Praktické problémy pri oblúkovom zváraní pozinkovaných plechov a obecné možnosti ich riešenia
Pozinkované plechy patria už dlhú dobu medzi často používané materiály. Ich použitie sa rozšírilo hlavne do oblasti automobilového priemyslu, stavebníctva, výroba vzduchotechnických a klimatizačných zariadení, bielej techniky a kancelárskych doplnkov.
Zinok poskytuje technicky najvýhodnejšie možnosti ochrany materiálu pred koróziu. Využíva barierový účinok krycej vrstvy ale aj katodický účinok zinkového pokrytia. Katodická ochrana pôsobí v mieste malého poškodenia zinkovej vrstvy (1 - 2 mm). Zinok pôsobí v elektrolytickom článku ako katóda, t.j. degraduje na Zn 2O3, ktorý má väčší objem ako zinok a má tendenciu aj zaplniť vzniknuté medzery. Podľa technológie použitej na pozinkovanie sa dosahujú nasledovné vrstvy Zn:
Tab. 1 Metódy nanášania zinku
Obr. 1 MIG spájkovanie plech 0,8 mm, galvanicky pozink, spájkovaná strana, koreňová strana.Povrch zinku mierne poškodený - katodická ochrana funguje,malé deformácie.
MIG/MAG -zváranie
Naj používanejšia zváracia technológia na zváranie plechov konštrukcií vyrobených z čierneho plechu je MIG/MAG. Z tohto dôvodu sa ju výrobcovia snažia použiť bez zmeny aj na zváranie pozinkovaných častí. Výsledok MIG zvárania pozinkovaných plechov ovplyvňuje vznik zinkových pár a oxidov zinku, čoho výsledkom sú póry, defekty koreňovej časti, trhliny (zinc cracking), veľký rozstrek a nestabilné horenie oblúka. Najväčšie problémy pri zapálení a horení oblúka spôsobuje vyparovanie zinku medzi teplotou varu Zn 907 ºC a teplotou tavenia ocele 1 500 º C. Transfer kvapiek kovu z prídavného materiálu ( Fe drôtu ) je taktiež nepriaznivo ovplyvňovaný zinkovými parami. Vzniká paradoxná situácia, keď z hľadiska stability oblúka a prenosu kovu potrebujeme čo najnižší tepelný príkon ale z dôvodu odplynenia tavného kúpeľa zase príkon musí byť dostatočne veľký. V každom prípade poškodenie zinkovej vrstvy z hľadiska koróznej ochrany je tak veľké, že si vyžaduje opravu.
Zváranie čierneho materiálu a následné pozinkovanie.
Keď je to možné, preferuje sa zvarenie dielcov z nepozinkovaného materiálu, ktorý nespôsobuje pri správne nastavených zváracích parametroch žiadne problémy. Problémy nastanú až po zvarení ak sú na povrchu sú silikátové ostrovčeky nevhodne umiestnené. Ostrovčeky vznikajú oxidáciou Si a Mn obsiahnutých v prídavnom drôte. Minimalizovať ich množstvo môžeme výberom drôtu s nízkym obsahom Mn a Si ako G2Si (EN 440) a výberom ochrannej atmosféry z nízkym oxidačným potenciálom Ar > 90 %.
Zváranie pozinkovaných ocelí
Problémy so zváraním pozinkovaných ocelí sú popísané vyššie. V podstate ovplyvňujú stabilitu oblúka, zvyšujú rozstrek hlavne v oblasti zmiešaného prenosu kovu, zvyšuje sa množstvo pórov a zhoršuje sa tvar zvarového kúpeľa, ktorý následne vytvára nevhodný zvar.
Je zrejmé, že rozstrek je závislý od ochrannej atmosféry. Obecne sa konštatuje čím väčšie percento argónu, tým menší roztrek. Spolupôsobí faktor, či ochranná atmosféra obsahuje tenzioaktívne (ako O2) prvky alebo nie. Pri vytváraní a odtrhnutí kvapky roztaveného kovu spolupôsobia váha kvapky,povrchové napätie, gravitačné sily, elektromagnetické sily. Ak znížime povrchové napätie pridaním O2 do atmosféry, ostatné sily ostanú zachované, zmenší sa veľkosť kvapky pri odtrhnutí do kúpeľa. Inými slovami, zníži sa prúd potrebný na začiatok sprchového prenosu kovu ak ochranný plyn obsahuje tenzo- aktívny prvok.
Rovnako platí ako v predošlom použiť drôt s nízkym obsahom Mn a Si ako G2Si (EN 440) a výberom ochrannej atmosféry z nízkym oxidačným potenciálom Ar > 90 %.
