Strihanie hliníkového plechu: Postupy a nástroje

Spájanie hliníka bez špecializovaného vybavenia je v mnohých prípadoch skutočnou výzvou. Pripravte sa na to, že si budete musieť kúpiť špeciálnu spájku alebo spájkovaciu zliatinu určenú pre použitie na hliník alebo na spájanie hliníka s iným kovom v závislosti od vášho projektu.

Spájkovanie hliníka a jeho zliatin je podobné procesu spájkovania iných kovov. Pri výbere taviva však musíte venovať zvýšenú pozornosť, pretože nemôžeme použiť rovnaké tavidlo, aké používame na spájkovanie iných napríklad železných kovov. Okrem toho hliník lepšie absorbuje teplo ako väčšina iných kovov.

Na zvýšenie teploty hliníka preto musíte použiť silný zdroj tepla. Až potom sa spájka (výplňový materiál) roztaví a spojí dva spájané kusy. Nasledujúci článok vysvetľuje rôzne techniky spájkovania hliníka a jeho zliatin a vysvetľuje základný postup tak, aby bol výsledný spoj efektívny.

Najčastejšie sa spájkujú hliníkové zliatiny obsahujúce menej ako 1 % horčíka a 5 % kremíka. Je to preto, že hliníkové zliatiny s vyššou koncentráciou týchto prvkov majú zlé vlastnosti pre zmáčanie taviva. Okrem toho zliatiny s vysokými koncentráciami medi a zinku tiež nie sú vhodné na spájkovanie.

Mnohé štúdie týkajúce sa spájania hliníka s titánom sú založené na zvaro-spájkovaní, keď na strane hliníka dochádza k zváraniu a na strane titánu k spájkovaniu. Výsledná pevnosť v ťahu súvisí s hrúbkou intermetalickej fázy vytvorenej na strane titánu.

Materiály a experimentálny postup

Ako experimentálne materiály boli použité hliníková zliatina EN AW 5083 a komerčne čistý titán Grade 2. Hrúbka plechov bola 2 mm. Pomocou laserového lúča bol vyhotovený tupý zvaro-spájkovaný spoj Ti-Al. Zvarový spoj bol vyhotovený v Centre excelentnosti 5-osového obrábania na Materiálovotechnologickej fakulte v Trnave. Na vyhotovenie Ti-Al spoja bol použitý zvárací drôt 5087 (AlMg4,5MnZr) s priemerom 1,2 mm.

Chemické zloženie je uvedené v tabuľkách 1 až 3 a ich mechanické vlastnosti v tabuľkách 4 a 5.

Laserové zariadenie a parametre zvárania

Zvaro-spájkovaný spoj bol vyhotovený pomocou diskového lasera TruDisk 4002 v kontinuálnom režime zvárania s maximálnym výkonom 2 kW. Vlnová dĺžka laserového žiarenia bola 1,03 μm a kvalita lúča (BPP) 8 mm mrad. Laserový lúč sa viedol cez optické vlákno do optiky BEO D 70 s priemerom 400 μm. Ohnisková vzdialenosť bola 200 mm. Optika bola namontovaná na 6 angulárnom robotovi Fanuc-710iC/50.

Laserový lúč bol fokusovaný 2 mm nad povrchom spájaných materiálov. Tým hustota energie klesla. Ako ochranný plyn bol použitý argón 4.6 s prietokom plynu 18 l/min. Chránený bol povrch a koreň spoja. Laserový lúč bol posunutý od stredovej osi (300 μm) smerom na stranu hliníkovej zliatiny, aby sa zabránilo premiešaniu oboch kovov navzájom. Rýchlosť zvárania bola od 30 mm/s.

Príprava zvaro-spájkovaného spoja

Po metalografickej príprave vyhotoveného spoja bola vzorka priečneho rezu leptaná v Krollovom leptadle s chemickým zložením 2 ml HF + 6 ml HNO3 + 92 ml destilovanej H2O. Makroštruktúra a mikroštruktúra sa analyzovala pomocou svetelného mikroskopu NEOPHOT 32. Na identifikovanie intermetalickej fázy na rozhraní spoja titán - zvarový kov, bol použitý skenovací elektrónový mikroskop JOEL 7600 F s EDX analyzátorom X-max 50 mm2 Oxford Instruments.

