Spawanie metali nieżelaznych

Metale nieżelazne zwane inaczej metalami kolorowymi charakteryzują się połyskiem i dobrym przewodnictwem cieplnym.

Metale nieżelazne i ich stopy można podzielić na metale lekkie i metale ciężkie.

 

Podział metali nieżelaznych
Podział metali nieżelaznych

 

Metale lekkie są to metale , których gęstość jest mniejsza od 4,5g/cm3. Należą do nich metale z I i II grupy pierwiastków układu okresowego. Metale ciężkie to metale których gęstość jest większa niż 4,5 g/cm3 .

 

Spawalność metali lekkich

 

Aluminium

Spawalność aluminium związana jest bezpośrednio z jego własnościami :

  • Składem chemicznym materiału rodzimego
  • Składem chemicznym materiału dodatkowego
  • Stanu obróbki cieplnej materiału spawanego
  • Metody spawania
  • Dużego powinowactwa chemicznego aluminium do tlenu (trudnotopliwa warstwa tlenku który nie ulega redukcji)
  • Wysoka przewodność cieplna utrudnia miejscowe topienie materiału.
  • Wysoki współczynnik rozszerzalności liniowej i duży skurcz objętościowy wywołuje znaczne naprężenia, odkształcenia oraz powoduje pęknięcia w złączach spawanych.
  • Duża skłonność aluminium do rozpuszczania w sobie gazów w szczególności wodoru, który jest przyczyna porowatości spoin.
  • Aluminium charakteryzuje się niskimi własnościami wytrzymałościowymi w temperaturze powyżej 500˚C.
  • Aluminium nie zmienia barwy podczas podgrzewania i stapiania co utrudnia właściwą ocenę nagrzania się materiału i może być przyczyną niepoprawnie formowanej spoiny zwłaszcza od strony grani.

Metody spawania aluminium – do najbardziej rozpowszechnionych należy metoda TIG spawanie cienkich blach i metoda  MIG spawanie blach grubych.

 

Materiał dodatkowy w postaci drutów spawalniczych powinny być zbliżone składem chemicznym do materiału rodzimego.

 

Gaz osłonowy głównie czysty argon lub mieszanina argonu z helem. Czysty Hel jest rzadko stosowany z uwagi na brak czyszczenia katodowego.

 

Magnez

Niska temperatura topnienia magnezu wymaga znacznie mniejszej ilości ciepła do jego stopienia. Duże współczynniki rozszerzalności cieplnej i przewodnictwa cieplnego są przyczyną dość dużych odkształceń spawalniczych dlatego procesy spawalnicze powinny odbywać się w np. przyrządach lub odpowiednio utwierdzonych urządzeniach mocujących. Ze względu na niskie własności wytrzymałościowe czysty magnez nie jest stosowany jako materiał konstrukcyjny.

 

Spawalność stopów magnezu

  • Wzrost dodatków stopowych zwiększa zakres temperatury krzepnięcia, co powoduje wzrost skłonności do pęknięć podczas spawania.
  • Dodatek alumnium zwiększa wytrzymałość i twardość. Pierwiastki te nie wpływają na spawalność.
  • Złącza spawane ze stopów zawierających powyżej 1,5%Al wymagają wyżarzania odprężającego w celu uniknięcia pęknięć w wyniku korozji naprężeniowej.
  • Dodatek manganu w SWC wpływa na rozrost ziarna, co zmniejsza wytrzymałość złącza
  • Pierwiastki ziem rzadkich  zmniejszają zakres temperatur krystalizacji stopu w wyniku tego zmniejsza się skłonność do pęknięć i powstawania pęcherzy
  • Cynk w ilości powyżej 2% dodawany wraz z Aluminium może być przyczyną pęknięć w złączu.
  • Dodatek cyrkonu powoduje rozdrobnienie ziarna i posiada korzystny wpływ na spawalność stopów Mg-Zn
  • Duże powinowactwo chemiczne do tlenu i tworzenie się na powierzchni jeziorka spawalniczego błonki tlenku magnezu o temperaturze topnienia 2500˚C.
  • Duża przewodność cieplna magnezu i jego stopów
  • Niska temperatura topnienia i wąski zakres temperatury krystalizacji utrudniają spawanie stopów magnezu
  • Brak zmiany barwy przejściowej podczas podgrzewania
  • Kruchość niektórych stopów w temperaturze powyżej 400 ˚C.
  • Niska wytrzymałość stopów w temperaturze powyżej 500 ˚C.
  • Niska temperatura parowania magnezu 1090 ˚C
  • Łatwość zapalania się magnezu przy dostępie powietrza podczas spawania.

