszystkie te określenia odnoszą się do tej samej metody, czyli spawania elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego.
Do spawania aluminium i jego stopów metodą TIG wykorzystuje się prąd przemienny AC, co pozwala na skuteczne usuwanie wierzchniej warstwy tlenku glinu. Usunięcie powłoki tlenku jest niezbędne do prawidłowego spawania, gdyż jego temperatura topnienia wynosi ponad 2000°C, podczas gdy aluminium topi się już w 550-660°C (w zależności od stopu). Spawanie TIG AC umożliwia rozbijanie powłoki tlenku podczas trwania biegunowości dodatniej oraz wydajne podgrzewanie materiału spawanego dla okresu trwania biegunowości ujemnej.
Możliwe jest również spawanie aluminium prądem stałym DC z wykorzystaniem gazu osłonowego zawierającego hel. Metoda ta wymaga dużej precyzji ze względu na małą długość łuku. Podczas spawania DC wierzchnia warstwa tlenku glinu nie jest usuwana, gdyż proces zachodzi poprzez nią. Uchwyt TIG jest w takim przypadku podłączany do ujemnego bieguna źródła prądu.
Do spajania aluminium wykorzystuje się najczęściej metodę TIG AC ze względu na wysoką jakość spoiny. Metoda ta znajduje zastosowanie m.in. w przemyśle lotniczym, samochodowym, spożywczym i meblarskim, jak również w produkcji motocykli, rowerów, rur i pojemników a także w pracach naprawczych i konserwacyjnych.
Źródła prądu
Źródła prądu TIG AC posiadają standardową charakterystykę opadającą. Napięcie wyjściowe zależy tym samym od zadanego natężenia prądu i długości łuku, a natężenie jest automatycznie stabilizowane na pożądanym poziomie niezależnie od wahań długości łuku.
Transformatorowe źródła zasilające są wyposażone w oddzielny układ jonizatora wysokiej częstotliwości, gdyż w chwili zmiany biegunowości (w punkcie przejścia sinusoidy przez 0) łuk musi być każdorazowo powtórnie zajarzany, co dla częstotliwości prądu AC wynoszącej 50 Hz oznacza 100 zajarzeń na sekundę.
Prąd spawania AC dostarczany przez inwertorowe źródła zasilające Mastertig AC/DC ma przebieg zmodyfikowanej fali prostokątnej, gdzie strome zbocza występujące w chwilach zmiany biegunowości są zaokrąglone wpływając na wyciszenie łuku i zapewniając mu większą stabilność.
Urządzenia Mastertig AC/DC umożliwiają automatyczne zajarzanie łuku w punkcie 0. Prąd spawania przechodzi przez zero szybko i bez zakłóceń, co w przypadku rozgrzanej i ostrej elektrody eliminuje konieczność stosowania iskry koniecznej w sprzęcie konwencjonalnym do powtórnego zajarzenia. Źródła prądu Mastertig AC/DC inicjują łuk z pomocą jonizatora wysokiej częstotliwości albo metodą kontaktową. Zaletą zajarzenia kontaktowego jest pozbawiony iskry proces spawania całkowicie eliminujący występowanie zakłóceń elektromagnetycznych, mogących wpływać na pracę znajdujących się w pobliżu urządzeń elektronicznych. Zajarzając wysoką częstotliwością, w początkowej fazie występuje napięcie stałe DC+, a następnie źródło zostaje automatycznie przełączone w tryb pracy AC. Czas trwania fazy DC+ zależy od zadanego prądu spawania oraz symetrii prądu AC (balansu = czasu udziału polaryzacji ujemnej i dodatniej prądu).
W porównaniu z transformatorowymi źródłami prądu spawania, urządzenia Mastertig AC/DC mają wiele innych zalet:
Posiadają zaawansowane funkcje (gorący start, Minilog, spawanie prądem pulsującym TIG, pamięć, regulację częstotliwości prądu AC)
Zapewniają minimum wytwarzanych zakłóceń
Dają pewne zajarzanie łuku prądem DC dla spawania AC
Mogą być wyposażone w trzy różne panele sterujące, odpowiadające różnym zapotrzebowaniom
Mogą być zdalnie sterowanie
Regulacja symetrii prądu AC (balansu)
Stosunek dodatnich i ujemnych fragmentów przebiegu prądu AC nazywamy balansem. W przypadku transformatorów, proporcja obu połówek sinusoidy jest zawsze stała (50% / 50%), powodując silniejsze nagrzewanie się elektrody. W skutek tego elektroda ulega zaokrągleniu pogarszając skupienie łuku. Utrudnia to spawanie cienkich blach aluminiowych z powodu nadmiernego nagrzewania się materiału spawanego, natomiast podczas spawania grubszych materiałów prądem o wyższym natężeniem elektroda jest zbyt silnie rozgrzana, a materiał zbyt zimny.