Na identifikáciu intermetalických zlúčenín vo zvaro-spájkovanom spoji bola použitá XRD analýza. Na tento účel sa použilo zariadenie PANalytical´s Empyrean s anódou CoKα (λ = 0,178897 nm). Analýza bola vykonaná v štandardnej Θ Bragg-Brantanovej geometrii.

Pred začatím spájkovania hliníka sa musíte uistiť, že kovový povrch je čistý. Musí byť zbavený prachu, mastnoty a iných mexhanických nečistôt. Na čistenie povrchu môžete použiť nerezovú kefu alebo jemnú brúsnu vlnu.

Okrem toho musíte vykonať odmastnenie vhodným rozpúšťadlom, napríklad acetónom, alebo izopropylalkoholom (IPA) aby ste sa uistili, že povrch je dokonale zbavený mastnoty. Pri práci dávajte pozor nakoľko pracujete s potencionálne nebezpečnými chemickými látkami!

Keď používate spájku a tavidlo, robte tak vždy v dobre vetranom priestore, pretože výpary z taviva sú toxické.

Existujú 4 základné techniky spájkovania hliníka.

  1. Kvapalné tavidlo sa vyrába s použitím zmesi organických amínov a anorganických fluoroboritanových solí. Ak chcete menej viskózny tok, môžete pridať chemikálie, ako je napríkld alkohol, aby ste znížili jeho viskozitu. Kvapalné tavidlo je ideálne na indukčné spájkovanie, pretože pri vysokej teplote sa pomerne rýchlo znehodnocuje. Spájkovacia kvapalina na hliník sa používa na mäkké spájkovanie hliníka a jeho zliatin, ideálne v použití so spájkou Sn90Zn.
  2. Pastové tavidlo môžete vytvoriť pridaním chemických spojív do tekutého taviva.
  3. Plnivo s tavivom bude mať vyššiu viskozitu a vyšší obsah pevnej látky. Keď sa toto tavidlo zahreje, zmení sa na tekutú formu. Potom môžete použiť injektor na dávkovanie na kovový povrch.
  4. Organické tavidlo môžete premeniť na spájkovaciu výplňovú kovovú pastu pridaním spájkovacieho prášku a spojív. Môžete ju použiť na spájkovanie hliníkových plechov, ktoré sa používajú v oblastiach s vysokou teplotou. Výplňový materiál v tomto prípade dobre odoláva teplotám až do 420 ºC.

Ako „zvárať“ hliník bez zváračky

Typy spájok:

  1. Nízkoteplotné spájky majú bod topenia v rozmedzí teplôt od 148 ºC až 260 ºC a zvyčajne sú vyrobené zo zinku, cínu, olova a kadmia.
  2. Teplota tavenia tohto druhu spájok je medzi 260 ºC až 371 ºC. Ich základným materiálom je cín alebo kadmium so zinkom. Okrem toho obsahuje aj malé stopové množstvá iných materiálov, ako je olovo, meď, hliník, nikel alebo striebro. Vhodým typom tohto druhu spájok je napríklad špeciálna bezolovnatá spájka Sn70% Zn30%, ktorá je vhodná pre spájkovanie hliníka a má teplotu tavenia 350 °C.
  3. Tieto spájky majú bod tavenia v rozsahu teplôt od 371 ºC až do 426 ºC. Ako základný materiál sa používa zinok a spájka obsahuje 3 až 10 % prímeového hliníka. Okrem toho môže obsahovať aj ďalšie materiály, ako je železo, nikel a striebro. Na základe zloženia týchto materiálov bude mierny rozdiel v ich vlastnostiach topenia a zmáčania. Spájky s najvyšším obsahom zinku majú najväčšiu spojovú pevnosť.

Čistý hliník sa dá pomerne dobre spájkovať, aj keď to nie je práve kov, s ktorým sa pracuje v tomto ohľade ľahko. Mnohé hliníkové predmety sú totiž v skutočnosti hliníkové zliatiny. Väčšina z nich sa dá spájkovať rovnakým spôsobom, ale s niekoľkými z nich je veľmi ťažké pracovať a možno bude potrebné nakoniec vyhľadať služby profesionálneho zvárača.

Ak je hliníková zliatina podľa normy označená písmenom alebo číslom, je možné ju dohľadať a a zistiť, či pre ňu existujú nejaké špecifické požiadavky. Nanešťastie, neoznačené hliníkové zliatiny, ktorých je väčšina je veľmi ťažké ak nie nemožné identifikovať a profesionálne identifikačné príručky sa pravdepodobne oplatia iba vtedy, ak je táto činnosť predmetom vášho podnikamia.