Metody spawania magnezu – najbardziej rozpowszechniona jest metoda TIG i MIG. Z większym naciskiem na TIG gdyż łatwiejsza jest w tej metodzie regulacja ilości wprowadzonego ciepła i kształtu jeziorka spawalniczego. Do spawania cienkich blach stosuje się prąd przemienny. Czyszczenie katodowe zapewnia prąd stały przy metodzie TIG. Metoda MIG stosowana do spawania blach od  grubości 10[mm]. Metodą MIG spawa się z osłoną argonu, proces spawania prowadzony jest natryskowo drobnokroplowo i krótkozwarciowo. Korzystny jest prąd pulsujący.

Metoda elektronowa rzadko stosowana.

 

Materiał dodatkowy – Korzystne jest spoiwo o niższej temperaturze topnienia i szerszym zakresie temperatur krzepnięcia niż materiał podstawowy, umożliwia on zmniejszenie niebezpieczeństwa pęknięć w złączu.

 

Gaz osłonowy głównie czysty argon również do osłony grani. Ale również hel i mieszanki Ar+He.

 

Podgrzewanie wstępne -  temperatura podgrzewania uzależniona jest od grubości łączonych elementów i mieści się w zakresie 180-400 ˚C. Temperatura podgrzania nie powinna przekroczyć temperatury procesu przesycania dla danego stopu by nie doprowadzić do zmiany własności mechanicznych. Podgrzewanie powinno być przeprowadzone za pomocą pieca lub miejscowo, ale w obu przypadkach temperatura podgrzewania powinna być cały czas monitorowana.

 

Obróbka cieplna po spawaniu – W zależności od rodzaju stopu zakres temperatur wacha się w zakresie 150-320 ˚C i w czasie wytrzymania od 15-60 min. Obróbka powinna być zastosowana w celu usunięcia wysokich naprężeń pozostających po spawaniu , które mogą być przyczyną pęknięć pod wpływem korozji naprężeniowej.

 

Tytan

Im wyższa zawartość zanieczyszczeń 0,2-1,2% (tlen, azot, wodór, węgiel, żelazo, krzem) tym rośnie twardość i wytrzymałość tytanu a maleją własności plastyczne i spawalność. Dobrze spawalny tytan nie powinien przekraczać 200HB twardości . Wzrost twardości o 50HB spoiny i SWC w stosunku da materiału rodzimego prowadzi do kruchości złącza spawanego. Zwiększona zawartość wodoru w spoinie może spowodować kruchość wodorową. Dopuszczona zawartość wodoru waha się w granicach 100-150ppm. Czyszczenie powierzchni spoiny ma znaczny wpływ na żywotność połączenia spawanego po spawaniu. Należy usunąć barwy nalotowe (brązowe, niebieskie lub granatowe) , które świadczą o utlenianiu i naazotowaniu złącz spawanych.

 

Spawalność stopów magnezu – utrudnienia związane ze spawaniem:

  • Duża aktywność chemiczna tytanu w wysokich temperaturach, szczególnie w stanie płynnym, w stosunku do tlenu , azotu i wodoru oraz oddziaływanie tytanu z węglem.
  • Małe przewodnictwo cieplne i elektryczne
  • Przemiana alotropowa tytanu α <882˚ i β>882˚

 

Metody spawania tytanu do metod spawania tytanu można zaliczyć metodę TIG, MIG(rzadziej stosowana), Łuk kryty, plazmowe oraz elektronowe w próżni (wysoka czystość minimalne odkształcenia).