Jedným z možných riešení podľa AIR LIQUIDE je použiť drôt Carbofil Galva(EN 440:G2Ti) ochranný plyn ARCAL 14 (ISO14175: 2008 M14-ArCO-3/1) resp. rúrkový drôt s kovovým práškom SAF DUAL Zn(EN758 T3TZV1H15) s plynom ARCAL 14. Typické zváracie parametre sú I = 100 A, U = 11 - 12 V. Jednou z alternatív MIG zvárania je MIG-spájkovanie alebo TOPTIG.
MIG- spájkovanie
Z predchádzajúcej stručnej analýzy MIG procesu je zrejmé, že ak by sme dokázali znížiť tepelný príkon resp. teplotu kúpeľa na cca 900 - 1 000 °C, čiže znížili množstvo odpareného zinku pomohlo by to nielen v operatívnych vlastnostiach procesu ale aj metalurgickej kvalite zvarového kovu. Popisované spĺňa MIG spájkovanie, kde sa používa ako prídavný materiál spájka na báze medi s 3 % Si a 1 % Mn s teplotou tavenia 910 - 1 025 °C. Vo firme AIR LIQUIDE sa používa označenie COPPERFIL CuSi3 (DIN 1733:SG -CuSi3). Teplota tavenia Zn je 420 °C. Počas procesu roztavený Zn zostáva na povrchu oceľového plechu a spolu s prídavným materiálom vytvára mosadznú spájku. Percento Zn v mosadzi sa mení v súvislosti so vzdialenosťou od stredu spájkovacieho kúpeľa. Najväčšie percento Zn je na hranici Zn-spájka.
Z hľadiska výroby automobilových karosérií je najdôležitejšie dosiahnuť povrch, ktorý sa už nemusí upravovať. Je nevyhnutné dodržiavať pravidlo čo najmenšieho tepelného príkonu, aby sme sa vyhli nadmernému odparovaniu Zn, čo by ovplyvnilo rozstrek a povrch spájkového šva. Toto je dominantný faktor, pretože rozstrek spájky na pozinkovanom materiály je odstrániteľný len brúsením , čo celkom zničí zinkové pokrytie na okolí spoja.
Technologické podmienky spoja
V niektorých prípadoch je možné použitím krátkeho oblúka dosiahnuť kvalitný povrch spoja. Je to závislé od dôsledného dodržiavania technologickej disciplíny, hlavne musí byť dodržaná konštantná vzdialenosť hubice od spájaného materiálu - odporúča sa 10 mm. Akékoľvek nepresnosti vo vedení horáku zapríčinia zvýšenie rozstreku. Je to samozrejme spojené s charakteristikou zváracieho zdroja a s dokonalým podávaním drôtu. Táto technika je úspešnejšia v pozícii PG.
Zlepšiť situáciu možno použitím programovateľného zdroja a využitím pulzného prúdu. Na zváranie pozinkovaných plechov a zvlášť pri spájkovaní (nízke prúdy, nízka podávacia rýchlosť ) je výhodné aby zvárací zdroj disponoval s veľmi strmým nárastom pulzného prúdu . Takto je možné individuálne podľa hrúbky zinkovej vrstvy a prídavného materiálu nastaviť prenos "jedna kvapka na pulz". Na obr. 2 je ukázané minimálne poškodenie zinkovej vrstvy pri spájaní tenkých plechov.
Zloženie ochranného plynu má vplyv aj na celkový proces spájkovania. Ovplyvňuje hlavne profil šva, zatekanie spájky, čistotu spoja, vytváranie trhlín. Ako ochranný plyn sa často používa čistý Ar. Tento plyn zabezpečí najlepšiu čistotu spájkovaného spoja ale profil spoja je vysoký kvôli vysokému povrchovému napätiu roztavenej spájky.
Ak sa použije ako ochranný plyn Ar s určitým percentom aktívného plynu O2 alebo CO2 vieme ovplyvniť samotný proces.
Plyn s obsahom 1 - 3 % CO2 má stabilizujúci účinok ma oblúk a tým na prenos spájky do spoja a znižuje povrchové napätie kúpeľa a tým je spájka tekutejšia a profil spoja je plochší.
Plyn s obsahom 0,5 - 1 % (max. 2 %) O2 má podobné účinky len z väčším efektom. Nevýhodou je vznik oxidov medi Cu2O , ktoré sa vylučujú po hraniciach zŕn a pri ďalšom spracovaní lisovaním môžu vytvoriť trhliny. Toto je spojené so spôsobom dezoxidácie medi a Si obsiahnutý v Carbofil CuSi3 je veľmi účinný dezoxidant , takže pravdepodobnosť skrehnutia spoja je nízka. Estetická nevýhoda je tmavo sfarbený povrch spoja.