Źródła prądu Mastertig AC/DC umożliwiają pełną kontrolę balansu prądu AC i możliwość jego automatycznej regulacji. Urządzenie samoczynnie dobiera optymalne dla bieżących parametrów spawania proporcje połówek prądu i w razie zmiany jego natężenia dokonuje niezbędnej korekty. Powoduje to mniejsze nagrzewaniem elektrody i umożliwia spawanie zarówno cienkich, jak i grubych materiałów ostrą elektrodą i prądem przekraczającym 200 A.
Funkcja ta daje również wiele innych korzyści:
Dobre właściwości spawalnicze
Dobre skupienie łuku
Mniejsze nagrzewanie cienkich blach
Mniejsze ryzyko wystąpienia wad spoin dla twardych materiałów
Dobre usuwanie powłoki tlenku z powierzchni aluminium
Gazy osłonowe stosowane do spawania aluminium metodą TIG
Do spawania TIG używa się wyłącznie gazów obojętnych, nieaktywnych chemicznie. Najczęściej stosowanym gazem jest czysty argon (99,99%), choć do spawania grubych materiałów używa się również helu i mieszanek helu z argonem. Prędkość wypływu gazu osłonowego zależy od wielu czynników: natężenia prądu spawania, grubości materiału, rodzaju spoiny, prędkości spawania itp. Do spawania aluminium zaleca się stosowanie w uchwycie TIG laminarnej soczewki gazowej, która zapewnia bardziej równomierny wypływ gazu i pozwala na większe wysunięcie elektrody z dyszy gazowej. W przypadku argonu najczęściej stosuje się prędkości przepływu wynoszące od 8,0 do 12,0 l/min.
Zastosowanie helu i mieszanek helu z argonem jest ograniczone z powodu wysokiej ceny helu. Ponieważ hel jest bardzo lekki, wymagany jest większy przepływ gazu niż w przypadku czystego argonu. Hel i mieszanki helu z argonem sprawdzają się doskonale podczas spawania twardych materiałów, gdyż wyższa temperatura łuku eliminuje konieczność wstępnego ogrzewania materiałów spawanych.
Elektrody wolframowe
Temperatura topnienia elektrody wolframowej wynosi ok. 3400°C. Elektrody powstają przez spiekanie pyłu wolframowego, a następnie są szlifowane do pożądanego kształtu. Wolfram jest stapiany z innymi pierwiastkami w celu podniesienia temperatury topnienia, ułatwienia zajarzania i zaokrąglania końcówki itd. Różne stopy elektrodowe oznaczane są różnymi kolorami. Do pracy z urządzeniami Mastertig AC/DC stosuje się elektrody stopowe o bardzo wysokiej temperaturze topnienia: szare (z dodatkiem ceru) i złote (z dodatkiem lantanu). Do transformatorowych źródeł prądu używa się elektrod z czystego wolframu ze względu na dobre zaokrąglanie końcówki.
Kod Kolor Domieszka Zastosowanie
WC 20 Szary Cer
ogólne AC/DC (z wyjątkiem transformatorów)
WL 15 Złoty Lantan
ogólne AC/DC (z wyjątkiem transformatorów)
WT 20 Czerwony Tor
ogólne AC/DC (z wyjątkiem transformatorów)
WZ 8 Biały Cyrkon
AC (transformatory)
W Zielony Brak
AC (transformatory)
Zalecane natężenie prądu dla elektrod wolframowych
Każdy typ elektrody posiada własny optymalny zakres prądu spawania, prędkości wypływu gazu osłonowego oraz balansu prądu AC. Poniższa tabela przedstawia zalecane zakresy natężenia prądu dla elektrod z dodatkiem ceru (szarych) dla spawania w osłonie argonu z wykorzystaniem urządzeń Mastertig AC/DC.
Średnica Zakres natężenia prądu AC
1,0 mm min ? 55 A
1,6 mm 55 ? 120 A
2,4 mm 100 ? 220 A
3,2 mm 100 ? 300 A
4,0 mm 150 ? 350 A