 

Łukiem krytym można spawać spoiny czołowe, pachwinowe i zakładkowe o grubości powyżej 3[mm]. W tej metodzie spawamy prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie. Wolny wylot drutu elektrodowego jest znacznie krótszy niż przy spawaniu stali, stąd często zmieniane są końcówki prądowe. Stosowane są topniki beztlenowe CaF2-BCL2-NaF, przed spawanie suszy się je w temperaturze 200-300˚C. Grań chronimy poprzez podkładki miedziano-topnikowe lub poduszki topnikowe.

 

TIG i MIG wady metod spawania to:

  • Błądzenie łuku
  • Gruboziarnista struktura w złączu spawanym (struktura Widmanstattena)
  • Szeroka strefa SWC

Spawanie elektronowe jest najlepszą metodą do spawania tytanu. Próżniowa osłona całego obszaru spawania i drobnoziarnista struktura złącza jak również wysoka wydajność procesu. Struktura spoin jest jednofazowa . Ilość wodoru w spoinie jest o 2,5 raza mniej niż przy spawaniu metodą TIG. Przy spawaniu elementów o grubości kilkudziesięciu mm, naprężenia spawalnicze zmniejszamy poprzez wyżarzanie odprężające.

 

Materiał dodatkowy – stosuje się materiał o wytrzymałości niższej od materiału rodzimego czyli o większej plastyczności tj. o mniejszej zawartości tlenu , azotu i węgla.

 

Gaz osłonowy – Ar, He, Ar-He, bardzo wysoka czystość gazów tj. 99,9%

 

Zalety tytanu:

  • Wysoka wytrzymałość w temperaturze ok. 500 ˚C
  • Duża odporność na korozję chemiczną, która przewyższa odporność korozyjną austenitycznych stali nierdzewnych
  • Całkowita odporność na działania wody morskiej oraz chlorków
  • Duża odporność na działanie wody królewskiej, kwasu azotowego, kwasów organicznych, rozcięczonych kwasów siarkowego i solnego.
  • Duża odporność na ciekłe metale i stopy ołowiu, cyny, bizmutu, magnezu.

 

Spawalność metali ciężkich

 

Cynk

Spawalność cynku - utrudnienia związane ze spawaniem:

  • Trudno spawalny
  • Zagrożenie zdrowia przez wydzielające się opary cynku
  • Zwiększa skłonność do deformacji i pękania w czasie spawania
  • Kruchość poniżej i powyżej zakresu temperatur 100-200 ˚C
  • Przewodnictwo elektryczne jest 4-krotnie mniejsze niż miedzi.

 

Metody spawania cynku płomieniem gazowym i metodą TIG.

Do spawania płomieniem gazowym używa się neutralnego lub lekko nawęglającego płomienia acetylenowo tlenowego lub powietrzno-węglowodorowego.

Własności mechaniczne można poprawić przez przekuwanie spoin w temperaturze 100-150˚C.

 

Spawanie metodą TIG zalety:

  • Nie wymaga stosowania topników, które zawsze są toksyczne i korodujące
  • Możliwe jest spawanie prądem stałym i prądem przemiennym, zwykle bardzo małymi mocami łuku
  • Łatwe regulowanie mocy łuku i temperatury jeziorka przez wydłużanie łuku

Gaz osłonowy stosowany jest argon

 

Materiał dodatkowy – wymagane są spoiwa zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno spoiny jak np. tytan o zawartości max. 0,12%.

 

Ołów

Spawalność ołowiu, ołów spawa się głównie gazowo płomieniem acetylenowo-tlenowym, gazem ziemnym lub wodorem. Płomień wodorowo-tlenowy umożliwia lepszą kontrolę jeziorka spawalniczego. W przypadku pozostałych wyżej wymienionych płomieni stosuje się płomień neutralny.

 

Materiał dodatkowy stosuje się spoiwo o składzie chemicznym materiału rodzimego.