Ak spájate hliník s iným kovom, vlastnosti hliníka sú zvyčajne limitujúcim faktorom, takže presná identifikácia zloženia druhej zliatiny nemusí byť potrebná.

Vyberte vhodnú spájku s nízkym bodom tavenia. Hliník sa topí pri relatívne nízkych teplotách do 660ºC, čo v kombinácii s jeho vysokou tepelnou kapacitou takmer znemožňuje spájkovanie pomocou spájok na všeobecné použitie. Budete preto potrebovať špeciálnu spájku s výrazne nižším bodom tavenia.

Technicky sa prídavné kovy, ktoré sa topia pri teplote vyššej ako 450 °C, spájajú spájkovaním. Spájkovanie je v praxi uprednostňované pre použitie s elektrickými obvodmi.

Použite vždy vhodné tavidlo. Podobne ako spájka, tak aj tavidlo by malo byť špecializované práve pre použitie na hliník alebo na kombináciu kovov, ktoré plánujete spojiť. Najjednoduchšou možnosťou je kúpiť tavidlo od rovnakého výrobcu ako je vaša spájka, pretože je pravdepodobné, že budú navzájom spolupracovať. Odporúčaná teplota pre zvolené tavidlo by mala byť podobná teplote topenia vašej spájky.

Spájkovacie tavidlo zvoľte podľa toho, aká je teplota tavenia vašej spájky, ktorú ste si vybrali.. Niektoré spájkovacie tavivá nie sú určené na použitie na tenké hliníkové plechy alebo drôty.

Vyberte si pre prácu vhodnú spájkovačku. Na spájanie obyčajného hliníkového drôtu môžete použiť spájkovačku, ale na iné práce sa možno bude vyžadovať použitie horáka. Typicky sa používa nízkoteplotný horák s vhodne nastaveným plameňom, ktorý dosahuje 315 až 425 °C.

Svorky alebo malý stolový zverák sú výborná vec, pokiaľ budete potrebovať spájkovať viac ako jeden kus kovu. Pokiaľ budete robiť malé opravy na jednom predmete tiež vám uľahčia manipuláciu a ich fixovanie.

Odporúča sa tiež moriaci roztok alebo špeciálna látka na čistenie oxidov po spájkovaní.

Pripravte si bezpečný pracovný priestor. Chráňte sa pred toxickými výparmi nosením respirátora, alebo masky a prácujte v dobre vetranom priestore. Dôrazne sa odporúča použiť masku na tvár alebo okuliare, rovnako ako kožené rukavice a nesyntetické oblečenie.

Naneste si vrstvu spájky na každú zo spájkovaných častí (podľa potreby). Veľké spoje alebo zložité kombinácie, ako napríklad hliník-oceľ, môžu výrazne profitovať zo spájkovania, respektíve z nanesenia malej vrstvy spájky na každú časť, nakoľko sa tak uľahčí samotné spájkovanie.

Hliník dôkladne očistite kefou z nehrdzavejúcej ocele, nakoľko ten pri kontakte so vzduchom rýchlo tvorí na svojom povrchu oxid hlinitý a táto tenká vrstva oxidu účinne zabraňuje spájkovaniu. Dôkladne ho preto vydrhnite oceľovou kefou. Rovnako buďte pripravení čistiť, taviť a spájkovať v rýchlom slede, aby oxid nedostal ďalšiu príležitosť na opätovné vytvorenie.

Ak spájate dva kusy namiesto toho, aby ste opravovali jeden predmet, spojte tieto kusy dohromady v polohe, v ktorej ich chcete spojiť. Naneste dostatočné množstvo vhodného tavidla. Ihneď po vyčistení kovu naneste tavidlo pozdĺž oblasti, ktorá sa má spájkovať. Tým sa zabráni tvorbe ďalšieho oxidu. Ak spájkujete drôty, ponorte ich do tekutého tavidla.

