Spawanie metodą MIG, TIG i spawanie z mieszaniem tarciowym w przypadku aluminium

Ze względu na tak szerokie zastosowanie stopów aluminium, procesy ich spawania obejmują obecnie między innymi spawanie łukowe w osłonie gazu z impulsami, spawanie łukowe wolframowe w prądzie przemiennym (TIG) oraz spawanie tarciowe z mieszaniem.

Stopy aluminium charakteryzują się na ogół dobrą obrabialnością na gorąco i na zimno oraz spawalnością i można je łączyć za pomocą konwencjonalnych procesów spawania topiącego. Do typowych metod należą: spawanie łukowe w osłonie gazowej, spawanie łukowe argonowe, spawanie łukiem plazmowym, spawanie oporowe oraz spawanie wiązką elektronową. Szczególnie odpowiednie są procesy charakteryzujące się dużą mocą cieplną, skoncentrowaną energią i skuteczną osłoną.

Obecnie elementy taboru kolejowego spawa się głównie przy użyciu zautomatyzowanych procesów spawania w osłonie gazowej. Zaawansowane metody, takie jak spawanie hybrydowe łukowo-laserowe, znajdują się nadal na etapie opracowywania i są testowane w ograniczonym zakresie.

Spawanie metodą MIG

Wyposażenie

System MIG składa się głównie ze źródła prądu, sterownika, podajnika drutu, pistoletu spawalniczego, wiązki kabli oraz przewodu uziemiającego.

Charakterystyka

Spawanie metodą MIG zapewnia wysoką wydajność, a spawanie MIG prądem o dużej natężeniu nadaje się szczególnie do grubych blach. Odkształcenia po spawaniu są nieco większe, a jakość zależy częściowo od wydajności sprzętu. Najważniejszą kwestią jest ograniczenie porowatości spoiny. Wodór może przedostawać się z kilku źródeł.

Tryb transferu metalu

Trzy tryby przenoszenia to: zwarciowy, natryskowy i natryskowy z wyrzutem. Tryb zwarciowy charakteryzuje się krótkim łukiem, odgłosem trzaskania i płytką penetracją. Stosuje się go głównie do spoin pachwinowych lub czołowych w ściankach o grubości 1–2 mm, przy niskim natężeniu prądu i drucie o średnicy 0,8 lub 1,0 mm. Przenoszenie w trybie natryskowym charakteryzuje się dłuższym łukiem z gwizdającym dźwiękiem i tworzy wąską, głęboką penetrację w kształcie palca; może to skutkować niepełnym stopieniem na bokach, porowatością i pęknięciami. Przenoszenie w trybie natrysku wyrzucanego charakteryzuje się nieco dłuższym łukiem i łagodnym trzaskiem. Tworzy profil penetracji w kształcie miseczki i zapewnia lepsze właściwości mechaniczne niż zarówno płytka penetracja w trybie zwarciowym, jak i penetracja w kształcie palca w trybie natryskowym.

W przypadku spawania aluminium metodą MIG zazwyczaj zaleca się stosowanie transferu z rozpylaniem projektowanym.

Czynniki wpływające na jakość

Jako gaz osłonowy stosuje się zazwyczaj argon; mieszanki Ar-He mogą zwiększyć wydajność i zmniejszyć porowatość. Należy kontrolować prędkość podawania drutu, kąt ustawienia pistoletu, prędkość przesuwu oraz wysokość dyszy. Należy stosować wkładkę typu PTFE lub nylonową zamiast metalowej wkładki sprężynowej oraz nie należy używać ząbkowanej rolki napędowej.

Uwaga: 1.L = pierwszy ścieg; 2.L = drugi ścieg; drut spawalniczy jest dopasowany do metalu podstawowego; gaz osłonowy to Ar; G = ścieg od tylnej strony.

Projekt rowków

Geometria połączenia zależy od grubości materiału i konstrukcji. Kąty rowków w aluminium powinny być większe niż w stali, ponieważ łatwo powstają wady w korzeniu spoiny; większy otwór poprawia warunki w korzeniu spoiny.

W pozycji poziomej należy skierować pistolet w kierunku ruchu pod kątem 5°–20° od pionu, tak aby drut był przesunięty w stronę, po której ciepło jest odprowadzane silniej.