 

Miedź

Spawalność miedzi : czysta miedź należy do trudno spawalnych metali, przyczyny:

  • Bardzo duże przewodnictwo cieplne 7-11 razy większe od zwykłej stali
  • Duża rozszerzalność cieplna i duży skurcz objętościowy 1,5-2,4 krotnie wyższy od zwykłej stali
  • Duże przewodnictwo elektryczne
  • Kruchość w zakresie temperatur 500-600˚C
  • Duża skłonność do pochłaniania tlenu
  • Duża skłonność do pochłaniania wodoru w stanie ciekłym
  • Duża rzadkopłynność w stanie ciekłym
  • Niska temperatura rekrystalizacji

Metody spawania miedzi ręcznie elektrodami otulonymi  głęboko wtapiającymi, TIG, MIG, Gazową (acetylenowo-tlenową).

 

Spawanie elektrodą otuloną, metoda ta jest bardzo rozpowszechniona. Jej podstawową zaleta jest brak przekuwania spoiny po zakończonym procesie spawania jak również nie trzeba spoin wyżarzać, gdyż spoina ma dobre właściwości porównywalne do materiału rodzimego. Podgrzewanie wstępne stosowane jest dla grubości od 20[mm] z temperatura podgrzewania nie przekraczająca 300˚C. Elektrody stosowane do spawania miedzi oznaczone są symbolem ECuS. Elektrodą otuloną spawamy blachy o grubości powyżej 3[mm].

 

Spawanie metodą TIG , blachy o grubości poniżej 1[mm] spawa się prądem przemiennym, a powyżej 1[mm] prądem stałym. Z biegunowością ujemną na elektrodzie wolframowej. Jako gaz osłonowy stosowany jest argon. Jako materiał dodatkowy stosuje się spoiwa podobne jak do spawania elektrodą otuloną. Spawanie odbywa się na podkładce grafitowej. Blachy o grubości do 5[mm] spawa się techniką w lewo, a powyżej 5[mm] w prawo. W zależności od grubości elementy podgrzewa się do temperatury 200-600˚C. Blachy powyżej 8[mm] spawa się odcinkami jedno lub wielowarstwowo. Pamiętając że pierwsza warstwa powinna być najgrubsza. Spawamy metodą TIG we wszystkich pozycjach prócz pułapowej.

 

Spawanie metodą MIG, zastosowana do spawania blach o grubości powyżej 4[mm]. Spawamy prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie. Gazem ochronnym jest argon. Spawamy ruchem prostolinijnym bez ruchów zakosowych. Spoiwa powinny zawierać odtleniacze.

 

Spawanie płomieniem acetylenowo-tlenowym, metoda stosowana rzadko, po wykonaniu krótkich odcinków złącz należy je przed całkowitym wystygnięciem przekuć wraz z SWC. Celem przekuwania jest rozdrobnienie ziarna całego złącza i zasklepienie pęcherzy.

 

Mosiądz (stop miedzi)

Metody spawania mosiądzów gazowo płomieniem acetylenowo-tlenowym, TIG, MIG.

 

Metoda gazowa, spawa się płomieniem acetylenowo-tlenowym utleniającym stosując spoiwo w postaci drutu mosiężnego topnikowego. Blachy do 4[mm] spawa się bez ukosowania. Powyżej 4[mm] z ukosowaniem na V. Dodatkowo należy zastosować podgrzewanie wstępne.

 

Metoda spawania TIG spawamy prądem stałym z biegunowością dodatnią na materiale spawanym oraz prądem przemiennym do spawania mosiądzów zawierających aluminium. Metoda stosowana do spawania mosiądzów z dodatkiem cynku.