Začnite postupným zahrievaním kovu. Môžte použite horák, teplovzdušnú pištoľ, alebo spájkovačku na zahriatie kovového predmetu. V blízkosti budúceho spoja, začnite na spodnom konci obrobku. Priamy plameň na mieste opravy pravdepodobne prehreje spájku a tavidlo. Ak používate horák, udržujte ho vo vzdialenosti najmenej 10 až 15 cm od kovu. Neustále pohybujte zdrojom tepla v malých, pomalých kruhoch tak, aby sa oblasť rovnomerne zohriala. Spájkovačkám môže trvať až desať minút, kým sa zohrejú, kým sa dajú použiť.

Začnite nanášať spájku. Väčšina tavív bude bublať a zmení sa na svetlohnedú pastu, či škvarelinu, keď dosiahnu správnu teplotu. Potiahnite tyč alebo drôt spájkovacieho materiálu cez spoj a pokračujte v ohrievaní oblasti nepriamo z opačnej strany kovu alebo blízkeho povrchu. Spájku by ste mali naniesť pozdĺž medzery, ale na vytvorenie rovnomerného lemu je potrebný neustály pomalý pohyb z vašej strany.

Vytvorenie pohľadovo pekného a pevného rovnomerného spoja môže vyžadovať prax. Ak sa spájka nespojí s hliníkom, môže sa stať, že sa na povrchu vytvorí viac oxidu hlinitého, v takom prípade je potrebné ho vyčistiť a okamžite znova prespájkovať.

Ak sa dielo podarilo a pracovali ste správne, tak výsledkom by mal byť dokonalý spoj. Teraz nechajte spoj vychladnúť a odstráňte prebytočné tavidlo a prípadnú novo vzniknutú oxidíciu. Ak používate tavidlo na vodnej báze, môžete tavidlo po vychladnutí opláchnuť vodou. Ak používate tavidlo na báze živice, použite na očistenie acetón.

Hlavnou výhodou spájkovania hliníka je eliminácia potreby samostatného pokovovania hliníka pred spájkovaním.

Spoje z odlišných materiálov, ako napríklad spoje hliníka s titánom, sa využívajú najmä v automobilovom a leteckom priemysle. Tavné spájanie má za následok vytvorenie vyššieho množstva intermetalických fáz ako TiAl, TiAl3 a Ti3Al, ktoré spôsobujú krehkosť a zhoršenie mechanických vlastností spoja.

Titán sa rozpúšťa v hliníku a tvorí väčšinou Al3Ti. Táto intermetalická fáza má nízku pevnosť v porovnaní s TiAl a Ti3Al. Z toho hľadiska tvorba Al3Ti nie je žiaduca počas zvárania [2]. Vhodnou metódou na spojenie titánu s hliníkom je použitie laserového lúča [3]. Malá interakčná zóna a vysoká rýchlosť zvárania podporujú vysokú úroveň tepelných gradientov, ktoré sú užitočné z hľadiska optimalizácie obsahu intermetalických fáz. Takže touto metódou zvárania možno obmedziť premiešanie materiálov.

Povrch a koreň spoja

Povrch a koreň zvaro-spájkovaného spoja je uvedený na obr. 1. Smer zvárania je označený bielou šípkou. Povrch 1(a) a koreň 1(b) spoja bol vyhotovený s výkonom lasera 2 kW, rýchlosťou zvárania 30 mm/s, fokusáciou lúča + 2 mm nad povrchom materiálu a s rýchlosťou podávania drôtu 260 cm/min. Posunutie lúča bolo 300 μm na stranu hliníkového plechu.

Zvarová húsenica má nepravidelný tvar a prítomné je väčšie množstvo kovu zo zváracieho drôtu. Tomashchuk a kol. [5] vo svojom experimente zistili, že posunutie lúča smerom do hliníkovej zliatiny 5754 malo za následok zmenšenie šírky zvaru o 20 %.

Makroštruktúra spoja je uvedená na obr. 2. Z priečneho rezu spoja možno vidieť dve oblasti. Oblasť, kde spoj je spájkovaný a oblasť, kde spoj je zváraný. Na strane hliníkovej zliatiny 5083 došlo ku spájkovaniu, zatiaľ čo na strane komerčne čistého titánu ku zváraniu. Tým, že na strane Ti Grade 2 došlo k spájkovaniu, zabránilo sa tvorbe rastu širšej vrstvy intermetalickej fázy.

