16 października 2021



Porowatość
W obszarze spoiny z aluminium łatwo powstają pęcherze, co jest wielkim problemem przy pracach spawalniczych. Główną przyczyną ich powstawania jest wodór. Ponadto szybkość krzepnięcia jest bardzo duża i dlatego uniemożliwia to wyprowadzenie powstałych pęcherzyków. Rozpuszczalność wodoru podczas krzepnięcia gwałtownie spada (zmniejsza się o 1/20), co powoduje powstawanie porów wewnątrz spoiny, a ze względu na szybkie odprowadzenie ciepła, pory te nie są w stanie wypłynąć na powierzchnię, zanim spoina zakrzepnie.
Za główną przyczynę powstawania porów uznaje się wodór z atmosfery, a także wykraplającą się z otoczenia wilgoć na drucie i materiale rodzimym. Pozostałe źródła wodoru to: ciekły roztwór wodoru w materiałach dodatkowych oraz w materiale rodzimym, przyczepione bądź wchłonięte kropelki wody, związki organiczne oraz warstwa tlenków na powierzchni materiałów dodatkowych i materiałów dodatkowych, wilgoć w osłonie gazowej, wilgoć z powietrza, która przedostała się do atmosfery łuku. Powodem porowatości mogą być także tłuszcze, smary oraz gazy zaokludowane w czasie wytapiania stopu. Dodatek magnezu w stopach sprzyja powstawaniu większej ilości pęcherzy. Rozwiązaniem tego problemu mogą być: zmniejszenie szybkości spawania, zwiększenie prądu spawania lub zwrócenie większej uwagi na przygotowanie materiałów przed spawaniem.
Innymi problemami podczas spawania aluminium są duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, a także wysokie przewodnictwo cieplne utrudniające skupienie energii.

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stopów aluminium
W tabeli 1 podano podstawowe polskie gatunki stopów aluminium. W stopach tych magnez (Mg) i mangan (Mn) poprawiają własności mechaniczne poprzez umocnienie roztworowe, a także poprawiają zdolność do umocnienia poprzez odkształcenie. Dodatek magnezu w siluminach umożliwia obróbkę cieplną odlewów poprzez utwardzanie wydzieleniowe. Przesycanie i starzenie pozwala w niektórych przypadkach podnieść granicę plastyczności prawie dwukrotnie, a wytrzymałość na rozciąganie do 30%. Wynika to z faktu tworzenia się fazy krzemu z magnezem Mg2Si o malejącej rozpuszczalności aluminium w stanie stałym.

tab1
Tab. 1. Produkowane w Polsce stopy aluminium do obróbki plastycznej

Miedź (Cu) podnosi własności mechaniczne, umożliwia umocnienie wydzieleniowe, jednak obniża odporność na korozję, ciągliwość i spawalność. Dodatek miedzi zwiększa twardość i skrawalność, a także wytrzymałość w temperaturach podwyższonych. Fazą utwardzającą jest Al2Cu.
Krzem (Si) polepsza własności odlewnicze, podnosi wytrzymałość i twardość oraz znacznie zwiększa odporność na ścieranie, obniżając jednocześnie przewodnictwo i rozszerzalność cieplną, a dodany z magnezem umożliwia umocnienie wydzieleniowe. Cynk (Zn) podnosi własności wytrzymałościowe, umożliwia umocnienie wydzieleniowe, jednak może powodować korozję naprężeniową i traktowany jest jako zanieczyszczenie. Żelazo (Fe) umacnia czyste aluminium, jednak jest uważane jako zanieczyszczenie, gdyż tworzy w stopie bardzo kruche igły związku Al4Si2Fe, powodując obniżenie wytrzymałości i udarności. Dodatek manganu (Mn)lub kobaltu (Co) zwiększa dyspersję szkodliwej fazy, powodując jednocześnie zwartość kształtu jej ziaren. Chrom (Cr) podnosi odporność na korozję naprężeniową. Nikiel (Ni) podnosi własności wysokotemperaturowe. Tytan (Ti) i cyrkon (Zr) są zarodkami krzepnięcia, przez co powodują rozdrobnienie ziarna; małe ilości są stosowane w materiałach dodatkowych. Lit (Li) podnosi moduł Younga, własności wytrzymałościowe, obniża gęstość, a także umożliwia umocnienie wydzieleniowe /1/.
Do spawania konstrukcji konieczny jest wybór spawalnych stopów aluminium, np. 5085 - blachy, 6082 – profile walcowane. Konstruktorzy często popełniają tu błąd, wybierając stopy aluminium niespawalne. Przy użyciu takich stopów przy grubościach powyżej 20 mm, jedynie włoski drut SAFRA Al Mg4,5 Mn pozwala na uzyskanie spoin bez porów.
tab2_bW tabeli 2 podano dobór materiałów dodatkowych do spawania aluminium. Materiały najpierw dobiera się pod względem odporności na pękanie, a następnie pod względem wytrzymałości i dostosowania do procesów przemian fazowych
Poszczególne wykresy przemian fazowych w zakresie stosowalności omówiono w poprzednim artykule /1/. Jeżeli w danym stopie jest kilka pierwiastków, to w zależności od temperatury wydzielają się fazy trudniej topliwe, a na końcu łatwo topliwe.W pewnym momencie, przy dużym skurczu wysokotemperaturowym zaczyna brakować cieczy i powstają pęknięcia krystalizacyjne. Skłonność do takich pęknięć będzie tym większa, im większy jest zakres temperatur krzepnięcia. Im więcej pierwiastków stopowych o różnych temperaturach krzepnięcia, tym większy zakres krzepnięcia i większa skłonność do pękania krystalizacyjnego. W niższych temperaturach, na skutek zmniejszenia rozpuszczalności niektórych dodatków stopowych, będą się one wydzielać i będą blokować rozrost ziaren, a tym samym będą wpływać na wzrost wytrzymałości stopu. Stopy, które mieszczą się w zakresie zmniejszania rozpuszczalności pierwiastków stopowych, mogą być obrabiane cieplnie.
Przykładowo w Federal Mogul (dawnej WSK Gorzyce), firmie będącej głównym krajowym wytwórcą tłoków, najczęściej stosowanym stopem do produkcji jest okołoeutektyczny silumin AK12 modyfikowany fosforem. Mniejsze zastosowanie mają nadeutektyczne stopy AK18 i AK20, stosowane do produkcji tłoków silników dwusuwowych. Rafinację ciekłego metalu przeprowadza się argonem, chlorem lub mieszanką tych gazów. Utwardzanie dyspersyjne stopu AK12 polega na przesycaniu w temperaturze 500±10 °C przez 3-3,5 godziny, z chłodzeniem w wodzie o temperaturze 80–100 °C,  i starzeniu w temperaturze 200±5 °C przez 6-6,5 godziny, z chłodzeniem (po starzeniu) w powietrzu. W wyniku tej obróbki twardość odlewów osiąga do 120 jednostek Brinella.
Podczas krzepnięcia tłoków wykonanych ze stopu AK12 powstaje struktura złożona z eutektyki krzemowej (α+Si), roztworu stałego α, kryształów krzemu pierwotnego oraz faz międzymetalicznych. Dopuszczalna wielkość wydzieleń krzemu pierwotnego wynosi 60 µm. Pierwsze pierścienie uszczelniające często umieszcza się we wkładkach nośnych wykonanych z żeliwa austenitycznego.