 

Brąz (stop miedzi)

Spawanie brązów jest dużo łatwiejsze niż czystej miedzi ze względu na:

  • Znacznie mniejsze przewodnictwo cieplne
  • Niższe temperatury topnienia
  • Brak zagrożenia wywołanego kruchością wodorową

Do najlepiej spawalnych brązów należą brązy do przeróbki plastycznej, należą do nich:

  • Brązy cynowe
  • Brązy krzemowe
  • Brązy aluminiowe

Brązy odlewnicze spawa się tylko w przypadku awarii. Ich spawalność jest utrudniona z powodu na wysoką rzadkopłynność i duży skurcz objętościowy oraz mała wytrzymałość w zakresie temperatur 550-600˚C.

 

Metody spawania brązów, należą do nich ręczne elektrodami otulonymi, TIG,MIG.

 

Spawanie elektrodą otuloną, proces odbywa się prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie.

 

Metoda TIG, proces odbywa się prądem przemiennym blachy o grubości do 2[mm](brązy aluminiowe), prądem stałym blachy o grubości powyżej 2[mm] w obu przypadkach z biegunowością ujemną na elektrodzie.

Metoda MIG, stosowana do spawania blach o grubości powyżej 4[mm], prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie.

 

Miedzionikiel (stop miedzi)

Na konstrukcje spawane stosuje się miedzionikle o zawartości około 10-30%Ni i mniejszych zawartościach takich pierwiastków jak żelazo, mangan oraz cynku. Jeżeli wzrasta poziom niklu tym spawanie miedzionikli  się pogarsza.

 

Metody spawania miedzionikli to ręcznie elektrodą otuloną, TIG, MIG, gazowo

 

Metoda TIG proces odbywa się prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie.

 

Metoda MIG proces odbywa się prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie.

 

Spawanie elektrodą otuloną, stosuje się elektrody 70%Cu i 30% Ni, które pozwalają spawać wszystkie stopy miedzionikli. Zaleca się stosowanie niskich energii liniowych oraz układanie krótkich i wąskich ściegów. Dla małych grubości stosuje się podgrzewanie wstępne.

 

Cyrkon

Spawalność cyrkonu i jego stopów, jest podobna jak tytanu.

 

Metody spawania cyrkonu TIG,MIG.

 

Metoda TIG prąd stały z biegunowością ujemną na elektrodzie.

 

Metoda MIG prąd stały z biegunowością ujemną na elektrodzie.

 

Gaz osłonowy stosowany jest argon do osłony lica i grani.

 

Srebro

Duże przewodnictwo cieplne srebra wymaga znacznie większej ilości ciepła w procesie spawania.

 

Metody spawania, TIG, MIG, wiązką elektronów, gazowo .

 

Materiał dodatkowy o tym samym składzie co materiał spawany.

 

Metoda gazowa spawa się płomieniem obojętnym lub redukującym z zastosowaniem topnika na bazie boraksu lub kwasie ortoborowym.

 

Złoto

Metody spawania, TIG, wiązką elektronów, gazowo , łukiem plazmowym.

 

Materiał dodatkowy  do spajania wyrobów jubilerskich i dentystycznych stosuje się stopy złota ze srebrem, miedzią i cynkiem.

 

Molibden i wolfram

Molibden i wolfram maja zbliżoną sieć krystalograficzną. Charakteryzują się kruchością w niskich temperaturach oraz zbliżoną spawalnością. Własności plastyczne złącz spawanych w temperaturze pokojowej są niskie . W celu uniknięcia pęknięć w wyniku naprężeń cieplnych stosuje się podgrzewanie wstępne o temperaturze wyższej od temperatury przejścia metali w stan kruchości.

 

Metody spawania, TIG, wiązką elektronów.

 

Metoda TIG prowadzi się prądem stałym z biegunowością ujemną na elektrodzie. Proces prowadzi się w komorze wypełnionej gazem obojętnym argonem lub helem.

 

Metoda wiązka elektronów , zapobiega zanieczyszczeniu złącza tlenem i azotem oraz umożliwia stosowanie mniejszych energii niż przy spawaniu metodą TIG.

 

Literatura:

[1] – Wikipedia.

[2] - Poradnik inżyniera Spawalnictwo tom 1,2 – WNT Warszawa 2003

[3] – Technologie Materiałowe II – dr inż. Dariusz Fydrych