Svetelná a elektrónová mikroskopia

Na obr. 3 je uvedené rozhranie spoja Ti Grade 2 - zvarový kov. Ako sme už spomenuli, na tomto mieste došlo k spájkovaniu. Spoj vyhotovený bez posunutia lúča môže byť definovaný ako zvar keďže nastane premiešanie oboch materiálov. Priame tavenie titánu vedie k tvorbe intermetalickej fázy. Preto bolo posunutie laserového lúča o 300 μm smerom do plechu hliníkovej zliatiny.

Vo zvarovom kove sa nachádzajú jemné koherentné precipitáty s matricou hliníka. Na obr. 4 je obrázok zo SEM rozhrania Al 5083 - zvarový kov. Roztavenie zváracieho drôtu 5087 a základného materiálu Al 5083 vytvorilo zvarový kov. K zjemneniu zrna došlo vďaka vysokej rýchlosti ochladzovania.

Treba zdôrazniť, že zirkón pomáha k zjemneniu zrna, ktorý bol prítomný vo zváracom drôte. Rozhranie zvarový kov - Ti Grade 2 je uvedené na obr. 5 (a-d). Ako je znázornené na obr. 5, intermetalická fáza pozostáva z dvoch vrstiev. Tieto mikroštruktúry z rôznych častí rozhrania Ti - zvarový kov A, B, C a D sú uvedené na obr. 2. Je zrejmé, že reakcie na rozhraní sa líšili v závislosti od lokácie.

Kontinuálna tenká intermetalická vrstva bola pozorovaná na rozhraní Ti Grade 2 - zvarový kov. Intermetalická vrstva v zóne I (oblasť označená ako A) vykazuje hrúbku 0,432 μm. V tomto mieste boli namerané najmenšie hrúbky. Táto skutočnosť sa pripisuje tomu, že v tejto zóne pôsobila nižšia hustota energie laserového lúča.

Hrúbka zóny II bola 1,783 μm. V tomto mieste pôsobila najmenšia hustota energie laserového lúča. Pretože najvyššia teplota je v strede laserového lúča, znižuje sa s rastúcou vzdialenosťou od stredu laserového lúča. Hrúbka vrstvy v zóne I (oblasť označená ako B) bola 1,112 μm a zóna II bola 3,786 μm.

Najväčšia hrúbka bola zaznamenaná v strede zváraného materiálu (oblasť označená ako C) kde zóna I bola 1,238 μm a zóna II bola 3,876 μm. Miesto označené ako D malo hrúbku v zóne I 1,228 μm a v zóne II 2,231 μm. Tieto hodnoty sú oveľa nižšie v porovnaní s výsledkami Shouzheng a kol. [6], ktorý študoval spoje vyhotovené pomocou GTAW. Je to spôsobené nižším tepelným príkonom, čo je typické pre laserové zváranie.

V zóne I bola vrstva zložená väčšinou z Ti3Al. Pozorovaná oblasť obsahovala približne 76,58 % Ti a 23,42 % Al. V blízkosti zóny II sa chemické zloženie zmenilo. Tiež sa zmenil vzhľad intermetalickej fázy, bola nespojitá. Druhá vrstva mala nasledujúce zloženie: 63,37 % Al, 35,81 % Al a len 1,12 % Mg.

Prítomnosť TiAl2 by mala byť prítomná vo zvarovom kove. Atómy titánu sa v roztavenom kúpeli zvarového kovu premiešajú s atómami hliníka, čím sa získa vyššie uvedená zlúčenina TiAl2. Shouzheng a kol. [6] pozorovali tri reakčné vrstvy na rozhraní Ti - zvarový kov, pričom materiály spojili pomocou GTAW. Prvá vrstva pozostávala z Ti3Al a ďalšie dve z TiAl a TiAl3.

Mikroštruktúra zvarového kovu blízko základného materiálu hliníkovej zliatiny je tvorená tuhým roztokom α.

XRD analýza

XRD obrazec spoja je uvedený na obr. 6. Analýza potvrdila prítomnosť tetragonálnej intermetalickej zlúčeniny Al3Ti. Ostatné intermetalické fázy neboli zaznamenané v porovnaní s výsledkami z EDX analýzy. Je to pripisované skutočnosti, že tieto intermetalické fázy majú nízku intenzitu v difrakčnom obrazci. Shouzheng a kol. [6] taktiež pozorovali intermetalickú fázu Al3Ti. Ďalej merali aj Ti3Al a TiAl.

tags: #strihanie #hliníkového #plechu #postupy #a #nástroje

Populárne príspevky: