Co sprawia, że stopy aluminium są trudne do spawania?

Spawalność stanowi łączną miarę odporności materiału na pękanie, bezpieczeństwa konstrukcji spawanej oraz ekonomiczności zamierzonych zastosowań produktu. Materiał uznaje się za spawalny, gdy jego właściwości chemiczne, metalurgiczne i fizyczne są dostosowane do procesu spawania, a połączenie spełnia wymagane parametry wytrzymałościowe.

Ponieważ aluminium i jego stopy charakteryzują się specyficznymi właściwościami fizykochemicznymi, ich spawanie wiąże się z następującymi trudnościami.

1. Szybkie utlenianie

Aluminium łatwo utlenia się w powietrzu oraz podczas spawania. Powstający w ten sposób tlenek glinu (Al₂O₃) jest stabilny i trudny do usunięcia. Jego temperatura topnienia wynosi około 2 500 °C, czyli znacznie więcej niż temperatura topnienia stopów aluminium, wynosząca około 660 °C. Podczas spawania warstwa tlenku utrudnia topnienie i stopienie metalu podstawowego. Ponieważ jego gęstość jest około 1,4 razy większa niż gęstość aluminium, nie wypływa on łatwo z jeziorka spawalniczego i może powodować niepełne stopienie oraz wtrącenia żużlu. Ponadto pochłania wilgoć, co może prowadzić do porowatości spoiny.

Przed spawaniem należy zatem usunąć warstwę tlenku poprzez dokładne chemiczne lub mechaniczne oczyszczenie powierzchni oraz zapobiegać ponownemu utlenianiu się podczas spawania.

2. Podatność na porowatość

Do gazów mogących powodować powstawanie porów zaliczają się wodór, tlenek węgla i azot. Azot jest nierozpuszczalny w ciekłym aluminium, natomiast stopy aluminium nie zawierają węgla, który mógłby powodować powstawanie porów z tlenku węgla. W związku z tym to właśnie wodór stanowi gaz powodujący powstawanie porów, który budzi obawy. Jego rozpuszczalność wynosi 7 ml/kg w ciekłym aluminium, ale tylko 0,4 ml/kg w temperaturze krzepnięcia wynoszącej 660°C. Znaczna część wodoru pierwotnie rozpuszczonego w ciekłym metalu wytrąca się i tworzy pęcherzyki w miarę krzepnięcia spoiny. Szczególnie podatne na ten zjawisko są czyste aluminium oraz stopy aluminium odporne na korozję.

Należy ograniczyć przedostawanie się wodoru do metalu podstawowego i spawalniczego oraz stosować gaz osłonowy o wysokiej czystości. Przed spawaniem należy dokładnie usunąć tlenki, wilgoć i olej z elementów spawanych, drutu i elektrod. Należy zminimalizować przerwy w pracy. Zaleca się stosowanie mocnych parametrów spawania: spawanie metodą TIG wykorzystuje wysoki prąd przy stosunkowo dużej prędkości przesuwu, natomiast spawanie metodą MIG wykorzystuje wysoki prąd przy mniejszej prędkości przesuwu, aby dłużej utrzymać jeziorko spawalnicze w stanie ciekłym i umożliwić ucieczkę wodoru z przesyconego roztworu stałego.

3. Ryzyko przepalenia

Aluminium nie wykazuje żadnych zauważalnych zmian barwy podczas przechodzenia ze stanu stałego w ciekły, co utrudnia ocenę temperatury w wanny. Jego wytrzymałość mechaniczna również spada wraz z temperaturą i wynosi zaledwie 10 MPa w temperaturze 370 °C. Materiał ten może zatem nie wytrzymać ciężaru stopionego metalu, co może spowodować nieprawidłowy kształt zgrzewu, zapadnięcie się lub przepalenie.

Powszechnie stosuje się pręt podkładowy. Należy również starannie kontrolować temperaturę, w miarę możliwości stosować spawanie w pozycji poziomej, a łuk należy zapalać i gasić na końcówkach początkowych i końcowych.

4. Skłonność do pękania na gorąco

Współczynnik rozszerzalności liniowej aluminium jest prawie dwukrotnie większy niż w przypadku stali, a jego skurcz krzepnięcia jest również około dwukrotnie wyższy, co powoduje znaczne naprężenia spawalnicze. Duży wpływ ma również skład stopu: zanieczyszczenia przekraczające określone limity powodują powstawanie w jeziorku spawalniczym większej ilości składników eutektycznych o niskiej temperaturze topnienia. Wszystkie te czynniki łącznie sprzyjają powstawaniu pęknięć termicznych.

Pęknięcia pojawiają się zazwyczaj w miejscach rozpoczęcia i zakończenia łuku, przy nagłych przerwach w łuku, w spoinach mocujących oraz w spoinach naprawczych. Zapobieganie tym zjawiskom wymaga zatem zmniejszenia naprężeń spawalniczych, dostosowania składu stopu spawanego, poprawy warunków krzepnięcia jeziorka spawalniczego, zastosowania odpowiedniego procesu oraz kontrolowania parametrów.

5. Wytrzymałość połączeń niższa od wytrzymałości metalu podstawowego

Ciepło powstające podczas spawania powoduje zmiękczenie strefy wpływu ciepła, co zmniejsza wytrzymałość i pogarsza właściwości mechaniczne. W związku z tym połączenie może nie dorównywać wytrzymałością metalowi podstawowemu. Aby uzyskać połączenie czołowe o takiej samej wytrzymałości, należy zwiększyć grubość metalu w strefie spoiny.

6. Obniżona odporność na korozję po spawaniu

Połączenia w stopach aluminium poddawanych obróbce cieplnej, takich jak duralumin, mogą znacznie stracić na odporności na korozję. Im większa niejednorodność mikrostruktury, tym większy spadek tej odporności. Istotne znaczenie mają również czystość i gęstość metalu spawalniczego: duża ilość zanieczyszczeń, gruboziarnista struktura oraz wytrącanie się kruchych faz, takich jak FeAl₃, znacznie obniżają odporność na korozję i mogą powodować zarówno miejscowe ataki powierzchniowe, jak i korozję międzykrystaliczną. Kolejnym ważnym czynnikiem są naprężenia spawalnicze.

Odporność na korozję można zwiększyć poprzez:

1. Zmniejszenie niejednorodności składu i mikrostruktury poprzez stopowanie spoiny za pomocą odpowiednich materiałów wypełniających, drobnienie ziaren, zapobieganie powstawaniu wad, dostosowanie procesu w celu ograniczenia strefy wpływu ciepła i przegrzania oraz zastosowanie obróbki cieplnej po spawaniu.
2. Redukcja naprężeń spawalniczych; miejscowe naprężenia rozciągające na powierzchni można na przykład zmniejszyć poprzez punktowe uderzenia młotkiem.
3. Stosowanie zabiegów ochronnych, takich jak anodowanie lub powlekanie.