Je samozrejmé, že spájkovanie má spĺňať aj iné vlastnosti ako maximálnu pevnosť spoja. Hlavne pri spájaní pokovených plechov , kde chceme eliminovať poškodenie ochrannej vrstvy. Napriek tomu určité pevnostné vlastnosti musí mať. Vo všeobecnosti sa konštatuje, že pevnostné vlastnosti sú postačujúce. Môžu mať dokonca väčšiu pevnosť ako zvárané spoje ak sa dokáže vytvoriť kapilárny spoj s väčšou plochou. Musíme si uvedomiť, že pevnosť spájky SG CuSi3 je 360 N/mm2 a MIG- Spájkovanie je väčšinou nánosové a teda tvar spoja treba navrhnúť z pevnostného hľadiska tak, aby bol optimálny. V materiáli sa uvádza, že testované preplátované spájkované spoje SG CuSi3 sa pretrhli v spájke. Príprava vzoriek podľa EN 895. Podobné výsledky sa konštatujú v literatúre. Dôležité je, aby sme v snahe o čo najmenší tepelný príkon a najkrajší povrch spoja nedosiahli namiesto spájkovaných spojov "studené spoje". Na obr. 2. sú praktické aplikácie z Škody Mladá Boleslav.
TOP-TIG
Obr. 3 Princíp technológie TOP-TIG. Podávanie drôtu do oblúku, namiesto do kúpeľa.
Zvárací proces TOPTIG bol vyvinutý na zlepšenie robotického zvárania TIG s cieľom skombinovať kvalitu zvárania TIG s výkonnosťou zvárania MIG. Kľúčovou zložkou technológie je originálny koncept horáka: Drôt sa prisúva pod uhlom blízko k volfrámovej (tungsten) elektróde naprieč plynovou tryskou. (obr. 3). Výhodou tejto konfigurácie je zredukovanie celkových rozmerov a zlepšenie prístupnosti horáka pri robotickom zváraní zložitých geometrií. Nie je potrebné udržiavať orientáciu horáka a podávania drôtu konštantnú proti osi spoja, ale uvoľniť na to šiestu os robota.
Obr. 4 Aplikácie použitia TOP-TIGU na MIG spájkovanie.
S novým dizajnom horáka sa spájajú viaceré technické funkcie ako automatická výmena elektródy a dvojčinný podávač drôtu. Uplatnenie nájde pri zváraní a spájkovaní tenkých pozinkovaných plechov drôtom CuSi3 bez rozstreku: (obr. 4.)Okrem toho sa uplatní pri zváraní nehrdzavejúcej ocele alebo hliníka: potravinársky priemysel, výroba nábytku či výroba bicyklov. Princíp TOP-TIGu je zrejmý z obr. 3 Koncept horáka poskytuje veľmi dobrú prístupnosť pri zložitých komponentoch, ktoré sa majú zvárať. Nevyžaduje špecifického robota (štandardný MIG MAG robot) s dodatočnou osou.
Pretože, TOP-TIG používa techniku TIG prenos kovu je prakticky nezávislý od oblúku, umožňuje úplne bezrostrekový proces zvárania aj spájkovania.
Vďaka ďalším funkciám, ako automatický menič držiakov a konektor na rýchle pripojenie podávača drôtu horák značne zvyšuje efektivitu oblúku robota. Viaceré testy u zákazníkov ukázali, že hlavný záujem je o spájkovanie karosérií. V tomto prípade sa môže použiť drôt CuAl, ktorý umožňuje dosiahnutie vysokých mechanických vlastností bez krehkej zóny v čiare natavenia a bez rozstreku, čo bolo najväčšou nevýhodou tohto drôtu pri aplikáciách MIG (rozstrek vysoko priľnavý k povlaku). TOPTIG nie je určený len na dlhé „húsenky", aby zmenšil deformácie, ale aj na opakované krátke „húsenky", pri ktorých sa musí dbať na maximálnu efektivitu dĺžky.
Záver
Protikorózna ochrana finálnych dielcov je dnes prakticky nevyhnutnosťou aj pri dielcoch, ktoré sa musia zvárať, resp. spájať. Ak ide o priestorové konštrukcie z tenkých plechov, tieto sa vyrábajú len z plechov, ktoré sú povrchovo upravené, najčastejšie pozinkované. V článku sú popísané príčiny problémov vo zváraní zapríčinené zinkom. Pri zváraní sú odporúčané prídavné materiály, ochranné atmosféry a technologický režim, ktorý najmenej poškodí kryciu vrstvu Zn. Rovnako sú spomenuté iné možnosti spájania ako MIG spájkovanie a automatizované TIG zváranie a spájkovanie.
Ing. Miroslav Mucha PhD., IWE
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax