Svařování ušlechtilých materiálů v ochranných atmosférách

Časté jsou rovněž případy, kdy se projevují jejich přednosti snazším opracováním a tím pádem jednodušší a především kratší výrobou, což nakonec i přes drahý materiál snižuje cenu celého výrobku. Ve většině případů tyto materiály vyžadují speciální postupy svařování s nutností dodržet přísnou technologickou kázeň. Každá chyba pak v důsledku znamená vadu ve svarovém spoji, jejíž odstraňování zvyšuje náklady. Nejběžnějšími příklady takových materiálů jsou slitiny hliníku a vysokolegované oceli.

SLITINY HLINÍKU
Hliník se jako konstrukční materiál vyznačuje nízkou specifickou hmotností (2.700 kg/m³) s možností dosažení vynikajících mechanických vlastností ve slitinách. Je relativně snadno zpracovatelný a má dobrou protikorozní odolnost, což jej předurčuje k mnohostrannému využití. Hliník a jeho slitiny jsou charakteristické vysokou afinitou ke kyslíku. Tvoří při styku s kyslíkem oxid hlinitý Al₂O₃ s vysokou teplotou tavení (2.050 °C), přičemž teplota tavení čistého hliníku je 658 °C. Tento oxid zajišťuje základnímu materiálu vynikající protikorozní ochranu, je však zároveň velice účinnou bariérou, která zabraňuje vytvoření svarového spoje. Oxidace probíhá neustále, zvláště intenzivně pak za vysokých teplot. Při svařování je tedy nezbytné eliminovat styk základního i přídavného materiálu s kyslíkem. Kyslík je obsažen nejen v okolním vzduchu, je součástí mechanických nečistot na povrchu základního i přídavného materiálu a samozřejmě také zůstává v povrchové vrstvě materiálu ve formě Al₂O₃. Dalším rizikem je přítomnost vodíku. Molekula vodíku H₂ je za zvýšené teploty disociována na jednotlivé atomy, které zaujímají velmi malý objem a snadno difundují do svarového kovu. Při ochlazování pak významně klesá rozpustnost vodíku ve slitině, vodík je vylučován v plynné formě a přitom zůstává uzavřen ve svarovém kovu. Důsledkem je tvorba pórů a riziko vzniku trhlin za studena. Z uvedeného vyplývá potřeba zachovávat maximální čistotu všech komponent, vstupujících do procesu svařování. Kritická je přítomnost vlhkosti, mastnoty a prachových nečistot. Bezprostředně před svařováním je potřeba svarové plochy odmastit a očistit a chemickou nebo mechanickou cestou odstranit oxidickou vrstvu z povrchu spojovaných dílů.
Svařitelné slitiny hliníku je teoreticky možné svařovat všemi známými metodami, nicméně s přihlédnutím ke kvalitě a efektivitě procesu jsou prakticky nejčastěji aplikovány metody MIG a WIG. Metoda WIG využívá střídavého proudu s různou modulací tvaru průběhu proudu v závislosti na čase. V době přímé polarity (záporný pól na elektrodě) dochází k intenzivnímu zahřívání svarových ploch a ke vzniku závaru, v době obrácené polarity (kladný pól na elektrodě) je prostřednictvím tzv. čisticího účinku oblouku odstraňována oxidická vrstva. Řízením velikosti a tvaru kladné a záporné půlperiody (umožňuje většina dostupných svařovacích zdrojů) lze proces optimalizovat.
Metody svařování WIG i MIG využívají k vytěsnění okolního vzduchu ochrannou atmosféru inertních plynů. Typickou ochrannou atmosférou je argon. Ten zajišťuje dostatečnou ochranu svarové lázně a díky nízkému ionizačnímu potenciálu působí pozitivně při zapalování oblouku a zajišťuje jeho dobrou stabilitu. Naproti tomu však díky nízké teplotní vodivosti přináší pouze malý závar, nízkou rychlost svařování a při MIG svařování také riziko tvorby pórů. Z těchto důvodů bývá často před svařováním materiál předehříván. Uvedené nedostatky a nutnost předehřevu lze omezit nebo zcela odstranit nasazením impulsního svařování nebo použitím ochranné atmosféry – směsi argonu a hélia. Hélium díky vysoké tepelné vodivosti umožňuje zvýšení rychlosti svařování a mnohdy eliminuje nutnost předehřevu. Nevýhodou je snížení stability oblouku při obsahu hélia nad 50 obj. %. Optimální je složení 20 % He + 80 % Ar. Vzhledem k citlivosti hliníku na jakékoliv nečistoty je doporučována čistota ochranného plynu 4.8 (99,998 %).

VYSOKOLEGOVANÉ OCELI
Vysokolegované oceli jsou vyráběny a konstruktéry navrhovány z několika důvodů. Nejčastější příčinou aplikace je zvýšení protikorozní odolnosti, dále pak dosažení lepších mechanických vlastností za vysokých nebo naopak nízkých teplot, případně pro specifické elektromagnetické vlastnosti. Jednotlivé typy vysokolegovaných ocelí se liší chemickým složením a vnitřní strukturou. Nejběžněji užívaným typem jsou austenitické oceli, které nacházejí uplatnění převážně tam, kde je konstrukce vystavena koroznímu namáhání. Odolnost materiálu proti korozi je dána charakteristickým chemickým složením s obsahem chrómu v tuhém roztoku minimálně 12 hmotn. %. Austenitické struktury je dosaženo díky přítomnosti niklu. Typické složení oceli je 18 % Cr, 10 % Ni, 0,02 – 0,15 % C (+ event. Ti, Nb, Mo, Cu, Si ...).

Nezkrácený článek včetně všech fotografií si můžete přečíst v dubnovém čísle 2/2005.

Autor

• Ing. Roubíček Martin