Materiał o grubości powyżej 8 mm wymaga wykonania kilku przejść. Przejście korzeniowe ma kluczowe znaczenie, ponieważ wiele wad spoin aluminiowych powstaje właśnie w tej okolicy. Należy je wykonać szybko, stosując niewielką szerokość stopki, aby nałożony metal nie zakrywał korzenia i nie uwięził wad.

Spawanie metodą TIG

Wyposażenie

System TIG składa się głównie ze źródła prądu spawalniczego, sterownika i palnika.

Charakterystyka

Metoda TIG nadaje się do cienkich blach i zapewnia niewielkie odkształcenia, niską porowatość oraz wysoką jakość w przypadku produktów o wysokich wymaganiach. Należy stosować metodę TIG prądem przemiennym z osłoną gazową od tylnej strony. Ujemna połowa cyklu usuwa warstwę tlenku, natomiast dodatnia połowa cyklu ogranicza przegrzanie wolframu. Typowymi przyczynami porowatości są: argon o niskiej czystości, zanieczyszczony drut lub rowki, nieskuteczna osłona gazowa, nieodpowiednie parametry, nadmierne wysunięcie elektrody oraz zbyt długi lub niestabilny łuk.

Technika operacyjna

Typową techniką stosowaną przez spawacza praworęcznego jest spawanie „forehand”: trzyma się palnik w prawej ręce, drut w lewej, przechyla palnik o 20° w prawo i podaje drut w kierunku jeziorka spawalniczego pod kątem 15° względem obrabianego elementu.

Najpierw należy utworzyć jeziorko spawalnicze za pomocą łuku. Drut należy wprowadzać do niego spod łuku, wykonując powtarzające się ruchy w przód i w tył. Nie należy przesuwać drutu zbyt daleko pod łuk, ponieważ spowoduje to spadek temperatury jeziorka. Końcówkę drutu należy wtopić w przednią krawędź jeziorka i utrzymywać ją wewnątrz powłoki ochronnej.

Spawanie z mieszaniem przez tarcie

Wyposażenie

Proces ten jest realizowany za pomocą obracającego się narzędzia składającego się z profilowanego trzpienia, uchwytu i cylindrycznego występu.

Zasada działania i cechy charakterystyczne

Obracające się narzędzie przekazuje ciepło tarcia do połączenia, doprowadzając materiał do stanu plastycznego termoplastycznego w miarę przesuwania się narzędzia wzdłuż spoiny. Na początku profilowany trzpień obraca się z dużą prędkością i wchodzi w połączenie. Tarcie między trzpieniem a metalem tworzy warstwę termoplastyczną, a kontakt z kołnierzem dostarcza dodatkowego ciepła. Plastyfikowany metal nieustannie przemieszcza się od przedniej części narzędzia w kierunku tylnej i wypełnia wnękę. Strefa zgrzewu ulega ściskaniu, ogrzewaniu tarciowemu, odkształceniu plastycznemu, przenoszeniu, dyfuzji oraz rekrystalizacji.

Zalety to między innymi:

1. Łączenie półprzewodnikowe.
2. Zniekształcenia są niewielkie lub nie występują wcale.
3. Możliwość łączenia trudnych w obróbce materiałów, takich jak aluminium o wysokiej wytrzymałości, odlewy i materiały kompozytowe.
4. Bez gazu osłonowego.
5. Doskonałe właściwości mechaniczne, a zwłaszcza odporność na zmęczenie materiału.
6. Brak szkodliwego dymu, promieniowania podczerwonego ani promieniowania ultrafioletowego.
7. Duża prędkość przesuwu.
8. Brak wad spawania topiowego, takich jak pory i pęknięcia.
9. Zazwyczaj nie jest wymagane żadne przygotowanie przed spawaniem w obszarze połączenia.
10. W spoinie nie występują ziarna kolumnowe; przepływ plastyczny powoduje rozdrobnienie ziaren.

Ograniczenia obejmują:

1. Nie wolno stosować wzmocnień spawalniczych; końce elementów muszą tworzyć połączenie czołowe, a nie wolno wykonywać spoin pachwinowych.
2. Trójwymiarowych powierzchni zakrzywionych nie da się obecnie spawać.
3. Wystająca część narzędzia może pozostawić otwór wylotowy na końcu połączenia.
4. Podpora musi wytrzymywać siłę tarcia.
5. Niewspółosiowość i luz w połączeniu wymagają ścisłej kontroli.
6. Obecnie zastosowanie w produkcji ogranicza się do metali lekkich.